数据库技术自从上世纪60年代诞生以来，经历了网状数据库、层次数据库等发展阶段，zui终在80年代确立了关系数据库技术的主导地位。关系数据库技术经过几十年的发展，在各行各业都取得了巨大的成功。但是，进入21世纪后，随着互联网、物联网、云计算等技术的快速发展，传统的关系数据库技术由于在可扩展性、灵活性等方面存在的不足，难以支持层出不穷的新型应用。在此背景下，键值数据库、文档数据库、列存储数据库、图数据库等新型数据库技术因运而生。本书与现有的介绍关系数据库技术为主的书籍不同，重点介绍当前数据库领域中出现的各类新型数据库系统的概念、基础理论、关键技术以及典型应用。在理论方面，本书除了介绍各类新型数据库系统中基本的理论和原理之外，还将侧重于对这些理论的研究背景和动机进行讨论，使读者能够了解新型数据库系统在设计上的先进性，并通过与成熟的关系数据库技术的对比，明了新型数据库技术的应用方向以及存在的局限性。在应用方面，本书将侧重与实际软件工程相结合，通过实际的应用示例介绍各类新型数据库系统在实际应用中的使用方法和流程，使读者能够真正做到学以致用。
本书特色
?前沿性：本书内容以新型数据库技术为主，紧扣当前数据库领域的发展前沿，使读者能够充分了解国际上新型数据库技术的最新进展。
?基础性：本书重点介绍各类新型数据库系统的基本概念与基本原理，以及系统内核的基本实现技术。内容设计上由浅入深，脉络清晰，层次合理。
?系统性：本书内容涵盖了当前主流的新型数据库技术，不仅对各个方向的相关理论和方法进行了介绍，也给出了系统运行示例，使读者能够对主流的新型数据库系统及应用形成较为系统的知识框架。
Preface
前 言
本书的编写源自作者多年讲授本科生课程“数据库系统及应用”和研究生课程“高级数据库系统”的教学实践感悟。在多年的课堂教学实践中，我们逐渐发现了目前课程教材与内容设置方面的一些问题。首先，由于数据库领域经过几十年的发展，相关的经典理论较多（已经诞生了多位图灵奖获得者），因此，目前在课堂上只能以介绍经典数据库理论和技术为主，学生往往难以有机会了解当前新型的数据库系统及应用发展趋势，从而导致学生的视野不够宽广，不利于学生未来继续深入学习数据库系统的相关知识。其次，近年来国家层面对于研发完全自主可控的数据库系统的需求越来越迫切，越来越多的企业投入到研发自主知识产权的数据库系统浪潮中。一个事实是，目前国内企业在自主可控数据库技术方面绝大部分集中在新型数据库系统方向。因此，从学校教学的角度看，如果不能在本科数据库教学中加入新型数据库系统及应用的内容，将使课堂教学与国内企业的实际需求出现脱节。
纵观当前的数据库类教材，均以传统数据库理论与技术为主，还没有发现系统地介绍新型数据库技术的书籍。这一方面是因为新型数据库技术本身处于不断发展的过程中，另一方面也因为编写这样一本书需要全面了解国内外新型数据库技术的进展。在此背景下，我们提出了编写本书的设想，目的是对当前国内外主要的新型数据库技术进行总结和介绍。一方面希望本书能够作为当前本科生和研究生数据库课程教材的补充，拓展学生的视野；另一方面也希望本书能够成为相关研究人员有价值的专业参考书。
本书的主要特色如下：
1）强调系统性。本书基本包含了目前国际流行的各种新型数据库技术，既包括键值数据库、文档数据库等流行的NoSQL数据库技术，也包括云数据库、内存数据库、智能化数据库等内容。同时，对于每一类新型数据库技术，不仅强调其概念、核心技术、系统架构和使用场景，而且给出了使用实例。因此，本书整体内容设计具有较好的系统性。
2）注重对比。本书在介绍各种新型数据库技术时，注重各类技术之间的对比。由于目前新型数据库的概念和技术很多，许多读者难以区分相关技术之间的关键差别，因此本书在内容上特别注重介绍相关概念和技术的对比，例如SQL和NoSQL、行存储和列存储等，使读者能够清晰了解各类新型数据库技术之间的差异。
3）立足前沿。本书在内容选择上以近十年数据库领域的发展为主，紧密结合当前学术界和工业界在数据库领域的发展方向，包含智能化数据库（AI4DB）、时序数据库、云数据库等最新的内容。总体而言，本书的内容紧跟国际前沿，使读者能够了解国际上数据库领域的最新进展。
本书的内容设计参考了我国“十四五”数据库领域的发展规划、对有关数据库课程教学的要求。本书简明扼要，注重实用性，可作为高等学校计算机专业、软件工程专业、大数据专业及其他相关专业本科生的相关教材，也可作为从事数据库工作的管理人员和技术人员的参考书。
本书由中国科学技术大学金培权副教授和西南科技大学赵旭剑副教授编著。其中，金培权负责第1章、第3～11章的编写，赵旭剑负责第2、12、13章的编写。参加本书编写工作的还有王晓亮、刘睿诚、张洲、罗永平、储召乐、袁以规、梁嘉玲、戚林莉、吕晏齐，在此表示感谢。
由于数据库技术的发展日新月异，加上作者水平有限，书中难免存在不足或疏漏之处，敬请广大读者提出宝贵意见！
作 者
金培权，男，1975年出生，博士，中国科学技术大学计算机科学与技术学院副教授，计算机应用研究室主任，IEEE和ACM会员，中国计算机学会高级会员、数据库专委会委员、大数据专家委员会通讯委员。2003年获中国科学技术大学计算机软件与理论博士学位，2003年9月至2005年8月在中国科学技术大学信息与通信工程博士后流动站从事博士后工作。2009年作为访问学者在德国University of Kaiserslautern进行合作研究，2014年－2015年在丹麦Aalborg University从事合作研究。目前主要研究方向为数据库系统及应用，重点是面向新型存储的数据库技术、时空数据库技术以及Web信息抽取与检索。近年来主持了国家自然科学基金项目（5项）、国家863项目（2项）、国家重点研发计划、国防创新特区项目、中科院创新基金等纵向课题以及华为科技基金、华为创新研究计划等多项企业合作项目。近几年在TKDE、VLDBJ、TPDS、WWW、ICDE等国内外期刊和会议上发表论文八十余篇，其中CCF A类论文十多篇，CCF B类论文二十多篇。目前任IJSWIS等多个SCI期刊的编委，多次担任国内外各类会议的程序委员会主席、系统演示主席等，长期担任十多个CCF推荐A、B、C类会议的程序委员会委员。
CONTENTS
目 录
前言
第1章 绪论 1
1.1 数据库系统的相关概念 1
1.2 数据库技术的发展回顾 7
1.3 新型数据库应用的发展 10
1.4 关系数据库技术的局限性 13
1.5 新型数据库技术 15
本章小结 16
第2章 关系数据库技术回顾 17
2.1 关系数据模型 17
2.2 数据库体系结构 25
2.3 结构化查询语言 28
2.4 关系数据库的设计 32
本章小结 36
第3章 新型数据库技术概述 37
3.1 新型数据库技术兴起的原因 37
3.2 新型数据库技术的类型 49
3.3 新型数据库技术的分布式系统
基础 61
本章小结 66
第4章 键值数据库技术 67
4.1 键值数据库技术概述 67
4.2 键值数据库的数据模型 68
4.3 键值数据库的数据操作 69
4.4 键值数据库的系统架构 70
4.5 键值数据库的访问接口 78
4.6 典型的键值数据库系统 78
4.7 键值数据库使用示例 80
本章小结 84
第5章 文档数据库技术 85
5.1 文档数据库技术概述 85
5.2 文档数据库的数据模型 86
5.3 文档数据库的数据操作 89
5.4 文档数据库的系统架构 91
5.5 文档数据库的访问接口 93
5.6 典型的文档数据库系统 93
5.7 文档数据库使用示例 95
本章小结 100
第6章 列族数据库技术 101
6.1 列族数据库技术概述 101
6.2 列族数据库的数据模型 103
6.3 列族数据库的数据操作 105
6.4 列族数据库的系统架构 106
6.5 列族数据库的访问接口 108
6.6 典型的列族数据库系统 109
6.7 列族数据库使用示例 111
本章小结 114
第7章 图数据库技术 115
7.1 图数据库技术概述 115
7.2 图数据库的数据模型 116
7.3 图数据库的数据操作 118
7.4 图数据库的系统架构 120
7.5 图数据库的访问接口 122
7.6 典型的图数据库系统 123
7.7 图数据库使用示例 125
本章小结 134
第8章 云数据库技术 135
8.1 云数据库技术概述 135
8.2 云数据库的核心技术 142
8.3 云数据库的系统架构 144
8.4 云数据库的使用场景 148
8.5 典型的云数据库系统 150
8.6 云数据库使用示例 152
本章小结 158
第9章 时序数据库技术 159
9.1 时序数据库技术概述 159
9.2 时序数据库的核心技术 161
9.3 典型的时序数据库系统 166
9.4 InfluxDB 171
9.5 时序数据库使用示例 175
本章小结 178
第10章 内存数据库技术 179
10.1 内存数据库技术概述 179
10.2 内存数据库的系统架构 182
10.3 内存数据库的核心技术 183
10.4 典型的内存数据库系统 188
10.5 内存数据库使用示例 191
本章小结 195
第11章 时空数据库技术 196
11.1 时空数据库技术概述 196
11.2 时空数据的语义 199
11.3 时空数据模型 211
11.4 时空数据库查询语言 217
11.5 时空数据库管理系统的实现
技术 222
11.6 时空数据库使用示例 229
本章小结 233
第12章 智能化数据库技术 234
12.1 智能化数据库技术概述 234
12.2 智能化数据库技术的特点 236
12.3 智能化数据库技术的挑战 238
12.4 智能化数据库的核心技术 241
12.5 智能化数据库技术的发展
趋势 244
本章小结 245
第13章 挑战与展望 246
13.1 挑战 246
13.2 展望 248
本章小结 249
参考文献 250
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