數據庫技術及應用第2章.ppt

1、,第二章 關系數據庫設計,2.1 關系數據模型與關系運算,2.2 關系模式的規(guī)范化,2.3 關系數據庫設計的步驟與內容,2.4 本章小結,本章內容,2.1.1 關系數據模型 1.關系數據模型的數據結構 關系模型中數據的邏輯結構是一張二維表，由行和列組成。 關系：整個表就是一個關系，每個關系都有一個關系名。 元組：表中的一行稱為一個元組，與實體相對應。 屬性：表中的一列稱為一個屬性。 主碼：是表中的某個屬性組，可以惟一確定一個元組。 域：屬性的取值范圍。 分量：一個元組在一個屬性上的值稱為該元組在此屬性上的分量。 關系模式：對關系的描述，由關系名及其所有屬性名組成的集合。,2.1 關系數據模型與

2、關系運算,元組,表2-1 描述學生基本信息表的關系模型,注意： 實體間的聯(lián)系都是用關系來表示的； 關系模型要求關系必須是規(guī)范化的。 表中不允許出現(xiàn)完全相同的兩個元組； 在一個關系模式中，不允許有兩個屬性具有相同的屬性名； 在一個關系模式中，屬性間的順序和元組間的順序都是無關緊要的。,表2-2 關系模型不允許的表,存取路徑對用戶是透明的，用戶在存取時不需要考慮其物理存取路徑。,數據操作是集合操作，操作對象和操作結果都是關系，即由若干元組組成的集合。,主要包括：查詢、插入、刪除和修改數據。,2. 關系模型的操作,3. 完整性約束,實體完整性 關系的主碼中的屬性值不能為空值。 關系對應到現(xiàn)實世界中的

3、實體集，元組對應到實體。實體是相互可區(qū)分的，通過主碼來惟一標識，若主碼為空，則出現(xiàn)不可標識的實體，這是不允許的。 參照完整性 設F是基本關系R的一個或一組屬性，但不是關系R的主碼。如果F與基本關系S的主碼KS相對應，則稱F是基本關系R的外碼。并稱基本關系R為參照關系，基本關系S為被參照關系或目標關系。 用戶定義的完整性 用戶針對具體的應用環(huán)境定義完整性約束條件。,舉例： 表2-1中“學號”為主碼，表2-3中“學號”相對表2-1為外碼，表2-3中“學號”取值要么是表2-1“學號”中的一個值，表示該宿舍已經推選出舍長；要么為空，表示該宿舍還沒有推選出舍長。表2-1稱為被參照關系，表2-3稱為參照關

4、系。,表2-3 舍長信息表,優(yōu)點 關系數據模型是建立在嚴格的數學概念基礎上的； 關系模型概念單一。實體間的聯(lián)系、數據的檢索結果也都是關系，因而其數據結構簡單、清晰，用戶易懂易用； 數據的存取路徑對用戶透明，具有更高的數據獨立性和更好的安全保密性。 缺點 查詢效率不如非關系數據模型高，有時為了提高查詢性能，必須對用戶的查詢請求進行優(yōu)化，增加了開發(fā)數據庫系統(tǒng)的難度。,4. 關系數據模型的優(yōu)缺點,關系代數的運算對象是關系，運算結果亦是關系。 四類運算符： 集合運算：并（）、差（）、交（）、笛卡爾積（）； 比較運算：大于（）、大于等于（）、小于（）、小于等于（）、等于（）、不等于（）； 專門的關系運算

5、：選擇（）、投影（）、連接（）； 邏輯運算：非（）、與（）、或（）。,2.1.2 關系代數,關系代數的運算按運算的不同分為傳統(tǒng)的集合運算和專門的關系運算兩類。,表2-4 航線1（中航航線),表2-4 航線2（東航航線),（1）并 關系R和S的并記作：RS=ttRtS。 如：求中航和東航所有航線，即航線1航線2，結果如表2-5。,表2-5 并運算,1. 集合運算,（2）差 關系R和S的差記作： 。 如：求中航有而東航沒有的航線，即航線1航線2，結果如表2-6,表2-6差運算,（3）交 關系R和S的交記作：RS=ttR tS。交運算可以通過差運算來重寫：RS = R (R S) 如：求中航和東航均

6、有的航線，即航線1航線2，結果如表2-7。,表2-7交運算,（4）廣義笛卡爾積 關系R（n目）和S（m目）的廣義笛卡爾積是一個（n+m）列的元組的集合。 記作：RS= 如把表2-4與表2-4做廣義笛卡爾積運算，即航線1航線2，就會產生8列20個元組的結果。,專門的關系運算不僅涉及行而且涉及列，比較運算符和邏輯運算符是用來輔助專門的關系運算符進行操作。 （1）選擇 基本定義：在關系R中選擇滿足給定條件的元組。 格式：F(R)=t | tR , F(t) = 真 。 如：查找里程大于1200公里的航線。即里程1200(航線1)，其結果表2-8。,2. 專門的關系運算,表2-8 選擇運算,（2）投影

7、 定義:關系R的投影是從R中選擇出若干屬性列組成新的關系。 格式：A(R)= ，AR。 如：顯示航線1的航線編號。即航線編號(航線1)，結果為表2-9。,表2-9 投影操作,（3）連接 定義:從兩個關系的笛卡爾積中選取屬性間滿足一定條件的元組。 格式： =trts | trR tsS trAtsB A和B：分別為R和S上度數相等且可比的屬性組 ：比較運算符 連接運算包括兩類：等值連接和自然連接。 等值連接：當為“=”時，從關系R與S的廣義笛卡爾積中選取A，B屬性值相等的那些元組，沒有要求去掉重復屬性列。 自然連接：要求兩個關系中進行比較的分量必須是相同的屬性組，并且在結果中將重復的屬性列去掉。

8、,2.2 關系模式的規(guī)范化,2.2.1 模式規(guī)范化的必要性 針對具體問題，數據模式如果構造不好，就會存在插入異常、更新異常、刪除異常、數據冗余等問題，為了解決這些問題，我們需要對關系模式進行規(guī)范化。規(guī)范化理論提供了判別關系模式的標準，為數據庫設計工作提供了嚴格的理論依據。,1. 基本概念 （1）函數依賴 設R(U)是屬性集U上的關系模式。X，Y是U的子集。若對于R(U)的任意一個可能的關系r，r中不可能存在兩個元組在X上的屬性值相等，而在Y上的屬性值不等，則稱X函數確定Y或Y函數依賴于X，記作XY。 （2）完全、部分、傳遞函數依賴 在R(U)中，如果XY，并且對于X的任何一個真子集X，都有XY

9、，則稱Y對X完全函數依賴，記作X Y 。 若XY，但Y不完全函數依賴于X，則稱Y對X部分函數依賴，記作X Y。 在R(U)中，如果XY(Y X)、YX、YZ，則稱Z對X傳遞函數依賴。,2.2.2 模式的規(guī)范化,（3）碼 設K為R(U，F(xiàn))中的屬性或屬性組合，若K U，則K為R的候選碼。若候選碼多于一個，則選定其中的一個為主碼。 主屬性：包含在任何一個候選碼中的屬性； 非主屬性：不包含在任何候選碼中的屬性。 全碼：整個屬性組是碼。,2. 范式 范式是對關系的不同數據依賴程度的要求，根據滿足的約束條件確定滿足哪個范式，滿足最低要求的為第一范式；符合1NF而又進一步滿足一些約束條件的成為第二范式，依

10、此類推，共有五種范式。 通過模式分解將一個低級范式轉換為若干個高級范式的過程稱作規(guī)范化。 第一范式（1NF） 對于一張二維表，如果它的每一個分量都是不可分的數據項。我們稱這個關系模式滿足了第一范式（1NF）。, 第二范式（2NF） 若關系R1NF，且每一個非主屬性完全函數依賴于碼，則關系R2NF。即：碼決定了每一個非主屬性，或稱消除非主屬性對碼的部分依賴。 第三范式（3NF） 關系模式R(U，F(xiàn))中，若不存在這樣的碼X，屬性組Y及非主屬性Z(Z Y)，使得下式成立：XY（Y X），YZ，則稱R3NF，或稱消除非主屬性對碼的傳遞依賴。 BCNF（修正的第三范式） 關系模式R(U，F(xiàn))中，對于屬性

11、組X，Y，若XY且Y X時X必含有碼，則R(U，F(xiàn))BCNF。即要求在關系模式R中，每一個決定因素都包含碼，或稱消除主屬性對碼的部分、傳遞依賴。,1. 舉例,表2-14 航空公司運營表,表2-14是航空公司運營表，在此表中，主碼為（公司編號，航線編號），其依賴關系如下： （公司編號，航線編號） 班次； （公司編號，航線編號） 名稱； 根據依賴關系可以判斷該關系 2NF，更 3NF，分析該表存在插入異常、刪除異常、更新異常和數據冗余的問題。該表存在明顯的部分依賴；解決的辦法將原有關系分解成兩個關系模式，分別是航空公司（公司編號，名稱，管理局，地址）和運營（公司編號，航線編號，班次)。分解后的兩個

12、關系均為2NF，很大程度解決了插入異常、刪除異常、更新異常及數據冗余問題。,（1）范式之間的關系 BCNF包含了第三范式，第三范式包含第二范式，第二范式包含第一范式。 （2）規(guī)范化目的 規(guī)范化的目的是使關系模式的結構更合理，消除存儲異常，使數據冗余盡量小，便于插入、刪除和更新。 （3）原則 規(guī)范的實質是概念的單一化，是以一個關系模式描述一個實體或實體間的一種聯(lián)系的原則來設計數據庫。 （4）方法 將關系模式投影分解成兩個或兩個以上的關系模式。 （5）規(guī)范化時應該考慮的問題,2. 規(guī)范化,2.3 關系數據庫設計的步驟與內容,2.3.1 數據庫設計的一般步驟 數據庫設計是指對于一個給定的應用環(huán)境，構

13、造最優(yōu)的數據庫模式，建立數據庫及其應用系統(tǒng)，使之能夠有效地存儲數據，滿足各種用戶的應用需求。 特別說明：數據庫設計需要有數據模型設計及用到關系數據模式的規(guī)范化理論，一定要注意2.1和2.2理論知識的掌握，在此理論知識的指導，開發(fā)合理、科學的數據庫。 1. 用戶需求分析 理解用戶對該項目所提出的各種要求，并進一步對各個環(huán)節(jié)進行抽象。需求分析是整個設計過程的基礎，是最困難、最耗費時間的一步。 2. 概念結構設計 通過對用戶需求進行綜合、歸納與抽象，形成一個獨立于具體DBMS的概念模型，可以用E-R圖表示。,3. 邏輯結構設計 將概念結構轉換為某個RDBMS所支持的數據模型，并對其進行優(yōu)化。 4.

14、物理結構設計 為邏輯數據模型選取一個最適合應用環(huán)境的物理結構，確定得到的關系數據模型最后反映在物理設備上是什么物理結構。 5. 數據庫實施 運用RDBMS提供的關系型數據庫管理系統(tǒng)ACCESS，根據邏輯設計和物理設計的結果建立關系數據庫、編制與調試應用程序、組織數據入庫并進行試運行。 6. 數據庫的維護 數據庫應用系統(tǒng)經過試運行后即可投入正式運行。在數據庫系統(tǒng)運行過程中必須不斷地對其進行評價、調整與修改。,2.3.2 學生宿舍管理系統(tǒng)數據庫設計,以“學生宿舍管理系統(tǒng)”系統(tǒng)的開發(fā)過程為例，闡述如何進行實用系統(tǒng)數據庫的開發(fā)。 1、需求分析 通過對某高校學生宿舍樓的實地調查，了解到現(xiàn)在的學生宿舍管理

15、仍停留在完全的人工管理階段，樓管處沒有標準的住宿學生存檔信息。這種人工管理方式費時、費事、費力，造成工作效率低下。故開發(fā)出合適的學生宿舍管理系統(tǒng)，可以方便學生宿舍的管理，提高宿舍管理工作效率及查詢效率。,圖2-2 “學生宿舍管理系統(tǒng)”功能圖,根據需求分析的結果，從現(xiàn)實中抽取與系統(tǒng)相關的概念，確定系統(tǒng)中涉及的實體；在此基礎上確定實體間聯(lián)系；用E-R圖表示。,2. 概念結構設計,圖2- 3 “學生宿舍管理”系統(tǒng)E-R圖,（1）E-R圖向關系模型的轉換 “學生宿舍管理”系統(tǒng)中的4個實體和5個聯(lián)系可以轉換為下列關系模式： 學生基本信息表（學號，姓名，性別，出生日期，學院，班級，生源地，是否黨員，照片，

16、簡歷，是否舍長，入學成績） 宿舍基本信息表（宿舍號，房間標準，住宿費，電話，管理員，備注) 財產信息表（財產號，財產名稱，單價，備注) 宿舍分配表（學號，宿舍號，入住時間） 財產分配表（宿舍號，財產號，數量，備注） 管理員基本信息表（管理員號，姓名，性別，出生日期，家庭地址，聯(lián)系電話，備注） 舍長表（宿舍號，學號，備注）,3.邏輯結構設計,（2）對關系模型進行優(yōu)化 為了進一步提高數據庫應用系統(tǒng)的性能，通常以規(guī)范化理論為指導，進行適當的修改、調整數據模型的結構，這就是數據模型的優(yōu)化。規(guī)范化理論為數據庫設計人員判斷關系模式優(yōu)劣提供了理論標準，可用來預測模式可能出現(xiàn)的問題，使數據庫設計工作有了嚴格的理論可以遵循。 通過分析，以上7個表均滿足BCNF范式，不存在函數依賴。 4.其余設計階段 通過物理結構設計對數據的存取方式、和存儲位置進行設計后；就可在數據庫工具中進行建庫、建表等一系列操作完成數據庫實施階段的工作；通過反復調試、測試直至設計無