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关系型数据库基本原理探究
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关系模型的基础概念
1、数据结构：表（关系）
- 在关系型数据库中，数据以表的形式组织，表是一个二维结构，由行和列组成，在一个学生信息表中，每一行代表一个学生的记录，每一列代表学生的某个属性，如学号、姓名、年龄、性别等，这些表中的数据具有原子性，即每个单元格中的数据都是不可再分的基本数据项。
- 表中的列具有特定的数据类型，如整数、字符串、日期等，这种严格的数据类型定义有助于确保数据的准确性和一致性，表中的列名是唯一的，用于标识该列所代表的属性。
2、关系的约束
实体完整性约束：这一约束要求表中的每一行都有一个唯一标识符，通常是主键，主键的值不能为null，并且在表中必须是唯一的，在学生信息表中，学号可以作为主键，因为每个学生的学号是唯一的，并且学号不能不存在（为null）。
参照完整性约束：当表之间存在关联关系时，参照完整性就起到了重要作用，有一个课程表和一个选课表，选课表中的课程编号必须参照课程表中的课程编号，也就是说，选课表中出现的课程编号必须是课程表中已经存在的，以保证数据的一致性和关联性。
用户定义完整性约束：这是根据用户的特定业务需求定义的约束，学生的年龄必须在某个合理的范围之内（如6到100岁），或者学生的性别只能是“男”或“女”等。
关系代数：关系型数据库操作的理论基础
1、选择操作（σ）
- 选择操作是从关系（表）中选择满足特定条件的元组（行），从学生信息表中选择年龄大于20岁的学生记录，其操作是基于表中的属性值进行筛选，通过设定条件表达式，如“年龄> 20”，然后从整个学生表中找出符合该条件的行，形成一个新的关系（表），这个新的关系包含了原表中满足条件的部分行，列结构与原表相同。
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2、投影操作（π）
- 投影操作是从关系中选择某些属性（列）组成新的关系，从学生信息表中只选择学号和姓名这两列来形成一个新的表，投影操作主要关注的是列的选择，通过指定要保留的列名，如“π（学号，姓名）（学生信息表）”，可以得到一个只包含学号和姓名两列的新关系，新关系中的行是原表中对应行的子集，且只包含选定列的数据。
3、连接操作（⋈）
- 连接操作是将两个或多个关系（表）按照一定的条件组合成一个新的关系，将学生信息表和选课表通过学号进行连接，以获取每个学生所选课程的信息，连接操作有多种类型，如内连接（只返回满足连接条件的行）、外连接（除了返回满足连接条件的行，还返回一侧或两侧表中不满足连接条件的行）等，内连接是最常见的一种，它基于两个表中的共同属性（如学号），将两个表中学号相同的行组合在一起，形成一个新的包含学生信息和选课信息的关系。
关系型数据库的存储与索引
1、数据存储
- 关系型数据库中的数据存储在磁盘上的文件中，这些文件通常采用特定的存储结构来提高数据的读写效率，常见的存储方式是采用页（page）为单位进行存储，一个页是磁盘上的一个固定大小的存储单元，包含多个数据行，当向表中插入数据时，数据会按照一定的规则分配到不同的页中，数据库会对数据进行组织，以减少数据的冗余并提高存储空间的利用率。
- 在存储数据时，还会考虑数据的物理布局，相关的数据可能会被存储在相邻的位置，以提高顺序读取数据的速度，对于大型的关系型数据库，可能会采用分区存储的方式，将数据按照某个属性（如日期）划分为不同的分区，便于管理和查询。
2、索引机制
- 索引是关系型数据库中提高查询效率的重要手段，索引就像是一本书的目录，它是对表中的某些列（通常是经常用于查询条件的列）的值进行排序后的一种数据结构，在学生信息表中，如果经常根据学号查询学生信息，那么可以为学号列创建索引，当执行查询操作时，数据库可以先在索引中查找学号的值，然后根据索引中的指针快速定位到表中的对应行，而不需要对整个表进行全表扫描。
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- 常见的索引类型有B - 树索引、哈希索引等，B - 树索引适用于范围查询，如查询年龄在某个区间内的学生，哈希索引则更适合于等值查询，如根据学号精确查找学生信息，索引的创建需要权衡，因为虽然索引可以提高查询速度，但同时也会占用额外的存储空间，并且在数据插入、更新和删除时，需要对索引进行维护，这会增加一定的开销。
事务管理
1、事务的概念与特性
- 事务是关系型数据库中的一个执行单元，它由一系列的数据库操作组成，这些操作要么全部成功执行，要么全部失败回滚，在银行转账业务中，从一个账户转出资金和向另一个账户转入资金这两个操作就构成一个事务，事务具有四个重要特性，即原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）和持久性（Durability），简称ACID特性。
- 原子性要求事务中的所有操作作为一个不可分割的整体执行，就像转账事务中的转出和转入操作必须同时成功或同时失败，一致性确保事务执行前后数据库的状态保持一致，例如在转账后，两个账户的总金额不变，隔离性是指多个事务并发执行时，相互之间不会产生干扰，每个事务都感觉不到其他事务的存在，持久性则保证一旦事务提交，其对数据库的修改就会永久保存，即使系统出现故障也不会丢失。
2、并发控制
- 在关系型数据库中，多个事务可能会同时并发执行，为了保证事务的隔离性，需要进行并发控制，常见的并发控制方法有锁机制和多版本并发控制（MVCC）。
- 锁机制通过对数据对象加锁来控制并发访问，当一个事务对某一行数据进行修改时，会对该行加锁，其他事务如果要访问该行数据就需要等待锁的释放，锁分为共享锁（允许多个事务同时读取数据）和排他锁（只允许一个事务对数据进行修改）等不同类型，多版本并发控制则是通过维护数据的多个版本来实现并发控制，在MVCC中，每个事务看到的是某个特定版本的数据，这样可以在一定程度上提高并发性能，减少锁等待的时间。
关系型数据库的基本原理涵盖了从数据结构、关系代数操作到存储、索引以及事务管理等多个方面，这些原理共同构成了关系型数据库的理论和技术基础，使其能够有效地管理和处理大量结构化数据，满足各种企业级应用的需求。
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