第2章-關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分析.ppt

1、,2.1 關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述 2.2 關(guān)系模型 2.3 關(guān)系代數(shù),第2章關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),關(guān)系數(shù)據(jù)庫是運(yùn)用數(shù)學(xué)方法來處理數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的。 關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是基于關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它由美國IBM公司的E.F.Codd提出。E.F.Codd從1970年起陸續(xù)發(fā)表多篇論文，奠定了關(guān)系數(shù)據(jù)庫的理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代末以來，計(jì)算機(jī)廠商推出的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)產(chǎn)品，其中90%以上為關(guān)系數(shù)據(jù)庫，并取代了網(wǎng)狀、層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)而成為主流數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。,2.1關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述（略）,2.1.1關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 2.1.2關(guān)系數(shù)據(jù)庫的發(fā)展動(dòng)向,2.1.1關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),(1) 數(shù)據(jù)高度結(jié)構(gòu)化關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

2、中采用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)類型，即二維表作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)高度結(jié)構(gòu)化，而且不存在復(fù)雜的內(nèi)部連接關(guān)系，具有高度的簡潔性。 (2) 易于編制應(yīng)用程序關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的使用不涉及系統(tǒng)內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)，而且所用數(shù)據(jù)語言均為非過程語言，因此開發(fā)、使用方便。 (3) 數(shù)據(jù)獨(dú)立性高關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組織、使用不涉及物理存儲(chǔ)因素和過程性因素，因此數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性和程序獨(dú)立性都很高。 (4) 功能強(qiáng)大關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能直接構(gòu)造復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型，特別是多聯(lián)系間的模型。它可以一次獲取多個(gè)記錄，可以修改數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，同時(shí)也有一定程度修改數(shù)據(jù)模式的能力。此外，路徑選擇靈活，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單。 (5) 理論基礎(chǔ)深關(guān)系數(shù)據(jù)庫的理論主要有關(guān)系運(yùn)算理

3、論和關(guān)系模式設(shè)計(jì)理論。由于有理論工具的支撐，使得對關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的進(jìn)一步研究與提高有了可靠保證。,2.1.2關(guān)系數(shù)據(jù)庫的發(fā)展動(dòng)向,關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)已成熟，其產(chǎn)品全方位向縱深發(fā)展，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面： (1) 可移植性 目前，大量的產(chǎn)品能同時(shí)適應(yīng)多個(gè)機(jī)種與多個(gè)操作系統(tǒng)。如Oracle能適應(yīng)70多種操作系統(tǒng)。 (2) 標(biāo)準(zhǔn)化 目前以SQL為代表的結(jié)構(gòu)化查詢語言已陸續(xù)被美國標(biāo)準(zhǔn)化組織ANSI、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO以及我國標(biāo)準(zhǔn)化組織確定為數(shù)據(jù)庫使用的標(biāo)準(zhǔn)化語言，從而完成了關(guān)系數(shù)據(jù)庫使用的統(tǒng)一性?？梢哉f這是關(guān)系數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的一次革命。 (3) 開發(fā)工具 由于用戶對數(shù)據(jù)庫直接操作的需要，要求數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不僅

4、有數(shù)據(jù)定義、操縱與控制等功能，還需要有大量的用戶界面生成、開發(fā)工具等以利于用戶的開發(fā)應(yīng)用。因此，自20世紀(jì)80年代以來，大多數(shù)關(guān)系數(shù)據(jù)庫都提供了這類工具。如Oracle Developer-2000、Visual Basic、PowerBuilder、Delphi等，它們大都屬于第4代語言范圍。,(4) 分布式功能 由于數(shù)據(jù)庫在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的大量應(yīng)用以及數(shù)據(jù)共享的要求，目前多數(shù)關(guān)系數(shù)據(jù)庫都提供分布式功能。 (5) 開放性 現(xiàn)代關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)大都具有通用的ODBC、JDBC接口以快速的專用接口，能與不同的數(shù)據(jù)庫、不同的應(yīng)用接口相連，并能不斷擴(kuò)充。,(6)其他方面的擴(kuò)展 由于計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，目前

5、關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)還出現(xiàn)了很多其他功能。 多媒體管理能力 在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中擴(kuò)充多媒體的存儲(chǔ)能力與表示手段，以利于它在多媒體中的應(yīng)用。 知識(shí)管理能力 在數(shù)據(jù)庫中增添知識(shí)表示與推理功能，以適應(yīng)它在人工智能中的應(yīng)用。 工程管理能力 在數(shù)據(jù)庫中增添圖形以及CAD/CAM功能，以適應(yīng)它在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。目前Oracle、Ingress都有此方面的功能。,2.2關(guān)系模型,關(guān)系模型由三部分組成 2.2.1關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 2.2.2關(guān)系操作 2.2.3關(guān)系完整性規(guī)則,2.2.1 關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),1. 關(guān)系 在用戶觀點(diǎn)下，關(guān)系模型中數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)是一張二維表,稱為“關(guān)系”。無論是實(shí)體集還是實(shí)體之間的聯(lián)系均由單一的“關(guān)系

6、”結(jié)構(gòu)類型表示。 關(guān)系模型中的主要術(shù)語（與計(jì)算機(jī)中術(shù)語對照）：,關(guān)系一般滿足下面7個(gè)性質(zhì)： （1）元組個(gè)數(shù)有限性：關(guān)系中元組個(gè)數(shù)是有限的； （2）元組的唯一性：關(guān)系中各元組均不相同； （3）元組的次序無關(guān)性：關(guān)系中元組的次序可以任意交換； （4）屬性名唯一性：關(guān)系中屬性名各不相同； （5）屬性的次序無關(guān)性：關(guān)系中各屬性次序無關(guān)，可任意交換； （6）分量值域的同一性：關(guān)系屬性列中分量具有與該屬性相同的值域（例，學(xué)生情況表中年齡域?yàn)?4-50，成績域?yàn)?-100）；,（7）元組分量的原子性：關(guān)系中元組的分量是不可分割的基本數(shù)據(jù)項(xiàng)，即，不允許“表中有表”。 例，職工工資表具體如下： 若以“職工工資表

7、（職工號(hào)，姓名，職稱，工資，扣除，實(shí)發(fā)）”作為該二維表的關(guān)系模式，則出現(xiàn)了還可細(xì)分的數(shù)據(jù)項(xiàng)“工資-基本、工齡、職務(wù)”、“扣除-房租、水電”，不滿足該性質(zhì)，不是規(guī)范的“關(guān)系”。,2. 碼（key） 碼是關(guān)系模型中的一個(gè)重要概念，它具有標(biāo)識(shí)元組、建立元組間聯(lián)系等重要作用。 （1）碼（key）：關(guān)系中能唯一地標(biāo)識(shí)一個(gè)元組的最小屬性集。 （2）候選碼（candidate key）：關(guān)系中的碼可能有多個(gè)，統(tǒng)稱為候選碼。 例，學(xué)生信息表中如果同時(shí)有“學(xué)號(hào)、身份證號(hào)”屬性，學(xué)號(hào)可以單獨(dú)作為碼，身份證號(hào)也可以單獨(dú)作為碼， “學(xué)號(hào)，身份證號(hào)”均稱為候選碼。 （3）主碼（primary key）：若一個(gè)關(guān)系有多個(gè)

8、候選碼，則選定其中一個(gè)為主碼或主關(guān)鍵字，簡稱“碼”。,（4）外碼（foreign key）：如果關(guān)系R中的某屬性集是關(guān)系S的主碼，則稱該屬性集為A的“外碼”或外關(guān)鍵字。 有如下兩個(gè)關(guān)系Zgqkb（職工情況表）和Qybmb（企業(yè)部門表）： Zgqkb（職工號(hào)Zgh，姓名Xm，性別Xb，年齡Nl，部門編號(hào)Bmbh,） Qybmb（部門編號(hào)Bmbh，部門名稱Bmmc，部門主管Bmzg,） 其中部門編號(hào)Bmbh是關(guān)系Qybmb的主碼，是關(guān)系Zgqkb的外碼。,3. 關(guān)系的分類 按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)系有不同的分類。 （1）按屬性分：具有n個(gè)屬性的關(guān)系稱為n元關(guān)系。n=0時(shí)稱空關(guān)系。 （2）按元組數(shù)目分：如

9、果一個(gè)關(guān)系的元組數(shù)目是無限的，則稱為無限關(guān)系，否則稱為有限關(guān)系。由于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)的限制，通常我們只研究有限關(guān)系。,（3）按關(guān)系的存儲(chǔ)狀況分： 基本表：實(shí)際存在的表（實(shí)表），是實(shí)際存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。 查詢表：是查詢結(jié)果表或查詢中生成的臨時(shí)表。 視圖表：是由基本表或其他視圖表導(dǎo)出的表，是為了數(shù)據(jù)查詢方便、數(shù)據(jù)處理簡便以及數(shù)據(jù)安全要求而設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)虛表，不對應(yīng)實(shí)際存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。,2.2.2 關(guān)系操作,關(guān)系模型常用的操作有查詢、刪除、插入、修改等操作。 1.關(guān)系數(shù)據(jù)庫所使用的關(guān)系語言的特點(diǎn)是：高度非過程化；即用戶只需說明“做什么”，而不必說明“怎么做”，由DBMS完成。 2.早期的關(guān)系操作能力是用兩

10、種方法表示的：代數(shù)方式和邏輯方式，即“關(guān)系代數(shù)”和“關(guān)系演算”，理論上這兩種方式功能是完全等價(jià)的（下節(jié)介紹）。 3.關(guān)系操作方式的特點(diǎn)是“集合操作”，即操作對象和結(jié)果都是集合。這種操作方式也稱為一次一集合（set-at-a-time）的方式。而非關(guān)系型的數(shù)據(jù)操作方式是一次一記錄（record-at-a-time）。,是對主碼、主碼與外碼的關(guān)系以及用戶對數(shù)據(jù)的約束要求。關(guān)系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)與更新操作必須遵循下列三類完整性規(guī)則。 1. 實(shí)體完整性規(guī)則（entity integrity rule） 若屬性A是基本關(guān)系R的主屬性，則屬性A不能取空值。 該規(guī)則規(guī)定基本關(guān)系的所有主屬性不能取空值。 例1，在關(guān)

11、系單位編碼表Dwbmb(單位編碼Dwbm, 單位名稱Dwmc)中，單位編碼為主碼，則單位編碼不能取空值。 例2，在學(xué)生信息表Xsxxb(學(xué)號(hào)No, 姓名Name, 性別Sex,)中，學(xué)號(hào)為主碼，則學(xué)號(hào)不能取空值。 一個(gè)基本關(guān)系通常對應(yīng)現(xiàn)實(shí)世界的一個(gè)實(shí)體集，而各實(shí)體依其“標(biāo)識(shí)屬性”-主碼來唯一標(biāo)識(shí)，其主碼取空值則說明存在不可識(shí)別的實(shí)體。,2.2.3 關(guān)系完整性規(guī)則,2. 參照完整性規(guī)則（reference integrity rule） 若屬性（或?qū)傩越M）F是基本關(guān)系R相對另一基本關(guān)系S的外碼，則對于R中每個(gè)元組在F上的取值只允許兩種可能，或者為空值（F的每個(gè)屬性值均為空值），或者等于S中某個(gè)元

12、組主碼Ks的值（即，F(xiàn)與Ks應(yīng)該取自同一個(gè)域，且必須是Ks已取的值）。 例3，Zgqkb（職工情況表）和Qybmb（企業(yè)部門表）： Zgqkb（職工號(hào)Zgh，姓名Xm，性別Xb，年齡Nl，部門編號(hào)Bmbh,） Qybmb（部門編號(hào)Bmbh，部門名稱Bmmc，部門主管Bmzg,） 這兩個(gè)關(guān)系之間存在著屬性的引用，職工情況表引用了企業(yè)部門表的主碼“Bmbh”。顯然，職工情況表中的“Bmbh”或者取空值，或者是企業(yè)部門表中已存在的部門編號(hào)。,參照完整性規(guī)則是定義外碼與主碼之間的引用規(guī)則。這條規(guī)則的實(shí)質(zhì)是“不允許引用不存在的實(shí)體”。 在上例中，關(guān)系模式Qybmb的關(guān)系稱為“參照關(guān)系”，關(guān)系模式Zgqk

13、b的關(guān)系稱為“依賴關(guān)系”。 在Visual FoxPro系統(tǒng)中稱為“父表”和“子表”。,3. 用戶定義的完整性規(guī)則（user-defined integrity rule） 實(shí)體完整性規(guī)則和參照完整性規(guī)則適用于任何關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。 除此之外，不同的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)根據(jù)其應(yīng)用環(huán)境的不同，往往還需要一些特殊的約束條件。用戶定義的完整性規(guī)則就是針對某一具體關(guān)系數(shù)據(jù)庫的約束條件，它反映某一具體應(yīng)用所涉及的數(shù)據(jù)必須滿足的語義要求。 比如，學(xué)生學(xué)籍管理DB中，可要求：學(xué)生年齡限制在1450之間： CHECK（Age between 14 AND 50）,2.3 關(guān)系代數(shù),2.3.1傳統(tǒng)的集合運(yùn)算 2.3.2

14、專門的關(guān)系運(yùn)算,關(guān)系代數(shù)是一種抽象的查詢語言，是通過對“關(guān)系”的運(yùn)算來“表達(dá)查詢”的方式。 它的操作對象、運(yùn)算結(jié)果均為“關(guān)系”。與具體的DBMS中實(shí)現(xiàn)的實(shí)際語言并不完全一樣。 關(guān)系代數(shù)用到的運(yùn)算符包括四類：傳統(tǒng)集合運(yùn)算符、專門的關(guān)系運(yùn)算符、算術(shù)比較運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符，如表2.2所示，見下頁。,關(guān)系代數(shù)的運(yùn)算可以分為兩類： （1）傳統(tǒng)的集合運(yùn)算：并、差、交、廣義笛卡爾積。其運(yùn)算是從關(guān)系的“水平”方向即行的角度來進(jìn)行。 （2）專門的關(guān)系運(yùn)算：投影（對關(guān)系進(jìn)行垂直分割）、選擇（水平分割）、連接（關(guān)系的結(jié)合）、除（笛卡爾積的逆運(yùn)算）。專門的關(guān)系運(yùn)算不僅涉及行而且涉及列。 算術(shù)比較運(yùn)算符和邏輯運(yùn)算符是用

15、來輔助專門的關(guān)系運(yùn)算符進(jìn)行操作的。,2.3.1 傳統(tǒng)的集合運(yùn)算,設(shè)關(guān)系R和關(guān)系S具有相同的關(guān)系模式，均由相同數(shù)目的屬性組成）（屬性數(shù)目稱為“目數(shù)”或“度數(shù)”，設(shè)為m），相應(yīng)的屬性取自同一個(gè)域。 1. 并（union） 結(jié)果仍為m目，由屬于R或?qū)儆赟的元組構(gòu)成，記為RS。 RS = t|tRtS 2. 差（difference） 結(jié)果仍為m目，由屬于R但不屬于S的元組構(gòu)成，記為RS。 RS = t|tRtS ,3. 交（intersection） 結(jié)果仍為m目，由既屬于R又屬于S的元組構(gòu)成，記為RS。 RS = t|tRtS 關(guān)系的交可以用差來表示， 即RS =R(RS) 。,例1，關(guān)系R： 關(guān)

16、系S： RS： R-S : RS :,4. 廣義笛卡爾積（extended cartesian product） 設(shè)關(guān)系R和S分別為m目（屬性數(shù)）和n目，R和S的廣義笛卡爾積是一個(gè)（m+n）列的元組的集合。元組的前m列是關(guān)系R的一個(gè)元組，后n列是關(guān)系S的一個(gè)元組。記為RS。形式定義如下： RS = trts| trRtsS 若R有k1個(gè)元組，S有k2個(gè)元組，則RS有k1k2個(gè)元組。,例2，R：,S：,R S：,2.3.2 專門的關(guān)系運(yùn)算,專門的關(guān)系運(yùn)算包括選擇、投影、連接、除等。 1. 選擇（selection） 選擇又稱為限制（restriction），它是在關(guān)系R中選取符合條件F的元組。是

17、從行的角度進(jìn)行的運(yùn)算。 記為：F(R) = t|tRF(t)=True 其中F表示選擇條件， 它是一個(gè)邏輯表達(dá)式，取邏輯值“True”或“False”。,邏輯表達(dá)式F有兩種成分： （1）運(yùn)算對象：有常量（用引號(hào)括起來）和屬性名(或列的序號(hào)）兩種表示方式。 （2）運(yùn)算符：有比較運(yùn)算符（也稱為符）和邏輯運(yùn)算符兩種形式。 邏輯表達(dá)式F就是由邏輯運(yùn)算符連接各算術(shù)表達(dá)式組成。而算術(shù)表達(dá)式的基本形式為： X1X2 ，其中為比較運(yùn)算符，X1、X2為運(yùn)算對象。,例3，設(shè)有一“學(xué)生學(xué)籍管理RDB”，包含：學(xué)生信息表（S）、課程信息表（C）、學(xué)生選課表（SC）三個(gè)關(guān)系。 S：,C：,SC：,求： （1）計(jì)算機(jī)科學(xué)

18、系（CS）的學(xué)生信息。 SD=CS(S) （2）年齡大于或等于20的學(xué)生信息。 SA20(S),2. 投影（projection） 是從R中選擇出若干屬性列組成新的關(guān)系。也就是對一個(gè)關(guān)系R進(jìn)行垂直分割，消去某些列，并重新安排列的順序，是從列的角度進(jìn)行的運(yùn)算。 記為：A(R) = tA|tR 其中A是R中的屬性列。 投影后不僅消去了原關(guān)系中的某些列，而且還可能消去某些元組。因?yàn)橄チ四承傩粤泻?，就可能出現(xiàn)重復(fù)行，應(yīng)消去這些完全相同的行。,在上例基礎(chǔ)上求： 所有學(xué)生的姓名及所屬系; SN，SD(S),3. 連接 (join) （1）也稱為連接。它是從兩個(gè)關(guān)系的廣義笛卡爾積中選取屬性間滿足給定條件

19、的元組。記為： R S = trts|trRtsStrAtsB 其中A和B分別為關(guān)系R和S上度數(shù)相等且可比的屬性組。是比較運(yùn)算符。連接運(yùn)算是從R和S的廣義笛卡爾積RS中選取R關(guān)系在A屬性組上的值與S關(guān)系在B屬性組上的值滿足比較關(guān)系的元組。,A B,例4，R：,S：,R S ：,C E,具體步驟：先求RS；再從中按條件選取部分元組。,例5，R：,S：,（2）等值連接：當(dāng)為“=”時(shí)的連接。,具體步驟同上例。,（3）自然連接（natural join）：是一種特殊的等值連接。它要求兩個(gè)關(guān)系中進(jìn)行比較的分量必須是相同的屬性組，并且在結(jié)果中須消去重復(fù)的屬性列，它是從行和列的角度進(jìn)行運(yùn)算。即R和S若具有相

20、同的屬性組，則自然連接可記為： R S = trts|trRtsStrBtsB 自然連接的具體計(jì)算過程如下： 計(jì)算RS。 選取滿足自然連接條件的元組。 去掉重復(fù)的屬性列。,補(bǔ)充：關(guān)系代數(shù)中，關(guān)系運(yùn)算經(jīng)有限次集合而成的式子稱為“關(guān)系代數(shù)表達(dá)式”。 例6， S、C、SC表結(jié)構(gòu)及內(nèi)容同本節(jié)例3（課件P31-33）。 求：（1）選修了“C2”課程的學(xué)生學(xué)號(hào)。 S#(C#=C2(SC) （2）至少選修了這樣一門課程-直接先修課程為C2的學(xué)生姓名。 SN(PC#=C2(C) S#,C#(SC) S#,SN(S),4. 除（division） 給定關(guān)系R（X，Y）和S（Y，Z），其中X，Y，Z為屬性組。R中的Y與S中的Y可以有不同的屬性名，但必須出自相同的域集。R與S的除運(yùn)算得到一個(gè)新的關(guān)系P(X)，P是R中滿足下列條件的元組在X屬性列上的投影：元組在X上分量