基于數據庫原理實現的數據庫實踐教學方案

摘要：數據庫作為計算機中基礎軟件的三大件之一，在現實應用中占據了舉足輕重的地位。《數據庫原理與設計》作為計算機專業一門重要的專業課程，為培養優秀的數據處理人才提供了有效的途徑。當前隨著諸如HBase、Redis和MongoDB的NoSQL普及，數據處理方式呈現出多樣化的形式，學生往往對數據管理T具的具體實施原理感覺較為迷惑。具體來說，目前數據管理工具的使用在學生視野內往往呈現出知其然而不知所以然的現象。本文擬通過設計一套易于被學生接受的數據庫原理實踐方案，通過從數據庫實施原理的角度促進學生對數據庫中查詢、事務及存儲的操作理解，進而提升學生對《數據庫原理與設計》內容的理解效率。

關鍵詞：數據庫;原理實踐;數據管理;課程設計

中圖分類號：TP392 文獻標識碼：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

數據庫系統是數據管理的主流技術，也是計算機學科的重要分支。《數據庫原理與設計》課程作為讓學生初識數據管理技術的引路人，通常包括數據庫系統的基本概念、數據模型、關系數據庫及其標準語言SQL、數據庫安全及完整性的概念和方法、關系規范化理論、數據庫設計方法與步驟，數據庫恢復與并發控制等事務管理的基礎知識內容[3]。在實驗環節中，現有教學方法多是注重SQL的操作練習，而忽略了數據庫原理的實踐[4]。這在一定程度上使學生在后續工作中，諸如在做關系查詢處理與查詢優化等操作時，往往知其然不知所以然的通過規律或歷史經驗來操作[5，6]。本文認為適當的理論實現不僅能夠幫助學生對數據庫的理論深入理解，亦可提升學生對現有數據庫管理系統的操縱能力。

數據庫課程的目標通常是使學生熟練掌握數據庫設計的方法與步驟，具有設計數據庫模式以及開發數據庫應用系統的基本能力。并且在所設計的關系數據庫的實施中，能夠使各個關系滿足場景所需規范化理論需求;設計過程中，能夠借助實體一關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語言并在某一個數據庫管理系統上針對應用需求進行數據庫操作。針對這一目標，本文將設計通過三部分原理內容來加強學生本課程的學習系統地掌握數據庫系統的基本理論與技術。

2數據庫原理實施方案規劃設計

本文方案借助開源項目SimpleDB[1]來實施方案設計的相關內容。SimpleDB實現數據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構造函數和getPage（）方法;訪問方法Heap-Page和HeapFile以及關聯的ID類。同時，SimpleDB提供了ScanTest系統測試，由于篇幅限制，項目具體介紹見文獻[1]。實踐環節的第一步，我們需要搭建好開發環境并了解SimpleDB的整體框架。這個過程根據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滿足需求的填寫完整。有時為了達到目的，我們需要增加一些輔助的變量和函數來完成這些函數。基于這些工作，我們可以對當前完成的類進行單元測試。

3數據庫原理實施內容

3.1元組和文件

該部分內容主要使學生能夠了解數據庫中邏輯上最小粒度的字段以及由字段組成的元組內容，進而能夠促進學生在數據檢索效率及優化，多粒度加鎖內容及事物的并行控制上能夠進一步加深理解[2]。具體內容設計上，該部分規劃了對模式的定義，字段及元組的初始化及相關操作。在開源項目中已有相關框架的構造內容，具體需要設計的內容包括對該關系內元組及字段的定義，在元組內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，可增加對于字段在元組內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），該部分內容亦可供學生選擇行實施。

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。在學生實施過程中，不僅需要提供與元組有關的增刪改查操作，還應該提供元組中第i個字段的獲取及設置方法，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識的字段ID，進而便于標記其在磁盤中的位置及相關的元組組織方法。

3.2數據字典

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

3.3緩沖區及文件組織

緩沖區是數據庫在內存中為系統操作提供便捷操作及提升系統性能的空間[2]。緩沖區中存儲著系統與磁盤交互信息的暫存文件，任意從外存中瀆取或寫入的內容均需通過緩沖區進行組織優化。具體來說，緩沖區存儲著一定數量的頁面，頁面的個數在此開源項目中可通過numPages參數設定。在緩沖區的操作中，需要構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，在數據庫原理實現過程中只需實施簡單易懂的方式讓學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實踐與數據庫原理課程銜接內容設計

上述對數據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容，用于引導學生思考如何實現相關機制來完成該部分功能;在實踐課的進行過程中，又可引導學生思考和探究如何能夠滿足原理課相關知識點的具體實踐操作，進而理論和實踐相結合達到促進學生對數據庫深入理解的目的。

數據庫SQL操作部分所述內容主要包括：數據庫定義語言、數據庫操縱語言、授權、完整性約束等。在講解該部分內容時，可以引導學生在原理實現的流程中，如何通過實現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，在查詢優化的過程中，選擇和連接操作的先后執行次序可通過上述我們實踐的元組及文件內容形象闡釋，進而使學生能夠舉一反三地根據實際情況進行性能的優化。

數據庫設計講解的相關內容亦可如此。通常，該部分內容的講解主要包括數據庫的設計過程、需求分析、概念模型、ER模型以及數據庫的邏輯結構和物理結構設計。根據傳統的教學經驗，我們在講解到需求分析部分時通常會強調其重要性，而我們實際上可以借助數據字典中各個模式的創建及文件的組織進行說明。

再者，數據庫的規范化理論可能表面上與原理實踐的內容沒有具備聯系。但其實不然，我們在講解數據庫沒計存在的異常、函數依賴的類別、范式的定義及模式分解內容時，可通過對于多個表的操作進行闡明。具體來說，操作異常會使數據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，同時導致更新操作出現錯誤，借助原理實踐部分的幫助，這些內容的講解均可通過數據庫原理實踐中對元組及文件的實現來加以描述。

對于包括存儲設備、磁盤的介紹、文件和記錄的存儲結構、數據索引等內容的存儲與文件結構的章節來說，原理實踐的內容恰恰剛好迎合。對于數據庫事務及并發控制章節內容也可通過上述實現內容加以描述，例如，事務的概念、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，對于包括并發導致的三種錯誤、封鎖、兩階段封鎖協議、多粒度封鎖等內容的并發控制技術及數據庫恢復技術均可通過磁盤與系統中介的緩沖區、文件、元組及字段多個粒度的操作進行詮釋。

5結束語

本文描述了如何通過實現數據庫原理的角度，通過實例引入數據模型和內部機制的相關概念及核心思想，使學生能夠進一步加深對數據庫課程的理解。在教學過程中，我們需要更靈活的教學方式來加以詮釋，并通過分析具體應用，引人數據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學生更深一步的思考，并結合相關習題強化對相應部分知識的理解。課上通過具體例子的討論引導學生探索如何實現及如何更高效的實現相關知識點，最終能夠針對具體問題選擇合適的解決方案。在此過程中，要加強實訓環節的螺旋式聯系達到實踐與理解的相互促進作用。

參考文獻：

[1]SimpleDB.https：//www.cs.hmc：.edu/-beth/courses.

[2]CS133 Labl：SimpleDB.https：//www.cs.hmc.edu/-heth/courses/cs133/current/assignments/lahl.html.

[3]王珊，薩師煊.數據庫系統概論（第5版）[J].中國大學教學，2014（9）：98.

[4]廖業紅.基于翻轉課堂和理實一體化教學的《數據庫原理與應用》課程教學沒計[J].科技風，2019（34）：72.

[5]徐駿.本科教學基本狀態數據庫建設的思考與實踐[J].電腦知識與技術，2019，15（20）： 176-177.

[6]高艷麗.大數據背景下《數據庫原理與應用》課程改革研究[J].科技資訊，2019，17（12）：121-122.

【通聯編輯：王力】

收稿日期：2020-02-11

基金項目：本文承國家自然科學基金（61802273）;中國博士后面上項目（2017M621813）;江蘇省博士后面上項目（2018K029C）;江蘇省高等學校自然科學研究面上項目（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據處理。