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(diǎn)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(jì)理論概念模型設(shè)計(jì)關(guān)系模型什么是數(shù)據(jù)庫？數(shù)據(jù)庫（DataBase，DB）

是長(zhǎng)期保存在計(jì)算機(jī)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(chǔ)存，具有很小的冗余度、較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性和易擴(kuò)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(hù)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(jìn)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(jī)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(gè)計(jì)算機(jī)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(shí)世界機(jī)器世界信息世界實(shí)體屬性數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)過程E-R模型的基本概念實(shí)體(entity)：客觀存在，可以相互區(qū)別的事物稱為實(shí)體。屬性(attribute)：實(shí)體有很多特性，每一個(gè)特性稱為屬性。每一個(gè)屬性有一個(gè)值域，其類型可以是整數(shù)型、實(shí)數(shù)型、字符串型等。碼(Key)：唯一標(biāo)識(shí)實(shí)體的屬性集稱為碼。例如，學(xué)號(hào)是學(xué)生實(shí)體的碼。域(Domain)：屬性的取值范圍稱為該屬性的域。實(shí)體型(EntityType)：用實(shí)體名及其屬性名集合來抽象和刻畫的同類實(shí)體，稱為實(shí)體型。E-R模型的基本概念實(shí)體集(entityset)：性質(zhì)相同的同類實(shí)體的集合，稱實(shí)體集。聯(lián)系(relationship)是實(shí)體之間的相互關(guān)系。數(shù)據(jù)模型:能表示實(shí)體類型及實(shí)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(gè)主要部分：實(shí)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(shí)體與實(shí)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(shí)體之間的相互關(guān)系。二元聯(lián)系有以下三種類型：一對(duì)一聯(lián)系：如果實(shí)體集E1中每個(gè)實(shí)體至多和實(shí)體集E2中的一個(gè)實(shí)體有聯(lián)系，反之亦然，那么實(shí)體集E1和E2的聯(lián)系稱為“一對(duì)一聯(lián)系”，記為“1:1”。一對(duì)多聯(lián)系：如果實(shí)體集E1中每個(gè)實(shí)體可以與實(shí)體集E2中任意個(gè)（零個(gè)或多個(gè)）實(shí)體間有聯(lián)系，而E2中每個(gè)實(shí)體至多和E1中一個(gè)實(shí)體有聯(lián)系，那么稱E1對(duì)E2的聯(lián)系是“一對(duì)多聯(lián)系”，記為“1:N”。多對(duì)多聯(lián)系：如果實(shí)體集E1中每個(gè)實(shí)體可以與實(shí)體集E2中任意個(gè)（零個(gè)或多個(gè)）實(shí)體有聯(lián)系，反之亦然，那么稱E1和E2的聯(lián)系是“多對(duì)多聯(lián)系”，記為“M:N”。

實(shí)體1實(shí)體2聯(lián)系實(shí)體1實(shí)體2聯(lián)系實(shí)體1實(shí)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(shí)例例1：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)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(shí)體中存在如下聯(lián)系：一個(gè)學(xué)生可以選修多門課，而每門課也能由多個(gè)學(xué)生選修；一位教師可以教多門課，每門課也可以由多個(gè)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(hào)(sNo)、姓名(sname)、年齡(age)、地址(saddress)；課程信息：課程號(hào)(cNo)、課程名(cname)、課程學(xué)分(credit)；教師信息：教師的工號(hào)(tNo)、姓名(tname)、教師的地址(taddress)studentcourseteachertaketeachcreditscnamecNosaddressagesnamesNotaddresstnametNoscore注意：如果一個(gè)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(hào)銷售商聯(lián)系人地址電話名稱銷售數(shù)量單價(jià)白酒-銷售商E-R圖例2：實(shí)體：白酒、銷售商。兩者間的聯(lián)系如下：一個(gè)銷售商可以銷售多種白酒，每種白酒可由多個(gè)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(jì)方法二（UML）UML（UnifiedModelingLanguage，UML）是一種面向?qū)ο蟮?、通用的建模語言。UML方法中用UML類圖（對(duì)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(duì)象模型實(shí)質(zhì)上是一種擴(kuò)展的E-R模型。與E-R模型相比，UML模型具有更強(qiáng)的表達(dá)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(shí)體集（EntitySet）類（Class）實(shí)體（Entity）對(duì)象（Object）聯(lián)系（Relationship）關(guān)聯(lián)（Association）聯(lián)系元組（Tuple）關(guān)聯(lián)元組實(shí)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(hào)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(gè)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(gè)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(gè)根結(jié)點(diǎn)；除了根結(jié)點(diǎn)，其它結(jié)點(diǎn)有且只有一個(gè)父結(jié)點(diǎn)。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(diǎn)有多于一個(gè)的父結(jié)點(diǎn)；可以有一個(gè)以上的結(jié)點(diǎn)沒有父結(jié)點(diǎn)。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(shí)體和實(shí)體間聯(lián)系的數(shù)據(jù)模型。典型產(chǎn)品：AccessVisualFoxproSQLServerORACLEconferenceondatasystemlanguage對(duì)象模型：對(duì)象是現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)體的模型化。將屬性集和方法集相同的所有對(duì)象組合在一起，構(gòu)成了一個(gè)類。典型產(chǎn)品：ONTOSDB關(guān)系模型實(shí)例

一個(gè)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(duì)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(gè)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(biāo)識(shí)一個(gè)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(gè)元組不能相同;列的順序可交換，不影響關(guān)系意義的表達(dá)；行的順序可交換，不影響關(guān)系意義的表達(dá)；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(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)際對(duì)象狀態(tài)保持一致的約束條件。它主要包括：實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)。如：“學(xué)生”關(guān)系中的主鍵“學(xué)號(hào)”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(gè)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(shí)施參照完整性約束。

如：“學(xué)生”關(guān)系中的“專業(yè)號(hào)”是外鍵，其取值必須為“專業(yè)”關(guān)系中主鍵“專業(yè)號(hào)”的某個(gè)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(hào)』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(shí)現(xiàn)。E-R(UML)模型到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換1）實(shí)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(shí)體到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換

規(guī)則：將實(shí)體的名稱作為表的名稱，將實(shí)體的屬性作為表的列，并用下劃線標(biāo)識(shí)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(shí)體間聯(lián)系是1:1，可以在兩個(gè)實(shí)體轉(zhuǎn)換成的兩個(gè)關(guān)系模式后，選擇在其中任意一個(gè)關(guān)系模式的屬性集中加入另一個(gè)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(dú)轉(zhuǎn)換為一個(gè)獨(dú)立的關(guān)系。2）聯(lián)系到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換1:N若實(shí)體間聯(lián)系是1:N，則在N端實(shí)體轉(zhuǎn)換成的關(guān)系模式中加入1端實(shí)體的主鍵和聯(lián)系的屬性。同樣1:N聯(lián)系也不獨(dú)立構(gòu)成一個(gè)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(shí)體間聯(lián)系是M:N，則將聯(lián)系轉(zhuǎn)換成一個(gè)關(guān)系模式，其屬性為兩端實(shí)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(shí)體主鍵的組合。對(duì)于“學(xué)生選課”E/R圖的課程和學(xué)生之間的多對(duì)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(jì)算機(jī)周至光數(shù)據(jù)庫96991239金謙計(jì)算機(jī)周至光操作系統(tǒng)90991239金謙計(jì)算機(jī)周至光編譯原理92993851陳剛建筑王勇建筑原理89992076呂宋自動(dòng)化李霞自動(dòng)化設(shè)計(jì)85992076呂宋自動(dòng)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(hào)為991250的學(xué)生的選課記錄，丟掉了該生選修“市場(chǎng)營銷學(xué)”的事實(shí)，還失去了“市場(chǎng)營銷學(xué)”的學(xué)分是2的事實(shí)。插入異常：若有一門“法律”課，學(xué)分為3，尚無學(xué)生選修時(shí),將不能輸入。學(xué)號(hào)課程學(xué)分991201人工智能3991225中國近代史綱要2991250市場(chǎng)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(duì)關(guān)系進(jìn)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(hào)課程991201人工智能991225中國近代史綱要991250市場(chǎng)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(chǎng)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(gè)屬性的值，就可以獲得另一個(gè)屬性的值。例如，若已知“課程名”的值，便可知道“授課學(xué)時(shí)”?！笆谡n學(xué)時(shí)”依賴于“課程名”，或“課程名”決定“授課學(xué)時(shí)”。記作“課程名→授課學(xué)時(shí)”。

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

下表的主鍵是屬性集合{學(xué)號(hào)，課程號(hào)}。但“學(xué)分”只由“課程號(hào)”決定，與“學(xué)號(hào)”無關(guān)，也就是“學(xué)分”屬性只由主鍵{學(xué)號(hào)，課程號(hào)}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(hào)，課程號(hào)}→學(xué)分”。p學(xué)號(hào)姓名課程號(hào)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(hào)”，學(xué)生住宿的樓號(hào)依賴于學(xué)號(hào)。但是，學(xué)生應(yīng)交的住宿費(fèi)是由樓號(hào)決定的，也就是說，“收費(fèi)”依賴于“樓號(hào)”，這是一種新的依賴關(guān)系：“樓號(hào)”依賴于“學(xué)號(hào)”，而“收費(fèi)”又依賴于“樓號(hào)”。一般把這種依賴關(guān)系稱為“傳遞依賴”。記作“學(xué)號(hào)→收費(fèi)”。t學(xué)好樓號(hào)收費(fèi)01010125000102014600010103250001050188000101082500住宿關(guān)系規(guī)范化

所謂范式就是符合某一規(guī)范級(jí)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(jí)范式的關(guān)系模式轉(zhuǎn)換為幾個(gè)屬于高級(jí)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(gè)關(guān)系模式R的所有屬性都是不可分的基本數(shù)據(jù)項(xiàng)，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(hào)，課程號(hào)}→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(gè)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：?jiǎn)蝹€(gè)屬性作為主鍵的關(guān)系自動(dòng)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(hào)、樓號(hào)、收費(fèi))，雖然學(xué)號(hào)是單屬性主鍵，屬于第二范式，而樓號(hào)、收費(fèi)都由學(xué)號(hào)決定，存在傳遞依賴關(guān)系：“學(xué)號(hào)→收費(fèi)”將導(dǎo)致更新異常。t3）第三范式（3NF）定義：如果一個(gè)關(guān)系R是第二范式的，并且每個(gè)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?yán)纾簩W(xué)生住宿關(guān)系可以分解為兩個(gè)關(guān)系：學(xué)生-樓號(hào)關(guān)系（學(xué)號(hào)，樓號(hào)）和樓號(hào)-收費(fèi)關(guān)系（樓號(hào)，收費(fèi)）。這兩個(gè)關(guān)系屬于第三范式。

樓號(hào)成收費(fèi)250046008800學(xué)好樓號(hào)010101201020140101032