BQ.S72

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1 普通高等教育 十一五 规划教材 数据库原理教程 范明叶阳东邱保志职为梅编著 北京

2 内容简介 本书全面阐述了数据库系统的基本概念 理论 方法和技术 全书共分 12 章, 包括数据库系统概述 实体唱联系模型 关系数据模型 关系数据库标准语言 SQL 完整性与安全性 关系数据库的设计理论 数据库设计 查询处理与优化 事务与并发控制 数据库的恢复技术 XML 和 ODBC 编程 附录给出了实验和课程设计, 用于配合课堂教学 本书涵盖了数据库系统原理入门课程的基本内容, 同时包含了 XML 和 ODBC 编程等实用的较新知识点 本书理论与实践兼顾 关系数据库设计理论的形式化证明, 以章后附录的形式给出, 既保证了理论的完整性, 又可以使得关注技术的读者摆脱繁琐证明的困扰 本书是为高等学校计算机 信息科学及其相关专业本科生和软件学院学生的第一门数据库课程编写的教材, 也适合希望掌握数据库理论 方法和技术的工程技术人员阅读 图书在版编目 (CIP ) 数据 数据库原理教程 / 范明等编著. 北京 : 科学出版社,2008 普通高等教育 十一五 规划教材 ISBN 978 唱 7 唱 03 唱 唱 7 Ⅰ 畅数 Ⅱ 畅范 Ⅲ 畅数据库系统唱高等学校唱教材 Ⅳ 畅 TP 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2008) 第 号 责任编辑 : 马长芳潘继敏 / 责任校对 : 刘小梅 责任印制 : 张克忠 / 封面设计 : 陈敬 北京东黄城根北街 16 号 邮政编码 : 出版 http :// 印刷 科学出版社发行各地新华书店经销 2008 年 4 月第一版开本 :B5( ) 2008 年 4 月第一次印刷印张 :23 1/2 印数 : 字数 : 定价 :35 畅 00 元 ( 如有印装质量问题, 我社负责调换枙环伟枛 ) 倡

3 前 言 数据库技术是现代信息处理的核心技术之一, 数据库管理系统 (DBMS) 是使用最广泛的软件系统之一 因此, 数据库系统原理已经成为计算机科学教育的一个必不可少的部分 本书是为本科生数据库课程编写的教科书, 涵盖了数据库系统原理入门课程的基本内容 数据库是计算机学科的主流领域之一 尽管数据库技术的内涵和外延都在不断扩展, 新的学科分支还在迅速成长, 但是作为入门知识的概念 原理和技术已经趋于稳定 这些入门知识包括数据库系统的三级模式和两级映像 实体唱联系模型 关系数据模型 关系数据库设计理论 数据的完整性与安全性 查询处理与优化 事务处理 并发控制与恢复 SQL 语言等 本书介绍数据库系统的一般概念和技术 书中的概念和算法基于商品化或实验数据库系统所采用的概念和算法, 但并不与一个特定的数据库系统联系在一起 通过这些内容的学习, 读者容易理解和掌握具体的数据库系统 本书理论与实践兼顾 关系数据库的设计理论不仅体现了数据库研究的重要成果, 同时也为设计好的关系模式提供了具体方法和技术 关系数据库设计理论的形式化证明从正文中分离, 以章后附录的形式给出, 这样既保证了理论的完整性, 又可以使得关注技术的读者摆脱繁琐证明的困扰 除了数据库系统原理入门课程的基本内容外, 本书还包括 XM L 和 ODBC 编程等实用的较新知识点 对于实际应用和数据库应用系统的开发, 这些内容是有用的 为了加强实践环节, 本书还在书后附录提供了一些可供选择的实验和课程设计的参考选题 本书由范明主持编写 叶阳东编写了第 9 10 章, 邱保志编写了第 章, 职为梅编写了第 4 12 章和附录, 其余部分由范明编写 范明还对各章做了修改并最终定稿 本书的组织全书共分 12 章和一个附录 : 第 1 章是数据库系统的一般综述, 所涉及的内容将在之后各章进一步展开讨论 第 2 章介绍实体联系模型 (E 唱 R 模型 ) E 唱 R 模型概念简单, 并具有很强的语义表达能力, 广泛用于对现实世界建模 第 3 章介绍数据库系统的关系数据模型, 包括与之相关的抽象语言关系代数和关系演算 这些抽象语言是实际数据库系统语言 ( 如 SQL) 的基础

4 ii 数据库原理教程 第 4 章介绍广泛使用的关系语言 SQL SQL 是事实上的关系数据库标准语言, 几乎所有的 RDBMS 都支持 SQL 语言 SQL 的介绍主要基于 SQL 唱 92, 同时也包含 SQL 唱 99 的部分特色 第 5 章介绍数据库的完整性和安全性, 包括 SQL 对完整性和安全性的支持 第 6 章介绍关系数据库的设计理论, 包括数据依赖和规范化 为了适应不同读者的需要, 理论结果的证明从正文分离, 在该章附录中给出 第 7 章介绍数据库应用系统的设计, 涵盖从需求分析到数据库的建立和维护整个过程 第 8 章介绍查询处理与优化, 包括基本运算算法和基于保持等价性的查询变换和查询优化方法 第 9 10 章介绍事务处理 其中, 第 9 章介绍事务的一般概念, 讨论并发控制 ; 第 10 章介绍在出现故障的情况下保证事务正确执行的数据库恢复技术 第 章分别介绍两个相对较新的主题 :XM L 和 ODBC XM L 已经成为事实上的异构数据库数据交换的标准语言, 并广泛用于复杂数据类型的处理 ODBC 建立了一组规范, 并提供了一组访问数据库的标准应用程序接口 对于实际数据库应用系统开发, 这些内容都是十分有用的 附录提供了一些实验和课程设计选题, 用于配合课堂教学, 加深对数据库原理的理解 致教师通过适当剪裁, 本书可以用于计算机科学与技术 信息科学及其相关专业和软件学院本科生的第一门数据库课程教学 在本书出版之前, 我们在郑州大学计算机科学与技术专业和软件学院的本科生教学中使用过本书的内容 根据我们的经验, 第 1 ~ 5 章和第 9 ~ 10 章适用所有这些学生 对于计算机科学与技术专业的学生, 第 6 8 章是必需的, 其他几章可以根据学时选讲 对于软件学院的学生, 第 6 章的重点放在函数依赖 范式和规范化方法上, 可以讲述第 7 12 章, 其他章节根据情况考虑 实验和课程设计是数据库课程教学的必要环节 实验可以配合课堂教学进行 课程设计可以在第 7 章之后布置, 期末完成 ; 也可以利用学校安排的实习时间, 集中两周完成 在我们的教学实践中, 两种方法都采用过 课件的 ppt 文档和其他教学辅助材料将在本书网站 (w w w.dbdm.zzu.edu.cn) 提供 部分习题的参考答案正在准备, 将向使用本书的教师提供 本书的网站正在建设, 在此之前, 你也可以向我们索取有关教学辅助材料 致读者本书仅要求读者熟悉基本的数据结构和一种高级程序设计语言 ( 如 C Java 或 Pascal) 集合论和数理逻辑的知识 ( 如离散数学中讲述的 ) 有助于该书的理解 书

5 前言 iii 中的概念都以直观的方式描述, 并通过一些精心选择的例子加以解释 本书是为高等学校计算机 信息科学及其相关专业本科生和软件学院学生的第一门数据库课程编写的教材, 也适合希望比较完整地掌握数据库理论 方法和技术的工程技术人员阅读 课件的 ppt 文档将在本书网站 (w w w.dbdm.zzu.edu.cn) 提供, 其他辅助学习材料也正在准备, 陆续在该网站提供 你也可以与我们联系, 索取相关材料, 提出你的意见和建议 致谢在近 20 年的数据库教学中, 我们使用和参考过许多国内外优秀教材 这些教材不仅为我们过去的教学提供了方便和支持, 也深深影响着本书的编写 我们在此向这些教材 ( 见参考文献 ) 的所有作者和译者表示敬意和感谢 感谢郑州大学选修数据库系统原理课程的历届学生 在 20 年的教学相长过程中, 他们的求知欲推动我们不断思考如何选择和组织教学内容, 如何用简洁而又不失严谨的表述方式讲述数据库的基本概念和技术, 最终形成这本教材 感谢科学出版社的编辑们, 感谢他们对出版本书的立项支持, 感谢他们在我们几度拖延交稿时表现出的耐心 没有他们的支持 鼓励和辛勤工作, 本书不可能这么快与读者见面 希望读者喜欢这本书, 希望本书能够帮助读者掌握数据库系统的基本概念 原理和技术, 希望本书能够成为将来步入数据库领域的读者的垫脚石, 为他们以后更好地工作打下坚实的基础 书中的错误和不当之处, 敬请同仁和读者朋友指正 意见和建议请发往 zzu.edu.cn, 我们将不胜感激 作者 2008 年 1 月于郑州大学

6 目 录 前言 第 1 章数据库系统概述 1 1 畅 1 引言 1 1 畅 2 数据模型 4 1 畅 3 数据库系统的结构 8 1 畅 4 数据库语言 12 1 畅 5 数据库管理员与数据库用户 14 1 畅 6 数据库技术的发展 16 1 畅 7 小结 17 习题 18 第 2 章实体唱联系模型 19 倡 2 畅 1 基本概念 19 2 畅 2 实体唱联系图 24 2 畅 3 一个例子 26 2 畅 4 弱实体集 28 2 畅 5 扩展的 E 唱 R 图 30 2 畅 6 小结 35 习题 36 第 3 章关系数据模型 38 倡 3 畅 1 关系数据库的结构 38 3 畅 2 从 E 唱 R 模型到关系模型 42 3 畅 3 关系的完整性约束 48 3 畅 4 关系代数 50 3 畅 5 关系演算 61 3 畅 6 关系数据库的更新 67 3 畅 7 小结 69 习题 69 第 4 章关系数据库标准语言 SQL 73 4 畅 1 引言 73 4 畅 2 数据定义 76

7 vi 数据库原理教程 4 畅 3 数据查询 85 4 畅 4 数据更新 畅 5 视图 畅 6 嵌入式 SQL 畅 7 小结 124 习题 125 第 5 章完整性与安全性 畅 1 完整性概述 畅 2 实体完整性和参照完整性 畅 3 域约束 畅 4 用户定义的完整性 畅 5 触发器 畅 6 安全性概述 畅 7 用户标识与鉴别 畅 8 存取控制 畅 9 SQL 的授权 畅 10 其他安全措施 畅 11 小结 155 习题 156 第 6 章关系数据库的设计理论 畅 1 问题提出 畅 2 函数依赖 畅 3 函数依赖的推导 畅 4 关系模式的分解 畅 5 关系模式的范式 畅 6 将关系模式分解成高级范式 畅 7 多值依赖与 4NF 畅 8 在设计中使用规范化理论 畅 9 小结 194 习题 195 附录 : 本章引理和定理证明 197 第 7 章数据库设计 畅 1 数据库设计概述 畅 2 需求分析 畅 3 数据库概念设计 215

8 目录 vii 7 畅 4 逻辑结构设计 畅 5 数据库物理设计 畅 6 数据库的实施和维护 畅 7 小结 232 习题 232 第 8 章查询处理与优化 畅 1 查询处理概述 畅 2 选择运算的实现 畅 3 连接运算的实现 畅 4 查询优化 畅 5 代数优化 畅 6 物理优化 畅 7 小结 261 习题 262 第 9 章事务与并发控制 畅 1 事务的概念 畅 2 并发控制概述 畅 3 并发调度的可串行化 畅 4 基于锁的协议 畅 5 两阶段锁协议 畅 6 多粒度封锁 畅 7 小结 286 习题 286 第 10 章数据库的恢复技术 288 倡 倡 10 畅 1 数据库恢复概述 畅 2 存储器结构 畅 3 基于日志的恢复技术 畅 4 基于检查点的恢复技术 畅 5 缓冲技术 畅 6 介质故障恢复技术 畅 7 其他恢复技术 畅 8 小结 304 习题 305 第 11 章 XML 畅 1 概述 306

9 viii 数据库原理教程 11 畅 2 XM L 数据结构 畅 3 XM L 文档模式 畅 4 查询和转换 畅 5 应用程序接口 畅 6 XM L 数据的存储 畅 7 XM L 应用 畅 8 小结 328 习题 329 第 12 章 ODBC 编程 畅 1 ODBC 简介 畅 2 ODBC 的工作原理 畅 3 ODBC API 基础 畅 4 ODBC 的工作流程 畅 5 ODBC 应用实例 畅 6 小结 351 参考文献 352 附录实验与课程设计 实验 课程设计 362

10 第 1 章数据库系统概述 数据库技术产生于 20 世纪 60 年代中期, 经历了 40 余年的发展, 已经成为计算机学科的重要分支 数据库技术是信息系统的核心和基础, 它的出现极大地促进了计算机应用向各行各业的渗透 现在, 数据库的建设规模 数据库信息量的大小和使用频度已成为衡量一个国家信息化程度的重要标志 数据库管理系统 (database management system,dbms) 是一种重要的程序设计系统, 它由一个相互关联的数据集合和一组访问这些数据的程序组成 这个数据集合称为数据库, 它包含了一个企业 政府部门或一个单位的全部信息 DBMS 的基本目标是提供一个方便 有效地访问这些信息的环境 DBMS 是最广泛使用的软件系统之一 为了设计和实现 DBM S, 已经建立了一些原理 方法和技术 理解这些原理 方法和技术对于有效地使用 DBMS 是至关重要的 本章是数据库系统的概述, 简要介绍数据库的一些基本概念 这些内容的进一步讨论遍及本书的其余章节 1 畅 1 引言 今天, 数据库已经无处不在 本节我们简略介绍 DBMS 产生的原因 DBMS 的主要功能 什么是数据库和使用数据库的优点 1 畅 1 畅 1 为什么需要数据库管理系统 需要是发明之母 数据库技术和数据库管理系统的产生和发展的直接动力源于数据管理的需要 1 畅数据管理的例子几乎所有的行业和部门都存在并且不断产生大量数据 为了维持正常运作, 这些行业和部门都需要持久地存储 维护和管理它们的数据 下面是数据管理的一些典型例子 : 零售业 : 管理产品 客户和购买信息 银行业 : 管理客户 账户和存贷款信息 制造业 : 管理供应 订单 库存 销售等信息 交通 : 例如, 航空公司管理航班和订票信息, 铁路部门管理火车票销售信息,

11 2 数据库原理教程公路交通部门管理班车和客车票销售信息 电信业 : 管理通信网络信息 存储通话记录 维护电话卡余额 图书馆 : 管理图书资料 读者和借阅信息 政府部门 : 例如, 税务部门需要管理纳税人信息和纳税信息, 交管部门需要管理车辆信息和驾驶员信息 学校 : 管理学生 教师 课程信息和学生成绩 要将这些数据存储在计算机系统中, 所面临的共同问题是, 如何合理地组织数据 如何有效地访问数据 2 畅数据管理的基本操作不同的应用涉及不同的数据 许多应用表面看来很不相同, 似乎没有什么共同点 例如, 超市存储的数据与银行存储的数据内容很不相同, 用法也很不相同 然而, 对于数据管理, 所有的应用都需要如下基本操作 : (1) 数据查询 : 从计算机系统 ( 暂且称它为数据库 ) 中查找用户需要的信息 例如, 查找图书, 查阅学生成绩, 查找商品价格等 (2) 数据插入 : 将新的数据输入到数据库中 用数据库的术语, 这种操作称作 插入 例如, 新产品的信息需要输入数据库, 新的银行账户信息需要输入数据库, 等等 (3) 数据删除 : 从数据库删除不再需要的数据 例如, 车辆报废, 其相关信息要从数据库中删除 ; 账户注销, 其信息要从相关数据库中删除 ; 等等 (4) 数据修改 : 修改数据库中某些数据 例如, 某种商品降价, 修改它的价格 本质上, 修改可以用删除 + 插入实现 然而, 修改作为一种单独的操作是方便的 数据的插入 删除和修改统称数据更新 几乎所有的更新操作都涉及隐含的查询 例如, 订购 8 月 1 日从郑州到广州 CZ3971 航班的机票, 本质上是导致该航班的机票数减 1 但是, 我们必须首先查询是否有 8 月 1 日 CZ3971 航班 ; 有的话, 是否有剩余机票 3 畅实际应用对数据操作的要求实际应用是在并发 充满故障和错误的环境下运行的 这对数据操作的实现提出了很高的要求 这些要求包括 : (1) 并发访问 : 允许多个用户同时对数据库中的数据进行访问 (2) 面临故障 : 各种各样的故障都可能发生, 必须确保数据在任何情况下都不被破坏 对于许多应用, 这一点至关重要 例如, 银行存款数据不能因突然停电而丢失或破坏 (3) 数据的安全性 : 防止用户对数据进行未经授权的访问 例如, 我们可以允

12 第 1 章数据库系统概述 3 许银行客户查看自己的存款, 但不能允许他们修改 (4) 数据的完整性 : 防止不符合语义的数据进入数据库 例如, 我们不能将负数作为学生的成绩输入到数据库中 (5) 数据的一致性 : 防止数据库进入不一致状态 有些操作必须作为一个整体 ( 原子性 ) 例如, 从账户 A 转 1000 元到账户 B, 涉及将账户 A 的存款额减去 1000 元, 将账户 B 的存款增加 1000 元 这两个操作要么都做, 要么都不做 否则, 数据库将进入不一致状态 故障可能导致两个操作中的一个完成, 而另一个未完成 必须保证即使发生故障也不会影响数据库的一致性 这些要求, 加上查询条件的多样性和复杂性, 使得数据查询和更新的实现很复杂 共同的需要值得开发专门的软件程序实现, 不必每个应用都写类似的程序 开发专门的软件系统管理数据, 提供数据的组织和基本操作是必要的 这种软件系统就是数据库管理系统, 即 DBMS 1 畅 1 畅 2 数据库管理系统与数据库 DBMS 是位于用户和计算机操作系统之间的数据管理软件, 它提供如下功能 : (1) 数据定义 : 提供数据定义语言 (data definition language,ddl), 用于定义数据库中的数据对象和它们的结构 (2) 数据操纵 : 提供数据操纵语言 (data manipulation language,dm L), 用于操纵数据, 实现对数据库的基本操作 ( 查询 插入 删除和修改 ) (3) 事务管理和运行管理 : 统一管理数据 控制对数据的并发访问, 保证数据的安全性 完整性, 确保故障时数据库中数据不被破坏, 并且能够恢复到一致状态 (4) 数据存储和查询处理 : 确定数据的物理组织和存取方式, 提供数据的持久存储和有效访问 ; 确定查询处理方法, 优化查询处理过程 (5) 数据库的建立和维护 : 提供实用程序, 完成数据库数据批量装载 数据库转储 介质故障恢复 数据库的重组和性能监测等 (6) 其他功能 : 包括 DBMS 与其他软件通信 异构数据库之间数据转换和互操作等 数据库 (database,db) 是持久储存在计算机中有组织的 可共享的大量数据的集合 数据库中的数据按一定的数据模型组织 描述和存储, 可以被各种用户共享, 具有较小的冗余度 较高的数据独立性, 并且易于扩展 在数据库中, 使用数据模型对数据建模, 所产生设计结果称为数据库模式 数据库模式描述数据库的数据结构 ( 型 ), 具有相对稳定性 特定时刻数据库中的数据称为数据库的实例 ( 值 ) 数据库的值是随时间推移不断变化的 数据库系统由数据库 DBMS( 及其开发工具 ) 应用系统和数据库管理员组成 使用数据库进行信息管理具有如下优点 :

13 4 数据库原理教程 (1) 数据整体结构化 : 在数据库中, 数据的组织面向整个机构 面向所有可能的应用, 而不是某个具体部门或某个特定的应用 数据结构化是整体结构化, 数据结构不仅描述现实世界的对象, 而且描述对象之间的联系 (2) 数据共享 : 数据库中的数据面向整个机构组织使得它能够更好地被多个用户 多个应用程序共享 不仅已有的应用可以共享数据库中的数据, 而且新的应用也能对这些数据进行操作 共享的好处是节省存储空间, 尽量避免同一数据不必要地重复存放 ( 冗余 ) 从而在某种程度上避免了同一数据的不同副本具有不同值 ( 数据的不一致性 ) (3) 数据独立性 : 数据独立性是指数据与应用程序相互独立, 包括数据的物理独立性和数据的逻辑独立性 数据的结构用数据模型定义, 无需程序定义和解释 数据库系统的三级模式和两级映像使得数据的存储结构和逻辑结构的改变不会影响应用程序 ( 见 1 畅 3 节 ) (4) 数据由 DBM S 同一管理和控制, 使得系统能够为数据管理提供更多的支持 这些支持包括 : 1 提供事务支持 : 事务是一个逻辑单元, 包括一系列操作, 这些操作要么都做, 要么都不做, 即便发生故障也如此 ( 见第 9 章 ) 2 增强安全性 :DBMS 提供数据的安全性保护, 使每个用户只能按指定方式使用和处理指定数据, 保护数据以防止不合法的使用造成的数据的泄密和破坏 ( 见第 5 章 ) 3 保持完整性 :DBMS 提供数据的完整性检查, 将数据控制在有效的范围内, 保证数据之间满足一定的关系 ( 见第 5 章 ) 4 平衡相互冲突的请求 : 并发控制对多用户的并发操作加以控制和协调, 防止相互干扰而导致错误的结果 ( 见第 9 章 ) 5 面对故障的弹性 : 当系统发生故障时, 防止数据库的数据丢失, 并将数据库从错误状态恢复到某种已知的正确状态 ( 见第 10 章 ) (5) 标准化 : 使用数据库进行信息管理有利于制定部门标准 行业标准 工业标准 国家标准和国际标准, 促进数据库管理系统和数据库开发工具的研制 开发, 推动数据管理应用的健康发展 1 畅 2 数据模型 数据模型是数据库技术的核心概念 所有的 DBMS 都基于某种数据模型实现, 所有的数据库应用都建立在某种数据模型之上 数据模型是一种形式机制, 用于数据建模, 描述数据 数据之间的联系 数据的语义 数据上的操作和数据的完整性约束条件 一种好的数据模型要能准确地描述现实世界, 容易理解和易于实现 对数据建模的模型分成两个不同的层次 : 概念模型也称信息模型, 按用户的观

14 第 1 章数据库系统概述 5 点来对现实世界进行数据建模 数据模型按计算机系统的观点对信息世界进行数据建模 1 畅 2 畅 1 实体联系模型实体联系 (entity 唱 relationship,e 唱 R) 模型是一种广泛使用的概念模型, 用于对现实世界建模 E 唱 R 模型基于这样的认识 : 现实世界由一些称为实体的基本对象和这些对象之间的联系组成 实体可以是实际存在的事物 ( 如学生 ), 也可以是抽象概念 ( 如课程 ) 实体用一些称为属性的特征刻画 例如, 学生可以用学号 姓名 性别 出生年月 专业等属性刻画 ; 课程可以用课程号 课程名 学时 学分等属性刻画 具有相同属性的实体被汇集在一起, 形成实体集 例如, 所有的学生形成一个实体集, 所有的课程也形成一个实体集 联系是实体之间的关联 它反映了现实世界中实体之间客观存在的关联关系 例如, 如果学生李明选修了数据库原理这门课程, 李明与数据库原理之间就存在一种联系 同一类联系汇集在一起, 形成联系集 例如, 所有表明学生与课程之间选修关系的联系形成一个联系集 选修 联系也可能需要属性刻画 例如, 选修联系可以包含一个属性 成绩, 描述特定的学生选修特定课程取得的成绩 E 唱 R 模型用一种称为 E 唱 R 图的图形对现实世界建模 图 1 畅 1 是一个 E 唱 R 图示例 图中, 矩形框代表实体集, 椭圆代表属性, 菱形框代表联系集, 一些线段将属性与对应的实体集或联系相连接, 而另一些将参与联系的实体集连接到联系集上 E 唱 R 模型的更多细节将在第 2 章给出 图 1 畅 1 E 唱 R 图示例 1 畅 2 畅 2 数据模型的三要素数据模型是实际 DBMS 支持的模型 数据模型有数据结构 数据操作和完整性约束三个基本要素 1 畅数据结构数据结构描述数据库中的对象和对象之间的联系, 是对系统静态特性的描述

15 6 数据库原理教程数据结构定义基本数据项的类型, 如何用基本数据项构造更大数据对象, 如何表示数据对象之间联系, 以及联系具有的类型等 尽管不同的数据模型使用不同的术语, 但是用基本数据项构造更大数据对象的方法是类似的 把描述现实世界同一对象的数据项组织成记录 ( 关系模型称之为元组 ) 然而, 对于描述对象之间的联系, 不同的数据模型提供了不同的方法 例如, 层次模型要求所有的记录型组织成一棵树, 并且父节点记录型与子节点记录型之间的联系是一对多联系 网状模型则把记录型的组织放宽为有向无环图 而在关系模型中, 对象本身和对象之间的联系都用关系表示, 并且可以直接表示多对多联系 数据结构刻画了数据模型最重要的方面 在数据库系统中, 数据模型通常按它所使用数据结构来命名 例如, 将数据按照树状结构加以组织的数据模型被称为层次模型, 用有向无环图组织数据的数据模型被称为网状模型, 而用关系组织数据的模型被称为关系模型 2 畅数据操作数据操作定义数据库中各种数据对象的实例上允许执行的操作和操作规则, 是对系统动态特性的描述 数据库操作主要包括查询和更新 ( 包括插入 删除 修改 ) 两大类 数据模型定义这些操作的运算对象 运算符 运算的确切含义和运算规则 ( 如优先级 ), 并且提供实现这些操作的语言 3 畅数据的完整性约束条件数据的完整性约束条件是一组规则, 用以限定符合数据模型的数据库状态和状态的变化, 保证数据的正确 有效和相容 数据的完整性约束条件可以分通用的约束条件和与具体应用相关的专用约束条件 所谓通用完整性约束条件是指该模型下的所有数据库都必须满足的约束条件 例如, 在关系模型中, 任何关系必须满足实体完整性和参照完整性两个约束条件 而与具体应用相关的专用完整性约束条件取决于实际问题的语义 例如, 零件的库存量必须是非负整数, 学生的成绩必须在 0 ~ 100 取值 通常, 数据模型只明确规定该模型的通用完整性约束规则, 而对专用完整性约束条件, 由 DBMS 提供定义和检查机制 1 畅 2 畅 3 关系模型目前, 关系模型是主流数据模型 几乎所有的 DBMS 都建立在关系模型上, 或支持关系模型 长期以来, 关系数据库也一直是数据库的研究与开发的重点

16 第 1 章数据库系统概述 7 关系模型具有坚实的数学基础 简洁的数据表示形式, 并且支持易学易用的非过程化语言 所有这些都使关系模型具有其他数据模型无法比拟的优点 关系模型只有一种数据结构 关系 现实世界中的对象和对象之间的联系都用关系表示 关系是元组的集合 从用户角度来看, 关系是一张二维表 表的第一行称为表头, 它列出关系的属性, 刻画关系的模式 ; 其余各行是关系的元组 使用 E 唱 R 模型的术语, 实体集和联系集都用关系表示 如果关系表示实体集, 则表的每一行 ( 第一行除外, 下同 ) 代表一个实体, 表的每一列代表刻画实体特征的一个属性 如果关系表示联系集, 则表的每一行代表实体之间的一个联系, 而表的列给出参与联系的实体的码属性和联系的属性 例如, 图 1 畅 1 的 E 唱 R 模型可以用图 1 畅 2 所示的三个表表示 学生 (Students) 学号 姓名 性别 出生年月 专业 王万里 男 计算机科学与技术 课程 (Courses) 选修 (SC) 课程号课程名学时学分 学号课程号成绩 CS101 计算科学导论 CS 图 1.2 关系的二维表表示关系模型要求关系必须是规范化的 : 关系的每个属性只能取原子值 ( 不能再分的值 ) 换句话说, 表中不能包含子表 图 1 畅 3 就是一个非规范化的表, 其中工资和扣除都是子表, 可以划分成更小的数据项 职工号姓名职称 工资 扣除 基本工资岗位津贴职务工资所得税医疗保险失业保险 实发 陈海华 讲师 图 1.3 非规范化的表在关系模型中, 定义数据操作的方法有两种 : 关系代数和关系演算 关系代数显式地定义了一些关系运算 ( 如并 交 差 选择 投影 连接等 ) 关系运算的运算对象和运算结果都是关系, 这使得我们可以将上一步的运算结果作为下一步的运算对象, 通过运算的复合构造关系代数表达式 查询用关系代数表达式表示, 而更新用关系代数表达式向关系变量的赋值表示 关系演算并不显式定义基本运算, 而是用一个逻辑公式表示查询结果必须满足的条件 关系演算又分元组关系演算和域关系演算, 它们的主要区别是前者公

17 8 数据库原理教程式中的变元是元组变量, 而后者公式中的变元是域变量 关系模型的完整性约束包括实体完整性 参照完整性和用户定义的完整性 其中实体完整性和参照完整性是通用完整性约束, 由关系模型明确定义 关系模型是最重要的数据模型, 也是本书的重点 本书的大部分内容都基于关系模型 关系模型的形式化讨论将在第 3 章给出 第 4 章介绍关系数据库的主流语言 SQL 语言 第 5 章讨论数据库的完整性和安全性, 介绍 SQL 的完整性和安全性处理 第 6 章讨论如何设计好的关系数据库模式 第 8 章介绍关系数据库的查询处理和优化 1 畅 2 畅 4 其他数据模型层次数据模型和网状数据模型的出现先于关系模型 这两种数据模型曾经对数据库技术的发展具有重要影响 但是, 这两种模型与底层实现的联系过于紧密, 使得模型的构造和使用过于复杂 除了少数旧系统仍在使用外, 它们已经很少使用 本书不讨论这两种模型 面向对象的数据模型是基于面向对象的设计范型, 这种范型目前广泛使用 关系模型的简单结构不支持某些复杂的数据库应用 复杂的应用需要更丰富的数据类型和定义在复杂数据类型上的专门操作 由于本书旨在为第一门数据库课程提供教材, 这些问题的讨论已经超出本书范围 对象唱关系数据模型结合了关系模型和面向对象模型的特点 这种模型以关系作为数据存储的基础, 并通过提供复杂对象的丰富数据类型和对象定位, 扩充关系模型 对象唱关系模型提供了一种平滑迁移关系数据库的方法, 对数据库厂商和用户都更具有吸引力 SQL99 包含了许多面向对象的特征 严格地说,XM L(extensible markup language, 可扩展标记语言 ) 并不是一种数据模型, 至少不是作为数据模型提出的 然而,XM L 不仅能够表达文本信息 ( 半结构化信息 ), 而且提供了一种表达嵌套结构数据的途径, 在数据结构化方面允许很大的灵活性 这对异构数据库系统的信息交换特别重要 XM L 已经成为事实上的异构数据库信息交换标准语言, 我们将在第 11 章详细介绍 XM L 1 畅 3 数据库系统的结构 从用户角度看, 数据库系统的外部结构可以分为单用户结构 主从式结构 分布式结构 客户 / 服务器结构 浏览器 / 应用服务器 / 数据库服务器结构等 从系统角度看, 数据库系统的内部通常采用三级模式结构 本节, 我们简略介绍数据库系统的外部结构, 重点讨论数据库系统的内部结构

18 第 1 章数据库系统概述 9 1 畅 3 畅 1 数据库系统的外部结构 (1) 最简单的结构是单用户数据库系统 在这种系统中, 整个数据库系统 ( 包括应用程序 DBMS 数据 ) 都安装在一台计算机上, 为一个用户所独占, 不同机器之间不能共享数据 单用户系统是一种早期的数据库系统, 目前已经不再流行 (2) 主从式结构的数据库系统是一种一台主机带多个终端的多用户系统 数据库系统包括应用程序 DBMS 和数据, 都集中存放在主机上 所有处理任务都由主机来完成 用户通过主机的终端并发地访问数据库, 共享数据资源 这种系统简单, 数据易于管理和维护 但是, 当终端用户数目增加到一定程度后, 主机的任务就会过分繁重, 成为瓶颈, 导致系统性能大幅度下降 此外, 这种系统的可靠性不高, 当主机出现故障时, 整个系统都不能使用 (3) 在分布式结构的数据库系统中, 数据在逻辑上是一个整体, 但物理地分布在计算机网络的不同结点上 网络中的每个结点都可以独立处理本地数据库中的数据, 执行局部应用 ; 也可以同时存取和处理多个异地数据库中的数据, 执行全局应用 这种系统适应了地理上分散的公司 团体和组织对于数据库应用的需求, 提高了系统的可靠性 但是, 数据的分布存放给数据的处理 管理与维护带来一定困难 当用户需要经常访问远程数据时, 系统效率会明显地受到网络交通的制约 (4) 客户 / 服务器结构的数据库系统把 DBMS 功能和应用分开 网络中某些结点上的计算机专门用于执行 DBMS 功能, 称为数据库服务器 ( 简称服务器 ) 其他结点上的计算机安装 DBMS 的外围应用开发工具, 支持用户的应用, 称为客户机 有两种客户 / 服务器结构 : 集中的服务器结构仅有一台数据库服务器, 而客户机有多台 ; 分布的服务器结构是客户 / 服务器与分布式数据库的结合, 网络中有多台数据库服务器 客户 / 服务器结构具有很多优点 首先, 客户端的用户请求被传送到数据库服务器, 数据库服务器进行处理后只将结果返回给用户, 从而显著减少了数据传输量 其次, 数据库更加开放 客户与服务器一般都能在多种不同的硬件和软件平台上运行, 可以使用不同厂商的数据库应用开发工具, 应用程序具有更强的可移植性, 同时也可以减少软件维护开销 此外, 分布的服务器还使系统同时具有分布式系统的优点 客户 / 服务器结构是广泛采用的数据库系统结构 大部分商品化的 DBM S 都支持这种结构 1 畅 3 畅 2 数据库系统的三级模式结构数据库系统内部广泛采用三级模式和两级映像结构, 如图 1 畅 4 所示 模式结构的最外层是外模式, 中间层是模式, 而最内层是内模式 应用程序基于特定的外模式编写, 依赖于特定的外模式, 但独立于数据库的模式和内模式

19 10 数据库原理教程 图 1 畅 4 数据库系统的三级模式和两级映像 1 畅外模式外模式 (external schema) 也称子模式或用户模式 外模式介于模式与应用之间, 是特定数据库用户的数据视图, 是与某一具体应用相关的数据局部逻辑结构的描述 外模式面向具体的应用程序, 定义在模式之上, 但独立于存储模式和存储设备 通常, 外模式是模式的子集 但是, 在外模式中, 同一数据对象的结构 类型 长度等都可以不同于模式 一个数据库可以有多个外模式, 反映不同的用户的应用需求和看待数据的方式 一个外模式可以被多个应用所使用, 但是一个应用程序只能使用一个外模式 理想情况, 所有的应用都建立在一个外模式上 但是实际上,DBMS 允许应用程序直接访问模式 外模式与授权配合, 限制用户只能访问所对应的外模式中的数据, 可以提供一种保证数据库安全性的有力措施 外模式与外模式唱模式映像配合, 可以实现一定程度的数据的逻辑独立性 外模式使用 DBM S 提供的子模式定义语言定义 2 畅模式模式 (schema) 也称逻辑模式 模式是数据库中全体数据的总体逻辑结构描述, 是所有用户的公共数据视图 模式综合了所有用户的数据需求, 因此一个数据库只有一个模式 模式处于数据库系统模式结构的中间层, 与数据的物理存储细节和硬件环境无关, 与具体的应用程序 开发工具及高级程序设计语言无关

20 第 1 章数据库系统概述 11 模式是数据库的中心与关键, 设计数据库结构时应首先确定数据库的模式 模式的定义不仅包括数据的逻辑结构 ( 数据项的名字 类型 取值范围等 ), 而且还包括数据之间的联系 数据有关的安全性和完整性要求 3 畅内模式内模式 (internal schema) 也称存储模式或物理模式 内模式是数据物理结构和存储方式的描述, 定义数据在数据库内部的表示方式 例如, 文件记录的存储方式 ( 顺序存储 按照 B 树结构存储 按 hash 方法存储 ) 索引的组织方式 数据是否压缩存储 数据是否加密 记录是否跨页等 一个数据库只有一个内模式 内模式依赖于全局逻辑结构, 但它既独立于数据库的用户视图 ( 即外模式 ), 也独立于具体的存储设备 内模式将全局逻辑结构中所定义的数据结构及其联系按照一定的物理存储策略进行组织, 以达到较好的时间与空间效率 内模式到物理存储器的映射可以由操作系统实现, 或由 DBMS 实现 1 畅 3 畅 3 二级映像与数据独立性数据库系统的三级模式提供了三个层次的数据抽象 这样做的一个优点是可以隐蔽数据存储细节, 从而隐蔽系统内部的复杂性, 简化系统的用户界面 ; 另一个优点是可以带来数据的独立性 为了正确实现三层数据抽象之间的转换, 系统提供了两级映像 : 外模式唱模式映像和模式唱内模式映像 1 畅外模式唱模式映像外模式唱模式映像定义外模式与模式之间的对应关系 每一个外模式都有一个对应的外模式唱模式映像, 建立外模式中的数据对象与模式中的数据对象之间的对应关系 外模式唱模式映像可以保证外模式的相对稳定性 模式改变时, 数据库管理员可以修改有关的外模式唱模式映像, 使外模式保持不变, 从而为数据的逻辑独立性提供了保证 通常, 外模式唱模式映像定义包含在每个外模式的定义中 2 畅模式唱内模式映像模式唱内模式映像定义数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系 例如, 模式唱内模式映像要说明逻辑记录和字段在内部是如何表示的 由于一个数据库只有一个模式和一个内模式, 因此数据库的模式唱内模式映像

21 12 数据库原理教程是唯一的 模式唱内模式映像可以保证模式, 进而保证外模式的相对稳定性 当数据的存储结构 ( 内模式 ) 改变时 ( 例如, 选用了另一种存储结构 ), 数据库管理员可以修改模式唱内模式映像, 使得模式保持不变 这为数据的物理独立性提供了保证 通常, 模式唱内模式映像定义包含在模式的定义中 二级映像保证了数据库外模式的稳定性, 从而从底层保证了应用程序的稳定性 除非应用需求本身发生变化, 否则应用程序一般不会因数据的逻辑结构和物理结构的改变而修改 3 畅数据独立性所谓数据独立性是指数据与应用程序相互独立, 分数据的逻辑独立性和数据的物理独立性两种 数据的逻辑独立性是指应用程序与数据库的逻辑结构之间的相互独立性 当数据的逻辑结构改变时, 通过修改外模式唱模式映像, 保持外模式不变, 从而使得建立在外模式上的应用程序也可以不变 数据的物理独立性是指应用程序与存储在磁盘上的数据库中数据之间的相互独立性 当数据的物理存储结构改变时, 通过修改模式唱内模式映像, 保持模式不变 由于外模式是定义在模式上的, 模式不变, 则外模式不需要改变, 从而使得建立在外模式上的应用程序也可以不变 数据的独立性靠三级模式 两级映像实现 数据独立性使得数据的定义和描述可以从应用程序中分离出去, 减少了数据逻辑结构和物理结构的变化对程序的影响 1 畅 4 数据库语言 数据库系统提供三种语言 : 数据定义语言用于定义数据库模式, 数据操纵语言用于表达数据库的查询和更新, 而数据控制语言用于定义用户对数据对象的访问权限 早期, 这些语言是相对独立的 现在, 这些语言被集成在一起, 形成一个统一的数据库语言 1 畅 4 畅 1 数据定义语言数据库中的对象是持久对象, 它们的结构 ( 数据库模式 ) 定义应当独立于程序 数据库模式由一种称为数据定义语言 (data definition language,ddl) 的特殊语言来定义 例如, 下面是用 SQL 语言定义的关系表 Students : CREATE TABLE Students

22 第 1 章数据库系统概述 13 (Sno CHAR(9) PRIMARY KEY, Sname CHAR(8), Ssex CHAR(2), Sbirthday DATE, Sspeciality CHAR(20)) ; 这个语句的执行将产生一个名字为 Students 的基本表, 它包含属性 Sno, Sname,Ssex,Sbirthday 和 Sspeciality, 其中 Sno 是主码,Sbirthday 是日期型, 其余属性都是字符型,CHAR 后括号中的整数给出字符串的长度 该语句的执行还将表的定义信息存放到数据字典中 数据字典是 DBM S 维护的一系列内部表, 用来存放元数据 所谓元数据是关于数据的数据 关系模式描述就是元数据的一个范例 所有的定义 ( 数据对象的定义 索引的定义 视图的定义 授权的定义等 ) 都以元数据的形式存放在数据字典中 在访问数据库时,DBMS 都要访问数据字典 其他元数据包括统计信息 审计信息等 DDL 不仅用来定义数据库的结构, 而且提供数据完整性约束条件的定义机制 每当数据库更新时,DBMS 都要检查这些约束 DDL 还提供了对数据定义进行修改和删除的功能 1 畅 4 畅 2 数据操纵语言数据库的主要操作是查询和更新 ( 插入 删除和修改 ) 用户可以使用数据操纵语言, 表达对按照某种数据模式组织起来的数据的访问 通常, 数据操纵语言可以分两类 : 过程化 DML 不仅要求用户指明需要什么数据, 而且要求用户描述如何获得这些数据的详细过程 非过程化 DML( 陈述式 DM L) 只需要用户指明需要什么数据 所需数据的位置和满足的条件, 而不必指明如何获得这些数据 早期的数据库系统, 如层次和网状数据库系统, 采用过程化数据操纵语言, 这增加了使用的难度 关系数据库系统通常采用非过程化的数据操纵语言, 使得关系数据库系统更加易学易用 SQL 就是这种非过程化 DM L 的典型代表 DM L 中涉及数据查询 ( 检索 ) 的部分称为查询语言 下面是一个 SQL 语言表达的查询, 它要找出学号为 的学生的各科成绩, 所显示的结果是课程名和成绩 SELECT Cname,Grade FROM SC,Courses WHERE Courses 畅 Cno = SC 畅 Cno AND Sno = ; 其中 SC 和 Courses 是如图 1 畅 2 所示的关系表,Cname 是课程名,Grade 是成绩, 而

23 14 数据库原理教程 Sno 是学号 1 畅 4 畅 3 数据控制语言数据控制语言 (data control language,dcl) 用于定义用户对数据对象的访问权限和审计 为了保证数据的安全性, 防止非法用户访问数据库, 所有对数据库的访问都必须经过授权 例如,SQL 的授权语言 GRANT SELECT ON TABLE Students TO User1 ; 将查询关系表 Students 的权限授予用户 User1 User1 可以对表 Students 进行查询, 但不能更新 该语句的执行只是将授权定义存放到数据字典中 当用户访问数据库时,DBMS 首先查看数据字典, 确定用户是否具有相应的访问权限 如果有, 访问将被执行, 否则被拒绝 DCL 还提供了回收授权和建立审计的语句 严格地说, 审计并不限制对数据的访问, 而是记录用户对数据的访问 这样做是为了监视合法用户, 防止不诚信的行为 第 4 章, 我们将详细介绍 SQL 语言 SQL 语言将 DDL DM L 和 DCL 集成在一起, 是广泛使用的关系数据库语言 1 畅 5 数据库管理员与数据库用户 除了数据库系统的设计和开发者外, 使用数据库的人员可以分两类 : 数据库管理员和数据库用户 1 畅 5 畅 1 数据库管理员使用数据库可以对数据的访问进行集中控制 负责管理数据库, 实施数据的集中控制的人称为数据库管理员 (database administrator,dba) DBA 可以是一个人, 也可以是一个小组 DBA 的主要职责包括 : (1) 决定数据库中的信息内容和数据的逻辑结构 DBA 要参与信息决策, 确定数据库中需要存储哪些信息 与系统设计人员密切配合, 搞好数据库的逻辑设计 (2) 决定数据库的存储结构和存取策略 DBA 要综合应用需求, 与数据库设计人员共同确定数据的存储结构和存取策略 (3) 定义数据的安全性要求和完整性约束条件 DBA 的重要职责之一是确定数据的保密级别和完整性约束条件, 并对不同的用户授予相应的权限 (4) 数据库系统的日常维护 在数据库投入运行之后,DBA 负责维护数据库的日常运行并监控数据库的使用 主要工作包括 : 1 周期性转储数据库, 防止灾难发生导致数据库被破坏 2 当系统故障发生时, 重启系统并利用日志将数据库中的数据恢复到先前的

24 第 1 章数据库系统概述 15 一致状态 ; 当介质故障发生时, 修复或更换存储介质, 重启系统并利用转储和日志将数据库中的数据恢复到先前的一致状态 3 监视系统的运行, 在系统性能下降时, 调整物理存储结构 建立必要的索引, 确保系统有效运行 4 设置必要的审计, 监视审计文件 (5) 数据库的重组和重构 在数据库运行时, 随着大量数据的插入 删除和修改, 磁盘上会出现大量碎片, 导致系统性能下降 DBA 要定期清除碎片, 对数据库进行重组 此外, 随着需求的改变和增加,DBA 还要对系统进行较大的改造, 修改部分设计 ( 重构 ), 以满足新的应用需求 1 畅 5 畅 2 数据库用户根据用户使用数据库的方式, 可以把数据库用户分四类 : 初级用户 应用程序员 富有经验的用户和专业用户 初级用户不必知道数据库的逻辑结构, 通过预先编制的数据库系统应用软件或浏览器访问数据库 这种应用软件通常涵盖一个单位的日常事务处理, 并且提供了友好的图形用户界面 用户只需要按照提示, 输入少量信息, 点击特定的命令按钮就可以访问数据库 例如, 超市的收银员只需要逐一扫描或输入顾客购买每件商品的条码, 就可以访问数据库, 得到商品的单价 ; 点击 确定 按钮就能得到应收货款, 打印顾客购物清单 所有这些工作都是由预先编制的应用程序完成的, 但是收银员并不需要知道实现细节, 甚至不必知道数据库的逻辑结构 互联网的广泛使用使得普通用户可以更加方便地访问数据库 例如, 用户可以通过浏览器访问文献资料数据库 ( 或数字图书馆 ), 查阅文献资料 应用程序员是编写数据库应用程序的计算机专业人员 大部分应用程序员只需要知道数据库的外模式, 有些高级程序员需要知道模式, 但都不必知道内模式 应用程序员可以选择一些工具开发图形用户界面 还有一类语言, 称为第四代语言, 它将命令控制结构 ( 如 for 循环 while 循环和 if 唱 then 唱 else 语句 ) 和数据操纵语言结合在一起, 支持应用程序的开发 富有经验的用户可以直接使用数据库查询语言来表达他们的查询请求 查询被直接提交查询处理器解释执行 这类用户通常是数据分析人员 他们的任务是分析数据库中的数据, 试图发现对决策有用的信息 ( 知识 ) 联机分析处理 (on 唱 line analytical processing,olap) 工具提供多粒度的多维数据交互分析, 越来越多地用于数据库中数据的分析处理 数据挖掘工具提供了更复杂的数据分析方法, 可以支持用户从数据库的数据中发现一些知识模式, 用于支持决策 专业用户主要使用数据库存储和管理他们的数据 由于数据的处理不同于传

25 16 数据库原理教程统的事务处理, 他们需要编写专门的程序处理数据 这类程序包括计算机辅助设计系统 专家系统 多媒体系统等 1 畅 6 数据库技术的发展 从最早的商用计算机出现开始, 数据处理就一直推动计算机应用的发展 经 历近半个世纪的研究 开发和推广, 以数据库为核心技术的数据处理技术已经成长 为计算机的重要学科领域之一 图 1 畅 5 概括了数据库技术的发展 该图取自 图 1 畅 5 数据库技术的发展

26 第 1 章数据库系统概述 17 Jiawei Han 和 Micheline Kamber 的 Data Mining : Concepts and Techniques(Second Edition) 数据库技术一直是计算机学科最活跃的领域之一 本书作为数据库的入门教材, 不准备全面深入地讨论数据库这个枝繁叶茂学科分支 然而, 本书讲述的内容将为你能成为数据库设计 开发工程师提供必要的概念 理论 方法和技术, 同时也为你步入数据库学科领域, 从事更深入的研究提供必备的基础 1 畅 7 小结 (1) 数据管理和数据库应用无处不在, 这些应用需要很好地组织数据 有效地访问数据, 并且需要共同的操作 : 查询 插入 删除和修改 这些导致了 DBMS 的研制与开发 (2) DBMS 是一种重要的程序设计系统, 它由一个相互关联的数据集合和一组访问这些数据的程序组成 DBMS 的主要功能包括数据定义 数据操纵 事务管理和运行管理 数据存储和查询处理 数据库维护等 (3) 数据库是持久储存在计算机中 有组织的 可共享的大量数据的集合 数据库中的数据按一定的数据模型组织 描述和存储, 可以被各种用户共享, 具有较小的冗余度 较高的数据独立性, 并且易于扩展 (4) 数据库系统由数据库 DBMS( 及其开发工具 ) 应用系统和数据库管理员组成 (5) 数据模型是一种形式机制, 用于数据建模, 描述数据与数据之间的联系 数据的语义 数据上的操作和数据的完整性约束条件 使用数据模型对数据建模, 所产生设计结果称为数据库模式 (6) E 唱 R 模型是一种广泛使用的概念模型, 用于对现实世界建模 E 唱 R 模型把现实世界抽象为实体和实体之间的联系, 并用 E 唱 R 图建模 (7) 数据模型有数据结构 数据操作和数据的完整性约束三个基本要素 (8) 关系数据模型是最重要的一种数据模型, 它具有坚实的数学基础, 简洁的表示形式, 并且支持非过程化的数据库语言 (9) 从用户角度, 数据库系统的外部结构可以分为单用户结构 主从式结构 分布式结构 客户 / 服务器结构 浏览器 / 应用服务器 / 数据库服务器结构等 (10) 数据库系统广泛使用外模式 模式和内模式三级模式结构 三级模式提供了三个层次的数据抽象, 隐藏了实现细节, 简化了用户界面, 并通过两级映像实现了数据独立性 (11) 数据独立性是指数据与应用程序之间的相互独立性, 包括数据的逻辑独立性和数据的物理独立性

27 18 数据库原理教程 (12) 数据库系统提供三种语言 :DDL 用于定义数据库模式,DM L 用于表达数据库的查询和更新, 而 DCL 用于定义用户对数据对象的访问权限 这三种语言不是独立的, 而是集成在一起, 形成完整的数据库语言 (13) 数据管理员 (DBA) 负责管理数据库, 实施数据的集中控制 习 题 1 畅 1 列举 2 ~ 5 个数据处理和数据库应用的例子 1 畅 2 解释下列术语 :DBMS 数据库 数据库系统 数据模型 数据库模式 数据字典 元数据 1 畅 3 试述 DBMS 的主要功能 1 畅 4 使用数据库进行信息管理有哪些优点? 1 畅 5 数据模型有哪三个基本要素? 概述关系数据模型的三要素 1 畅 6 试述数据库系统的三级模式结构 这种结构的优点是什么? 1 畅 7 何谓数据独立性? 何谓数据的逻辑独立性? 何谓数据的物理独立性? 说明数据的逻辑独立性与物理独立性的区别 1 畅 8 数据库管理员的主要职责有哪些?

28 第 2 章实体联系模型 实体联系 (entity 唱 relationship,e 唱 R) 模型是一种概念模型, 用于对现实世界建模 在 E 唱 R 模型下, 现实世界由一些称为实体的基本对象和这些基本对象之间的联系组成 E 唱 R 模型概念简单, 并具有很强的语义表达能力 E 唱 R 模型用 E 唱 R 图描述现实世界, 构造概念模型 E 唱 R 图描述清晰, 易于用户理解, 是数据库设计人员与用户之间交流 沟通的有效工具 此外,E 唱 R 模型容易转换成实际数据库管理系统支持的数据模型 ( 如关系模型 ), 从而易于在计算机上最终实现 因此,E 唱 R 模型一直是最广泛使用的对现实世界进行建模的工具 2 畅 1 节介绍 E 唱 R 模型的基本概念 ;2 畅 2 节介绍 E 唱 R 图 ;2 畅 3 节用一个简化的实际例子解释如何从实际问题建立 E 唱 R 模型 构造 E 唱 R 图 ;2 畅 4 节讨论弱实体集 E 唱 R 模型是 Peter Chen 于 1976 年提出的 在此之后,Chen 和其他许多人对它做了一些修改和扩充 2 畅 5 节介绍其中最常见的一些扩充的特性 2 畅 1 基本概念 E 唱 R 数据模型的最重要的基本概念是实体 属性和联系 2 畅 1 畅 1 实体 1 畅实体和属性实体是客观存在并且可以相互区分的任何事物 实体可以是人, 也可以是物 ; 可以是实际对象, 也可以是抽象概念 例如, 一个职工 一个学生 一辆汽车 一个部门 一张订单 一门课程等都可以看作一个实体 属性是实体所代表的事物具有的某种特性 每个实体都可以用一组属性来刻画 例如, 我们可以用职工号 职工姓名 性别 出生年月 部门 住址 电话号码等属性来刻画职工实体 而对于学生实体, 我们可以用学号 学生姓名 性别 出生年月 院系 专业等属性来刻画 对于同一个实体, 刻画它的属性集可以有不同的选择 选择哪些属性来刻画一个实体取决于数据管理的实际需要 每个属性都有一定的取值范围, 称为该属性的值域 最常见的属性值域是整数 实数或字符串的集合 例如, 学号的值域可以是长度为 9 的数字字符串的集合, 姓名的值域可以是长度不超过 4 个汉字的字符串的集合

29 20 数据库原理教程 2 畅实体集和码实体集是具有相同属性的实体的集合 这样, 实体的属性也就是它所在的实体集的属性 从映射的观点看, 每个属性都是一个函数, 它将实体集中的每个实体映射到该属性值域上的一个具体值 通常, 我们对实体集命名, 以便引用 命名的方法是任意的, 但是采用助记忆的名称有助于理解 例如, 我们可以用 学生 或 Students 表示所有学生的集合, 用 职工 或 Employees 表示所有职工实体的集合 实体和实体集都具有型和值 实体和实体集的型都用其属性名的列表表示 例如, 学生实体 ( 集 ) 的型可以用 ( 学号, 学生姓名, 性别, 出生年月, 院系, 专业 ) 表示 实体的值是该实体诸属性值的列表 例如,( , 江涛, 男,1987 畅 4, 信息工程学院, 软件工程 ) 就是一个名叫江涛的学生 实体集的值是该实体集中所有实体值的集合 在提到实体或实体集时, 是指型还是指值, 应当从上下文理解 其值可以唯一确定实体集中每个实体的属性集称为该实体集的超码 例如, 对于学生实体集,{ 学号 } 和 { 学号, 姓名 } 都是超码 容易明白, 如果 K 是超码, 则 K 的任意超集 ( 即包含 K 的集合 ) 也是超码 因此, 超码可能包含一些无关紧要的属性 通常, 我们只关注那些其真子集都不是超码的极小超码, 并称之为候选码 例如, 对于部门实体集,{ 部门号 } 和 { 部门名称 } 都是超码, 并且也都是候选码, 因为它们都是极小的 所谓主码是指数据库的设计者选中的, 用来区分同一实体集中不同实体的候选码 例如, 对于部门实体集, 我们可以选择 { 部门号 } 为主码 在不需要特别强调主码时, 本书将使用 码 表示主码或候选码, 而超码是码的超集 在数据库的文献上, 对于单个属性的集合, 常常不使用集合记法, 而直接用属性名 例如, 习惯上, 我们说学生实体集的码是学号 原则上讲, 每个实体集都有一个码, 因为实体是可以相互区分的, 而 E 唱 R 模型正是用实体的码值区分实体 需要指出的是, 码是语义概念, 是实体集的性质, 因此一个属性集是否能够成为实体集的码, 需要根据现实世界的实际情况来确定 例如, 如果能够保证所有职工都不同名同姓, 那么职工姓名就可以作为职工实体集的码 ; 否则, 即便职工实体集的当前值中不含同名同姓的职工, 我们也不能用职工姓名作为职工实体集的码 3 畅属性分类前面谈到的属性大部分都是简单的 单值的 基本的 一个属性是简单的, 如果它不能划分成更小的部分 ; 一个属性是单值的, 如果一个特定的实体在该属性上只能取单个值 ; 一个属性是基本的, 如果它的值不能通过其他属性的值推导出来 ( 即它的值必须存储在系统中 ) E 唱 R 模型还允许更复杂的属性, 包括复合属性 多

30 第 2 章实体唱联系模型 21 值属性和派生属性 与简单属性相对应的是复合属性 复合属性是可以划分成更小部分的属性 ( 即可以分成一些其他属性 ) 例如, 供应商地址就是一个复合属性, 它可以划分成省 ( 市 ) 城市 ( 县 ) 街道和邮政编码等部分 ( 称为成分属性 ) 如果实际应用既需要将供应商地址作为整体处理 ( 如显示供应商的详细地址 ), 也需要考虑供应商地址的一部分时 ( 如询问供应商所在城市 ), 允许复合属性是方便的 复合属性将相关属性聚集起来, 使得模型更清晰 与单值属性相对应的是多值属性 多值属性是特定的实体在该属性上可以取多个值的属性 例如, 如果一个供应商可以有多部电话 ( 手机 家庭电话和多部办公电话 ), 那么供应商电话号码就是一个多值属性 与基本属性相对应的是派生属性 派生属性的值可以从其他相关属性或实体计算得到, 因此派生属性又称计算属性 正因为如此, 派生属性的值可以不存储 例如, 职工的实发工资可以从该职工的应发工资 ( 包括基本工资 职务工资等 ) 减去扣除部分 ( 包括个人所得税 医疗保险 公积金等 ) 得到 银行客户的贷款总额可以通过对该客户各笔贷款金额求和得到 尽管派生属性的值不存储在数据库中, 但这种属性是用户关注的, 在建立概念模型时应该体现 2 畅 1 畅 2 联系在现实世界中, 事物之间常常是有联系的 例如, 学生对课程的选修就是学生与课程之间的联系, 而经理对部门的管理则是经理与部门之间的联系 最常见的联系是两个实体之间的联系 ( 二元联系 ), 但是联系也可能存在于多个对象之间, 供应商 产品和客户之间的供应联系就是一个典型的例子 此外, 不仅不同类型的对象之间存在联系, 而且相同类型的不同对象之间也可能存在联系 例如, 职工内部上下级之间的领导关系就是同一类型的不同对象之间的联系 1 畅联系与联系集在 E 唱 R 模型中, 现实世界对象之间的联系可以抽象为实体之间的联系 联系是多个实体之间的相互关联 联系集是相同类型联系的集合 形式地说, 设 E1, E2,, En 是 n( n 2) 个实体集, 它们不必互不相同 联系集 R 是 {( e1, e2,, en) e1 E1, e2 E2,, en En} 的一个子集, 其中 ( e1, e2,, en) R 是一个联系, 并称 ei(1 i n) 是该联系的参与者,n 是联系的度 ( 元 ) 联系集 R 的型可以用 ( E1, E2,, En) 表示, 它也是联系 ( e1, e2,, en) R 的型 实践中最常见的联系是二元联系, 但是三个实体集之间的联系也会遇到 然而, 三个以上实体集之间的联系实践中很少见 例 2 畅 1 让我们考虑实体集 Students( 学生 ) 和实体集 Courses( 课程 ) 学生和