【大學(xué)課件】數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)是用于創(chuàng)建、維護(hù)和訪問數(shù)據(jù)庫的軟件系統(tǒng)。DBMS允許用戶存儲(chǔ)、檢索、更新和刪除數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。什么是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的工具數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）是用于創(chuàng)建、維護(hù)和訪問數(shù)據(jù)庫的軟件。組織和管理數(shù)據(jù)DBMS幫助組織和管理數(shù)據(jù)，使其易于訪問、更新和檢索。各種應(yīng)用場(chǎng)景DBMS應(yīng)用于各種場(chǎng)景，如銀行、電商、社交媒體、醫(yī)療保健等。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)庫服務(wù)器數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。它通常運(yùn)行在強(qiáng)大的硬件和操作系統(tǒng)上，并提供高效的數(shù)據(jù)訪問和存儲(chǔ)功能。數(shù)據(jù)庫軟件數(shù)據(jù)庫軟件是管理數(shù)據(jù)庫的軟件，它提供創(chuàng)建、維護(hù)、查詢和訪問數(shù)據(jù)庫的功能。它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的組織、存儲(chǔ)和管理。用戶界面用戶界面提供用戶與數(shù)據(jù)庫交互的方式。它可以是圖形化的界面，也可以是命令行界面，方便用戶管理和操作數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)連接允許多個(gè)用戶通過網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同工作。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、組織和管理數(shù)據(jù)。它提供數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如表、索引和視圖，以有效地存儲(chǔ)和訪問數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)訪問和檢索數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)允許用戶查詢和檢索存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并提供各種查詢語言，例如SQL，以實(shí)現(xiàn)靈活的數(shù)據(jù)訪問。數(shù)據(jù)完整性和一致性數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)通過實(shí)施數(shù)據(jù)完整性約束，例如主鍵和外鍵，來確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，并防止數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)安全性數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供安全機(jī)制，例如用戶身份驗(yàn)證、訪問控制和數(shù)據(jù)加密，以保護(hù)數(shù)據(jù)免受未經(jīng)授權(quán)的訪問和修改。數(shù)據(jù)庫模型層次模型層次模型是一種樹狀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)之間存在一對(duì)多的關(guān)系。它具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，易于理解和實(shí)現(xiàn)，但難以表達(dá)復(fù)雜的關(guān)系。網(wǎng)狀模型網(wǎng)狀模型是一種更靈活的模型，允許數(shù)據(jù)之間存在多對(duì)多的關(guān)系。它可以表達(dá)更復(fù)雜的關(guān)系，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以維護(hù)。關(guān)系模型關(guān)系模型是目前最常用的數(shù)據(jù)庫模型，它將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在關(guān)系表中，每個(gè)關(guān)系表都有一個(gè)主鍵，用于唯一標(biāo)識(shí)每條記錄。它簡(jiǎn)單易懂，易于擴(kuò)展和維護(hù)。層次模型1樹狀結(jié)構(gòu)層次模型以樹狀結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)記錄類型，并具有唯一的上級(jí)節(jié)點(diǎn)。2一對(duì)多關(guān)系層次模型通過一對(duì)多關(guān)系連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)，例如，部門與員工之間存在一對(duì)多關(guān)系。3數(shù)據(jù)共享層次模型允許數(shù)據(jù)共享，但共享范圍有限，通常僅限于同一層級(jí)或父節(jié)點(diǎn)下的子節(jié)點(diǎn)。4數(shù)據(jù)完整性層次模型通過層級(jí)結(jié)構(gòu)保證數(shù)據(jù)的完整性，但難以表達(dá)復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系。網(wǎng)狀模型層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以樹形結(jié)構(gòu)組織，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有多個(gè)父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)。復(fù)雜關(guān)系允許數(shù)據(jù)之間存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，例如一對(duì)多、多對(duì)多等。數(shù)據(jù)冗余由于數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)冗余度較高，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)一致性問題。數(shù)據(jù)獨(dú)立性低數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的修改會(huì)影響應(yīng)用程序，不利于系統(tǒng)維護(hù)和擴(kuò)展。關(guān)系模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系模型使用二維表格來表示數(shù)據(jù)，表中的每一行代表一個(gè)記錄，每一列代表一個(gè)屬性。數(shù)據(jù)操作關(guān)系模型使用關(guān)系代數(shù)或結(jié)構(gòu)化查詢語言(SQL)進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，例如插入、刪除、更新和查詢數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)完整性關(guān)系模型通過定義數(shù)據(jù)約束來確保數(shù)據(jù)的一致性和完整性，例如主鍵約束、外鍵約束和數(shù)據(jù)類型約束。優(yōu)點(diǎn)關(guān)系模型簡(jiǎn)單易懂，易于維護(hù)，具有良好的數(shù)據(jù)完整性和一致性。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)物理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理，包括存儲(chǔ)設(shè)備、文件組織、數(shù)據(jù)訪問方法等。邏輯層描述數(shù)據(jù)類型、結(jié)構(gòu)和關(guān)系，用戶可以通過數(shù)據(jù)模型來訪問數(shù)據(jù)。應(yīng)用層為用戶提供與數(shù)據(jù)庫交互的界面，包括應(yīng)用程序、查詢語言和工具。物理層存儲(chǔ)設(shè)備物理層使用各種存儲(chǔ)設(shè)備，如磁盤、磁帶、固態(tài)硬盤，將數(shù)據(jù)永久保存。存儲(chǔ)設(shè)備提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的物理介質(zhì)，是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)設(shè)備上的組織方式，提供文件操作的接口。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)通過文件系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)，并進(jìn)行管理和操作。邏輯層數(shù)據(jù)模型描述數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和關(guān)系，例如關(guān)系模型、層次模型、網(wǎng)狀模型等。數(shù)據(jù)類型定義數(shù)據(jù)庫中不同數(shù)據(jù)項(xiàng)的類型，例如整數(shù)、字符串、日期等。數(shù)據(jù)完整性保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，包括實(shí)體完整性、參照完整性等。應(yīng)用層1用戶界面提供用戶與數(shù)據(jù)庫交互的界面。用戶可以通過應(yīng)用程序、命令行工具或圖形界面訪問數(shù)據(jù)庫。2應(yīng)用軟件應(yīng)用程序利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的接口，完成特定的任務(wù)，例如數(shù)據(jù)查詢、更新、報(bào)表生成等。3數(shù)據(jù)訪問層負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行通信，將用戶的請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫操作指令。4數(shù)據(jù)模型定義了數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和關(guān)系，為應(yīng)用程序提供訪問和操作數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)定義語言(DDL)數(shù)據(jù)定義語言(DDL)DDL用于創(chuàng)建、修改和刪除數(shù)據(jù)庫對(duì)象，如表、視圖、索引和存儲(chǔ)過程等。DDL操作會(huì)立即生效，并持久存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)操縱語言(DML)數(shù)據(jù)插入DML用于向數(shù)據(jù)庫表中插入新的數(shù)據(jù)記錄。數(shù)據(jù)更新DML用于修改現(xiàn)有數(shù)據(jù)記錄中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)刪除DML用于從數(shù)據(jù)庫表中刪除數(shù)據(jù)記錄。數(shù)據(jù)查詢DML用于檢索數(shù)據(jù)庫表中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)控制語言(DCL)權(quán)限管理DCL用于管理數(shù)據(jù)庫用戶的訪問權(quán)限和操作權(quán)限，例如創(chuàng)建用戶、授權(quán)、回收權(quán)限等。數(shù)據(jù)安全DCL通過控制用戶訪問數(shù)據(jù)的方式，確保數(shù)據(jù)完整性和安全性，防止惡意訪問和數(shù)據(jù)泄露。數(shù)據(jù)完整性DCL可通過約束條件和觸發(fā)器來確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性，防止數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和非法操作。事務(wù)管理原子性事務(wù)是一個(gè)不可分割的工作單元。一致性事務(wù)執(zhí)行前后，數(shù)據(jù)庫必須保持一致性狀態(tài)。隔離性多個(gè)事務(wù)并發(fā)執(zhí)行時(shí)，互不干擾。持久性事務(wù)一旦提交，其結(jié)果必須永久保存。并發(fā)控制多用戶訪問多個(gè)用戶可能同時(shí)訪問數(shù)據(jù)庫，需要確保數(shù)據(jù)一致性。事務(wù)隔離不同事務(wù)之間的操作相互隔離，避免相互影響。數(shù)據(jù)完整性并發(fā)控制機(jī)制保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性。故障恢復(fù)數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫故障會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，影響業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)。備份與恢復(fù)定期備份數(shù)據(jù)庫，并在故障發(fā)生后進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，確保數(shù)據(jù)安全。日志記錄記錄數(shù)據(jù)庫操作日志，以便在故障發(fā)生后進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。容錯(cuò)機(jī)制采用冗余備份、主備切換等機(jī)制，提高數(shù)據(jù)庫的可靠性和容錯(cuò)能力。數(shù)據(jù)庫安全性數(shù)據(jù)加密保護(hù)敏感信息，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問。訪問控制限制用戶對(duì)數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限，確保數(shù)據(jù)完整性。審計(jì)跟蹤記錄所有數(shù)據(jù)庫操作，用于識(shí)別安全問題。權(quán)限管理用戶身份驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)會(huì)驗(yàn)證用戶的身份，確保只有授權(quán)的用戶才能訪問數(shù)據(jù)。身份驗(yàn)證通常使用用戶名和密碼。訪問控制數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶的權(quán)限，控制用戶可以訪問哪些數(shù)據(jù)。例如，某些用戶可能只能讀取數(shù)據(jù)，而其他用戶則可以修改數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)11.定期備份定期備份數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，以防止數(shù)據(jù)丟失。22.備份策略根據(jù)數(shù)據(jù)重要性和業(yè)務(wù)需求，制定不同的備份策略。33.恢復(fù)方案制定詳細(xì)的恢復(fù)方案，確保數(shù)據(jù)能夠快速恢復(fù)。44.備份驗(yàn)證定期進(jìn)行備份驗(yàn)證，確保備份數(shù)據(jù)的完整性和有效性。大數(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫難以應(yīng)對(duì)海量數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)時(shí)代，新的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。NoSQL數(shù)據(jù)庫非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫NoSQL是“NotOnlySQL”的縮寫，它是一種非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，不遵循關(guān)系數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)SQL查詢語言，而是采用其他數(shù)據(jù)模型，例如鍵值對(duì)、文檔、圖形和列存儲(chǔ)。靈活性和可擴(kuò)展性NoSQL數(shù)據(jù)庫提供了高度的靈活性和可擴(kuò)展性，能夠更好地處理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，例如社交媒體數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)和地理空間數(shù)據(jù)。性能優(yōu)勢(shì)NoSQL數(shù)據(jù)庫通常比關(guān)系型數(shù)據(jù)庫具有更高的性能，因?yàn)樗鼈兛梢愿行У靥幚泶笠?guī)模數(shù)據(jù)集。云數(shù)據(jù)庫優(yōu)勢(shì)云數(shù)據(jù)庫提供靈活的擴(kuò)展性和成本效益，按需使用?？捎眯栽茢?shù)據(jù)庫通常具有高可用性，保證數(shù)據(jù)安全性和服務(wù)可靠性。管理云數(shù)據(jù)庫服務(wù)提供商管理基礎(chǔ)設(shè)施，減少維護(hù)和管理工作。類型常見云數(shù)據(jù)庫類型包括關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（RDS）、NoSQL數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫等。分布式數(shù)據(jù)庫11.數(shù)據(jù)分布將數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，提高存儲(chǔ)容量和性能。22.并行處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)處理數(shù)據(jù)，提高處理效率，降低延遲。33.高可用性即使部分節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，系統(tǒng)依然可以正常運(yùn)行。44.可擴(kuò)展性通過添加節(jié)點(diǎn)來擴(kuò)展系統(tǒng)容量，滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則旨在確保數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)高效、可靠、安全、易于維護(hù)和擴(kuò)展。這些原則指導(dǎo)數(shù)據(jù)庫開發(fā)人員創(chuàng)建結(jié)構(gòu)合理、功能強(qiáng)大、符合用戶需求的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。數(shù)據(jù)需求分析數(shù)據(jù)需求分析是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，也是最關(guān)鍵的一步。1明確業(yè)務(wù)需求理解業(yè)務(wù)目標(biāo)和需求2識(shí)別數(shù)據(jù)實(shí)體確定需要存儲(chǔ)的實(shí)體和屬性3定義數(shù)據(jù)關(guān)系分析實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系4制定數(shù)據(jù)模型根據(jù)關(guān)系設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型通過對(duì)業(yè)務(wù)需求的深入分析，可以明確數(shù)據(jù)庫需要存儲(chǔ)哪些數(shù)據(jù)，以及這些數(shù)據(jù)之間如何關(guān)聯(lián)。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1識(shí)別實(shí)體確定數(shù)據(jù)模型中需要表示的現(xiàn)實(shí)世界對(duì)象2識(shí)別屬性確定實(shí)體的特性和描述信息3識(shí)別關(guān)系確定實(shí)體之間的關(guān)聯(lián)和聯(lián)系4建立E-R圖用圖形方式表示實(shí)體、屬性和關(guān)系概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的第一步，它描述了數(shù)據(jù)模型的總體結(jié)構(gòu)，獨(dú)立于具體的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1關(guān)系模式設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，需要將概念模型轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型，定義每個(gè)關(guān)系模式的屬性、主鍵和外鍵。2數(shù)據(jù)類型選擇根據(jù)每個(gè)屬性的特性，選擇合適的數(shù)據(jù)類型，例如整數(shù)、字符、日期等。3完整性約束定義為關(guān)系模式添加完整性約束，例如主鍵約束、外鍵約束和數(shù)據(jù)類型約束，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后一步，它將邏輯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為物理存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。這一步驟涉及選擇合適的存儲(chǔ)設(shè)備、文件組織方式、索引方法等，以確保數(shù)據(jù)庫的性能、可靠性和安全性。1存儲(chǔ)設(shè)備選擇磁盤、SSD、云存儲(chǔ)2文件組織順序文件、索引文件、哈希文件3索引方法B樹、哈希索引物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要權(quán)衡性能、存儲(chǔ)成本和維護(hù)成本等因素。經(jīng)驗(yàn)豐富的數(shù)據(jù)庫管理員能夠根據(jù)具體需求選擇最優(yōu)的物理結(jié)構(gòu)，從而提高數(shù)據(jù)庫的整體效率。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)云數(shù)據(jù)庫的普及云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)