高级数据库系统第一章简介

高级数据库系统第一章简介CATALOGUE目录数据库系统概述数据库体系结构数据模型与关系模型数据库管理系统组成和功能数据库安全性与完整性保护并发控制与恢复技术简介分布式数据库系统概述总结与展望01数据库系统概述定义数据库系统（DatabaseSystem，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。特点数据结构化、数据共享性高、数据独立性高、数据由DBMS统一管理和控制等。数据库系统定义与特点123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。人工管理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，冗余度大、数据独立性差。文件系统阶段数据结构化、数据的共享性高，冗余度低，易扩充、数据独立性高、数据由DBMS统一管理和控制。数据库系统阶段数据库技术发展历程分布式数据库系统数据分布在计算机网络的不同节点上，网络中的每个节点具有独立处理的能力，可以执行局部应用，同时每个节点也能通过网络通信子系统执行全局应用。多媒体数据库系统多媒体数据库是多媒体技术与数据库技术相结合产生的一种新型数据库。它存储的数据类型包括文本、图像、声音、视频等多媒体数据，具有数据量大、处理复杂等特点。实时数据库系统实时数据库系统是数据库系统发展的一个分支，它适用于处理不断更新的快速变化的数据及具有时间限制的事务处理。实时数据库系统对时间和数据的一致性要求很高。面向对象数据库系统面向对象的数据库系统是数据库技术与面向对象程序设计方法相结合的产物。高级数据库系统应用领域02数据库体系结构外模式也称用户模式，是数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。模式也称逻辑模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图。内模式也称存储模式，是数据物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式。三级模式结构保证了数据的逻辑独立性，即当模式改变时，只要修改外模式/模式映像，就可以使外模式保持不变，从而应用程序不必修改。保证了数据的物理独立性，即当数据库的存储结构改变时，只要修改模式/内模式映像，就可以使模式保持不变，从而应用程序也不必修改。两级映像与数据独立性模式/内模式映像外模式/模式映像数据存储在单一的数据库服务器中，由数据库管理系统统一管理，用户通过客户端应用程序访问数据库。集中式数据库体系结构数据分布在多个数据库服务器中，每个服务器都可以独立地处理本地数据，同时也可以通过网络访问其他服务器中的数据。分布式数据库体系结构客户端应用程序负责与用户交互，服务器负责数据管理。客户端通过网络连接到服务器，向服务器发送请求并接收响应。客户端/服务器数据库体系结构用户通过浏览器访问数据库，浏览器向Web服务器发送请求，Web服务器再与数据库服务器交互，最终将结果返回给浏览器。浏览器/服务器数据库体系结构常见数据库体系结构类型03数据模型与关系模型数据模型是对现实世界数据特征的抽象，用来描述数据、数据联系、数据操作以及数据一致性约束的概念工具的集合。数据模型定义数据模型可以分为层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型等。其中，关系模型是目前应用最广泛的数据模型。数据模型分类数据模型概念及分类关系模型基本原理关系模型基本概念关系模型由关系数据结构、关系操作集合和关系完整性约束三部分组成。在关系模型中，现实世界的实体以及实体间的各种联系均用关系来表示。关系模型特点关系模型具有数据结构简单、清晰，操作方便、易于维护等优点。同时，关系模型还支持数据的完整性约束，保证了数据的正确性和一致性。关系代数关系代数是一种抽象的查询语言，用对关系的运算来表达查询。关系代数运算包括选择、投影、连接、除法等基本操作。关系演算关系演算是一种以数理逻辑为基础的形式化查询语言，包括元组关系演算和域关系演算两种。关系演算可以表达复杂的查询需求，并且具有强大的表达能力。关系代数与关系演算04数据库管理系统组成和功能数据库管理系统（DBMS）是一种用于存储、检索和管理数据的软件系统。定义发展历程核心功能从文件系统到层次模型、网状模型，再到关系模型的发展过程。数据定义、数据操作、数据控制和管理等。030201数据库管理系统概述存储管理器概述负责管理数据库中的物理存储，确保数据的持久性和可靠性。数据存储将逻辑数据映射到物理存储介质上，如磁盘、SSD等。索引管理创建和维护索引，以加速数据的检索速度。事务管理确保并发事务的正确执行，维护数据的一致性和完整性。存储管理器组件及功能查询处理器概述将用户提交的查询语句转换为内部表示形式，便于后续处理。查询解析查询优化查询执行01020403按照查询执行计划从数据库中检索数据，并返回给用户。负责解析和执行用户提交的查询请求。选择最优的查询执行计划，以提高查询效率。查询处理器组件及功能05数据库安全性与完整性保护用户身份鉴别存取控制策略审计追踪加密存储安全性控制策略和方法通过用户名和密码、生物特征等方式验证用户身份，防止非法用户访问数据库。记录用户对数据库的所有操作，以便事后分析和追查潜在的安全问题。基于用户身份和角色，对数据库中的数据进行不同级别的访问控制，包括读取、修改、删除等操作。对敏感数据进行加密存储，确保即使数据被窃取也无法轻易解密。参照完整性维护不同表之间数据的一致性，确保外键列中的数据必须对应另一张表的主键列中的有效值。用户自定义完整性根据应用需求，定义特定的规则来约束数据的有效性和正确性，如唯一性约束、检查约束等。实体完整性确保数据库表中的每一行数据都代表一个唯一的实体，通常通过主键约束实现。完整性约束条件分类视图机制在安全性保护中应用数据隐藏通过视图只展示部分数据列或行，隐藏敏感信息，防止用户直接访问底层表数据。权限控制基于视图进行权限控制，只授予用户访问视图的权限，而不是直接访问底层表的权限，从而限制用户的访问范围。简化复杂查询视图可以封装复杂的SQL查询语句，使用户只需通过简单的查询语句即可获取所需数据，同时保护底层数据结构不被直接暴露。数据抽象视图提供了一种数据抽象层，允许开发人员不直接与底层数据表交互，而是通过视图进行操作，提高了数据的安全性和可维护性。06并发控制与恢复技术简介03并发控制的难度需要权衡系统的吞吐量和事务的响应时间，同时考虑死锁和活锁等问题。01事务并发执行带来的问题多个事务同时访问数据库时，可能导致数据不一致、丢失更新等问题。02并发控制的需求确保事务的隔离性，即并发执行的事务不会互相干扰，保证数据库的一致性。并发控制问题描述锁机制01通过对数据对象加锁来实现并发控制，包括共享锁和排他锁。锁机制可以有效防止数据不一致和丢失更新等问题，但可能导致死锁和活锁。时间戳排序方法02为每个事务分配一个唯一的时间戳，根据时间戳的顺序来决定事务的执行顺序。时间戳排序方法可以避免死锁和活锁问题，但需要复杂的时间戳管理和冲突解决机制。锁机制与时间戳排序方法的比较03锁机制简单易实现，但可能导致死锁和活锁；时间戳排序方法可以避免死锁和活锁，但实现复杂且需要额外的时间戳管理开销。锁机制和时间戳排序方法故障类型包括事务故障、系统故障和介质故障等。事务故障可能导致事务非正常终止；系统故障可能导致数据库处于不一致状态；介质故障可能导致数据丢失。恢复策略根据故障类型采取相应的恢复策略，如事务回滚、系统重启和数据恢复等。事务回滚可以撤销未完成事务对数据库的修改；系统重启可以恢复数据库到一致性状态；数据恢复可以从备份中恢复丢失的数据。技术手段包括日志技术、备份技术和恢复技术等。日志技术可以记录事务的操作和数据库的状态变化，用于故障恢复；备份技术可以定期备份数据库，防止数据丢失；恢复技术可以根据日志和备份恢复数据库到一致性状态。故障恢复策略和技术手段07分布式数据库系统概述VS分布式数据库系统是一个集成多个物理上分散而逻辑上集中的数据库系统的集合，这些数据库系统通过网络连接并协调工作，以实现全局应用的数据管理和处理任务。特点物理分布性、逻辑整体性、站点自治性、数据共享性、通信网络依赖性等。定义分布式数据库系统定义和特点异构型分布式数据库系统各个站点使用不同的数据库管理系统和数据模型，需要解决数据转换和互操作问题。网格型分布式数据库系统各个站点之间构成网状结构，没有明显的层次关系，站点之间可以直接通信和协作。层次型分布式数据库系统按照层次结构组织站点，上层数据库系统对下层数据库系统有管理和控制作用。同构型分布式数据库系统各个站点使用相同的数据库管理系统和数据模型，便于数据共享和互操作。分布式数据库体系结构类型查询处理分布式查询处理需要解决站点间数据通信、查询分解与合并、数据转换等问题，以实现全局查询的正确执行。查询优化分布式查询优化需要考虑各个站点的数据分布、处理能力、通信开销等因素，以选择最优的查询执行计划，提高查询效率。优化策略包括基于代价的查询优化、半连接查询优化、并行查询优化等。分布式查询处理和优化策略08总结与展望分布式数据库系统随着云计算、大数据等技术的发展，分布式数据库系统成为主流，能够处理海量数据和高并发请求。多模型数据库支持多种数据模型，如关系型、键值对、文档、图等，以满足不同应用场景的需求。智能化数据库系统利用人工智能和机器学习技术，实现数据库系统的自动优化、智能查询和故障预测等功能。高级数据库系统发展趋势云计算提供了弹性可扩展的计算和存储资源，使得数据库系统可以更加灵活地部署和扩展。云计算技术大数据技术对于处理海量数据提供了有效的手段，对数据库系统的性能和扩展性提出了更高的要求。大数据技术人工智能技术在数据库系统中的应用，使得数据库系统可以更加智能化地管理和优化数据。人工智能技术010203新兴技术对数据库影响分析随着数据量的不断增加，数据隐私和安全问题越来越突出，