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数据库理论基础

news 来源：原创 2025/7/22 3:15:10

数据库理论基础

1.1 什么是数据库

数据：描述事物的符号记录，可以是数字、文字、图形、图像、声音、语言等，数据有多种形式，它们都可以经过数字化后存入计算机。

数据库：存储数据的仓库，是长期存放在计算机内、有组织、可共享的大量数据的集合。数据库中的数据按照一定数据模型组织、描述和存储，具有较小的冗余度，较高的独立性和易扩展性，并为各种用户共享，总结为以下几点：

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（安全性、完整性、并发控制、故障恢复）

1.2 数据库管理系统(DBMS)

数据库系统成熟的标志就是数据库管理系统的出现。数据库管理系统(DataBase Management System，简称DBMS)是管理数据库的一个软件，它充当所有数据的知识库，并对它的存储、安全、一致性、并发操作、恢复和访问负责。是对数据库的一种完整和统一的管理和控制机制。数据库管理系统不仅让我们能够实现对数据的快速检索和维护，还为数据的安全性、完整性、并发控制和数据恢复提供了保证。数据库管理系统的核心是一个用来存储大量数据的数据库。

DBMS是所有数据的知识库，并对数据的存储、安全、一致性、并发操作、恢复和访问负责。

DBMS有一个数据字典（有时被称为系统表），用于贮存它拥有的每个事物的相关信息，例如名字、结构、位置和类型，这种关于数据的数据也被称为元数据（metadata）。

1.3 数据库与文件系统的区别

文件系统：文件系统是操作系统用于明确存储设备（常见的是磁盘）或分区上的文件的方法和数据结构；即在存储设备上组织文件的方法。操作系统中负责管理和存储文件信息的软件机构称为文件管理系统，简称文件系统。

数据库系统：数据库管理系统(Database Management System)是一种操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库，简称 DBMS。它对数据库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完整性。

对比区别：

管理对象不同：文件系统的管理对象是文件，并非直接对数据进行管理，不同的数据结构需要使用不同的文件类型进行保存（举例： txt 文件和 doc 文件不能通过修改文件名完成转换）；而数据库直接对数据进行存储和管理
存储方式不同：文件系统使用不同的文件将数据分类（.doc/.mp4/.jpg）保存在外部存储上；数据库系统使用标准统一的数据类型进行数据保存（字母、数字、符号、时间）
调用数据的方式不同：文件系统使用不同的软件打开不同类型的文件；数据库系统由 DBMS 统一调用和管理。

优缺点总结：

由于 DBMS 的存在，用户不再需要了解数据存储和其他实现的细节，直接通过 DBMS 就能获取数据，为数据的使用带来极大便利。
具有以数据为单位的共享性，具有数据的并发访问能力。 DBMS 保证了在并发访问时数据的一致性。
低延时访问，典型例子就是线下支付系统的应用，支付规模巨大的时候，数据库系统的表现远远优于文件系统。
能够较为频繁的对数据进行修改，在需要频繁修改数据的场景下，数据库系统可以依赖 DBMS 来对数据进行操作且对性能的消耗相比文件系统比较小。
对事务的支持。 DBMS 支持事务，即一系列对数据的操作集合要么都完成，要么都不完成。在DBMS上对数据的各种操作都是原子级的。

1.4 数据库的发展史

初始阶段-----人工管理：人力手工整理存储数据

萌芽阶段-----文件系统：使用磁盘文件来存储数据

初级阶段-----第一代数据库：出现了网状模型、层次模型的数据库

中级阶段-----第二代数据库：关系型数据库和结构化查询语言

高级阶段------新一代数据库：NOSQL型数据库、非关系型数据库

1.5 常见数据库

1.5.1 关系型数据库

关系型数据库是建立在关系模型基础上的数据库，借助于集合代数等数学概念和方法来处理数据库中的数据。现实世界中的各种实体以及实体之间的各种联系均用关系模型来表示。简单说，关系型数据库是由多张能互相联接的二维行列表格组成的数据库。

关系模型就是指二维表格模型，因而一个关系型数据库就是由二维表及其之间的联系组成的一个数据组织。当前主流的关系型数据库有Oracle、DB2、Microsoft SQL Server、MicrosoftAccess、MySQL、浪潮K-DB 、武汉达梦、南大通用、人大金仓等。

实体关系模型简称 E-R 模型，是一套数据库的设计工具，他运用真实世界中事物与关系的观念，来解释数据库中的抽象的数据架构。实体关系模型利用图形的方式（实体-关系图）来表示数据库的概念设计，有助于设计过程中的构思及沟通讨论。

1.5.2 非关系型数据库

非关系型数据库又被称为 NoSQL（Not Only SQL )，意为不仅仅是 SQL，是一种轻量、开源、不兼容 SQL 功能的数据库，对 NoSQL 最普遍的定义是“非关联型的”，强调 Key-Value 存储和文档数据库的优点，而不是单纯地反对 RDBMS（关系型数据库管理系统）。

1.6 DBMS支持的数据模型

层次模型

若用图来表示，层次模型是一棵倒立的树。在数据库中，满足以下条件的数据模型称为层次模型：

有且仅有一个节点无父节点，这个节点称为根节点
其他节点有且仅有一个父节点。桌面型的关系模型数据库

网状模型

在现实世界中，事物之间的联系更多的是非层次关系的，用层次模型表示非树型结构是很不直接的，网状模型则可以克服这一弊病。网状模型是一个网络。在数据库中，满足以下两个条件的数据模型称为网状模型。A.允许一个以上的节点无父节点；B.一个节点可以有多于一个的父节点。

从以上定义看出，网状模型构成了比层次结构复杂的网状结构，适宜表示多对多的联系。

关系模型

以二维表的形式表示实体和实体之间联系的数据模型称为关系数据模型。从模型的三要素角度看，关系模型的内容为：

数据结构：一张二维表格。

数据操作：数据表的定义、检索、维护、计算等。

数据约束条件：表中列的取值范围即域值的限制条件。

**概念模型：**基于客户的想法和观点所形成的认识和抽象。

实体(Entity)：客观存在的、可以被描述的事物。例如员工、部门。

属性(Attribute)：用于描述实体所具有的特征或特性。如使用编号、姓名、工资等来属性来描述员工的特征。

关系(Relationship)：实体之间的联系。

一对一: 人和身份证

一对多: 班级和学生

多对多: 学生和课程

**数据模型：**也叫关系模型，是实体、属性、关系在数据库中的具体体现。

关系数据库：用于存储各种类型数据的”仓库”，是二维表的集合。

表：实体的映射

行和列：行代表一个具体的实体的数据。也叫一条记录。列是属性的映射，用于描述实体的。

主键和外键。

1.7 运维对数据库的要求

程序员对数据库要求

基本的SQL操作、CRUD操作

多表连接查询、分组查询和子查询。

常用数据库的的单行函数。

常用数据库的基本命令。

常用数据库的开发工具。

事务概念。

索引、视图、存储过程和触发器。

运维对数据库要求

部署环境

数据库安装、参数配置、权限分配

备份/还原

监控

故障处理

性能优化

容灾

升级/迁移

系统用户反馈的数据库问题

数据库运维工作总原则

1、能不给数据库做的事情不要给数据库，数据库只做数据容器。

2、对于数据库的变更必须有记录，可以回滚。