PostgreSQL 数据库设计与管理（四）

1. 数据库设计原则

1.1 规范化

规范化是组织数据库结构的一种方法，旨在减少数据冗余并提高数据完整性。常用的规范化范式包括：

第一范式（1NF）： 确保每列都是原子的，不可再分。
第二范式（2NF）： 满足1NF，且每个非主属性完全依赖于主键。
第三范式（3NF）： 满足2NF，且每个非主属性不传递依赖于主键。

1.2 反规范化

在某些情况下，出于性能考虑，可以进行反规范化。反规范化是适当地引入冗余数据，以减少查询时的联接操作，从而提高性能。

1.3 实体关系模型（ER模型）

ER模型用于描述数据和数据之间的关系。它包括实体（如用户、订单）、属性（如用户名、订单金额）和关系（如用户与订单之间的一对多关系）。

1.4 数据完整性

数据完整性是指数据库中数据的准确性和一致性。常见的数据完整性约束包括：

实体完整性： 每个表都有主键，且主键唯一且不为空。
参照完整性： 外键约束，确保引用的记录在外键表中存在。
域完整性： 限制列中的数据类型和取值范围。

2. 数据库管理

2.1 事务与并发控制

事务是一个或多个SQL操作的集合，具有以下四个特性（ACID）：

原子性（Atomicity）： 事务要么全部执行，要么全部回滚。
一致性（Consistency）： 事务执行前后，数据库保持一致性状态。
隔离性（Isolation）： 各事务之间相互隔离，互不影响。
持久性（Durability）： 事务一旦提交，数据将永久保存。

PostgreSQL 使用多版本并发控制（MVCC）来实现高效的并发控制。

2.2 备份与恢复

备份是保护数据免受损失的重要手段。PostgreSQL 提供了多种备份和恢复方法：

2.2.1 逻辑备份

使用 pg_dump 工具进行逻辑备份：

pg_dump dbname > dbname_backup.sql

恢复逻辑备份：

psql dbname < dbname_backup.sql

2.2.2 物理备份

使用 pg_basebackup 工具进行物理备份：

pg_basebackup -D /path/to/backupdir -Fp -Xs -P

恢复物理备份涉及到将备份文件复制回数据目录，并启动数据库。

2.3 安全管理

确保数据库的安全性非常重要。以下是一些常见的安全管理措施：

2.3.1 用户和权限管理

创建用户和角色：

CREATE ROLE readaccess;
CREATE USER alice WITH PASSWORD 'password';
GRANT readaccess TO alice;

授予权限：

GRANT SELECT ON TABLE users TO readaccess;

2.3.2 数据加密

PostgreSQL 支持 TLS/SSL 加密通信。配置SSL证书以启用加密：

编辑 postgresql.conf 文件，设置 ssl = on：

ssl = on

配置 pg_hba.conf 文件，启用加密连接：

hostssl all all 0.0.0.0/0 md5

2.3.3 审计和日志

配置审计日志记录用户活动和SQL查询。使用 pgaudit 扩展来实现审计功能：

安装 pgaudit：

CREATE EXTENSION pgaudit;

配置审计选项：

pgaudit.log = 'all'

3. 实战演练

3.1 练习题目

设计一个图书管理系统，包括以下实体：
- 用户（id，username，email）
- 图书（id，title，author，published_date）
- 借阅记录（id，user_id，book_id，borrow_date，return_date）
为上述系统定义外键约束，以确保数据完整性。
实现用户借阅图书的事务操作，确保数据一致性。
配置数据库用户权限，使得普通用户只能查询图书信息，而管理员可以执行所有操作。

3.2 示例答案

设计图书管理系统：

CREATE TABLE users (id SERIAL PRIMARY KEY,username VARCHAR(50) NOT NULL,email VARCHAR(100) NOT NULL
);CREATE TABLE books (id SERIAL PRIMARY KEY,title VARCHAR(100) NOT NULL,author VARCHAR(100) NOT NULL,published_date DATE
);CREATE TABLE borrow_records (id SERIAL PRIMARY KEY,user_id INTEGER REFERENCES users(id),book_id INTEGER REFERENCES books(id),borrow_date DATE NOT NULL,return_date DATE
);

定义外键约束（已在上面的表定义中体现）。
用户借阅图书的事务操作：

BEGIN;INSERT INTO borrow_records (user_id, book_id, borrow_date)
VALUES (1, 2, CURRENT_DATE);UPDATE books
SET status = 'borrowed'
WHERE id = 2;COMMIT;

配置数据库用户权限：

创建角色和用户：

CREATE ROLE librarian;
CREATE ROLE member;
CREATE USER admin WITH PASSWORD 'adminpassword';
CREATE USER user1 WITH PASSWORD 'userpassword';GRANT librarian TO admin;
GRANT member TO user1;

授予权限：

GRANT SELECT ON TABLE books TO member;
GRANT ALL PRIVILEGES ON ALL TABLES IN SCHEMA public TO librarian;

系统文章目录：

PostgreSQL 简介与基础（一）

PostgreSQL 基本SQL语法（二）

PostgreSQL 高级SQL查询（三）