高級數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)第一章簡介

高級數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)第一章簡介CATALOGUE目錄數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型與關(guān)系模型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)組成和功能數(shù)據(jù)庫安全性與完整性保護(hù)并發(fā)控制與恢復(fù)技術(shù)簡介分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述總結(jié)與展望01數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述定義數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DatabaseSystem，簡稱DBS）是由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶等部分組成的存儲、管理、處理和維護(hù)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。特點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、數(shù)據(jù)共享性高、數(shù)據(jù)獨立性高、數(shù)據(jù)由DBMS統(tǒng)一管理和控制等。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)定義與特點123數(shù)據(jù)不保存、應(yīng)用程序管理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)不共享、數(shù)據(jù)不具有獨立性。人工管理階段數(shù)據(jù)可以長期保存、由文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)共享性差，冗余度大、數(shù)據(jù)獨立性差。文件系統(tǒng)階段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、數(shù)據(jù)的共享性高，冗余度低，易擴(kuò)充、數(shù)據(jù)獨立性高、數(shù)據(jù)由DBMS統(tǒng)一管理和控制。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展歷程分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)分布在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點上，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點具有獨立處理的能力，可以執(zhí)行局部應(yīng)用，同時每個節(jié)點也能通過網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)執(zhí)行全局應(yīng)用。多媒體數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)多媒體數(shù)據(jù)庫是多媒體技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的一種新型數(shù)據(jù)庫。它存儲的數(shù)據(jù)類型包括文本、圖像、聲音、視頻等多媒體數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)量大、處理復(fù)雜等特點。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)發(fā)展的一個分支，它適用于處理不斷更新的快速變化的數(shù)據(jù)及具有時間限制的事務(wù)處理。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對時間和數(shù)據(jù)的一致性要求很高。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫技術(shù)與面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法相結(jié)合的產(chǎn)物。高級數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域02數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)外模式也稱用戶模式，是數(shù)據(jù)庫用戶能夠看見和使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。模式也稱邏輯模式，是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。內(nèi)模式也稱存儲模式，是數(shù)據(jù)物理結(jié)構(gòu)和存儲方式的描述，是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的表示方式。三級模式結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)的邏輯獨立性，即當(dāng)模式改變時，只要修改外模式/模式映像，就可以使外模式保持不變，從而應(yīng)用程序不必修改。保證了數(shù)據(jù)的物理獨立性，即當(dāng)數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)改變時，只要修改模式/內(nèi)模式映像，就可以使模式保持不變，從而應(yīng)用程序也不必修改。兩級映像與數(shù)據(jù)獨立性模式/內(nèi)模式映像外模式/模式映像數(shù)據(jù)存儲在單一的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理，用戶通過客戶端應(yīng)用程序訪問數(shù)據(jù)庫。集中式數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分布在多個數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，每個服務(wù)器都可以獨立地處理本地數(shù)據(jù)，同時也可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問其他服務(wù)器中的數(shù)據(jù)。分布式數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)客戶端應(yīng)用程序負(fù)責(zé)與用戶交互，服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理?？蛻舳送ㄟ^網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器，向服務(wù)器發(fā)送請求并接收響應(yīng)?？蛻舳?服務(wù)器數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)用戶通過瀏覽器訪問數(shù)據(jù)庫，瀏覽器向Web服務(wù)器發(fā)送請求，Web服務(wù)器再與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器交互，最終將結(jié)果返回給瀏覽器。瀏覽器/服務(wù)器數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)常見數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)類型03數(shù)據(jù)模型與關(guān)系模型數(shù)據(jù)模型是對現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)特征的抽象，用來描述數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)聯(lián)系、數(shù)據(jù)操作以及數(shù)據(jù)一致性約束的概念工具的集合。數(shù)據(jù)模型定義數(shù)據(jù)模型可以分為層次模型、網(wǎng)狀模型、關(guān)系模型、面向?qū)ο竽Ｐ偷?。其中，關(guān)系模型是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)模型分類數(shù)據(jù)模型概念及分類關(guān)系模型基本原理關(guān)系模型基本概念關(guān)系模型由關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、關(guān)系操作集合和關(guān)系完整性約束三部分組成。在關(guān)系模型中，現(xiàn)實世界的實體以及實體間的各種聯(lián)系均用關(guān)系來表示。關(guān)系模型特點關(guān)系模型具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、清晰，操作方便、易于維護(hù)等優(yōu)點。同時，關(guān)系模型還支持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性約束，保證了數(shù)據(jù)的正確性和一致性。關(guān)系代數(shù)關(guān)系代數(shù)是一種抽象的查詢語言，用對關(guān)系的運算來表達(dá)查詢。關(guān)系代數(shù)運算包括選擇、投影、連接、除法等基本操作。關(guān)系演算關(guān)系演算是一種以數(shù)理邏輯為基礎(chǔ)的形式化查詢語言，包括元組關(guān)系演算和域關(guān)系演算兩種。關(guān)系演算可以表達(dá)復(fù)雜的查詢需求，并且具有強(qiáng)大的表達(dá)能力。關(guān)系代數(shù)與關(guān)系演算04數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)組成和功能數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）是一種用于存儲、檢索和管理數(shù)據(jù)的軟件系統(tǒng)。定義發(fā)展歷程核心功能從文件系統(tǒng)到層次模型、網(wǎng)狀模型，再到關(guān)系模型的發(fā)展過程。數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)控制和管理等。030201數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)概述存儲管理器概述負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)庫中的物理存儲，確保數(shù)據(jù)的持久性和可靠性。數(shù)據(jù)存儲將邏輯數(shù)據(jù)映射到物理存儲介質(zhì)上，如磁盤、SSD等。索引管理創(chuàng)建和維護(hù)索引，以加速數(shù)據(jù)的檢索速度。事務(wù)管理確保并發(fā)事務(wù)的正確執(zhí)行，維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性和完整性。存儲管理器組件及功能查詢處理器概述將用戶提交的查詢語句轉(zhuǎn)換為內(nèi)部表示形式，便于后續(xù)處理。查詢解析查詢優(yōu)化查詢執(zhí)行01020403按照查詢執(zhí)行計劃從數(shù)據(jù)庫中檢索數(shù)據(jù)，并返回給用戶。負(fù)責(zé)解析和執(zhí)行用戶提交的查詢請求。選擇最優(yōu)的查詢執(zhí)行計劃，以提高查詢效率。查詢處理器組件及功能05數(shù)據(jù)庫安全性與完整性保護(hù)用戶身份鑒別存取控制策略審計追蹤加密存儲安全性控制策略和方法通過用戶名和密碼、生物特征等方式驗證用戶身份，防止非法用戶訪問數(shù)據(jù)庫。記錄用戶對數(shù)據(jù)庫的所有操作，以便事后分析和追查潛在的安全問題?；谟脩羯矸莺徒巧?，對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同級別的訪問控制，包括讀取、修改、刪除等操作。對敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行加密存儲，確保即使數(shù)據(jù)被竊取也無法輕易解密。參照完整性維護(hù)不同表之間數(shù)據(jù)的一致性，確保外鍵列中的數(shù)據(jù)必須對應(yīng)另一張表的主鍵列中的有效值。用戶自定義完整性根據(jù)應(yīng)用需求，定義特定的規(guī)則來約束數(shù)據(jù)的有效性和正確性，如唯一性約束、檢查約束等。實體完整性確保數(shù)據(jù)庫表中的每一行數(shù)據(jù)都代表一個唯一的實體，通常通過主鍵約束實現(xiàn)。完整性約束條件分類視圖機(jī)制在安全性保護(hù)中應(yīng)用數(shù)據(jù)隱藏通過視圖只展示部分?jǐn)?shù)據(jù)列或行，隱藏敏感信息，防止用戶直接訪問底層表數(shù)據(jù)。權(quán)限控制基于視圖進(jìn)行權(quán)限控制，只授予用戶訪問視圖的權(quán)限，而不是直接訪問底層表的權(quán)限，從而限制用戶的訪問范圍。簡化復(fù)雜查詢視圖可以封裝復(fù)雜的SQL查詢語句，使用戶只需通過簡單的查詢語句即可獲取所需數(shù)據(jù)，同時保護(hù)底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不被直接暴露。數(shù)據(jù)抽象視圖提供了一種數(shù)據(jù)抽象層，允許開發(fā)人員不直接與底層數(shù)據(jù)表交互，而是通過視圖進(jìn)行操作，提高了數(shù)據(jù)的安全性和可維護(hù)性。06并發(fā)控制與恢復(fù)技術(shù)簡介03并發(fā)控制的難度需要權(quán)衡系統(tǒng)的吞吐量和事務(wù)的響應(yīng)時間，同時考慮死鎖和活鎖等問題。01事務(wù)并發(fā)執(zhí)行帶來的問題多個事務(wù)同時訪問數(shù)據(jù)庫時，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致、丟失更新等問題。02并發(fā)控制的需求確保事務(wù)的隔離性，即并發(fā)執(zhí)行的事務(wù)不會互相干擾，保證數(shù)據(jù)庫的一致性。并發(fā)控制問題描述鎖機(jī)制01通過對數(shù)據(jù)對象加鎖來實現(xiàn)并發(fā)控制，包括共享鎖和排他鎖。鎖機(jī)制可以有效防止數(shù)據(jù)不一致和丟失更新等問題，但可能導(dǎo)致死鎖和活鎖。時間戳排序方法02為每個事務(wù)分配一個唯一的時間戳，根據(jù)時間戳的順序來決定事務(wù)的執(zhí)行順序。時間戳排序方法可以避免死鎖和活鎖問題，但需要復(fù)雜的時間戳管理和沖突解決機(jī)制。鎖機(jī)制與時間戳排序方法的比較03鎖機(jī)制簡單易實現(xiàn)，但可能導(dǎo)致死鎖和活鎖；時間戳排序方法可以避免死鎖和活鎖，但實現(xiàn)復(fù)雜且需要額外的時間戳管理開銷。鎖機(jī)制和時間戳排序方法故障類型包括事務(wù)故障、系統(tǒng)故障和介質(zhì)故障等。事務(wù)故障可能導(dǎo)致事務(wù)非正常終止；系統(tǒng)故障可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫處于不一致狀態(tài)；介質(zhì)故障可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。恢復(fù)策略根據(jù)故障類型采取相應(yīng)的恢復(fù)策略，如事務(wù)回滾、系統(tǒng)重啟和數(shù)據(jù)恢復(fù)等。事務(wù)回滾可以撤銷未完成事務(wù)對數(shù)據(jù)庫的修改；系統(tǒng)重啟可以恢復(fù)數(shù)據(jù)庫到一致性狀態(tài)；數(shù)據(jù)恢復(fù)可以從備份中恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)。技術(shù)手段包括日志技術(shù)、備份技術(shù)和恢復(fù)技術(shù)等。日志技術(shù)可以記錄事務(wù)的操作和數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)變化，用于故障恢復(fù)；備份技術(shù)可以定期備份數(shù)據(jù)庫，防止數(shù)據(jù)丟失；恢復(fù)技術(shù)可以根據(jù)日志和備份恢復(fù)數(shù)據(jù)庫到一致性狀態(tài)。故障恢復(fù)策略和技術(shù)手段07分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述VS分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一個集成多個物理上分散而邏輯上集中的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的集合，這些數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接并協(xié)調(diào)工作，以實現(xiàn)全局應(yīng)用的數(shù)據(jù)管理和處理任務(wù)。特點物理分布性、邏輯整體性、站點自治性、數(shù)據(jù)共享性、通信網(wǎng)絡(luò)依賴性等。定義分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)定義和特點異構(gòu)型分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)各個站點使用不同的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)模型，需要解決數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和互操作問題。網(wǎng)格型分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)各個站點之間構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，沒有明顯的層次關(guān)系，站點之間可以直接通信和協(xié)作。層次型分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)按照層次結(jié)構(gòu)組織站點，上層數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對下層數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有管理和控制作用。同構(gòu)型分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)各個站點使用相同的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)模型，便于數(shù)據(jù)共享和互操作。分布式數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)類型查詢處理分布式查詢處理需要解決站點間數(shù)據(jù)通信、查詢分解與合并、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等問題，以實現(xiàn)全局查詢的正確執(zhí)行。查詢優(yōu)化分布式查詢優(yōu)化需要考慮各個站點的數(shù)據(jù)分布、處理能力、通信開銷等因素，以選擇最優(yōu)的查詢執(zhí)行計劃，提高查詢效率。優(yōu)化策略包括基于代價的查詢優(yōu)化、半連接查詢優(yōu)化、并行查詢優(yōu)化等。分布式查詢處理和優(yōu)化策略08總結(jié)與展望分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)隨著云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)成為主流，能夠處理海量數(shù)據(jù)和高并發(fā)請求。多模型數(shù)據(jù)庫支持多種數(shù)據(jù)模型，如關(guān)系型、鍵值對、文檔、圖等，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。智能化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的自動優(yōu)化、智能查詢和故障預(yù)測等功能。高級數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)發(fā)展趨勢云計算提供了彈性可擴(kuò)展的計算和存儲資源，使得數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以更加靈活地部署和擴(kuò)展。云計算技術(shù)大數(shù)據(jù)技術(shù)對于處理海量數(shù)據(jù)提供了有效的手段，對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的性能和擴(kuò)展性提出了更高的要求。大數(shù)據(jù)技術(shù)人工智能技術(shù)在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以更加智能化地管理和優(yōu)化數(shù)據(jù)。人工智能技術(shù)010203新興技術(shù)對數(shù)據(jù)庫影響分析隨著數(shù)據(jù)量的不斷增加，數(shù)據(jù)隱私和安全問題越來越突出，