高級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)第二章關(guān)系模型

高級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)第二章關(guān)系模型關(guān)系模型基本概念關(guān)系代數(shù)及其運(yùn)算規(guī)則關(guān)系演算及查詢優(yōu)化策略函數(shù)依賴和范式理論在關(guān)系模型中應(yīng)用關(guān)系模型擴(kuò)展與改進(jìn)方向?qū)嶋H應(yīng)用中關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)介紹contents目錄01關(guān)系模型基本概念03關(guān)系模型具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰，數(shù)據(jù)獨(dú)立性高，易于理解和實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。01關(guān)系模型是一種基于數(shù)學(xué)理論的數(shù)據(jù)模型，用于描述數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。02關(guān)系模型以二維表格形式表示數(shù)據(jù)，每個(gè)表格代表一個(gè)關(guān)系，表格中的行代表元組，列代表屬性。關(guān)系模型定義與特點(diǎn)關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及表示方法關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由關(guān)系模式、關(guān)系實(shí)例和屬性組成。關(guān)系實(shí)例是滿足關(guān)系模式的實(shí)際數(shù)據(jù)集合，以表格形式表示。關(guān)系模式定義了關(guān)系的名稱(chēng)、屬性名、屬性類(lèi)型等元數(shù)據(jù)信息。屬性是關(guān)系中的列，每個(gè)屬性都有唯一的名字和數(shù)據(jù)類(lèi)型。關(guān)系操作與完整性約束01關(guān)系操作包括選擇、投影、連接、除等，用于查詢和處理關(guān)系數(shù)據(jù)。02完整性約束用于保證數(shù)據(jù)的正確性和一致性，包括實(shí)體完整性、參照完整性和用戶自定義完整性。03實(shí)體完整性約束要求關(guān)系中的主鍵屬性不能為空，且唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)元組。04參照完整性約束要求關(guān)系中的外鍵屬性值必須對(duì)應(yīng)于另一個(gè)關(guān)系中的主鍵值。02關(guān)系代數(shù)及其運(yùn)算規(guī)則并集將兩個(gè)關(guān)系中具有相同目的元組合并成一個(gè)關(guān)系，并去除重復(fù)元組。差集從一個(gè)關(guān)系中減去另一個(gè)關(guān)系的元組，得到兩個(gè)關(guān)系中不相同的元組。交集取兩個(gè)關(guān)系中相同的元組，即同時(shí)屬于兩個(gè)關(guān)系的元組。笛卡爾積將兩個(gè)關(guān)系中的元組進(jìn)行組合，得到所有可能的元組對(duì)。傳統(tǒng)集合運(yùn)算01020304選擇從關(guān)系中選擇滿足給定條件的元組，條件可以是屬性的比較、邏輯運(yùn)算等。投影從關(guān)系中選擇若干列，得到一個(gè)新的關(guān)系，新關(guān)系中的元組只包含所選列的值。連接根據(jù)兩個(gè)關(guān)系中的共同屬性，將滿足條件的元組連接起來(lái)，得到一個(gè)新的關(guān)系。除法給定兩個(gè)關(guān)系R和S，R除以S的結(jié)果是一個(gè)新的關(guān)系，該關(guān)系包含所有在R中與S有共同屬性且滿足一定條件的元組。專(zhuān)門(mén)關(guān)系運(yùn)算將多個(gè)基本運(yùn)算組合在一起，形成一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)算表達(dá)式，用于完成更復(fù)雜的查詢?nèi)蝿?wù)。復(fù)合運(yùn)算通過(guò)具體示例，分析如何使用關(guān)系代數(shù)運(yùn)算來(lái)完成查詢?nèi)蝿?wù)，包括選擇、投影、連接、除法等基本運(yùn)算的組合應(yīng)用，以及如何處理復(fù)雜查詢條件和多表查詢等問(wèn)題。同時(shí)，還需要注意運(yùn)算的優(yōu)先級(jí)和順序，以確保查詢結(jié)果的正確性和效率。示例分析復(fù)合運(yùn)算及示例分析03關(guān)系演算及查詢優(yōu)化策略元組關(guān)系演算基本概念元組關(guān)系演算是一種基于元組的查詢語(yǔ)言，通過(guò)操作元組來(lái)查詢和處理關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。元組關(guān)系演算表達(dá)式元組關(guān)系演算表達(dá)式由一系列操作符和操作數(shù)組成，用于描述對(duì)數(shù)據(jù)的查詢和處理操作。常見(jiàn)的操作符包括選擇、投影、連接等。元組關(guān)系演算表達(dá)式的轉(zhuǎn)換在實(shí)際應(yīng)用中，需要將元組關(guān)系演算表達(dá)式轉(zhuǎn)換為等價(jià)的SQL查詢語(yǔ)句或其他查詢語(yǔ)言，以便在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中執(zhí)行。轉(zhuǎn)換過(guò)程需要考慮查詢的語(yǔ)義和性能等因素。元組關(guān)系演算表達(dá)式及轉(zhuǎn)換域關(guān)系演算表達(dá)式及轉(zhuǎn)換與元組關(guān)系演算類(lèi)似，需要將域關(guān)系演算表達(dá)式轉(zhuǎn)換為等價(jià)的SQL查詢語(yǔ)句或其他查詢語(yǔ)言。轉(zhuǎn)換過(guò)程需要考慮查詢的語(yǔ)義、性能以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的特性等因素。域關(guān)系演算表達(dá)式的轉(zhuǎn)換域關(guān)系演算是一種基于屬性的查詢語(yǔ)言，通過(guò)操作屬性來(lái)查詢和處理關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。與元組關(guān)系演算相比，域關(guān)系演算更加靈活和強(qiáng)大。域關(guān)系演算基本概念域關(guān)系演算表達(dá)式由一系列操作符和操作數(shù)組成，用于描述對(duì)數(shù)據(jù)的查詢和處理操作。常見(jiàn)的操作符包括選擇、投影、聚合等。域關(guān)系演算表達(dá)式查詢優(yōu)化是數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中的重要功能之一，旨在提高查詢執(zhí)行的效率。通過(guò)對(duì)查詢語(yǔ)句進(jìn)行等價(jià)變換或調(diào)整查詢執(zhí)行計(jì)劃，可以減少數(shù)據(jù)訪問(wèn)量、提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度并降低系統(tǒng)負(fù)載。常見(jiàn)的查詢優(yōu)化策略包括選擇最優(yōu)的存取路徑、減少數(shù)據(jù)訪問(wèn)量、避免不必要的計(jì)算和排序操作、利用索引加速數(shù)據(jù)訪問(wèn)等。這些策略可以根據(jù)具體的查詢語(yǔ)句和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的特性進(jìn)行選擇和調(diào)整。查詢優(yōu)化方法包括基于規(guī)則的優(yōu)化和基于代價(jià)的優(yōu)化兩種?；谝?guī)則的優(yōu)化是根據(jù)一系列預(yù)定義的規(guī)則對(duì)查詢語(yǔ)句進(jìn)行變換，以達(dá)到優(yōu)化的目的?；诖鷥r(jià)的優(yōu)化則是根據(jù)查詢執(zhí)行計(jì)劃的代價(jià)模型來(lái)選擇最優(yōu)的執(zhí)行計(jì)劃。在實(shí)際應(yīng)用中，通常將兩種方法結(jié)合起來(lái)使用，以獲得更好的優(yōu)化效果。查詢優(yōu)化基本概念查詢優(yōu)化策略查詢優(yōu)化方法查詢優(yōu)化策略和方法04函數(shù)依賴和范式理論在關(guān)系模型中應(yīng)用函數(shù)依賴性質(zhì)函數(shù)依賴具有傳遞性、自反性、增廣性等基本性質(zhì)，這些性質(zhì)是推導(dǎo)和證明函數(shù)依賴關(guān)系的基礎(chǔ)。完全函數(shù)依賴和部分函數(shù)依賴根據(jù)決定因素是否包含候選鍵，函數(shù)依賴可分為完全函數(shù)依賴和部分函數(shù)依賴，這是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中的重要概念。函數(shù)依賴定義函數(shù)依賴描述了關(guān)系模式中屬性之間的依賴關(guān)系，即一個(gè)或多個(gè)屬性的值能夠決定其他屬性的值。函數(shù)依賴定義和性質(zhì)范式概念及轉(zhuǎn)換方法范式轉(zhuǎn)換方法范式轉(zhuǎn)換主要包括分解和合并兩種方法，通過(guò)分解可以將一個(gè)低范式的關(guān)系模式轉(zhuǎn)換為多個(gè)高范式的關(guān)系模式，通過(guò)合并可以將多個(gè)關(guān)系模式合并為一個(gè)更高級(jí)別的關(guān)系模式。范式概念范式是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中的一種規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)，用于消除數(shù)據(jù)冗余、提高數(shù)據(jù)一致性和減少數(shù)據(jù)插入、刪除、更新等操作中的異常。常見(jiàn)范式類(lèi)型常見(jiàn)的范式類(lèi)型包括第一范式（1NF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）、BCNF范式等，每種范式都有其特定的定義和轉(zhuǎn)換規(guī)則。消除數(shù)據(jù)冗余提高數(shù)據(jù)一致性簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)操作便于數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)范式在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中的作用通過(guò)范式化設(shè)計(jì)，可以消除關(guān)系模式中的冗余數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)重復(fù)存儲(chǔ)和浪費(fèi)存儲(chǔ)空間。規(guī)范化的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)插入、刪除、更新等操作，提高數(shù)據(jù)處理的效率和準(zhǔn)確性。范式化設(shè)計(jì)可以確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性，減少因數(shù)據(jù)冗余和不一致而導(dǎo)致的錯(cuò)誤和異常。規(guī)范化的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)使得數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)更加清晰、簡(jiǎn)潔，便于數(shù)據(jù)庫(kù)管理員進(jìn)行維護(hù)和管理。05關(guān)系模型擴(kuò)展與改進(jìn)方向123如地理空間數(shù)據(jù)、XML和JSON文檔、圖像和音頻等。支持新的數(shù)據(jù)類(lèi)型如遞歸查詢、全文搜索、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等。支持復(fù)雜查詢需求確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性，處理多個(gè)用戶同時(shí)訪問(wèn)時(shí)的沖突問(wèn)題。支持事務(wù)和并發(fā)控制擴(kuò)展關(guān)系模型以支持新需求提供相應(yīng)的操作符和函數(shù)以便在查詢和更新數(shù)據(jù)時(shí)能夠方便地處理這些復(fù)雜數(shù)據(jù)類(lèi)型。支持?jǐn)?shù)據(jù)類(lèi)型的擴(kuò)展性允許用戶根據(jù)需要自定義新的數(shù)據(jù)類(lèi)型，并提供相應(yīng)的類(lèi)型檢查和轉(zhuǎn)換機(jī)制。引入新的數(shù)據(jù)類(lèi)型如數(shù)組、集合、記錄和嵌套表等，以便更好地表示現(xiàn)實(shí)世界中的復(fù)雜實(shí)體。改進(jìn)方向一：支持復(fù)雜數(shù)據(jù)類(lèi)型引入索引技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行索引，以便快速定位到滿足查詢條件的數(shù)據(jù)記錄。提供查詢緩存機(jī)制將查詢結(jié)果緩存起來(lái)，當(dāng)再次執(zhí)行相同查詢時(shí)，直接從緩存中獲取結(jié)果，避免重復(fù)計(jì)算。支持并行查詢處理利用多核處理器和分布式計(jì)算資源，將查詢?nèi)蝿?wù)分解成多個(gè)子任務(wù)并行執(zhí)行，以縮短查詢時(shí)間。優(yōu)化查詢計(jì)劃根據(jù)查詢請(qǐng)求和數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)，選擇最優(yōu)的查詢執(zhí)行計(jì)劃，以提高查詢響應(yīng)速度。改進(jìn)方向二：提高查詢效率06實(shí)際應(yīng)用中關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)介紹Oracle：OracleDatabase是甲骨文公司的一款關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。它是一個(gè)集成式、分布式、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，支持各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并具有良好的可移植性、可連接性、高生產(chǎn)率和安全性等特性。MySQL：MySQL是一個(gè)開(kāi)源的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，由瑞典MySQLAB公司開(kāi)發(fā)，目前屬于Oracle旗下產(chǎn)品。MySQL是最流行的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)之一，在WEB應(yīng)用方面，MySQL是最好的RDBMS(RelationalDatabaseManagementSystem，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng))應(yīng)用軟件之一。SQLServer：SQLServer是微軟公司開(kāi)發(fā)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，具有使用方便、可伸縮性好、與相關(guān)軟件集成程度高等優(yōu)點(diǎn)。PostgreSQL：PostgreSQL是一個(gè)強(qiáng)大的、開(kāi)源的對(duì)象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，它使用并擴(kuò)展了SQL語(yǔ)言，支持大部分SQL標(biāo)準(zhǔn)并且提供了許多其他現(xiàn)代特性。常見(jiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)概述PostgreSQL開(kāi)源免費(fèi)、支持大量并發(fā)讀寫(xiě)、擴(kuò)展性強(qiáng)、數(shù)據(jù)一致性好。適用于需要高并發(fā)讀寫(xiě)和復(fù)雜查詢的場(chǎng)景，如社交網(wǎng)站、電商平臺(tái)等。Oracle功能強(qiáng)大、性能卓越，適用于大型企業(yè)和復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景，如金融、電信等行業(yè)。但需要較高的維護(hù)成本和專(zhuān)業(yè)技術(shù)支持。MySQL開(kāi)源免費(fèi)、輕量級(jí)、易用性好，適用于中小型網(wǎng)站和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。但在處理大量并發(fā)讀寫(xiě)和復(fù)雜事務(wù)時(shí)可能表現(xiàn)不佳。SQLServer與Windows操作系統(tǒng)緊密集成，界面友好，易于管理。適用于企業(yè)級(jí)應(yīng)用和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)等場(chǎng)景。但跨平臺(tái)性較差。各自特點(diǎn)比較及適用場(chǎng)景分析根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景、數(shù)據(jù)量大小、并發(fā)訪