数据库原理

这一课你将能做到

1. 用关系模型语言描述表、主键、外键、视图，并说出范式化与反范式化的取舍
2. 解释 ACID 四种特性与四个隔离级别，区分脏读、不可重复读、幻读
3. 说清 B+ 树索引的结构、聚簇与二级索引的区别，以及最左前缀原则

为什么要学

数据库是后端持久化的核心。判题平台的用户、题目、提交记录、判题结果全部存放在 MySQL 这类关系数据库里。一个后端工程师每天最多的性能问题往往不在 Java 代码，而在 SQL：

• 列表接口慢：没走索引还是索引失效？
• 两个用户同时报名/扣减名额：数据对不上怎么办？
• 表字段越加越多，JOIN 越写越乱：数据模型当初该怎么设计？

本课不背 SQL 语法，而是建立四组底层认知：关系模型、事务、索引、架构直觉。理解它们之后，MySQL 的大部分行为都能推导，而不是靠死记规则。

先建立图像

关系模型：一切皆表（关系）
┌──────────────────── 表 problems 题目表 ───────────────────┐
│ id(PK) │ title    │ difficulty │ created_at              │
│ 1      │ 两数之和  │ easy       │ 2026-01-01              │
│ 2      │ 反转链表  │ easy       │ 2026-01-02              │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘
       id 作为主键被 submissions 表的外键引用（一对多）

事务并发的三种「读异常」
  脏读：     读到别人还没提交、随时可能回滚的数据
  不可重复读：同一事务内两次读同一行，结果不同（别人 UPDATE 了）
  幻读：     同一事务内两次范围查询，行数不同（别人 INSERT/DELETE 了）

索引结构（B+ 树，矮胖的多叉平衡树）
          [ 30 | 60 ]
         /      |       \
   [10|20]  [30|40|50] [60|70|80]   ← 真实数据都在叶子节点
   叶子之间首尾相连 ──▶ 支持范围扫描

跟着做

步骤 1：设计判题平台的核心表并体会范式

-- 第一范式：字段原子；主键唯一
CREATE TABLE problems (
    id          BIGINT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    title       VARCHAR(200) NOT NULL,
    difficulty  VARCHAR(16)  NOT NULL,
    time_limit  INT          NOT NULL DEFAULT 1000,
    created_at  DATETIME     NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP
);

-- 提交记录单独成表，通过外键（或逻辑外键）引用题目 —— 第二/三范式的直觉：
-- 不把题目标题冗余进提交表，避免题目改名后成千上万行数据不一致
CREATE TABLE submissions (
    id          BIGINT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    problem_id  BIGINT NOT NULL,
    user_id     BIGINT NOT NULL,
    language    VARCHAR(16) NOT NULL,
    status      VARCHAR(16) NOT NULL,   -- AC / WA / TLE / RE
    code        MEDIUMTEXT  NOT NULL,
    created_at  DATETIME    NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
    INDEX idx_user_time (user_id, created_at),
    INDEX idx_problem_status (problem_id, status)
);

范式直觉：1NF 原子、2NF 完全依赖主键、3NF 非主属性不传递依赖。范式化减少冗余和更新异常；反范式化（冗余字段）用空间换查询性能、减少 JOIN。工程现实：OLTP 业务表保持 3NF 左右，列表页可适当冗余（如 submissions 里冗余 title 快照，因为提交时刻的题目具有「存档」语义）；报表/数仓则大量反范式。

步骤 2：在 Java 中正确使用事务

import org.springframework.stereotype.Service;
import org.springframework.transaction.annotation.Transactional;

@Service
public class SubmissionService {

    private final SubmissionRepository submissionRepository;
    private final ProblemStatRepository statRepository;

    public SubmissionService(SubmissionRepository submissionRepository,
                             ProblemStatRepository statRepository) {
        this.submissionRepository = submissionRepository;
        this.statRepository = statRepository;
    }

    // ACID 场景：写提交记录 + 更新题目统计，要么都成功要么都回滚
    @Transactional
    public void submitAndCount(Submission submission) {
        submissionRepository.save(submission);
        if ("AC".equals(submission.status())) {
            statRepository.incrementAc(submission.problemId());
        }
        // 抛出运行时异常时整个事务回滚，不会出现「记录写了但统计没加」
    }
}

record Submission(Long problemId, Long userId, String language, String status, String code) {}