摘要：數(shù)據(jù)庫作為計算機中基礎(chǔ)軟件的三大件之一，在現(xiàn)實應(yīng)用中占據(jù)了舉足輕重的地位?！稊?shù)據(jù)庫原理與設(shè)計》作為計算機專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，為培養(yǎng)優(yōu)秀的數(shù)據(jù)處理人才提供了有效的途徑。當(dāng)前隨著諸如HBase、Redis和MongoDB的NoSQL普及，數(shù)據(jù)處理方式呈現(xiàn)出多樣化的形式，學(xué)生往往對數(shù)據(jù)管理T具的具體實施原理感覺較為迷惑。具體來說，目前數(shù)據(jù)管理工具的使用在學(xué)生視野內(nèi)往往呈現(xiàn)出知其然而不知所以然的現(xiàn)象。本文擬通過設(shè)計一套易于被學(xué)生接受的數(shù)據(jù)庫原理實踐方案，通過從數(shù)據(jù)庫實施原理的角度促進(jìn)學(xué)生對數(shù)據(jù)庫中查詢、事務(wù)及存儲的操作理解，進(jìn)而提升學(xué)生對《數(shù)據(jù)庫原理與設(shè)計》內(nèi)容的理解效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)庫;原理實踐;數(shù)據(jù)管理;課程設(shè)計

中圖分類號：TP392 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）20-0122-02

Database Teaching Based on Principle Implementation

FANG Jun-hua

（School of Computer Science and Technology， Soochow University， Suzhou 215006， China）

Abstract： As one of the three basic software in computer， database plays an important role in real-world application. Since databaseis an important professional course of computer science. Database Principle and Design provides an effective way to train excellentdata processing talents. At present， with the popularity of NoSQL such as HBase. Redis and MongoDB， data processing methodstake on various forms. and students are often confused about the specific implementation principle of data management tools. To bespecific， the current use of data management tools in the students' fieh：l of vision often presents the phenomenon of "know it butdon't know why". This paper intends to design a practical scheme of database principle that is easy to be accepted by students . andpromote students' understanding of the operation of query， transaction and storage in the database from the perspective of databaseimplementation principle， so as to improve students ' understanding efficiency of the content of Datahase Principle and Design.

Key words： datahase;principle practice;data management;curriculum design

1引言

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是數(shù)據(jù)管理的主流技術(shù)，也是計算機學(xué)科的重要分支?！稊?shù)據(jù)庫原理與設(shè)計》課程作為讓學(xué)生初識數(shù)據(jù)管理技術(shù)的引路人，通常包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念、數(shù)據(jù)模型、關(guān)系數(shù)據(jù)庫及其標(biāo)準(zhǔn)語言SQL、數(shù)據(jù)庫安全及完整性的概念和方法、關(guān)系規(guī)范化理論、數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法與步驟，數(shù)據(jù)庫恢復(fù)與并發(fā)控制等事務(wù)管理的基礎(chǔ)知識內(nèi)容[3]。在實驗環(huán)節(jié)中，現(xiàn)有教學(xué)方法多是注重SQL的操作練習(xí)，而忽略了數(shù)據(jù)庫原理的實踐[4]。這在一定程度上使學(xué)生在后續(xù)工作中，諸如在做關(guān)系查詢處理與查詢優(yōu)化等操作時，往往知其然不知所以然的通過規(guī)律或歷史經(jīng)驗來操作[5，6]。本文認(rèn)為適當(dāng)?shù)睦碚搶崿F(xiàn)不僅能夠幫助學(xué)生對數(shù)據(jù)庫的理論深入理解，亦可提升學(xué)生對現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的操縱能力。

數(shù)據(jù)庫課程的目標(biāo)通常是使學(xué)生熟練掌握數(shù)據(jù)庫設(shè)計的方法與步驟，具有設(shè)計數(shù)據(jù)庫模式以及開發(fā)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的基本能力。并且在所設(shè)計的關(guān)系數(shù)據(jù)庫的實施中，能夠使各個關(guān)系滿足場景所需規(guī)范化理論需求;設(shè)計過程中，能夠借助實體一關(guān)系圖工具提高方案的可行性和高效性;使用過程中，能夠熟練掌握SQL語言并在某一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)上針對應(yīng)用需求進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作。針對這一目標(biāo)，本文將設(shè)計通過三部分原理內(nèi)容來加強學(xué)生本課程的學(xué)習(xí)系統(tǒng)地掌握數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本理論與技術(shù)。

2數(shù)據(jù)庫原理實施方案規(guī)劃設(shè)計

本文方案借助開源項目SimpleDB[1]來實施方案設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容。SimpleDB實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫原理的諸多功能單元，包括管理元組的類，即Tuple，TupleDesc;Field IntField，StringField和Type;Catalog;BufferPool構(gòu)造函數(shù)和getPage（）方法;訪問方法Heap-Page和HeapFile以及關(guān)聯(lián)的ID類。同時，SimpleDB提供了ScanTest系統(tǒng)測試，由于篇幅限制，項目具體介紹見文獻(xiàn)[1]。實踐環(huán)節(jié)的第一步，我們需要搭建好開發(fā)環(huán)境并了解SimpleDB的整體框架。這個過程根據(jù)上述資源獲取具體操作步驟。需要說明的是在添加代碼的過程中，在遇到“some code goes here”的注釋時，表明我們需要將該函數(shù)滿足需求的填寫完整。有時為了達(dá)到目的，我們需要增加一些輔助的變量和函數(shù)來完成這些函數(shù)?；谶@些工作，我們可以對當(dāng)前完成的類進(jìn)行單元測試。

3數(shù)據(jù)庫原理實施內(nèi)容

3.1元組和文件

該部分內(nèi)容主要使學(xué)生能夠了解數(shù)據(jù)庫中邏輯上最小粒度的字段以及由字段組成的元組內(nèi)容，進(jìn)而能夠促進(jìn)學(xué)生在數(shù)據(jù)檢索效率及優(yōu)化，多粒度加鎖內(nèi)容及事物的并行控制上能夠進(jìn)一步加深理解[2]。具體內(nèi)容設(shè)計上，該部分規(guī)劃了對模式的定義，字段及元組的初始化及相關(guān)操作。在開源項目中已有相關(guān)框架的構(gòu)造內(nèi)容，具體需要設(shè)計的內(nèi)容包括對該關(guān)系內(nèi)元組及字段的定義，在元組內(nèi)各個字段的類型的定義，對于字段的增刪改操作等。對于實踐能力較高的同學(xué)，可增加對于字段在元組內(nèi)組織形式的額外定義，諸如支持用索引獲得字段的類型或名稱，用名稱獲得字段的位置等。在本文基于的開源項目中，提供一個靜態(tài)方法用于合并兩個TupleDese獲得一個新的TupleDesc（供Join operator使用），該部分內(nèi)容亦可供學(xué)生選擇行實施。

對于元組的組織，首先要明確元組是邏輯上定義字段的基本框架。在學(xué)生實施過程中，不僅需要提供與元組有關(guān)的增刪改查操作，還應(yīng)該提供元組中第i個字段的獲取及設(shè)置方法，同時要考慮如何實施提供了所有字段的迭代方法。需要注意的是，每個元組具有用于唯一標(biāo)識的字段ID，進(jìn)而便于標(biāo)記其在磁盤中的位置及相關(guān)的元組組織方法。

3.2數(shù)據(jù)字典

數(shù)據(jù)字典是數(shù)據(jù)庫的核心，為使學(xué)生理解數(shù)據(jù)字典中組織著對數(shù)據(jù)描述的數(shù)據(jù)，本部分內(nèi)容需要描述的內(nèi)容包括對單個表的描述，對多表間聯(lián)系的描述，索引及文件組織及存儲的描述，另外還需要實施對各個構(gòu)建對象的相關(guān)操作[2]。對于單個表的信息描述，除基本的數(shù)據(jù)本身描述，相關(guān)完整性約束也應(yīng)考慮進(jìn)來。此外，對于表的統(tǒng)計信息也可考慮實施，即如何構(gòu)建什么樣的輔助信息能夠在對該關(guān)系操作時能夠加快操作性能;索引項目的實施可引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建兩種索引類型，例如哈希和樹形索引。在本文基于的開源項目中已經(jīng)構(gòu)建完成相關(guān)框架，還需學(xué)生補全一些得到這張表相應(yīng)信息的方法，例如getTa-bleld、getPrimaryKey等方法。

3.3緩沖區(qū)及文件組織

緩沖區(qū)是數(shù)據(jù)庫在內(nèi)存中為系統(tǒng)操作提供便捷操作及提升系統(tǒng)性能的空間[2]。緩沖區(qū)中存儲著系統(tǒng)與磁盤交互信息的暫存文件，任意從外存中瀆取或?qū)懭氲膬?nèi)容均需通過緩沖區(qū)進(jìn)行組織優(yōu)化。具體來說，緩沖區(qū)存儲著一定數(shù)量的頁面，頁面的個數(shù)在此開源項目中可通過numPages參數(shù)設(shè)定。在緩沖區(qū)的操作中，需要構(gòu)建多頁面的檢索方法，例如通過最原始的掃描方式。對于文件的組織方式，在數(shù)據(jù)庫原理實現(xiàn)過程中只需實施簡單易懂的方式讓學(xué)生了解文件的組織過程及作用即可，例如本文基于的項目中的堆文件方式。

4實踐與數(shù)據(jù)庫原理課程銜接內(nèi)容設(shè)計

上述對數(shù)據(jù)庫原理的實踐與其理論課程起到相輔相成的作用。具體來說，理論課的過程中可以穿插實踐部分的內(nèi)容，用于引導(dǎo)學(xué)生思考如何實現(xiàn)相關(guān)機制來完成該部分功能;在實踐課的進(jìn)行過程中，又可引導(dǎo)學(xué)生思考和探究如何能夠滿足原理課相關(guān)知識點的具體實踐操作，進(jìn)而理論和實踐相結(jié)合達(dá)到促進(jìn)學(xué)生對數(shù)據(jù)庫深入理解的目的。

數(shù)據(jù)庫SQL操作部分所述內(nèi)容主要包括：數(shù)據(jù)庫定義語言、數(shù)據(jù)庫操縱語言、授權(quán)、完整性約束等。在講解該部分內(nèi)容時，可以引導(dǎo)學(xué)生在原理實現(xiàn)的流程中，如何通過實現(xiàn)什么樣的控制模塊來確保操作的正確性和高效性展開討論。例如，在查詢優(yōu)化的過程中，選擇和連接操作的先后執(zhí)行次序可通過上述我們實踐的元組及文件內(nèi)容形象闡釋，進(jìn)而使學(xué)生能夠舉一反三地根據(jù)實際情況進(jìn)行性能的優(yōu)化。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計講解的相關(guān)內(nèi)容亦可如此。通常，該部分內(nèi)容的講解主要包括數(shù)據(jù)庫的設(shè)計過程、需求分析、概念模型、ER模型以及數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)傳統(tǒng)的教學(xué)經(jīng)驗，我們在講解到需求分析部分時通常會強調(diào)其重要性，而我們實際上可以借助數(shù)據(jù)字典中各個模式的創(chuàng)建及文件的組織進(jìn)行說明。

再者，數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化理論可能表面上與原理實踐的內(nèi)容沒有具備聯(lián)系。但其實不然，我們在講解數(shù)據(jù)庫沒計存在的異常、函數(shù)依賴的類別、范式的定義及模式分解內(nèi)容時，可通過對于多個表的操作進(jìn)行闡明。具體來說，操作異常會使數(shù)據(jù)在不同文件中存在的副本過多，不僅使我們的操作效率變低，同時導(dǎo)致更新操作出現(xiàn)錯誤，借助原理實踐部分的幫助，這些內(nèi)容的講解均可通過數(shù)據(jù)庫原理實踐中對元組及文件的實現(xiàn)來加以描述。

對于包括存儲設(shè)備、磁盤的介紹、文件和記錄的存儲結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)索引等內(nèi)容的存儲與文件結(jié)構(gòu)的章節(jié)來說，原理實踐的內(nèi)容恰恰剛好迎合。對于數(shù)據(jù)庫事務(wù)及并發(fā)控制章節(jié)內(nèi)容也可通過上述實現(xiàn)內(nèi)容加以描述，例如，事務(wù)的概念、原子性與持久性、隔離性與隔離等級可通過元組的操作描述;可串行性、隔離性與原子性等內(nèi)容可通過對元組及中間字段的更新操作來舉例闡述。最后，對于包括并發(fā)導(dǎo)致的三種錯誤、封鎖、兩階段封鎖協(xié)議、多粒度封鎖等內(nèi)容的并發(fā)控制技術(shù)及數(shù)據(jù)庫恢復(fù)技術(shù)均可通過磁盤與系統(tǒng)中介的緩沖區(qū)、文件、元組及字段多個粒度的操作進(jìn)行詮釋。

5結(jié)束語

本文描述了如何通過實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫原理的角度，通過實例引入數(shù)據(jù)模型和內(nèi)部機制的相關(guān)概念及核心思想，使學(xué)生能夠進(jìn)一步加深對數(shù)據(jù)庫課程的理解。在教學(xué)過程中，我們需要更靈活的教學(xué)方式來加以詮釋，并通過分析具體應(yīng)用，引人數(shù)據(jù)庫是具體要解決什么問題以及如何解決這些問題從而引導(dǎo)學(xué)生更深一步的思考，并結(jié)合相關(guān)習(xí)題強化對相應(yīng)部分知識的理解。課上通過具體例子的討論引導(dǎo)學(xué)生探索如何實現(xiàn)及如何更高效的實現(xiàn)相關(guān)知識點，最終能夠針對具體問題選擇合適的解決方案。在此過程中，要加強實訓(xùn)環(huán)節(jié)的螺旋式聯(lián)系達(dá)到實踐與理解的相互促進(jìn)作用。

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【通聯(lián)編輯：王力】

收稿日期：2020-02-11

基金項目：本文承國家自然科學(xué)基金（61802273）;中國博士后面上項目（2017M621813）;江蘇省博士后面上項目（2018K029C）;江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究面上項目（18KJB520044）資助

作者簡介：房俊華（1985-），男，河南周口人，講師，博士，主要研究方向為實時大數(shù)據(jù)處理。