数据库基础知识培训课件

数据库基础知识培训课件第一章数据库概述与发展历史什么是数据库?核心定义数据库是按照特定数据结构来组织、存储和管理数据的仓库系统。它不仅仅是数据的简单堆砌,而是一个有组织、可共享、统一管理的数据集合。主要特点数据结构化存储,便于检索和管理支持多用户共享访问实现数据的统一控制和管理提供高效的数据访问机制保证数据的安全性和完整性数据库管理系统(DBMS)数据定义定义数据库结构、表结构、字段类型和约束条件数据操作执行查询、插入、更新、删除等数据操作任务安全控制管理用户权限、数据访问控制和安全策略维护管理数据备份恢复、性能优化和故障处理DBMS是介于用户和数据库之间的软件系统,它为用户提供了便捷的数据访问接口,同时负责数据的安全性、完整性和一致性维护。常见的DBMS包括Oracle、MySQL、SQLServer、PostgreSQL等。数据库发展三个阶段1人工管理阶段时期:20世纪50年代之前特点:数据完全依靠人工处理,没有专门的软件管理工具,数据不保存在计算机中局限:效率极低,易出错,数据无法共享2文件系统阶段时期:20世纪50年代末至60年代中期特点:使用文件系统存储数据,数据开始保存在磁盘中局限:数据冗余严重,程序与数据耦合度高,难以维护3数据库系统阶段时期:20世纪60年代后至今特点:采用统一的数据模型,实现结构化管理,数据与程序独立优势:数据共享性好,冗余度低,易扩展和维护数据库发展演变从庞大的磁带存储到整齐的文件柜,再到今天云端的数据中心,数据库技术的每一次飞跃都深刻改变了人类处理信息的方式。第二章数据模型基础数据模型是数据库系统的核心基础,它决定了我们如何看待、组织和操作数据。理解数据模型,就是掌握数据库设计的精髓。数据模型的定义与分类数据模型是对现实世界数据特征的抽象表示,是数据库系统的理论基础。它提供了一种描述数据、数据关系、数据语义和数据约束的方法。01概念模型面向用户的高层语义模型,独立于具体DBMS,常用实体-关系模型(ER模型)表示02逻辑模型面向数据库实现的模型,包括关系模型、层次模型、网状模型等,描述数据的逻辑结构03物理模型描述数据在存储介质上的组织方式,关注数据的存储结构和存取方法实体-关系模型(ER图)ER模型三要素实体(Entity)现实世界中客观存在的对象图形表示:矩形框示例:学生、教师、课程关系(Relationship)实体之间的联系和关联图形表示:菱形框示例:学生选修课程、教师授课属性(Attribute)实体或关系的特征和性质图形表示:椭圆形示例:学号、姓名、成绩ER模型通过简洁直观的图形化方式,帮助设计者准确描述业务需求,是概念设计阶段最重要的工具。关系模型简介关系模型由IBM研究员E.F.Codd于1970年提出,是目前应用最广泛的数据模型。它以简单的二维表格形式组织数据,具有坚实的数学理论基础。表格结构数据以二维表(关系)形式存储,行代表记录(元组),列代表字段(属性)键的概念主键唯一标识表中每条记录,外键建立表与表之间的关联关系SQL支持通过标准化的SQL语言进行数据定义、查询和操作关系模型示例教务管理系统数据表设计学生表学号(主键)、姓名、性别、出生日期、专业课程表课程号(主键)、课程名、学分、学时成绩表学号(外键)、课程号(外键)、成绩、考试日期数据完整性约束实体完整性:主键值不能为空且必须唯一参照完整性:外键值必须在被参照表中存在用户定义完整性:成绩范围0-100分通过主键和外键的约束机制,关系模型确保了数据的一致性和完整性,防止非法数据进入数据库。第三章数据库系统结构与组成数据库系统采用分层架构设计,通过模式分离实现数据独立性,这是数据库技术的重要创新之一。数据库系统组成数据库(DB)存储数据的集合,是系统的核心资源数据库管理系统(DBMS)管理和维护数据库的软件系统应用程序用户通过应用程序访问和使用数据库数据库管理员(DBA)负责数据库的设计、维护和管理这四个组成部分相互协作,共同构成完整的数据库系统。其中,三级模式结构是DBMS内部的核心架构。数据库的三级模式结构外模式(ExternalSchema)也称:用户模式、子模式定义:数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构特点:一个数据库可以有多个外模式,每个用户可以有自己的视图模式(Schema)也称:逻辑模式、概念模式定义:数据库中全体数据的逻辑结构和特征描述特点:一个数据库只有一个模式,是数据库设计的核心内模式(InternalSchema)也称:存储模式、物理模式定义:数据物理结构和存储方式的描述特点:一个数据库只有一个内模式,对用户透明数据独立性三级模式结构的主要目的是实现数据独立性,使数据库的逻辑结构和物理结构可以分别修改而不影响彼此。物理数据独立性定义:当数据的物理存储结构改变时,数据的逻辑结构可以保持不变实现:通过修改外模式/模式映像实现示例:更换存储设备、改变索引结构不影响应用程序逻辑数据独立性定义:当数据的逻辑结构改变时,用户的应用程序可以保持不变实现:通过修改模式/内模式映像实现示例:增加新的数据表或字段不影响现有应用数据独立性的价值:极大提高了数据库系统的灵活性和可维护性,是数据库技术相比文件系统的重大进步。第四章SQL语言基础SQL(结构化查询语言)是关系数据库的标准语言,掌握SQL是数据库应用开发的必备技能。SQL简介SQL(StructuredQueryLanguage)是专门用于管理关系数据库的标准化语言。它于1986年被美国国家标准协会(ANSI)采纳为标准,后来被国际标准化组织(ISO)确认。SQL的主要特点综合统一:集数据定义、操作、控制于一体高度非过程化:只需描述"做什么",无需"怎么做"面向集合:一次操作多条记录语法简洁:易学易用,接近自然语言标准统一:不同数据库产品通用数据定义语言(DDL)CREATE,ALTER,DROP数据操作语言(DML)SELECT,INSERT,UPDATE,DELETE数据控制语言(DCL)GRANT,REVOKESQL数据定义语言(DDL)DDL用于定义和管理数据库对象的结构,包括数据库、表、索引、视图等。1创建数据库CREATEDATABASE学校管理系统;创建一个新的数据库实例2创建数据表CREATETABLE学生(学号CHAR(10)PRIMARYKEY,姓名VARCHAR(20)NOTNULL,性别CHAR(2),年龄INT);定义表结构、字段类型和约束3修改表结构ALTERTABLE学生ADD手机号VARCHAR(11);增加、删除或修改表的列4删除数据库对象DROPTABLE临时表;DROPDATABASE测试库;永久删除数据库或表SQL数据操作语言(DML)DML用于对数据库中的数据进行查询和更新操作,是日常使用最频繁的SQL语句。SELECT-查询数据SELECT姓名,年龄FROM学生WHERE年龄>20;从数据库中检索所需信息INSERT-插入数据INSERTINTO学生VALUES('2024001','张三','男',21);向表中添加新的记录UPDATE-更新数据UPDATE学生SET年龄=22WHERE学号='2024001';修改表中已存在的记录DELETE-删除数据DELETEFROM学生WHERE年龄<18;从表中删除指定记录SQL查询示例单表查询--查询年龄大于20岁的所有学生信息SELECT*FROM学生WHERE年龄>20;--查询计算机专业的学生姓名,按学号排序SELECT姓名,学号FROM学生WHERE专业='计算机科学'ORDERBY学号;多表连接查询--查询每个学生的选课情况SELECT学生.姓名,课程.课程名,成绩.分数FROM学生INNERJOIN成绩ON学生.学号=成绩.学号INNERJOIN课程ON成绩.课程号=课程.课程号WHERE成绩.分数>=60;多表连接通过主键和外键建立表间关系,实现复杂数据的综合查询。常用的连接类型包括内连接(INNERJOIN)、左连接(LEFTJOIN)、右连接(RIGHTJOIN)等。第五章数据库设计基础良好的数据库设计是系统成功的关键。科学的设计流程和规范化理论能够帮助我们构建高效、可靠的数据库。数据库设计流程需求分析阶段目标:了解用户需求,明确数据和功能要求产出:需求规格说明书、数据字典方法:访谈、问卷调查、业务流程分析概念设计阶段目标:建立独立于DBMS的概念模型产出:E-R图、实体关系描述方法:实体分析、关系抽象、属性定义逻辑设计阶段目标:将概念模型转换为关系模式产出:关系模式、数据表定义方法:ER图转换、规范化处理物理设计阶段目标:确定数据的存储结构和访问方法产出:物理结构设计文档、索引方案方法:存储结构选择、索引设计、性能优化规范化理论简介规范化是一种设计方法,通过分解关系模式来消除数据冗余和操作异常,提高数据的一致性和完整性。01第一范式(1NF)每个属性都是不可再分的原子值,消除重复组02第二范式(2NF)满足1NF,且非主属性完全依赖于主键,消除部分依赖03第三范式(3NF)满足2NF,且非主属性不传递依赖于主键,消除传递依赖04BC范式(BCNF)满足3NF,且每个决定因素都包含候选键,是更严格的3NF规范化的权衡:过度规范化可能导致查询性能下降,实际应用中需要在规范化程度和查询效率之间找到平衡点。关系模式规范化示例原始表(存在冗余)学号姓名系名系主任课程名成绩001张三计算机系王教授数据库85001张三计算机系王教授算法90问题:存在数据冗余(系名、系主任重复)、更新异常、插入异常、删除异常规范化后(符合3NF)学生表学号姓名系号001张三CS系部表系号系名系主任CS计算机系王教授成绩表学号课程名成绩001数据库85001算法90优势:消除了冗余,每个表只存储一类信息,数据一致性得到保证,修改操作更加安全可靠。第六章数据库事务与并发控制在多用户环境下,事务管理和并发控制确保数据库操作的正确性和一致性,是数据库系统可靠运行的重要保障。事务的概念与特性(ACID)事务是数据库操作的逻辑单元,它将一组操作视为一个整体,要么全部成功,要么全部失败。经典的银行转账就是事务的典型例子。原子性(Atomicity)事务是不可分割的工作单位,事务中的操作要么全部执行,要么全部不执行示例:转账时扣款和入账必须同时成功或失败一致性(Consistency)事务执行前后,数据库必须保持一致性状态,满足所有完整性约束示例:转账前后总金额保持不变隔离性(Isolation)并发执行的事务之间不能相互干扰,一个事务的中间状态对其他事务不可见示例:多人同时转账互不影响持久性(Durability)事务一旦提交,其对数据库的改变就是永久性的,即使系统故障也不会丢失示例:转账成功后即使停电数据也不丢失事务操作:COMMIT(提交)使事务永久生效,ROLLBACK(回滚)撤销事务的所有操作。并发控制与锁机制并发问题多个事务同时访问数据库时可能出现:丢失修改:后提交的事务覆盖先提交的修改脏读:读取未提交的数据不可重复读:同一事务中多次读取结果不同幻读:读取到新插入的数据隔离级别读未提交(ReadUncommitted)读已提交(ReadCommitted)可重复读(RepeatableRead)串行化(Serializable)锁机制共享锁(S锁)允许多个事务同时读取数据,但不允许修改排他锁(X锁)独占访问,其他事务不能读取或修改被锁定的数据死锁处理检测死锁并强制回滚其中一个事务,释放资源第七章数据库安全与备份恢复数据安全是数据库系统的生命线。完善的安全机制和备份策略是保护企业核心数据资产的必要手段。数据库安全管理用户管理创建用户账户,设置强密码策略,定期更新密码CREATEUSER'analyst'@'localhost'IDENTIFIEDBY'Secure@2024';权限控制基于最小权限原则,只授予必要的操作权限GRANTSELECTON销售数据TO'analyst'@'localhost';REVOKEDELETEON客户信息FROM'staff'@'%';视图机制创建视图隐藏敏感数据,提供定制化的数据访问CREATEVIEW员工基本信息ASSELECT姓名,部门FROM员工WHERE部门='销售部';审计日志记录所有数据库操作,追踪可疑行为,满足合规要求数据加密敏感数据加密存储,传输过程使用SSL/TLS协议保护安全策略建议:定期审查权限设置、启用多因素认证、实施数据分类分级保护