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1、1,高级数据库技术,金培权 ,课程目的,掌握数据库设计和优化的方法 深入掌握DBMS的原理和技术 了解DBMS实现技术,课程内容,Part 1: Application-Oriented 关系数据库理论回顾 数据库设计方法与案例分析 Part 2 : System-Oriented 数据库文件与系统结构 索引结构 查询处理 缓冲区管理 恢复 锁与并发控制,课程主页,linked in,课程安排,讲课实验 50学时讲授，20学时实验 教材 Database System Implementation(2th) ,H. Garcia-Molina, J.D. Ullman, J. Widom. 机
2、械工业出版社 参考文献 Database Management Systems(3rd)，Raghu Ramakrishnan et al.et al, 清华大学出版社 Database System Concepts(3rd)，Abraham Silberschatz et al,机械工业出版社 A First Course to Database System, J. Ullman et al., 机械工业出版社 数据库系统概论(第4版), 萨师煊，王珊. 高教出版社,课程安排,考核 期末考试60 作业20 实验20 预备知识 数据库系统原理，SQL，数据库应用编程,课程安排,上机软件 O
3、racle/Sybase ASE/MS SQL Server Sybase PowerDesigner C+/Java,课程知识结构,Chp.1 数据库系统概述,Chp.2 关系数据库回顾,Chp.3 数据库设计,Chp.4 数据存储,Chp.5 数据元素表示,Chp.7 查询编译,Chp.6 索引结构,Chp.8 查询优化,Chp.9 故障与恢复,Chp.10 事务管理,9,第1章 数据库系统概述,主要内容,数据库系统的基本概念 DBMS实现问题 数据库设计问题 数据库存取问题 数据库技术的发展,一、数据库系统的基本概念,数据 数据库 数据库模式 数据库管理系统 数据库系统,1、数据,数据(
4、Data)是数据库中存储的基本对象 数据的定义 人们用来反映客观世界而记录下来的可以鉴别的符号 数据的种类 数值数据：09 非数值数据：字符、文字、声音、图形、图像等,1、数据,数据的特点 数据与其语义是不可分的 例子1：93是一个数据 语义1：学生某门课的成绩 语义2：某人的体重 语义3：软件学院2011级学生人数,例子2：学生档案记录（李明，197205，中国科大，1990） 语义1：学生，出生年月，所在学校，毕业年份 语义2： 学生，出生年月，录取大学，入学时间,2、数据库,数据库的定义 数据库(Database,简称DB)是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合 数据库的
5、基本特征 数据按一定的数据模型组织、描述和储存 可为各种用户共享 数据间联系密切，具有最小的冗余度和较高的独立于某个特定的应用 例：图书馆的图书数据库、机场的航班数据库、银行数据库,3、数据库模式,数据库模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述,数据库,数据库模式,数据,数据的语义,举例,学生(学号:char,姓名:char,年龄:int),模 式,数 据 库,4、数据库管理系统,DBMS（Database Management System），是计算机程序的集合，用于创建和维护数据库 位于操作系统和用户应用之间 总是基于某种数据模型 数据库厂商的产品通常指DBMS，如Oracle8i、M
6、icrosoft SQL Server 2000、DB2、Informix等,5、数据库系统,DBS（DataBase System），指在计算机系统中引入了数据库后的系统，即采用了数据库技术的计算机系统,5、数据库系统,终端用户,终端用户,终端用户,应用程序,应用程序开发工具,数据库管理系统,操作系统,数据库,6、数据库系统的特点,数据结构化 数据的共享性高，冗余度低 数据独立性高 数据由DBMS统一管理和控制,7、数据库系统中的三个主要问题,如何设计和实现一个DBMS来高效的组织和管理数据库？DBMS实现问题 如何针对特定应用的需求设计一个合理的数据库结构？数据库设计问题 应用程序如何有效
7、地存取数据库中的数据？数据库存取问题,二、DBMS实现问题,Oracle、Informix、DB2、MS SQL Server、Mysql 数据结构：关系 数据操作：关系代数 & SQL 存储：文件 ,1、一个虚拟的DBMS：Megatron2000,UNIX下的关系型DBMS，支持SQL 实现细节 关系通过文件（ASCII）存储，e.g. R存储在/usr/db/R中 数据库模式存储在特定的文件（ASCII）中,Smith # 123 # CS Jones # 522 # EE,R1 # A # INT # B # STR R2 # C # STR # A # INT ,2、Megatron
8、 2000 使用示例,% MEGATRON2000 Welcome to MEGATRON 2000! & & quit %,2、Megatron 2000 使用示例,& select * from R # name id dept SMITH 123 CS &,2、Megatron 2000 使用示例,& select A,B from R,S where R.A = S.A and S.C 100 # A B 123 CAR 522 CAT &,3、Megatron 2000如何执行查询？,执行 “select * from R where condition”: 读数据字典获取R的属性
9、读R对应的文件，对于每一行数据: 检查条件 如果条件满足，则输出,3、Megatron 2000如何执行查询？,执行 “select A,B from R,S where condition”: 读数据字典获取R和S的属性 读R文件，对于每一行数据: 读S文件，对于每一行数据: 生成连接元组 检查条件 若条件满足，则输出,Megatron 2000功能总结,可以定义表 可以进行数据操作 数据更新 数据查询,4、Megatron 2000 存在什么问题？,元组平铺在磁盘上 将 EE改为 ECON，需要重写整个文件 ASCII存储过于昂贵 删除操作同样代价很高,4、Megatron 2000 存在
10、什么问题？,低级的查询处理 例，select * from Student S,SC where S.sno = SC.sno and SC.credit 3 先做连接比先做选择效率要低 未考虑更高效的连接算法,4、Megatron 2000 存在什么问题？,没有缓冲区管理 数据直接从磁盘存取，磁盘I/O的代价昂贵 需要Cache来加速数据存取效率,Disk,Cache,Memory,Disk,4、Megatron 2000 存在什么问题？,没有并发控制 多用户同时存取数据时数据一致性得不到保证,A:700,A:500,执行顺序：R1(A)R2(A)W1(A)W2(A),A=500,4、Meg
11、atron 2000 存在什么问题？,没有索引；数据查询效率低 不能快速地根据给定键值查询元组 总是要读入整个关系,若 page size = 8 KB，page I/O 10ms1 MB (128 pages)-2.56 s128 MB (16384 pages)-163.8 s1 GB (131072 pages)-1310.7 s 21.8 min,4、Megatron 2000 存在什么问题？,没有可靠性 发生数据库系统故障时没有恢复机制 易出现数据不一致的情形,4、Megatron 2000 存在什么问题？,没有应用程序编程接口（API） 应用如何存取数据库？,4、Megatron
12、2000 存在什么问题？,糟糕的数据字典组织,5、Megatron 2000 总结,一个糟糕的DBMS,三、数据库设计问题,如何把现实世界数据表达到数据库系统中？ 针对一个具体应用，应该如何构造一个适合于它的数据库模式？,三、数据库设计问题,数据库模式设计不规范会带来一系列的问题 数据冗余 更新异常 插入异常 删除异常,示例关系模式R,示例关系模式 R(Tname, Addr, C#, Cname) 一个教师只有一个地址（户口所在地） 一个教师可教多门课程 一门课程只有一个任课教师 因此R的主码是（C）,1、问题（1）：数据冗余,教师T1教了三门课程，他的地址被重复存储了2次,2、问题（2）：
13、更新异常,如果T1的地址变了，则需要改变3个元组的地址；若有一个未更改，就会出现数据不一致。但DBMS无法获知这种不一致,3、问题（3）：插入异常,如果要增加一名教师，但他还未带课，则C#和Cname为空，但由于C是主码，为空违反了实体完整性，所以这名教师将无法插入到数据库中,4、问题（4）：删除异常,如果教师T3现在不带课了，则需将T3的元组删去，但同时也把他的姓名和地址信息以及C6课程信息删掉了,5、如何解决？,方法：模式分解 方法1：R分解为 R1(Tname, Addr) R2(C#,Cname),授课信息丢失了,5、如何解决？,方法：模式分解 方法1：R分解为 R1(Tname, A
14、ddr) R2(C#,Cname) 方法2 R1(Tname, Addr, C# ) R2( C#, Cname),授课信息丢失了,R1中问题依然存在,5、如何解决？,方法：模式分解 方法1：R分解为 R1(Tname, Addr) R2(C#,Cname) 方法2 R1(Tname, Addr, C# ) R2( C#, Cname) 方法3 R1( Tname, Addr) R2( Tname ,C#, Cname),授课信息丢失了,R1中问题依然存在,基本解决问题，但又带来联接查询代价，可能会导致数据库性能不能满足需求,5、如何解决？,到底什么样的数据库模式才合理？怎么分解才能满足要求？
15、标准是什么？如何实现？数据库设计要解决的主要问题,四、数据库存取问题,数据库的存取？ 增、删、改、查 数据库模式的存取？ 数据库访问控制信息的存取？,？,？,四、数据库存取问题,DBMS,数据库,用户,四、数据库存取问题,用户与数据库的唯一接口数据库语言 DBMS支持用户通过数据库语言进行数据存取 有三类数据库语言 数据定义语言（Data Definition Language, DDL）存取数据库模式 数据操纵语言（Data Manipulation Language， DML）存取数据库数据 数据库控制语言（Data Control Language，DCL）存取访问控制信息,SQL,DD
16、L,DML,DCL,Create Table/Alter Table/Drop Table：定义基本表,Create View/Drop View：视图操作,Create Index/Drop Index：索引操作,Insert Delete Select Update,Grant Revoke,数据记录操作,访问控制,SQL的基本组成,本课程的重点,DBMS实现问题 数据库设计问题 数据库存取问题 ,五、数据库技术的发展,1961：GE的C.W. Bachman设计了历史上第一个DBMS网状数据库系统IDS (Integrated DataStore) 1968：IBM设计了层次数据库系统IMS 1969：CODASYL的DBTG发表了网状数据模型报告，奠定了网状数据库技术 1970：IBM的E.F. Codd提出了关系数据模型，奠定了关系数据库理论基础 1974：IBM的Boyce和Chamberlin设计了SQL语言 19731976：E.F. Codd设计了System
