数据库管理系统¶

概述¶

数据库管理系统(Database Management System, DBMS)是用于定义、创建、维护和使用数据库的软件系统。它是现代信息系统的核心,广泛应用于各个领域。

数据库管理系统的功能¶

DBMS的主要功能

DBMS提供数据定义、数据操纵、数据库运行管理等功能。

1. 数据定义功能¶

数据定义语言(DDL)

用于定义数据库的结构,包括:

定义数据库模式
定义表结构
定义视图
定义索引

示例:

SQL
-- 创建表
CREATE TABLE Student (
    id INT PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(50) NOT NULL,
    age INT,
    department VARCHAR(30)
);

-- 创建索引
CREATE INDEX idx_name ON Student(name);

-- 创建视图
CREATE VIEW StudentView AS
SELECT id, name, department FROM Student;

2. 数据操纵功能¶

数据操纵语言(DML)

用于对数据库中的数据进行增删改查:

INSERT: 插入数据
UPDATE: 更新数据
DELETE: 删除数据
SELECT: 查询数据

示例:

SQL
-- 插入数据
INSERT INTO Student VALUES (1, '张三', 20, '计算机系');

-- 查询数据
SELECT * FROM Student WHERE age > 18;

-- 更新数据
UPDATE Student SET age = 21 WHERE id = 1;

-- 删除数据
DELETE FROM Student WHERE id = 1;

3. 数据库运行管理¶

运行管理功能

并发控制: 多用户并发访问控制
安全性检查: 用户权限管理
完整性检查: 数据完整性约束
故障恢复: 数据库恢复机制

4. 数据组织与存储管理¶

数据存储结构管理
存储空间管理
数据存取路径管理
缓冲区管理

5. 数据库的建立与维护¶

数据库初始化
数据转换
数据库重组
性能监控与优化

数据模型¶

数据模型

数据模型是数据库系统中用于描述数据结构和数据之间联系的方式。

1. 层次模型¶

层次模型

用树形结构表示实体之间的联系

特点:

有且只有一个根节点
除根节点外,其他节点有且只有一个父节点
适合一对多的层次关系

示例:

graph TB
    A[学校] --> B[学院1]
    A --> C[学院2]
    B --> D[系1]
    B --> E[系2]
    C --> F[系3]

2. 网状模型¶

网状模型

用图结构表示实体之间的联系

特点:

允许一个节点有多个父节点
允许多对多的关系
结构复杂

3. 关系模型¶

关系模型

用二维表表示实体之间的联系

特点:

数据结构简单
理论基础扎实
应用最广泛

示例:

学号	姓名	年龄	系别
001	张三	20	计算机系
002	李四	21	数学系
003	王五	19	物理系

关系数据库¶

关系代数¶

关系代数运算

关系代数是关系数据库的数学基础。

1. 传统的集合运算¶

并(∪): R ∪ S
差(-): R - S
交(∩): R ∩ S
笛卡尔积(×): R × S

2. 专门的关系运算¶

选择(σ): 从关系中选取满足条件的元组

SQL
σ_{age>20}(Student)

投影(π): 从关系中选取若干属性列

SQL
π_{name,age}(Student)

连接(⋈): 两个关系的连接运算

SQL
Student ⋈_{Student.id=SC.sid} SC

SQL语言¶

SQL语言

SQL是结构化查询语言,是关系数据库的标准语言。

1. 数据定义语言(DDL)¶

SQL
-- 创建表
CREATE TABLE Course (
    cid INT PRIMARY KEY,
    cname VARCHAR(50),
    credit INT
);

-- 修改表
ALTER TABLE Student ADD email VARCHAR(50);

-- 删除表
DROP TABLE Student;

2. 数据操纵语言(DML)¶

SQL
-- 插入
INSERT INTO Student VALUES (1, '张三', 20);

-- 更新
UPDATE Student SET age = 21 WHERE id = 1;

-- 删除
DELETE FROM Student WHERE id = 1;

-- 查询
SELECT name, age FROM Student WHERE age > 18;

3. 数据控制语言(DCL)¶

SQL
-- 授权
GRANT SELECT, INSERT ON Student TO user1;

-- 收回权限
REVOKE INSERT ON Student FROM user1;

数据库设计¶

数据库设计步骤¶

graph LR
    A[需求分析] --> B[概念结构设计]
    B --> C[逻辑结构设计]
    C --> D[物理结构设计]
    D --> E[数据库实施]
    E --> F[数据库运行维护]

1. 需求分析¶

收集用户需求
分析数据要求
分析处理要求
编写需求说明书

2. 概念结构设计¶

E-R图

实体-联系图,用于描述概念模型。

E-R图的基本元素:

矩形: 实体
椭圆: 属性
菱形: 联系
线段: 连接

3. 逻辑结构设计¶

将E-R图转换为关系模式
规范化处理
模式优化

4. 物理结构设计¶

确定数据存储结构
设计存取路径
确定数据存放位置

数据库的完整性¶

数据完整性

保证数据库中数据的正确性和一致性。

1. 实体完整性¶

主键不能为空
主键值唯一

SQL
CREATE TABLE Student (
    id INT PRIMARY KEY,  -- 主键约束
    name VARCHAR(50)
);

2. 参照完整性¶

外键值必须是主表中存在的主键值或为空

SQL
CREATE TABLE SC (
    sid INT,
    cid INT,
    score INT,
    FOREIGN KEY (sid) REFERENCES Student(id),
    FOREIGN KEY (cid) REFERENCES Course(cid)
);

3. 用户定义的完整性¶

根据应用要求定义的约束条件

SQL
CREATE TABLE Student (
    id INT PRIMARY KEY,
    age INT CHECK (age >= 0 AND age <= 120),
    email VARCHAR(50) UNIQUE
);

数据库的安全性¶

安全性控制措施¶

安全性措施

用户标识与鉴别
存取控制
视图机制
审计
数据加密

权限管理¶

SQL
-- 创建用户
CREATE USER 'user1'@'localhost' IDENTIFIED BY 'password';

-- 授权
GRANT SELECT, INSERT ON database.Student TO 'user1'@'localhost';

-- 收回权限
REVOKE INSERT ON database.Student FROM 'user1'@'localhost';

常见数据库管理系统¶

1. 关系型数据库¶

数据库	特点	应用场景
MySQL	开源、轻量、快速	Web应用、中小型系统
Oracle	功能强大、安全可靠	大型企业应用
SQL Server	微软产品、集成性好	Windows环境
PostgreSQL	开源、功能丰富	复杂查询、GIS应用

2. NoSQL数据库¶

NoSQL数据库

非关系型数据库,适合大数据和Web应用。

类型:

键值存储: Redis, Memcached
文档数据库: MongoDB, CouchDB
列族数据库: HBase, Cassandra
图数据库: Neo4j, JanusGraph

参考资料¶

数据库系统概论