数据库管理系统原理与设计

Raghu Ramakrishnan got his B.Tech. from IIT Madras in 1983 and his Ph.D. from the University of Texas at Austin in 1987. He was a member of the Database Systems Group in the Computer Sciences Department at the University of Wisconsin-Madison from 1987 to 2006, and was a co-founder of the UW Data Mining Institute.

Ramakrishnan joined Microsoft in 2012 as a Technical Fellow and C...

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Raghu Ramakrishnan got his B.Tech. from IIT Madras in 1983 and his Ph.D. from the University of Texas at Austin in 1987. He was a member of the Database Systems Group in the Computer Sciences Department at the University of Wisconsin-Madison from 1987 to 2006, and was a co-founder of the UW Data Mining Institute.

Ramakrishnan joined Microsoft in 2012 as a Technical Fellow and CTO, Information Services and heads the Cloud and Information Services Lab (CISL) with members in Redmond, WA and Mountain View, CA. From 2006 to 2012, he was a Yahoo! Fellow. In 1999, he founded QUIQ, a company that developed innovative collaborative customer support and knowledge management solutions used by companies such as Business Objects, Compaq, National Instruments, Network Appliances, Sun Microsystems, and others, and served as the Chairman and CTO until 2003, when QUIQ was acquired by Kanisa.

第一部分　数据库基础
第1章　数据库系统概述3
1.1　管理数据4
1.2　历史回顾5
1.3　文件系统和数据库管理系统6
1.4　数据库管理系统的优点7
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第一部分　数据库基础
第1章　数据库系统概述3
1.1　管理数据4
1.2　历史回顾5
1.3　文件系统和数据库管理系统6
1.4　数据库管理系统的优点7
1.5　数据库管理系统中数据的描述和存储8
1.5.1关系模型8
1.5.2数据库管理系统的抽象级别9
1.5.3数据独立性11
1.6　数据库管理系统中的查询11
1.7　事务管理12
1.7.1事务的并发执行13
1.7.2未完成的事务和系统崩溃13
1.7.3注意要点14
1.8　数据库管理系统的结构14
1.9　与数据库打交道的人15
1.10复习题16
第2章　实体联系模型19
2.1　数据库设计与ER图20
2.1.1其他步骤20
2.2　实体、属性和实体集21
2.3　联系和联系集22
2.4ER模型的其他特征24
2.4.1码约束24
2.4.2参与约束25
2.4.3弱实体25
2.4.4类层次27
2.4.5聚合29
2.5　用ER模型进行概念数据库设计29
2.5.1实体对属性30
2.5.2实体与联系31
2.5.3二元与三元联系32
2.5.4聚合与三元联系33
2.6　大型企业的概念数据库设计34
2.7　统一建模语言34
2.8　案例研究：网上书店35
2.8.1需求分析36
2.8.2概念设计36
2.9　复习题37
第3章　关系模型42
3.1　关系模型简介43
3.1.1使用SQL创建和修改关系45
3.2　关系的完整性约束46
3.2.1码约束47
3.2.2外码约束48
3.2.3一般约束50
3.3　完整性约束的强制执行50
3.3.　1事务与约束52
3.4　查询关系数据53
3.5　逻辑数据库设计：从ER模型到关系模型55
3.5.1从实体集到关系表55
3.5.2从联系集（不包括约束）到关系表56
3.5.3转换带码约束的联系集57
3.5.4转换带有参与约束的联系集58
3.5.5转换弱实体集60
3.5.6转换类层次60
3.5.7转换带聚合的ER图61
3.5.8ER模型到关系模型：更多的示例62
3.6　视图简介63
3.6.1视图、数据独立性和安全64
3.6.2视图的更新64
3.7　删除/修改关系表和视图67
3.8　案例研究：网上书店67
3.9　复习题69
第4章　关系代数和演算74
4.1　预备知识74
4.2　关系代数75
4.2.1选择和投影75
4.2.2集合操作76
4.2.3重命名78
4.2.4连接78
4.2.5除80
4.2.6关系代数查询的其他示例81
4.3　关系演算85
4.3.1元组关系演算86
4.3.2域关系演算89
4.4　代数与演算的表达能力91
4.5　复习题92
第5章　SQL：查询、约束与触发器96
5.1　概述97
5.1.1章节组织97
5.2　基本SQL查询的形式99
5.2.1基本SQL查询的示例102
5.2.2SELECT命令中的表达式和字符串103
5.3　UNION、INTERSECT和EXCEPT104
5.4　嵌套查询107
5.4.1嵌套查询简介107
5.4.2相关嵌套查询109
5.4.3集合比较操作109
5.4.4有关嵌套查询的其他示例110
5.5　聚集操作符111
5.5.1GROUP BY和HAVING子句114
5.5.2聚集查询的其他示例117
5.6　空值120
5.6.1使用空值的比较121
5.6.2逻辑连接运算AND、OR和NOT121
5.6.3SQL构造符的作用121
5.6.4外连接122
5.6.5禁止使用空值122
5.7　SQL中的复杂完整性约束123
5.7.1单个表上的约束123
5.7.2域约束与DISTINCT类型123
5.7.3断言：多个表上的完整性约束124
5.8　触发器和主动数据库125
5.8.1SQL的触发器示例125
5.9　设计主动数据库127
5.9.1为什么触发器难以理解127
5.9.2约束和触发器127
5.9.3触发器的其他用途128
5.10　复习题128
第二部分　应用程序开发
第6章　数据库应用开发139
6.1　从应用程序中访问数据库140
6.1.1嵌入式SQL140
6.1.2游标142
6.1.3动态SQL145
6.2　JDBC简介146
6.2.1JDBC体系结构147
6.3　JDBC类和接口148
6.3.1JDBC驱动器管理148
6.3.2连接到数据源148
6.3.3执行SQL语句150
6.3.4结果集151
6.3.5异常和警告152
6.3.6检查数据库元数据153
6.4　SQLJ154
6.4.1编写SQLJ代码155
6.5　存储过程157
6.5.1创建一个简单的存储过程157
6.5.2调用存储过程158
6.5.3SQL/PSM159
6.6　案例研究：网上书店160
6.7　复习题163
第7章　Internet应用166
7.1　引言166
7.2　Internet的一些概念167
7.2.1统一资源标识符167
7.2.2超文本传输协议HTTP168
7.3　HTML文档170
7.4　XML文档171
7.4.1XML简介172
7.4.2XML DTD174
7.4.3特定领域的DTD177
7.5　三层应用体系结构178
7.5.1单层和客户服务器体系结构178
7.5.2三层体系结构180
7.5.3三层体系结构的优点181
7.6　展示层182
7.6.1HTML表单182
7.6.2JavaScript184
7.6.3样式表185
7.7　中间层188
7.7.1CGI：通用网关接口188
7.7.2应用服务器189
7.7.3Servlet190
7.7.4JSP192
7.7.5维护状态193
7.8　案例研究：网上书店195
7.9　复习题197
第三部分　存储与索引
第8章　存储与索引概述207
8.1　外部存储上的数据208
8.2　文件组织与索引208
8.2.1聚簇索引209
8.2.2主索引和次索引210
8.3　索引数据结构210
8.3.1基于哈希的索引211
8.3.2基于树的索引212
8.4　不同文件组织的比较213
8.4.1代价模型214
8.4.2堆文件214
8.4.3排序文件215
8.4.4聚簇文件216
8.4.5具有非聚簇树索引的堆文件217
8.4.6具有非聚簇哈希索引的堆文件218
8.4.7I/O代价的比较219
8.5　索引和性能调整219
8.5.1工作负载的影响220
8.5.2聚簇索引组织220
8.5.3复合搜索码222
8.5.4SQL∶1999中的索引规范225
8.6　复习题225
第9章　存储数据：磁盘和文件230
9.1　存储层次230
9.1.1磁盘231
9.1.2磁盘结构对性能的影响233
9.2　廉价冗余磁盘阵列（RAID）233
9.2.1数据划分234
9.2.2冗余234
9.2.3冗余的层次235
9.2.4RAID级别的选择238
9.3　磁盘空间管理238
9.3.1跟踪空闲块238
9.3.2使用操作系统的文件系统来管理磁盘空间238
9.4　缓冲区管理器239
9.4.1缓冲区替换策略241
9.4.2数据库管理系统和操作系统的缓冲区管理241
9.5　记录文件243
9.5.1堆文件的实现243
9.6　页格式245
9.6.1定长记录245
9.6.2变长记录246
9.7　记录格式247
9.7.1定长记录248
9.7.2变长记录248
9.8　复习题249
第10章　树结构索引253
10.1　树索引介绍254
10.2　索引顺序存取方法255
10.2.1溢出页与加锁考虑257
10.3　B+树：一种动态索引结构257
10.3.1节点格式258
10.4　搜索259
10.5　插入260
10.6　删除262
10.7　重复266
10.8　实际的B+树267
10.8.1码压缩267
10.8.2块加载B+树268
10.8.3秩的概念270
10.8.4rid上插入和删除的影响271
10.9　复习题271
第11章　基于哈希的索引277
11.1　静态哈希278
11.1.1记号与约定279
11.2　可扩展哈希279
11.3　线性哈希283
11.4　可扩展哈希与线性哈希的关系288
11.5　复习题288
第四部分　查 询 评 估
第12章　查询求解概述295
12.1　系统目录296
12.1.1目录中的信息296
12.2　操作符求解概述298
12.2.1三种常用技术298
12.2.2访问路径298
12.3　关系型操作的算法300
12.3.1选择300
12.3.2投影301
12.3.3连接301
12.3.4其他操作302
12.4　查询优化概述303
12.4.1查询求解计划303
12.4.2多处理器查询：流水线求解304
12.4.3迭代操作的接口305
12.5　可选计划：研究这一问题动机的示例306
12.5.1下推选择306
12.5.2使用索引307
12.6　一个典型的优化器做些什么310
12.6.1考虑不同的查询计划310
12.6.2估算计划的代价311
12.7　复习题312
第13章　外排序315
13.1　什么时候DBMS需要对数据进行排序315
13.2　简单的两路归并排序算法316
13.3外归并排序318
13.3.1段数的最小化320
13.4　最小化I/O开销和I/O的次数321
13.4.1块I/O321
13.4.2双缓冲323
13.5　使用B+树来排序323
13.5.1聚簇索引324
13.5.2非聚簇索引324
13.6　复习题326
第14章　关系操作求解328
14.1　选择操作329
14.1.1无索引、未排序的数据329
14.1.2无索引、排序的数据330
14.1.3B+树索引330
14.1.4哈希排序、等价选择331
14.2　一般的选择条件331
14.2.1CNF和索引匹配332
14.2.2求解无析取的选择332
14.2.3求解有析取的选择333
14.3　投影操作334
14.3.1基于排序的投影334
14.3.2基于哈希函数的投影335
14.3.3用于投影的排序和哈希336
14.3.4用于投影的索引使用337
14.4　连接操作337
14.4.1嵌套循环连接算法338
14.4.2排序归并连接算法341
14.4.3哈希连接345
14.4.4一般的连接条件348
14.5　集合操作349
14.5.1用于并和差的排序349
14.5.2用于并和差的哈希349
14.6　聚集操作350
14.6.1使用索引实现聚集351
14.7　缓冲的影响351
14.8　复习题352
第15章　典型的关系查询优化器357
15.1　将SQL查询转换成关系代数表达式358
15.1.1将SQL查询分解成块358
15.1.2把查询块表示成关系代数表达式359
15.2　估算执行计划的开销360
15.2.1估计结果的大小360
15.3　关系代数的等价364
15.3.1选择364
15.3.2投影364
15.3.3叉积和连接364
15.3.4选择、投影和连接365
15.3.5其他的等价366
15.4　列举可选的执行计划366
15.4.1单关系查询367
15.4.2多关系查询370
15.5　嵌套子查询375
15.6　System R优化器377
15.7　查询优化的其他方法377
15.8　复习题378
第五部分　事 务 管 理
第16章　事务管理概述389
16.1　ACID属性390
16.1.1一致性和隔离性390
16.1.2原子性和持久性391
16.2　事务和调度391
16.3　事务的并发执行392
16.3.1并发执行的动机392
16.3.2可串行化392
16.3.3交叉执行带来的异常394
16.3.4包括中止事务的调度396
16.4　基于加锁的并发控制397
16.4.1严格的两阶段加锁397
16.4.2死锁398
16.5　加锁的性能399
16.6SQL对事务的支持399
16.6.1创建和结束事务399
16.6.2应该锁住什么400
16.6.3SQL中事务的特性401
16.7　崩溃恢复简介403
16.7.1偷帧和强制写页403
16.7.2正常执行时与恢复相关的执行步骤404
16.7.3ARIES简介405
16.7.4原子性：实现回滚405
16.8　复习题405
第17章　并发控制409
17.1　2PL、可串行性和可恢复性410
17.1.1观测可串行化411
17.2　加锁管理简介412
17.2.1实现加锁和解锁请求412
17.3　锁转换413
17.4　死锁处理414
17.4.1死锁预防415
17.5　特殊的加锁技术416
17.5.1动态数据库和幻影问题416
17.5.2B+树的并发控制417
17.5.3多粒度锁419
17.6　不加锁的并发控制420
17.6.1乐观的并发控制420
17.6.2基于时间戳的并发控制422
17.6.3多版本并发控制424
17.7　复习题425
第18章　崩溃恢复431
18.1　ARIES算法简介432
18.2　日志433
18.3　与恢复相关的其他数据结构435
18.4　写优先日志协议435
18.5　检查点436
18.6　从系统崩溃中恢复436
18.6.1分析阶段437
18.6.2重做阶段438
18.6.3反做阶段439
18.7　介质恢复442
18.8　其他算法以及与并发控制的交互作用442
18.9　复习题443
第六部分　数据库设计与调整
第19章　模式求精与范式451
19.1　模式求精简介452
19.1.1冗余导致的问题452
19.1.2模式分解453
19.1.3模式分解中的一些问题454
19.2　函数依赖455
19.3　函数依赖推理456
19.3.1函数依赖集的闭包456
19.3.2属性闭包457
19.4　范式458
19.4.1鲍依斯柯德范式458
19.4.2第三范式459
19.5　分解的特性461
19.5.1无损连接分解461
19.5.2保持依赖分解462
19.6　规范化463
19.6.1分解为BCNF463
19.6.2分解为3NF464
19.7　数据库设计中的模式求精467
19.7.1一个实体集上的约束467
19.7.2一个联系集上的约束468
19.7.3识别实体的属性468
19.7.4识别实体集469
19.8　其他类型的依赖470
19.8.1多值依赖470
19.8.2第四范式472
19.8.3连接依赖473
19.8.4第五范式473
19.8.5包含依赖473
19.9　案例研究：网上书店474
19.10　复习题475
第20章　物理数据库设计和调整482
20.1　物理数据库设计简介483
20.1.1数据库负载483
20.1.2物理设计与调整决策484
20.1.3数据库调整的必要性484
20.2　索引选择的指导方针485
20.3　索引选择的基本示例486
20.4　聚簇和索引488
20.4.1两个关系的协同聚簇489
20.5　使只需索引的计划成为可能的索引490
20.6　用于确定索引的辅助工具491
20.6.1自动的索引选择491
20.6.2索引调整向导如何工作492
20.7　数据库调整简介494
20.7.1调整索引494
20.7.2调整概念模式495
20.7.3调整查询和视图496
20.8　调整概念模式时的选择496
20.8.1设置一个弱范式497
20.8.2非规范化497
20.8.3分解的选择497
20.8.4BCNF关系的垂直分解498
20.8.5水平分解499
20.9　调整查询和视图中的选择499
20.10　并发控制的影响501
20.10.1减少锁的保持时间501
20.10.2减少热点502
20.11　案例研究：网上书店503
20.11.1数据库的调整504
20.12　DBMS评测基准504
20.12.1著名的DBMS评测基准505
20.12.2评测基准的使用505
20.13　复习题506
第21章　安全与认证512
21.1　数据库安全简介513
21.2　访问控制513
21.3　任意访问控制514
21.3.1授予和回收视图的访问控制和完整性约束520
21.4　强制性访问控制522
21.4.1多级关系和多实例化523
21.4.2转换通道，DoD安全级别524
21.5　Internet应用的安全性525
21.5.1加密525
21.5.2认证服务器：SSL协议526
21.5.3数字签名527
21.6　有关安全的其他问题528
21.6.1数据库管理员的任务528
21.6.2统计数据库的安全529
21.7　案例研究：网上书店530
21.8　复习题531
第七部分　高 级 主 题
第22章　并行与分布式数据库537
22.1　简介537
22.2　并行数据库系统的可用结构538
22.3　并行查询处理539
22.3.1数据划分540
22.3.2并行化顺序数据操作处理程序541
22.4　数据操作的并行化541
22.4.1批量载入和扫描541
22.4.2排序541
22.4.3连接542
22.5　并行查询优化544
22.6　分布式数据库简介544
22.6.1分布式数据库系统的类型545
22.7分布式DBMS的体系结构545
22.7.1客户/服务器系统545
22.7.2协同服务器系统546
22.7.3中间件系统546
22.8　分布式DBMS的数据存储546
22.8.1划分547
22.8.2复制547
22.9　分布式目录管理548
22.9.1命名对象548
22.9.2目录结构548
22.9.3分布数据的独立性549
22.10　分布式查询处理549
22.10.1分布式DBMS中无连接的查询550
22.10.2分布式DBMS中的连接操作550
22.10.3基于代价的查询优化553
22.11　分布式数据的更新554
22.11.1同步复制554
22.11.2异步复制555
22.12　分布式事务557
22.13　分布式并发控制557
22.13.1分布式死锁558
22.14　分布式事务恢复559
22.14.1事务正常执行和提交协议559
22.14.2发生故障后进行恢复560
22.14.3重新讨论两阶段提交561
22.14.4三阶段提交562
22.15　复习题563
第23章　对象数据库系统571
23.1　研究动机示例572
23.1.1新的数据类型573
23.1.2操纵新类型数据574
23.2　结构化数据类型576
23.2.1集合类型576
23.3　结构化类型的数据操纵577
23.3.1行操作577
23.3.2数组操作577
23.3.3其他集合类型的操作578
23.3.4涉及嵌套集合的查询示例578
23.4　封装和抽象数据类型579
23.4.1定义方法580
23.5　继承581
23.5.1定义带有继承的类型582
23.5.2方法联编582
23.5.3集合层次583
23.6对象、对象标识符和引用类型583
23.6.1相等的概念584
23.6.2引用类型的解除584
23.6.3SQL∶1999中的URL和oid584
23.7　ORDBMS的数据库设计585
23.7.1集合类型和ADTs585
23.7.2对象标识符587
23.7.3扩展ER模型588
23.7.4使用嵌套集合589
23.8　实现ORDBMS的挑战590
23.8.1存储和访问方法590
23.8.2查询处理591
23.8.3查询优化593
23.9　OODBMS594
23.9.1ODMG数据模型和ODL594
23.9.2OQL596
23.10　RDBMS与OODBMS和ORDBMS的比较597
23.10.1RDBMS和ORDBMS597
23.10.2OODBMS和ORDBMS的相似点597
23.10.3OODBMS和ORDBMS的不同点597
23.11　复习题598
第24章　演绎数据库604
24.1　递归查询简介605
24.1.1Datalog605
24.2　理论基础607
24.2.1最小模型语义608
24.2.2不动点操作符609
24.2.3安全的Datalog程序610
24.2.4最小模型=最小不动点610
24.3　带有否定的递归查询611
24.3.1分层612
24.4　从Datalog到SQL614
24.5　递归查询的求解616
24.5.1无重复推理的不动点求解616
24.5.2下移选择操作来避免不相关的推理618
24.5.3魔集算法619
24.6　复习题621
第25章　数据仓库与决策支持625
25.1　决策支持简介626
25.2　OLAP：多维数据模型627
25.2.1多维数据库设计629
25.3　多维聚集查询630
25.3.1SQL∶1999中的ROLLUP和CUBE631
25.4　SQL∶1999中的WINDOW查询633
25.4.1构造窗口635
25.4.2新的聚集函数635
25.5　快速得到查询结果635
25.5.1得到前N个结果的查询636
25.5.2联机聚集637
25.6　OLAP实现技术638
25.6.1位图索引638
25.6.2连接索引640
25.6.3文件组织640
25.7　数据仓库641
25.7.1创建和维护数据仓库641
25.8　视图和决策支持642
25.8.1视图、OLAP和数据仓库642
25.8.2视图上的查询643
25.9　视图实体化643
25.9.1视图实体化的问题644
25.10　实体化视图的维护645
25.10.1视图的增量维护645
25.10.2维护数据仓库视图647
25.10.3进行视图同步的时机648
25.11　复习题649
第26章　数据挖掘655
26.1　数据挖掘简介655
26.1.1知识发现的过程656
26.2　关联计数657
26.2.1频繁项集657
26.2.2冰山式查询659
26.3　规则挖掘660
26.3.1关联规则660
26.3.2找出关联规则的算法661
26.3.3关联规则和ISA层次661
26.3.4通用化关联规则662
26.3.5顺序模式663
26.3.6使用关联规则进行预测664
26.3.7贝叶斯网络664
26.3.8分类和回归规则665
26.4　树结构规则666
26.4.1决策树667
26.4.2建立决策树的算法668
26.5　聚簇670
26.5.1一个聚簇算法671
26.6　在序列上的相似搜索671
26.6.1找出相似序列的算法673
26.7　增量挖掘和数据流673
26.7.1频繁项集的增量维护674
26.8　其他的数据挖掘任务675
26.9　复习题676
第27章　信息检索和XML数据681
27.1　冲突的世界：数据库、IR和XML682
27.1.1DBMS与IR系统682
27.2　信息检索介绍683
27.2.1向量空间模型683
27.2.2词的TF/IDF权重684
27.2.3文档相似性排序685
27.2.4对成功的衡量：查准率和查全率686
27.3　为文本搜索建立索引686
27.3.1倒排索引686
27.3.2签名文件688
27.4　Web搜索引擎689
27.4.1搜索引擎体系结构689
27.4.2使用链接信息690
27.5　管理DBMS中的文本693
27.5.1松耦合的倒排索引693
27.6　一个XML的数据模型693
27.6.1松散结构的动机694
27.6.2图模型694
27.7　XQuery：查询XML数据695
27.7.1路径表达式696
27.7.2FLWR表达式696
27.7.3元素的排序697
27.7.4分组以及集合值的生成698
27.8　XML查询的有效求值698
27.8.1在RDBMS中存储XML699
27.8.2对XML库进行索引701
27.9　复习题704
第28章　空间数据管理712
28.1　空间数据和查询类型713
28.2　涉及空间数据的应用714
28.3　空间索引简介715
28.3.1已提出的索引结构概述716
28.4　基于空间填充曲线的索引717
28.4.1区域四叉树和Z排序区域数据718
28.4.2使用Z排序的空间查询719
28.5　网格文件719
28.5.1使用网格文件来处理区域721
28.6　R树：点和区域数据721
28.6.1查询722
28.6.2插入和删除操作723
28.6.3并发控制724
28.6.4通用化搜索树725
28.7　高维索引问题726
28.8　复习题726
第29章　其他专题729
29.1　高级事务处理729
29.1.1事务处理监视程序729
29.1.2新的事务模型730
29.1.3实时DBMS730
29.2　数据集成730
29.3　移动数据库731
29.4　主存数据库732
29.5　多媒体数据库732
29.6　地理信息系统733
29.7　时态数据库734
29.8　生物数据库734
29.9　信息可视化734
29.10　小结735
第30章　MINIBASE教学辅助软件736
30.1　可用内容736
30.2　MINIBASE作业概述736
30.3　致谢737
参考文献
· · · · · · (收起)