十一 数据库系统

目录

1、数据库模式

2、关系代数

3、规范化理论

4、并发控制

5、数据库完整性约束

6、数据库安全、备份、故障与恢复

7、分布式数据库、NoSQL、性能优化、大数据分区分表

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1、数据库模式

三级模式-两层映射

• 外模式。用户视图、视图级，用户程序调用。
• 概念模式。基本表。
• 内模式。物理模式，存储模式，文件级。

外模式和概念模式之间映射，保证逻辑独立性。

概念模式和内模式之间映射，保证物理独立性。

视图

• 视图优点:简化用户操作，重构数据提供一定的逻辑独立性，数据安全保护，用户以多种角度看待同一数据。缺点:查询之后再展示，效率比较低。
• 物化视图。实体化视图，会存储数据，更新原始数据时，需更新物化视图。只适合查询较多的数据，修改性较多的不适合物化视图。

数据库设计过程

• 需求分析。得到数据流图，数据字典，需求说明书。
• 概念结构设计。得到ER模型。用户数据模型。
• 逻辑结构设计。关系模型，视图，完整性约束及应用处理说明书。转换规则，规范化理论。
• 物理设计。硬件，os，聚簇索引。

ER模型

联系类型:

1: 1 一对一

1: n 一对多

n: n 多对多

实体转关系模式

一个实体集至少一个关系模式。

多对多必须转成一个关系模式。

1对多n 可以转为一个关系模型，也可以与n端关系模式合并。

2、关系代数

笛卡尔积 X。属性列数是二者之和。元组行行数是二者乘积。

选择 ∂。现在列是否相等，筛选条件。

投影 π。选择需要的列。

例如: Select 投影 from 表1，表2 where 选择。

自然连接 ▷◁: 属性列二者之和减去重复的列数。元组行数同名属性列取值相等的元素。

自然连接和笛卡尔积转换。先选择（做where），再投影。

1、一般任务自然连接性能优于笛卡尔积。

2、尽量先将操作的对象压缩。

3、规范化理论

非规范化关系模式可能存在问题:数据冗余、更新异常、插入，删除异常。

函数依赖

• 主键唯一标识元组的属性集合。可以决定所有其他属性。主键可以是组合。
• 部分函数依赖:元素依赖主键中的一部分。针对组合主键。
• 传递函数依赖:。

键概念

• 候选键:唯一标识元组，且无冗余。就是可以做主键的属性值，可以是组合键。
• 主键:候选键任选一个
• 外键:其他关系主键。

如何求候选键?

1、找到入度为0的值，即没其他属性指向它。也就是没在右边出现过的属性。

2、如果都没有入度为0的，找中间属性（有入有出）。

候选键包含的属性叫做主属性，其他叫非主属性。

第一范式。属性值都是不可分的原子值。属性不能划分为其他小属性，即是满足一个二维表。

第二范式。再上一基础，不存在非主属性对候选键的部分依赖。

第三范式。再上一基础，不存在非主属性对候选键的传递依赖。

BCNF。每个依赖的决定因素必定包含某个候选码。

分解表拆分

是否保持函数依赖分解。分解之后还能找到之前的函数依赖关系，即可以找到之前的关系模式。

无损分解:可以还原

有损分解:不能还原

无损分解表格法:有一排是勾就是无损分解。

无损连接分解，都是能推所有属性，所以，只要是包涵候选关键字的，都是无损连接。

1、初始表。画出所有属性，根据关系给存在的属性打√。

2、表格中需要相同的那一列开始，作为左侧决定因素，找到对应的关系，如果存在打√。

案例:

反规范化 : 希望牺牲部分规范化提高性能，从规范化设计的回退方法。

由于规范化导致数据表过多，虽然减少了数据冗余，但是增加了增删改的效率。根据业务，在表中新增一部分冗余字段，以提高性能。

益处 : 降低连接操作的需求，降低外码和索引数目，还可以减少表的数目，能够提高查询效率。

技术手段:

• 增加派生性冗余列（计算总和，平均值）
• 增加冗余列。（复制某一列数据）
• 重新组表。多表组合形成一个表。
• 分割表。水平分割（按照字段行不同的取值放不同表，一年或者10年一个表），垂直分割（按列，不常用的数据重新放一个表）。

出现的问题 : 数据冗余，重复存储浪费了磁盘空间；可能出现数据的完整性问题，还有数据性一致性问题，增加数据维护的复杂度，会降低修改速度。

触发器或应用程序解决。

解决一致性的方法主要有三种

1. 使用事物方式(应用程序自己去维护)

2. 使用批处理即定时器。(写个脚本定时去同步，适合数据不实时更新)

3. 使用触发器(数据库触发器可以在修改时自动更新)。

4、并发控制

事务:原子性（要么做，要么不做），一致性（数据一致性），隔离性（事务之间隔离），持续性（修改后数据保持数据持续性）。

并发产生的问题: 丢失更新（修改）；不可重复读问题；脏数据读出。

解决方案:

S锁: 读锁，共享锁。

X锁: 写锁，排他锁，独占锁。

读锁可以多个，但是写锁有了之后不能加其他锁。

一级封锁协议:在修改之前加x锁，事务结束后释放，防止丢失修改。

二级封锁协议:一级封锁协议加上读取数据之前加s锁，读完后释放。防止丢失修改和读脏数据。

三级封锁协议:一级封锁协议加上读取数据之前加s锁，事务结束后释放。防止丢失修改和读脏数据，防止数据重复读。

两段锁协议，可以串行化，但可能发生死锁。准备阶段（请求阶段）和提交阶段（执行阶段）。

5、数据库完整性约束

实体完整性。主键，唯一且非空。

参照完整性。引用其他表的主键（外键），其他关系的主键或者为空。

用户自定义完整性约束。check。

触发器。

6、数据库安全、备份、故障与恢复

数据库安全：

• 用户标识和鉴定。主要是身份认证。
• 存取控制。主要是权限。
• 密码存储和传输。对远程终端信息用密码传输。加密和摘要。
• 视图的保护。对视图进行授权。
• 审计。日志记录，事后审查，可追溯。

数据备份：

冷备份（静态备份）:停止状态下，将数据库文件备份下来。

热备份（动态备份）:数据库正常状态下，备份数据库。

完全备份:备份所有数据。

差量备份:仅备份上一次完全备份之后变化的数据。

增量备份:备份上一次备份之后变化的数据。

日志文件:对于数据库，先写日志再写数据。

各种备份相互用:全备-增备-增备-差备-增备。还原效率高。

数据库故障和恢复

7、分布式数据库、NoSQL、性能优化、大数据分区分表

分布式数据库

NoSQL

数据库性能优化

大数据

分区分表