数据库原理简单基础入门

数据库数据特点

Massive 数据量大
Presistent 持久
Safe 安全
Multi-user 多用户
convenient 方便
Efficient 高效
feliable 可靠

一个数据库网站

https://db-engines.com/en/

数据库的基础概念

数据和信息

信息：客观事物的存在方式和状态
数据：用来记录信息的可识别的符号是信息的具体表现形式
数据与信息的连接：数据是信息的载体信息是数据的内涵

数据库数据管理系统数据库系统数据库管理员

数据库：
是长期存储在计算机内有组织的可共享，可存储，可读写的数据集合
数据库管理系统：
用户与操作系统之间的一层数据管理软件

数据库系统的体系结构

三层模式两层印象

逻辑模式：数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，逻辑模式与具体的物理实现细节无关，是一种体现用户需求的公共数据结构，（类似于中间件），一个数据库只有一个逻辑模式

外模式：具体使用者看到的数据结构（局部数据的逻辑结构和特征），一个应用有多个外模式

内模式：数据物理结构和存储方式的描述，数据在数据库内部的表示方式，一个数据库只有一个内模式

外模式印象：每一个外模式对应一个外模式印象，定义外模式与逻辑模式的对应关系

内模式印象：定义数据全局的逻辑结构与存储结构之间的对应关系

两级印象保证数据的逻辑独立性和物理独立性。

当内模式改变了，只要改变内模式印象就可以不改变逻辑模式
当逻辑模式改变了，改变两级印象，就可以不改变外模式和内模式

数据模型

数据模型要满足模拟真实世界，便于理解，便于实现。

数据结构
数据操作
数据的约束条件

关系模型
半结构化模型
网状模型//早期模型
层次模型
XML //网络数据表示格式，传输和存储数据
JSON
不同的模型具体区别就是数据结构不同

数据管理技术的产生和发展

人工管理阶段
文件管理阶段
数据库系统

关系数据库

关系数据模型

关系型：表、SQL
非关系型: noSQL

关系数据库系统：是支持关系模型的数据库系统

关系模型：
关系数据结构
关系操作
完整性约束

关系数结构：
单一的数据结构：关系
实体及实体间的联系均用各种关系来表示
数据的逻辑结构：二维表
关系模型中的数据结构就是一张二维表
关系模型建立在几何代数之上

域：一组具有相同数据类型的值的集合

笛卡尔积：

笛卡尔积每行代表一个元组，每列代表一个域。

关系：

关系也是一个二维表
每行表示一个元组
每列是一个域，表示一个属性

码（key,键）
候选码：在关系中唯一能标识元组的属性或属性集
主属性：候选码的各个属性
主码：用户选作元组表示的候选键
全码：关系的说有属性是这个关系的全码

基本关系的性质：
列是同质的
列的顺序无所谓
行的顺序无所谓

什么是关系模式
关系模式是对关系的描述
学生（学号，姓名，年龄，性别，籍贯）
R(A1,A2,A3,A4,A5)
关系是关系模式在某时刻的取值

关系数据库：
在一个给定的应用领域中，实体及实体之间联系的关系的集合构成一个关系数据库

关系操作：
查询插入删除修改

关系操作特点：
集合操作方式

关系数据语言的种类：
关系代数的语言
关系演算的语言

关系的完整性约束：
实体完整性
参照完整性
用户定义的完整性
（前两者必须满足）

实体完整性：
主码唯一且不为空
主属性不能取空

参照完整性：
外码：
一个关系中的某个属性是某个关系的主码，外码作为主码的关系是参照表
外码必须取参照表的合适值或者空置

用户自定义的完整性：
用户自己定义的规则

关系数据语言

关系代数

一种抽象的数据查询语言
用对关系的运算来表达查询

关系代数关系演算：早期，现在不用

关系代数：
并差交
投影选择
笛卡尔积、连接
重命名

运算对象：关系
运算符：4类
运算结果:关系

投影：

选择：

笛卡尔积：

连接Join:

等值连接，大于连接，小于连接
自然连接：在等值连接上去除重复的列

重命名：

等价运算：

运算符优先级：

表达树：

SQL (Structured Query Language)

DDL

数据定义语言
定义表：
创建表
删除表
修改表定义

定义基本表：
关系名（表名）
属性名（列名）
属性数据类型
完整性约束

SQL支持的数据类型：
整型：
bigint 8个字节
int 4个字节
smallint 2个字节
tinyint 1个字节
bit 只能取0或者1
精确数值数据：
decimal (p,q) p数据宽度，q小数点后面的位数
numeric
浮点数类型：
float 8个字节存储数据 ±3.04E+308
real 位数为24 4个字节 ±3.04E+38
字符串数据类型：
char : char(n)固定长度为n个字符的字符串
varchar:varchar(n),可变长度，最长长度为n个字符串
日期时间数据：
data :DATE ‘yyyy-mm-dd’
time:‘hh:mm:ss’
datatime:

主键唯一不能为空值，唯一键可以为空值。

FOREIGN外键 REFERENCE参照表

修改基本表：

删除基本表：

DML

数据操作语言
查询：

From之后都是SELECT的子句

单表查询

单表查询：选择仅涉及一个表
SELECT：选择表中的若干列
WHERE ：选择表中的若干元组
ORDER BY：对查询结果排序
GROUP BY：对查询结果分组
HAVING:对分组之后的结果进行筛选

通配符：
通配符配合like使用，like是模糊匹配符

select sname,sno,score From Student3 where score > 1.0;
select sname,sno,score From Student3 where sname like '%2';--通配符
select sname,sno,score From Student3 where sname like 'n_m_2';--通配符
select sname,sno,score From Student3 where score > 1.0 ORDER BY score DESC; --排序

对于某些情况下只是希望通配符作为普通字符，可以使用转移字符,
a_b 就是普通的a_b
.
IS NULL 表示 = NULL,= NULL会报错
.
集函数：
统计时不计NULL值

select ssex ,count(*) as number ,max(score) as highScore from Student3 Group By ssex; -- 分组

HAVING对分组之后的结果再做筛选

.

连接查询

select Stu.* ,SC.* From Stu, SC;--广义笛卡尔积--等值连接，查询每个学生及其选修课的情况
select Stu.* ,SC.* From Stu, SC where Stu.sno = SC.sno;--查询计算机系学生的学号 姓名 所在系 选修的课程名及成绩
select SC.sno ,Sname,ssdept,SC.Cno,Cname,Grade From Stu ,SC,Course
where Stu.Sno = Sc.sno and Course.cno = SC.cno and ssdept = 'CS';--自身连接
select a1.Cname as major, a2.Cname as preMajor FROM Course a1,Course a2 where a1.Cpno = a2.cno--要起别名

嵌套查询

-----嵌套查询
SELECT Sname FROM Stu WHERE Sno In (SELECT Sno FROM SC WHERE Cno = 2); -- 不相关子查询SELECT Sname FROM Stu WHERE EXISTS(SELECT * FROM SC WHERE Cno = 2 AND Sno = Stu.Sno); -- 相关子查询SELECT Sname FROM Stu WHERE NOT EXISTS(SELECT * FROM SC WHERE Stu.Sno = Sno AND Cno = 1);--查询所有没选修1号课程的学生姓名--查询选了全部课程的学生
SELECT Sname From Stu
WHERE NOT EXISTS(SELECT Cname FROM  CourseWHERE  NOT EXISTS (SELECT * FROM SC WHERE Stu.sno = SC.sno and Course.cno = SC.cno))

集合操作

修改数据：

 -----修改UPDATE Stu SET Sage = 22 WHERE Sno = '95001'

删除数据：

数据控制语言

INDEX

定义索引

索引就是给某一列创建一个排序，使用查询语句时，如果创建的索引合适就会加速查询的速度，反过来索引会降低表更新或者插入的速度

VIEW

虚表，从一个或几个基本表导出的表，只存放视图的定义不会出现数据冗余

定义视图：
建立
定义基于该视图的新视图
删除
常见视图形式：

删除视图

查询视图：
查询视图与查询基本表的方法基本一样

更新视图：

嵌入式SQL

DCL

数据库设计

数据库设计步骤

构造最优的数据模型，建立数据库及其应用系统的过程

数据分析 ->数据建模->关系数据库模式->关系数据库管理

数据库设计全过程：

规划阶段：

需求分析阶段：

概念设计阶段：
概念设计反映用户需求的数据库概念结构的概念模型，具有硬件独立，软件独立的特点。
局部概念模型->全局概念模型->评审
概念设计方法 ER方法得到一个与DBMS无关的概念模型

逻辑设计阶段：
将概念模型转换成DBMS支持的数据模型相符合的逻辑结构
概念模型 -> 设计外模型 -> 设计应用程序与数据库的接口->评价模型->修正模型

物理设计阶段：
存储记录结构设计
确定数据存放位置
存取方法设计
完整性和安全性考虑
程序设计

数据库的实现：
用DDL定义数据库结构
组织数据入库
编制调试应用程序
数据库试运行

数据库的运行与维护：

小结：
数据库的各级模式是在设计过程中逐步形成的
需求分析阶段综合各个用户的应用需求
概念设计独立于机器特点，独立于各个DBMS产品的概念模式用ER图来描述

概念设计工具

ER图：

ER模型组成元素：
实体：对应客观世界的某一物体
实体集：多个实体组成
属性：实体的某一个特征称为属性，在ER图中加下划线的为实体标识符

联系：表示一个或多个实体之间的关联关系

1：1 联系：两个实体集之间的实体一一对应
1：m 联系：实体集1中的每个实体对应实体及的多个实体，反过来实体集2的多个实体对应实体集1的一个实体

m: n 联系：实体集1的多个实体对应实体集2的多个实体

E模型概念设计的步骤：
设计局部ER模型，
综合局部ER模型得到全局模型
对全局模型优化得到最终ER模型

属性不可再分：如下图中的职称不能作为一个属性

如果联系有属性，就考虑把联系转化为实体

案例分析：

ER模型转换成关系模式：
步骤一：实体类型的转换
每个实体类型转换成一个关系模式，实体的属性即为关系模式的属性，实体标识符即为关系模式的键
步骤二：联系的转换
二元联系转化

案例：

ER模型的逻辑设计步骤：
导出初始关系模式集
规范化处理
模式评价
模式修正
设计子模式

小结：
ER模型的基本元素
联系的设计
采用ER模型的概念设计步骤
ER模型转化为关系模式

UML图

逻辑设计工具

针对一个问题，确定应该构几个关系，每个关系由哪些属性组成
规范化理论是数据库逻辑设计的工具

关系：描述实体及其属性、实体间的联系
关系模式: 用来定义关系
关系数据库：基于关系模型的数据库利用关系来描述现实世界
关系数据库的模式：定义这组关系的关系模式的全体

数据依赖：
定义属性间的相互关联。
函数依赖
平凡函数依赖与非平凡函数依赖
完全函数依赖与部分函数依赖
传递函数依赖
码

函数依赖：

多值依赖：
链接依赖：

关系模式的评价分析：
数据是否冗余过大
更新异常
插入异常
删除异常

对于不合适的关系模式可以分解模式

范式：
范式是数据库中关系满足一定要求的不同级别的集合

1NF

一个关系模式R中的所有属性都是不可分的基本数据项，关系数据库的基本要求

2NF

满足一范式的基础上，不存在部分函数依赖的关系模式

3NF

满足二范式的基础上，不存在传递函数依赖的关系模式

BC范式（达到BC范式即可满足一般要求）函数依赖的最高级别

小结：
规范换程度较低的范式会存在插入异常删除异常修改复杂数据冗余的问题，将低级范式转换为高级范式的方法：模式分解

4NF

数据库管理

数据库安全性

只允许有合法使用权限的用户访问允许他存取的数据
非法使用数据库的情况：
用户绕过DBMS的数据库授权机制，通过操作系统直接存取修改备份数据库中的操作
通过多次查询数据，推到出本没有权限查看的数据

安全性控制方法：

定义存储权限：
数据对象，操作类型、
定义一个用户可以在那些对象上进行那些操作

检查存取权限：
键槽用户操作请求是否超出权限

授权粒度：
可以定义的数据对象的范围，粒度越细，授权越灵活

数据对象粒度：
数据库
表
属性列
行

GRANT 授权

REVOKE回收权限

可以将视图机制与授权机制配合使用

审计日志：将用户所有操作都记录

数据加密：
将原始数据转化为密文

并发安全控制

事务：

一致性：

隔离性：

持续性：

丢失修改：

不可重复读：

读脏数据：

并发控制：

可串行化的调度：

封锁

事务使用某个数据对象之前，对期加锁，限制其他事务对该数据的更新，是并发控制关键。

排他锁：

共享锁：

锁的相容表：

封锁粒度：

可以对整个数据库加锁，也可以只对某个属性加锁。

封锁协议：
何时申请加锁
持锁时间
何时释放

三级封锁协议： 保证数据一致性
一级封锁协议：

2级封锁协议：

三级封锁协议：

**两段锁协议：**保证并行可调度性

死锁和活锁：
活锁：

某个事务永远等待，解决办法，采用先来先服务策略

死锁

死锁预防：
一次封锁法
顺序封锁法

诊断并解除
超时法：事务等待超过一定时间，就任务发生了死锁
等待图法

故障和恢复

数据库故障：
事务故障：事务运行过程中，非正常终止
系统故障：计算机系统非正常结束，内存区数据丢失
介质故障：外存中数据意外丢失
恢复：
数据转储：
将整个数据复制到另一个磁盘，解决介质故障

静态转储

动态转储

海量转储与增量转储

日志文件：

登录日志文件的数据：

事务故障恢复：

系统故障恢复：

小结：

数据库复制

数据库复制方式：

对等复制：

主从复制：

级联复制：

数据库复制要求：
用户透明
保持事务完整性
避免冲突

数据库镜像：
自动把整个数据库复制到另一个磁盘上，出现故障时，自动恢复。
实现X锁和S锁的控制