数据库1—数据库基础·数据库概述和基本概念

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一、理解数据库的定义和作用

1、数据库的基本概念

1.1 数据库是什么？

• 数据库是一个有组织的集合，用于存储和管理数据的容器。它允许你有效地存储、检索、更新和管理数据。

1.2 数据库管理系统（DBMS）是什么？

• DBMS是一个软件系统，负责管理数据库的创建、维护和使用。它提供了一个接口，使用户和应用程序能够与数据库交互。

1.3 表、行、列是什么？

• 数据库中的表是数据的结构化表示，类似于电子表格。表包含行和列。每行代表一个记录，每列包含特定类型的数据。

例如，一个学生表可能有学号（列）、姓名（列）、年龄（列），每行代表一个学生的信息。

1.4 主键和外键是什么？

• 主键是表中用于唯一标识每行的字段。它确保每行都有一个唯一标识符。
• 外键是表中的字段，用于建立两个表之间的关系。它通常与其他表的主键关联。

例如，如果有一个学生表和一个课程表，学生表中的学号可能是主键，而课程表中的学号可能是外键。

1.5 SQL是什么？

• SQL（Structured Query Language）是一种用于与数据库通信的标准语言。它包括用于查询和操作数据库的命令。

例如，一个简单的SQL查询可能是：

SELECT * FROM Students WHERE Age > 20;

这将返回所有年龄大于20的学生记录。

1.6 ACID属性是什么？

• ACID是事务的四个特性，确保数据库事务的可靠性。
  • 原子性（Atomicity）： 事务是原子的，要么全部执行，要么全部回滚。
  • 一致性（Consistency）： 事务使数据库从一个一致性状态转移到另一个一致性状态。
  • 隔离性（Isolation）： 一个事务的执行不能被其他事务干扰。
  • 持久性（Durability）： 一旦事务提交，其结果将永久保存在数据库中。

2、数据库管理系统（DBMS）的作用和种类

2.1 数据库管理系统（DBMS）的作用

数据库管理系统是一种软件，它充当数据库的守护者，负责管理数据库的创建、维护和访问。

主要作用：

1. 数据定义：

   • DBMS允许定义数据的结构，包括表、字段、索引等。通过定义数据模型，它确保数据以一种有组织的方式存储。

2. 数据操作：

   • DBMS提供了操作数据的方法，包括插入、更新、删除和查询数据。这通过使用SQL语言或类似的查询语言来实现。

3. 数据管理：

   • DBMS负责处理数据的存储和检索，确保数据的完整性、安全性和一致性。它管理数据的物理存储和访问路径。

4. 事务管理：

   • DBMS支持事务，确保数据库操作是原子、一致、隔离和持久的（ACID属性）。这是为了维护数据的一致性和可靠性。

5. 并发控制：

   • DBMS管理多用户同时访问数据库的情况，确保并发操作不会导致数据不一致或丢失。

6. 数据安全性和权限控制：

   • DBMS通过用户身份验证和授权机制确保只有授权用户可以访问数据库。它还提供数据加密和审计功能以增强安全性。

7. 数据备份和恢复：

   • DBMS允许定期备份数据库，以便在数据丢失或损坏时进行恢复。这是保障数据可用性的重要手段。

2.2 数据库管理系统的种类

主要类型：

1. 关系数据库管理系统（RDBMS）：

   • 使用表来存储数据，并通过SQL进行查询和管理。例如，MySQL、Oracle、Microsoft SQL Server。

2. NoSQL数据库管理系统：

   • 用于存储和检索非结构化或半结构化数据。包括文档型、键值型、列族型、图型数据库。例如，MongoDB、Cassandra、Redis。

3. 对象数据库管理系统：

   • 将对象作为基本数据存储单元，适用于面向对象的应用程序。例如，db4o。

4. 图数据库管理系统：

   • 专注于图形结构的数据，适用于处理复杂的关系和网络。例如，Neo4j。

5. 内存数据库管理系统：

   • 将数据存储在内存中，以提供更快的读写速度。例如，Redis。

二、数据库体系结构

1、三层架构: 用户层、逻辑层、物理层

1.1 用户层（外部层）

用户层是与最终用户直接交互的部分，它包括以下组件：

• 用户界面（UI）：

  • 提供用户与数据库交互的图形界面或命令行接口。这是用户执行查询、插入、更新等操作的地方。

• 应用程序（Application）：

  • 执行特定任务的应用程序，它们通过用户界面与数据库交互。应用程序可以包括业务逻辑、数据处理和用户输入验证等功能。

用户层的主要目标是提供友好的界面，隐藏底层数据库细节，使用户能够方便地操作数据库而不必了解底层实现。

1.2 逻辑层（中间层）

逻辑层充当用户层和物理层之间的中介，主要包括以下组件：

• 查询处理器（Query Processor）：

  • 解析和优化用户发出的查询，将其转换为对数据库的实际操作。这包括查询解析、优化和执行计划生成。

• 事务管理器（Transaction Manager）：

  • 管理事务的执行，确保事务的原子性、一致性、隔离性和持久性（ACID属性）。

• 数据完整性和安全性管理：

  • 负责维护数据的完整性和安全性，包括实体完整性、参照完整性、权限控制等。

逻辑层的任务是将用户请求转化为对数据库的操作，并确保这些操作在事务的范围内得以正确执行。

1.3 物理层（存储层）

物理层是数据库实际存储和管理数据的地方，它包括以下组件：

• 存储管理器（Storage Manager）：

  • 管理数据在磁盘上的存储和检索。这包括数据文件、索引文件的组织和管理。

• 缓存管理器（Cache Manager）：

  • 缓存常用数据，以提高查询性能。通过在内存中存储热点数据，减少对磁盘的访问。

• 文件管理器（File Manager）：

  • 负责管理数据库文件的物理组织，包括数据文件、日志文件等。

物理层的主要任务是有效地管理存储，提高数据的访问速度，并确保数据的持久性和一致性。

1.4 示例与解释

示例：
有一个用户想要查询学生表中年龄大于20的所有学生姓名。

-- 用户层（用户界面或应用程序）
SELECT Name FROM Students WHERE Age > 20;

解释：
用户层发出查询请求，逻辑层处理并生成查询计划，物理层执行实际的数据检索。

这个查询会经过逻辑层的处理，生成一个执行计划，然后由物理层去执行，最终返回结果给用户。

用户可以通过用户界面或应用程序与数据库交互，逻辑层处理用户请求并生成执行计划，物理层执行实际的数据库操作。

这种分层结构有助于隔离不同层次的责任，提高系统的可维护性和可扩展性。

2、数据库系统组件和功能

2.1 数据库引擎（Database Engine）

• 功能： 数据库引擎是数据库系统的核心组件，负责实际存储、管理和检索数据。它执行SQL查询，处理事务，并提供数据完整性和安全性。
• 示例： MySQL的数据库引擎是InnoDB，Microsoft SQL Server的是SQL Server Engine。

2.2 查询处理器（Query Processor）

• 功能： 解析和优化用户提交的SQL查询，生成执行计划，并将其传递给数据库引擎执行。
• 示例： 当用户发出查询时，查询处理器会分析查询语句，并确定最有效的方式检索数据。

2.3 事务管理器（Transaction Manager）

• 功能： 管理数据库事务，确保事务的原子性、一致性、隔离性和持久性（ACID属性）。
• 示例： 如果一个事务包含多个SQL语句，事务管理器将确保它们以原子的方式执行。

2.4 数据字典（Data Dictionary）

• 功能： 存储数据库的元数据信息，包括表结构、索引信息、数据类型等，用于数据定义和数据操作。
• 示例： 数据字典包含有关数据库中表和字段的信息，允许系统了解数据库结构。

2.5 缓存管理器（Cache Manager）

• 功能： 缓存常用的数据，以减少对磁盘的访问，提高查询性能。
• 示例： 将热点数据存储在内存中，避免每次查询都需要从硬盘读取数据。

2.6 安全性和权限控制

• 功能： 管理用户对数据库的访问权限，确保只有授权用户可以执行特定的数据库操作。
• 示例： 设置用户角色和权限，限制对敏感数据的访问。

2.7 备份和恢复管理器

• 功能： 负责定期备份数据库，并在需要时恢复数据，以防止数据丢失。
• 示例： 设置定期备份策略，以便在发生故障时可以快速恢复数据。

2.8 并发控制器（Concurrency Controller）

• 功能： 管理多用户同时访问数据库的情况，防止并发操作导致数据不一致。
• 示例： 使用锁定机制或隔离级别来确保事务之间的正确隔离。

2.9 日志管理器（Log Manager）

• 功能： 记录数据库的所有变更，用于恢复和追踪数据库操作。
• 示例： 记录事务的开始、提交和回滚，以便在需要时进行故障恢复。

2.10 示例与解释

示例：
有一个用户要向学生表中插入一条新的学生记录：

-- 用户层（用户界面或应用程序）
INSERT INTO Students (Name, Age, Grade) VALUES ('John Doe', 25, 'A');

解释：

1. 用户通过用户界面或应用程序提交上述SQL查询。
2. 查询处理器解析查询并生成执行计划，确定将数据插入学生表。
3. 事务管理器确保插入操作是一个原子事务，即要么全部插入成功，要么全部回滚。
4. 数据引擎执行插入操作，将新的学生记录存储在数据库中。
5. 日志管理器记录插入操作，以便在需要时进行恢复。