《數(shù)據(jù)庫原理》課件

數(shù)據(jù)庫原理數(shù)據(jù)庫是現(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分。本課程將深入探討數(shù)據(jù)庫原理，包括數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等內(nèi)容。課程目標(biāo)掌握數(shù)據(jù)庫原理了解數(shù)據(jù)庫的基本概念、數(shù)據(jù)模型、關(guān)系數(shù)據(jù)庫理論、SQL語言、事務(wù)處理、安全性等學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)掌握常用的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，例如MySQL、Oracle、PostgreSQL等應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)能夠?qū)?shù)據(jù)庫原理應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)、開發(fā)、管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)什么是數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫是存儲、管理和訪問數(shù)據(jù)的組織化集合，它以結(jié)構(gòu)化的方式存儲信息，方便用戶高效地檢索和使用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫可以是簡單的文本文件、電子表格，也可以是復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS），它們提供數(shù)據(jù)管理、安全控制、數(shù)據(jù)完整性等功能。數(shù)據(jù)庫的基本概念數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是指描述現(xiàn)實(shí)世界中事物的符號，是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)處理的基本對象。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫是存儲、管理和訪問大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，以滿足各種應(yīng)用的需求。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）DBMS是用于創(chuàng)建、維護(hù)、訪問和管理數(shù)據(jù)庫的軟件，提供了數(shù)據(jù)存儲、查詢、更新、安全控制等功能。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、DBMS、應(yīng)用程序和用戶組成，是一個完整的數(shù)據(jù)庫管理環(huán)境。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是一個軟件，負(fù)責(zé)創(chuàng)建、維護(hù)、管理和使用數(shù)據(jù)庫。DBMS提供數(shù)據(jù)存儲、檢索、更新、安全和完整性等功能。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫是存儲和管理數(shù)據(jù)的集合，包含各種信息和數(shù)據(jù)。例如，學(xué)生信息數(shù)據(jù)庫包含學(xué)生姓名、學(xué)號、專業(yè)等信息。應(yīng)用程序應(yīng)用程序使用DBMS訪問和操作數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，例如查詢、更新、刪除數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序可以是網(wǎng)站、移動應(yīng)用或桌面軟件，它們都需要與數(shù)據(jù)庫交互。用戶用戶是與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)交互的最終用戶，通過應(yīng)用程序使用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。用戶可以是學(xué)生、老師、管理員等，他們通過不同的應(yīng)用程序訪問數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)模型11.概念模型描述現(xiàn)實(shí)世界中用戶對數(shù)據(jù)的理解，用E-R圖表示。22.邏輯模型描述數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的組織方式，用關(guān)系模型、層次模型、網(wǎng)狀模型等表示。33.物理模型描述數(shù)據(jù)在存儲介質(zhì)上的具體存儲方式，用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)定義語言(DDL)定義。關(guān)系數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)1關(guān)系模型關(guān)系模型是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)庫模型，其核心是將數(shù)據(jù)組織成二維表格。2元組表格的每一行稱為元組，表示一個數(shù)據(jù)實(shí)體的屬性值集合。3屬性表格的每一列稱為屬性，表示數(shù)據(jù)實(shí)體的某個特征。關(guān)系數(shù)據(jù)模型基本操作關(guān)系數(shù)據(jù)模型提供了一組基本操作，用于對關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，包括數(shù)據(jù)插入、刪除、修改和查詢。1數(shù)據(jù)插入將新數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)表中2數(shù)據(jù)刪除從數(shù)據(jù)表中移除數(shù)據(jù)3數(shù)據(jù)修改更新數(shù)據(jù)表中已有數(shù)據(jù)4數(shù)據(jù)查詢檢索數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)這些操作是關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(RDBMS)的核心，允許用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析。關(guān)系代數(shù)關(guān)系代數(shù)操作符關(guān)系代數(shù)定義一組操作符，用于操作關(guān)系表。選擇操作選擇操作用于從關(guān)系表中選擇滿足特定條件的元組。投影操作投影操作用于從關(guān)系表中選擇指定的屬性列。并集操作并集操作用于將兩個關(guān)系表中的所有元組組合成一個新表。SQL語言結(jié)構(gòu)化查詢語言SQL是一種專門設(shè)計(jì)用于管理關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)化語言，是數(shù)據(jù)操作語言（DML）和數(shù)據(jù)定義語言（DDL）的結(jié)合。數(shù)據(jù)庫管理工具SQL提供了一套強(qiáng)大的功能，用于創(chuàng)建、查詢、更新和刪除數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并管理數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和權(quán)限。數(shù)據(jù)交互通過SQL語句，用戶可以與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行交互，執(zhí)行各種操作，如檢索數(shù)據(jù)、插入新數(shù)據(jù)、修改現(xiàn)有數(shù)據(jù)和刪除數(shù)據(jù)。SQL語句分類數(shù)據(jù)查詢語句從數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)插入語句將新數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)更新語句修改數(shù)據(jù)庫中已存在的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)刪除語句從數(shù)據(jù)庫中刪除數(shù)據(jù)。SELECT語句基本語法SELECT子句指定要查詢的列，可以是單個列或多個列，用逗號分隔。FROM子句指定要查詢的數(shù)據(jù)源，可以是表、視圖或其他查詢結(jié)果。WHERE子句用于篩選符合條件的行，可以包含比較運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符和通配符。ORDERBY子句對查詢結(jié)果進(jìn)行排序，可以指定多個排序列，默認(rèn)升序，可以使用DESC關(guān)鍵字進(jìn)行降序排序。LIMIT子句限制查詢結(jié)果的條數(shù)，例如LIMIT10表示只返回前10條記錄。WHERE條件過濾1條件表達(dá)式使用比較運(yùn)算符或邏輯運(yùn)算符構(gòu)建表達(dá)式2數(shù)據(jù)篩選根據(jù)表達(dá)式結(jié)果選擇滿足條件的數(shù)據(jù)3語法格式WHERE條件表達(dá)式WHERE條件用于從數(shù)據(jù)表中選擇符合特定條件的行。您可以使用比較運(yùn)算符（例如，=、<、>）和邏輯運(yùn)算符（例如，AND、OR）來構(gòu)建條件表達(dá)式，篩選出滿足特定條件的數(shù)據(jù)。例如，SELECT*FROMCustomersWHERECountry='Germany';聚合函數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)聚合函數(shù)對數(shù)據(jù)集進(jìn)行操作，生成單個值。常見函數(shù)常用的聚合函數(shù)包括COUNT、SUM、AVG、MAX、MIN等。應(yīng)用場景聚合函數(shù)可用于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析、匯總信息。連接查詢1自然連接基于兩個表中相同列名的屬性值進(jìn)行連接2等值連接使用WHERE子句指定連接條件3非等值連接使用WHERE子句指定非等值連接條件4外連接保留左表或右表所有元組，即使匹配不到對應(yīng)元組連接查詢是數(shù)據(jù)庫操作中的一種重要方式，用于將兩個或多個表中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來。通過連接查詢，可以獲取多個表中的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的查詢操作。子查詢1定義子查詢是嵌套在另一個查詢語句中的查詢語句，用于獲取所需數(shù)據(jù)，然后將結(jié)果傳遞給外部查詢處理。2類型常見的子查詢類型包括：標(biāo)量子查詢、列子查詢、行子查詢和相關(guān)子查詢。3用途子查詢常用于篩選數(shù)據(jù)、比較值、生成動態(tài)條件，以及獲取相關(guān)信息等，提高查詢效率。視圖定義視圖是一種虛擬表，它基于基表或其他視圖定義。視圖不存儲實(shí)際數(shù)據(jù)，而是基于查詢結(jié)果呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)簡化數(shù)據(jù)訪問，增強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性，提高數(shù)據(jù)一致性。視圖提供了一種安全的機(jī)制，允許用戶訪問部分?jǐn)?shù)據(jù)。存儲過程11.預(yù)編譯代碼塊存儲過程是預(yù)編譯的SQL語句和過程，存儲在數(shù)據(jù)庫中，可供應(yīng)用程序調(diào)用。22.代碼復(fù)用存儲過程可以提高代碼復(fù)用率，減少重復(fù)代碼編寫，簡化應(yīng)用程序開發(fā)。33.提高性能存儲過程在執(zhí)行時只需解析一次，減少了數(shù)據(jù)庫的解析開銷，提高查詢速度。44.增強(qiáng)安全性存儲過程可以限制用戶對數(shù)據(jù)庫的直接訪問，提高數(shù)據(jù)庫安全性。事務(wù)處理概念事務(wù)是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)執(zhí)行的一系列操作。事務(wù)處理用于維護(hù)數(shù)據(jù)庫的完整性，確保數(shù)據(jù)一致性和可靠性。特性原子性一致性隔離性持久性應(yīng)用場景事務(wù)處理應(yīng)用于廣泛的場景，例如銀行轉(zhuǎn)賬、在線購物和航空訂票，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。并發(fā)控制1數(shù)據(jù)一致性多個用戶同時訪問數(shù)據(jù)庫時，確保數(shù)據(jù)一致性，防止數(shù)據(jù)沖突。2并發(fā)訪問允許多個用戶同時訪問數(shù)據(jù)庫，提高系統(tǒng)性能。3事務(wù)隔離隔離級別確保不同事務(wù)之間相互獨(dú)立，不受影響。4鎖機(jī)制使用鎖來控制對數(shù)據(jù)資源的訪問，保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性。鎖機(jī)制排他鎖阻止其他事務(wù)訪問被鎖定的數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)一致性。共享鎖允許多個事務(wù)同時讀取數(shù)據(jù)，但不允許修改。鎖粒度鎖定的數(shù)據(jù)范圍，可控制并發(fā)性，減少鎖沖突。數(shù)據(jù)庫安全性授權(quán)控制用戶只能訪問其授權(quán)的數(shù)據(jù)庫對象。密碼保護(hù)密碼驗(yàn)證確保僅授權(quán)用戶可訪問數(shù)據(jù)庫。審計(jì)跟蹤記錄數(shù)據(jù)庫操作以檢測異?；顒?。數(shù)據(jù)加密加密敏感數(shù)據(jù)以保護(hù)其機(jī)密性。數(shù)據(jù)庫完整性數(shù)據(jù)一致性確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，避免錯誤或不一致信息。數(shù)據(jù)完整性約束通過規(guī)則限制數(shù)據(jù)的錄入和修改，保證數(shù)據(jù)符合預(yù)定要求。數(shù)據(jù)完整性類型包括實(shí)體完整性、參照完整性和域完整性等。數(shù)據(jù)完整性維護(hù)通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）和應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性控制。數(shù)據(jù)庫優(yōu)化原則索引提高查詢效率，減少磁盤I/O操作次數(shù)。數(shù)據(jù)規(guī)范化減少數(shù)據(jù)冗余，提高數(shù)據(jù)一致性。查詢優(yōu)化選擇最佳執(zhí)行計(jì)劃，提高查詢速度。緩存存儲常用數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)庫訪問次數(shù)。索引及其類型11.簡介索引是數(shù)據(jù)庫中用于加快數(shù)據(jù)查找速度的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。22.類型常見類型包括B樹、B+樹、哈希索引等。33.應(yīng)用場景根據(jù)不同的需求和數(shù)據(jù)特點(diǎn)選擇合適的索引類型。44.優(yōu)缺點(diǎn)索引可提高查詢速度，但也會增加寫入操作的成本。B樹和B+樹索引B樹結(jié)構(gòu)B樹是一種平衡的多叉樹，用于磁盤存儲和索引，每個節(jié)點(diǎn)有多個子節(jié)點(diǎn)，減少磁盤訪問次數(shù)。B+樹結(jié)構(gòu)B+樹是B樹的變體，非葉子節(jié)點(diǎn)不存儲數(shù)據(jù)，只存儲索引，葉子節(jié)點(diǎn)包含所有數(shù)據(jù)和索引，提高數(shù)據(jù)檢索效率。數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)備份定期創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫副本，以防數(shù)據(jù)丟失?；謴?fù)使用備份副本還原數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫。備份類型完整備份增量備份差異備份恢復(fù)策略選擇合適的恢復(fù)策略，根據(jù)需求選擇恢復(fù)到特定時間點(diǎn)。數(shù)據(jù)庫管理員職責(zé)數(shù)據(jù)庫管理負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的日常維護(hù)，包括備份、恢復(fù)、性能調(diào)優(yōu)等。確保數(shù)據(jù)庫的正常運(yùn)行和數(shù)據(jù)的安全可靠。數(shù)據(jù)安全制定和實(shí)施數(shù)據(jù)安全策略，防止數(shù)據(jù)泄露、丟失和損壞，保證數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。用戶管理管理數(shù)據(jù)庫用戶權(quán)限，控制用戶對數(shù)據(jù)庫的訪問權(quán)限，確保數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性。性能優(yōu)化分析數(shù)據(jù)庫性能，找出性能瓶頸，并實(shí)施相應(yīng)的優(yōu)化措施，提高數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行效率。案例分析與討論通過真實(shí)的案例分析和討論，深入理解數(shù)據(jù)庫原理的應(yīng)用場景和解決問題的能力。案例分析可以幫助學(xué)生更好地掌握數(shù)據(jù)庫知識，培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力。討論環(huán)節(jié)