《数据库应用基础知识点全解析》
一、数据库概述
（一）数据库的定义
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数据库（Database）是按照数据结构来组织、存储和管理数据的仓库，它不仅仅是简单地存储数据，还能够对数据进行有效的组织、管理、查询、更新等操作，一个企业的员工信息管理系统，数据库中存储着员工的基本信息（如姓名、年龄、职位等）、考勤信息、薪资信息等多方面的数据。
（二）数据库的特点
1、数据结构化
数据库中的数据是按照一定的结构进行组织的，例如关系型数据库中，数据以表格（关系）的形式存在，每个表格包含多个列（属性）和行（记录），这种结构化使得数据易于理解、维护和操作。
2、数据共享性高、冗余度低
多个用户或应用程序可以同时访问数据库中的数据，实现数据的共享，通过合理的数据库设计，可以减少数据的冗余，在一个学校的数据库中，如果有学生和课程两张表，学生表中存储学生的基本信息，课程表中存储课程的信息，而学生选课的信息可以通过一个关联表来存储，避免在每个表中重复存储不必要的信息。
3、数据独立性
包括物理独立性和逻辑独立性，物理独立性是指数据库的物理存储结构改变时，不影响数据库的逻辑结构以及应用程序对数据的使用；逻辑独立性是指数据库的逻辑结构改变时，不影响应用程序对数据的使用。
4、数据安全性和完整性
数据库提供了多种机制来保证数据的安全性，如用户认证、权限管理等，数据完整性约束（如实体完整性、参照完整性和用户自定义完整性）确保了数据的准确性和一致性。
二、数据库管理系统（DBMS）
（一）DBMS的功能
1、数据定义功能
DBMS提供数据定义语言（DDL），用于定义数据库的结构，包括创建、修改和删除数据库、表、视图、索引等对象，在SQL（Structured Query Language）中，可以使用CREATE TABLE语句创建一个新的表。
2、数据操纵功能
通过数据操纵语言（DML），可以对数据库中的数据进行插入（INSERT）、删除（DELETE）、修改（UPDATE）和查询（SELECT）操作，使用SELECT语句可以从一个或多个表中检索满足特定条件的数据。
3、数据库的运行管理
DBMS负责数据库的并发控制、数据的完整性约束检查、数据的安全性控制等运行管理工作，在多用户环境下，并发控制机制确保多个用户对数据库的并发操作不会产生数据不一致的问题。
4、数据库的建立和维护功能
包括数据库的初始数据加载、数据库的转储和恢复、数据库的性能监测和优化等功能。
（二）常见的DBMS
1、关系型数据库管理系统
- Oracle：Oracle是一款功能强大、性能卓越的大型商业数据库管理系统，广泛应用于企业级应用中，它具有高度的可扩展性、安全性和可靠性。
- MySQL：MySQL是一个开源的关系型数据库管理系统，以其简单易用、成本低、性能较好等特点，在中小型企业和互联网应用中得到了广泛的应用。
- SQL Server：由微软公司开发，与Windows操作系统有很好的集成性，提供了丰富的开发工具和管理工具，适用于Windows平台下的企业应用开发。
2、非关系型数据库管理系统
- MongoDB：是一种流行的非关系型数据库，以文档（类似于JSON格式）的形式存储数据，适合于处理大规模的、高并发的、数据结构不固定的应用场景，如社交网络、内容管理系统等。
- Redis：主要用作缓存数据库，它将数据存储在内存中，具有极高的读写速度，常用于缓存频繁访问的数据，以提高应用程序的性能。
三、关系数据库的基本概念
（一）关系模型
关系模型是关系数据库的基础，它用二维表格来表示实体以及实体之间的关系，一个关系（表格）有以下几个概念：
1、元组
元组也称为记录，是表格中的一行，表示一个实体的具体信息，例如在员工表中，一个员工的所有信息（如姓名为张三的员工的年龄、职位等信息）组成一个元组。
2、属性
属性也称为列，是表格中的一列，表示实体的一个特征，如员工表中的姓名、年龄等都是属性。
3、域
域是属性的取值范围，例如年龄属性的域可能是18到60之间的整数。
4、键
- 主键（Primary Key）：能够唯一标识一个元组的属性或属性组，例如员工表中的员工编号可以作为主键，因为每个员工的编号是唯一的。
- 外键（Foreign Key）：用于建立两个关系（表格）之间的联系，例如在员工部门表中，部门编号是一个外键，它引用了部门表中的部门编号，表明员工所属的部门。
（二）关系代数
关系代数是一种抽象的查询语言，用于对关系（表格）进行操作，它包含以下基本运算：
1、选择（σ）
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选择操作是从关系中选择满足给定条件的元组，从员工表中选择年龄大于30岁的员工的信息。
2、投影（π）
投影操作是从关系中选择某些属性列组成新的关系，从员工表中只选择姓名和职位这两个属性列。
3、连接（⋈）
连接操作是将两个或多个关系根据一定的条件组合成一个新的关系，将员工表和部门表根据部门编号进行连接，得到包含员工信息和部门信息的新关系。
4、除（÷）
除运算是一种比较复杂的运算，它在关系数据库的查询优化等方面有重要的应用。
四、SQL语言基础
（一）SQL的分类
1、DDL语句
如前所述，DDL语句用于定义数据库的结构。
- CREATE DATABASE：用于创建一个新的数据库。
- CREATE TABLE：创建一个新的表，需要指定表名、列名、列的数据类型以及可能的约束条件。
- ALTER TABLE：用于修改已存在的表的结构，如添加新的列、修改列的数据类型等。
- DROP TABLE：删除一个表。
2、DML语句
- INSERT语句：用于向表中插入新的元组，INSERT INTO employees (name, age, position) VALUES ('李四', 25, '程序员');
- DELETE语句：用于从表中删除满足条件的元组，DELETE FROM employees WHERE age < 20;
- UPDATE语句：用于修改表中已存在元组的某些属性值，UPDATE employees SET position = '高级程序员' WHERE experience > 5;
- SELECT语句：是最常用的DML语句，用于从一个或多个表中查询数据，SELECT name, age FROM employees WHERE position = '经理';
3、DCL语句
数据控制语言（DCL）用于控制数据库的访问权限等，GRANT语句用于授予用户对数据库对象的权限，REVOKE语句用于收回用户的权限。
（二）SQL的数据类型
1、数值型数据类型
- 整数类型：如INT、SMALLINT等，用于存储整数值。
- 小数类型：如DECIMAL、FLOAT等，用于存储带有小数部分的值。
2、字符型数据类型
- CHAR：定长字符串类型，例如CHAR(10)表示存储长度为10的字符串，如果实际存储的字符串长度小于10，则在后面补空格。
- VARCHAR：变长字符串类型，例如VARCHAR(20)表示最多可以存储长度为20的字符串，实际存储多长就占用多长的空间。
3、日期和时间类型
- DATE：用于存储日期，格式为'YYYY - MM - DD'。
- TIME：用于存储时间，格式为'HH:MM:SS'。
- DATETIME：用于存储日期和时间，格式为'YYYY - MM - DD HH:MM:SS'。
五、数据库设计
（一）数据库设计的步骤
1、需求分析
这是数据库设计的第一步，需要与用户进行充分的沟通，了解用户对数据库的功能需求、数据需求、性能需求等，在设计一个图书馆管理系统的数据库时，需要了解图书馆的业务流程，如借书、还书、图书采购、读者注册等流程，以及涉及到的数据，如图书信息、读者信息、借阅记录等。
2、概念结构设计
在这个阶段，主要是构建数据库的概念模型，通常使用E - R模型（Entity - Relationship Model），E - R模型通过实体、属性和实体之间的关系来描述数据库的概念结构，在图书馆管理系统中，实体有图书、读者、管理员等，图书有书名、作者、出版社等属性，读者有姓名、年龄、借阅证号等属性，图书和读者之间存在借阅关系。
3、逻辑结构设计
将概念模型转换为数据库的逻辑模型，对于关系型数据库来说，就是将E - R模型转换为关系模式，将图书实体转换为图书表，读者实体转换为读者表，借阅关系转换为借阅表，并确定表中的列（属性）、主键、外键等。
4、物理结构设计
根据数据库的逻辑结构和实际的应用环境，确定数据库的物理存储结构，包括选择存储设备、确定数据的存储方式（如顺序存储、索引存储等）、确定索引结构等，在一个大型的数据库应用中，对于经常查询的列可以创建索引来提高查询速度。
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5、数据库实施
根据物理结构设计的结果，创建数据库、表、视图、索引等对象，并将初始数据加载到数据库中。
6、数据库运行和维护
在数据库投入运行后，需要对数据库进行监控、性能优化、数据备份和恢复、安全管理等操作，定期对数据库进行性能分析，根据分析结果调整数据库的参数或优化查询语句，以提高数据库的性能。
（二）数据库设计的规范化
为了减少数据冗余，提高数据的一致性和完整性，在数据库设计中需要遵循一定的规范化理论。
1、第一范式（1NF）
如果一个关系（表）中的每个属性都是不可再分的基本数据项，则这个关系满足第一范式，一个员工表中，如果有一个属性是“联系方式”，其中包含了电话号码和电子邮箱地址，这就不满足1NF，需要将其拆分为“电话号码”和“电子邮箱地址”两个属性。
2、第二范式（2NF）
在满足1NF的基础上，如果关系中的非主属性完全依赖于主键，则满足第二范式，在一个订单表中，如果主键是（订单编号，商品编号），而订单金额只依赖于订单编号，不依赖于商品编号，那么这个表就不满足2NF，需要进行分解。
3、第三范式（3NF）
在满足2NF的基础上，如果关系中的非主属性不传递依赖于主键，则满足第三范式，在一个学生表中，如果存在学号、班级编号和班主任姓名三个属性，班主任姓名通过班级编号依赖于学号，这就存在传递依赖，不满足3NF，需要进行调整。
六、数据库的维护与管理
（一）数据备份与恢复
1、数据备份
数据备份是为了防止数据丢失或损坏而采取的措施，常见的备份方式有：
- 完全备份：将数据库中的所有数据进行备份，这种备份方式简单，但备份文件较大，备份和恢复时间较长。
- 差异备份：备份自上次完全备份以来发生变化的数据，相对于完全备份，差异备份的文件较小，备份和恢复速度较快。
- 事务日志备份：记录数据库中的事务操作，通过事务日志备份可以将数据库恢复到某个特定的时间点，这种备份方式适用于对数据实时性要求较高的应用场景。
2、数据恢复
当数据库发生故障（如硬件故障、软件故障、人为误操作等）时，需要进行数据恢复，数据恢复的过程取决于所采用的备份方式，如果采用完全备份和差异备份，首先恢复完全备份，然后再恢复差异备份；如果采用事务日志备份，则可以根据事务日志将数据库恢复到指定的时间点。
（二）数据库性能优化
1、查询优化
查询是数据库操作中最常见的操作之一，查询优化可以显著提高数据库的性能，查询优化的方法包括：
- 优化查询语句：合理使用索引、避免使用复杂的嵌套查询、选择合适的连接方式等，在查询员工表中年龄大于30岁的员工信息时，如果在年龄列上有索引，那么查询速度会大大提高。
- 分析查询执行计划：通过查看查询执行计划，可以了解数据库是如何执行查询的，从而找出查询中的瓶颈并进行优化。
2、索引优化
索引是提高数据库查询速度的重要手段，但过多的索引也会影响数据库的性能，索引优化包括：
- 确定合适的索引列：选择经常用于查询条件、连接条件的列建立索引。
- 控制索引的数量：避免创建过多不必要的索引。
3、数据库结构优化
在数据库运行过程中，可能需要根据实际的业务需求对数据库的结构进行优化，对表进行分区操作，将一个大表按照一定的规则分成多个小表，以提高查询性能；或者对表进行垂直分割或水平分割，优化数据的存储和查询。
（三）数据库安全管理
1、用户认证
数据库通过用户认证机制来识别用户的身份，用户需要提供正确的用户名和密码才能登录数据库，不同的用户可以被授予不同的权限，以访问不同的数据库对象。
2、权限管理
权限管理用于控制用户对数据库对象（如数据库、表、视图、存储过程等）的操作权限，可以授予用户对某个表的查询权限、插入权限、修改权限或删除权限，也可以授予用户创建视图或存储过程的权限。
3、数据加密
对于一些敏感数据，如用户密码、财务数据等，可以采用数据加密技术进行保护，在数据库中，可以使用内置的加密函数或者第三方的加密工具对数据进行加密，这样即使数据被窃取，窃取者也无法直接获取到原始数据的内容。
数据库应用基础知识点涵盖了从数据库的基本概念、数据库管理系统、关系数据库的相关知识、SQL语言基础、数据库设计到数据库的维护与管理等多个方面，这些知识点是构建和管理数据库应用的基础，无论是开发小型的桌面应用还是大型的企业级应用，都需要对这些知识点有深入的理解和掌握。
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