2024版数据库系统原理教案
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15
规范化理论：函数依赖、范式转换等
1
函数依赖
描述属性之间的依赖关系，如A→B表示属性A决 定属性B的值。
2 3
范式转换 通过分解关系模式消除冗余和异常，提高数据库 设计的质量，如将关系模式分解为3NF或BCNF 范式。
规范化步骤 根据函数依赖和范式转换规则，对关系模式进行 逐步分解和优化。
2024/1/30
通过升级硬件设备（如CPU、内存、存储 等）来提高数据库性能。
数据结构优化
选择合适的数据结构来存储数据，以减少 数据访问和处理的开销。
2024/1/30
软件优化
优化数据库软件配置，如调整缓冲区大小、 连接池设置等。
查询优化
通过优化查询语句和查询计划来提高查询 性能。
30
查询优化技术：索引优化、查询重写等
通过DQL，用户可以从一个或多个表中检索出需要的数据，并
03
进行排序、分组等操作。
21
数据操纵语言（DML）
2024/1/30
01 DML（Data Manipulation Language）用于插 入、修改、删除数据库中的数据。
02
主要的DML语句包括：INSERT、UPDATE、 DELETE等。
多版本并发控制
通过保留数据的多个版本来实现并发控制，每个事务都看到一个一致的数据快照。多版本并发控制可以提高 并发性能，但需要额外的版本管理机制。
32
分布式数据库系统原理简介
分布式数据库系统概念
介绍分布式数据库系统的基本概念、 特点和应用场景。
分布式事务处理
介绍如何在分布式环境下处理事务， 包括两阶段提交协议、三阶段提交协
数据库系统原理教案
2024/1/30
1
目录
2024/1/30
• 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语言基础及应用 • 数据库安全性与完整性保护 • 数据库优化技术与实践
2
01
数据库系统概述
2024/1/30
3
数据库系统定义与特点
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 等部分组成的存储、管理、处理和维护数据的系统。
访问控制
根据用户身份和角色，限 制对数据库对象的访问权 限，确保数据不被越权访 问。
数据加密
对敏感数据进行加密存储 和传输，保护数据在存储 和传输过程中的安全性。
防止SQL注入
对用户输入进行合法性检 查，避免恶意SQL代码注 入导致数据泄露或篡改。
2024/1/30
25
访问控制技术：自主访问控制和强制访问控制
03
使用DDL可以方便地创建、修改和删除数据库对象， 以及定义对象之间的关系。
20
数据查询语言（DQL）
2024/1/30
01
DQL（Data Query Language）是SQL语言中最常用的部分， 用于查询数据库中的数据。
02
主要的DQL语句是SELECT，可以配合各种条件语句和聚合函数
使用。
03 DML语句可以与事务处理结合使用，确保数据的 完整性和一致性。
22
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，提高数据的安全性。
索引（Index）是一种数据库对象，用于提高数据检索的速度。 通过创建索引，可以加快对表中数据的访问速度。
提供数据定义语言（DDL）、数据操纵语言 （DML）和数据控制语言（DCL）等，实现 对数据库的管理和控制。
提供应用程序访问数据库的接口和工具，方 便用户开发和维护数据库应用程序。
2024/1/30
7
02
数据模型与概念设计
2024/1/30
8
数据模型基本概念
2024/1/30
数据模型的定义
01
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
联系类型的概念及表示方法
联系类型是对现实世界中实体之间联系的抽象，用菱形框表示，框 内写明联系名，并用无向边分别与有关实体类型相连。
属性类型的概念及表示方法
属性类型是对现实世界中实体属性的抽象，用椭圆形框表示，并用 无向边与其相应的实体类型相连。
10
层次模型与网状模型
层次模型的概念及特点
层次模型是一种用树形结构来表示实体及其之间联系的数据模型，它的基本特点是数据的有序 性和层次性。
数据结构化、数据共享性高、数据冗余度低、数
据独立性高、统一管理和控制。
2024/1/30
5
数据库系统应用领域
办公自动化
将各种数据和信息进 行自动化处理和管理，
提高办公效率。
信息管理
对各种信息进行分类、 存储、检索和维护， 方便用户查询和使用。
决策支持
通过对数据的分析和 挖掘，为决策者提供 有价值的信息和建议。
自主访问控制（DAC）
用户或数据库管理员可以自主设置或更改数据库 对象的访问权限。
强制访问控制（MAC）
根据预先定义的安全策略和用户属性，强制实施 对数据库对象的访问控制。
2024/1/30
26
完整性约束条件及实现方法
实体完整性：确保数据库表的主键字 段值唯一且不为空，防止重复记录和
空记录。
参照完整性：确保外键字段值在被参 照表中存在对应的主键值，保持表间
集合运算
包括并、差、交等， 要求参与运算的关系 具有相同的结构，如 R∪S表示关系R和S的 并集。
2024/1/30
14
关系演算：元组关系演算和域关系演算
2024/1/30
01
元组关系演算
以元组为变量进行运算，包括存在量词、全称量 词、逻辑运算符等，用于描述元组之间的关系。
02
域关系演算
以属性值为变量进行运算，包括比较运算符、逻 辑运算符等，用于描述属性值之间的关系。
16
数据库设计方法与步骤
概念设计
采用E-R图等方法描述现实世 界中的实体、属性和联系，建 立概念模型。
物理设计
选择存储结构和存取方法，进 行性能优化和安全性控制等。
需求分析
收集和分析用户需求，确定数 据库系统的功能和性能要求。
2024/1/30
逻辑设计
将概念模型转换为关系模型， 进行规范化处理，优化数据库 结构。
议等。
2024/1/30
数据分片与复制
讲解如何将数据分布到多个节点上， 并实现数据的复制和备份，以提高可 用性和可靠性。
分布式查询处理
讲解如何在分布式环境下处理查询请 求，包括查询路由、查询优化和结果 合并等技术。
33
2024/1/30
THANKS
感谢观看
34
索引优化
创建合适的索引来加速数 据访问，包括单列索引、 组合索引、全文索引等。
查询重写
将复杂的查询语句重写为 更简单的形式，以减少查 询计划的复杂性和执行时 间。
查询计划优化
根据查询优化器的建议， 手动调整查询计划以获得 更好的性能。
统计信息更新
定期更新数据库统计信息， 以便查询优化器做出更准 确的优化决策。
实施与维护
建立数据库系统，进行数据加 载、测试、调试和日常维护工 作。
17
04
SQL语言基础及应用
2024/1/30
18
SQL语言概述及特点
01 SQL（Structured Query Language）是一种用 于管理关系型数据库的编程语言。
02 特点包括：非过程化、统一的语言、是所有关系 型数据库的公共语言。
织数据和对数据进行操作的工具。
数据模型的组成要素
02
数据模型通常由数据结构、数据操作和数据完整性约束三部分
组成。
数据模型的分类
03
根据模型应用的不同目的，可以将数据模型划分为概念模型、
逻辑模型和物理模型。
9
实体-联系模型（E-R模型）
2024/1/30
实体类型的概念及表示方法
实体类型是对现实世界中实体的抽象，用矩形框表示，框内写明 实体名。
网状模型的概念及特点
网状模型是一种用有向图结构来表示实体及其之间联系的数据模型，它的基本特点是数据的复 杂性和灵活性。
2024/1/30
11
关系模型及其特点
2024/1/30
关系模型的基本概念
关系模型是一种基于表格的数据模型， 它用二维表格来表示实体及其之间的 联系。
关系模型的特点
关系模型具有数据结构简单明了、数 据操作方便灵活、数据完整性约束条 件丰富等特点。此外，关系模型还具 有严格的数学基础，便于进行理论研 究和实际应用。
数据的一致性。
用户自定义完整性：根据业务需求， 定义特定的完整性规则，如字段值范 围、格式等。
2024/1/30
实现方法
通过数据库管理系统（DBMS）提供 的完整性约束功能，如主键、外键、 检查约束等。
在应用程序中编写代码实现完整性检 查和处理逻辑。
27
故障恢复技术：事务管理、日志文件等
事务管理
通过事务的原子性、一致性、隔离性和持久性（ACID）特性，确保数据库操作的正确性和可靠性。在发生故障 时，可以利用事务的回滚功能恢复到故障前的状态。
12
03
关系数据库理论基础
2024/1/30
13
关系代数运算规则及示例
选择运算
从关系中选择满足给 定条件的元组，如 σA=B(R)表示从关系R 中选择属性A等于B的 元组。
投影运算
从关系中选择若干列 组成新的关系，如 πA,B(R)表示从关系R 中选择属性A和B的列 组成新的关系。
连接运算
将两个关系中具有相 同属性值的元组连接 起来，如R⨝S表示关 系R和S的自然连接。
特点
数据结构化、数据共享性高、数据冗余度低、数据独立 性高、统一管理和控制等。
2024/1/30
4
数据库技术发展历史
01 人工管理阶段
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。
02 文件系统阶段
数据可以长期保存、由文件系统管理数据、数据 共享性差、数据独立性差。
03 数据库系统阶段
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。存储过程可以提高代码的重 用性，减少网络传输量，提高数据处理的效率。
2024/1/30
23
05
数据库安全性与完整性保护
2024/1/30
24
数据库安全性控制策略
用户身份鉴别
通过用户名/密码、数字证 书等方式验证用户身份， 防止非法用户访问。
02 SQL语言功能强大，包括数据查询、数据操纵、 数据定义和数据控制等功能。
2024/1/30
19
数据义语言（DDL）
2024/1/30
01
DDL（Data Definition Language）用于定义和管 理数据库中的对象，如表、视图、索引等。
02
主要的DDL语句包括：CREATE、ALTER、DROP等。
电子商务
支持在线交易、支付、 物流等电子商务活动， 保证数据的安全性和
完整性。
2024/1/30
6
数据库系统体系结构
三级模式结构
两级映像
外模式、模式和内模式，保证数据的逻辑独 立性和物理独立性。
外模式/模式映像和模式/内模式映像，实现 三级模式之间的转换和访问。
数据库管理系统（DBMS）
应用程序接口（API）
日志文件
记录数据库操作的历史信息，包括事务开始、提交、回滚等操作。在发生故障时，可以利用日志文件进行故障恢 复和数据重建。常见的日志文件包括重做日志（redo log）和归档日志（archived log）。
2024/1/30
28
06
数据库优化技术与实践
2024/1/30
29
性能优化策略及方法
硬件优化
2024/1/30
31
并发控制机制：锁协议和时间戳排序协议
2024/1/30
锁协议
通过锁定数据对象来控制并发访问，包括共享锁、排他锁等。锁协议可以确保数据的一致性和完整性，但也 可能导致死锁和性能问题。
时间戳排序协议
为每个事务分配一个唯一的时间戳，并根据时间戳顺序来处理事务。时间戳排序协议可以避免死锁问题，但 需要额外的时间戳管理机制。
规范化理论：函数依赖、范式转换等
1
函数依赖
描述属性之间的依赖关系，如A→B表示属性A决 定属性B的值。
2 3
范式转换 通过分解关系模式消除冗余和异常，提高数据库 设计的质量，如将关系模式分解为3NF或BCNF 范式。
规范化步骤 根据函数依赖和范式转换规则，对关系模式进行 逐步分解和优化。
2024/1/30
通过升级硬件设备（如CPU、内存、存储 等）来提高数据库性能。
数据结构优化
选择合适的数据结构来存储数据，以减少 数据访问和处理的开销。
2024/1/30
软件优化
优化数据库软件配置，如调整缓冲区大小、 连接池设置等。
查询优化
通过优化查询语句和查询计划来提高查询 性能。
30
查询优化技术：索引优化、查询重写等
通过DQL，用户可以从一个或多个表中检索出需要的数据，并
03
进行排序、分组等操作。
21
数据操纵语言（DML）
2024/1/30
01 DML（Data Manipulation Language）用于插 入、修改、删除数据库中的数据。
02
主要的DML语句包括：INSERT、UPDATE、 DELETE等。
多版本并发控制
通过保留数据的多个版本来实现并发控制，每个事务都看到一个一致的数据快照。多版本并发控制可以提高 并发性能，但需要额外的版本管理机制。
32
分布式数据库系统原理简介
分布式数据库系统概念
介绍分布式数据库系统的基本概念、 特点和应用场景。
分布式事务处理
介绍如何在分布式环境下处理事务， 包括两阶段提交协议、三阶段提交协
数据库系统原理教案
2024/1/30
1
目录
2024/1/30
• 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语言基础及应用 • 数据库安全性与完整性保护 • 数据库优化技术与实践
2
01
数据库系统概述
2024/1/30
3
数据库系统定义与特点
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 等部分组成的存储、管理、处理和维护数据的系统。
访问控制
根据用户身份和角色，限 制对数据库对象的访问权 限，确保数据不被越权访 问。
数据加密
对敏感数据进行加密存储 和传输，保护数据在存储 和传输过程中的安全性。
防止SQL注入
对用户输入进行合法性检 查，避免恶意SQL代码注 入导致数据泄露或篡改。
2024/1/30
25
访问控制技术：自主访问控制和强制访问控制
03
使用DDL可以方便地创建、修改和删除数据库对象， 以及定义对象之间的关系。
20
数据查询语言（DQL）
2024/1/30
01
DQL（Data Query Language）是SQL语言中最常用的部分， 用于查询数据库中的数据。
02
主要的DQL语句是SELECT，可以配合各种条件语句和聚合函数
使用。
03 DML语句可以与事务处理结合使用，确保数据的 完整性和一致性。
22
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，提高数据的安全性。
索引（Index）是一种数据库对象，用于提高数据检索的速度。 通过创建索引，可以加快对表中数据的访问速度。
提供数据定义语言（DDL）、数据操纵语言 （DML）和数据控制语言（DCL）等，实现 对数据库的管理和控制。
提供应用程序访问数据库的接口和工具，方 便用户开发和维护数据库应用程序。
2024/1/30
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02
数据模型与概念设计
2024/1/30
8
数据模型基本概念
2024/1/30
数据模型的定义
01
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
联系类型的概念及表示方法
联系类型是对现实世界中实体之间联系的抽象，用菱形框表示，框 内写明联系名，并用无向边分别与有关实体类型相连。
属性类型的概念及表示方法
属性类型是对现实世界中实体属性的抽象，用椭圆形框表示，并用 无向边与其相应的实体类型相连。
10
层次模型与网状模型
层次模型的概念及特点
层次模型是一种用树形结构来表示实体及其之间联系的数据模型，它的基本特点是数据的有序 性和层次性。
数据结构化、数据共享性高、数据冗余度低、数
据独立性高、统一管理和控制。
2024/1/30
5
数据库系统应用领域
办公自动化
将各种数据和信息进 行自动化处理和管理，
提高办公效率。
信息管理
对各种信息进行分类、 存储、检索和维护， 方便用户查询和使用。
决策支持
通过对数据的分析和 挖掘，为决策者提供 有价值的信息和建议。
自主访问控制（DAC）
用户或数据库管理员可以自主设置或更改数据库 对象的访问权限。
强制访问控制（MAC）
根据预先定义的安全策略和用户属性，强制实施 对数据库对象的访问控制。
2024/1/30
26
完整性约束条件及实现方法
实体完整性：确保数据库表的主键字 段值唯一且不为空，防止重复记录和
空记录。
参照完整性：确保外键字段值在被参 照表中存在对应的主键值，保持表间
集合运算
包括并、差、交等， 要求参与运算的关系 具有相同的结构，如 R∪S表示关系R和S的 并集。
2024/1/30
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关系演算：元组关系演算和域关系演算
2024/1/30
01
元组关系演算
以元组为变量进行运算，包括存在量词、全称量 词、逻辑运算符等，用于描述元组之间的关系。
02
域关系演算
以属性值为变量进行运算，包括比较运算符、逻 辑运算符等，用于描述属性值之间的关系。
16
数据库设计方法与步骤
概念设计
采用E-R图等方法描述现实世 界中的实体、属性和联系，建 立概念模型。
物理设计
选择存储结构和存取方法，进 行性能优化和安全性控制等。
需求分析
收集和分析用户需求，确定数 据库系统的功能和性能要求。
2024/1/30
逻辑设计
将概念模型转换为关系模型， 进行规范化处理，优化数据库 结构。
议等。
2024/1/30
数据分片与复制
讲解如何将数据分布到多个节点上， 并实现数据的复制和备份，以提高可 用性和可靠性。
分布式查询处理
讲解如何在分布式环境下处理查询请 求，包括查询路由、查询优化和结果 合并等技术。
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2024/1/30
THANKS
感谢观看
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索引优化
创建合适的索引来加速数 据访问，包括单列索引、 组合索引、全文索引等。
查询重写
将复杂的查询语句重写为 更简单的形式，以减少查 询计划的复杂性和执行时 间。
查询计划优化
根据查询优化器的建议， 手动调整查询计划以获得 更好的性能。
统计信息更新
定期更新数据库统计信息， 以便查询优化器做出更准 确的优化决策。
实施与维护
建立数据库系统，进行数据加 载、测试、调试和日常维护工 作。
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04
SQL语言基础及应用
2024/1/30
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SQL语言概述及特点
01 SQL（Structured Query Language）是一种用 于管理关系型数据库的编程语言。
02 特点包括：非过程化、统一的语言、是所有关系 型数据库的公共语言。
织数据和对数据进行操作的工具。
数据模型的组成要素
02
数据模型通常由数据结构、数据操作和数据完整性约束三部分
组成。
数据模型的分类
03
根据模型应用的不同目的，可以将数据模型划分为概念模型、
逻辑模型和物理模型。
9
实体-联系模型（E-R模型）
2024/1/30
实体类型的概念及表示方法
实体类型是对现实世界中实体的抽象，用矩形框表示，框内写明 实体名。
网状模型的概念及特点
网状模型是一种用有向图结构来表示实体及其之间联系的数据模型，它的基本特点是数据的复 杂性和灵活性。
2024/1/30
11
关系模型及其特点
2024/1/30
关系模型的基本概念
关系模型是一种基于表格的数据模型， 它用二维表格来表示实体及其之间的 联系。
关系模型的特点
关系模型具有数据结构简单明了、数 据操作方便灵活、数据完整性约束条 件丰富等特点。此外，关系模型还具 有严格的数学基础，便于进行理论研 究和实际应用。
数据的一致性。
用户自定义完整性：根据业务需求， 定义特定的完整性规则，如字段值范 围、格式等。
2024/1/30
实现方法
通过数据库管理系统（DBMS）提供 的完整性约束功能，如主键、外键、 检查约束等。
在应用程序中编写代码实现完整性检 查和处理逻辑。
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故障恢复技术：事务管理、日志文件等
事务管理
通过事务的原子性、一致性、隔离性和持久性（ACID）特性，确保数据库操作的正确性和可靠性。在发生故障 时，可以利用事务的回滚功能恢复到故障前的状态。
12
03
关系数据库理论基础
2024/1/30
13
关系代数运算规则及示例
选择运算
从关系中选择满足给 定条件的元组，如 σA=B(R)表示从关系R 中选择属性A等于B的 元组。
投影运算
从关系中选择若干列 组成新的关系，如 πA,B(R)表示从关系R 中选择属性A和B的列 组成新的关系。
连接运算
将两个关系中具有相 同属性值的元组连接 起来，如R⨝S表示关 系R和S的自然连接。
特点
数据结构化、数据共享性高、数据冗余度低、数据独立 性高、统一管理和控制等。
2024/1/30
4
数据库技术发展历史
01 人工管理阶段
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。
02 文件系统阶段
数据可以长期保存、由文件系统管理数据、数据 共享性差、数据独立性差。
03 数据库系统阶段
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。存储过程可以提高代码的重 用性，减少网络传输量，提高数据处理的效率。
2024/1/30
23
05
数据库安全性与完整性保护
2024/1/30
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数据库安全性控制策略
用户身份鉴别
通过用户名/密码、数字证 书等方式验证用户身份， 防止非法用户访问。
02 SQL语言功能强大，包括数据查询、数据操纵、 数据定义和数据控制等功能。
2024/1/30
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数据义语言（DDL）
2024/1/30
01
DDL（Data Definition Language）用于定义和管 理数据库中的对象，如表、视图、索引等。
02
主要的DDL语句包括：CREATE、ALTER、DROP等。
电子商务
支持在线交易、支付、 物流等电子商务活动， 保证数据的安全性和
完整性。
2024/1/30
6
数据库系统体系结构
三级模式结构
两级映像
外模式、模式和内模式，保证数据的逻辑独 立性和物理独立性。
外模式/模式映像和模式/内模式映像，实现 三级模式之间的转换和访问。
数据库管理系统（DBMS）
应用程序接口（API）
日志文件
记录数据库操作的历史信息，包括事务开始、提交、回滚等操作。在发生故障时，可以利用日志文件进行故障恢 复和数据重建。常见的日志文件包括重做日志（redo log）和归档日志（archived log）。
2024/1/30
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数据库优化技术与实践
2024/1/30
29
性能优化策略及方法
硬件优化
2024/1/30
31
并发控制机制：锁协议和时间戳排序协议
2024/1/30
锁协议
通过锁定数据对象来控制并发访问，包括共享锁、排他锁等。锁协议可以确保数据的一致性和完整性，但也 可能导致死锁和性能问题。
时间戳排序协议
为每个事务分配一个唯一的时间戳，并根据时间戳顺序来处理事务。时间戳排序协议可以避免死锁问题，但 需要额外的时间戳管理机制。