数据库完全教程 - MySQL、MongoDB、Redis详解

前言：什么是数据库？

🤔 数据库的定义

数据库是一个有组织的、可被查询的数据集合。它是现代应用程序的核心，用来存储和管理应用的所有数据。

为什么需要数据库？

持久化存储：数据不会因为程序关闭而丢失
高效查询：快速查找和检索数据
数据完整性：确保数据的准确性和一致性
并发控制：多个用户同时访问数据
安全性：保护数据不被未授权访问
可扩展性：支持大规模数据存储

数据库的应用场景

电商平台（用户、商品、订单数据）
社交媒体（用户信息、帖子、评论）
银行系统（账户、交易记录）
内容管理系统（文章、分类）
实时应用（消息、通知）

💡 重点：数据库是任何应用程序的基础。学好数据库，你就掌握了应用开发的核心。

数据库类型详解

关系型数据库 vs 非关系型数据库

特性	关系型（SQL）	非关系型（NoSQL）
数据结构	表格（行和列）	文档、键值、图等
ACID特性	强一致性	最终一致性
扩展性	垂直扩展	水平扩展
查询语言	SQL	各种查询方式
适用场景	结构化数据	非结构化数据

主要数据库类型

关系型：MySQL、PostgreSQL、Oracle、SQL Server
文档型：MongoDB、CouchDB
键值型：Redis、Memcached
搜索型：Elasticsearch
图数据库：Neo4j

MySQL完全指南

什么是MySQL？

MySQL是最流行的开源关系型数据库。它以可靠性、易用性和性能著称，被广泛用于Web应用。

安装MySQL

# Windows - 下载安装程序
# https://dev.mysql.com/downloads/mysql/

# macOS - 使用Homebrew
brew install mysql

# Linux - Ubuntu/Debian
sudo apt-get install mysql-server

# 验证安装
mysql --version

基本概念

数据库：一个数据库包含多个表
表：一个表包含多行数据，每行有多列
行：一条记录
列：一个字段，有特定的数据类型
主键：唯一标识一行数据
外键：建立表之间的关系

创建数据库和表

-- 创建数据库
CREATE DATABASE myapp;
USE myapp;

-- 创建用户表
CREATE TABLE users (
    id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    username VARCHAR(50) NOT NULL UNIQUE,
    email VARCHAR(100) NOT NULL,
    password VARCHAR(255) NOT NULL,
    created_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
    updated_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP
);

-- 创建订单表
CREATE TABLE orders (
    id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    user_id INT NOT NULL,
    total_amount DECIMAL(10, 2),
    status VARCHAR(20) DEFAULT 'pending',
    created_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
    FOREIGN KEY (user_id) REFERENCES users(id)
);

CRUD操作

-- 插入数据
INSERT INTO users (username, email, password) 
VALUES ('alice', 'alice@example.com', 'hashed_password');

-- 查询数据
SELECT * FROM users;
SELECT username, email FROM users WHERE id = 1;

-- 更新数据
UPDATE users SET email = 'newemail@example.com' WHERE id = 1;

-- 删除数据
DELETE FROM users WHERE id = 1;

高级查询

-- 连接查询
SELECT u.username, o.total_amount 
FROM users u 
JOIN orders o ON u.id = o.user_id;

-- 聚合函数
SELECT COUNT(*) as total_users FROM users;
SELECT SUM(total_amount) FROM orders;
SELECT AVG(total_amount) FROM orders;

-- 分组
SELECT user_id, COUNT(*) as order_count 
FROM orders 
GROUP BY user_id 
HAVING order_count > 5;

-- 排序和限制
SELECT * FROM users ORDER BY created_at DESC LIMIT 10;

索引优化

-- 创建索引
CREATE INDEX idx_username ON users(username);
CREATE INDEX idx_user_id ON orders(user_id);

-- 复合索引
CREATE INDEX idx_user_status ON orders(user_id, status);

-- 查看索引
SHOW INDEX FROM users;

-- 删除索引
DROP INDEX idx_username ON users;

💡 提示：索引可以大大加快查询速度，但会减慢插入和更新。要平衡使用。

MongoDB详解

什么是MongoDB？

MongoDB是一个文档型NoSQL数据库。它以灵活的数据模型和高性能著称，适合处理非结构化数据。

核心概念

数据库：一个MongoDB实例可以有多个数据库
集合：类似于表，存储文档
文档：类似于行，是JSON格式的数据
字段：文档中的键值对

安装MongoDB

# macOS
brew tap mongodb/brew
brew install mongodb-community

# Linux - Ubuntu
curl -fsSL https://www.mongodb.org/static/pgp/server-5.0.asc | sudo apt-key add -
sudo apt-get install -y mongodb-org

# 启动MongoDB
mongod

基本操作

// 连接数据库
use myapp

// 插入文档
db.users.insertOne({
    username: "alice",
    email: "alice@example.com",
    age: 25,
    roles: ["user", "admin"],
    created_at: new Date()
})

// 查询文档
db.users.find()
db.users.find({ username: "alice" })
db.users.find({ age: { $gt: 20 } })

// 更新文档
db.users.updateOne(
    { username: "alice" },
    { $set: { email: "newemail@example.com" } }
)

// 删除文档
db.users.deleteOne({ username: "alice" })

高级查询

// 条件查询
db.users.find({ age: { $gte: 18, $lte: 65 } })
db.users.find({ roles: { $in: ["admin", "moderator"] } })

// 排序和分页
db.users.find().sort({ created_at: -1 }).limit(10).skip(0)

// 聚合管道
db.users.aggregate([
    { $match: { age: { $gte: 18 } } },
    { $group: { _id: null, avg_age: { $avg: "$age" } } },
    { $sort: { avg_age: -1 } }
])

// 创建索引
db.users.createIndex({ username: 1 })
db.users.createIndex({ email: 1 }, { unique: true })

与Node.js集成

const { MongoClient } = require('mongodb');

const client = new MongoClient('mongodb://localhost:27017');

async function main() {
    try {
        await client.connect();
        const db = client.db('myapp');
        const users = db.collection('users');
        
        // 插入
        await users.insertOne({
            username: 'bob',
            email: 'bob@example.com'
        });
        
        // 查询
        const user = await users.findOne({ username: 'bob' });
        console.log(user);
        
    } finally {
        await client.close();
    }
}

main();

✨ MongoDB优势：

灵活的数据模型、易于扩展、天然支持JSON。适合快速开发和原型设计。

Redis缓存数据库

什么是Redis？

Redis是一个高性能的键值存储数据库。它以极快的速度著称，常用作缓存和会话存储。

Redis的特点

内存存储：数据存储在内存中，速度极快
持久化：支持RDB和AOF两种持久化方式
数据结构：支持字符串、列表、集合、有序集合等
过期机制：支持设置键的过期时间
发布订阅：支持消息队列

安装Redis

# macOS
brew install redis

# Linux
sudo apt-get install redis-server

# 启动Redis
redis-server

# 连接Redis
redis-cli

基本命令

-- 字符串操作
SET key1 "value1"
GET key1
APPEND key1 " more"
STRLEN key1
INCR counter
DECR counter

-- 过期时间
EXPIRE key1 3600  # 1小时后过期
TTL key1          # 查看剩余时间
PERSIST key1      # 移除过期时间

-- 列表操作
LPUSH mylist "a" "b" "c"
RPUSH mylist "d"
LRANGE mylist 0 -1
LPOP mylist
RPOP mylist

-- 集合操作
SADD myset "a" "b" "c"
SMEMBERS myset
SCARD myset
SISMEMBER myset "a"

-- 有序集合
ZADD scores 100 "alice" 90 "bob"
ZRANGE scores 0 -1 WITHSCORES
ZRANK scores "alice"

与Node.js集成

const redis = require('redis');
const client = redis.createClient();

client.on('error', (err) => console.log('Redis Client Error', err));

async function main() {
    await client.connect();
    
    // 设置值
    await client.set('user:1:name', 'Alice');
    
    // 获取值
    const name = await client.get('user:1:name');
    console.log(name);  // Alice
    
    // 设置过期时间
    await client.setEx('session:123', 3600, 'user_data');
    
    // 列表操作
    await client.lPush('queue', 'task1', 'task2');
    const task = await client.lPop('queue');
    
    await client.disconnect();
}

main();

缓存策略

// 缓存穿透：使用布隆过滤器或缓存空值
async function getUser(userId) {
    // 先查缓存
    const cached = await redis.get(`user:${userId}`);
    if (cached) return JSON.parse(cached);
    
    // 查数据库
    const user = await db.users.findById(userId);
    
    // 缓存结果（包括空值）
    if (user) {
        await redis.setEx(`user:${userId}`, 3600, JSON.stringify(user));
    } else {
        await redis.setEx(`user:${userId}:null`, 300, '');
    }
    
    return user;
}

// 缓存更新：删除旧缓存
async function updateUser(userId, data) {
    await db.users.updateOne({ _id: userId }, data);
    await redis.del(`user:${userId}`);
}

⚠️ 注意：Redis数据存储在内存中，重启后会丢失。要配置持久化或使用集群。

数据库设计原则

范式化设计

第一范式（1NF）：每个字段都是原子值，不可再分
第二范式（2NF）：在1NF基础上，非主键字段完全依赖主键
第三范式（3NF）：在2NF基础上，非主键字段不依赖其他非主键字段

设计最佳实践

-- 好的设计
CREATE TABLE users (
    id INT PRIMARY KEY,
    username VARCHAR(50) UNIQUE,
    email VARCHAR(100),
    created_at TIMESTAMP
);

CREATE TABLE posts (
    id INT PRIMARY KEY,
    user_id INT,
    title VARCHAR(200),
    content TEXT,
    created_at TIMESTAMP,
    FOREIGN KEY (user_id) REFERENCES users(id)
);

-- 避免冗余
-- 不要在posts表中重复存储username
-- 需要时通过JOIN获取

ER图设计

在设计数据库前，先画ER图确定实体和关系：

一对一关系：用外键或合并表
一对多关系：在多的一方添加外键
多对多关系：创建中间表

💡 设计建议：

好的数据库设计能减少冗余、提高查询效率。花时间在设计阶段是值得的。

性能优化技巧

查询优化

-- 使用EXPLAIN分析查询
EXPLAIN SELECT * FROM users WHERE email = 'test@example.com';

-- 优化前：全表扫描
SELECT * FROM orders WHERE status = 'pending' AND created_at > '2024-01-01';

-- 优化后：使用索引
CREATE INDEX idx_status_date ON orders(status, created_at);

-- 避免SELECT *
SELECT id, username, email FROM users;  -- 更好

-- 使用LIMIT
SELECT * FROM users LIMIT 10;  -- 比SELECT *更快

连接池

const mysql = require('mysql2/promise');

const pool = mysql.createPool({
    host: 'localhost',
    user: 'root',
    password: 'password',
    database: 'myapp',
    waitForConnections: true,
    connectionLimit: 10,
    queueLimit: 0
});

async function query(sql, values) {
    const connection = await pool.getConnection();
    try {
        const [rows] = await connection.execute(sql, values);
        return rows;
    } finally {
        connection.release();
    }
}

批量操作

-- 批量插入（比逐条插入快）
INSERT INTO users (username, email) VALUES
('alice', 'alice@example.com'),
('bob', 'bob@example.com'),
('charlie', 'charlie@example.com');

-- 批量更新
UPDATE users SET status = 'active' WHERE created_at > '2024-01-01';

缓存策略

查询缓存：缓存频繁查询的结果
对象缓存：缓存序列化的对象
页面缓存：缓存整个页面
缓存预热：应用启动时加载热数据

备份和恢复

MySQL备份

# 完整备份
mysqldump -u root -p myapp > backup.sql

# 备份特定表
mysqldump -u root -p myapp users orders > backup.sql

# 恢复备份
mysql -u root -p myapp < backup.sql

# 增量备份（基于二进制日志）
# 启用二进制日志，定期备份

MongoDB备份

# 备份整个数据库
mongodump --db myapp --out ./backup

# 恢复
mongorestore --db myapp ./backup/myapp

# 备份特定集合
mongodump --db myapp --collection users --out ./backup

备份策略

定期备份（每天或每周）
多地备份（本地和云端）
定期测试恢复流程
记录备份时间和大小

数据库安全

访问控制

-- 创建用户
CREATE USER 'appuser'@'localhost' IDENTIFIED BY 'strong_password';

-- 授予权限
GRANT SELECT, INSERT, UPDATE ON myapp.* TO 'appuser'@'localhost';

-- 撤销权限
REVOKE INSERT ON myapp.* FROM 'appuser'@'localhost';

-- 删除用户
DROP USER 'appuser'@'localhost';

防止SQL注入

// 危险的做法
const username = req.body.username;
const query = `SELECT * FROM users WHERE username = '${username}'`;

// 安全的做法（使用参数化查询）
const query = 'SELECT * FROM users WHERE username = ?';
const result = await db.query(query, [username]);

// 使用ORM
const user = await User.findOne({ username: username });

数据加密

const bcrypt = require('bcrypt');

// 密码加密
async function hashPassword(password) {
    const salt = await bcrypt.genSalt(10);
    return await bcrypt.hash(password, salt);
}

// 密码验证
async function verifyPassword(password, hash) {
    return await bcrypt.compare(password, hash);
}

// 敏感数据加密
const crypto = require('crypto');
function encrypt(text, key) {
    const iv = crypto.randomBytes(16);
    const cipher = crypto.createCipheriv('aes-256-cbc', key, iv);
    let encrypted = cipher.update(text);
    encrypted = Buffer.concat([encrypted, cipher.final()]);
    return iv.toString('hex') + ':' + encrypted.toString('hex');
}

⚠️ 安全提示：

永远不要在代码中硬编码数据库密码。使用环境变量或密钥管理服务。

实战案例：电商系统数据库设计

需求分析

用户管理（注册、登录、个人信息）
商品管理（分类、详情、库存）
订单管理（下单、支付、发货）
评价系统（商品评价、用户评分）

数据库设计

-- 用户表
CREATE TABLE users (
    id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    username VARCHAR(50) UNIQUE NOT NULL,
    email VARCHAR(100) UNIQUE NOT NULL,
    password VARCHAR(255) NOT NULL,
    phone VARCHAR(20),
    address TEXT,
    created_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP
);

-- 商品表
CREATE TABLE products (
    id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    name VARCHAR(200) NOT NULL,
    category_id INT,
    description TEXT,
    price DECIMAL(10, 2),
    stock INT,
    created_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
    FOREIGN KEY (category_id) REFERENCES categories(id)
);

-- 订单表
CREATE TABLE orders (
    id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    user_id INT NOT NULL,
    total_amount DECIMAL(10, 2),
    status VARCHAR(20) DEFAULT 'pending',
    created_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
    FOREIGN KEY (user_id) REFERENCES users(id)
);

-- 订单项目表
CREATE TABLE order_items (
    id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    order_id INT NOT NULL,
    product_id INT NOT NULL,
    quantity INT,
    price DECIMAL(10, 2),
    FOREIGN KEY (order_id) REFERENCES orders(id),
    FOREIGN KEY (product_id) REFERENCES products(id)
);

-- 评价表
CREATE TABLE reviews (
    id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    product_id INT NOT NULL,
    user_id INT NOT NULL,
    rating INT CHECK (rating >= 1 AND rating <= 5),
    comment TEXT,
    created_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
    FOREIGN KEY (product_id) REFERENCES products(id),
    FOREIGN KEY (user_id) REFERENCES users(id)
);

-- 创建索引
CREATE INDEX idx_user_id ON orders(user_id);
CREATE INDEX idx_product_id ON order_items(product_id);
CREATE INDEX idx_status ON orders(status);
CREATE INDEX idx_created_at ON orders(created_at);

常见查询

-- 获取用户的订单列表
SELECT o.id, o.total_amount, o.status, o.created_at
FROM orders o
WHERE o.user_id = 1
ORDER BY o.created_at DESC;

-- 获取订单详情
SELECT oi.product_id, p.name, oi.quantity, oi.price
FROM order_items oi
JOIN products p ON oi.product_id = p.id
WHERE oi.order_id = 1;

-- 获取商品的平均评分
SELECT AVG(rating) as avg_rating, COUNT(*) as review_count
FROM reviews
WHERE product_id = 1;

-- 获取销售最好的商品
SELECT p.id, p.name, SUM(oi.quantity) as total_sold
FROM products p
JOIN order_items oi ON p.id = oi.product_id
GROUP BY p.id
ORDER BY total_sold DESC
LIMIT 10;

✨ 实战总结：

通过这个案例，你学会了如何设计一个完整的数据库系统，包括表设计、关系建立和复杂查询。

🎉 数据库学习完成

现在你已经掌握了数据库的核心知识。

✅ 你现在可以：

✓ 理解关系型和非关系型数据库的区别
✓ 设计和创建MySQL数据库和表
✓ 编写复杂的SQL查询
✓ 使用MongoDB处理文档数据
✓ 使用Redis进行缓存
✓ 优化数据库性能
✓ 保护数据库安全

🚀 下一步学习

学习ORM框架（Sequelize、Mongoose）
学习数据库集群和分片
学习消息队列（RabbitMQ、Kafka）
学习搜索引擎（Elasticsearch）

💡 建议：

数据库学习最重要的是实践。建议你创建一个真实的项目，实际操作这些概念。

🗄️ 数据库完全教程

📚 完整教程目录

前言：什么是数据库？

🤔 数据库的定义

为什么需要数据库？

数据库的应用场景

数据库类型详解

关系型数据库 vs 非关系型数据库

主要数据库类型

MySQL完全指南

什么是MySQL？

安装MySQL

基本概念

创建数据库和表

CRUD操作

高级查询

索引优化

MongoDB详解

什么是MongoDB？

核心概念

安装MongoDB

基本操作

高级查询

与Node.js集成

Redis缓存数据库

什么是Redis？

Redis的特点

安装Redis

基本命令

与Node.js集成

缓存策略

数据库设计原则

范式化设计

设计最佳实践

ER图设计

性能优化技巧

查询优化

连接池

批量操作

缓存策略

备份和恢复

MySQL备份

MongoDB备份

备份策略

数据库安全

访问控制

防止SQL注入

数据加密

实战案例：电商系统数据库设计

需求分析

数据库设计

常见查询

🎉 数据库学习完成

✅ 你现在可以：

🚀 下一步学习