《探究关系型数据库原理：数据存储与管理的基石》
一、关系型数据库的基本概念
关系型数据库（Relational Database）是建立在关系模型基础上的数据库，关系模型由数据结构（关系）、关系操作集合和完整性约束三部分组成，在关系型数据库中，数据被组织成一张张的表（Table），就像是一个个的电子表格，每一张表都有特定的列（Column）和行（Row），列定义了数据的属性，例如在一个“学生”表中，可能有“学号”“姓名”“年龄”“专业”等列；行则代表了一个具体的实例，比如某一个学生的具体信息就占据一行。
二、数据存储结构
1、表的存储
图片来源于网络，如有侵权联系删除
- 关系型数据库将表存储在磁盘上的文件中，这些文件的组织方式是经过精心设计的，以提高数据的存储效率和访问速度，通常采用的数据结构有B - 树（B - Tree）或者其变体，如B+树，B+树是一种平衡的多路查找树，它的叶子节点形成一个有序链表，对于数据表中的索引，B+树结构可以快速定位到需要的数据行，在一个以“学号”为索引的“学生”表中，当查询特定学号的学生信息时，数据库系统通过B+树索引结构可以快速地在磁盘上找到对应的记录。
- 表中的数据按照行的顺序依次存储，每一行的数据在存储时是连续的，这样在进行全表扫描等操作时，可以顺序地读取数据，减少磁盘I/O的次数，为了节省存储空间，数据会进行适当的编码和压缩，对于一些重复出现的值，可能采用某种编码方式来表示，而不是重复存储相同的值。
2、数据类型与存储
- 关系型数据库支持多种数据类型，如整数类型（INT）、小数类型（DECIMAL）、字符类型（VARCHAR、CHAR）、日期类型（DATE、TIME、DATETIME）等，不同的数据类型在存储时有不同的格式，整数类型通常以二进制形式存储，而字符类型则根据字符编码（如UTF - 8）将字符转换为对应的字节序列进行存储，对于变长的字符类型（如VARCHAR），还需要额外存储字符串的长度信息。
三、关系操作
1、选择（Select）操作
- 选择操作是从一个表或者多个表的组合中筛选出满足特定条件的行，在“学生”表中，要找出所有“专业”为“计算机科学”的学生，数据库系统会逐行检查“专业”列的值是否为“计算机科学”，这个操作是基于关系代数中的选择运算，在数据库的实现中，会利用索引（如果有的话）来提高查询效率，专业”列有索引，数据库可以直接定位到符合条件的行所在的磁盘位置，而不需要对整个表进行全表扫描。
2、投影（Project）操作
- 投影操作是从表中选择特定的列，只需要获取“学生”表中的“学号”和“姓名”两列信息，数据库系统在执行投影操作时，会从存储的数据行中提取出指定列的值，重新组织数据结构，生成一个只包含指定列的结果集，这个过程涉及到对数据的重新排列和组织，同时也需要考虑数据的完整性和一致性。
3、连接（Join）操作
图片来源于网络，如有侵权联系删除
- 连接操作是关系型数据库中非常重要的操作，用于将两个或多个表根据一定的条件组合在一起，有一个“学生”表和一个“课程”表，通过“学生”表中的“学号”和“课程”表中的“选课学号”进行连接，可以得到每个学生所选的课程信息，连接操作有多种类型，如内连接（Inner Join）、外连接（Outer Join）等，内连接只返回满足连接条件的行，而外连接则可以返回一侧或两侧表中不满足连接条件的行，并以空值填充缺失的部分，在数据库实现中，连接操作通常需要对表进行扫描和比较操作，为了提高效率，数据库系统会采用一些优化算法，如哈希连接（Hash Join）和排序 - 合并连接（Sort - Merge Join）。
四、完整性约束
1、实体完整性
- 实体完整性要求表中的每一行都有一个唯一标识，在关系型数据库中，通常通过主键（Primary Key）来实现实体完整性，主键是一个或一组列，其值在表中是唯一的且不能为 NULL，在“学生”表中，“学号”通常被定义为主键，这样可以确保每个学生都有一个唯一的标识，避免数据的重复和混淆。
2、参照完整性
- 参照完整性用于维护表与表之间的关系，当一个表中的列引用了另一个表中的主键时，就形成了参照关系，在“选课”表中，“选课学号”列引用了“学生”表中的“学号”主键，参照完整性要求在“选课”表中的“选课学号”的值必须是“学生”表中“学号”列已经存在的值，或者为 NULL（如果允许的话），这可以防止出现无效的引用，保证数据的一致性。
3、用户定义完整性
- 用户定义完整性是用户根据具体的业务需求定义的一些约束条件，在“学生”表中，“年龄”列可能被定义为只能是介于18到30之间的值，数据库系统会在插入、更新数据时检查这些约束条件，如果违反了用户定义的完整性约束，操作将被拒绝。
五、事务管理
1、事务的概念
图片来源于网络，如有侵权联系删除
- 事务是关系型数据库中的一个重要概念，它是一组数据库操作的逻辑单元，这些操作要么全部成功执行，要么全部失败回滚，在一个银行转账系统中，从一个账户转出资金并转入另一个账户的操作就是一个事务，这个事务包括查询转出账户余额、更新转出账户余额、查询转入账户余额、更新转入账户余额等操作，如果其中任何一个操作失败，例如在更新转出账户余额时由于磁盘故障导致操作无法完成，那么整个事务都应该回滚，即恢复到事务开始之前的状态，以保证数据的一致性。
2、事务的特性（ACID）
原子性（Atomicity）：事务中的所有操作是一个不可分割的整体，要么全部执行，要么全部不执行，就像前面提到的银行转账事务，如果在转账过程中出现问题，整个转账操作（包括资金的转出和转入）都不能部分完成。
一致性（Consistency）：事务执行前后，数据库的状态必须保持一致，在银行转账的例子中，转账前后银行系统的总资金数应该保持不变，只是资金在不同账户之间的分配发生了变化。
隔离性（Isolation）：多个事务并发执行时，每个事务都感觉不到其他事务的存在，它们之间相互隔离，有两个用户同时对同一个账户进行操作，数据库系统应该保证每个用户的操作不会相互干扰，每个事务都按照自己的逻辑顺序执行。
持久性（Durability）：一旦事务提交成功，其对数据库的修改就应该是永久性的，即使在系统出现故障（如断电、磁盘故障等）的情况下，也能够恢复到事务提交后的状态，这通常通过数据库的日志系统（Log）来实现，日志记录了事务的所有操作，在系统恢复时可以根据日志重新执行已经提交的事务。
关系型数据库通过其独特的数据存储结构、关系操作、完整性约束和事务管理机制，为各类应用提供了可靠、高效的数据存储和管理解决方案，广泛应用于企业级信息系统、电子商务、金融等众多领域。
评论列表