數據庫系統原理（微課版）

林子雨，男，博士（毕业于北京大学），厦门大学计算机科学系副教授，厦门大学信息学院实验教学中心主任。2013年度、2017年度和2020年度厦门大学教学类奖教金获得者。中国计算机学会数据库专业委员会委员，中国计算机学会信息系统专业委员会委员，厦门大学数据库实验室负责人，数据中国“百校工程”教育部专家组成员。负责的“大数据技术原理与应用”课程获评“2018年国家精品在线开放课程”和“2020年国家级线上一流本科课程”。负责的“Spark编程基础”课程获评“2020年福建省线上一流本科课程”。国内高校首个“数字教师”的提出者和建设者，编著出版了国内高校第一本系统介绍大数据知识的专业教材《大数据技术原理与应用》，成为国内众多高校开课教材，同时建设了国内高校首个大数据课程公共服务平台，为教师教学和学生学习大数据课程免费提供全方位、一站式服务，平台累计访问量超过1000万次，成为国内高校大数据教学知名品牌，并获得“2018年福建省教学成果二等奖”和“2018年厦门大学教学成果特等奖”。

第1章　數據庫概述　1

1.1　數據　1

1.1.1　數據的概念　1

1.1.2　數據與信息的關系　2

1.1.3　數據的價值　2

1.1.4　數據的使用　2

1.2　數據管理　3

1.3　數據庫與數據庫管理系統　5

1.3.1　數據庫　5

1.3.2　數據庫管理系統　5

1.3.3　SQL Server　6

1.4　數據庫系統　9

1.4.1　數據庫系統的組成　9

1.4.2　數據庫系統的特點　9

1.4.3　數據庫系統的體系結構　10

1.5　數據庫技術的歷史與現狀　15

1.5.1　數據庫領域的傑出貢獻者　15

1.5.2　數據庫發展歷史　17

1.5.3　國產數據庫的發展現狀　19

1.6　本章小結　20

1.7　習題　20

第2章　關系數據庫　22

2.1　關系模型的基本概念　22

2.1.1　關系　22

2.1.2　關系模式和關系數據庫　23

2.1.3　碼　24

2.2　查詢語言　24

2.3　關系代數　25

2.3.1　傳統的集合運算　25

2.3.2　專門的關系運算　26

2.3.3　綜合實例　31

2.4　本章小結　31

2.5　習題　31

第3章　關系數據庫標準語言SQL　34

3.1　SQL概述　34

3.1.1　SQL的發展歷程　34

3.1.2　SQL的特點　35

3.1.3　SQL的系統結構　35

3.1.4　SQL的組成　36

3.1.5　SQL語句的執行　36

3.2　學生選課數據庫　37

3.3　數據定義　38

3.3.1　數據庫的基礎操作　38

3.3.2　基本表的定義、修改與刪除　39

3.3.3　索引的建立與刪除　42

3.4　數據更新　44

3.4.1　插入數據　44

3.4.2　修改數據　45

3.4.3　刪除數據　46

3.5　數據查詢　46

3.5.1　單表查詢　47

3.5.2　連接查詢　53

3.5.3　嵌套查詢　54

3.5.4　集合查詢　59

3.6　視圖　60

3.6.1　視圖和基本表的區別　61

3.6.2　視圖的優點　61

3.6.3　創建與刪除視圖　61

3.6.4　查詢視圖　63

3.6.5　更新視圖　63

3.7　綜合實例　64

3.7.1　電視機供貨系統實例　64

3.7.2　鞋子銷售系統實例　64

3.7.3　唱片銷售平臺實例　65

3.7.4　酒店管理系統實例　66

3.8　本章小結　68

3.9　習題　68

實驗1　熟悉SQL Server和SQL的使用方法　70

第4章　關系數據庫編程　73

4.1　Transact-SQL　73

4.1.1　常量與變量　74

4.1.2　表達式　74

4.1.3　註釋　75

4.1.4　運算符　75

4.1.5　控制結構　77

4.2　Transact-SQL游標　79

4.2.1　定義游標　80

4.2.2　打開游標　80

4.2.3　檢索游標　80

4.2.4　關閉與刪除游標　81

4.2.5　綜合實例　81

4.3　Transact-SQL存儲過程　83

4.3.1　存儲過程的特點　83

4.3.2　SQL Server應用程序　83

4.3.3　存儲過程的功能　83

4.3.4　存儲過程的使用方法　84

4.3.5　綜合實例　85

4.4　Transact-SQL函數　86

4.4.1　標量函數　87

4.4.2　內聯表值函數　88

4.4.3　多語句表值函數　88

4.5　ODBC編程　89

4.5.1　開放式數據庫互連概述　89

4.5.2　ODBC工作原理　90

4.6　JDBC編程　91

4.6.1　JDBC的工作原理　91

4.6.2　JDBC編程方法　92

4.7　本章小結　98

4.8　習題　98

實驗2　Transact-SQL編程實踐　100

第5章　關系數據庫安全和保護　103

5.1　安全性　103

5.1.1　數據庫安全性概述　103

5.1.2　用戶標識與鑒別　104

5.1.3　自主存取控制　105

5.1.4　強制存取控制　105

5.1.5　視圖機制　105

5.1.6　數據加密　106

5.1.7　數據庫審計　106

5.1.8　統計數據庫的安全性　107

5.1.9　SQL Server中的安全控制　107

5.2　完整性　120

5.2.1　實體完整性　120

5.2.2　參照完整性　121

5.2.3　用戶自定義完整性　122

5.2.4　命名完整性約束　123

5.2.5　完整性約束綜合實例　123

5.2.6　觸發器　127

5.3　並發控制　130

5.3.1　事務的概念　130

5.3.2　並發操作問題　131

5.3.3　封鎖　132

5.4　恢復機制　137

5.4.1　故障的種類　137

5.4.2　數據恢復的實現技術　138

5.5　本章小結　139

5.6　習題　139

實驗3　數據庫的安全性和完整性的實踐　141

第6章　關系數據庫的規範化理論　144

6.1　關系模式中可能存在的冗餘和異常問題　144

6.2　函數依賴　145

6.3　範式　146

6.3.1　第一範式（1NF）　146

6.3.2　第二範式（2NF）　147

6.3.3　第三範式（3NF）　147

6.3.4　Boyce-Codd範式（BCNF）　148

6.4　模式分解　149

6.4.1　基礎知識　149

6.4.2　模式分解算法　154

6.5　本章小結　159

6.6　習題　159

第7章　關系數據庫設計　161

7.1　數據庫設計的步驟　161

7.2　系統需求分析　162

7.2.1　系統調研過程　162

7.2.2　需求分析的方法　163

7.3　概念結構設計　163

7.3.1　概念結構的設計方法　164

7.3.2　概念模型中的基本概念　165

7.3.3　實體之間的聯系　165

7.3.4　E-R圖　167

7.3.5　E-R圖實例　168

7.3.6　E-R圖的集成　172

7.4　邏輯結構設計　172

7.4.1　初始關系模式設計　172

7.4.2　關系模式的優化　176

7.5　物理結構設計　176

7.5.1　確定數據分佈　176

7.5.2　確定數據的存儲結構　176

7.5.3　確定數據的訪問方式　177

7.5.4　評價物理結構　177

7.6　數據庫實施　177

7.7　數據庫運行和維護　178

7.8　本章小結　179

7.9　習題　179

第8章　NoSQL數據庫　181

8.1　NoSQL概述　181

8.2　NoSQL興起的原因　182

8.2.1　關系數據庫無法滿足Web 2.0的需求　182

8.2.2　關系數據庫的關鍵特性在“Web 2.0時代”成為“雞肋”　183

8.3　NoSQL數據庫與關系數據庫的比較　184

8.4　NoSQL的四大類型　186

8.4.1　鍵值數據庫　187

8.4.2　列族數據庫　187

8.4.3　文檔數據庫　188

8.4.4　圖數據庫　188

8.5　NoSQL的三大基石　189

8.5.1　CAP　189

8.5.2　BASE　191

8.5.3　最終一致性　192

8.6　從NoSQL數據庫到NewSQL數據庫　193

8.7　本章小結　194

8.8　習題　195

第9章　分佈式數據庫HBase　196

9.1　HBase概述　196

9.1.1　從BigTable說起　196

9.1.2　HBase簡介　197

9.1.3　HBase與傳統關系數據庫的對比分析　199

9.2　HBase訪問接口　200

9.3　HBase數據模型　201

9.3.1　數據模型概述　201

9.3.2　數據模型的相關概念　201

9.3.3　數據坐標　202

9.3.4　概念視圖　203

9.3.5　物理視圖　204

9.3.6　面向列的存儲　204

9.4　HBase的實現原理　206

9.4.1　HBase的功能組件　206

9.4.2　表和Region　206

9.4.3　Region的定位　207

9.5　HBase的運行機制　209

9.5.1　HBase的系統架構　209

9.5.2　Region服務器的工作原理　211

9.5.3　Store的工作原理　212

9.5.4　HLog的工作原理　213

9.6　HBase的安裝　213

9.6.1　安裝JDK　213

9.6.2　安裝HBase　215

9.7　HBase編程實踐　217

9.7.1　HBase常用的Shell命令　217

9.7.2　HBase常用的Java API及應用實例　220

9.8　本章小結　234

9.9　習題　234

實驗4　熟悉常用的HBase操作　235

第10章　文檔數據庫MongoDB　238

10.1　MongoDB概述　238

10.2　MongoDB和關系數據庫的對比　239

10.3　MongoDB的數據類型　240

10.4　安裝MongoDB　241

10.5　安裝MongoDB Shell　246

10.6　MongoDB基礎操作　247

10.6.1　常用操作命令　247

10.6.2　簡單操作演示　247

10.7　Java API編程實例　249

10.8　本章小結　253

10.9　習題　253

第11章　鍵值數據庫Redis　254

11.1　Redis概述　254

11.2　Redis的應用場景　255

11.3　安裝Redis　255

11.4　Redis的數據結構及其操作方法　257

11.4.1　通用操作命令　257

11.4.2　String類型　258

11.4.3　Hash類型　261

11.4.4　List類型　262

11.4.5　Set類型　263

11.5　使用Java操作Redis　265

11.6　本章小結　266

11.7　習題　266

實驗5　NoSQL和關系數據庫的操作比較　266

第12章　雲數據庫　270

12.1　雲數據庫概述　270

12.1.1　雲計算是雲數據庫興起的基礎　270

12.1.2　雲數據庫的概念　272

12.1.3　雲數據庫的特性　272

12.1.4　雲數據庫是個性化數據存儲需求的理想選擇　274

12.1.5　雲數據庫與其他數據庫的關系　275

12.2　雲數據庫產品　275

12.2.1　雲數據庫廠商簡介　275

12.2.2　Amazon的雲數據庫產品　276

12.2.3　Google的雲數據庫產品　276

12.2.4　微軟的雲數據庫產品　277

12.2.5　其他雲數據庫產品　278

12.3　雲數據庫系統架構　278

12.3.1　UMP系統簡介　278

12.3.2　UMP系統架構　279

12.3.3　UMP系統功能　281

12.4　本章小結　284

12.5　習題　284

第13章　數據倉庫和數據湖　285

13.1　數據倉庫的概念　285

13.2　數據倉庫的不同發展階段　287

13.2.1　報表階段　287

13.2.2　分析階段　289

13.2.3　預測階段　290

13.2.4　實時決策階段　290

13.2.5　主動決策階段　293

13.3　數據湖　294

13.3.1　數據湖的概念　294

13.3.2　數據湖與數據倉庫的區別　296

13.3.3　數據湖能解決的企業問題　296

13.4　湖倉一體　297

13.5　本章小結　298

13.6　習題　299

第14章　SQL與大數據　300

14.1　Hive　300

14.1.1　Hive簡介　300

14.1.2　Hive與Hadoop生態系統中其他組件的關系　301

14.1.3　Hive與傳統關系數據庫的對比分析　301

14.1.4　Hive在企業中的部署和應用　302

14.1.5　Hive系統架構　304

14.1.6　Hive工作原理　304

14.2　Spark SQL　306

14.2.1　Spark簡介　306

14.2.2　Spark生態系統　307

14.2.3　Spark SQL基礎　308

14.3　Flink SQL　309

14.3.1　Flink簡介　310

14.3.2　Flink核心組件棧　311

14.3.3　Flink SQL基礎　311

14.4　Phoenix　312

14.5　本章小結　312

14.6　習題　312

參考文獻　313