第二章-基礎(chǔ)知識(shí)

第二章數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展概況人工管理階段（20世紀(jì)50年代）

數(shù)據(jù)與處理數(shù)據(jù)的程序密切相關(guān)，互相不獨(dú)立，數(shù)據(jù)不做長(zhǎng)期保存，而且依賴于計(jì)算機(jī)的程序或軟件。文件系統(tǒng)階段（20世紀(jì)60年代）

程序與數(shù)據(jù)有一定的獨(dú)立性，程序和數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ)，程序文件和數(shù)據(jù)文件具有各自的屬性。數(shù)據(jù)文件長(zhǎng)期保存，但冗余度大，缺乏數(shù)據(jù)獨(dú)立性，做不到集中管理。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)階段（20世紀(jì)60年代后期）

數(shù)據(jù)共享，減少數(shù)據(jù)冗余，數(shù)據(jù)庫(kù)采用特定的數(shù)據(jù)模型，較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)控制和數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)庫(kù)就是與某個(gè)特定主題或目的有關(guān)的數(shù)據(jù)的集合，換言之，數(shù)據(jù)庫(kù)就是用來(lái)存儲(chǔ)一定條件的數(shù)據(jù)的“器具”。終端用戶終端用戶終端用戶數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)工具數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序員數(shù)據(jù)庫(kù)管理員數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)是指系統(tǒng)開發(fā)人員利用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)資源開發(fā)出來(lái)的，面向某一類實(shí)際應(yīng)用的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。例如：財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)，人事管理系統(tǒng)等等。

數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)通常指Access、SQLServer、Oracle等軟件。數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)是在這些軟件中開發(fā)的系統(tǒng)，如財(cái)務(wù)電算化軟件、學(xué)校信息管理系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)是位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一個(gè)數(shù)據(jù)管理軟件，它的基本功能包括以下幾個(gè)方面：數(shù)據(jù)定義功能用戶通過數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行定義。數(shù)據(jù)操縱功能用戶可以使用數(shù)據(jù)操縱語(yǔ)言操縱數(shù)據(jù)，如查詢、插入、刪除和修改。數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行管理功能數(shù)據(jù)庫(kù)在建立、運(yùn)行和維護(hù)時(shí)由數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理和控制。數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和維護(hù)功能它包括數(shù)據(jù)庫(kù)初始數(shù)據(jù)的輸入、轉(zhuǎn)換功能，數(shù)據(jù)庫(kù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)、恢復(fù)功能等。第一代數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：網(wǎng)狀、層次數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)第二代數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)第三代數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：面向?qū)ο箨P(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)庫(kù)管理的對(duì)象存在于現(xiàn)實(shí)世界中，現(xiàn)實(shí)世界中的事物存在著各種各樣的聯(lián)系。這種聯(lián)系是客觀存在的，是由事物本身的性質(zhì)決定的。例如，學(xué)?？紕?wù)管理系統(tǒng)中有老師、學(xué)生、課程、教室等構(gòu)成元素。概念世界概念世界也叫做信息世界，是現(xiàn)實(shí)世界在人們頭腦中的反映，是對(duì)客觀事物及其聯(lián)系的一種抽象描述。從現(xiàn)實(shí)世界到概念世界是通過概念模型來(lái)表達(dá)的。如對(duì)學(xué)生的描述可分為：學(xué)號(hào)、姓名、班級(jí)、籍貫、性別等概念。數(shù)據(jù)世界存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是將概念世界中的事物數(shù)據(jù)化的結(jié)果。為準(zhǔn)確地反映事物本身及事物之間的各種聯(lián)系，數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)一定存在一個(gè)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)模型可用來(lái)準(zhǔn)確描述這種結(jié)構(gòu)。在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理，也就是三個(gè)世界的轉(zhuǎn)化過程中，概念模型和數(shù)據(jù)模型是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)化的橋梁，是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的事物進(jìn)行抽象的工具。

三個(gè)世界的轉(zhuǎn)化過程示意圖

概念模型和數(shù)據(jù)模型概念模型—用戶和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)人員之間進(jìn)行交流的工具，主要用于數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。實(shí)體：客觀存在并相互區(qū)別的事物。如學(xué)生，學(xué)生選課實(shí)體的屬性：學(xué)號(hào)、年齡等實(shí)體集和實(shí)體型：屬性值的集合表示一個(gè)實(shí)體，屬性的集合表示一種實(shí)體類型即實(shí)體型。同類型的實(shí)體的集合為實(shí)體集。如學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，性別…，照片）是實(shí)體型，全體學(xué)生是一個(gè)實(shí)體集。數(shù)據(jù)模型—客觀事物及其聯(lián)系的數(shù)據(jù)描述，具有描述數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)聯(lián)系兩方面的功能。由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)的約束組成。是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)。常見的數(shù)據(jù)模型l

層次模型l

網(wǎng)狀模型l

關(guān)系模型l

面向?qū)ο竽Ｐ蛯哟文Ｐ褪疽鈭D學(xué)校藝術(shù)學(xué)院行政部門美術(shù)系工作人員音樂系教師教師EBACGFD網(wǎng)狀模型示意圖ACBD學(xué)生學(xué)生課程課程關(guān)系模型示意圖編號(hào)姓名性別生日婚否工資121張三男09/01/76已婚1234.50123顧小四男12/23/83未婚908.00122李大成男11/09/64已婚1706.00211王河?xùn)|男03/23/78已婚1200.12212王丹丹女09/12/81未婚700.00213趙文革男10/30/75已婚1600.00字段（屬性）主鍵記錄(元組)教師基本情況表關(guān)系名稱層次模型、網(wǎng)狀模型及關(guān)系模型的優(yōu)缺點(diǎn)數(shù)據(jù)模型占用內(nèi)存空間處理效率設(shè)計(jì)彈性數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)復(fù)雜度界面親和力層次模型高高低高低網(wǎng)狀模型中中—高低—中高低—適度關(guān)系模型低低高低高關(guān)系模型中的相關(guān)術(shù)語(yǔ)

以二維表的形式表示實(shí)體和實(shí)體之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)模型稱為關(guān)系數(shù)據(jù)模型。從模型的三要素角度看，關(guān)系模型的內(nèi)容為：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：一張二維表格。數(shù)據(jù)操作：數(shù)據(jù)表的定義，檢索、維護(hù)、計(jì)算等。數(shù)據(jù)約束條件：表中列的取值范圍即域值的限制條件。關(guān)系模型中的相關(guān)術(shù)語(yǔ)關(guān)系—表關(guān)系名（屬性名1，屬性2，…n）

表名（字段名1，字段名2，…n）

eg.教師（教師id，姓名，性別…，簡(jiǎn)歷）元組水平方向每一行是一個(gè)元組，對(duì)應(yīng)表中的一個(gè)具體記錄

eg.“教師”表和“課程”表兩個(gè)關(guān)系各包括多條記錄或多個(gè)元組屬性垂直方向的每一列有一個(gè)屬性名，即字段名。域?qū)傩缘娜≈捣秶麈I外鍵表之間的關(guān)系通過外鍵來(lái)建立，如果兩個(gè)表之間呈現(xiàn)“一對(duì)多”關(guān)系，則“一”表中的主鍵字段必然出現(xiàn)在“多”表中，成為聯(lián)系兩個(gè)表的紐帶，“多”表中出現(xiàn)的這個(gè)字段就是外鍵。關(guān)系模型的完整性

關(guān)系模型對(duì)數(shù)據(jù)一般都具有一定的限制，這種限制稱為完整性或完整性約束。關(guān)系模型的完整性是保證關(guān)系數(shù)據(jù)表正確的關(guān)鍵。關(guān)系模型支持實(shí)體完整性約束、參照完整性約束和域約束3種完整性約束。（1）實(shí)體完整性約束假設(shè)A是一個(gè)表R的主鍵，則A不能接收空值，即單列主鍵的值不能為空，復(fù)合主鍵的任何列也不能接收空值。例如，在學(xué)生信息表中，“學(xué)號(hào)”為該表的主鍵，那么在數(shù)據(jù)庫(kù)的任何記錄中，“學(xué)號(hào)”列的值都不能為空。這樣的約束稱為實(shí)體完整性約束。（2）參照完整性約束參照完整性約束關(guān)心的是邏輯相關(guān)的表中值與值之間的關(guān)系。假設(shè)X是一個(gè)表A的主鍵，在表B中是外鍵，那么若K是表B中一個(gè)外部鍵值，則表A中必然存在在X上的值為K的記錄。例如，“系編碼”是院系信息表的主鍵，而在學(xué)生信息表中是相對(duì)于院系信息表的外鍵（學(xué)生信息表中的主關(guān)鍵字是由“學(xué)號(hào)”和“系編碼”組合而成），對(duì)于學(xué)生信息表的任何記錄，其所包含的“系編碼”的值，在院系信息表的“系編碼”列中必然存在一個(gè)相同的值。這樣的約束稱為參照完整性約束。（3）域約束（取值范圍）域是邏輯相關(guān)的值的集合，從域中可以得出特定列的值。例如，在學(xué)生信息表中：●“出生日期”域的值必須按照特定的統(tǒng)一格式存放，而不能有時(shí)用：1986.12.23格式，有時(shí)用：12/23/1986格式，造成數(shù)據(jù)混亂；●“學(xué)生名字”、“院系名稱”等域的值必須屬于字符集合；●對(duì)于“性別”，該域中的值必須局限于男、女等。

關(guān)系運(yùn)算關(guān)系的基本運(yùn)算有兩類：傳統(tǒng)的集合運(yùn)算和專門的關(guān)系運(yùn)算。

傳統(tǒng)的集合運(yùn)算（1）并（Union）：設(shè)有兩個(gè)關(guān)系R和S，它們具有相同的結(jié)構(gòu)。R和S的并是由屬于R或?qū)儆赟的元組組成的集合，運(yùn)算符為∪。例如：設(shè)每個(gè)班有一個(gè)學(xué)生關(guān)系R1，R2，R3，…則全校學(xué)生關(guān)系T是:

T=R1∪R2∪R3∪…（2）差(Difference)：設(shè)有兩個(gè)關(guān)系R和S，它們具有相同的結(jié)構(gòu)。R和S的差是由屬于R但不屬于S的元組組成的集合。運(yùn)算符為－。例如：設(shè)有參加計(jì)算機(jī)小組的學(xué)生關(guān)系Ｒ，參加橋牌小組的學(xué)生關(guān)系Ｓ。求參加了計(jì)算機(jī)

小組但沒有參加橋牌小組的學(xué)生。結(jié)果放在關(guān)系Ｔ1中，則T1=R-S。（3）交（Intersection）：設(shè)有兩個(gè)關(guān)系R和S，它們具有相同的結(jié)構(gòu)。R和S的交是由既屬于R又屬于S的元組組成的集合，運(yùn)算符為∩。交運(yùn)算的結(jié)果是R和S的共同元組。例如：設(shè)有參加計(jì)算機(jī)小組的學(xué)生關(guān)系Ｒ，參加橋牌小組的學(xué)生關(guān)系Ｓ。求既參加了計(jì)算機(jī)小組又參加橋牌小組的學(xué)生。結(jié)果放在關(guān)系Ｔ2中，則Ｔ2=R∩S。關(guān)系的交可以用關(guān)系的差來(lái)表示。即R∩S=R-（R–S），所以，上式也可以寫成：Ｔ2=R-（R–S）。專門的關(guān)系運(yùn)算（1）選擇（Selection）：按照給定條件從指定的關(guān)系中挑選出滿足條件的元組構(gòu)成新的關(guān)系，其關(guān)系模式不變，但其中元組的數(shù)目小于等于原來(lái)的關(guān)系中元組的個(gè)數(shù)，它是原關(guān)系的一個(gè)子集。這是從行的角度進(jìn)行的運(yùn)算，即水平方向抽取元組。（2）投影（projection）：從指定的關(guān)系中挑選出某些屬性構(gòu)成新的關(guān)系，其關(guān)系模式所包含的屬性個(gè)數(shù)往往比原關(guān)系少，或者屬性的排列順序不同。投影的結(jié)果將取消由于取消了某些列而產(chǎn)生的重復(fù)元組。例如：設(shè)有讀者關(guān)系，讀者（借書證號(hào)，姓名，性別，單位，職稱，地址）。按照單位在前，姓名在后的次序列出讀者名單。此運(yùn)算結(jié)果包括元組數(shù)目不變，但減少了列的數(shù)目，同時(shí)改變了列的顯示順序（3）聯(lián)接（join）：聯(lián)接是將兩個(gè)和多個(gè)關(guān)系模式通過公共的屬性名拼接成一個(gè)更寬的關(guān)系模式，生成的新關(guān)系包含滿足聯(lián)接條件的元組。例如：設(shè)有三個(gè)關(guān)系：學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，所在系，性別，現(xiàn)住址）；課程（課程號(hào)，課程名，學(xué)分）；選修（學(xué)號(hào)，課程號(hào)，成績(jī)）。若想查詢成績(jī)90分以上的學(xué)生姓名。聯(lián)接結(jié)果包括學(xué)生、課程、選修三個(gè)關(guān)系中屬性的并集。自然聯(lián)接：是去掉重復(fù)屬性的等值連接。它屬于聯(lián)接運(yùn)算的一個(gè)特例。關(guān)系的種類（1）一對(duì)一聯(lián)系（1:1）如果對(duì)于實(shí)體集A中的每一個(gè)實(shí)體，實(shí)體集B中至少有一個(gè)（也可以沒有）實(shí)體與之聯(lián)系，反之亦然，則稱實(shí)體集A與實(shí)體集B具有一對(duì)一聯(lián)系，記為1：1。例如，一個(gè)學(xué)生只能有一個(gè)學(xué)號(hào)，而一個(gè)學(xué)號(hào)只能指向一個(gè)學(xué)生，則學(xué)生與學(xué)號(hào)之間具有一對(duì)一聯(lián)系。（2）一對(duì)多聯(lián)系（1:n）

如果對(duì)于實(shí)體集A中的每一個(gè)實(shí)體，實(shí)體集B中有個(gè)n實(shí)體（n≥0）之聯(lián)系，反之，對(duì)于實(shí)體集B中的每一個(gè)實(shí)體，實(shí)體集A中至多只有一個(gè)實(shí)體與之聯(lián)系，則稱實(shí)體集A與實(shí)體集B有一對(duì)多聯(lián)系，記為1:n。例如，一個(gè)班級(jí)中有若干名學(xué)生，而每個(gè)學(xué)生只在一個(gè)班級(jí)中學(xué)習(xí)，則班級(jí)與學(xué)生之間具有一對(duì)多聯(lián)系。（3）多對(duì)多聯(lián)系（m:n）

如果對(duì)于實(shí)體集A中的每一個(gè)實(shí)體，實(shí)體集B中有n個(gè)實(shí)體（n≥0）與之聯(lián)系，反之，對(duì)于實(shí)體集B中的每一個(gè)實(shí)體，實(shí)體集A中也有m個(gè)實(shí)體（m≥0）與之聯(lián)系，則稱實(shí)體集A與實(shí)體集B具有多對(duì)多聯(lián)系，記為m:n。例如，一門課程同時(shí)有若干個(gè)學(xué)生選修，