空間數(shù)據(jù)庫(kù)課件：第二章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)2-1

1、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)介系統(tǒng)而嚴(yán)格地提出關(guān)系模型的是美國(guó)IBM公司的E.F.Codd1970年提出關(guān)系數(shù)據(jù)模型E.F.Codd, “A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks”, Communication of the ACM,1970之后，提出了關(guān)系代數(shù)和關(guān)系演算的概念1972年提出了關(guān)系的第一、第二、第三范式1974年提出了關(guān)系的BC范式關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)簡(jiǎn)介關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用數(shù)學(xué)方法來(lái)處理數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)80年代后，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)成為最重要、最流行的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)典型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)System RUniversity of California, Ber

2、kley INGRES典型商用系統(tǒng)ORACLE(12c)IBM DB2(10.5)Microsoft SQL Server(2012)Sybase (Adaptive Server Enterprise 15.7)Informix(Informix Dynamic Server 12.1,IBM)典型Open Source系統(tǒng)MySQL(5.6,Open Source,Oracle);MariaDBPostgreSQL(9.3)典型桌面系統(tǒng)Microsoft Office Access(2013), Sqlite第二章 關(guān) 系 數(shù) 據(jù) 庫(kù)第一節(jié) 關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及形式化定義第二節(jié) 關(guān)系操作第三節(jié)

3、關(guān)系的完整性第四節(jié) 關(guān)系代數(shù)第五節(jié) 關(guān)系演算第二章 關(guān) 系 數(shù) 據(jù) 庫(kù)第一節(jié) 關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及形式化定義第二節(jié) 關(guān)系操作第三節(jié) 關(guān)系的完整性第四節(jié) 關(guān)系代數(shù)第五節(jié) 關(guān)系演算2.1 關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及形式化定義2.1.1關(guān)系2.1.2關(guān)系模式2.1.3關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)2.1.1 關(guān)系單一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-關(guān)系現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體以及實(shí)體間的各種聯(lián)系均用關(guān)系來(lái)表示數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)-二維表從用戶角度，關(guān)系模型中數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)是一張二維表。 建立在集合代數(shù)的基礎(chǔ)上 2.1.1 關(guān)系 域（Domain）域是一組具有相同數(shù)據(jù)類型的值的集合。例:整數(shù)實(shí)數(shù)介于某個(gè)取值范圍的整數(shù)長(zhǎng)度指定長(zhǎng)度的字符串集合男，女介于某個(gè)取值范圍的日期2.

4、笛卡爾積（Cartesian Product）1) 笛卡爾積給定一組域D1，D2，Dn，這些域中可以有相同的。D1，D2，Dn的笛卡爾積為：D1D2Dn（d1，d2，dn）diDi，i1，2，n所有域的所有取值的一個(gè)組合不能重復(fù)2. 笛卡爾積（Cartesian Product）例：給出三個(gè)域： D1=SUPERVISOR = 張清玫，劉逸 D2=SPECIALITY=計(jì)算機(jī)專業(yè)，信息專業(yè) D3=POSTGRADUATE=李勇，劉晨，王敏則D1，D2，D3的笛卡爾積為：D1D2D3 (張清玫，計(jì)算機(jī)專業(yè)，李勇)，(張清玫，計(jì)算機(jī)專業(yè)，劉晨)， (張清玫，計(jì)算機(jī)專業(yè)，王敏)，(張清玫，信息專業(yè)，

5、李勇)， (張清玫，信息專業(yè)，劉晨)，(張清玫，信息專業(yè)，王敏)， (劉逸，計(jì)算機(jī)專業(yè)，李勇)，(劉逸，計(jì)算機(jī)專業(yè)，劉晨)， (劉逸，計(jì)算機(jī)專業(yè)，王敏)，(劉逸，信息專業(yè)，李勇)， (劉逸，信息專業(yè)，劉晨)，(劉逸，信息專業(yè)，王敏) 2. 笛卡爾積（Cartesian Product）2) 元組（Tuple）笛卡爾積中每一個(gè)元素（d1，d2，dn）叫作一個(gè)n元組（n-tuple）或簡(jiǎn)稱元組。 3) 分量（Component）笛卡爾積元素（d1，d2，dn）中的每一個(gè)值di叫作一個(gè)分量。4) 基數(shù)（Cardinal number）若Di（i1，2，n）為有限集，其基數(shù)為mi（i1，2，n），則D

6、1D2Dn的基數(shù)M為：在上例中，基數(shù)：22312，即D1D2D3有12個(gè)元組5)笛卡爾積的表示方法笛卡爾積可表示為一個(gè)二維表。表中的每行對(duì)應(yīng)一個(gè)元組，表中的每列對(duì)應(yīng)一個(gè)域。在上例中，12個(gè)元組可列成一張二維表 3. 關(guān)系（Relation）1) 關(guān)系D1D2Dn的子集叫作在域D1，D2，Dn上的關(guān)系，表示為：R（D1，D2，Dn）；其中，R為關(guān)系名，n為關(guān)系的目或度（Degree）注意：關(guān)系是笛卡爾積的有限子集。無(wú)限關(guān)系在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中是無(wú)意義的。由于笛卡爾積不滿足交換律，即 (d1，d2，dn )(d2，d1，dn )但關(guān)系滿足交換律，即(d1，d2 ，di ，dj ，dn）=（d1，d2 ，

7、dj，di ，dn） （i，j = 1，2，n）解決方法：為關(guān)系的每個(gè)列附加一個(gè)屬性名以取消關(guān)系元組的有序性3. 關(guān)系（Relation）例：在表2.1 的笛卡爾積中取出有實(shí)際意義的元組來(lái)構(gòu)造關(guān)系關(guān)系名，屬性名關(guān)系：SAP(SUPERVISOR，SPECIALITY，POSTGRADUATE)假設(shè)：導(dǎo)師與專業(yè)：1:1，導(dǎo)師與研究生：1:n于是：SAP關(guān)系可以包含三個(gè)元組 (張清玫，信息專業(yè)，李勇)， (張清玫，信息專業(yè)，劉晨)， (劉逸，信息專業(yè)，王敏) 3. 關(guān)系（Relation）2) 元組關(guān)系中的每個(gè)元素是關(guān)系中的元組，通常用t表示。3) 單元關(guān)系與二元關(guān)系當(dāng)n=1時(shí)，稱該關(guān)系為單元關(guān)系

8、（Unary relation）。當(dāng)n=2時(shí)，稱該關(guān)系為二元關(guān)系（Binary relation）。4) 關(guān)系的表示關(guān)系也是一個(gè)二維表，表的每行對(duì)應(yīng)一個(gè)元組，表的每列對(duì)應(yīng)一個(gè)域。3. 關(guān)系（Relation）5) 屬性關(guān)系中不同列可以對(duì)應(yīng)相同的域，為了加以區(qū)分，必須對(duì)每列起一個(gè)名字，稱為屬性（Attribute）。n目關(guān)系必有n個(gè)屬性。6) 碼候選碼（Candidate key）若關(guān)系中的某一屬性組的值能唯一地標(biāo)識(shí)一個(gè)元組，則稱該屬性組為候選碼在最簡(jiǎn)單的情況下，候選碼只包含一個(gè)屬性。在最極端的情況下，關(guān)系模式的所有屬性組是這個(gè)關(guān)系模式的候選碼，稱為全碼（All-key）。主碼若一個(gè)關(guān)系有多個(gè)候

9、選碼，則選定其中一個(gè)為主碼（Primary key）。候選碼的諸屬性稱為主屬性（Prime attribute）。不包含在任何侯選碼中的屬性稱為非主屬性或非碼屬性（Non-key attribute）。 3. 關(guān)系（Relation）7) 三類關(guān)系基本關(guān)系（基本表或基表）實(shí)際存在的表，是實(shí)際存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的邏輯表示查詢表查詢結(jié)果對(duì)應(yīng)的表視圖表由基本表或其他視圖表導(dǎo)出的表，是虛表，不對(duì)應(yīng)實(shí)際存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)3. 關(guān)系（Relation）8) 基本關(guān)系的性質(zhì) 列是同質(zhì)的（Homogeneous）每一列中的分量是同一類型的數(shù)據(jù)，來(lái)自同一個(gè)域 不同的列可出自同一個(gè)域其中的每一列稱為一個(gè)屬性不同的屬性要給予不同的屬

10、性名例如： SAP關(guān)系也可以只給出兩個(gè)域：人（PERSON）=張清玫，劉逸，李勇，劉晨，王敏專業(yè)（SPECIALITY）=計(jì)算機(jī)專業(yè)，信息專業(yè)SAP關(guān)系的導(dǎo)師屬性和研究生屬性都從PERSON域中取值為了避免混淆，必須給這兩個(gè)屬性取不同的屬性名，而不能直接使用域名。3. 關(guān)系（Relation） 列的順序無(wú)所謂列的次序可以任意交換增加新屬性時(shí)，永遠(yuǎn)是插至最后一列但也有許多關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品沒(méi)有遵循這一性質(zhì)，例如FoxPro仍然區(qū)分了屬性順序 任意兩個(gè)元組的候選碼不能相同由笛卡爾積的性質(zhì)決定但許多關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品沒(méi)有遵循這一性質(zhì)。例如:Oracle，F(xiàn)oxPro等都允許關(guān)系表中存在兩個(gè)完全相同的元組，除

11、非用戶特別定義了相應(yīng)的約束條件。3. 關(guān)系（Relation） 行的順序無(wú)所謂行的次序可以任意交換遵循這一性質(zhì)的數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品(如ORACLE)，插入一個(gè)元組時(shí)永遠(yuǎn)插至最后一行但也有許多關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品沒(méi)有遵循這一性質(zhì)，例如FoxPro仍然區(qū)分了元組的順序 分量必須取原子值每一個(gè)分量都必須是不可分的數(shù)據(jù)項(xiàng)。這是規(guī)范條件中最基本的一條2.1.2 關(guān)系模式關(guān)系模式（Relation Schema）是型關(guān)系是值關(guān)系模式是對(duì)關(guān)系的描述元組集合的結(jié)構(gòu)屬性構(gòu)成屬性來(lái)自的域?qū)傩耘c域之間的映象關(guān)系元組語(yǔ)義以及完整性約束條件屬性間的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系集合 2.1.2 關(guān)系模式關(guān)系模式可以形式化地表示為： R（U，D，dom

12、，F(xiàn)）R 關(guān)系名U 組成該關(guān)系的屬性名集合D 屬性組U中屬性所來(lái)自的域dom 屬性向域的映象集合 例:導(dǎo)師和研究生出自同一個(gè)域人，取不同的屬性名，并在模式中定義屬性向域的映象，即說(shuō)明它們分別出自哪個(gè)域： dom（SUPERVISOR-PERSON） = dom（POSTGRADUATE-PERSON） =PERSONF 屬性間的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系集合2.1.2 關(guān)系模式關(guān)系模式通?？梢院?jiǎn)記為 R (U) 或R (A1，A2，An) R 關(guān)系名 A1，A2，An 屬性名注：域名及屬性向域的映象常常直接說(shuō)明為屬性的類型、長(zhǎng)度2.1.2 關(guān)系模式關(guān)系模式對(duì)關(guān)系的描述靜態(tài)的、穩(wěn)定的關(guān)系關(guān)系模式在某一時(shí)刻的狀

13、態(tài)或內(nèi)容動(dòng)態(tài)的、隨時(shí)間不斷變化的關(guān)系模式和關(guān)系往往統(tǒng)稱為關(guān)系通過(guò)上下文加以區(qū)別2.1.3 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)1. 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)在一個(gè)給定的應(yīng)用領(lǐng)域中，所有實(shí)體及實(shí)體之間聯(lián)系的關(guān)系的集合構(gòu)成一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。2. 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的型與值關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)也有型和值之分關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的型稱為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式，是對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的描述，包括若干域的定義以及在這些域上定義的若干關(guān)系模式關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的值是這些關(guān)系模式在某一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的關(guān)系的集合，通常簡(jiǎn)稱為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)第二章 關(guān) 系 數(shù) 據(jù) 庫(kù)第一節(jié) 關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及形式化定義第二節(jié) 關(guān)系操作第三節(jié) 關(guān)系的完整性第四節(jié) 關(guān)系代數(shù)第五節(jié) 關(guān)系演算2.2 關(guān)系操作常用的關(guān)系操作關(guān)系操作的特點(diǎn)關(guān)系數(shù)據(jù)

14、語(yǔ)言的種類關(guān)系數(shù)據(jù)語(yǔ)言的特點(diǎn)2.2 關(guān)系操作1) 常用的關(guān)系操作查詢選擇、投影、連接、除、并、交、差、笛卡爾積數(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2) 關(guān)系操作的特點(diǎn)集合操作方式，即操作的對(duì)象和結(jié)果都是集合。非關(guān)系數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)操作方式：一次一記錄2.2 關(guān)系操作3) 關(guān)系數(shù)據(jù)語(yǔ)言的種類關(guān)系代數(shù)語(yǔ)言 用對(duì)關(guān)系的運(yùn)算來(lái)表達(dá)查詢要求典型代表：ISBL關(guān)系演算語(yǔ)言：用謂詞來(lái)表達(dá)查詢要求元組關(guān)系演算語(yǔ)言謂詞變?cè)幕緦?duì)象是元組變量典型代表：APLHA, QUEL域關(guān)系演算語(yǔ)言 謂詞變?cè)幕緦?duì)象是域變量典型代表：QBE具有關(guān)系代數(shù)和關(guān)系演算雙重特點(diǎn)的語(yǔ)言典型代表：SQL2.2 關(guān)系

15、操作4) 關(guān)系數(shù)據(jù)語(yǔ)言的特點(diǎn)關(guān)系語(yǔ)言是一種高度非過(guò)程化的語(yǔ)言存取路徑的選擇由DBMS的優(yōu)化機(jī)制來(lái)完成用戶不必用循環(huán)結(jié)構(gòu)就可以完成數(shù)據(jù)操作能夠嵌入高級(jí)語(yǔ)言中使用關(guān)系代數(shù)、元組關(guān)系演算和域關(guān)系演算三種語(yǔ)言在表達(dá)能力上完全等價(jià)第二章 關(guān) 系 數(shù) 據(jù) 庫(kù)第一節(jié) 關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及形式化定義第二節(jié) 關(guān)系操作第三節(jié) 關(guān)系的完整性第四節(jié) 關(guān)系代數(shù)第五節(jié) 關(guān)系演算2.3 關(guān)系的完整性關(guān)系模型的完整性規(guī)則是對(duì)關(guān)系的某種約束條件。關(guān)系模型中三類完整性約束：實(shí)體完整性參照完整性用戶定義的完整性實(shí)體完整性和參照完整性是關(guān)系模型必須滿足的完整性約束條件，被稱作是關(guān)系的兩個(gè)不變性，應(yīng)該由關(guān)系系統(tǒng)自動(dòng)支持。2.3 關(guān)系的完整性

16、實(shí)體完整性通常由關(guān)系系統(tǒng)自動(dòng)支持參照完整性早期系統(tǒng)不支持，目前大型系統(tǒng)能自動(dòng)支持用戶定義的完整性反映應(yīng)用領(lǐng)域需要遵循的約束條件，體現(xiàn)了具體領(lǐng)域中的語(yǔ)義約束用戶定義后由系統(tǒng)支持2.3.1 實(shí)體完整性實(shí)體完整性規(guī)則（Entity Integrity）若屬性A是基本關(guān)系R的主屬性，則屬性A不能取空值例：SAP(SUPERVISOR，SPECIALITY，POSTGRADUATE)POSTGRADUATE屬性為主碼（假設(shè)研究生不會(huì)重名），則其不能取空值2.3.1 實(shí)體完整性關(guān)系模型必須遵守實(shí)體完整性規(guī)則的原因(1) 實(shí)體完整性規(guī)則是針對(duì)基本關(guān)系而言的。一個(gè)基本表通常對(duì)應(yīng)現(xiàn)實(shí)世界的一個(gè)實(shí)體集或多對(duì)多聯(lián)系

17、。(2) 現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體和實(shí)體間的聯(lián)系都是可區(qū)分的，即它們具有某種唯一性標(biāo)識(shí)。(3) 相應(yīng)地，關(guān)系模型中以主碼作為唯一性標(biāo)識(shí)。(4) 主碼中的屬性即主屬性不能取空值?？罩稻褪恰安恢馈被颉盁o(wú)意義”的值。主屬性取空值，就說(shuō)明存在某個(gè)不可標(biāo)識(shí)的實(shí)體，即存在不可區(qū)分的實(shí)體，這與第（2）點(diǎn)相矛盾，因此這個(gè)規(guī)則稱為實(shí)體完整性。注意：實(shí)體完整性規(guī)則規(guī)定基本關(guān)系的所有主屬性都不能取空值選修（學(xué)號(hào)，課程號(hào)，成績(jī)）“學(xué)號(hào)、課程號(hào)”為主碼，則兩個(gè)屬性都不能取空值。2.3.2 參照完整性1. 關(guān)系間的引用2. 外碼3. 參照完整性規(guī)則1. 關(guān)系間的引用 在關(guān)系模型中實(shí)體及實(shí)體間的聯(lián)系都是用關(guān)系來(lái)描述的，因此可能存

18、在著關(guān)系與關(guān)系間的引用。 例1 學(xué)生實(shí)體、專業(yè)實(shí)體以及專業(yè)與學(xué)生間的一對(duì)多聯(lián)系 學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，性別，專業(yè)號(hào)，年齡） 專業(yè)（專業(yè)號(hào)，專業(yè)名）1.關(guān)系間的引用例2 學(xué)生、課程、學(xué)生與課程之間的多對(duì)多聯(lián)系 學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，性別，專業(yè)號(hào)，年齡） 課程（課程號(hào)，課程名，學(xué)分） 選修（學(xué)號(hào)，課程號(hào)，成績(jī)）1.關(guān)系間的引用例3 學(xué)生實(shí)體及其內(nèi)部的領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)系(一對(duì)多) 學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，性別，專業(yè)號(hào)，年齡，班長(zhǎng)）2外碼（Foreign Key）設(shè)F是基本關(guān)系R的一個(gè)或一組屬性，但不是關(guān)系R的碼(候選碼)。如果F與基本關(guān)系S的主碼Ks相對(duì)應(yīng)，則稱F是基本關(guān)系R的外碼;基本關(guān)系R稱為參照關(guān)系（Referenc

19、ing Relation）;基本關(guān)系S稱為被參照關(guān)系（Referenced Relation）或目標(biāo)關(guān)系（Target Relation）。2外碼（Foreign Key）例1：學(xué)生關(guān)系的“專業(yè)號(hào)”與專業(yè)關(guān)系的主碼“專業(yè)號(hào)”相對(duì)應(yīng)“專業(yè)號(hào)”屬性是學(xué)生關(guān)系的外碼專業(yè)關(guān)系是被參照關(guān)系，學(xué)生關(guān)系為參照關(guān)系 2外碼（Foreign Key）例2： 選修關(guān)系的“學(xué)號(hào)” 與學(xué)生關(guān)系的主碼“學(xué)號(hào)”相對(duì)應(yīng) 選修關(guān)系的“課程號(hào)”與課程關(guān)系的主碼“課程號(hào)”相對(duì)應(yīng)“學(xué)號(hào)”和“課程號(hào)”是選修關(guān)系的外碼學(xué)生關(guān)系和課程關(guān)系均為被參照關(guān)系選修關(guān)系為參照關(guān)系 2外碼（Foreign Key）例3：“班長(zhǎng)”與本身的主碼“學(xué)號(hào)”相對(duì)應(yīng)“班長(zhǎng)”是外碼學(xué)生關(guān)系既是參照關(guān)系也是被參照關(guān)系 2外碼（Foreign Key）說(shuō)明關(guān)系R和S不一定是不同的關(guān)系目標(biāo)關(guān)系S的主碼Ks 和參照關(guān)系的外碼F必須定義在同一個(gè)（或一組）域上外碼并不一定要與相應(yīng)的主碼同名當(dāng)外碼與相應(yīng)的主碼屬于不同關(guān)系時(shí)，往往取相同的名字，以便于識(shí)別3. 參照完整性規(guī)則若屬性（或?qū)傩越M）F是基本關(guān)系R的外碼它與基本關(guān)系S的主碼Ks相對(duì)應(yīng)（基本關(guān)系R