我们聊聊CMU 15445之1 Relational Model

我们聊聊CMU 15445之1 Relational Model

什么是数据库？

数据库是近几年来最火热的基础软件领域了，无论是开发者，创业者，投资者，爱好者，投身于数据库及相关领域的人越来越多。

数据库无处不在，应用在各个行业领域和方向，并且承担了十分重要的作用，在如今这个数据爆炸的时代，各种各样的数据量呈指数级上涨，数据的安全性、可靠性、存储性能等都有了更高的要求，这也造就了数据库以及相关领域的繁荣。

什么是数据库？数据库（database）可以简单的认为是一个数据集合，这些数据互相关联，映射了真实世界的一些数据模型，例如一个班级（class）里的学生（student），学生会选课（student-lesson），老师会上课（teacher-lesson），学生会有考试成绩（student-grade），它们相互关联相互影响。

在数据库的上层，有提供给用户查询数据的语言，最常见的即 SQL（Structured Query Language），这门课程主要专注于如何实现一个功能完备的数据库系统，而不是教我们如何使用一个数据库。

设计要点

让我们先忘记 MySQL、***、*** 这些知名的数据库系统，来看看如果是我们自己设计一个数据库系统，应该怎么做，需要考虑和权衡哪些因素。

最直观的想法，可以将数据存储到一个 CSV 文件当中，文件中的每一行就是一条记录，每个文件中存储的是同一类数据，例如我们有两类数据，歌手（artist） 和 唱片（album），artist 的数据有三个属性，分别是歌手的名字、出生年、国家，album 的数据也有三个属性，唱片名字、属于哪个歌手、发行年份，数据存储如下所示：

如果我们需要访问这个数据库，我们只能加载并解析这个文件，然后逐行寻找所需要的行。

这样的实现存在什么问题呢？简单总结大致如下：

数据控制访问：

如果 album 的 year 字段数据被无效的字符串覆盖了？•如果一条 album 的数据需要对应多个 artist 数据？•删除一条 album 中的数据会怎么样？

实现细节：

怎么查找到一条记录？•如果有多个线程在同一时刻向文件中写入数据？

持久性：

如果更新一条数据的时候机器崩溃了？•怎样把数据复制到多台机器上以获得高可用特性？

这些问题都是数据库需要解决的，一个功能完备的数据库系统需要屏蔽掉所有的细节，让用户能够安心存储数据、查询数据，并且不担心数据丢失等安全问题。

Relational Model

1970 年代，数据存储并没有统一的概念和实现，每个应用都需要自己去实现一套数据存储的方案，这非常不利于应用和程序的移植。于是 Ted Codd 在 1970 年提出了关系模型（relational model）的概念，主要有以下三个关键点：

数据存储在简单的数据结构中能够通过高级语言访问数据库物理存储的细节交给数据库管理系统实现

数据模型（data model）指的是描述数据库中数据的概念集合，常见的数据模型有以下几种：

RelationalKey/ValueGraphDocumentColumn-familyArray / MatrixHierarchicalNetwork

其中 relational 是最常见、应用最广泛的关系模型，大多数常见的数据库系统例如 MySQL、***、*** 都是关系模型；K/V、Graph、Document、Column Family 属于 NoSQL 类型，例如 rocksdb、neo4j、***、Redis；Array/Matrix 常用于机器学习领域，例如 TileDB；Hierarchical 和 Network 分别代表层次和网状模型，是很古老的数据模型了，目前已经过时。

relational model 主要有三个关键的点：

structure：定义关系（relation）的结构、属性integrity：保证数据库的数据符合预期的限制，例如一些字段的数据类型限制manipulation：怎样去访问和修改数据库中的数据

其中 relation 可以认为是一张表，一个 tuple 是一个元组，表示一个表中的一条记录。

一个 relation 通常有一个主键（primary key），标识一个唯一的 tuple，大多数的数据库会自动创建一个内置的主键，如果用户没有指定主键的话。relation 的外键（foreign key）通常标识一个 relation 映射到另一个 relation 的 tuple。

这节课主要讲述了数据库需要解决的问题，以及一些设计的要点，然后了解了常见的几种数据模型，本课程主要专注于关系型数据模型，下节课将会了解下数据库的操作语言—SQL 的基础知识。

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