青少年编程与数学 02-002 Sql Server 数据库应用 20课题、连接与ORM

本课题探讨了数据库连接与ORM（对象关系映射）的概念和应用。

课题摘要:

本课题探讨了数据库连接与ORM（对象关系映射）的概念和应用。数据库连接是客户端与数据库管理系统之间的通信途径，允许执行数据库操作。介绍了连接字符串、连接管理、连接优化策略，以及如何使用Go语言和C#语言通过特定库连接到SQL Server数据库。同时，讨论了ORM技术，它简化了对象模型与关系型数据库模型之间的转换，提高开发效率并降低耦合度。介绍了常见的ORM框架，如Entity Framework和GORM，并提供了使用示例。ORM通过自动处理数据持久化和检索，使得开发者可以以面向对象的方式操作数据库，从而提高生产力和代码可维护性。

一、连接

在数据库术语中，“连接”指的是应用程序或客户端与数据库管理系统（DBMS）之间建立的一种通信途径。这种连接允许应用程序执行数据库操作，如查询、插入、更新和删除数据。下面详细介绍数据库连接的概念及相关细节。

数据库连接概述

1. 连接建立：

   • 应用程序通过提供一系列参数（如服务器地址、端口号、数据库名称、用户名和密码等）来建立与数据库的连接。这些参数通常封装在一个连接字符串或 URL 中。
   • 数据库驱动程序或客户端库使用这些参数来初始化与数据库服务器的通信。

2. 连接类型：

   • 持久连接（Persistent Connection）：连接建立后一直保持活跃状态，直到应用程序显式关闭或异常终止。
   • 临时连接（Transient Connection）：每次执行数据库操作时建立连接，操作完成后立即关闭连接。
   • 连接池（Connection Pooling）：应用程序或中间件维护一个预先建立好的连接集合。当需要执行数据库操作时，从池中获取一个空闲连接使用，使用完毕后归还给池中，而不是关闭连接。

3. 连接生命周期：

   • 建立：应用程序发起连接请求，数据库服务器响应并建立连接。
   • 使用：应用程序通过连接执行 SQL 语句或调用存储过程。
   • 关闭：应用程序完成操作后关闭连接，释放资源。

连接字符串

连接字符串包含了建立数据库连接所需的所有信息。例如，在 SQL Server 中，一个典型的连接字符串如下：

Server=myServerAddress;Database=myDataBase;User Id=myUsername;Password=myPassword;

连接管理

1. 连接池管理：

   • 连接池可以显著提高应用程序性能，因为它避免了每次建立连接的开销。连接池通常会配置最大连接数、最小连接数等参数，以优化资源使用。
   • 连接池还负责管理连接的生命周期，包括连接的创建、分配、回收和销毁。

2. 连接超时：

   • 连接超时是指在尝试建立连接或执行操作时的最大等待时间。超过这个时间，连接将被标记为失败，并可能触发错误处理逻辑。

3. 错误处理：

   • 应用程序需要处理连接失败的情况，如服务器不可达、认证失败等。这通常通过异常处理机制实现。

连接优化

1. 最小化连接建立次数：

   • 尽量减少不必要的连接建立和关闭操作，特别是在高并发环境中。

2. 合理的连接重用：

   • 使用连接池可以有效重用已经建立的连接，减少建立新连接的开销。

3. 配置合理的连接池大小：

   • 根据应用负载调整连接池的最大和最小连接数，避免资源浪费或不足。

通过合理管理和优化数据库连接，可以提升应用程序的性能和可靠性，确保数据库操作高效执行。

二、使用GO语言编程连接到SQL Server数据库

使用 Go 语言连接到 SQL Server 2022 数据库通常需要借助第三方库来实现。目前，比较常用的库有 github.com/denisenkom/go-mssqldb 和 github.com/golang-migrate/migrate/database/sqlserver，前者更为常用，我们将使用 go-mssqldb 作为示例来演示如何连接到 SQL Server 数据库。

安装依赖库

首先，你需要安装 go-mssqldb 库。打开终端并执行以下命令：

go get github.com/denisenkom/go-mssqldb

示例代码

下面是一个简单的 Go 程序示例，展示了如何使用 go-mssqldb 连接到 SQL Server 数据库，并执行一个简单的 SQL 查询。

创建数据库连接

package main

import (
	"database/sql"
	"fmt"
	"log"

	_ "github.com/denisenkom/go-mssqldb"
)

func main() {
	// 数据库连接字符串
	connStr := "server=localhost;user id=sa;password=your_password;database=your_database"

	// 打开数据库连接
	db, err := sql.Open("sqlserver", connStr)
	if err != nil {
		log.Fatal("Open connection failed:", err)
	}
	defer db.Close()

	// 测试连接
	err = db.Ping()
	if err != nil {
		log.Fatal("Ping connection failed:", err)
	}

	// 执行查询
	rows, err := db.Query("SELECT * FROM your_table")
	if err != nil {
		log.Fatal("Query failed:", err)
	}
	defer rows.Close()

	// 处理查询结果
	for rows.Next() {
		var id int
		var name string
		if err := rows.Scan(&id, &name); err != nil {
			log.Fatal("Scan failed:", err)
		}
		fmt.Printf("ID: %d, Name: %s\n", id, name)
	}

	if err := rows.Err(); err != nil {
		log.Fatal("Rows iteration failed:", err)
	}
}

解释代码

1. 导入依赖库：

   • 导入标准库 database/sql 用于处理数据库连接。
   • 导入 github.com/denisenkom/go-mssqldb 作为 SQL Server 的驱动。

2. 定义连接字符串：

   • server：SQL Server 的地址。
   • user id：登录数据库的用户名。
   • password：对应用户的密码。
   • database：要连接的目标数据库名称。

3. 打开数据库连接：

   • 使用 sql.Open 方法打开连接，并传入驱动名称 "sqlserver" 和连接字符串。
   • 使用 defer db.Close() 确保在函数返回时关闭数据库连接。

4. 测试连接：

   • 使用 db.Ping() 方法测试连接是否正常。

5. 执行 SQL 查询：

   • 使用 db.Query 方法执行 SQL 查询，并处理结果集。

6. 处理查询结果：

   • 使用 rows.Next() 循环遍历结果集。
   • 使用 rows.Scan 方法从结果集中提取每一行的数据。

注意事项

• 确保 SQL Server 允许远程连接，并且防火墙设置允许来自 Go 程序的入站连接。
• 适当处理错误，确保程序能够优雅地处理数据库连接和查询中的潜在错误。
• 保护敏感信息，如用户名和密码，不要硬编码在源代码中，可以使用环境变量或配置文件等方式来存储。

通过以上步骤，你可以使用 Go 语言连接到 SQL Server 2022 数据库并执行基本的 SQL 查询操作。根据实际需要，你可以扩展这个示例来实现更复杂的数据操作。

三、使用C#语言编程连接到SQL Server数据库

使用 C# 编程语言连接到 SQL Server 数据库通常需要使用 ADO.NET 框架中的 System.Data.SqlClient 命名空间来实现。以下是一个简单的示例，展示如何使用 C# 连接到 SQL Server 数据库并执行一个简单的 SQL 查询。

安装所需的 NuGet 包

如果你使用的是 Visual Studio，确保安装了 Microsoft.Data.SqlClient 包。可以通过 NuGet 包管理器安装：

1. 打开解决方案资源管理器。
2. 右键点击项目 -> 选择“管理 NuGet 包”。
3. 搜索 Microsoft.Data.SqlClient 并安装。

或者，使用命令行安装：

dotnet add package Microsoft.Data.SqlClient

示例代码

下面是一个简单的 C# 程序示例，展示了如何连接到 SQL Server 数据库并执行一个 SQL 查询。

创建数据库连接

using System;
using System.Data.SqlClient;

class Program
{
    static void Main()
    {
        // 数据库连接字符串
        string connectionString = "Server=localhost;Database=YourDatabaseName;User Id=YourUserName;Password=YourPassword;";

        // 使用连接字符串创建 SqlConnection 对象
        using (SqlConnection connection = new SqlConnection(connectionString))
        {
            try
            {
                // 打开数据库连接
                connection.Open();
                Console.WriteLine("Connection to database was successful.");

                // 创建 SqlCommand 对象并指定 SQL 查询语句
                string query = "SELECT * FROM YourTableName";
                using (SqlCommand command = new SqlCommand(query, connection))
                {
                    // 执行查询并获取结果集
                    using (SqlDataReader reader = command.ExecuteReader())
                    {
                        while (reader.Read())
                        {
                            // 输出查询结果
                            Console.WriteLine($"ID: {reader["Id"]}, Name: {reader["Name"]}");
                        }
                    }
                }
            }
            catch (SqlException ex)
            {
                // 处理 SQL 异常
                Console.WriteLine($"Error connecting to database: {ex.Message}");
            }
            finally
            {
                // 关闭数据库连接
                if (connection.State == System.Data.ConnectionState.Open)
                {
                    connection.Close();
                }
            }
        }
    }
}

解释代码

1. 定义连接字符串：

   • Server：SQL Server 的地址。
   • Database：要连接的目标数据库名称。
   • User Id：登录数据库的用户名。
   • Password：对应用户的密码。

2. 创建 SqlConnection 对象：

   • 使用连接字符串创建 SqlConnection 对象。

3. 打开数据库连接：

   • 使用 Open 方法打开连接，并使用 using 语句确保连接在使用完毕后自动关闭。

4. 创建 SqlCommand 对象：

   • 使用 SQL 查询语句创建 SqlCommand 对象，并关联到已打开的连接。

5. 执行查询并获取结果集：

   • 使用 ExecuteReader 方法执行查询，并返回一个 SqlDataReader 对象。

6. 处理查询结果：

   • 使用 Read 方法遍历结果集，并输出每行的数据。

7. 异常处理：

   • 使用 try-catch 语句块来捕获并处理可能出现的 SQL 异常。

注意事项

• 连接字符串安全性：确保连接字符串中的用户名和密码安全存储，不要硬编码在源代码中。
• 资源管理：使用 using 语句来管理数据库连接和命令对象，确保在使用完毕后正确关闭和清理资源。
• 异常处理：在实际开发中，应该更加详细地处理异常，并记录详细的错误信息。

通过以上步骤，你可以使用 C# 语言连接到 SQL Server 数据库并执行基本的 SQL 查询操作。根据实际需要，你可以扩展这个示例来实现更复杂的数据操作。

四、ORM

ORM（Object-Relational Mapping，对象关系映射）是一种编程技术，用于将对象模型与关系型数据库模型之间进行转换。在 ORM 中，对象模型通常指的是面向对象编程语言中的类和对象，而关系型数据库模型则由表、字段、键等组成。

ORM 的作用

ORM 的主要目的是简化应用程序与数据库之间的交互，使开发者能够以面向对象的方式操作数据库，而无需直接编写 SQL 语句。ORM 可以自动处理数据的持久化和检索，使得开发者可以专注于业务逻辑而不是底层的数据访问细节。

ORM 的优点

1. 提高生产力：ORM 抽象掉了底层的 SQL 语句编写，使得开发者可以直接操作对象，从而提高开发效率。
2. 增强可维护性：由于 ORM 使得数据访问代码更加清晰和简洁，因此更容易理解和维护。
3. 降低耦合度：ORM 可以隐藏数据库的细节，使得应用程序不必直接依赖于具体的数据库系统，从而提高了代码的可移植性。
4. 自动处理事务：ORM 可以自动管理事务，简化了事务处理的代码。
5. 提供高级功能：许多 ORM 提供了缓存、懒加载、延迟加载等功能，进一步优化了数据访问性能。

ORM 的缺点

1. 性能损失：相比直接编写 SQL 语句，ORM 通常会有一定的性能开销，尤其是在大量数据处理的情况下。
2. 灵活性受限：虽然 ORM 提供了便利，但在某些情况下，它可能无法满足复杂的 SQL 查询需求，这时可能需要手动编写 SQL。
3. 学习曲线：对于初学者而言，掌握 ORM 的使用可能需要一定的时间和实践。

ORM 的工作原理

ORM 通过映射类和数据库表之间的关系来工作，主要涉及以下几个方面：

1. 实体映射：类被映射为数据库表，类的属性被映射为表的字段。
2. 对象实例化：当从数据库中检索数据时，ORM 会将查询结果转换为对象实例。
3. 对象持久化：当对象的状态发生变化时，ORM 会将这些变化同步到数据库中。
4. 查询映射：ORM 提供了一种方法来构建和执行数据库查询，通常通过 LINQ（Language Integrated Query）或其他类似的查询构造器来实现。

常见的 ORM 框架

1. Entity Framework（EF）：.NET 生态系统中最流行的 ORM，支持多种数据库。
2. Hibernate：Java 生态系统中非常强大的 ORM 框架。
3. Django ORM：Python Web 框架 Django 内置的 ORM。
4. Sequelize：Node.js 生态系统中的 ORM，支持多种数据库。
5. Laravel Eloquent：PHP Web 框架 Laravel 内置的 ORM。

通过使用 ORM，开发者可以更高效地开发应用程序，并且更容易地管理和维护数据库相关的代码。然而，在选择 ORM 时，需要权衡其带来的便利性和可能的性能损失，并根据项目的具体需求做出合适的选择。

五、GORM(GOLANG)

GORM 是一个为 Go 语言设计的对象关系映射（ORM）库，它提供了一种简单的方式来操作数据库。GORM 支持多种数据库，包括 MySQL、PostgreSQL、SQLite、SQL Server 等，并且具有良好的文档和支持社区。以下是 GORM 的详细介绍，包括安装、基本用法和一些高级特性。

安装 GORM

要使用 GORM，首先需要安装它。可以通过 Go 的包管理工具 go get 来安装：

go get -u gorm.io/gorm

为了支持不同的数据库驱动，你还需要安装相应的数据库驱动包。例如，如果你要连接到 SQL Server，可以使用 mssql 驱动：

go get -u mssql

或者使用 go-mssqldb：

go get -u gorm.io/driver/mssql

基本用法

创建数据库连接

首先，需要创建一个 gorm.DB 实例来连接到数据库：

package main

import (
	"fmt"
	"gorm.io/driver/mssql"
	"gorm.io/gorm"
)

func main() {
	dsn := "server=localhost;user id=sa;password=your_password;database=your_database"
	db, err := gorm.Open(mssql.Open(dsn), &gorm.Config{})
	if err != nil {
		panic("failed to connect database")
	}

	// 测试连接
	db.AutoMigrate(&User{}) // 自动迁移表结构

	// 创建
	db.Create(&User{Name: "jinzhu", Age: 20})

	// 读取
	var user User
	db.First(&user, 1) // 根据主键查找
	db.First(&user, "name = ?", "jinzhu") // 查找第一个用户

	// 更新
	db.Model(&user).Update("name", "jinzhui")

	// 删除
	db.Delete(&user)
}

数据模型

GORM 通过结构体来表示数据库表。例如，一个简单的 User 模型可以定义为：

type User struct {
	gorm.Model
	Name string
	Age  int
}

在这里，gorm.Model 包含了一些默认字段，如 ID, CreatedAt, UpdatedAt, DeletedAt 等。

高级特性

自动迁移

GORM 提供了一个方便的方法来自动迁移数据库表结构：

db.AutoMigrate(&User{})

这会根据 User 结构体的定义创建或更新表结构。

CRUD 操作

• 创建（Create）：

  db.Create(&User{Name: "jinzhu", Age: 20})
  

• 读取（Read）：

  var user User
  db.First(&user, 1) // 根据主键查找
  db.First(&user, "name = ?", "jinzhu") // 查找第一个用户
  

• 更新（Update）：

  db.Model(&user).Update("name", "jinzhui")
  

• 删除（Delete）：

  db.Delete(&user)
  

批量操作

批量插入、更新或删除记录也非常简单：

users := []User{{Name: "jinzhu"}, {Name: "jinzhu2"}}
db.Create(&users)

var usersToUpdate []User
db.Where("age < ?", 18).Find(&usersToUpdate)
for _, user := range usersToUpdate {
    user.Age = 18
}
db.Save(&usersToUpdate)

var usersToDelete []User
db.Where("age > ?", 50).Find(&usersToDelete)
db.Delete(&usersToDelete)

分页查询

实现分页查询也很容易：

var users []User
db.Offset(10).Limit(10).Find(&users)

这里 Offset 设置了偏移量，Limit 设置了返回的记录数。

事务处理

GORM 支持事务处理：

db.Transaction(func(tx *gorm.DB) error {
    var user User
    tx.First(&user, 1)
    tx.Create(&User{Name: "jinzhu2"})
    return nil
})

如果事务内的操作成功，事务将被自动提交；如果发生错误，事务将被回滚。

总结

GORM 为 Go 语言提供了一个强大而易用的 ORM 框架，它简化了数据库操作，使得开发者可以更加专注于业务逻辑而非底层的数据访问细节。通过上述介绍，你应该能够开始使用 GORM 来管理你的数据库操作。当然，GORM 还有许多其他高级特性和功能，如关联关系管理、复杂查询构造等，具体可以参考官方文档进行深入学习。

六、Entity Framework（EF）

Entity Framework（EF）是微软开发的一个开源的对象关系映射器（ORM），用于 .NET 应用程序，允许开发者以面向对象的方式操作关系型数据库。EF 支持多种数据库，包括 SQL Server、MySQL、PostgreSQL、SQLite 等，并且提供了多种版本，如 Entity Framework Core（EF Core）和 Entity Framework 6（EF6）。

Entity Framework 的版本

1. Entity Framework 6 (EF6)：

   • EF6 是一个成熟的 ORM 框架，专为 .NET Framework 设计。
   • 支持 Code First、Database First 和 Model First 的开发模式。
   • 适用于 WinForms、WPF、ASP.NET Web Forms 和 ASP.NET MVC 等桌面和 Web 应用程序。

2. Entity Framework Core (EF Core)：

   • EF Core 是一个轻量级且跨平台的 ORM，专为现代应用程序设计。
   • 支持 Code First 模式，并且支持多种数据库驱动。
   • 适用于 .NET Core 和 .NET 5+ 应用程序，支持跨平台部署。

Entity Framework 的特点

1. Code First：

   • 通过定义类和属性来描述数据库表结构，EF 自动生成数据库表。
   • 可以通过 Fluent API 进行更细粒度的配置。

2. Database First：

   • 从现有的数据库模式生成代码。
   • 适合已有数据库且不希望更改现有模式的情况。

3. Model First：

   • 使用设计器工具创建实体数据模型（EDM），然后生成代码。
   • 适合设计阶段使用，便于可视化建模。

4. 查询支持：

   • 支持 LINQ 查询，可以编写类似 SQL 的查询表达式。
   • 提供了多种查询方法，如 Where, OrderBy, Include 等。

5. 变更跟踪与事务管理：

   • 自动跟踪实体对象的变化，并在保存更改时同步到数据库。
   • 支持事务管理，确保数据的一致性和完整性。

6. 延迟加载：

   • 默认情况下，EF 使用延迟加载（Lazy Loading）来提高性能。
   • 可以选择性地使用急切加载（Eager Loading）或显式加载（Explicit Loading）。

7. 批量操作：

   • 支持批量插入、更新和删除操作。

8. 多对多关系处理：

   • 支持多对多关系的自动处理，生成中间表。

Entity Framework Core 的安装与使用

安装 Entity Framework Core

使用 .NET Core CLI 或者 Visual Studio 的 NuGet 包管理器安装 EF Core 包：

dotnet add package Microsoft.EntityFrameworkCore
dotnet add package Microsoft.EntityFrameworkCore.SqlServer  # 如果使用 SQL Server

基本用法

定义数据模型

public class Blog
{
    public int BlogId { get; set; }
    public string Url { get; set; }

    public DbSet<Post> Posts { get; set; }
}

public class Post
{
    public int PostId { get; set; }
    public string Title { get; set; }
    public string Content { get; set; }

    public int BlogId { get; set; }
    public Blog Blog { get; set; }
}

配置 DbContext

using Microsoft.EntityFrameworkCore;

public class BloggingContext : DbContext
{
    public DbSet<Blog> Blogs { get; set; }
    public DbSet<Post> Posts { get; set; }

    protected override void OnConfiguring(DbContextOptionsBuilder optionsBuilder)
    {
        optionsBuilder.UseSqlServer(@"Server=(localdb)\mssqllocaldb;Database=BloggingContext;Trusted_Connection=True;");
    }
}

使用 DbContext

using (var context = new BloggingContext())
{
    context.Database.EnsureCreated();

    var blog = new Blog { Url = "http://sample.com" };
    context.Blogs.Add(blog);
    context.SaveChanges();
}

高级特性

迁移与数据库更新

EF Core 提供了迁移功能，可以自动化管理数据库模式变更：

dotnet ef migrations add InitialCreate
dotnet ef database update

查询优化

EF Core 支持多种查询优化技术，如投影查询、包含查询等：

var blogs = context.Blogs
    .Include(b => b.Posts)
    .Where(b => b.Posts.Any(p => p.Title.Contains("EF Core")));

复杂查询

支持 LINQ 查询，可以编写复杂的查询逻辑：

var query = from b in context.Blogs
            join p in context.Posts on b.BlogId equals p.BlogId
            where p.Title.Contains("EF Core")
            select new { b.Url, p.Title };

foreach (var item in query)
{
    Console.WriteLine($"{item.Url}: {item.Title}");
}

总结

Entity Framework 是一个功能强大且易于使用的 ORM 框架，它简化了 .NET 应用程序与数据库的交互。无论是 EF6 还是 EF Core，都提供了丰富的功能，使得开发者可以专注于业务逻辑而不必关心底层的数据访问细节。根据你的项目需求和技术栈，可以选择合适的 EF 版本来使用。