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1 第 2 章关系数据库回顾

2 主要内容数据库体系结构 (Database Architecture) 关系数据模型 (Relational Data Model) SQL 2

3 一数据库体系结构从模式的角度描述一般数据库系统的概念和结构可以用于解释特定数据库系统的内部结构 ANSI/SPARC 体系结构三级模式结构 + 两级映象 Oracle Informix 等 SQL 数据库系统的模式结构可通过 ANSI/SPARC 体系结构进行解释 3

4 1 数据库模式的概念模式 (Schema) 和实例 (Instance) 模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述, 它仅仅涉及类型的描述, 不涉及具体的值模式的一个具体值称为模式的一个实例数据库实例化数据库模式数据数据的语义 4

5 2 模式和实例举例两个实例模式学生表 ( 学号, 姓名, 年龄 ) 课程表 ( 课程号, 课程名, 学分 ) 选课表 ( 学号, 课程号, 成绩 ) 实际中的模式描述比本例要详细得多 5

6 3 数据库的三级模式结构外模式概念模式内模式 6

7 (1) 概念模式 ( 模式逻辑模式 ) 数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述数据记录由哪些数据项构成数据项的名字类型取值范围数据之间的联系数据的完整性等不涉及数据物理存储的细节和硬件环境一个数据库只有一个概念模式概念视图 : 概念模式的实例通过模式 DDL 进行定义 7

8 (2) 外模式 ( 子模式用户模式 ) 单个用户所看到的局部数据的逻辑结构和特征的描述用户与数据库系统的数据接口, 对于用户而言, 外模式就是数据库建立在概念模式之上, 同一模式上可有多个不同的外模式外部视图 : 外模式的实例通过子模式 DDL 进行定义 8

9 (3) 内模式 ( 存储模式 ) 数据物理结构和存储方式的描述记录的存储方式 : 顺序存储按 B 树组织还是散列存储? 索引按什么方式组织 : 排序散列? 数据是否加密? 是否压缩存储? 不涉及物理块 ( 或页 ) 的大小, 也不考虑具体设备的柱面或磁道大小一个数据库只有一个内模式内部视图 : 内模式的实例通过内模式 DDL 定义 9

10 举例 User 1: 学生 User 2: 选课管理人员 User 3: 课程评价管理人员 View 课程信息课程信息课程信息自己的选课信息全部学生的选课信息课程评价信息课程信息 Logical Schema 全部的选课信息课程评价信息 Physical Schema 单个数据库文件课程号聚簇索引 10

11 4 二级映象和数据独立性二级映象实现三级模式结构间的联系和转换, 使用户可以逻辑地处理数据, 不必关系数据的底层表示方式和存储方式外模式外模式外模式外模式 / 模式映象概念模式模式 / 内模式映象内模式数据库 11

12 (1) 外模式 / 模式映象定义了外模式与概念模式之间的对应关系属性名称可能不同外模式中的属性可能由模式中的多个属性运算而得当概念模式发生改变时, 只要修改外模式 / 模式映象, 可保持外模式不变, 从而保持用户应用程序不变, 保证了数据与用户程序的逻辑独立性数据的逻辑独立性 12

13 (2) 模式 / 内模式映象定义了概念模式与内模式之间的对应关系概念模式中的逻辑记录和字段在内部如何表示当数据库的内部存储结构发生改变时, 只要修改模式 / 内模式映象, 可保持概念模式不变, 从而保持外模式以及用户程序的不变, 保证了数据与程序的物理独立性数据的物理独立性 13

14 举例外模式 :EMP(EMP,DEPT,NAME) E# EMP# Create View EMP(EMP,DEPT,NAME) As Select E# as EMP,D# as DEPT,name From Employee 此语句定义了外模式, 同时也定义了外 / 模映象关系模式 :Employee(E#,D#,Name,Salary) 内模式 : 顺序文件, 索引文件, E# EMP# 14

15 5 SQL 数据库体系结构 SQL 数据库的三级体系结构 SQL 用户外模式关系子模式视图 (View) 概念模式关系模式基本表内模式存储模式文件 ANSI/SPARC 关系数据库 SQL 数据库 15

16 二关系数据模型使用数据库技术, 首先必须把现实世界中的事物表示为计算机能够处理的数据模型是对现实世界特征的抽象数据模型是对现实世界数据特征的抽象数据模型的定义描述现实世界实体实体间联系以及数据语义和一致性约束的模型 16

17 1 数据模型的分类根据模型应用的不同目的概念数据模型 ( 概念模型 ) 按用户的观点对数据进行建模, 强调语义表达功能独立于计算机系统和 DBMS 主要用于数据库的概念设计结构数据模型 ( 数据模型 ) 按计算机系统的观点对数据进行建模, 直接面向数据库的逻辑结构与计算机系统和 DBMS 相关 (DBMS 支持某种数据模型 ) 有严格的形式化定义, 以便于在计算机系统中实现 17

18 2 数据抽象的层次现实世界认识抽象如 E-R 模型如关系模型层次模型网状模型面向对象模型信息世界概念模型转换机器世界数据模型 18

19 3 数据模型的例子现实世界客户存款信息世界概念模型 (E-R 模型 ) M N 19

20 3 数据模型的例子机器世界数据模型 ( 关系模型 ) 20

21 数据结构 4 数据模型的要素现实世界实体及实体间联系的表示和实现数据操作数据检索和更新的实现数据的完整性约束数据及数据间联系应具有的制约和依赖规则 21

22 关系模型学号关系模型用规范化的二维表格结构表示实体集, 外码表示实体间联系, 三类完整性表示数据约束的数据模型姓名张三李四王五年龄关系模型术语属性关系模式元组 1 元组 2 关系元组 3 属性值关系数据库术语字段记录类型记录 1 记录 2 文件记录 3 字段值 22

23 6 几个术语属性 (Attribute): 二维表格的每一列称为关系的一个属性, 列的数目称为度 (degree ) 元组 (Tuple): 每一行称为关系的一个元组, 元组的数目称为势 (cardinality) 域 (Domain): 一组具有相同数据类型的值的集合每个属性有一个域关系 (Relation): 元组的集合 23

24 超码 (Super Key) 6 几个术语在关系中能唯一标识一个元组的属性集称为关系模式的超码候选码 (Candidate Key) 不含多余属性的超码包含在任何一个候选码中的属性称为主属性 ( Primary Attribute) 不包含在任何一个候选码中的属性称为非主属性 ( Nonprime Attribute) 主码 (Primary Key) 用户选作元组标识的一个候选码称为主码, 其余的候选码称为替换码 (Alternate Key) 24

25 6 几个术语 Student(Sno, Name, Age, LibraryID) 超码 (sno,name) (libraryid, name) 候选码 Sno LibraryID 主码若选 sno, 则 sno 为主码,libraryID 为替换码若选 libraryid, 则 libraryid 为主码, sno 为替换码 25

26 7 关系的性质一个关系是一个规范化的二维表格属性值不可分解不允许表中有表元组不可重复因此一个关系模式至少存在一个候选码没有行序, 即元组之间无序关系是元组的集合, 集合的元素是无序的没有列序, 即属性之间无序关系模式是属性的集合 26

27 8 关系模式与关系数据库关系模式 (Relation Schema) 关系的逻辑结构和特征的描述对应于二维表格的表头通常由属性集和各属性域表示, 不关心域时可省略域 Student(Name, Age, Class) 关系 : 关系模式的实例, 即二维表 ( 元组的集合 ) 关系数据库模式 (Relational Database Schema ): 关系模式的集合关系数据库 : 关系数据库模式的实例 27

28 9 关系模式的形式化定义关系模式可以形式化定义为 : R(U,D,dom,F) R 为关系模式名,U 是一个属性集,D 是 U 中属性的值所来自的域,Dom 是属性向域的映射集合,F 是属性间的依赖关系例 :Student 关系模式的定义 Student(U,D,dom,F) U={sno,name,age} D={CHAR,INT} Dom={dom(sno)=dom(name)=CHAR,dom(age)=INT} F={sno name, sno age} 关系模式通常简写为 R(U), 或 R(A1,A2,,An) 28

29 10 函数依赖 R(U,D,dom,F) 中的 F 在实际中一般只考虑函数依赖函数依赖 (Functional Dependency, FD) 是指一个关系模式中一个属性集和另一个属性集间的多对一关系例如选课关系 SC(S#, C#, Score) 存在由属性集 {S#, C#} 到属性集 {Score} 的函数依赖对于任意给定的 S# 值和 C# 值, 只有一个 Score 值与其对应反过来, 可以存在多个 S# 值和 C# 值, 它们对应的 Score 值相等 29

30 10 函数依赖函数依赖 (FD,Functional Dependency) 的形式化定义设关系模式 R(A1,A2,,An) 或简记为 R(U),X 和 Y 是 U 的子集 r 是 R 的任意一个实例 ( 关系 ), 若 r 的任意两个元组 t1 t2, 由 t1[x]=t2[x] 可导致 t1[y]=t2[y], 即如果 X 相等则 Y 也相等, 则称 Y 函数依赖于 X 或称为 X 函数决定 Y, 记作 X Y 即 R 的 X 属性集上的值可唯一决定 R 的 Y 属性集上的值也即对于 R 的任意两个元组,X 上的值相等, 则 Y 上的值也必相等 FD 是相对于关系模式而言的, 因此关系模式 R 的所有实例都要满足 FD 30

31 10 函数依赖例如 Student 关系模式中,{S#} {Sname} ( 单个属性可去掉括号, 简写成 S# Sname ) SC 关系模式中, {S#,C#} {Score} FD 是否成立, 唯一办法是仔细考察应用中属性的含义 FD 实际上是对现实世界的断言数据库设计者在设计时把应遵守的函数依赖通知 DBMS, 则 DBMS 会自动检查关系的合法性对于关系模式 R( Tname, Addr, C#, Cname) 若一门课只能有一个教师, 则有 {C#} {Tname} 若一门课可有多个教师任教, 则 {C#} {Tname} 不成立因此 FD 是与具体应用相关的 31

32 11 码的形式化定义设关系模式 R(U),F 是 R 的一个 FD 集,X 是 U 的一个子集, 若 X U F+, 则 X 是 R 的一个超码, 如果同时不存在 X 的真子集 Y, 使得 Y U 成立, 则 X 是 R 的一个候选码 R(Tname, Addr, C#, Cname) F={Tname Addr, C# Cname, C# Tname} C# {Tname,Addr,C#,Cname} 所以 C# 是候选码, 若 C# Tname 不成立, 则候选码为 {Tname, C#} 32

33 12 范式范式 : 满足特定要求的模式不同级别的范式要求各不相同范式可以作为衡量一个关系模式好坏的标准若关系模式 R 满足范式 xnf, 记作 R xnf 规范化 : 将低一级范式的关系模式通过模式分解转换为高一级范式的关系模式集合的过程 5NF 4NF BCNF 3NF 2NF 1NF 1976~1979,Fagin 1974,Boyce and Codd ~1972,E.F. Codd

34 13 几种范式的定义 1NF: 每个属性值不可分 ( 基本要求 ) 2NF: 不存在非主属性到主码的局部函数依赖 3NF: 不存在非主属性到主码的传递依赖 BCNF: 每个不平凡的 FD 的左边都是候选码 3NF 只考虑了非主属性到码的函数依赖 BCNF 扩充了 3NF, 可以处理有多个候选码的情形进一步考虑了主属性到码的函数依赖进一步考虑了主属性对非主属性的函数依赖 34

35 11 关系模型的形式化定义数据结构关系 : 数据库中全部数据及数据间联系都以关系来表示数据操作关系运算关系代数关系演算 ( 元组关系演算域关系演算 ) 数据的完整性约束关系模型的三类完整性规则 35

36 11 关系代数 (Relational Algebra) 以关系为运算对象的一组运算集合运算结果仍是关系以集合操作为基本运算传统集合操作 (4 个 : 并交差笛卡儿积 ) 关系代数原始的关系代数专门的关系操作 (4 个 : 选择投影连接除 ) 附加的关系代数 ( 分组 / 聚集排序半连接半差赋值 ) 36

37 11 关系代数关系代数表达式的符号数学符号表示并交差 - 笛卡儿积选择 σ 投影 π 联接除重命名 ρ x (E) 赋值英语关键字表示并 Union 交 Intersect 差 Minus 笛卡儿积 Times 选择 Where 投影{All But } 联接 Join 除 Devidedby 37

38 11 关系代数关系代数表达式关系模型中数据操作都通过关系代数表达式来表示关系代数中的基本表达式是关系代数表达式, 基本表达式由如下之一构成 : 数据库中的一个关系一个常量关系设 E1 和 E2 是关系代数表达式, 则下面的都是关系代数表达式 : E1 E2 E1-E2 E1 E2 σ P (E1), 其中 P 是 E1 中属性上的谓词 π s (E1), 其中 S 是 E1 中某些属性的列表 ρ x (E1), 其中 x 是 E1 结果的新名字 38

39 11 关系代数关系代数操作的语义并交差- 笛卡儿积选择 σ 投影 π 联接除 39

40 (1) 并 R S={t t R t S} t 是元组变量 R 和 S 是关系代数表达式 R 与 S 的 degree 必须相同 R 与 S 的类型必须相同 R S 学号姓名年龄 001 John Mary 22 学号姓名年龄 001 John 20 学号姓名年龄 001 John Rose Mary Rose 22 40

41 (2) 交 R S={t t R t S} 学号姓名年龄 R 001 John Mary 22 学号姓名年龄学号姓名年龄 001 John 20 S 001 John Rose 22 41

42 (3) 差 R-S={t t R t S} 学号姓名年龄 R 001 John Mary 22 - 学号姓名年龄学号姓名年龄 004 Mary 22 S 001 John Rose 22 42

43 (4) 积 R S={t t=<t r,t s > t r R t s S} 学号姓名年龄学号姓名年龄 R 001 John Mary 22 S 001 John Rose 22 R. 学号 R. 姓名 R. 年龄 S. 学号 S. 姓名 S. 年龄 001 John John John Rose Mary John Mary Rose 22 43

44 (5) 选择 σ F (R)={t t R F(t)=TRUE} 水平划分关系 F 是一个逻辑表达式, 表示所选的元组应满足的条件 F 由逻辑运算符 (NOT) (AND) (OR) 连接算术表达式构成算术表达式形为 XθY,θ 可以是 >,<,=,, 或,X 和 Y 可以是属性名常量或简单函数 R 学号姓名年龄 001 John Rose Mary 22 σ 年龄 >20(R) 学号姓名年龄 002 Rose Mary 22 44

45 (6) 投影 π A (R)={t[A] t R}, 其中 A 是 R 的属性子集垂直划分关系, 选取若干列所构成的关系 A 中的属性不可重复 R 学号姓名年龄 001 John Rose Mike Mary Rose 22 Π 姓名, 年龄 (R) 姓名年龄 John 22 Rose 22 Mike 21 Mary 22 45

46 (7) 联接自然联接 (Natural-Join) θ 联接 (Theta-Join) 等值联接 (Equi-Join) 46

47 (7) 联接 : 自然联接设 R 的属性集为 {X,Y},S 的属性集为 {Y,Z} R S=t t=<x,y,z> t[x,y] R t[y,z] S} 相当于在 R S 中选取 R 和 S 的所有公共属性值都相等的元组, 并在结果中去掉重复属性学号姓名年龄 001 John 20 R S 002 Rose Mary 22 学号课程号成绩 001 c 学号姓名年龄课程号成绩 001 John 20 c Rose 22 c c

48 (8) 联接 : θ 联接设 R 的属性集为 {X,Y},S 的属性集为 {Y,Z} R S=t t=<t r,t s > t r R t s S t r [A]θt s [B]} R S 相当于在 R S 中选取 R 的属性 A 值与 S 的属性 B 值满足比较关系 θ 的元组学号姓名年龄 001 John Rose 23 教师号姓名年龄 001 Bill Rose 30 R. 年龄 > S. 年龄学号 R. 姓名年龄教师号 S. 姓名年龄 001 John Bill Rose Bill 22 48

49 (9) 联接 : 等值联接 (equijoin) 在 θ 联接中, 当 θ 为等号时, 称为等值联接等值联接是 θ 联接中比较常见的形式 R S 学号姓名年龄 001 John Rose 23 教师号姓名年龄 001 Rose Rick 30 R. 姓名 =S. 姓名学号 R. 姓名 S. 年龄教师号 S. 姓名 S. 年龄 002 Rose Rose 22 49

50 关系代数的封闭性 11 关系代数任意关系代数操作的结果仍是一个关系关系代数的封闭性保证了关系代数操作的可嵌套性例如 :(S Join P) Where City= Athens 联接选择 50

51 举例 : 关系代数表达式学生关系模式 :S (s#, name, city) 求学生中的老乡 π s1#,s2#,s1.from ( σ S1.s1# < S2.s2# ( ρ S1(s1#, city) (π s#,city (S)) ρ S2(s2#,city) (π s#,city (S)))) 相应的 SQL 查询语句 SELECT s1#, s2#,s1.city FROM (Select s# AS s1#,city From S) S1, (Select S# AS s2#,city From S) S2 WHERE S1.city = S2.city AND S1.s1# < s2.s2# 51

52 11 关系代数数据更新仍通过关系代数实现删除 R R-E:R 是关系,E 是关系代数查询例从数据库中删除姓名为 Rose 的学生 Student Student-σ name= Rose (Student) 52

53 插入 11 关系代数 R R E:R 是关系,E 是关系代数表达式如果 E 是常量关系, 则可以插入单个元组例 : 插入一个新的学生 S1 S1 { ( 001, Rose,19) } 53

54 修改 11 关系代数 R π F1,F2,...,Fn (R): 通过广义投影实现 F i : 当第 i 个属性没有被修改时是 R 的第 i 个属性 ; 当被修改时是第 i 个属性和一个常量的表达式例 1: 将每个学生的学号前加上字母 S Student π S sno,name, sex, age (Student) 如果只想修改 R 中的部分元组, 可以用下式 R π F1,F2,...,Fn (σ p (R)) (R-σ p (R)) 例 2: 将所有男学生的学号前加上字母 M Student π M sno,name, sex, age (σ sex= M (Student)) (Student-σ sex= M (Student)) 54

55 11 关系模型的形式化定义数据结构关系 : 数据库中全部数据及数据间联系都以关系来表示数据操作关系运算关系代数关系演算 ( 元组关系演算域关系演算 ) 数据的完整性约束关系模型的三类完整性规则 55

56 12 关系模型的三类完整性规则关系数据库的数据和操作必须遵循的规则实体完整性 (Entity Integrity) 参照完整性 (Referential Integrity) 用户自定义完整性 (User-Defined Integrity) 56

57 (1) 实体完整性关系模式 R 的主码不可取空值学号课程号成绩 S001 C S

58 (2) 参照完整性外码 (Foreign Key) 关系模式 R 的外码是它的一个属性集 FK, 满足 : 存在带有候选码 CK 的关系模式 S, 且 R 的任一非空 FK 值都在 S 的 CK 中有一个相同的值 S 称为被参照关系 (Referenced Relation),R 称为参照关系 (Referential Relation) R 选课关系学号课程号成绩 S 学生关系学号姓名年龄 001 John 20 58

59 (2) 参照完整性参照关系 R 的任一个外码值必须等于被参照关系 S 中所参照的候选码的某个值或者为空专业号专业名学科类别 0020 PHY 1 R 选课关系学号课程号成绩 S 学生关系学号姓名专业号 001 John 59

60 (3) 用户自定义完整性针对某一具体数据的约束条件, 反映某一具体应用所涉及的数据必须满足的特殊语义由应用环境决定学号课程号成绩成绩 >=0 and 成绩 <=100 60

61 Where are we? 数据库体系结构 (Database Architecture) 关系数据模型 (Relational Data Model) SQL 61

62 数据库语言三 SQL 数据库语言是用户使用数据库的接口,DBMS 支持用户通过数据库语言进行数据存取与管理有三类数据库语言数据定义语言 (Data Definition Language, DDL) 数据操纵语言 (Data Manipulation Language, DML) 数据控制语言 (Data Control Language, DCL) 62

63 1 SQL 的基本组成 Create Table/Alter Table/Drop Table: 定义基本表 DDL Create View/Drop View: 视图操作 Create Index/Drop Index: 索引操作 Insert SQL DML Delete Select 记录操作 Update DCL Grant Revoke 权限管理嵌入式 SQL 的使用规定 63

64 2 SQL 的发展历程 1972:IBM 开始研究 System R 系统, 配置了数据库语言 SQUARE SQUARE ( Specifying Queries As Relational Expressions) 使用了大量的数学符号 1974:Boyce 和 Chamberlin 将 SQUARE 修改为 SEQUEL SEQUEL (Structured English QUEry Language ) 去掉了数学符号, 以英语单词和结构式语法代替查询后简称为 SQL (Structured Query Language) 64

65 2 SQL 的发展历程 1970s 末起 : 主流的数据库厂商纷纷在其产品中支持 SQL Oracle DB :ANSI 颁布了美国标准的 SQL :ISO 采纳美国标准为国际标准, 后称 SQL :SQL89, 增强了完整性特征 1992:SQL92( SQL2 ) 1999:SQL3 65

66 3 SQL 与关系模型数据结构 SQL:Table 关系模型 : 关系数据操作 SQL:DML 关系模型 : 关系代数数据约束 SQL:Primary Key Foreign Key Unique Check 关系模型 : 实体完整性参照完整性用户自定义完整性 66

67 本章小结数据库体系结构 (Database Architecture) 视图基本表文件关系数据模型 (Relational Data Model) SQL 数据结构 : 关系数据操作 : 关系代数 / 关系演算数据约束 : 三类完整性约束 67

Chapter 1: Introduction

Chapter 1: Introduction 第 2 章关系数据库回顾主要内容数据库系统体系结构 (Database System Architecture) 关系数据模型 (Relational Data Model) SQL 2 一数据库系统体系结构从模式角度描述一般数据库系统的概念和结构可以用于解释特定数据库系统的内部结构 ANSI/SPARC 体系结构三级模式结构 + 两级映象 Oracle Informix 等 SQL 数据库系统的模式结构可通过