第2章关系数据库ZNew

1、 数据库技术及应用数据库技术及应用DB 1 第第2章章 关系数据库关系数据库 本章重点介绍本章重点介绍: 关系模型的基本概念关系模型的基本概念 关系代数（难点）关系代数（难点） 2 2.1 关系数据库应用实例关系数据库应用实例 在如今的网络信息时代，无论是通过网络预定机票，在如今的网络信息时代，无论是通过网络预定机票， 还是去图书馆查阅书籍信息，无论是去超市购物，还还是去图书馆查阅书籍信息，无论是去超市购物，还 是去是去ATM机上取款，数据库应用系统正在默默地为机上取款，数据库应用系统正在默默地为 人们的工作和生活提供着各种各样的服务与便捷。人们的工作和生活提供着各种各样的服务与便捷。 例如：

2、同济大学图书馆信息查询系统例如：同济大学图书馆信息查询系统 图3-1高级查询窗口 3 2.1 关系数据库应用实例关系数据库应用实例 题题 名名 （副题（副题 名）名） 作作 者者出版信息出版信息索取号索取号 数据库系统数据库系统 导论导论 施伯乐施伯乐,丁宝康丁宝康,楼荣生楼荣生 编著编著 高等教育出版社高等教育出版社 1994 TP311.13/ZS46 5-2 数据库系统数据库系统 教程教程 施伯乐施伯乐.等等编著编著 高等教育出版社高等教育出版社 1999 TP311.13/ZS46 5-3 DB2应用开应用开 发指南发指南 施伯乐主编施伯乐主编 电子工业出版社电子工业出版社 1998

3、TP311.13- 62/ZS465 数据库技术数据库技术 施伯乐施伯乐, 丁宝康编著丁宝康编著科学出版社科学出版社 2002 TP311.13/ZS46 5-4 数据库系统数据库系统 教程教程 施伯乐施伯乐, 丁宝康丁宝康, 汪卫汪卫 编著编著 高等教育出版社高等教育出版社 2003 TP311.13/ZS46 5-3A 图图2-2 查询结果窗口查询结果窗口 4 2.1 关系数据库应用实例关系数据库应用实例 这里的高级查询窗口和查询结果窗口都是数据库应这里的高级查询窗口和查询结果窗口都是数据库应 用系统的一部分。数据库应用系统为用户提供简单用系统的一部分。数据库应用系统为用户提供简单 易于操

4、作的窗口或友好界面，为用户查找信息和更易于操作的窗口或友好界面，为用户查找信息和更 新信息提供了方便。新信息提供了方便。 数据库应用系统的组成：由用户、数据库应用程序、数据库应用系统的组成：由用户、数据库应用程序、 、数据库这几部分构成，其工作关系如图。、数据库这几部分构成，其工作关系如图。 数据库数据库 DBMS 数据库数据库 应用程序应用程序 用户用户 5 2.1 关系数据库应用实例关系数据库应用实例 数据库应用系统的工作过程可以概括为：用户通过数据库应用系统的工作过程可以概括为：用户通过 数据库应用程序输入查询条件，应用程序将查询条数据库应用程序输入查询条件，应用程序将查询条 件转化成数

5、据库查询命令并提交给件转化成数据库查询命令并提交给DBMS，DBMS 接收到查询命令解析执行命令并在操作系统的帮助接收到查询命令解析执行命令并在操作系统的帮助 下从数据库中取出数据返回给应用程序，再由应用下从数据库中取出数据返回给应用程序，再由应用 程序以直观友好的格式显示出查询结果。程序以直观友好的格式显示出查询结果。 6 2.2 关系模型概述关系模型概述 1.关系关系(Relation)：一个满足某些约束条件的二维：一个满足某些约束条件的二维 表。表。 2. 属性属性(Attribute)：表中的每列称为一个属性，：表中的每列称为一个属性， 每个属性必须有唯一的属性名。每个属性必须有唯一的

6、属性名。 3.元组元组(tuple): 表中的每行称为一个元组。表中的每行称为一个元组。 4.域域(domain)：属性的取值范围。：属性的取值范围。 5.度或目度或目(Degree):一个关系中属性的个数。一个关系中属性的个数。 6.基数：基数：一个关系中元组的个数。一个关系中元组的个数。 2.2.1 关系模型的基本术语关系模型的基本术语 7 属性属性 元元 组组 读者表读者表 基基 数数 读者读者ID姓名姓名性别性别年龄年龄 050101张英杰张英杰女女32 050915张华欣张华欣男男21 060102宇帆宇帆男男19 060923袁冰袁冰女女37 读者读者ID书号书号借阅日期借阅日期

7、还书日期还书日期 050101TP311.105-02-2005-03-15 050915TP311.206-03-0106-04-01 060102TP311.406-05-0706-06-07 060923TP312.106-07-0706-08-07 关关 系系 借阅表借阅表 主键主键 外键外键 度度 8 2.2.1 关系模型的基本术语关系模型的基本术语 7. 超键超键(Superkey)：一个关系中能唯一标识一个关系中能唯一标识 每个元组的某个或某组属性。每个元组的某个或某组属性。 例如：学生例如：学生(学号学号, 姓名姓名, 性别性别, 年龄年龄, 班级班级) 超键有：学号、超键有：

8、学号、 (学号学号, 姓名姓名)、 (学号学号, 姓名姓名, 性别性别)、 (学号学号, 姓名姓名, 性别性别, 年龄年龄)、 (学号学号, 姓名姓名, 性别性别, 年龄年龄, 班级班级) 是不是很多？其实只要是不是很多？其实只要“学号学号”一个属性就一个属性就 能唯一标识了，加上其他属性都是多余的。能唯一标识了，加上其他属性都是多余的。 这就引入了候选键的概念。这就引入了候选键的概念。 9 2.2.1 关系模型的基本术语关系模型的基本术语 8. 候选键候选键(Candidate key)：一个关系中能一个关系中能 唯一唯一标识每个元组的标识每个元组的最小最小的属性集。的属性集。 例如：学生例

9、如：学生(学号学号, 姓名姓名, 性别性别, 年龄年龄, 班级班级) 选课（选课（学号，课号学号，课号，成绩），成绩） 指导（导师，专业，研究生）候选键指导（导师，专业，研究生）候选键 ? 一个导师可以指导多个研究生，一个导师一个导师可以指导多个研究生，一个导师 属于一个专业，一个专业可以有多个导师和属于一个专业，一个专业可以有多个导师和 学生。学生。 一个关系中候选键可以有多个。一个关系中候选键可以有多个。 10 2.2.1 关系模型的基本术语关系模型的基本术语 9. 主键主键(Primary key)：在：在一个关系的候选一个关系的候选 键中选定一个为键中选定一个为主键。主键。 主键中的属

10、性称为主键中的属性称为主属性主属性。不包含在任何候。不包含在任何候 选键中的属性称为选键中的属性称为非主属性非主属性。 最简单的情况，候选键只包含一个属性，最最简单的情况，候选键只包含一个属性，最 极端的情况，一个关系的所有属性构成这个极端的情况，一个关系的所有属性构成这个 关系的候选键，称为关系的候选键，称为全键全键。 11 2.2.1 关系模型的基本术语关系模型的基本术语 10. 外键外键(Foreign key)： F为关系为关系R中的属性中的属性 组，它不是组，它不是R的主键，但它与另一个关系的主键，但它与另一个关系S的主键的主键 Ks相对应，则称相对应，则称F为关系为关系R的的外键外

11、键。R为参照关系，为参照关系， S为被参照关系。关系为被参照关系。关系R和和S可以是相同的。可以是相同的。 例：例： 职工职工部门数据库部门数据库 ： 职工（职工（工号工号，姓名，性别，姓名，性别，部门号部门号） 部门（部门（部门号部门号，部门名，负责人，电话），部门名，负责人，电话） 外键外键 12 2.2.1 关系模型的基本术语关系模型的基本术语 11. 关系数学定义关系数学定义 域：是一组具有相同数据类型的值的集合。域：是一组具有相同数据类型的值的集合。 例：整数、小数点后保留例：整数、小数点后保留2 2位的实数、性别集位的实数、性别集 合合 “男男”、“女女” 。 13 2.2.1 关

12、系模型的基本术语关系模型的基本术语 笛卡尔积（笛卡尔积（Cartesian Product） 定义：给定一组域定义：给定一组域D1,D2,Dn，这些域可以，这些域可以 有相同的。有相同的。D1,D2,Dn的笛卡尔积为：的笛卡尔积为： D1 D2 Dn= (d1, d2, , dn) | di Di , i=1 ,2, , n 其中，每一个元素其中，每一个元素(d1,d2,(d1,d2, ,dn) ,dn)叫作一个叫作一个n n 元组（元组（n-tuplen-tuple）或元组。元组中的每一个）或元组。元组中的每一个 值值didi叫作一个分量。叫作一个分量。 14 2.2.1 关系模型的基本术语

13、关系模型的基本术语 d1d2dn d1d2dn 笛卡尔积可表示为二维表：笛卡尔积可表示为二维表： 15 2.2.1 关系模型的基本术语关系模型的基本术语 关系关系 定义：定义：D1 D2 Dn的子集叫做在域的子集叫做在域D1, D2, , Dn上的关系，表示为：上的关系，表示为： R(D1,D2,Dn) R为关系的名字，为关系的名字，n为关系的目或度。为关系的目或度。 关系是笛卡尔积的子集，所以关系是笛卡尔积的子集，所以关系也是一个关系也是一个 二维表二维表。表的每一行对应一个元组，表的每。表的每一行对应一个元组，表的每 一列对应一个域，由于域可以相同，为了加一列对应一个域，由于域可以相同，为

14、了加 以区别，必须对每列起一个名字，称为属性以区别，必须对每列起一个名字，称为属性 16 2.2.1 关系模型的基本术语关系模型的基本术语 例如例如 有两个集合有两个集合D1和和D2，这里，这里D1=2，4， D2=1，3，5。 这两个集合的笛卡尔积为：这两个集合的笛卡尔积为： D1D2= （2,1），（），（2,3），（），（2,5），（），（4,1），）， （4,3），（），（4,5） 这个笛卡尔积的任何子集都是一个关系。例如这个笛卡尔积的任何子集都是一个关系。例如 可以产生下列关系：可以产生下列关系： R=（2,1），（），（4,1） 可以用二维表表示：可以用二维表表示： D1D2 21

15、 41 17 2.2.2 数据模型三要素数据模型三要素 任何数据模型都由三个基本要素构成：数任何数据模型都由三个基本要素构成：数 据结构、数据操作、数据完整性约束。据结构、数据操作、数据完整性约束。 关系模型由关系数据结构、关系操作集合、关系模型由关系数据结构、关系操作集合、 关系完整性约束三部分构成。关系完整性约束三部分构成。 1.数据结构数据结构关系关系 关系数据结构由关系构成。不管是实体还是实关系数据结构由关系构成。不管是实体还是实 体之间的联系都用关系表示。因此关系模型的体之间的联系都用关系表示。因此关系模型的 数据结构单一。数据结构单一。 18 2.2.2 数据模型三要素数据模型三要

16、素 2.关系操作关系操作关系操作集合关系操作集合 (1)关系的操作是集合操作。主要包括：关系的操作是集合操作。主要包括： 选择（选择（Select）、投影（）、投影（Project）、）、 连接（连接（Join）、除（）、除（Divide）、）、 并（并（Union）、交（）、交（Intersection）、）、 差（差（Difference）、广义笛卡尔积）、广义笛卡尔积 用这用这8种操作可以完成对数据库的插入、种操作可以完成对数据库的插入、 删除、修改、查询操作。删除、修改、查询操作。 19 2.2.2 数据模型三要素数据模型三要素 (2).关系操作的特点：一次一集合（关系操作的特点：一次

17、一集合（set ata time）方式，而非关系数据库的操作）方式，而非关系数据库的操作 是一次一记录（是一次一记录（record at a time）方式。）方式。 (3).关系操作的能力通常用关系代数或关系演关系操作的能力通常用关系代数或关系演 算来表示。算来表示。 关系代数和关系演算是两种关系代数和关系演算是两种抽象抽象的查询语言。的查询语言。 与实际系统中使用的语言并不完全一样。它与实际系统中使用的语言并不完全一样。它 们主要是用来评估实际系统中使用的查询语们主要是用来评估实际系统中使用的查询语 言能力的标准或基础。言能力的标准或基础。 20 2.2.2 数据模型三要素数据模型三要素

18、3. 关系的三类完整性约束关系的三类完整性约束 为了维护数据库数据完整性，关系数据库为了维护数据库数据完整性，关系数据库 在插入、删除、修改数据操作时要遵循三在插入、删除、修改数据操作时要遵循三 类完整性规则。类完整性规则。 关系模型具有三类完整性：实体完整性、参照完关系模型具有三类完整性：实体完整性、参照完 整性和用户定义完整性。整性和用户定义完整性。 21 2.2.2 数据模型三要素数据模型三要素 一、实体完整性（一、实体完整性（entity integrity） 实体完整性：实体完整性：关系关系R的主属性不能取空值。的主属性不能取空值。 空值空值(NULL)(NULL)：即即“不知道不知

19、道”或或“无意义无意义”的值的值。 例例2 学生学生-选课数据库：选课数据库： 学生学生(学号学号, 姓名姓名, 性别性别, 出生日期出生日期, 系系) 课程（课程（课号课号，课名，学分，学时），课名，学分，学时） 选课（选课（学号，课号学号，课号，成绩，学年学期），成绩，学年学期） 学生表的学号、课程表的课号不能取空值，选课表学生表的学号、课程表的课号不能取空值，选课表 的学号和课号都不能取空值。的学号和课号都不能取空值。 22 2.2.2 数据模型三要素数据模型三要素 参照完整性规则参照完整性规则 若若F为基本关系为基本关系R的外键，的外键， 且与基本关系且与基本关系S的主键的主键Ks相对

20、应，则相对应，则R中的中的 每个元组在每个元组在F上的值必须为：上的值必须为： （1）或者取空值；）或者取空值； （2）或者等于）或者等于S中某个元组的主键值。中某个元组的主键值。 二、二、参照参照完整性完整性 23 2.2.2 数据模型三要素数据模型三要素 例例1 职工职工部门数据库部门数据库 ： 职工（职工（工号工号，姓名，性别，姓名，性别，部门号部门号） 部门（部门（部门号部门号，部门名，负责人，电话），部门名，负责人，电话） 例例2 学生学生-选课数据库：选课数据库： 学生学生(学号学号, 姓名姓名, 性别性别, 出生日期出生日期, 系系) 课程（课程（课号课号，课名，学分，学时），课

21、名，学分，学时） 选课（选课（学号，课号学号，课号，成绩，学年学期），成绩，学年学期） 24 2.2.2 数据模型三要素数据模型三要素 实体完整性和参照完整性是关系数据库必实体完整性和参照完整性是关系数据库必 须满足的完整性规则，须满足的完整性规则，RDBMS应自动支应自动支 持。持。 用户定义完整性用户定义完整性：是指，根据应用环境，：是指，根据应用环境， 某一具体应用所涉及到的数据必须满足的某一具体应用所涉及到的数据必须满足的 语义约束条件。语义约束条件。RDBMS应提供用户定义应提供用户定义 这类完整性的机制。这类完整性的机制。 如：学生表中性别只能取如：学生表中性别只能取“男男”，“女

22、女”。 三、用户定义完整性三、用户定义完整性 25 2.2.3 关系的性质关系的性质 数据库中的关系必须具有如下性质：数据库中的关系必须具有如下性质： (1)每一列中的分量数据类型相同，来自于同一个每一列中的分量数据类型相同，来自于同一个 域。域。 (2) 每一列要给出不同的属性名；每一列要给出不同的属性名； (3) 不同列的次序可以任意交换。不同列的次序可以任意交换。 (4) 不同行的次序可以任意交换。不同行的次序可以任意交换。 (5) 任意两个元组不能完全相同。任意两个元组不能完全相同。 (6) 每一个分量都是不可再分的数据项。每一个分量都是不可再分的数据项。 26 2.2.3 关系的性质

23、关系的性质 工号工号姓名姓名 学历情况学历情况 学历学历1学历学历2 051231 丁叶梅丁叶梅 1988年年7月获得月获得 学士学位学士学位 2004年年7月获月获 得理学硕士得理学硕士 021232 吴茗吴茗 1986年年7月获得月获得 工学硕士工学硕士 2002年年7月获月获 得工学博士得工学博士 这张表就不是关系这张表就不是关系 27 2.2.3 关系的性质关系的性质 可采用如下所示的方式来处理。可采用如下所示的方式来处理。 工号工号姓名姓名学历学历1学历学历2 051231丁叶梅丁叶梅1988年年7月获得学月获得学 士学位士学位 2004年年7月获得理月获得理 学硕士学硕士 0212

24、32吴茗吴茗1986年年7月获得工月获得工 学硕士学硕士 2002年年7月获得工月获得工 学博士学博士 28 2.2.4 关系模式关系模式 关系模式关系模式(Relational Schema): 关系结构的描述称为关系结构的描述称为关系模式关系模式。它可以形。它可以形 式化地表示为：式化地表示为：R(U , D , Dom , F ) U属性集，属性集，D域集，域集，Dom属性向域的属性向域的 映象，表现为属性的类型、长度等。映象，表现为属性的类型、长度等。 F属性间的数据依赖。属性间的数据依赖。 通常关系被简写为通常关系被简写为R(A1，A2，.，An ) 29 2.2.4 关系模式关系模

25、式 关系数据库模式关系数据库模式是对关系数据库的描述，是对关系数据库的描述， 包括若干域以及域上定义的关系模式的集包括若干域以及域上定义的关系模式的集 合。合。 其值是这些关系模式在某一时刻对应其值是这些关系模式在某一时刻对应 于关系的集合，通常称为于关系的集合，通常称为RDB。 30 2.3 关系代数关系代数 关系代数是一种抽象的数据语言关系代数是一种抽象的数据语言。是关系数据操。是关系数据操 纵语言的一种传统表达方式，它是用对关系的运纵语言的一种传统表达方式，它是用对关系的运 算来表达查询的，即关系代数的运算对象是关系，算来表达查询的，即关系代数的运算对象是关系， 运算的结果也是关系。运算

26、的结果也是关系。 关系是元组的关系是元组的集合集合，因此传统的集合运算并、交、，因此传统的集合运算并、交、 差、广义笛卡尔积也适用于关系代数；差、广义笛卡尔积也适用于关系代数； 关系还包括关系还包括4个专门的运算：选择、投影、连接个专门的运算：选择、投影、连接 和除。和除。 31 2.3.1 传统的集合运算传统的集合运算 只需一个操作数的运算称为单目运算，需只需一个操作数的运算称为单目运算，需 要要2 2个操作对象的称为二目运算。个操作对象的称为二目运算。 传统的集合运算是二目运算，要求参与运传统的集合运算是二目运算，要求参与运 算的关系（设为算的关系（设为R R和和S S）属性个数相同，且）

27、属性个数相同，且 相应的属性取自同一个域相应的属性取自同一个域。 1并（并（Union） 关系关系R与与S的并仍是一个的并仍是一个n元关系，它由属元关系，它由属 于于R或属于或属于S的元组组成。记作：的元组组成。记作： R S=t | t R t S 32 2.3.1 传统的集合运算传统的集合运算 2差（差（Difference） 关系关系R与与S的差仍是一个的差仍是一个n元关系，由属于元关系，由属于R 而不属于而不属于S的所有元组组成。记作：的所有元组组成。记作： R - S=t | t R t S 3交（交（Intersection） 关系关系R与与S的交仍是一个的交仍是一个n元关系，由属

28、于元关系，由属于R 且属于且属于S的所有元组组成。记作：的所有元组组成。记作： R S=t | t R t S 33 2.3.1 传统的集合运算传统的集合运算 并 R S 差 R S 交 关系关系R与与S的并、差、交运的并、差、交运 算算 34 2.3.1 传统的集合运算传统的集合运算 4广义笛卡儿积（广义笛卡儿积（Cartesian Product） n目关系目关系R和和m目关系目关系S的笛卡儿积是一个的笛卡儿积是一个 (n+m)目的新关系，其中每个元组的前目的新关系，其中每个元组的前n列列 是关系是关系R的某个元组，后的某个元组，后m列是关系列是关系S的某的某 个元组。记作：个元组。记作：

29、 R S =(a1, , an , b1 , , bm ) | (a1, , an ) R ( b1 , , bm ) S 若若R有有k1个元组，个元组，S有有k2个元组，则关系个元组，则关系R 和关系和关系S的广义笛卡儿积有的广义笛卡儿积有k1 k2个元组。个元组。 35 2.3.1 传统的集合运算传统的集合运算 两个关系进行笛卡儿积运算后会得到一个两个关系进行笛卡儿积运算后会得到一个 非常大的关系。如非常大的关系。如R有有10个元组，个元组，S有有30个个 元组，则元组，则R S有有300个元组，而且其每个个元组，而且其每个 元组要比元组要比R和和S的元组要大。的元组要大。 关系关系R和关

30、系和关系S可能有相同的属性名，为加可能有相同的属性名，为加 以区别，就在属性名前标上相应的关系名以区别，就在属性名前标上相应的关系名 作为前缀，例如作为前缀，例如R . A和和S . A等。属性名不等。属性名不 同时，可以不用加前缀。同时，可以不用加前缀。 36 2.3.1 传统的集合运算传统的集合运算 例：已知关系例：已知关系R和和S分别如下图所示。求：分别如下图所示。求： (1) 关系关系R和和S的并。的并。 (2) 关系关系R与与S的交。的交。 (3) 关系关系R与与S的差。的差。 (4) 关系关系R与与S的笛卡儿积。的笛卡儿积。 37 2.3.1 传统的集合运算传统的集合运算 S AB

31、C add sng fka ABC aec add fka R 解：解： 38 2.3.1 传统的集合运算传统的集合运算 ABC aec add fka sng R S 39 2.3.1 传统的集合运算传统的集合运算 R S S.AS.BS.C add sng fka R.AR.BR.C aec aec aec add sng fka add add add 40 2.3.2 专门的关系运算专门的关系运算 专门的关系运算包括选择、投影、连接、除专门的关系运算包括选择、投影、连接、除 。 选择、投影是单目运算，其他双目运算。选择、投影是单目运算，其他双目运算。 1. 选择（选择（selectio

32、n） 关系关系R上的上的选择运算选择运算是在关系是在关系R中选择满足中选择满足 给定条件的元组。记作给定条件的元组。记作 F ( R )。 其中其中 为选择运算符，为选择运算符，F为条件为条件(逻辑表达式逻辑表达式)。 可表示为：可表示为： F ( R ) = t | t R F(t)=true 41 2.3.2 专门的关系运算专门的关系运算 在本课程的讲解中，例题涉及的数据库主要在本课程的讲解中，例题涉及的数据库主要 以以“教学数据库教学数据库”为主。为主。 教学数据库由以下三张表构成：教学数据库由以下三张表构成： 学生学生(学号学号, 姓名姓名, 性别性别, 出生日期出生日期, 系系) 课

33、程（课程（课号课号，课名，学分，学时，课名，学分，学时,任课老师）任课老师） 选课（选课（学号学号,课号课号, 成绩成绩,学年学期）学年学期） 即：即：S(Sno, Sname, Sex, Birth , Dept) C(Cno, Cname, Credit, Period，teacher) SC(Sno,Cno, Grade, Year_Semester) 42 2.3.2 专门的关系运算专门的关系运算 例例1 查找数学系学生情况。查找数学系学生情况。 Dept=“数学系 数学系” ( S ) 2. 投影（投影（Projection） 关系关系R上的上的投影运算投影运算是从关系是从关系R中选

34、择若干中选择若干 属性构成新的关系，并在结果中删去重复元属性构成新的关系，并在结果中删去重复元 组。投影操作记为：组。投影操作记为： A (R)。 其中其中 为投影运算符，为投影运算符，A为指定保留的属性组。为指定保留的属性组。 43 2.3.2 专门的关系运算专门的关系运算 例例2 查询所有学生的学号查询所有学生的学号, 姓名姓名, 所属系信息。所属系信息。 sno,sname,dept (S) 例例3 查询数学系所有学生的学号，姓名。查询数学系所有学生的学号，姓名。 sno,sname ( Dept=“数学系 数学系” (S) 44 2.3.2 专门的关系运算专门的关系运算 3. 连接（连接（Join） 关系关系R和关系和关系S的的连接运算连接运算是指从是指从R与与S的笛的笛 卡儿积中选择卡儿积中选择R与与S的属性间满足连接条件的属性间满足连接条件F 的元组。记为：的元组。记为： 。 连接条件连接条件F =R.A S.B。 等值连接是指等值连接是指(R.A S.B) 中，中， 取等号取等号(=)