數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)-第二講關(guān)系模型

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)概論

第二講關(guān)系模型(2)主講：顧曦電話：Email：回顧數(shù)據(jù)模型邏輯模型的種類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)的三級(jí)模式

數(shù)據(jù)庫(kù)的三級(jí)模式結(jié)構(gòu)應(yīng)用A應(yīng)用B應(yīng)用C應(yīng)用E應(yīng)用F外模式1外模式2外模式3應(yīng)用D應(yīng)用G模式內(nèi)模式數(shù)據(jù)庫(kù)DBMS1、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

（DBMS）21:5831.1數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

(DatabaseManagementSystem，DBMS)定義位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件。是基礎(chǔ)軟件，是一個(gè)大型復(fù)雜的軟件系統(tǒng)DBMS的用途解決了文件處理系統(tǒng)中存在的問(wèn)題有效地管理大量的數(shù)據(jù)，科學(xué)地組織和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、高效地獲取和維護(hù)數(shù)據(jù)涉及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的定義和數(shù)據(jù)操作機(jī)制21:584DBMS的主要功能1

——數(shù)據(jù)定義功能提供數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言(DDL)定義數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)對(duì)象數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)和管理分類(lèi)組織、存儲(chǔ)和管理各種數(shù)據(jù)確定組織數(shù)據(jù)的文件結(jié)構(gòu)和存取方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系提供多種存取方法提高存取效率21:585DataDefinitionLanguage(DDL)用于定義數(shù)據(jù)庫(kù)模式的規(guī)范符號(hào)

Example: createtableteacher(

ID

char(5),

namevarchar(20),

dept_namevarchar(20),

salary

numeric(8,2))DDL編譯器生成一系列的表格模板存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)字典中數(shù)據(jù)字典存儲(chǔ)元數(shù)據(jù)（即，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)庫(kù)模式完整性約束授權(quán)21:586DBMS的主要功能2

——數(shù)據(jù)操縱功能提供數(shù)據(jù)操縱語(yǔ)言(DML，DataManipulationLanguage)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本操作(查詢、插入、刪除和修改)數(shù)據(jù)庫(kù)的事務(wù)管理和運(yùn)行管理統(tǒng)一管理和控制數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、運(yùn)行和維護(hù)保證數(shù)據(jù)的安全性、完整性、多用戶對(duì)數(shù)據(jù)的并發(fā)使用發(fā)生故障后的系統(tǒng)恢復(fù)21:587DBMS的主要功能3數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和維護(hù)功能(實(shí)用程序)數(shù)據(jù)庫(kù)初始數(shù)據(jù)裝載轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)介質(zhì)故障恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)的重組織性能監(jiān)視分析等其它功能DBMS與網(wǎng)絡(luò)中其它軟件系統(tǒng)的通信兩個(gè)DBMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)之間的互訪和互操作21:588數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)組成數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)(databasesystem,DBS)，是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫(kù)后的系統(tǒng)，一般由數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(及其應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具)、應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理員和最終用戶構(gòu)成數(shù)據(jù)庫(kù)管理員(databaseadministrator,DBA)，是指數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、使用和維護(hù)等的工作人員

DBMS

設(shè)計(jì)工具子系統(tǒng)

表生成工具 窗體生成工具 查詢生成工具

數(shù)據(jù)庫(kù) 報(bào)表生成工具 過(guò)程語(yǔ)言編譯器引擎

運(yùn)行子系統(tǒng)

窗體處理器 查詢處理器 報(bào)表書(shū)寫(xiě)器 過(guò)程語(yǔ)言執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)庫(kù)用戶數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)索引應(yīng)用元數(shù)據(jù)應(yīng)用程序應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員用戶21:589數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的組成查詢處理器：對(duì)用戶請(qǐng)求的SQL操作進(jìn)行查詢優(yōu)化，從而找到一個(gè)最優(yōu)的執(zhí)行策略，然后向存儲(chǔ)管理器發(fā)出命令，使其執(zhí)行存儲(chǔ)管理器：根據(jù)執(zhí)行策略，從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，或更新數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)事務(wù)管理器：負(fù)責(zé)保證系統(tǒng)的完整性，保證多個(gè)同時(shí)運(yùn)行的事務(wù)不發(fā)生沖突操作，以及保證當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失

查詢處理器存儲(chǔ)管理器事務(wù)管理器數(shù)據(jù)庫(kù)模式更新查詢更新DBMS的主要組成部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的查詢過(guò)程不同的用戶使用不同的查詢工具數(shù)據(jù)庫(kù)執(zhí)行查詢過(guò)程是復(fù)雜的21:5811數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的相關(guān)人員開(kāi)發(fā)、管理和使用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的人員：數(shù)據(jù)庫(kù)管理員系統(tǒng)分析員數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)人員應(yīng)用程序員最終用戶不同的人員涉及不同的數(shù)據(jù)抽象級(jí)別，具有不同的數(shù)據(jù)視圖

DB應(yīng)用系統(tǒng)外模式用戶數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中相關(guān)人員的數(shù)據(jù)視圖DBMSOS客戶端模式內(nèi)模式用戶應(yīng)用程序員DBA系統(tǒng)分析員數(shù)據(jù)抽象級(jí)別軟件系統(tǒng)層次1.2數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的主要特點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化：數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的整體結(jié)構(gòu)化，這是數(shù)據(jù)庫(kù)的主要特征之一，也是數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)與文件系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別一是指數(shù)據(jù)不僅僅是內(nèi)部結(jié)構(gòu)化，而是將數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系統(tǒng)一管理起來(lái)，使之結(jié)構(gòu)化。問(wèn)題：如何記錄學(xué)生的成績(jī)？需要記錄的信息：學(xué)生信息，課程信息，成績(jī)信息21:5814

學(xué)生、課程、學(xué)生成績(jī)文件結(jié)構(gòu)姓名性別學(xué)號(hào)出生日期所學(xué)專(zhuān)業(yè)家庭住址聯(lián)系電話學(xué)生文件Student的記錄結(jié)構(gòu)課程號(hào)課程名稱(chēng)教材名稱(chēng)學(xué)時(shí)學(xué)分課程文件Course的記錄結(jié)構(gòu)學(xué)號(hào)課程號(hào)學(xué)期成績(jī)學(xué)生成績(jī)文件Score的記錄結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的主要特點(diǎn)二是指在數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)不是僅僅針對(duì)某一個(gè)應(yīng)用，而是面向全組織的所有應(yīng)用。例如，一個(gè)學(xué)校的信息系統(tǒng)中不僅要考慮教務(wù)處的學(xué)生成績(jī)管理，還要考慮學(xué)生處的學(xué)籍注冊(cè)管理、學(xué)生獎(jiǎng)懲管理、學(xué)生家庭成員管理，以及財(cái)務(wù)處的學(xué)生繳費(fèi)管理；同時(shí)還要考慮研究生院的研究生管理、科研處的科研管理、人事處的教職工人事管理和工資管理等。因此，學(xué)校信息系統(tǒng)中的學(xué)生數(shù)據(jù)要面向全校各個(gè)職能管理部門(mén)和院系的應(yīng)用，而不僅僅是教務(wù)處的一個(gè)學(xué)生成績(jī)管理應(yīng)用。

某校信息管理系統(tǒng)中的學(xué)生數(shù)據(jù)姓名性別學(xué)號(hào)出生日期所學(xué)專(zhuān)業(yè)…學(xué)生基本情況課程號(hào)課程名稱(chēng)…課程學(xué)號(hào)課程號(hào)學(xué)期成績(jī)學(xué)生成績(jī)?nèi)掌趯W(xué)號(hào)管理員學(xué)生學(xué)籍注冊(cè)日期學(xué)號(hào)獎(jiǎng)懲條目學(xué)生獎(jiǎng)懲序號(hào)學(xué)號(hào)與本人關(guān)系學(xué)生家庭成員成員姓名詳細(xì)情況日期學(xué)號(hào)管理員學(xué)生繳費(fèi)金額數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的主要特點(diǎn)數(shù)據(jù)的共享度高，冗余度底，易擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)從整體角度描述和組織數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不再是面向某個(gè)應(yīng)用，而是面向整個(gè)系統(tǒng)因此，數(shù)據(jù)可以被多個(gè)用戶、多個(gè)應(yīng)用共享使用數(shù)據(jù)共享可以大大減少數(shù)據(jù)的冗余，避免數(shù)據(jù)之間的不一致性

數(shù)據(jù)獨(dú)立性高數(shù)據(jù)獨(dú)立性是用來(lái)描述數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序之間的依賴(lài)程度，包括數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性和數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性，依賴(lài)程度越低則獨(dú)立性越高物理獨(dú)立性是指用戶的應(yīng)用程序與存儲(chǔ)在磁盤(pán)上數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立的邏輯獨(dú)立性是指用戶的應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯結(jié)構(gòu)是相互獨(dú)立的21:5817數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的主要特點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的主要特點(diǎn)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）統(tǒng)一管理和控制

數(shù)據(jù)的安全性保護(hù)：保護(hù)數(shù)據(jù)以防止不合法的使用造成數(shù)據(jù)的泄密和破壞數(shù)據(jù)的完整性檢查：將數(shù)據(jù)控制在有效的范圍內(nèi)，或保證數(shù)據(jù)之間滿足一定的關(guān)系并發(fā)控制：對(duì)多個(gè)用戶或應(yīng)用同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)數(shù)據(jù)的并發(fā)操作加以控制和協(xié)調(diào)，確保得到正確的修改結(jié)果或數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性不遭到破壞數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)：當(dāng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)生硬件或軟件故障時(shí)，需要將數(shù)據(jù)庫(kù)從錯(cuò)誤狀態(tài)恢復(fù)到某一已經(jīng)正確狀態(tài)

應(yīng)用程序或用戶1應(yīng)用程序或用戶2應(yīng)用程序或用戶n…數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)階段應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)2、關(guān)系模型

（Relationaldatamodel）2.1概述關(guān)系模型由關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、關(guān)系操作集合和關(guān)系完整性約束三部分組成。關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):關(guān)系模型中數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)是一張二維表，它由行和列組成。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)是表的集合，即關(guān)系的集合。表是一個(gè)實(shí)體集，一行就是一個(gè)實(shí)體，它由共同表示一個(gè)實(shí)體的有關(guān)聯(lián)的若干屬性的值所構(gòu)成。21:5820關(guān)系操作關(guān)系模型的數(shù)據(jù)操作是集合操作，操作對(duì)象和操作結(jié)果都是關(guān)系(元組的集合)關(guān)系操作主要包括：查詢:選擇、投影、連接、除、并、交、差數(shù)據(jù)更新:插入、刪除、修改查詢的表達(dá)能力是其中最主要的部分關(guān)系數(shù)據(jù)模型的完整性約束21:58212.2關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.2.1關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與表關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述包含模式（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義）和數(shù)據(jù)。21:5822關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表關(guān)系（一張）二維表關(guān)系名表名關(guān)系模式表頭（表格的描述）元組記錄或行屬性、屬性名、屬性值列、列名、列值分量一條記錄中的一個(gè)列值關(guān)系模型中的常用術(shù)語(yǔ)關(guān)系(relation)：一個(gè)關(guān)系對(duì)應(yīng)一張二維表，每一個(gè)關(guān)系有一個(gè)名稱(chēng)即關(guān)系名；元組(tuple)：表中的一行稱(chēng)為一個(gè)元組；屬性(attribute)：表中的一列稱(chēng)為一個(gè)屬性，每一個(gè)屬性有一個(gè)名稱(chēng)即屬性名；碼(key)：也稱(chēng)為碼鍵。表中的某個(gè)屬性或?qū)傩越M，它可以唯一地確定關(guān)系中的一個(gè)元組；域(domain)：屬性的取值范圍；分量(component)：元組中的一個(gè)屬性值；關(guān)系模式(relationalschema)：通過(guò)關(guān)系名和屬性名列表對(duì)關(guān)系進(jìn)行描述，相當(dāng)于二維表的表頭部分(即表格的描述部分)關(guān)系模式的一般形式：關(guān)系名(屬性名1，屬性名2，…，屬性名n)21:5823示例學(xué)生記錄表21:58學(xué)號(hào)姓名年齡性別系名年級(jí)2011004張飛19男工業(yè)工程32011006郭靖20男機(jī)工32011008小喬18女機(jī)電3………………碼元組關(guān)系名屬性分量關(guān)系模式：學(xué)生記錄表（學(xué)號(hào)，姓名，性別，系名，年級(jí)）模式數(shù)據(jù)關(guān)系必須是規(guī)范化的關(guān)系必須是規(guī)范化的，滿足一定的規(guī)范條件最基本的規(guī)范條件：關(guān)系的每一個(gè)分量必須是一個(gè)不可分的數(shù)據(jù)項(xiàng),不允許表中還有表21:58職工號(hào)姓名職稱(chēng)工資扣除實(shí)發(fā)基本津貼職務(wù)房租水電86052關(guān)羽前將軍1305120050160112228386053張飛車(chē)騎將軍130512004016011222732.2.2關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式化定義D1×D2×…×Dn的子集稱(chēng)為在D1,D2,…,Dn上的關(guān)系，表示為：

r(D1,D2,…,Dn)其中，r表示關(guān)系的名字，n是關(guān)系的目或度(degree)。當(dāng)n=1時(shí)，稱(chēng)該關(guān)系為單元關(guān)系；當(dāng)n=2時(shí)，稱(chēng)該關(guān)系為二元關(guān)系。

關(guān)系是笛卡爾積的有限子集，表的每行對(duì)應(yīng)于關(guān)系的一個(gè)元組，表的每列對(duì)應(yīng)于關(guān)系的一個(gè)域。由于域可以相同，為了區(qū)別就必須給每列起一個(gè)名字，稱(chēng)為屬性(attribute)。n目關(guān)系共有n個(gè)屬性。

21:5826關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式化定義超碼：對(duì)于關(guān)系r的一個(gè)或多個(gè)屬性的集合A，如果屬性集A可以唯一地標(biāo)識(shí)關(guān)系r中的一個(gè)元組，則稱(chēng)屬性集A為關(guān)系r的一個(gè)超碼(superkey)

。候選碼：對(duì)于關(guān)系r的一個(gè)或多個(gè)屬性的集合A，如果屬性集A的任意真子集都不能成為關(guān)系r的超碼，則稱(chēng)屬性集A為候選碼(candidatekey)

。主碼：若一個(gè)關(guān)系有多個(gè)候選碼，則可以選定其中的一個(gè)候選碼作為該關(guān)系的主碼。空值：所有可能的域的一個(gè)取值，表明值未知或不存在。

如果某學(xué)生的speciality屬性值為null，則表示該學(xué)生還沒(méi)有明確所學(xué)專(zhuān)業(yè)，或不知道他的所學(xué)專(zhuān)業(yè)。舉例：Student關(guān)系studentNostudentNamesexbirthday speciality

0701001 李小勇 男1990-12-21 計(jì)算機(jī) 0701008 王紅 男1992-04-26 計(jì)算機(jī)

0802002 劉方晨 女1990-11-11 信息系統(tǒng) 0802005 王紅敏 女1990-10-01 信息系統(tǒng) 0703045 王紅 男1992-04-26 會(huì)計(jì)學(xué)

0703010 李宏冰 女1992-03-09 會(huì)計(jì)學(xué) 超碼：studentNo，{studentNo,studentName}、{studentNo,sex}、

{studentNo,studentName,speciality}、…候選碼：studentNo和{studentName,speciality}——與語(yǔ)義有關(guān)主碼：studentNo21:5827關(guān)系模式關(guān)系的描述稱(chēng)為關(guān)系模式(relationschema)。形式化地表示為：r(U,D,DOM,F)

其中：r為關(guān)系名； U為組成該關(guān)系的屬性名的集合； D為屬性集U中所有屬性所來(lái)自的域的集合； DOM為屬性向域的映像集合； F為屬性間數(shù)據(jù)的依賴(lài)關(guān)系集合(即體現(xiàn)一個(gè)元組的各屬性取值之間的“關(guān)聯(lián)”性)。關(guān)系模式通常被簡(jiǎn)記為：r(U)或r(A1,A2,…,An)

其中：r為關(guān)系名，U為屬性名的集合{A1,A2,…,An}

關(guān)系模式關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)也有型和值之分型是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式，即它所包含的所有關(guān)系模式的集合；值是這些關(guān)系模式在某一時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的關(guān)系的集合，通常就稱(chēng)為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例。在實(shí)際應(yīng)用中，人們經(jīng)常把關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例都籠統(tǒng)地稱(chēng)為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。舉例：學(xué)生成績(jī)管理數(shù)據(jù)庫(kù)ScoreDB的模式Class(classNo:char(6),className:varchar(30),institute:varchar(30),

grade:smallint,classNum:tinyint)Student(studentNo:char(7),studentName:varchar(20),sex:char(2),birthday:

datetime,native:varchar(20),nation:varchar(30),classNo:char(6))Course(courseNo:char(5),courseName:varchar(30),creditHour:numeric,