diff --git a/notes/数据库系统原理.md b/notes/数据库系统原理.md index ff62cbff..c3d569b0 100644 --- a/notes/数据库系统原理.md +++ b/notes/数据库系统原理.md @@ -1,118 +1,99 @@ -* [一、事务四大特性](#一事务四大特性) - * [原子性（Atomicity）](#原子性atomicity) - * [一致性（Consistency）](#一致性consistency) - * [隔离性（Isolation）](#隔离性isolation) - * [持久性（Durability）](#持久性durability) -* [二、数据不一致](#二数据不一致) - * [丢失修改](#丢失修改) - * [读脏数据](#读脏数据) - * [不可重复读](#不可重复读) -* [三、隔离级别](#三隔离级别) - * [未提交读（READ UNCOMMITTED）](#未提交读read-uncommitted) - * [提交读（READ COMMITTED）](#提交读read-committed) - * [可重复读（REPEATABLE READ）](#可重复读repeatable-read) - * [可串行化（SERIALIXABLE）](#可串行化serialixable) -* [四、可串行化调度](#四可串行化调度) -* [五、封锁类型](#五封锁类型) -* [六、封锁粒度](#六封锁粒度) -* [七、封锁协议](#七封锁协议) - * [三级封锁协议](#三级封锁协议) - * [两段锁协议](#两段锁协议) -* [八、乐观锁和悲观锁](#八乐观锁和悲观锁) - * [悲观锁](#悲观锁) - * [乐观锁](#乐观锁) - * [MySQL 隐式和显示锁定](#mysql-隐式和显示锁定) -* [九、范式](#九范式) - * [第一范式 (1NF)](#第一范式-1nf) - * [第二范式 (2NF)](#第二范式-2nf) - * [第三范式 (3NF)](#第三范式-3nf) - * [BC 范式（BCNF）](#bc-范式bcnf) -* [十、约束](#十约束) - * [键码](#键码) - * [单值约束](#单值约束) - * [引用完整性约束](#引用完整性约束) - * [域约束](#域约束) - * [一般约束](#一般约束) -* [十一、数据库的三层模式和两层映像](#十一数据库的三层模式和两层映像) - * [外模式](#外模式) - * [模式](#模式) - * [内模式](#内模式) - * [外模式/模式映像](#外模式模式映像) - * [模式/内模式映像](#模式内模式映像) -* [十二、ER 图](#十二er-图) - * [实体的三种联系](#实体的三种联系) - * [表示出现多次的关系](#表示出现多次的关系) - * [联系的多向性](#联系的多向性) - * [表示子类](#表示子类) -* [十三、一些概念](#十三一些概念) - * [数据模型](#数据模型) - * [数据库系统](#数据库系统) +* [一、事务](#一事务) + * [概念](#概念) + * [四大特性](#四大特性) +* [二、并发一致性问题](#二并发一致性问题) + * [问题](#问题) + * [解决方法](#解决方法) +* [三、封锁](#三封锁) + * [封锁类型](#封锁类型) + * [封锁粒度](#封锁粒度) + * [封锁协议](#封锁协议) + * [乐观锁和悲观锁](#乐观锁和悲观锁) +* [四、隔离级别](#四隔离级别) +* [五、数据库系统概述](#五数据库系统概述) + * [基本术语](#基本术语) + * [数据库的三层模式和两层映像](#数据库的三层模式和两层映像) +* [六、关系数据库建模](#六关系数据库建模) + * [ER 图](#er-图) + * [约束](#约束) +* [七、关系数据库设计理论](#七关系数据库设计理论) + * [函数依赖](#函数依赖) + * [异常](#异常) + * [范式](#范式) * [十四、参考资料](#十四参考资料) -# 一、事务四大特性 + + +# 一、事务 + +## 概念 + +

+ +事务指的是一系列操作，并且满足 ACID 特性。 + +在数据库中，可以通过 Commit 提交一个事务，也可以使用 Rollback 回退到一个保留点。 + +## 四大特性

-## 原子性（Atomicity） + **1. 原子性（Atomicity）**
事务被视为不可分割的最小单元，要么全部提交成功，要么全部失败回滚。 -## 一致性（Consistency） + **2. 一致性（Consistency）**
事务执行前后都保持一致性状态。在一致性状态下，所有事务对一个数据的读取结果都是相同的。 -## 隔离性（Isolation） + **3. 隔离性（Isolation）**
一个事务所做的修改在最终提交以前，对其它事务是不可见的。也可以理解为多个事务单独执行，互不影响。 -## 持久性（Durability） + **4. 持久性（Durability）**
一旦事务提交，则其所做的修改将会永远保存到数据库中。即使系统发生崩溃，事务执行的结果也不能丢失。持久性通过数据库备份和恢复来保证。 -# 二、数据不一致 +# 二、并发一致性问题 -## 丢失修改 +在并发环境下，一个事务如果受到另一个事务的影响，那么事务操作就无法满足一致性条件。 + +## 问题 + + **1. 丢失修改**
T1 和 T2 两个事务同时对一个数据进行修改，T1 先修改，T2 随后修改，T2 的修改覆盖了 T1 的修改。 -## 读脏数据 + **2. 读脏数据**
T1 修改后写入数据库，T2 读取这个修改后的数据，但是如果 T1 撤销了这次修改，使得 T2 读取的数据是脏数据。 -## 不可重复读 +

-T1 读入某个数据，T2 对该数据做了修改，如果 T1 再读这个数据，该数据已经改变，和最开始读入的是不一样的。 + **3. 不可重复读**
-# 三、隔离级别 +T2 读入某个数据，T1 对该数据做了修改，如果 T2 再读这个数据，该数据已经改变，和最开始读入的是不一样的。 -数据库管理系统需要防止出现数据不一致问题，并且有多种级别可以实现，这些级别称为隔离级别。 +

-## 未提交读（READ UNCOMMITTED） + **4. 幻影读**
-事务中的修改，即使没有提交，对其它事务也都是可见的。事务可以读取未提交的数据，这也被称为脏读。 +T1 读某个范围的数据，T2 在这个范围内插入新的数据，T1 再读这个范围的数据，和最开始读入的就不一样了。 -## 提交读（READ COMMITTED） +

-一个事务只能读取已经提交的事务所做的修改。换句话说，一个事务所在的修改在提交之前对其它事务是不可见的。这个级别有时候也叫做不可重复读，因为两次执行同样的查询，可能会得到不一样的结果。 +## 解决方法 -## 可重复读（REPEATABLE READ） +产生并发不一致性问题主要原因是破坏了事务的隔离性，解决方法是通过并发控制来保证隔离性。 -解决了脏读的问题，保证在同一个事务中多次读取同样的记录结果是一致的。 +并发控制可以通过封锁来实现，但是如果封锁操作都要程序员自己控制，那么就会相当复杂。数据库管理系统提供了事务的隔离级别，让用户以一种更轻松的方式处理并发一致性问题。 -但是会出现幻读的问题，所谓幻读，指的是某个事务在读取某个范围内的记录时，另一个事务会在范围内插入数据，当之前的事务再次读取该范围的记录时，会产生幻行。 +# 三、封锁 -## 可串行化（SERIALIXABLE） - -强制事务串行执行，避免幻读。 - -# 四、可串行化调度 - -如果并行的事务的执行结果和某一个串行的方式执行的结果一样，那么可以认为结果是正确的。 - -# 五、封锁类型 +## 封锁类型 排它锁 (X 锁）和共享锁 (S 锁），又称写锁和读锁。 @@ -120,7 +101,7 @@ T1 读入某个数据，T2 对该数据做了修改，如 - 一个事务对数据对象 A 加了 S 锁，可以对 A 进行读取操作，但是不能进行更新操作。加锁期间其它事务能对 A 加 S 锁，但是不能加 X 锁。 -# 六、封锁粒度 +## 封锁粒度 应该尽量只锁定需要修改的那部分数据，而不是所有的资源。锁定的数据量越少，发生锁争用的可能就越小，系统的并发程度就越高。 @@ -128,31 +109,31 @@ T1 读入某个数据，T2 对该数据做了修改，如 MySQL 中主要提供了两种封锁粒度：行级锁以及表级锁。 -# 七、封锁协议 +## 封锁协议 -## 三级封锁协议 +### 1. 三级封锁协议

-### 一级封锁协议 + **1.1 一级封锁协议**
事务 T 要修改数据 A 时必须加 X 锁，直到事务结束才释放锁。 可以解决丢失修改问题； -### 二级封锁协议 + **1.2 二级封锁协议**
在一级的基础上，要求读取数据 A 时必须加 S 锁，读取完马上释放 S 锁。 可以解决读脏数据问题，因为如果一个事务在对数据 A 进行修改，根据 1 级封锁协议，会加 X 锁，那么就不能再加 S 锁了，也就是不会读入数据。 -### 三级封锁协议 + **1.3 三级封锁协议**
在二级的基础上，要求读取数据 A 时必须加 S 锁，直到事务结束了才能释放 S 锁。 可以解决不可重复读的问题，因为读 A 时，其它事务不能对 A 加 X 锁，从而避免了在读的期间数据发生改变。 -## 两段锁协议 +### 2. 两段锁协议 加锁和解锁分为两个阶段进行。两段锁是并行事务可串行化的充分条件，但不是必要条件。 @@ -160,15 +141,15 @@ MySQL 中主要提供了两种封锁粒度：行级锁以及表级锁。 lock-x(A)...lock-s(B)...lock-s(c)...unlock(A)...unlock(C)...unlock(B) ``` -# 八、乐观锁和悲观锁 +## 乐观锁和悲观锁 -## 悲观锁 +### 1. 悲观锁 假定会发生并发冲突，屏蔽一切可能违反数据完整性的操作。 Java synchronized 就属于悲观锁的一种实现，每次线程要修改数据时都先获得锁，保证同一时刻只有一个线程能操作数据，其他线程则会被阻塞。 -## 乐观锁 +### 2. 乐观锁 假设不会发生并发冲突，只在提交操作时检查是否违反数据完整性。 @@ -176,7 +157,7 @@ Java JUC 中的 Atomic 包就是乐观锁的一种实现，AtomicInteger 通过 乐观锁有两种实现方式，数据版本和时间戳。它们都需要在数据库表中增加一个字段，使用这个字段来判断数据是否过期。例如，数据版本实现方式中，需要在数据库表中增加一个数字类型的 version 字段，当读取数据时，将 version 字段的值一同读出。随后数据每更新一次，对此 version 值加 1。当提交更新的时候，判断读出的 version 和数据库表中的 version 是否一致，如果一致，则予以更新；否则认为是过期数据。 -## MySQL 隐式和显示锁定 +### 3. MySQL 隐式和显示锁定 MySQL InnoDB 采用的是两阶段锁协议。在事务执行过程中，随时都可以执行锁定，锁只有在执行 COMMIT 或者 ROLLBACK 的时候才会释放，并且所有的锁是在同一时刻被释放。前面描述的锁定都是隐式锁定，InnoDB 会根据事务隔离级别在需要的时候自动加锁。 @@ -185,7 +166,135 @@ MySQL InnoDB 采用的是两阶段锁协议。在事务执行过程中，随时 - SELECT ... LOCK IN SHARE MODE - SELECT ... FOR UPDATE -# 九、范式 +# 四、隔离级别 + + **1. 未提交读（READ UNCOMMITTED）**
+ +事务中的修改，即使没有提交，对其它事务也都是可见的。事务可以读取未提交的数据，这也被称为脏读。 + + **2. 提交读（READ COMMITTED）**
+ +一个事务只能读取已经提交的事务所做的修改。换句话说，一个事务所在的修改在提交之前对其它事务是不可见的。这个级别有时候也叫做不可重复读，因为两次执行同样的查询，可能会得到不一样的结果。 + + **3. 可重复读（REPEATABLE READ）**
+ +解决了脏读的问题，保证在同一个事务中多次读取同样的记录结果是一致的。 + +但是会出现幻读的问题，所谓幻读，指的是某个事务在读取某个范围内的记录时，另一个事务会在范围内插入数据，当之前的事务再次读取该范围的记录时，会产生幻行。 + + **4. 可串行化（SERIALIXABLE）**
+ +强制事务串行执行，避免幻读。 + + + + + + + +# 五、数据库系统概述 + +## 基本术语 + +### 1. 数据模型 + +由数据结构、数据操作和完整性三个要素组成。 + +### 2. 数据库系统 + +数据库系统包含所有与数据库相关的内容，包括数据库、数据库管理系统、应用程序以及数据库管理员和用户，还包括相关的硬件和软件。 + +## 数据库的三层模式和两层映像 + +- 外模式：局部逻辑结构 +- 模式：全局逻辑结构 +- 内模式：物理结构 + +### 1. 外模式 + +又称用户模式，是用户和数据库系统的接口，特定的用户只能访问数据库系统提供给他的外模式中的数据。例如不同的用户创建了不同数据库，那么一个用户只能访问他有权限访问的数据库。 + +一个数据库可以有多个外模式，一个用户只能有一个外模式，但是一个外模式可以给多个用户使用。 + +### 2. 模式 + +可以分为概念模式和逻辑模式，概念模式可以用概念-关系来描述；逻辑模式使用特定的数据模式（比如关系模型）来描述数据的逻辑结构，这种逻辑结构包括数据的组成、数据项的名称、类型、取值范围。不仅如此，逻辑模式还要描述数据之间的关系，数据的完整性与安全性要求。 + +### 3. 内模式 + +又称为存储模式，描述记录的存储方式，例如索引的组织方式、数据是否压缩以及是否加密等等。 + +### 4. 外模式/模式映像 + +把外模式的局部逻辑结构和模式的全局逻辑结构联系起来。该映像可以保证数据和应用程序的逻辑独立性。 + +### 5. 模式/内模式映像 + +把模式的全局逻辑结构和内模式的物理结构联系起来，该映像可以保证数据和应用程序的物理独立性。 + +# 六、关系数据库建模 + +## ER 图 + +Entity-Relationship，有三个组成部分：实体、属性、联系。 + +### 1. 实体的三种联系 + +联系包含 1 对 1，1 对多，多对多三种。 + +如果 A 到 B 是 1 对多关系，那么画个带箭头的线段指向 B；如果是 1 对 1，画两个带箭头的线段；如果是多对多，画两个不带箭头的线段。下图的 Course 和 Student 是 1 对多的关系。 + +

+ +### 2. 表示出现多次的关系 + +一个实体在联系出现几次，就要用几条线连接。下图表示一个课程的先修关系，先修关系出现两个 Course 实体，第一个是先修课程，后一个是后修课程，因此需要用两条线来表示这种关系。 + +

+ +### 3. 联系的多向性 + +虽然老师可以开设多门课，并且可以教授多名学生，但是对于特定的学生和课程，只有一个老师教授，这就构成了一个三元联系。 + +

+ +一般只使用二元联系，可以把多元关系转换为二元关系。 + +

+ +### 4. 表示子类 + +用 IS-A 联系来表示子类，具体做法是用一个三角形和两条线来连接类和子类。与子类有关的属性和联系都连到子类上，而与父类和子类都有关的连到父类上。 + +

+ +## 约束 + +### 1. 键码 + +用于唯一表示一个实体。 + +键码可以由多个属性构成，每个构成键码的属性称为码。 + +### 2. 单值约束 + +某个属性的值是唯一的。 + +### 3. 引用完整性约束 + +一个实体的属性引用的值在另一个实体的某个属性中存在。 + +### 4. 域约束 + +某个属性的值在特定范围之内。 + +### 5. 一般约束 + +一般性约束，比如大小约束，数量约束。 + +# 七、关系数据库设计理论 + +## 函数依赖 记 A->B 表示 A 函数决定 B，也可以说 B 函数依赖于 A。 @@ -193,9 +302,11 @@ MySQL InnoDB 采用的是两阶段锁协议。在事务执行过程中，随时 对于 W->A，如果能找到 W 的真子集 W'，使得 W'-> A，那么 W->A 就是部分函数依赖，否则就是完全函数依赖； +## 异常 + 以下关系中，Sno 表示学号，Sname 表示学生姓名，Sdept 表示学院，Cname 表示课程名，Mname 表示院长姓名。函数依赖为 {Sno, Cname} -> {Sname, Sdept, Mname}。 -

+

不符合范式的关系，会产生很多异常。主要有以下四种异常： @@ -204,15 +315,17 @@ MySQL InnoDB 采用的是两阶段锁协议。在事务执行过程中，随时 3. 删除异常 4. 插入异常，比如如果新插入一个学生的信息，而这个学生还没选课，那么就无法插入该学生。 -关系数据库的范式理论就是是为了解决这四种异常。 +## 范式 + +范式理论是为了解决以上提到四种异常。 高级别范式的依赖基于低级别的范式。 -## 第一范式 (1NF) +### 1. 第一范式 (1NF) 属性不可分。 -## 第二范式 (2NF) +### 2. 第二范式 (2NF) 每个非主属性完全函数依赖于键码。 @@ -240,7 +353,7 @@ MySQL InnoDB 采用的是两阶段锁协议。在事务执行过程中，随时

-## 第三范式 (3NF) +### 3. 第三范式 (3NF) 非主属性不传递依赖于键码。 @@ -248,7 +361,7 @@ MySQL InnoDB 采用的是两阶段锁协议。在事务执行过程中，随时

-## BC 范式（BCNF） +### 4. BC 范式（BCNF） 所有属性不传递依赖于键码。 @@ -266,102 +379,6 @@ MySQL InnoDB 采用的是两阶段锁协议。在事务执行过程中，随时 分解成 SC(Sname, Cname, Grade) 和 ST(Sname, Tname)，对于 ST，属性之间是多对多关系，无函数依赖。 -# 十、约束 - -## 键码 - -用于唯一表示一个实体。 - -键码可以由多个属性构成，每个构成键码的属性称为码。 - -## 单值约束 - -某个属性的值是唯一的。 - -## 引用完整性约束 - -一个实体的属性引用的值在另一个实体的某个属性中存在。 - -## 域约束 - -某个属性的值在特定范围之内。 - -## 一般约束 - -一般性约束，比如大小约束，数量约束。 - -# 十一、数据库的三层模式和两层映像 - -- 外模式：局部逻辑结构 -- 模式：全局逻辑结构 -- 内模式：物理结构 - -## 外模式 - -又称用户模式，是用户和数据库系统的接口，特定的用户只能访问数据库系统提供给他的外模式中的数据。例如不同的用户创建了不同数据库，那么一个用户只能访问他有权限访问的数据库。 - -一个数据库可以有多个外模式，一个用户只能有一个外模式，但是一个外模式可以给多个用户使用。 - -## 模式 - -可以分为概念模式和逻辑模式，概念模式可以用概念-关系来描述；逻辑模式使用特定的数据模式（比如关系模型）来描述数据的逻辑结构，这种逻辑结构包括数据的组成、数据项的名称、类型、取值范围。不仅如此，逻辑模式还要描述数据之间的关系，数据的完整性与安全性要求。 - -## 内模式 - -又称为存储模式，描述记录的存储方式，例如索引的组织方式、数据是否压缩以及是否加密等等。 - -## 外模式/模式映像 - -把外模式的局部逻辑结构和模式的全局逻辑结构联系起来。该映像可以保证数据和应用程序的逻辑独立性。 - -## 模式/内模式映像 - -把模式的全局逻辑结构和内模式的物理结构联系起来，该映像可以保证数据和应用程序的物理独立性。 - -# 十二、ER 图 - -Entity-Relationship，有三个组成部分：实体、属性、联系。 - -## 实体的三种联系 - -联系包含 1 对 1，1 对多，多对多三种。 - -如果 A 到 B 是 1 对多关系，那么画个带箭头的线段指向 B；如果是 1 对 1，画两个带箭头的线段；如果是多对多，画两个不带箭头的线段。下图的 Course 和 Student 是 1 对多的关系。 - -

- -## 表示出现多次的关系 - -一个实体在联系出现几次，就要用几条线连接。下图表示一个课程的先修关系，先修关系出现两个 Course 实体，第一个是先修课程，后一个是后修课程，因此需要用两条线来表示这种关系。 - -

- -## 联系的多向性 - -虽然老师可以开设多门课，并且可以教授多名学生，但是对于特定的学生和课程，只有一个老师教授，这就构成了一个三元联系。 - -

- -一般只使用二元联系，可以把多元关系转换为二元关系。 - -

- -## 表示子类 - -用 IS-A 联系来表示子类，具体做法是用一个三角形和两条线来连接类和子类。与子类有关的属性和联系都连到子类上，而与父类和子类都有关的连到父类上。 - -

- -# 十三、一些概念 - -## 数据模型 - -由数据结构、数据操作和完整性三个要素组成。 - -## 数据库系统 - -数据库系统包含所有与数据库相关的内容，包括数据库、数据库管理系统、应用程序以及数据库管理员和用户，还包括相关的硬件和软件。 - # 十四、参考资料 - 史嘉权. 数据库系统概论[M]. 清华大学出版社有限公司, 2006. diff --git a/pics/0b304499-0d7c-49cc-b784-3e7a805c9fba.jpg b/pics/0b304499-0d7c-49cc-b784-3e7a805c9fba.jpg new file mode 100644 index 00000000..2a77e0c3 Binary files /dev/null and b/pics/0b304499-0d7c-49cc-b784-3e7a805c9fba.jpg differ diff --git a/pics/4f4deaf4-8487-4de2-9d62-5ad017ee9589.png b/pics/4f4deaf4-8487-4de2-9d62-5ad017ee9589.png new file mode 100644 index 00000000..d1589cd8 Binary files /dev/null and b/pics/4f4deaf4-8487-4de2-9d62-5ad017ee9589.png differ diff --git a/pics/d0175e0c-859e-4991-b263-8378e52f7ee5.jpg b/pics/d0175e0c-859e-4991-b263-8378e52f7ee5.jpg new file mode 100644 index 00000000..5c7aa860 Binary files /dev/null and b/pics/d0175e0c-859e-4991-b263-8378e52f7ee5.jpg differ diff --git a/pics/d1ab24fa-1a25-4804-aa91-513df55cbaa6.jpg b/pics/d1ab24fa-1a25-4804-aa91-513df55cbaa6.jpg new file mode 100644 index 00000000..bbf38872 Binary files /dev/null and b/pics/d1ab24fa-1a25-4804-aa91-513df55cbaa6.jpg differ diff --git a/pics/d589eca6-c7cf-49c5-ac96-8e4ca0cccadd.jpg b/pics/d589eca6-c7cf-49c5-ac96-8e4ca0cccadd.jpg new file mode 100644 index 00000000..9ccdace0 Binary files /dev/null and b/pics/d589eca6-c7cf-49c5-ac96-8e4ca0cccadd.jpg differ