数据库系统架构设计：从模式到关系表的全面解析

数据库系统架构设计：从模式到关系表的全面解析

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CSDN

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https://blog.csdn.net/han1202012/article/details/146376333

数据库系统是软件开发和数据管理的核心组成部分，其架构设计直接影响到系统的性能、安全性和可维护性。本文将从数据库系统的知识点概述、数据库模式以及关系表的类型等方面，深入探讨数据库系统的设计原理和实践要点。

数据库系统知识点概述

数据库系统的设计是一个复杂而精细的过程，涉及多个阶段和多种技术手段。以下是数据库系统设计的关键知识点：

• 数据库模式：数据库的总体结构，分为外模式、概念模式和内模式。
• 外模式：用户与数据库交互的视图，如SQL查询界面。
• 概念模式：全局逻辑结构，包括表、字段和关系等。
• 内模式：物理存储细节，如文件和索引结构。
• 分布式数据库：数据分布在多个物理节点中，通过网络协同工作。
• 数据库设计阶段：
• 需求分析：明确用户需求。
• 概念设计：使用ER模型描述数据关系。
• 逻辑设计：将ER模型转换为关系模型。
• 物理设计：确定存储结构与索引。
• 实施与维护：建库、调优与优化。
• 概念结构设计 - ER模型：将需求抽象为可视化模型，包括实体（矩形）、属性（椭圆）和联系（菱形）。
• 逻辑结构设计 - 关系模型：将ER模型转换为关系模型，核心是设置主键、外键和完整性约束。
• 关系代数：
• 选择（σ）：筛选行。
• 投影（π）：筛选列。
• 连接（⋈）：合并相关表。
• 其他操作：并、差、笛卡尔积等。
• 规范化理论：通过分解关系模式，消除冗余和异常（插入/删除/更新异常），确保数据的一致性和完整性。
• 并发控制：通过锁（共享锁S、排他锁X）、时间戳、多版本控制等手段解决脏读、不可重复读、幻读问题。
• 数据库安全性：用户认证，GRANT/REVOKE授权，传输/存储加密，审计日志。
• 数据库备份与恢复技术：完全备份、增量备份、差异备份，日志恢复（UNDO回滚、REDO重做），检查点恢复（快速恢复点）。
• 数据库性能优化：通过索引优化避免全表扫描，通过查询优化分析执行计划，通过结构优化实现分库分表、读写分离，通过设置缓存减少磁盘I/O。

数据库模式体系

数据库模式体系是数据库系统的核心架构，采用三级模式结构和两层映射关系实现数据独立性和安全性。

1. 数据库系统三级模式

• 外模式：又称子模式或用户模式，是用户与数据库系统的交互接口。外模式的数据来源是概念模式，对应用户视图级别，使用者是程序员和用户应用程序。每个用户都对应一个外模式，实现逻辑数据独立性，即概念模式修改不影响外模式。
• 概念模式：数据库的逻辑结构，描述所有实体、属性、关系及约束。组成部件包括实体关系模型（ER模型）、关系模式和完整性约束（主键、外键、CHECK约束）。概念模式的数据来源是内模式，对应DBA（数据库管理员）级别，使用者是数据库管理员和程序员。概念模式是数据库体系的核心，基本表就是在概念模式中。
• 内模式：物理存储结构，描述数据在存储介质上的组织方式，对应的是数据库的存储文件。内模式对应的使用者是数据库的开发者。

2. 数据库系统两层映射关系

• 外模式-概念模式映射：该映射保证了数据库的"逻辑独立性"，允许修改表结构而不影响应用程序。外部应用程序与数据库的逻辑基本表是相互独立的，数据库表逻辑结构发生变化时，应用程序不需要随时发生改变，只需要修改二者之间的映射关系即可。
• 概念模式-内模式映射：该映射保证了数据库的"物理独立性"，允许调整存储结构而不修改逻辑模式。概念模式与内模式之间的对应关系是相互独立的，数据库迁移后，不需要修改数据库表的结构，自然更不需要修改程序结构。

关系表类型

数据库基本表都是针对关系数据库来说的，因此基本表又称为"关系表"。

1. 关系表的三种类型 - 基本表、查询表、视图表

• 基本表：又称为"基本关系"，是数据库中实际存储数据的逻辑表示，是用户直接创建和管理的实体表。使用SQL语句CREATE TABLE TABLE_NAME创建的表就是基本表。
• 查询表：查询结果对应的表，执行SELECT查询语句后返回的结果集，是临时性的数据集合。仅在查询执行期间存在，不持久存储，数据内容基于当前数据库状态生成，可能随基表数据变化而变化。
• 视图表：由一个或多个基本表（或视图）导出的虚拟表，仅存储查询逻辑，不存储实际数据，又称为"虚表"。数据来源于基表，访问视图时动态计算生成结果。安全性方面，可隐藏基表细节，提供数据访问权限控制。使用CREATE VIEW语句定义查询逻辑，例如：

  CREATE VIEW AdultStudents AS SELECT Name FROM Student WHERE Age > 18;
  

2. 关系表的三种类型对比

3. 数据库视图的优缺点

• 数据库视图概念：由一个或多个基本表（或视图）导出的虚拟表，仅存储查询逻辑，不存储实际数据，只存储查询视图的SQL语句，又称为"虚表"。
• 数据库视图缺点：由于数据库视图是临时查询出来的临时数据，其效率和性能比较低。
• 数据库视图优点：
• 简化用户操作：数据库视图是从某个视角，从若干个基本表或其它视图中选取某些数据，不再需要关联多个表格对比查询数据。
• 多种角度观察数据：数据库视图可以令用户以多种角度观察同一数据。
• 逻辑独立性：数据库视图对重构数据库提供了逻辑独立性支持，关系表发生变化时，不需要修改程序代码，只需要调整视图与概念模式的映射关系即可。
• 安全保护：数据库视图只能读，不能写，提供了对机密数据的安全保护。

4. 物化视图

物化视图不再是虚拟视图，不再是虚表，而是实体化的视图，物化视图本身会存储数据。当基本表（原始表）中的数据更新时，物化视图中的数据也会随之更新。