《數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)》課件

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)歡迎來到數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)課程，我們將一起探索數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，并學(xué)習(xí)如何構(gòu)建高效、可靠和安全的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)概論什么是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)？數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是指規(guī)劃、設(shè)計(jì)和構(gòu)建數(shù)據(jù)庫的過程，涉及到定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、關(guān)系、約束以及其他相關(guān)要素，以滿足特定應(yīng)用的需求。為什么要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)？數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是構(gòu)建高效、可靠和安全數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟。它能夠確保數(shù)據(jù)的完整性、一致性和可維護(hù)性，并提高系統(tǒng)性能和效率。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的目標(biāo)數(shù)據(jù)完整性確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，防止錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的輸入和更新。數(shù)據(jù)一致性維護(hù)數(shù)據(jù)之間的一致性，防止沖突和矛盾出現(xiàn)。數(shù)據(jù)安全性保護(hù)數(shù)據(jù)不被非法訪問、修改或刪除，確保數(shù)據(jù)安全性和保密性。數(shù)據(jù)可維護(hù)性易于管理和維護(hù)數(shù)據(jù)庫，包括數(shù)據(jù)的備份、恢復(fù)、更新和修改。數(shù)據(jù)可用性保證數(shù)據(jù)庫的可用性，即使在系統(tǒng)故障或異常情況下也能提供數(shù)據(jù)服務(wù)。數(shù)據(jù)性能優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的查詢和更新速度，提高系統(tǒng)性能和響應(yīng)速度。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的流程1需求分析識(shí)別業(yè)務(wù)需求，確定要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。2概念模型設(shè)計(jì)使用概念模型語言（例如ER模型）描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和關(guān)系。3邏輯模型設(shè)計(jì)將概念模型轉(zhuǎn)換為邏輯模型，并選擇合適的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。4物理模型設(shè)計(jì)將邏輯模型轉(zhuǎn)換為物理模型，確定存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、索引和安全策略。5數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)使用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，并導(dǎo)入數(shù)據(jù)。6測(cè)試與優(yōu)化測(cè)試數(shù)據(jù)庫性能，并根據(jù)需要進(jìn)行優(yōu)化。概念數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)概念數(shù)據(jù)模型是一種高層抽象模型，它描述了現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和關(guān)系，而不考慮具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。概念數(shù)據(jù)模型通常使用實(shí)體-關(guān)系模型(ER模型)來表示。ER模型實(shí)體現(xiàn)實(shí)世界中的事物，例如學(xué)生、課程、教師等。關(guān)系實(shí)體之間的聯(lián)系，例如學(xué)生選修課程、教師教授課程等。屬性實(shí)體的特征，例如學(xué)生姓名、課程名稱、教師編號(hào)等。實(shí)體類型1實(shí)體類型一組具有相同屬性和特征的實(shí)體的集合。2實(shí)體實(shí)體類型的一個(gè)具體實(shí)例。3屬性實(shí)體的特征，例如學(xué)生姓名、課程名稱、教師編號(hào)等。屬性1簡(jiǎn)單屬性不可分解的原子屬性，例如學(xué)生的姓名、年齡等。2復(fù)合屬性由多個(gè)簡(jiǎn)單屬性組成的屬性，例如學(xué)生的地址可以分解為街道、城市、省份等。3多值屬性可以取多個(gè)值的屬性，例如學(xué)生可以選修多門課程。4派生屬性由其他屬性推導(dǎo)出來的屬性，例如學(xué)生的年齡可以從學(xué)生的出生日期推算出來。聯(lián)系類型1一對(duì)一一個(gè)實(shí)體只能與另一個(gè)實(shí)體建立一個(gè)聯(lián)系。2一對(duì)多一個(gè)實(shí)體可以與多個(gè)實(shí)體建立聯(lián)系，而另一個(gè)實(shí)體只能與一個(gè)實(shí)體建立聯(lián)系。3多對(duì)多多個(gè)實(shí)體可以與多個(gè)實(shí)體建立聯(lián)系。ER圖的表示實(shí)體類型用矩形表示實(shí)體類型，實(shí)體類型名稱寫在矩形內(nèi)部。屬性用橢圓形表示屬性，屬性名稱寫在橢圓形內(nèi)部，并用直線連接到相應(yīng)的實(shí)體類型。聯(lián)系類型用菱形表示聯(lián)系類型，聯(lián)系類型名稱寫在菱形內(nèi)部，并用直線連接到相應(yīng)的實(shí)體類型。關(guān)系型數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)關(guān)系型數(shù)據(jù)模型是目前使用最廣泛的數(shù)據(jù)模型之一，它將數(shù)據(jù)組織成二維表格，并通過關(guān)系來描述表格之間的聯(lián)系。關(guān)系型數(shù)據(jù)模型采用關(guān)系代數(shù)和關(guān)系演算作為其操作語言。關(guān)系模型的基本概念關(guān)系關(guān)系模型中的基本單位，表示一個(gè)二維表格，包含若干行和列。關(guān)系的每一行稱為元組，每一列稱為屬性。域?qū)傩缘娜≈捣秶鐚W(xué)生姓名域可以是所有合法的姓名。元組關(guān)系中的一行，表示一個(gè)實(shí)體實(shí)例。屬性關(guān)系中的一列，表示實(shí)體的特征。碼關(guān)系中能夠唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)元組的屬性集合。關(guān)系代數(shù)關(guān)系模型的操作語言，用于對(duì)關(guān)系進(jìn)行操作，例如選擇、投影、連接等。關(guān)系代數(shù)選擇從關(guān)系中選擇滿足特定條件的元組。投影從關(guān)系中選擇特定的屬性列。連接將兩個(gè)關(guān)系基于公共屬性進(jìn)行合并。交集求兩個(gè)關(guān)系中相同的元組。并集將兩個(gè)關(guān)系合并，并去除重復(fù)的元組。差集從一個(gè)關(guān)系中刪除另一個(gè)關(guān)系中存在的元組。關(guān)系完整性實(shí)體完整性要求碼屬性不能取空值，確保每個(gè)元組都具有唯一的標(biāo)識(shí)符。參照完整性要求外鍵值必須與主碼值相匹配，確保數(shù)據(jù)之間的一致性和完整性。域完整性要求每個(gè)屬性的取值必須在其對(duì)應(yīng)的域范圍內(nèi)，確保數(shù)據(jù)的有效性和合理性。關(guān)系模型的約束1主鍵約束指定關(guān)系中的主鍵屬性，確保每個(gè)元組都有唯一的標(biāo)識(shí)符。2外鍵約束指定關(guān)系中的外鍵屬性，確保外鍵值與主碼值相匹配。3唯一約束確保關(guān)系中的某個(gè)屬性或?qū)傩越M合的值是唯一的。4檢查約束定義特定條件，用于限制屬性值的范圍或關(guān)系中的數(shù)據(jù)。5默認(rèn)約束指定屬性的默認(rèn)值，當(dāng)插入新元組時(shí)，如果未指定屬性值，則使用默認(rèn)值。數(shù)據(jù)規(guī)范化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)規(guī)范化設(shè)計(jì)是一種設(shè)計(jì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的方法，它通過將數(shù)據(jù)分解成更小的、更簡(jiǎn)單的關(guān)系，來減少數(shù)據(jù)冗余和提高數(shù)據(jù)完整性。規(guī)范化設(shè)計(jì)通常遵循一系列范式，例如第一范式(1NF)、第二范式(2NF)、第三范式(3NF)等。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)規(guī)范化1減少數(shù)據(jù)冗余通過將數(shù)據(jù)分解成更小的關(guān)系，減少數(shù)據(jù)的重復(fù)存儲(chǔ)，提高存儲(chǔ)空間的利用率。2提高數(shù)據(jù)完整性確保數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性，防止數(shù)據(jù)矛盾和沖突的出現(xiàn)。3簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)維護(hù)由于數(shù)據(jù)冗余減少，數(shù)據(jù)維護(hù)更加簡(jiǎn)單，效率更高。4增強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性由于數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)安全更容易控制和管理。5提高查詢效率由于數(shù)據(jù)更合理地組織，查詢速度更快，性能更高。范式理論1第一范式(1NF)每個(gè)屬性都是不可分割的原子屬性。2第二范式(2NF)滿足1NF，并且所有非碼屬性都完全依賴于碼。3第三范式(3NF)滿足2NF，并且所有非碼屬性都不依賴于其他非碼屬性。4BCNF滿足3NF，并且所有決定因素都是候選碼。5第四范式(4NF)滿足BCNF，并且沒有多值依賴。范式分解1分解過程將不滿足更高范式要求的關(guān)系分解成多個(gè)滿足更高范式要求的關(guān)系。2分解原則分解后的關(guān)系必須滿足無損連接和保持依賴性。3分解策略根據(jù)不同的范式要求，選擇不同的分解策略，例如投影分解、連接分解等。邏輯數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)邏輯數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是將概念數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為邏輯數(shù)據(jù)模型的過程，涉及到選擇合適的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并定義關(guān)系模式、數(shù)據(jù)類型、約束等，以確保數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)一致性。關(guān)系模式設(shè)計(jì)1關(guān)系名稱關(guān)系的名稱應(yīng)該簡(jiǎn)潔、清晰，能反映關(guān)系的含義。2屬性選擇合適的屬性，并定義屬性的名稱、數(shù)據(jù)類型和約束。3主鍵定義關(guān)系的主鍵，確保每個(gè)元組都有唯一的標(biāo)識(shí)符。4外鍵定義關(guān)系的外鍵，確保外鍵值與主碼值相匹配。字段類型選擇數(shù)值類型用于存儲(chǔ)數(shù)值數(shù)據(jù)，例如整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)等。字符類型用于存儲(chǔ)文本數(shù)據(jù)，例如姓名、地址等。日期類型用于存儲(chǔ)日期和時(shí)間數(shù)據(jù)。布爾類型用于存儲(chǔ)真假值。索引設(shè)計(jì)加速查詢通過創(chuàng)建索引，可以提高查詢效率，減少查詢時(shí)間。提高數(shù)據(jù)完整性索引可以用于強(qiáng)制約束，確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。優(yōu)化數(shù)據(jù)排序索引可以用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，提高排序效率。減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間索引可以減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，因?yàn)樗饕鎯?chǔ)的是指向數(shù)據(jù)位置的指針，而不是數(shù)據(jù)本身。數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計(jì)是將邏輯數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為物理數(shù)據(jù)模型的過程，涉及到確定存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、索引、安全策略、并發(fā)控制機(jī)制等，以確保數(shù)據(jù)庫高效、可靠地運(yùn)行。存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)中，例如使用文件、文件夾等。表空間將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在表空間中，表空間可以跨多個(gè)物理文件。數(shù)據(jù)塊將數(shù)據(jù)劃分為數(shù)據(jù)塊，每個(gè)數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)固定大小的數(shù)據(jù)。頁將數(shù)據(jù)塊進(jìn)一步劃分為頁，每個(gè)頁存儲(chǔ)固定大小的數(shù)據(jù)。行每個(gè)數(shù)據(jù)行存儲(chǔ)一個(gè)元組。索引設(shè)計(jì)B樹索引用于范圍查詢和排序操作，性能較高，適合大部分場(chǎng)景。哈希索引用于精確匹配查詢，性能很高，但只適合精確匹配查詢。全文索引用于全文搜索，可以快速查找包含特定關(guān)鍵詞的數(shù)據(jù)。查詢性能優(yōu)化索引優(yōu)化創(chuàng)建合適的索引，提高查詢速度。查詢語句優(yōu)化使用更有效的查詢語句，例如使用連接代替子查詢。數(shù)據(jù)預(yù)處理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，例如對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮或排序。數(shù)據(jù)緩存使用緩存機(jī)制，減少磁盤IO次數(shù)。并發(fā)控制設(shè)計(jì)并發(fā)控制設(shè)計(jì)是指協(xié)調(diào)多個(gè)用戶同時(shí)訪問數(shù)據(jù)庫的機(jī)制，確保數(shù)據(jù)的一致性和完整性，避免數(shù)據(jù)沖突和錯(cuò)誤。事務(wù)管理原子性事務(wù)中的所有操作要么全部成功，要么全部失敗。一致性事務(wù)必須保證數(shù)據(jù)庫從一個(gè)一致的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)一致的狀態(tài)。隔離性多個(gè)事務(wù)之間相互隔離，不會(huì)相互影響。持久性事務(wù)一旦提交，其結(jié)果就會(huì)持久地保存到數(shù)據(jù)庫中。鎖機(jī)制共享鎖多個(gè)事務(wù)可以同時(shí)獲得共享鎖，但只能讀取數(shù)據(jù)，不能修改數(shù)據(jù)。排他鎖一個(gè)事務(wù)獲得排他鎖后，其他事務(wù)不能訪問數(shù)據(jù)。日志管理1事務(wù)日志記錄事務(wù)執(zhí)行過程中所有操作的日志信息，用于恢復(fù)數(shù)據(jù)。2日志文件存儲(chǔ)事務(wù)日志的物理文件。3日志記錄每個(gè)日志記錄包含事務(wù)ID、操作類型、數(shù)據(jù)變化等信息。4日志恢復(fù)使用事務(wù)日志恢復(fù)數(shù)據(jù)，例如回滾事務(wù)或重做事務(wù)。備份與恢復(fù)設(shè)計(jì)備份與恢復(fù)設(shè)計(jì)是指定期備份數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)故障或數(shù)據(jù)丟失時(shí)恢復(fù)數(shù)據(jù)的機(jī)制，確保數(shù)據(jù)安全性和可用性。備份策略完全備份備份整個(gè)數(shù)據(jù)庫，包括所有數(shù)據(jù)和日志文件。增量備份備份自上次完全備份或增量備份以來發(fā)生的變化。差異備份備份自上次完全備份以來發(fā)生的所有變化，包括增量備份和日志文件。恢復(fù)策略完全恢復(fù)使用完全備份和最新的日志文件恢復(fù)數(shù)據(jù)庫。增量恢復(fù)使用完全備份和增量備份文件恢復(fù)數(shù)據(jù)庫。差異恢復(fù)使用完全備份和差異備份文件恢復(fù)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫安全設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫安全設(shè)計(jì)是指保護(hù)數(shù)據(jù)庫免受非法訪問、修改或刪除的機(jī)制，確保數(shù)據(jù)的保密性、完整性和可用性。訪問控制1用戶身份驗(yàn)證驗(yàn)證用戶的身份，確保只有授權(quán)用戶才能訪問數(shù)據(jù)庫。2權(quán)限管理為用戶分配不同的權(quán)限，限制用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作。3審計(jì)跟蹤記錄用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作，用于安全審計(jì)和追蹤。審計(jì)機(jī)制數(shù)據(jù)訪問審計(jì)記錄用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問操作，例如查詢、插入、更新、刪除等。數(shù)據(jù)修改審計(jì)記錄用戶對(duì)數(shù)據(jù)的修改操作