ch10 数据库系统概念(第6版)第十章存储结构和文件结构

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数据库系统概念第六版课程设计

数据库系统概念第六版课程设计一、选题背景随着信息技术的发展，数据的数量和类型变得越来越复杂和庞大，需要有效地管理和处理。

数据库系统作为数据管理的关键技术之一，应用广泛。

通过学习数据库系统的概念、原理和实现方法，可以帮助学生深入理解数据管理、数据结构和数据操作等基本概念，并掌握常用数据库系统的设计和开发方法。

本课程设计旨在通过对数据库系统概念第六版的学习和实践，帮助学生全面了解数据库系统的基础知识，提高数据管理和处理能力。

二、选题内容本课程设计主要包括以下几个部分：1.数据库设计与实现：根据给出的实际场景，设计一个关系型数据库，并使用MySQL实现。

包括数据模型设计、表结构设计、数据类型定义、SQL语句编写等内容。

2.数据库应用开发：基于Java语言和JDBC技术，开发一个简单的图书管理系统，实现图书的查询、添加、修改和删除等功能。

包括前端UI设计、后端业务逻辑实现和数据库操作等内容。

3.数据库性能调优：分析数据库在不同负载条件下的性能表现，设计和实施调优策略。

包括SQL语句优化、索引优化、缓存策略、服务器参数优化等内容。

4.数据库备份与恢复：制定数据库备份和恢复策略，实现对数据库的定时备份和快速恢复。

包括备份方案设计、恢复操作测试、恢复时间评估等内容。

三、选题目的通过此次课程设计，旨在达到以下目标：1.学生能够全面了解数据库系统的原理、架构和应用场景，掌握常用的关系型数据库系统的设计和开发方法。

2.学生能够运用Java语言和JDBC技术，开发一个简单的图书管理系统，掌握前后端交互和数据库操作等基本技能。

3.学生能够分析数据库在不同负载条件下的性能表现，能够设计和实施调优策略，提高数据库系统的运行效率。

4.学生能够制定数据库备份和恢复策略，实现对数据库的高效备份和快速恢复，提高数据安全性和可靠性。

四、选题材料本课程设计所需的主要材料包括：1.《数据库系统概念第六版》一书作为课程教材。

2.Java语言和JDBC技术相关的书籍和资料，如《Java核心技术》、《Java编程思想》等。

ch10 文件

2. 文件类型指针
指针变量说明：指针变量说明： FILE *fp; 用法：用法：
文件打开时系统自动建立文件结构体，文件打开时，系统自动建立文件结构体，并把指向它的指针自动建立文件结构体返回来，程序通过这个指针获得文件信息文件信息,访问文件返回来，程序通过这个指针获得文件信息访问文件文件关闭后文件关闭后，它的文件结构体被释放文件名 C程序文件使用方式文件类io.h> 从键盘输入字符， #include <stdio.h> 例10.1 从键盘输入字符，逐个 main() 存到磁盘文件中，存到磁盘文件中，直到 main() { FILE *in, *out; 输入‘ 为止输入‘#“为止 { FILE *fp; char ch,infile[10],outfile[10]; 判断二进制文件是否结束 char ch,*filename=“out.txt”; scanf("%s",infile); while(!feof(fp)) 读文本文件内容， if((fp=fopen(filename,"w"))==NULL) 例10.2 读文本文件内容， #include <stdio.h> scanf("%s",outfile); { c=fgetc(fp); 并显示 { printf("cannot open file\n"); main() if ((in = fopen(infile, "r"))== NULL) …….. exit(0); { FILE *fp; { printf("Cannot open infile.\n"); } }char ch,*filename=“out.txt”; 例 10.3 文件拷贝 exit(0); printf("Please input string:"); if((fp=fopen(filename,”r"))==NULL) } feof ch=getchar(); { printf("cannot open file\n"); if ((out = fopen(outfile, "w"))== NULL) while(ch!='#') exit(0); 函数原型： int feof(FILE *fp) open outfile.\n"); 函数原型： { printf("Cannot {} fputc(ch,fp); 功能：功能：判断文件是否结束 exit(0); putchar(ch); while((ch=fgetc(fp))!=EOF) 返值：文件结束，返回真（）；文件未结束，返回0 ）；文件未结束返值：文件结束，返回真（非0）；文件未结束，返回 } ch=getchar(); putchar(ch); while (!feof(in)) 判断文本文件是否结束 }fclose(fp); fputc(fgetc(in), out); } fclose(fp); fclose(in); fclose(out); } }

数据结构 chapter10

Department of Computer Science & Technology, Nanjing University
fall
DATA STRUCTURES
多级索引结构形成 m 路搜索树
Department of Computer Science & Technology, Nanjing University
第10章文件组织、索引结构
文件组织动态索引结构
Department of Computer Science & Technology, Nanjing University Data Structure
fall
10.1 文件组织
DATA STRUCTURES
文件的基本概念
什么是文件文件是存储在外存上的数据结构。文件分操作系统文件和数据库文件
是指向子树的指针，0 i n < m；Ki 是关键码， 1 i n < m。 Ki < Ki+1, 1 i < n。
▪ 在子树 Pi 中所有的关键码都小于 Ki+1，且大于 Ki， 0 < i < n。
▪ 在子树 Pn 中所有的关键码都大于Kn； ▪ 在子树 P0 中的所有关键码都小于 K1。 ▪ 子树 Pi 也是 m 路搜索树，0 i n。
Department of Computer Science & Technology, Nanjing University
fall
DATA STRUCTURES
索引表用于指示逻辑记录与物理记录间的对应关系，它是按关键码有序的表。
索引顺序文件：主文件也按关键码有序。此时可对主文件分组，一组记录对应一个索引项。称这种索引表为稀疏索引。

数据库基础第6版

② 网状模型用网状结构来表示实体及实体间的联系例如：DBTG系统 ③ 关系模型用一组二维表表示实体及实体间的关系例如：Microsoft Access 理论基础是1970年IBM公司研究人员E.F.Codd发表的大量论文。目前应用最广泛的是关系数据模型
18
3. 关系模型
将数据组织成一组二维表格
20
7.2 数据库的建立和维护
Access的特点
是Office的组件之一具有对数据进行存储、管理、处理等常规功能
直观的可视化操作操作工具和向导
丰富的函数功能
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7.2.1 Access 数据库的组成
•表: •查询: •窗体: •报表: •宏: •模块: 最基本的对象，表及其表之间的关系构成数据库的核心从表（或查询）中选择一部分数据，形成一个全局性的集合用户与数据库交互的界面，窗体
应用程序
DBMS 操作系统
数据库DB
数据库系统 DBS
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特点
数据库系统的特点 (2) 有较高的数据独立性
物理存储结构 (3) 安全性设置用户的使用权限 (1) 采用一定的数据模型，最大限度地减少数据的冗余用户面对的是简单的逻辑结构操作而不涉及数据具体的
在数据库被破坏时，系统可把数据库恢复到可用状态。
30
INSERT命令
INSERT命令用于数据插入其语法格式为：
INSERT INTO 表名 [(字段1,…,字段n)] VALUES (值1,…,值n)
说明：若省略[(字段1,…,字段n)] ，则VALUES各值按表结构各
字段次序、类型逐一输入；若不省略，则字段名与值次序、类型一一对应。
例7.3
字段名称

ch.6存储结构

(4) 第三级存储
引入第三级存储，也就是说跨过二级存储设备，在内存和光盘、磁带之间直接传输数据。光盘和磁带都属于第三级存储介质，其主要用途就是备份数据和归档数据，因此它们一般都是离线(off-line)存储介质。近几年兴起的存域网SAN（Storage Area Network），则是利用高速传输的光交换机将多个存储设备（包括第三级存储设备）连成一个统一的数据存储网络.
本章小结
2020年5月19日星期二
数动态文件索引结构。在介绍索引树基础上介绍 B 树和B+ 树。 7. 散列文件散列文件是一种支持快速存取的文件存储方法。
2020年5月19日星期二
数据库教程（沈--06.8）
6
1.物理存储设备 2.文件和文件记录 3. 无序文件 4. 顺序文件 5. 索引文件 6. B树与B+树索 7. 散列文件
第三部分系统篇
ch.6存储结构 ch.7查询处理与查询优化 ch.8事务管理 ch.9数据库完整性与安全性 ch.10分布式数据库系统 ch.11数据库访问技术
2020年5月19日星期二
数据库教程（沈--06.8）
1
ch.6 存储结构
数据库管理系统的查询处理和优化、数据操作以及事务处理都与数据库的物理存储结构密切相关。
1.物理存储设备 2.文件和文件记录 3. 无序文件 4. 顺序文件 5. 索引文件 6. B树与B+树索引 7. 散列文件
2020年5月19日星期二
数据库教程（沈--06.8）
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ch.6 1.物理存储设备
1.物理存储设备 (1)磁盘存储器
2020年5月19日星期二
数据库教程（沈--06.8）
3
ch.6 1.物理存储设备

数据库系统概论 chp10 数据库恢复技术(精选)PPT101页

27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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数据库系统概论 chp10 数据库恢复技术（精选）
51、没有哪个社会可以制订一部永远适用的宪法，甚至一条永卫本能。——英格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样一种的网，触犯法律的人，小的可以穿网而过，大的可以破网而出，只有中等的才会坠入网中。 ——申斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大夏，庇护着我们大家；它的每一块砖石都垒在另一块砖石上。 ——高尔斯华绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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数据库原理知识点主要知识点为冯诺依曼体系结构

数据库原理知识点主要知识点为冯诺依曼体系结构冯诺依曼体系结构是计算机科学中的一种基础架构，它是由冯·诺依曼（Von Neumann）于1945年提出的。

该体系结构的设计思想是将计算机的控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备等组成部分集中在一个系统中，并通过存储器来存储程序和数据，实现程序的存储和执行。

以下将介绍数据库原理中与冯诺依曼体系结构相关的主要知识点。

1. 数据库的存储结构：在冯诺依曼体系结构下，数据库的存储结构是按照块（Block）的方式组织的，每个块的大小是固定的。

数据库中的数据被划分为一个个块，并通过地址来访问。

这种存储结构方便了数据的管理和操作。

2. 数据的存储和检索：数据库的存储和检索是基于冯诺依曼体系结构的，即通过读写存储器中的数据来实现。

数据在存储器中的存储位置由数据库管理系统（DBMS）来管理，通过地址访问存储器中的数据。

3. 数据的操作：数据库的操作包括插入、更新、删除和查询等。

这些操作都是通过冯诺依曼体系结构中的运算器来实现的。

运算器执行各种算术和逻辑操作，使得数据库的数据可以进行各种计算和处理。

4. 数据的输入和输出：数据库的输入和输出通过冯诺依曼体系结构中的输入设备和输出设备来实现。

输入设备用于向数据库中输入数据，输出设备用于从数据库中输出数据。

这些设备与计算机的控制器相连，通过控制器来实现输入和输出的操作。

5. 程序的存储和执行：在冯诺依曼体系结构中，程序的存储和执行是通过存储器来实现的。

数据库管理系统将程序和数据存储在存储器中，并通过控制器来执行程序。

程序的执行包括读取程序指令、执行指令和存储运算结果等步骤。

6. 数据的传输和通信：数据库的传输和通信是通过冯诺依曼体系结构中的数据总线来实现的。

数据总线用于传输数据和指令，使得数据库中的数据可以在各个组成部分之间传递和共享。

总之，数据库原理中的冯诺依曼体系结构是数据库系统设计和实现的基础。

它通过集中存储和处理数据的方式，实现了数据库的存储、操作、输入和输出等功能。

数据库系统概念(英文精编版.第六版)

Attributes
Attribute Domain

The set of allowed values for each attribute is called the domain of the attribute
The special value null is a member of every domain
Instructor_schema = (ID, name, dept_name, salary)
r(R) is a relation on the relation schema R
We use lowercase names for relations.
Example: instructor (Instructor _schema)
2.5 Relational Query Languages
2.6 Relational Operations
Chapter 2: Relational Model
教学目的：

熟悉关系数据模型
教学重点：

简单属性、多值属性、复合属性
关系、关系模式、码等概念关系模式图关系代数的操作
?简单属性多值属性复合属性?关系关系模式码等概念?关系模式图?关系代数的操作?教学难点
Chapter 2: Relational Model
2.1 Structure of Relational Databases 2.2 Database Schema 2.3 Keys 2.4 Schema Diagrams
referenced relation
Exercise: 找出左图里面
存在的其他外码、参照关系和被参照关系

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N个磁盘组成的集合中某个磁盘发生故障的概率比特定的
一个磁盘发生故障的概率要高.
初始目标是用最具成本效益的方法来替代巨大且昂贵的磁盘
RAID 中的一开始代表 ``i廉价’’ 如今 RAID 因为其更高的可靠性和更高的数据传输率而被使用. “I” 解释为独立
通过冗余提高可靠性
冗余 – 存储额外信息，当发生磁盘故障时可以用于重建信息
磁盘（续）
硬盘是被认为既支持虚拟存储器，也支持文件系统。即，有些磁盘块在被用于保存一个应用程序的虚拟存储器页面的同时，另一些磁盘块被用于保存（部分）文件。在操作系统或数据库系统的控制下，文件以块的方式在磁盘与主存之间移动。
将一个块从磁盘移动到主存是一次磁盘读。将一个块从主存移动到磁盘是一次磁盘写。称之为一次 I /O（磁盘输入/输出）。
可以将存储区分为:
易失性存储: 当关闭电源的时候丢失内容非易失性存储:
即便关闭电源也能保持内容. 包括第二级和第三级存储, 以及后备电池的主存储器.
物理存储介质
缓存 – 速度最快，成本最大的存储形式; 易失性; 由计算机系统硬件管理. 主存储器:
访问速度快 (10到100纳秒; 1 纳秒 = 10–9 秒可能更快) 通常太小 (或者太昂贵) 以致不能存储整个数据库目前广泛使用的标准是存储几个Gigabytes 能力不断增强，每个字节的成本持续快速下降 (存储能力大约每2到3年乘上2倍)
磁性硬盘装置
注: 此为示意图, 简化了实际的磁盘驱动结构
读写头
磁盘
盘表面分为圆形磁道
位置非常接近盘表面 (几乎接触) 读写磁编码过的信息. 常规的硬盘上有超过50K-100K个磁道扇区是从磁盘读出和写入数据的最小单位. 扇区大小一般是 512 字节每个磁道上的扇区数量: 500 至 1000 (内道) ， 1000 至 2000 (外道) 磁盘臂移动到正确的磁道上磁盘持续旋转; 当扇区从磁头下经过的时候，数据被读写一个转轴上有多个磁盘 (通常1 至 5 个) 每个磁盘有一个磁头,安装在共同的磁盘臂上.
通过并行提高性能
磁盘系统中的并行有两个主要目的:
通过在多个磁盘上对数据进行拆分来提高传输速率. 比特级拆分 – 在多个磁盘上将每个字节按比特分开
在一个由八个磁盘组成的阵列中, 将每个字节的第i个比特位写到第i个磁盘上. 存取速度是单独一个磁盘速度的八倍. 但是寻道/存取时间比单独一个磁盘要长
磁盘块存取的优化
块 – 一个磁道上的连续扇区
数据在磁盘和主存储器中通过块传输大小从 512 至几千字节小块: 需要更多次传输大块: 部分填充的块会造成更多空间浪费如今常见的块大小为 4 至 16 千字节
磁盘臂调度算法为磁道访问进行排序，以最小化磁盘臂的移动距离
磁盘块存取的优化（续）
物理存储介质（续）
磁盘
数据被存储在旋转的盘上, 并且进行磁读/写长期存储数据的主要介质; 通常用于存储整个数据库. 访问数据时必须将数据从磁盘移动到主存储器中, 之后写回数据进行存储比主存储器的访问速度慢很多直接访问 – 可以以任何顺序读取磁盘上的数据，不同于磁带近几年存储能力达到约 1.5 TB至更高比起主存储器/闪存，拥有更强的存储能力和更大的每字节成本持续而迅速的技术改进 (每2年乘上2到3倍) 从电源故障或者系统崩溃中保存数据磁盘故障可能会损坏数据, 但是比较少
磁盘块存取的优化（续）*
磁盘日志 – 磁盘中专门为块更新写顺序日志
和非易失性 RAM的使用类似(NV-RAM 非易失性随机访问存储器 (NonVolatile Random Access Memory)，是指断电后仍能保持数据的一种RAM 。) 写磁盘日志非常快，因为不需要进行寻道不需要特殊硬件
物理存储介质（续）
光盘存储
非易失性, 数据从旋转的盘上通过激光器进行读取 CD-ROM (640 MB) 和 DVD (4.7 to 17 GB) 是最常见的格式蓝光光碟: 27 GB to 54 GB 一次写, 多次读 (WORM) 的光盘用于档案存储 (CD-R, DVD-R, DVD+R) 也有允许多次写的版本 (CD-RW, DVD-RW, DVD+RW, and DVD-RAM) 读写速度比磁盘慢光盘机系统, 有大量可移动光盘, 几个驱动器, 和用于自动加载/卸载光盘的机制以存储大量数据
例如, 镜像 (或者影像) 复制每一个磁盘. 一个逻辑磁盘由两个物理磁盘组成. 每一个写操作都要在两个磁盘上执行读操作可在任一磁盘进行如果一个磁盘发生故障, 数据可以从另一磁盘读出合并事件的发生概率很低
当一个磁盘发生故障，在系统得到修复之前镜像磁盘也发生故障，则会发生数据丢失
数据库系统
上海交通大学计算机系张忠能
zhang-zn@
1
存储结构和文件结构
存储结构和文件结构
物理存储介质概览磁盘 RAID 第三级存储存储访问文件组织文件中记录的组织数据字典存储
物理存储介质分类
数据访问的速度每个数据单元的成本可靠性
在电源故障或者系统崩溃时的数据丢失存储设备的物理故障
磁盘子系统
磁盘通常直接连接到电脑系统上在存储区域网络(SAN)中，大量的磁盘经由一个高速网络连接到几个服务器上在网络附属存储(NAS)中，网络存储通过网络文件系统协议提供了文件系统接口，而不是提供一个磁盘系统接口
磁盘性能度量标:
寻道时间 – 将磁盘臂重定位到正确磁道的时间. 平均寻道时间是最坏情况下寻道时间的 1/2. 可能是 1/3 ，如果所有的磁道都有同样数量的扇区，且我们忽略磁盘臂开始和停止移动的时间通常需要4 至 10 毫秒旋转延迟 – 目标扇区旋转到磁头下所花的时间t. 平均延迟是最坏情况下延迟的 1/2. 通常需要4 至 11 毫秒 (每分钟转数 5400 至 15000)
文件组织 – 根据数据访问的方式来组织磁盘的块，以优化块访问时间
例如，在相同或者相邻的柱面存储相关信息. 文件可能随着时间推移变得碎片化例如，如果数据被插入文件中或者从文件中删除或者磁盘上的空闲块是分散的, 以致新创建的文件的块在磁盘上分散分布顺序存取一个碎片化的文件导致磁盘臂移动距离增加有些文件系统提供了碎片整理工具, 以加速文件存取
数据传输率 – 从磁盘获得数据或者向磁盘存储数据的速率 .
最大速率25 至 100 MB 每秒, 内道速率更低多个磁盘共享一个控制器, 所以控制器可以接受的速率也很重要例如. SATA: 150 MB/sec, SATA-II 3Gb (300 MB/sec) Ultra 320 SCSI: 320 MB/s, SAS (3 to 6 Gb/sec) 光纤通道 (FC2Gb or 4Gb): 256 to 512 MB/s
比特级拆分不经常使用
1. 负载平衡多个小的存取操作，以提高吞吐量 2. 并行执行大的存取操作，以减少反应时间.
块级拆分 – 有n 个磁盘, 则文件的第 i 块存储到第 (i mod n) + 1个磁盘上
要求当不同的块位于不同的磁盘时，能并行运行请求长序列的块可能要求所有磁盘并行运行
物理存储介质（续）
磁带存储
非易失性, 主要用来备份数据 (恢复磁盘故障), 和归档数据顺序访问 – 比磁盘慢很多大容量 (40 至 300 GB ) 磁带可以从驱动器中移除存储成本比磁盘低很多, 但是驱动器很昂贵自动磁带机可以存储巨大总量的数据上百个 terabytes (1 terabyte = 109 bytes) 甚至数个petabytes (1 petabyte = 1012 bytes)
磁盘性能度量标准（续）
平均故障时间 (MTTF) – 预期系统无故障连续运行的平均时间. 一般 3 至 5 年新磁盘故障的可能性很低, “理论 MTTF”可达 500,000 至 1,200,000 小时例如, 一个 MTTF 1,200,000 小时的新磁盘意味着给定1000个较新的磁盘，平均每1200小时出现一次故障 MTTF 随着磁盘老化而下降
存储层次结构
存储层次结构（续）
基本存储: 速度最快，但是具有易失性 (缓存, 主存储器). 第二级存储: 层次结构的下一层, 非易失性, 较快的访问速度
第三级存储: 层次结构的底层, 非易失性, 访问速度慢
也称为脱机存储例如磁带, 光盘
也称为联机存储例如闪存, 磁盘
易失性 — 如果发生了电源故障或者系统崩溃，主存储器的内容通常会丢失.
物理存储介质（续）
闪存
发生电源故障也能保存数据数据只能在一个位置写入一次, 但是该位置可以被擦除之后再写入读取速度和主存储器一样快但是写入速度慢 (几微秒), 擦除速度更慢在嵌入式设备例如数码相机，电话，和USB秘钥中广泛使用
除了发生火灾或者大楼倒塌或者电源故障等相关故障模型
平均数据丢失时间取决于平均故障时间和平均修复时间
例如，MTTF 为 100,000 小时,平均修复时间为 10 小时，意味着一对镜像磁盘的平均数据丢失时间（正常运行时间）为500*106 小时 (或者 57,000 年) (不考虑相关故障模型)
非易失性的写缓冲区通过将块立刻写入一个非易失性RAM 缓冲区来加速磁盘写入
非易失性 RAM: 后备电池RAM 或者闪存即使出现电源故障, 数据也是安全的，并且当电源恢复的时候会被写入磁盘控制器会进行写入磁盘动作，当磁盘没有其他请求或者请求需要等待一段时间的时候要求数据在继续操作之前被安全存储的那些数据库操作，可以继续进行而不需要等待数据写入到磁盘上写入可以被重新排序以最小化磁盘臂的移动距离