《数据库数据存储于计算机的原理与机制》
一、数据库存储的基础概念
数据库是一个有组织的数据集合，用于高效地存储、管理和检索数据，在计算机中，数据以二进制形式存在，而数据库要将各种类型的数据（如文本、数字、图像等）转换为适合计算机存储的格式。
二、数据存储的层次结构
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1、物理层存储
- 在计算机的硬件层面，数据最终存储在存储设备上，如硬盘、固态硬盘等，硬盘由盘片、磁头、电机等部件组成，数据库的数据以磁信号（对于传统硬盘）或者电信号（对于固态硬盘）的形式存储在这些设备的存储单元中，一个硬盘的存储单元可以被划分为扇区，每个扇区通常包含512字节的数据，数据库管理系统（DBMS）会与操作系统协作，将数据写入到这些物理存储单元中。
- 对于固态硬盘，它使用闪存芯片存储数据，闪存芯片中的存储单元以电信号的状态来表示数据的0和1，数据库在写入数据时，会遵循固态硬盘的写入规则，如磨损均衡算法等，以确保数据的长期可靠性和存储设备的使用寿命。
2、文件系统层
- 操作系统通过文件系统来管理存储设备上的数据，数据库的数据通常以文件的形式存储在文件系统中，关系型数据库中的表数据可能存储在一个或多个数据文件中，这些文件有特定的格式，如在MySQL中，InnoDB存储引擎的数据文件以.ibd为扩展名，文件系统为数据库提供了基本的文件操作接口，如创建、读取、写入和删除文件等功能。
- 文件系统还负责管理文件的存储位置、空间分配和目录结构等，数据库管理系统利用文件系统的这些特性，将数据合理地组织到文件中，将不同表的数据文件存放在不同的目录下，或者按照一定的命名规则来命名数据文件，以便于管理和维护。
3、数据库管理系统层
- 数据库管理系统是数据库数据存储和管理的核心软件，它定义了数据的逻辑结构，如关系型数据库中的表、列、行等概念，当用户向数据库插入一条数据记录时，DBMS首先会根据数据定义语言（DDL）中定义的表结构对数据进行验证，检查数据类型是否匹配、是否满足约束条件（如主键唯一性等）。
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- DBMS会将经过验证的数据按照其内部的数据存储模型进行组织，在关系型数据库中，数据通常以行和列的形式存储在表中，DBMS会为每个表分配一定的存储空间，并且管理表之间的关系，在处理外键关系时，DBMS会确保数据的完整性，当删除主表中的一条记录时，如果有从表中的记录与之相关联，DBMS会根据预先定义的规则（如级联删除或拒绝删除）来处理。
- DBMS还负责数据的索引管理，索引是一种提高数据检索效率的数据结构，B - 树索引在关系型数据库中广泛应用，当创建一个索引时，DBMS会将索引数据单独存储，并且在数据插入、更新或删除时，同步更新索引结构，以保证索引的准确性和有效性。
三、数据存储的编码与转换
1、数据类型转换
- 数据库支持多种数据类型，如整数、浮点数、字符、日期等，当应用程序向数据库插入数据时，数据会被转换为数据库内部支持的格式，在将一个字符串类型的日期数据（如“2023 - 01 - 01”）插入到数据库中时，数据库可能会将其转换为特定的日期格式存储，如在某些数据库中转换为一个表示日期的整数（如距离某个基准日期的天数）。
- 对于数值类型，不同的数据库可能有不同的存储格式，整数可能以不同的字节数（如1字节、2字节、4字节等）存储，具体取决于数据的范围，浮点数则按照IEEE 754标准等进行存储，将数值转换为二进制的尾数和指数形式存储在计算机中。
2、字符编码
- 当存储文本数据时，字符编码起着关键作用，常见的字符编码如ASCII、UTF - 8等，数据库需要将应用程序传入的字符数据按照指定的字符编码转换为二进制数据存储，在UTF - 8编码中，一个英文字符通常占用1个字节，而一个汉字可能占用3个字节，数据库在存储和检索字符数据时，必须正确地处理字符编码的转换，以确保数据的准确性，如果字符编码设置错误，可能会导致数据乱码等问题。
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四、数据存储的优化策略
1、数据分区
- 为了提高数据的管理效率和查询性能，数据库可以采用数据分区技术，数据分区是将一个大的表按照一定的规则（如按照日期范围、地域范围等）划分为多个较小的分区，一个存储销售数据的表，可以按照年份将数据划分为不同的分区，这样，在查询特定年份的销售数据时，数据库只需要搜索相应的分区，而不需要扫描整个表，大大提高了查询速度。
- 数据分区还可以提高数据的可维护性，当需要删除旧数据时，可以直接删除某个分区的数据，而不需要逐行删除整个表中的旧数据。
2、数据压缩
- 数据库可以对存储的数据进行压缩，以减少存储空间的占用，数据压缩技术有多种，如无损压缩和有损压缩，在数据库中，通常采用无损压缩技术，以确保数据的完整性，对于一些重复率较高的数据列，如日志文件中的某些固定格式的字段，可以采用压缩算法（如Lempel - Ziv - Welch算法等）进行压缩，在数据检索时，数据库会自动解压缩数据，虽然压缩和解压缩会带来一定的计算开销，但对于存储空间有限或者数据量巨大的情况，数据压缩可以有效地节省存储空间并提高数据的存储效率。
数据库将数据存储到计算机是一个涉及多个层次和多种技术的复杂过程，从硬件的物理存储到软件的逻辑管理，每个环节都相互关联，共同确保数据的高效存储、管理和检索。
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