第1章 數(shù)據(jù)庫理論基礎(chǔ)

第一章數(shù)據(jù)庫理論基礎(chǔ)本節(jié)要點數(shù)據(jù)庫理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)構(gòu)成數(shù)據(jù)庫設(shè)計理論概念模型設(shè)計關(guān)系模型什么是數(shù)據(jù)庫？數(shù)據(jù)庫（DataBase，DB）

是長期保存在計算機內(nèi)的、有組織、可共享的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)模型描述、組織和儲存，具有很小的冗余度、較高的數(shù)據(jù)獨立性和易擴展性，并可供多用戶共享。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem，DBMS）是為數(shù)據(jù)庫建立、使用和維護而配置的軟件系統(tǒng)。它是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心組成部分，數(shù)據(jù)庫的一切操作，如查詢、更新、插入、刪除以及各種控制，都是通過DBMS進行的。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DataBaseSystem，DBS）是由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫管理員、用戶等構(gòu)成的人－機系統(tǒng)。數(shù)據(jù)、硬件、軟件、用戶注意：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)并不單指數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，而是指帶有數(shù)據(jù)庫的整個計算機系統(tǒng)。DBMS數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理員DBA用戶……數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成抽象轉(zhuǎn)換現(xiàn)實世界機器世界信息世界實體屬性數(shù)據(jù)庫設(shè)計數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程E-R模型的基本概念實體(entity)：客觀存在，可以相互區(qū)別的事物稱為實體。屬性(attribute)：實體有很多特性，每一個特性稱為屬性。每一個屬性有一個值域，其類型可以是整數(shù)型、實數(shù)型、字符串型等。碼(Key)：唯一標識實體的屬性集稱為碼。例如，學(xué)號是學(xué)生實體的碼。域(Domain)：屬性的取值范圍稱為該屬性的域。實體型(EntityType)：用實體名及其屬性名集合來抽象和刻畫的同類實體，稱為實體型。E-R模型的基本概念實體集(entityset)：性質(zhì)相同的同類實體的集合，稱實體集。聯(lián)系(relationship)是實體之間的相互關(guān)系。數(shù)據(jù)模型:能表示實體類型及實體間聯(lián)系的模型稱為“數(shù)據(jù)模型”。E-R圖的基本組成部分

E/R圖有四個主要部分：實體集，用矩形表示。屬性，用橢圓形表示。聯(lián)系，用菱形或三角形表示。直線，表示聯(lián)系的類型及實體與實體之間的聯(lián)系；多端用無箭頭的直線，一端用有箭頭的直線。數(shù)據(jù)聯(lián)系聯(lián)系（relationship）是實體之間的相互關(guān)系。二元聯(lián)系有以下三種類型：一對一聯(lián)系：如果實體集E1中每個實體至多和實體集E2中的一個實體有聯(lián)系，反之亦然，那么實體集E1和E2的聯(lián)系稱為“一對一聯(lián)系”，記為“1:1”。一對多聯(lián)系：如果實體集E1中每個實體可以與實體集E2中任意個（零個或多個）實體間有聯(lián)系，而E2中每個實體至多和E1中一個實體有聯(lián)系，那么稱E1對E2的聯(lián)系是“一對多聯(lián)系”，記為“1:N”。多對多聯(lián)系：如果實體集E1中每個實體可以與實體集E2中任意個（零個或多個）實體有聯(lián)系，反之亦然，那么稱E1和E2的聯(lián)系是“多對多聯(lián)系”，記為“M:N”。

實體1實體2聯(lián)系實體1實體2聯(lián)系實體1實體2聯(lián)系1﹕1聯(lián)系1﹕n聯(lián)系m﹕n聯(lián)系三種聯(lián)系的E-R圖三種聯(lián)系的E-R圖E-R圖實例例1：請設(shè)計一個數(shù)據(jù)庫。要求包括學(xué)生(student)、課程(course)和教師(teacher)的信息。

上述實體中存在如下聯(lián)系：一個學(xué)生可以選修多門課，而每門課也能由多個學(xué)生選修；一位教師可以教多門課，每門課也可以由多個教師講授；用E-R圖來描述此數(shù)據(jù)庫。學(xué)生信息：學(xué)號(sNo)、姓名(sname)、年齡(age)、地址(saddress)；課程信息：課程號(cNo)、課程名(cname)、課程學(xué)分(credit)；教師信息：教師的工號(tNo)、姓名(tname)、教師的地址(taddress)studentcourseteachertaketeachcreditscnamecNosaddressagesnamesNotaddresstnametNoscore注意：如果一個聯(lián)系具有屬性，則這些屬性也要用無向邊與該聯(lián)系連接起來。學(xué)生-課程-教師E-R圖條碼白酒容量度數(shù)編號銷售商聯(lián)系人地址電話名稱銷售數(shù)量單價白酒-銷售商E-R圖例2：實體：白酒、銷售商。兩者間的聯(lián)系如下：一個銷售商可以銷售多種白酒，每種白酒可由多個銷售商銷售；用E-R圖來描述此數(shù)據(jù)庫。概念模式設(shè)計方法二（UML）UML（UnifiedModelingLanguage，UML）是一種面向?qū)ο蟮摹⑼ㄓ玫慕ＵZ言。UML方法中用UML類圖（對象模型）表示概念模型。UML類圖主要描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，包括類和類間的聯(lián)系。UML對象模型實質(zhì)上是一種擴展的E-R模型。與E-R模型相比，UML模型具有更強的表達能力。UML類圖與E-R圖中的術(shù)語E-R圖中術(shù)語UML圖中術(shù)語實體集（EntitySet）類（Class）實體（Entity）對象（Object）聯(lián)系（Relationship）關(guān)聯(lián)（Association）聯(lián)系元組（Tuple）關(guān)聯(lián)元組實體的基數(shù)（Cardinality）重復(fù)度（Multiplicity）UML類圖與E-R圖有許多類似之處，但是所用的術(shù)語和符號有所不同。數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型，即邏輯數(shù)據(jù)模型。一個數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)的約束條件三個部分組成，即數(shù)據(jù)模型的三要素。數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展是根據(jù)數(shù)據(jù)模型的發(fā)展來劃分的。根據(jù)所采用的數(shù)據(jù)模型不同，數(shù)據(jù)庫技術(shù)的可分為三代：第一代：采用層次模型、網(wǎng)狀模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；第二代：采用關(guān)系模型的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；第三代：以面向?qū)ο竽Ｐ蜑橹饕卣鞯臄?shù)據(jù)庫系統(tǒng)。層次模型：有且只有一個根結(jié)點；除了根結(jié)點，其它結(jié)點有且只有一個父結(jié)點。典型產(chǎn)品：1969年IBM公司的IMS系統(tǒng)網(wǎng)狀模型：允許結(jié)點有多于一個的父結(jié)點；可以有一個以上的結(jié)點沒有父結(jié)點。典型產(chǎn)品：CODASYL系統(tǒng)關(guān)系模型：用二維表格結(jié)構(gòu)來表示實體和實體間聯(lián)系的數(shù)據(jù)模型。典型產(chǎn)品：AccessVisualFoxproSQLServerORACLEconferenceondatasystemlanguage對象模型：對象是現(xiàn)實世界中實體的模型化。將屬性集和方法集相同的所有對象組合在一起，構(gòu)成了一個類。典型產(chǎn)品：ONTOSDB關(guān)系模型實例

一個關(guān)系的邏輯結(jié)構(gòu)是一張二維表。它由行和列組成。關(guān)系模式是對關(guān)系的描述。

關(guān)系模式表示為：關(guān)系名（屬性1，屬性2，……屬性n）關(guān)系關(guān)系名關(guān)系模型的結(jié)構(gòu)-

三要素之一元組：表中的一行即為一個元組或記錄；字段：表中的一列，列值稱為字段值，列名稱為字段名值域：字段值的取值范圍元組(記錄）屬性(字段)主鍵：能唯一標識一個元組的屬性集合。外鍵：若屬性組F不是關(guān)系R1的主鍵，但它是關(guān)系R2的主鍵，則F稱是關(guān)系R1的外鍵。主鍵主鍵外鍵關(guān)系的特性：每一列是不可再分的（原子性）;每一列的取值范圍必須相同;任意兩個元組不能相同;列的順序可交換，不影響關(guān)系意義的表達；行的順序可交換，不影響關(guān)系意義的表達；不同的列取值范圍可以相同，但必須有唯一的屬性名。

操作對象是關(guān)系，操作結(jié)果也是關(guān)系。主要操作有：插入、刪除、查詢、更新等。描述操作的語言：標準查詢語言SQL（StructuredQueryLanguage）DDL（DataDefinitionLanguage）DML（DataManipulationLanguage）DCL（DataControlLanguage）關(guān)系模型的操作-三要素之二

關(guān)系的完整性約束：是指關(guān)系中數(shù)據(jù)與其描述的實際對象狀態(tài)保持一致的約束條件。它主要包括：實體完整性參照完整性用戶自定義完整（如：域完整性等）。關(guān)系的完整性約束-三要素之三實體完整性

也稱為行完整性。用于保證關(guān)系（表）中每一行數(shù)據(jù)惟一且不為空。

可通過建立“PRIMARY

KEY約束”（主鍵）、“惟一索引”、“UNIQUE約束”等實現(xiàn)。如：“學(xué)生”關(guān)系中的主鍵“學(xué)號”值不能為空，且具有唯一性。參照完整性也稱引用完成性，用于限制一個關(guān)系中某屬性（外鍵）取值必須是另一關(guān)系中主鍵的有效值，或者是Null。保證關(guān)系（表）之間數(shù)據(jù)的一致性?？赏ㄟ^創(chuàng)建“FOREIGN

KEY”（外鍵）實施參照完整性約束。

如：“學(xué)生”關(guān)系中的“專業(yè)號”是外鍵，其取值必須為“專業(yè)”關(guān)系中主鍵“專業(yè)號”的某個值，或者為空。用戶自定義完整性是用戶根據(jù)業(yè)務(wù)要求自定義的規(guī)則或格式約束。其中最主要的是域完整性。

域完整性：指列的完整性。它規(guī)定了屬性的取值必須是域中的值。如：規(guī)定學(xué)生『生日』只能取1980年1月1日至今的日期型數(shù)據(jù)；『性別』的取值只能是“男”、“女”之一。規(guī)定『學(xué)號』的取值是6位數(shù)字字符。

用戶自定義完整性約束可通過“CHECK約束”、“RULE規(guī)則”、“觸發(fā)器”等實現(xiàn)。E-R(UML)模型到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換1）實體(類)到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換2）聯(lián)系(關(guān)聯(lián))到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換1）實體到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換

規(guī)則：將實體的名稱作為表的名稱，將實體的屬性作為表的列，并用下劃線標識出主屬性。student（snum,sname,sex,age），其中snum為主鍵。course（cnum,cname,credits），其中cnum為主鍵。2）聯(lián)系到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換1:1若實體間聯(lián)系是1:1，可以在兩個實體轉(zhuǎn)換成的兩個關(guān)系模式后，選擇在其中任意一個關(guān)系模式的屬性集中加入另一個關(guān)系模式的主鍵和聯(lián)系自身的屬性。1:1聯(lián)系不單獨轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系。2）聯(lián)系到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換1:N若實體間聯(lián)系是1:N，則在N端實體轉(zhuǎn)換成的關(guān)系模式中加入1端實體的主鍵和聯(lián)系的屬性。同樣1:N聯(lián)系也不獨立構(gòu)成一個關(guān)系。Teacher<<PK>>teacherIdteacherNamesexDepartment<<PK>>DepartmentIddeptNamelocation工作二元關(guān)系2）聯(lián)系到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換M:N若實體間聯(lián)系是M:N，則將聯(lián)系轉(zhuǎn)換成一個關(guān)系模式，其屬性為兩端實體的主鍵加上聯(lián)系自身的屬性，而聯(lián)系關(guān)系的主鍵為一復(fù)合鍵，通常是兩端實體主鍵的組合。對于“學(xué)生選課”E/R圖的課程和學(xué)生之間的多對多的聯(lián)系，可轉(zhuǎn)換成關(guān)系模式：

take（snum,cnum,grade）主鍵為復(fù)合鍵{snum,cnum}。例：關(guān)系的規(guī)范化學(xué)生選課表SnumSnameSdeptMnameCnamegrade991230賀小華計算機周至光數(shù)據(jù)庫96991239金謙計算機周至光操作系統(tǒng)90991239金謙計算機周至光編譯原理92993851陳剛建筑王勇建筑原理89992076呂宋自動化李霞自動化設(shè)計85992076呂宋自動化李霞電路原理82

數(shù)據(jù)冗余修改異常插入異常刪除異常問題？更新異常：刪除學(xué)號為991250的學(xué)生的選課記錄，丟掉了該生選修“市場營銷學(xué)”的事實，還失去了“市場營銷學(xué)”的學(xué)分是2的事實。插入異常：若有一門“法律”課，學(xué)分為3，尚無學(xué)生選修時,將不能輸入。學(xué)號課程學(xué)分991201人工智能3991225中國近代史綱要2991250市場營銷學(xué)2991275人工智能3991290中國近代史綱要2消除異常的方法：模式分解

若將以上的學(xué)生關(guān)系分解成“學(xué)生-選課”、“課程-學(xué)分”關(guān)系，更新異常、插入異常就都可消除了，對關(guān)系進行分解的過程就是規(guī)范化過程。學(xué)生選課關(guān)系課程學(xué)分關(guān)系學(xué)號課程991201人工智能991225中國近代史綱要991250市場營銷學(xué)991275人工智能991290中國近代史綱要課程學(xué)分人工智能3中國近代史綱要2市場營銷學(xué)2屬性間的三種聯(lián)系

函數(shù)依賴：如果給定一個屬性的值，就可以獲得另一個屬性的值。例如，若已知“課程名”的值，便可知道“授課學(xué)時”?！笆谡n學(xué)時”依賴于“課程名”，或“課程名”決定“授課學(xué)時”。記作“課程名→授課學(xué)時”。

課程號課程名授課學(xué)時授課學(xué)期J001數(shù)據(jù)庫726J003C++程序設(shè)計542Z004操作系統(tǒng)725Z006編譯原理726X001數(shù)值分析543X002計算機組成原理364部分依賴：

下表的主鍵是屬性集合{學(xué)號，課程號}。但“學(xué)分”只由“課程號”決定，與“學(xué)號”無關(guān)，也就是“學(xué)分”屬性只由主鍵{學(xué)號，課程號}的一部分而不是全部來決定，把這種依賴稱為部分依賴。記作“{學(xué)號，課程號}→學(xué)分”。p學(xué)號姓名課程號課程名學(xué)分010101李燦J001數(shù)據(jù)庫4010101李燦J004操作系統(tǒng)4010101李燦X001數(shù)值分析3010201張鍵J001數(shù)據(jù)庫4020301劉名F009德語6010201張鍵F009德語6傳遞依賴：

下表的主鍵是“學(xué)號”，學(xué)生住宿的樓號依賴于學(xué)號。但是，學(xué)生應(yīng)交的住宿費是由樓號決定的，也就是說，“收費”依賴于“樓號”，這是一種新的依賴關(guān)系：“樓號”依賴于“學(xué)號”，而“收費”又依賴于“樓號”。一般把這種依賴關(guān)系稱為“傳遞依賴”。記作“學(xué)號→收費”。t學(xué)好樓號收費01010125000102014600010103250001050188000101082500住宿關(guān)系規(guī)范化

所謂范式就是符合某一規(guī)范級別的關(guān)系模式的集合。共有六種范式：

1NF

2NF

3NF

BCNF

4NF

5NF

規(guī)范化：通過分解把屬于低級范式的關(guān)系模式轉(zhuǎn)換為幾個屬于高級范式的關(guān)系模式的集合，這一過程稱為規(guī)范化（Normalization）。1）第一范式（1NF）

定義：如果一個關(guān)系模式R的所有屬性都是不可分的基本數(shù)據(jù)項，則關(guān)系R屬于第一范式。字段不可分注意：集合、數(shù)組和結(jié)構(gòu)都不能為第一范式關(guān)系中屬性的類型。符合第一范式的關(guān)系可能有插入、刪除異常。例如：在關(guān)系“選課”中，存在著部分依賴：

{學(xué)號，課程號}→學(xué)分將導(dǎo)致插入、刪除異常。p2）第二范式（

2NF

）

定義：若關(guān)系模式R屬于第一范式，且每個非主屬性都完全函數(shù)依賴于主鍵，則R屬于第二范式。有主鍵

注意：單個屬性作為主鍵的關(guān)系自動就是第二范式。第二范式中的關(guān)系存在更新異常.

例如：住宿關(guān)系(學(xué)號、樓號、收費)，雖然學(xué)號是單屬性主鍵，屬于第二范式，而樓號、收費都由學(xué)號決定，存在傳遞依賴關(guān)系：“學(xué)號→收費”將導(dǎo)致更新異常。t3）第三范式（3NF）定義：如果一個關(guān)系R是第二范式的，并且每個非主屬性都不傳遞依賴于主鍵，則R屬于第三范式。非主鍵不能依賴例如：學(xué)生住宿關(guān)系可以分解為兩個關(guān)系：學(xué)生-樓號關(guān)系（學(xué)號，樓號）和樓號-收費關(guān)系（樓號，收費）。這兩個關(guān)系屬于第三范式。

樓號成收費250046008800學(xué)好樓號010101201020140101032