2024《数据库系统原理教学》课件4

《数据库系统原理教学》课件4
目录•数据库系统概述
•数据模型与概念设计
•关系数据库理论基础
•SQL语言基础与应用
•数据库安全性与完整性保护
•数据库性能优化技术
•数据库恢复技术与事务管理
•新型数据库系统介绍
01数据库系统概述
Part
数据库系统定义与组成
定义
数据库系统（Database System，简称DBS）是由数据库、数据库管理系统、应用程序、
数据库管理员和用户等组成的存储、管理、处理和维护数据的系统。

组成
数据库系统主要由数据、硬件、软件和人员等部分组成，其中数据是核心，硬件和软件
是支撑，人员是关键。

数据库技术发展历史
人工管理阶段
20世纪50年代中期以前，数据主要依赖于人工进行管理，
数据不保存、应用程序管理数据、数据不共享、数据不具
有独立性。

文件系统阶段
20世纪50年代后期至60年代中期，数据以文件的形式进
行存储和管理，数据可以长期保存、由文件系统管理数据、
数据共享性差，冗余度大、数据独立性差。

数据库系统阶段
20世纪60年代后期至今，出现了数据库管理系统
（DBMS），数据面向整个系统、数据的结构化、数据共
享性高，冗余度低，易扩充、数据独立性高。

数据库系统应用领域
电子商务
数据库系统在电子商务领域中扮演着重要角色，如商品信息展示、交易数据处理、用户信息管理等。

医疗卫生
数据库系统在医疗卫生领域中被用于病人信息管理、药品库存管理、医疗设备管理等方面。

金融
在金融领域，数据库系统被广泛应用于银行、证券、保险等机构的业务处理和数据管理中。

制造业
制造业中的ERP、MES等系统都离不开数据库系统的支持，以实现生产流程的优化和资源的合理配置。

数据共享性高
数据库系统中的数据可以被多个用户、多个应用程序共享使用，提高了数据的利用率。

数据结构化
数据库系统中的数据是按照一定的数据模型进行组织的，具有高度的结构化特点，便于数据的查询和管理。

数据独立性高
数据库系统实现了数据的物理独立性和逻辑独立性，使得应用程序的开发和维护更加便捷。

故障恢复能力强
数据库系统具有强大的故障恢复能力，能够在系统发生故障时及时恢复数据，保证系统的稳定运行。

数据安全性强
数据库系统提供了数据的安全性控制功能，如访问控制、数据加密等，保证了数据的安全性和完整性。

数据库系统特点与优势
02数据模型与概念设计
Part
数据模型基本概念
数据模型定义
数据模型是对现实世界数据特征的抽象，是用来描述数据、组织数据和对数据进行操作的工具。

数据模型组成要素
数据结构、数据操作、数据完整性约束是构成数据模型的三大要素。

常见数据模型
层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型等。

E-R 模型基本概念
实体、属性、关系、键等是E-R 模型中的基本概念，用于描述现
实世界中事物的静态特性。

E-R 图绘制方法
使用矩形框表示实体，椭圆表示属性，菱形表示关系，直线连接
实体与属性、实体与关系。

E-R 模型转换为关系模型
将E-R 图中的实体、属性和关系转换为关系数据库中的表、列和
外键等。

实体-关系模型（E-R 模型）
03
02
01
1 2 3UML是一种用于对软件密集系统进行可视化建模的标准语言，提供了丰富的图形化表示法。

UML基本概念
UML中的类图、对象图、包图等可以用于描述数据库中的数据结构、对象关系和数据包等。

UML在数据库设计中的应用
UML和E-R模型在描述数据结构和关系方面有一定的相似之处，但UML更加灵活和强大，适用于更复杂的系统建模。

UML与E-R模型的比较
统一建模语言（UML）在数据库设计中的应用
概念设计步骤
需求分析、确定实体与关系、绘制E-R 图或UML 图、评审与修改等是概念设计的基本步骤。

概念设计与逻辑设计的衔接
概念设计是数据库设计的初级阶段，需要与逻辑设计进行衔接，将概念模型转换为逻辑模型。

概念设计方法
自顶向下法、自底向上法、逐步扩张法等是常见的概念设计方法，可以根据实际需求选择合适的方法。

概念设计方法与步骤
03关系数据库理论基础
Part
1
42 3
关系模型基本概念及性质
关系模型定义由关系数据结构、关系操作集合和关系完整性约束三部分组成。

关系与属性
关系是元组的集合，每个元组由多个属性组成，属性对应数据表的列。

关系键
唯一标识元组的属性或属性组合，分为主键、外键和候选键。

关系性质
包括关系的完整性、一致性、隔离性和持久性等。

关系代数运算规则及示例
基本运算
选择、投影、连接、除法等。

复合运算
基于基本运算的组合，实
现更复杂的查询需求。

运算示例
通过具体例子展示关系代
数运算的应用。

STEP 01STEP 02
STEP 03
关系演算：元组关系演算和域关系演算
元组关系演算
以域变量为基础的查询语
言，通过逻辑公式表达元
组与属性之间的关系。

域关系演算
演算表达能力
元组关系演算和域关系演
算在表达能力上等价，但
具体实现方式有所不同。

以元组为变量的查询语言，
通过逻辑公式表达查询条
件。

03
规范化过程
根据函数依赖和范式定义，对关系模式进行逐步规范化，提高数据库设计的合理性和效率。

01
函数依赖
描述属性之间依赖关系的规则，是关系数据库规范化的基础。

02
范式定义及转换
包括第一范式、第二范式、第三范式等，通过分解关系模式消除冗余和异常。

规范化理论：函数依赖、范式转换等
04SQL语言基础与应用
Part
SQL语言简介及特点
SQL（Structured Query Language）是一种用于管理关系型数据库的编程语言。

特点包括：语法简单易懂、
可移植性强、功能强大、
安全性高等。

SQL语言主要用于存取数
据、查询数据、更新数据
和管理关系数据库系统。

1 2 3DDL（Data Definition Language）用于定义和管理数据库中的对象，如表、视图、索引等。

主要命令包括：CREATE、ALTER、DROP等。

CREATE用于创建数据库对象，ALTER用于修改数据库对象，DROP用于删除数据库对象。

数据定义语言（DDL）
01DQL（Data Query Language）用于查询数据库中的数据。

02主要命令是SELECT，可以配合WHERE、GROUP BY、HAVING、ORDER BY等子句使用。

03SELECT命令用于从数据库中选择数据，WHERE子句用于过滤数据，GROUP BY 子句用于分组数据，HAVING子句用于过滤分组后的数据，ORDER BY子句用于排
序数据。

03
0201
DML （Data Manipulation Language ）用于插入、修改、删除数据库中的数据。

主要命令包括：INSERT 、UPDATE 、DELETE 等。

INSERT 命令用于向数据库中插入新数据，UPDATE 命令用于修改数据库中的数据，DELETE 命令用于删除数据库中的数据。

视图、索引和存储过程
视图（View）是一种虚拟表，基于SQL语句的结果集。

视图可以简化复杂的SQL查
询，提高数据安全性。

索引（Index）是一种数据库对象，用于提高数据检索速度。

索引可以创建在一个或
多个列上，加快数据访问速度。

存储过程（Stored Procedure）是一组为了完成特定功能的SQL语句集，经编译后
存储在数据库中。

存储过程可以减少网络流量，提高数据处理的效率。

05数据库安全性与完整性保护
Part
数据库安全性控制策略
用户标识和鉴定
确保每个用户都有唯一的标识，并通过密码或其他机制进行身份鉴定。

审计功能
记录用户对数据库的操作，以便追踪和审查。

存取控制
根据用户的身份和权限，控制其对数据库的访问和操作。

视图机制
通过视图限制用户访问的数据范围，增加数据的安全性。

包括密码技术、生物识别技术等，用于确认用户身份的真实性。

身份鉴别技术
基于角色的访问控制（RBAC ）、基于属性的访问控制（ABAC ）等，用于控制用户对数据库资源的访问权限。

访问控制策略
对用户进行分组，并分配不同的权限，实现细粒度的访问控制。

权限管理分析常见的安全漏洞，如SQL 注入、跨站脚本攻击等，并采取相应的防范措施。

安全漏洞与防范措施
用户身份鉴别与访问控制
加密算法
介绍常用的加密算法，如对称加密算法（AES、DES）和非对称加密算法（RSA、ECC）。

包括列级加密、整个数据库加
密、数据文件或目录加密等。

密钥的生成、存储、分发和销
毁等过程的管理。

分析加密对数据库性能的影响，
并介绍相应的优化措施。

数据库加密方式密钥管理加密对数据库性能的影响
及优化措施
加密技术在数据库安全中的应用
参照完整性
确保外键字段的取值在参照表的主键字段或唯一字段中有对应的值。

完整性约束的实现方法
包括触发器、存储过程、规则等。

同
时，介绍如何在不同的数据库管理系
统中实现这些完整性约束。

用户自定义完整性
根据应用需求，定义特定的完整性规
则。

实体完整性
确保表中的主键字段不为空，且唯一。

完整性约束条件及实现方法
06数据库性能优化技术
Part
目标数据库系统性能受多种因素影响，如硬件、网络、操作系统、数据库管理系统（DBMS）本身以及应用程序等。

挑战
解决方法
通过性能监控和分析，找出性能瓶颈，针对性地进行优化。

提高数据库系统的吞吐
量，减少响应时间，提
高资源利用率。

性能优化目标及挑战
查询重写查询计划的选择连接策略优化并行查询处理
查询优化策略及实现方法
将复杂的查询转换为等效但执行
效率更高的查询。

根据表的大小和连接条件选择合适的连接策略，如嵌套循环连接、哈希连接或合并连接。

DBMS根据查询优化器的建议选择最优的查询执行计划。

利用多核处理器和分布式系统资源，将查询任务分解为多个子任
务并行执行。

根据查询需求和数据特点选择合适的索引类型，如B 树索引、哈希索引或位图索引。

索引的选择
复合索引
索引的维护
覆盖索引
在多个列上创建索引，以支持多列的查询条件。

定期更新和重建索引，以保持索引的效率和准确性。

通过索引直接获取查询结果，避免访问数据表。

索引优化技术
A B
C D
并发控制机制及锁策略
并发控制机制
通过事务的隔离级别和锁机制来控制多个用户同
时访问数据库时的数据一致性和完整性。

死锁处理
检测并处理死锁情况，以避免系统资源的浪费和性能的下降。

锁策略
根据操作类型和数据对象选择合适的锁类型，如
共享锁、排他锁或行级锁。

锁升级与降级
根据系统负载和性能需求动态调整锁的粒度，以提高系统的并发处理能力。

07数据库恢复技术与事务管理
Part
故障类型及恢复策略
故障类型
系统故障、事务故障、介质故障
介质故障恢复
利用数据备份和日志文件进行重新装载和重做处理恢复策略
根据数据备份和日志文件
进行恢复，针对不同类型
的故障采取不同的恢复策
略
事务故障恢复
由事务本身进行撤销处理，
保证事务原子性
系统故障恢复
利用日志文件撤销未完成
事务，重做已完成事务
日志文件在恢复过程中作用
记录事务操作
日志文件记录了事务对数据库的修改操作，是实现数据库恢复的
重要依据
保证事务原子性
通过日志文件可以保证事务的原子性，即在故障发生时能够撤销
未完成事务对数据库的影响
提高恢复效率
利用日志文件可以实现快速恢复，减少数据丢失和恢复时间
事务概念
事务是用户定义的一个数据库操作序列，是一个不可分割的工作单位一致性
事务必须使数据库从一个一致性状态变换到另一个一致性状态
ACID属性
事务具有原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）、持久性（Durability）四个属性隔离性
多个事务并发执行时，一个事务的执行不应影响其他事务
原子性
事务是一个完整的操作，要么全部完成，要么全部不完成持久性
一旦事务提交，则其结果就是永久的
事务概念及ACID属性
隔离级别选择
数据库系统提供了不同的隔离级别，以满足不同应用对并发控制的需求
读已提交
只允许读取已提交的事务数据，可以避免脏读问题，但可能导致不可重复读和幻读问题
串行化
强制事务串行执行，可以避免所有并发问题，但效率较低
并发事务调度
数据库系统需要合理调度并发事务的执行顺序，
以保证事务的隔离性和一致性
读未提交
允许读取尚未提交的事务数据，可能导致脏读、不可重复读和幻读问题
可重复读
保证在同一个事务中多次读取同一数据时结果一致，可以避免脏读和不可重复读问题，
但可能导致幻读问题
01
02
0304
0506
并发事务调度与隔离级别选择
08新型数据库系统介绍
Part
分布式数据库系统
定义
01
分布式数据库系统是一个逻辑上集中、物理上分布的数据集合，其数据
分布在计算机网络的不同结点上，网络中的每个结点具有独立处理的能
力，可以执行局部应用。

特点
02
数据分布性、逻辑整体性、位置透明性和复制透明性、事务管理的分布
性。

应用场景
03
适合需要处理大量数据、高并发、高性能、高可用性的场景，如金融、
电信、电商等领域。

面向对象数据库系统
定义
面向对象数据库系统是一个持久的、可共享的对象集合，支持面向对象数据模型的数据库系
统。

它提供了面向对象的数据存储和访问机制。

特点
支持复杂对象、支持继承性和多态性、支持封装性和信息隐藏、支持对象之间的关联和聚集。

应用场景
适合需要处理复杂数据结构、需要支持面向对象编程语言的场景，如游戏开发、仿真系统、
CAD/CAM等领域。

XML数据库系统
定义
XML数据库系统是一种基于XML数据模型的数据库系统，
它提供了对XML文档的存储、查询和更新等操作的支持。

特点
支持XML数据模型、支持XPath和XQuery查询语言、支持
事务处理和并发控制、支持XML文档的索引和优化。

应用场景
适合需要处理大量XML文档、需要支持XML数据交换和集
成的场景，如Web服务、电子商务、内容管理等领域。

定义
NoSQL数据库系统是一种非关系型数据库系统，它采用了不同于传统关系型数据库的数据模型和存储方式，以支持更灵活的数据处理需求。

特点
支持多种数据模型、支持水平扩
展和高并发、支持灵活的数据结
构和查询方式、支持分布式存储
和容错处理。

应用场景
适合需要处理海量数据、需要支
持高并发和实时性要求的场景，
如社交网络、物联网、日志分析
等领域。

NoSQL数据库系统
THANKS
感谢您的观看。