1.1 数据库基础

数据库（Database，DB）

1.1.1 数据库概述

数据库是按照数据结构来组织、存储和管理数据的仓库

这里需要理解三个概念：数据库、数据库管理系统、数据库应用程序

数据库：

提供存储空间来存储数据的一个容器

数据库管理系统（Database Management System，DBMS）：

专门用来创建和管理数据库的一套软件，介于应用程序和操作系统之间，比如MySQL、Oracle、SQL Server、DB2、postgresql等

数据库应用程序：

数据库管理系统很多时候无法满足用户对数据库的管理需求，此时就需要使用数据库应用程序与数据库管理系统进行通信、访问和管理DBMS中存储的数据。常见的数据库应用程序有：SQLyog、Navicat、DbVisualizer等

他们之间的关系如下图所示：

1.1.2 数据库技术的发展

数据库技术经历了三个发展阶段：

人工管理阶段文件系统阶段数据库系统阶段1.1.3 三级模式和二级映像

三级模式：数据库管理系统从三个层次来管理数据，分别是外部层(External Level)、概念层(Conceptual Level)和内部层(Internal Level)，这三个层次分别对应三种模式，分别是外模式(External Schema)、概念模式(Conceptual Schema)和内模式(Internal Schema)。

二级映像：外模式和概念模式之间，概念模式和内模式之间还存在映像，即二级映像。

他们之间关系如下所示：

外模式：面向应用程序，用于描述用户的数据视图（View）

内模式：又称为物理模式、存储模式，描述数据在磁盘中如何存储的

概念模式：又称为逻辑模式，描述数据的整体逻辑结构的。

为了更好理解，以Excel表格类比成数据库：

概念模式：类似与表格的列标题，描述了表格中都包含哪些信息。内模式：将Excel表格另存为文件时，可以选择保存的文件路径、保存类型（如xls,xlsx,csv等格式），这些与存储相关的描述信息相当于内模式。在数据库中内模式描述数据的物理结构和存储方式。外模式：外模式可以为不同的用户需求创建不同的视图（视图就是基本表中查询出的部分数据就是一个视图）

因此，一个数据库可以有多个外模式，但概念模式和内模式则只有一个。1.1.4 数据模型

数据库发展的过程中出现了3种数据模型：层次模型、网状模型、关系模型

建立在关系模型之上的数据库叫做关系型数据库，本文所讲mysql就是一个关系型数据库。

要理解关系模型就要先理解一些概念：数据建模、概念模型的术语、E-R图、关系模型、关系模型的完整性。

数据建模

数据建模是对现实世界中的各类数据的抽象组织，以确定数据库的管辖范围、数据的组织形式等。

数据建模大致分为3个阶段：

数据建模的过程如下：概念模型的术语

实体（Entity）是指客观存在并可相互区分的事物。

例如，学生、班级、课程都是实体。

属性（Attribute）是指实体所具有的某一特性，一个实体可由若干个属性来描述。

例如，学生实体的属性有学号、学生姓名和学生性别。

属性由两部分组成，分别是属性名和属性值。

例如，学号和学生姓名是属性名，而“1、张三”这些具体值是属性值。

联系（Relationship）是指实体与实体之间的联系，有一对一、一对多、多对多三种情况。

例如，每个学生都有一个学生证，学生和学生证之间是一对一的联系；一个班级有多个学生，班级和学生是一对多的联系；一个学生可以选修多门课程，一门课程又可以被多个学生选修，学生和课程之间就形成了多对多的联系。

实体型（Entity Type）实体类型，通过实体名（如学生）及其属性名集合（如“学号、学生姓名、学生性别”）来抽象描述同类实体。

实体集（Entity Set）是指同一类型的实体集合，如全校学生就是一个实体集。E-R图

E-R图也称为实体-联系图（Entity Relationship Diagram）。

E-R图是一种用图形表示的实体联系模型，E-R图提供了表示实体型、属性和联系的方法，用来描述现实世界的概念模型。

E-R图通用的表示方式如下。

实体：用矩形框表示，将实体名写在框内。

属性：用椭圆框表示，将属性名写在框内，用连线将实体与属性连接。

联系：用菱形框表示，将联系名写在框内，用连线将相关的实体连接，并在连线旁标注联系类型（一对一“1:1”、一对多“1:n”、多对多“n:m”）。

图1 学生与班级的ER图

图2 学生与课程的ER图

关系模型

关系（Relation）用于反映元素之间的联系和性质。从用户角度来看，关系模型的数据结构是二维表，即通过二维表来组织数据。

一个关系对应一张二维表，表中的数据包括实体本身的数据和实体间的联系。

属性（Attribute）：二维表中的列称为属性，每个属性都有一个属性名。

元组（Tuple）：二维表中的每一行数据称为一个元组。

域（Domain）：域是指属性的取值范围，例如，性别属性的域为男、女。关系模型的完整性

关系模型的完整性：为了保证数据库中数据的正确性和相容性，需要对关系模型进行完整性约束。完整性通常包括实体完整性、参照完整性和用户自定义完整性

实体完整性：要求关系中的主键不能重复，且不能取空值。空值是指不知道、不存在或无意义的值。

参照完整性：要求关系中的外键要么取空值，要么取被参照关系中的某个元组的主键值。

用户自定义完整性：是用户针对具体的应用环境定义的完整性约束条件，由DBMS检查用户自定义的完整性，比如用户名不允许重复等。1.1.5 关系运算

关系模型可以使用关系代数（Relational Algebra）来进行关系运算。

关系代数是一种抽象的查询语言，是研究关系模型的数学工具。

关系代数运算符主要包括并、差、交、笛卡尔积、选择、投影、连接和除

关系代数运算符

并（Union）、差（Difference）、交（Intersection）

并、差、交运算要求参与运算的两个关系具有相同数量的属性。运算结果是一个具有相同数量属性的新关系。

设有关系R和关系S

R∪S表示合并两个关系中的元组，数学描述：R∪S={t | t∈R ∨ t∈S}

R－S表示找出属于R但不属于S的元组，数学描述：R－S={t | t∈R ∧ t∉S }

R∩S表示找出既属于R又属于S的元组，数学描述：R∩S={t | t∈R ∧ t∈S}

∨表示逻辑运算符或，∧表示逻辑运算符与

笛卡尔积（Cartesian Product）设关系R有n个属性，关系S有m个属性

R和S的笛卡尔积：元组的前n个属性来自R，后m个属性来自S。

结果属性个数=n+m，结果元组的总个数=R和S中的元组的乘积。

数学描述：假设R(<1,2,…,>)、S(<1,2,…,>)， ∧表示逻辑运算符与

R×S={<1,2,…,, 1,2,…,> │<1,2,…,>∈R ∧<1,2,…,>∈S}

选择（Selection）、投影（Projection）

选择是在一个关系中将满足条件的元组找出来，即水平方向筛选。

投影是在一个关系中去掉不需要的属性，保留需要的属性，即垂直方向筛选。

选择（σ）的数学描述：σcon R = { t | t∈R ∧ con(t)=true}

投影（π）的数学描述：π1,2,…, R={<t[1], t[2],…, t[]> | t∈R}

选择操作： σ学号=1(R) ，表示在关系R中查找学号为1的学生。

投影操作：π 学号,学生姓名(R) ，表示在关系R中查找学号和学生姓名。

连接（Join）

连接是在两个关系的笛卡尔积中选取属性间满足一定条件的元组。

笛卡尔积运算结果可能会有很多没有意义的元组，相比之下连接运算更为实用。

常用的连接方式有等值连接（Equi-Join）和自然连接（Natural Join）。

数学描述： (⋈S)¦θ=σ_(R[A]θS[B]) (R×S)

AθB是R⋈S连接的条件，θ∈{>、≥、<、≤、≠}

设有关系R和关系S，使用A和B分别表示R和S中数目相等且可比的属性组。

等值连接：是在R和S的笛卡尔积中选取A、B属性值相等的元组。

自然连接：是一种特殊的等值连接，要求R和S必须有相同的属性组，进行等值连接后再去除重复的属性组。

除（Division）

如果把笛卡尔积看作乘法运算，则除法是笛卡尔积的逆运算。

设有关系R和关系S，除运算需满足S的属性集是R属性集的真子集。

R÷S的结果是R属性集减去S属性集的结果。

例如，R（A,B,C,D）÷S（C,D）的结果由A和B两个属性构成。

数学描述：R÷S={t┤|t∈π_(−S) (R) ∧∀u∈S(tu∈R) }

R是学生选课表。

R÷S1表示查询学号为2的学生所选的课程。

R÷S2表示查询学号为2和3的学生共同选择的课程。

R÷S2的运算过程

R÷S2的具体运算步骤：

① 通过πR-S(R)取出R和S中只有R拥有的课程号属性，并对元组去重。

② 通过πR-S(R)×S计算笛卡尔积。

③ 通过(πR-S(R)×S)－R计算差集，设结果为A。

④ 通过πA-S(A)取出A中的课程号属性，设结果为B。

⑤ 通过πR-S(R) －B计算差集，得到的结果就是R÷S。

1.1.6 SQL语言

SQL：Structured Query Language，结构化查询语言。

SQL是一种数据库查询语言和程序设计语言。

SQL主要用于管理数据库中的数据。

举例：存取数据、查询数据、更新数据等。

SQL是由4部分组成的:

1. 数据定义语言（Data Definition Language，DDL）主要用于定义数据库、表等。例如，CREATE语句、ALTER语句、DROP语句等。

2. 数据操作语言（Data Manipulation Language，DML）

主要用于对数据库进行添加、修改和删除操作。

例如，INSERT语句、UPDATE语句、DELETE语句。

3. 数据查询语言（Data Query Language，DQL）主要用于查询数据。

例如，使用SELECT语句可以查询数据库中的一条数据或多条数据。

4. 数据控制语言（Data Control Language，DCL）主要用于控制用户的访问权限。

例如，GRANT语句、REVOKE语句、COMMIT语句、ROLLBACK语句。

SQL与三级模式：

外模式对应视图或部分基本表，概念模式对应基本表，内模式对应存储文件。

1.1.7 常见数据库产品

Oracle数据库管理系统

Oracle（甲骨文）公司开发。

在数据库领域一直处于领先地位，市场占有率高。

适用场景：适用于各类大、中、小、微机环境。

特性：良好的兼容性、可移植性、可伸缩性，性能高、安全性强。

与MySQL相比，Oracle虽然功能更加强大，但是软件的价格也比较高。

SQL Server数据库管理系统

Microsoft（微软）公司推出的关系型数据库管理系统。

适用场景：已广泛应用于电子商务、银行、保险、电力等行业。

特性：易操作、界面良好等特点深受广大用户喜爱，早期版本只能在Windows平台上运行，而新版本的SQL Server 2017已经支持Windows和Linux平台。

DB2数据库管理系统

IBM公司研制的关系型数据库管理系统。

适用平台：主要应用于UNIX、z/OS、Windows Server等平台。

特性：具有较好的可伸缩性，可支持从大型计算机到单用户环境，提供了高层次的数据利用性、完整性、安全性和可恢复性，从小规模到大规模应用程序的执行能力，适合于海量数据的存储，但DB2的操作比较复杂。

MySQL数据库管理系统

瑞典MySQL AB公司（先后被Sun和Oracle公司收购）开发。

适用平台：支持在UNIX、Linux、Mac OS和Windows等平台上使用。

特性：体积小、速度快，使用更加方便、快捷，并且开放源代码，开发人员可根据需求自由进行修改。

采用社区版和商业版的双授权政策，兼顾免费和付费场景，软件使用成本低。

在Web开发领域，MySQL占据着举足轻重的地位。

非关系型数据库（Not Only SQL，NoSQL）的出现则弥补了关系型数据库的不足。

特点：在于数据模型比较简单，灵活性强，性能非常高。

常见的非关系型数据库：有Redis、MongoDB。

Redis是一个高性能的非关系型数据库产品。

采用key-value的方式存储数据。

适合用于内容缓存和处理大量数据的高负载访问，查询速度非常快，支持持久化操作、主从同步等。

Redis支持的数据类型包括string、hash(字典)、list(双向链表)、set和zset(有序集合)。

MongoDB是一个介于关系型数据库和非关系型

数据库之间的产品。

数据结构非常松散，类似JSON的BSON格式，

可以存储比较复杂的数据类型。

特点是开源、高性能、易部署、易使用、查询

语言强大，支持对数据建立索引，储数据非常方便。

适用于大数据量、高并发、弱事务的互联网应用。

MongoDB完全可满足Web 2.0和移动互联网的数据存储需求。

1.2 MySQL安装1.2.1 获取MySQL

官网地址：

MySQL产品：企业版（Enterprise）和社区版（Community）。

社区版是通过GPL协议授权的开源软件，可以免费使用。

企业版是需要收费的商业软件。

MySQL版本：5.5、5.6、5.7和8.0（最新版本）。

打包版本：MSI（安装版）和ZIP（压缩包）两种打包的版本。

我们选择5.7的ZIP版本

下载地址：

1.2.2 安装MySQL安装MySQL

Step1：解压mysql-5.7.22-win32.zip到C:\mysql5.7目录。

Step2：安装MySQL，即将MySQL安装为Windows系统的服务。

注：如何在命令模式下切换到MySQL的bin目录？1.2.3 配置MySQL创建MySQL配置文件配置MySQL

1.创建数据库文件目录C:\mysql5.7\data

2.初始化数据库：

mysqld --initialize-insecure

--initialize：表示初始化数据库，

-insecure：表示忽略安全性，默认用户root的密码为空。

省略-insecure时，MySQL将自动为默认用户“root”生成一个随机的复杂密码。

1.2.4 管理MySQL服务

MySQL安装完成后，需要启动服务进程，否则客户端无法连接数据库。

1.2.5 用户登录与设置密码

登录命令：

mysql -u root

mysql表示MySQL提供的命令行客户端工具mysql.exe，用于访问数据库。

-u root表示以root用户的身份登录，-u和root之间的空格可以省略。

登录成功后显示如下界面：

注意：退出用户的登录：直接使用exit或quit命令

设置密码：为了保护数据库的安全，需要为登录MySQL服务器的用户设置密码。

设置密码语句：

ALTER USER 'root'@'localhost' IDENTIFIED BY '123456';

取消密码语句：

ALTER USER 'root'@'localhost' IDENTIFIED BY '';

设置密码后登录

显示密码：

mysql -uroot -p123456

隐藏密码：

mysql -uroot –p，按回车键，会提示输入密码。

1.2.6 MySQL客户端的相关命令1.3 常用图形化工具

MySQL命令行的操作不够直观，而且容易出错，为了更加方便的操作MySQL，可以使用一些图形化工具，比如：SQLyog和Navicat

1.3.1 SQLyog

Navicat是一种图形化数据库管理工具，主要用于管理MySQL数据库。有社区版可以免费使用。

下载链接：

1.3.2 Navicat

Navicat是一种图形化数据库管理工具，支持的数据库有：MySQL、MariaDB、SQL Server、SQLite、Oracle、PostgreSQL等。

下载链接：

1.4 总结

本章主要讲了数据库的基础只是、MySQL的安装与配置。