數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)課件第一章數(shù)據(jù)庫(kù)概述與發(fā)展歷史什么是數(shù)據(jù)庫(kù)?核心定義數(shù)據(jù)庫(kù)是按照特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)組織、存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)的倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)。它不僅僅是數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單堆砌,而是一個(gè)有組織、可共享、統(tǒng)一管理的數(shù)據(jù)集合。主要特點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ),便于檢索和管理支持多用戶共享訪問(wèn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一控制和管理提供高效的數(shù)據(jù)訪問(wèn)機(jī)制保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(DBMS)數(shù)據(jù)定義定義數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)、表結(jié)構(gòu)、字段類型和約束條件數(shù)據(jù)操作執(zhí)行查詢、插入、更新、刪除等數(shù)據(jù)操作任務(wù)安全控制管理用戶權(quán)限、數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制和安全策略維護(hù)管理數(shù)據(jù)備份恢復(fù)、性能優(yōu)化和故障處理DBMS是介于用戶和數(shù)據(jù)庫(kù)之間的軟件系統(tǒng),它為用戶提供了便捷的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口,同時(shí)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的安全性、完整性和一致性維護(hù)。常見(jiàn)的DBMS包括Oracle、MySQL、SQLServer、PostgreSQL等。數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展三個(gè)階段1人工管理階段時(shí)期:20世紀(jì)50年代之前特點(diǎn):數(shù)據(jù)完全依靠人工處理,沒(méi)有專門(mén)的軟件管理工具,數(shù)據(jù)不保存在計(jì)算機(jī)中局限:效率極低,易出錯(cuò),數(shù)據(jù)無(wú)法共享2文件系統(tǒng)階段時(shí)期:20世紀(jì)50年代末至60年代中期特點(diǎn):使用文件系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)開(kāi)始保存在磁盤(pán)中局限:數(shù)據(jù)冗余嚴(yán)重,程序與數(shù)據(jù)耦合度高,難以維護(hù)3數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)階段時(shí)期:20世紀(jì)60年代后至今特點(diǎn):采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化管理,數(shù)據(jù)與程序獨(dú)立優(yōu)勢(shì):數(shù)據(jù)共享性好,冗余度低,易擴(kuò)展和維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展演變從龐大的磁帶存儲(chǔ)到整齊的文件柜,再到今天云端的數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的每一次飛躍都深刻改變了人類處理信息的方式。第二章數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的核心基礎(chǔ),它決定了我們?nèi)绾慰创?、組織和操作數(shù)據(jù)。理解數(shù)據(jù)模型,就是掌握數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的精髓。數(shù)據(jù)模型的定義與分類數(shù)據(jù)模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)特征的抽象表示,是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。它提供了一種描述數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)關(guān)系、數(shù)據(jù)語(yǔ)義和數(shù)據(jù)約束的方法。01概念模型面向用戶的高層語(yǔ)義模型,獨(dú)立于具體DBMS,常用實(shí)體-關(guān)系模型(ER模型)表示02邏輯模型面向數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)的模型,包括關(guān)系模型、層次模型、網(wǎng)狀模型等,描述數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)03物理模型描述數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)介質(zhì)上的組織方式,關(guān)注數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和存取方法實(shí)體-關(guān)系模型(ER圖)ER模型三要素實(shí)體(Entity)現(xiàn)實(shí)世界中客觀存在的對(duì)象圖形表示:矩形框示例:學(xué)生、教師、課程關(guān)系(Relationship)實(shí)體之間的聯(lián)系和關(guān)聯(lián)圖形表示:菱形框示例:學(xué)生選修課程、教師授課屬性(Attribute)實(shí)體或關(guān)系的特征和性質(zhì)圖形表示:橢圓形示例:學(xué)號(hào)、姓名、成績(jī)ER模型通過(guò)簡(jiǎn)潔直觀的圖形化方式,幫助設(shè)計(jì)者準(zhǔn)確描述業(yè)務(wù)需求,是概念設(shè)計(jì)階段最重要的工具。關(guān)系模型簡(jiǎn)介關(guān)系模型由IBM研究員E.F.Codd于1970年提出,是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)模型。它以簡(jiǎn)單的二維表格形式組織數(shù)據(jù),具有堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。表格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以二維表(關(guān)系)形式存儲(chǔ),行代表記錄(元組),列代表字段(屬性)鍵的概念主鍵唯一標(biāo)識(shí)表中每條記錄,外鍵建立表與表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系SQL支持通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的SQL語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)定義、查詢和操作關(guān)系模型示例教務(wù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)學(xué)生表學(xué)號(hào)(主鍵)、姓名、性別、出生日期、專業(yè)課程表課程號(hào)(主鍵)、課程名、學(xué)分、學(xué)時(shí)成績(jī)表學(xué)號(hào)(外鍵)、課程號(hào)(外鍵)、成績(jī)、考試日期數(shù)據(jù)完整性約束實(shí)體完整性:主鍵值不能為空且必須唯一參照完整性:外鍵值必須在被參照表中存在用戶定義完整性:成績(jī)范圍0-100分通過(guò)主鍵和外鍵的約束機(jī)制,關(guān)系模型確保了數(shù)據(jù)的一致性和完整性,防止非法數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)。第三章數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì),通過(guò)模式分離實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獨(dú)立性,這是數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的重要?jiǎng)?chuàng)新之一。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)組成數(shù)據(jù)庫(kù)(DB)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的集合,是系統(tǒng)的核心資源數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(DBMS)管理和維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)的軟件系統(tǒng)應(yīng)用程序用戶通過(guò)應(yīng)用程序訪問(wèn)和使用數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理員(DBA)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)、維護(hù)和管理這四個(gè)組成部分相互協(xié)作,共同構(gòu)成完整的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。其中,三級(jí)模式結(jié)構(gòu)是DBMS內(nèi)部的核心架構(gòu)。數(shù)據(jù)庫(kù)的三級(jí)模式結(jié)構(gòu)外模式(ExternalSchema)也稱:用戶模式、子模式定義:數(shù)據(jù)庫(kù)用戶能夠看見(jiàn)和使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)特點(diǎn):一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)可以有多個(gè)外模式,每個(gè)用戶可以有自己的視圖模式(Schema)也稱:邏輯模式、概念模式定義:數(shù)據(jù)庫(kù)中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征描述特點(diǎn):一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)只有一個(gè)模式,是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)模式(InternalSchema)也稱:存儲(chǔ)模式、物理模式定義:數(shù)據(jù)物理結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)方式的描述特點(diǎn):一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)只有一個(gè)內(nèi)模式,對(duì)用戶透明數(shù)據(jù)獨(dú)立性三級(jí)模式結(jié)構(gòu)的主要目的是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獨(dú)立性,使數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)可以分別修改而不影響彼此。物理數(shù)據(jù)獨(dú)立性定義:當(dāng)數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)改變時(shí),數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)可以保持不變實(shí)現(xiàn):通過(guò)修改外模式/模式映像實(shí)現(xiàn)示例:更換存儲(chǔ)設(shè)備、改變索引結(jié)構(gòu)不影響應(yīng)用程序邏輯數(shù)據(jù)獨(dú)立性定義:當(dāng)數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)改變時(shí),用戶的應(yīng)用程序可以保持不變實(shí)現(xiàn):通過(guò)修改模式/內(nèi)模式映像實(shí)現(xiàn)示例:增加新的數(shù)據(jù)表或字段不影響現(xiàn)有應(yīng)用數(shù)據(jù)獨(dú)立性的價(jià)值:極大提高了數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的靈活性和可維護(hù)性,是數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)相比文件系統(tǒng)的重大進(jìn)步。第四章SQL語(yǔ)言基礎(chǔ)SQL(結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言)是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言,掌握SQL是數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的必備技能。SQL簡(jiǎn)介SQL(StructuredQueryLanguage)是專門(mén)用于管理關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)化語(yǔ)言。它于1986年被美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)采納為標(biāo)準(zhǔn),后來(lái)被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)確認(rèn)。SQL的主要特點(diǎn)綜合統(tǒng)一:集數(shù)據(jù)定義、操作、控制于一體高度非過(guò)程化:只需描述"做什么",無(wú)需"怎么做"面向集合:一次操作多條記錄語(yǔ)法簡(jiǎn)潔:易學(xué)易用,接近自然語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一:不同數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品通用數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言(DDL)CREATE,ALTER,DROP數(shù)據(jù)操作語(yǔ)言(DML)SELECT,INSERT,UPDATE,DELETE數(shù)據(jù)控制語(yǔ)言(DCL)GRANT,REVOKESQL數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言(DDL)DDL用于定義和管理數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象的結(jié)構(gòu),包括數(shù)據(jù)庫(kù)、表、索引、視圖等。1創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)CREATEDATABASE學(xué)校管理系統(tǒng);創(chuàng)建一個(gè)新的數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例2創(chuàng)建數(shù)據(jù)表CREATETABLE學(xué)生(學(xué)號(hào)CHAR(10)PRIMARYKEY,姓名VARCHAR(20)NOTNULL,性別CHAR(2),年齡INT);定義表結(jié)構(gòu)、字段類型和約束3修改表結(jié)構(gòu)ALTERTABLE學(xué)生ADD手機(jī)號(hào)VARCHAR(11);增加、刪除或修改表的列4刪除數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)象DROPTABLE臨時(shí)表;DROPDATABASE測(cè)試庫(kù);永久刪除數(shù)據(jù)庫(kù)或表SQL數(shù)據(jù)操作語(yǔ)言(DML)DML用于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和更新操作,是日常使用最頻繁的SQL語(yǔ)句。SELECT-查詢數(shù)據(jù)SELECT姓名,年齡FROM學(xué)生WHERE年齡>20;從數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索所需信息INSERT-插入數(shù)據(jù)INSERTINTO學(xué)生VALUES('2024001','張三','男',21);向表中添加新的記錄UPDATE-更新數(shù)據(jù)UPDATE學(xué)生SET年齡=22WHERE學(xué)號(hào)='2024001';修改表中已存在的記錄DELETE-刪除數(shù)據(jù)DELETEFROM學(xué)生WHERE年齡<18;從表中刪除指定記錄SQL查詢示例單表查詢--查詢年齡大于20歲的所有學(xué)生信息SELECT*FROM學(xué)生WHERE年齡>20;--查詢計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生姓名,按學(xué)號(hào)排序SELECT姓名,學(xué)號(hào)FROM學(xué)生WHERE專業(yè)='計(jì)算機(jī)科學(xué)'ORDERBY學(xué)號(hào);多表連接查詢--查詢每個(gè)學(xué)生的選課情況SELECT學(xué)生.姓名,課程.課程名,成績(jī).分?jǐn)?shù)FROM學(xué)生INNERJOIN成績(jī)ON學(xué)生.學(xué)號(hào)=成績(jī).學(xué)號(hào)INNERJOIN課程O(píng)N成績(jī).課程號(hào)=課程.課程號(hào)WHERE成績(jī).分?jǐn)?shù)>=60;多表連接通過(guò)主鍵和外鍵建立表間關(guān)系,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)的綜合查詢。常用的連接類型包括內(nèi)連接(INNERJOIN)、左連接(LEFTJOIN)、右連接(RIGHTJOIN)等。第五章數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)良好的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)成功的關(guān)鍵?？茖W(xué)的設(shè)計(jì)流程和規(guī)范化理論能夠幫助我們構(gòu)建高效、可靠的數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)流程需求分析階段目標(biāo):了解用戶需求,明確數(shù)據(jù)和功能要求產(chǎn)出:需求規(guī)格說(shuō)明書(shū)、數(shù)據(jù)字典方法:訪談、問(wèn)卷調(diào)查、業(yè)務(wù)流程分析概念設(shè)計(jì)階段目標(biāo):建立獨(dú)立于DBMS的概念模型產(chǎn)出:E-R圖、實(shí)體關(guān)系描述方法:實(shí)體分析、關(guān)系抽象、屬性定義邏輯設(shè)計(jì)階段目標(biāo):將概念模型轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式產(chǎn)出:關(guān)系模式、數(shù)據(jù)表定義方法:ER圖轉(zhuǎn)換、規(guī)范化處理物理設(shè)計(jì)階段目標(biāo):確定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和訪問(wèn)方法產(chǎn)出:物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文檔、索引方案方法:存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)選擇、索引設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化規(guī)范化理論簡(jiǎn)介規(guī)范化是一種設(shè)計(jì)方法,通過(guò)分解關(guān)系模式來(lái)消除數(shù)據(jù)冗余和操作異常,提高數(shù)據(jù)的一致性和完整性。01第一范式(1NF)每個(gè)屬性都是不可再分的原子值,消除重復(fù)組02第二范式(2NF)滿足1NF,且非主屬性完全依賴于主鍵,消除部分依賴03第三范式(3NF)滿足2NF,且非主屬性不傳遞依賴于主鍵,消除傳遞依賴04BC范式(BCNF)滿足3NF,且每個(gè)決定因素都包含候選鍵,是更嚴(yán)格的3NF規(guī)范化的權(quán)衡:過(guò)度規(guī)范化可能導(dǎo)致查詢性能下降,實(shí)際應(yīng)用中需要在規(guī)范化程度和查詢效率之間找到平衡點(diǎn)。關(guān)系模式規(guī)范化示例原始表(存在冗余)學(xué)號(hào)姓名系名系主任課程名成績(jī)001張三計(jì)算機(jī)系王教授數(shù)據(jù)庫(kù)85001張三計(jì)算機(jī)系王教授算法90問(wèn)題:存在數(shù)據(jù)冗余(系名、系主任重復(fù))、更新異常、插入異常、刪除異常規(guī)范化后(符合3NF)學(xué)生表學(xué)號(hào)姓名系號(hào)001張三CS系部表系號(hào)系名系主任CS計(jì)算機(jī)系王教授成績(jī)表學(xué)號(hào)課程名成績(jī)001數(shù)據(jù)庫(kù)85001算法90優(yōu)勢(shì):消除了冗余,每個(gè)表只存儲(chǔ)一類信息,數(shù)據(jù)一致性得到保證,修改操作更加安全可靠。第六章數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)與并發(fā)控制在多用戶環(huán)境下,事務(wù)管理和并發(fā)控制確保數(shù)據(jù)庫(kù)操作的正確性和一致性,是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要保障。事務(wù)的概念與特性(ACID)事務(wù)是數(shù)據(jù)庫(kù)操作的邏輯單元,它將一組操作視為一個(gè)整體,要么全部成功,要么全部失敗。經(jīng)典的銀行轉(zhuǎn)賬就是事務(wù)的典型例子。原子性(Atomicity)事務(wù)是不可分割的工作單位,事務(wù)中的操作要么全部執(zhí)行,要么全部不執(zhí)行示例:轉(zhuǎn)賬時(shí)扣款和入賬必須同時(shí)成功或失敗一致性(Consistency)事務(wù)執(zhí)行前后,數(shù)據(jù)庫(kù)必須保持一致性狀態(tài),滿足所有完整性約束示例:轉(zhuǎn)賬前后總金額保持不變隔離性(Isolation)并發(fā)執(zhí)行的事務(wù)之間不能相互干擾,一個(gè)事務(wù)的中間狀態(tài)對(duì)其他事務(wù)不可見(jiàn)示例:多人同時(shí)轉(zhuǎn)賬互不影響持久性(Durability)事務(wù)一旦提交,其對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的改變就是永久性的,即使系統(tǒng)故障也不會(huì)丟失示例:轉(zhuǎn)賬成功后即使停電數(shù)據(jù)也不丟失事務(wù)操作:COMMIT(提交)使事務(wù)永久生效,ROLLBACK(回滾)撤銷事務(wù)的所有操作。并發(fā)控制與鎖機(jī)制并發(fā)問(wèn)題多個(gè)事務(wù)同時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)可能出現(xiàn):丟失修改:后提交的事務(wù)覆蓋先提交的修改臟讀:讀取未提交的數(shù)據(jù)不可重復(fù)讀:同一事務(wù)中多次讀取結(jié)果不同幻讀:讀取到新插入的數(shù)據(jù)隔離級(jí)別讀未提交(ReadUncommitted)讀已提交(ReadCommitted)可重復(fù)讀(RepeatableRead)串行化(Serializable)鎖機(jī)制共享鎖(S鎖)允許多個(gè)事務(wù)同時(shí)讀取數(shù)據(jù),但不允許修改排他鎖(X鎖)獨(dú)占訪問(wèn),其他事務(wù)不能讀取或修改被鎖定的數(shù)據(jù)死鎖處理檢測(cè)死鎖并強(qiáng)制回滾其中一個(gè)事務(wù),釋放資源第七章數(shù)據(jù)庫(kù)安全與備份恢復(fù)數(shù)據(jù)安全是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的生命線。完善的安全機(jī)制和備份策略是保護(hù)企業(yè)核心數(shù)據(jù)資產(chǎn)的必要手段。數(shù)據(jù)庫(kù)安全管理用戶管理創(chuàng)建用戶賬戶,設(shè)置強(qiáng)密碼策略,定期更新密碼CREATEUSER'analyst'@'localhost'IDENTIFIEDBY'Secure@2024';權(quán)限控制基于最小權(quán)限原則,只授予必要的操作權(quán)限GRANTSELECTON銷售數(shù)據(jù)TO'analyst'@'localhost';REVOKEDELETEON客戶信息FROM'staff'@'%';視圖機(jī)制創(chuàng)建視圖隱藏敏感數(shù)據(jù),提供定制化的數(shù)據(jù)訪問(wèn)CREATEVIEW員工基本信息ASSELECT姓名,部門(mén)FROM員工WHERE部門(mén)='銷售部';審計(jì)日志記錄所有數(shù)據(jù)庫(kù)操作,追蹤可疑行為,滿足合規(guī)要求數(shù)據(jù)加密敏感數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ),傳輸過(guò)程使用SSL/TLS協(xié)議保護(hù)安全策略建議:定期審查權(quán)限設(shè)置、啟用多因素認(rèn)證、實(shí)施數(shù)據(jù)分類分級(jí)保護(hù)