数据库原理与应用课件第三章

1、数据库原理与应用数据库原理与应用数据库原理与应用第三章第三章 关系数据库基本理论关系数据库基本理论数据库原理与应用关系数据库的几个概念关系数据库的几个概念l关系数据库l关系数据模型l关系模式l关系数据库原理与应用关系数据库关系数据库l支持关系模型的数据库。l在一个给定的应用领域中，所有实体及实体之间联系的关系的集合构成一个关系数据库。l关系数据库应用数学方法来处理数据库中的数据。l80年代后，关系数据库系统成为最重要、最流行的数据库系统。数据库原理与应用关系数据库关系数据库l系统而严格地提出关系模型的是美国ibm公司的e.f.codd1970年提出关系数据模型le.f.codd, “a rel

2、ational model of data for large shared data banks”, communication of the acm,1970之后，提出了关系代数和关系演算的概念1972年提出了关系的第一、第二、第三范式1974年提出了关系的bc范式数据库原理与应用关系模型关系模型l关系模型的组成关系数据结构关系操作集合关系完整性约束数据库原理与应用1. 关系数据结构关系数据结构l单一的数据结构-关系现实世界的实体以及实体间的各种联系均用关系来表示l数据的逻辑结构-二维表从用户角度，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表。 数据库原理与应用2.关系操作集合关系操作集合l1)

3、常用的关系操作查询l选择、投影、连接、除、并、交、差、积数据更新l插入、删除、修改查询的表达能力是其中最主要的部分数据库原理与应用关系操作集合（续）关系操作集合（续）l2) 关系操作的特点集合操作方式，即操作的对象和结果都是集合。l非关系数据模型的数据操作方式：一次一记录l文件系统的数据操作方式数据库原理与应用关系操作集合（续）关系操作集合（续）l3) 关系操作的语言关系数据语言可以分为三类关系数据语言可以分为三类 ：关系代数、元组关关系代数、元组关系演算和域关系演算系演算和域关系演算。该三种语言在表达能力上是。该三种语言在表达能力上是完全等价的。完全等价的。 关系代数语言关系代数语言 例如例

4、如 isbl 元组关系演算语言元组关系演算语言 例如例如 aplha，quel关系数据语言关系数据语言 关系演算语言关系演算语言 域关系演算语言域关系演算语言 例如例如 qbe 具有关系代数和关系演算双重特点的语言具有关系代数和关系演算双重特点的语言 例如例如 sql 关系语言是一种高度非过程化的语言，用户不必请求关系语言是一种高度非过程化的语言，用户不必请求dba为其建为其建立特殊的存取路径，存取路径的选择由立特殊的存取路径，存取路径的选择由rdbms的优化机制来完成。的优化机制来完成。 数据库原理与应用3. 3. 关系的三类完整性约束关系的三类完整性约束l实体完整性通常由关系系统自动支持l

5、参照完整性早期系统不支持，目前大型系统能自动支持l用户定义的完整性反映应用领域需要遵循的约束条件，体现了具体领域中的语义约束用户定义后由系统支持数据库原理与应用关系模式关系模式关系模式是对关系的描述元组集合的结构属性构成属性来自的域 属性与域之间的映象关系元组语义以及完整性约束条件属性间的数据依赖关系集合数据库原理与应用关系模式的定义关系模式的定义关系模式可以形式化地表示为： r（u，d，dom，f） r 关系名u 组成该关系的属性名集合d 属性组u中属性所来自的域dom 属性向域的映象集合f 属性间的数据依赖关系集合数据库原理与应用定义关系模式定义关系模式 (续续)关系模式通常可以简记为 r

6、 (u) 或 r (a1，a2，an) r 关系名a1，a2，an 属性名注：域名及属性向域的映象常常直接说明为属性的类型、长度数据库原理与应用关系模式与关系关系模式与关系关系模式是型，关系是值关系模式对关系的描述，是静态的、稳定的。关系关系模式在某一时刻的状态或内容，是动态的、随时间不断变化的。关系模式和关系往往统称为关系，通过上下文加以区别数据库原理与应用一些基本概念一些基本概念l域（domain）l元组、元数和基数l键l主属性和非主属性数据库原理与应用 域（域（domain）l域是一组具有相同数据类型的值的集合。例:整数实数介于1和10之间的整数长度指定长度的字符串集合男，女介于某个取值

7、范围的日期l同列有相同的域，不同列的域可以相同。数据库原理与应用2.元组、元数和基数元组、元数和基数l元组关系表中的一行称为一个元组。一个元组表示实体集中的一个实体。不能存在两个相同的元组。l元数关系中属性的个数也称为关系的“目”或者“度”l基数元组的个数称为基数。数据库原理与应用3.键（键（key）l超键超键在一个关系中，能惟一标识元组的属性或属性集称为关系的超键。在一个关系中，能惟一标识元组的属性或属性集称为关系的超键。 l候选键候选键如果一个属性集能惟一标识元组，且又不含有多余的属性，那么这如果一个属性集能惟一标识元组，且又不含有多余的属性，那么这个属性集称为关系的候选键。个属性集称为关

8、系的候选键。 l主键主键若一个关系中有多个候选键，则选其中的一个为关系的主键。若一个关系中有多个候选键，则选其中的一个为关系的主键。l外键外键若一个关系若一个关系r中包含有另一个关系中包含有另一个关系s的主键所对应的属性组的主键所对应的属性组f，则称，则称f为为r的外键。并称关系的外键。并称关系s为参照关系，关系为参照关系，关系r为依赖关系。为依赖关系。参照关系和依赖关系不一定是不同关系。 数据库原理与应用4.主属性与非主属性主属性与非主属性l主属性包含在任何一个候选键中的属性。l非主属性不包含在任何一个候选键中的属性。也叫非键属性。数据库原理与应用举例举例l学生、课程、学生与课程之间的关系模

9、式学生（学号，姓名，性别，专业号，年龄）课程（课程号，课程名，学分）选修（学号，课程号，成绩）数据库原理与应用一些基本表示方法一些基本表示方法l用前面的大写字母a、b、c等表示单个属性。l用后面的大写字母w、x、y、z表示属性集。l用小写字母表示属性值。l用t表示元组。l主键的属性下面加下划线。l外键的属性下面加波浪线。 数据库原理与应用基本关系的性质基本关系的性质 列是同质的（homogeneous）每一列中的分量是同一类型的数据，来自同一个域 不同的列可出自同一个域其中的每一列称为一个属性不同的属性要给予不同的属性名数据库原理与应用基本关系的性质基本关系的性质(续续) 列的顺序无所谓列的次

10、序可以任意交换遵循这一性质的数据库产品(如oracle)，增加新属性时，永远是插至最后一列。但也有许多关系数据库产品没有遵循这一性质，例如foxpro仍然区分了属性顺序。数据库原理与应用基本关系的性质基本关系的性质(续续) 任意两个元组不能完全相同许多关系数据库产品没有遵循这一性质。例如:oracle，foxpro等都允许关系表中存在两个完全相同的元组，除非用户特别定义了相应的约束条件。数据库原理与应用基本关系的性质基本关系的性质(续续) 行的顺序无所谓行的次序可以任意交换遵循这一性质的数据库产品(如oracle)，插入一个元组时永远插至最后一行。但也有许多关系数据库产品没有遵循这一性质，例如

11、foxpro仍然区分了元组的顺序。数据库原理与应用基本关系的性质基本关系的性质(续续) 分量必须取原子值每一个分量都必须是不可分的数据项。这是规范条件中最基本的一条。数据库原理与应用关系的三类完整性约束关系的三类完整性约束l实体完整性l参照完整性l用户定义的完整性数据库原理与应用实体完整性实体完整性l实体完整性规则（entity integrity）若属性a是基本关系r的主属性，则属性a不能取空值数据库原理与应用实体完整性实体完整性(续续)关系模型必须遵守实体完整性规则的原因(1) 实体完整性规则是针对基本关系而言的。一个基本表通常对应现实世界的一个实体集或多对多联系。(2) 现实世界中的实体

12、和实体间的联系都是可区分的，即它们具有某种唯一性标识。(3) 相应地，关系模型中以主键作为唯一性标识。数据库原理与应用实体完整性实体完整性(续续)关系模型必须遵守实体完整性规则的原因(续)(4) 主键中的属性不能取空值。 空值就是“不知道”或“无意义”的值。 主键中的属性取空值，就说明存在某个不可标识的实体，即存在不可区分的实体，这与第（2）点相矛盾，因此这个规则称为实体完整性。数据库原理与应用实体完整性实体完整性(续续)注意实体完整性规则规定基本关系的所有主属性都不能取空值举例选修（学号，课程号，成绩） “学号、课程号”为主键，则两个属性都不能为空值。数据库原理与应用参照完整性参照完整性1.

13、 关系间的引用2. 参照完整性规则数据库原理与应用1. 关系间的引用关系间的引用在关系模型中实体及实体间的联系都是用关系来描述的，因此可能存在着关系与关系间的引用。例1 学生实体、专业实体以及专业与学生 间的一对多联系 学生（学号，姓名，性别，专业号，年龄） 专业（专业号，专业名）数据库原理与应用关系间的引用关系间的引用(续续)例2 学生、课程、学生与课程之间的多对 多联系 学生（学号，姓名，性别，专业号，年龄） 课程（课程号，课程名，学分） 选修（学号，课程号，成绩）数据库原理与应用关系间的引用关系间的引用(续续)例3 学生实体及其内部的领导联系(一对多) 学生（学号，姓名，性别，专业号，年

14、龄，班长）学学号号姓姓名名性性别别专专业业号号年年龄龄班班长长801张张三三女女0119802802李李四四男男0120803王王五五男男0120802804赵赵六六女女0220805805钱钱七七男男0219数据库原理与应用2. 参照完整性规则参照完整性规则若属性（或属性组）f是基本关系r的外键它与基本关系s的主键ks相对应（基本关系r和s不一定是不同的关系），则对于r中每个元组在f上的值必须为： 或者取空值（f的每个属性值均为空值） 或者等于s中某个元组的主键值。数据库原理与应用学学 号号姓姓 名名性性 别别专专 业业 号号年年 龄龄8 0 1张张 三三女女0 11 98 0 2李李 四四

15、男男0 12 08 0 3王王 五五男男0 12 08 0 4赵赵 六六女女0 22 08 0 5钱钱 七七男男0 21 9专专 业业 号号专专 业业 名名0 1信信 息息0 2数数 学学0 3计计 算算 机机学生（学生（学号学号，姓名，性别，专业号，年龄），姓名，性别，专业号，年龄）专业（专业（专业号专业号，专业名），专业名）数据库原理与应用 学学 号号课课 程程号号成成 绩绩801049280103788010285802038280204908030488学生学生学生选课学生选课课程课程数据库原理与应用参照完整性规则参照完整性规则(续续)学生关系中每个元组的“专业号”属性只取下面两类值：

16、（1）空值，表示尚未给该学生分配专业（2）非空值，这时该值必须是专业关系中某个元组的“专业号”值，表示该学生不可能分配到一个不存在的专业中数据库原理与应用参照完整性规则参照完整性规则(续续) 选修（学号，课程号，成绩）“学号”和“课程号”是选修关系中的主属性按照实体完整性和参照完整性规则，它们只能取相应被参照关系中已经存在的主键值数据库原理与应用参照完整性规则参照完整性规则(续续)学生（学号，姓名，性别，专业号，年龄，班长）“班长”属性值可以取两类值：（1）空值，表示该学生所在班级尚未选出班长，或该学生本人即是班长；（2）非空值，这时该值必须是本关系中某个元组的学号值数据库原理与应用用户定义的

17、完整性用户定义的完整性l用户定义的完整性是针对某一具体关系数据库的约束条件，反映某一具体应用所涉及的数据必须满足的语义要求。l关系模型应提供定义和检验这类完整性的机制，以便用统一的系统的方法处理它们，而不要由应用程序承担这一功能。数据库原理与应用用户定义的完整性用户定义的完整性(续续)例: 课程(课程号，课程名，学分)“课程号”属性必须取唯一值非主属性“课程名”也不能取空值“学分”属性只能取值1，2，3，4数据库原理与应用关系代数关系代数l 概述l 传统的集合运算l 专门的关系运算数据库原理与应用概述概述1. 关系代数2. 运算的三要素3. 关系代数运算的三个要素4. 关系代数运算的分类5.

18、表示记号数据库原理与应用概述概述1.关系代数一种抽象的查询语言用对关系的运算来表达查询数据库原理与应用概述概述(续续)2关系代数运算的三个要素运算对象：关系运算结果：关系运算符：四类数据库原理与应用概述概述(续续)l集合运算符将关系看成元组的集合运算是从关系的“水平”方向即行的角度来进行l专门的关系运算符不仅涉及行而且涉及列l算术比较符辅助专门的关系运算符进行操作l逻辑运算符辅助专门的关系运算符进行操作数据库原理与应用集合运算符-并差交广义笛卡尔积比较运算符 大于大于等于小于小于等于等于不等于运算符含义运算符含义概述概述(续续)数据库原理与应用专门的关系运算符 选择投影连接除逻辑运算符 非与或

19、运算符含义运算符含义概述概述(续续)数据库原理与应用概述概述(续续)4关系代数运算的分类 传统的集合运算 并、差、交、广义笛卡尔积专门的关系运算 选择、投影、连接、除数据库原理与应用概述概述(续续)5表示记号 （1） r，tr，tai 设关系模式为r(a1，a2，an)它的一个关系设为r。tr表示t是r的一个元组tai则表示元组t中相应于属性ai的一个分量 数据库原理与应用概述概述(续续)（2） tr ts r为n目关系，s为m目关系。tr r，tss， tr ts称为元组的连接。它是一个n + m列的元组，前n个分量为r中的一个n元组，后m个分量为s中的一个m元组。 数据库原理与应用关系代数

20、关系代数l 概述l 传统的集合运算l 专门的关系运算数据库原理与应用传统的集合运算传统的集合运算l并l差l交l广义笛卡尔积数据库原理与应用1. 并（并（union）lr和s具有相同的目n（即两个关系都有n个属性）相应的属性取自同一个域lrs 仍为n目关系，由属于r或属于s的元组组成 rs = t|t rt s 数据库原理与应用并并(续续)abca1b1c1a1b2c2a2b2c1abca1b1c1a1b2c2a1b3c2a2b2c1abca1b2c2a1b3c2a2b2c1rsrs= ?数据库原理与应用2. 差（差（difference）lr和s具有相同的目n相应的属性取自同一个域lr - s

21、 仍为n目关系，由属于r而不属于s的所有元组组成 r -s = t|trts 数据库原理与应用差差(续续)abca1b1c1a1b2c2a2b2c1abca1b1c1abca1b2c2a1b3c2a2b2c1rsr-s= ?数据库原理与应用3. 交（交（intersection）lr和s具有相同的目n相应的属性取自同一个域lrs仍为n目关系，由既属于r又属于s的元组组成 rs = t|t rt s 数据库原理与应用交交 (续续)abca1b1c1a1b2c2a2b2c1abca1b2c2a2b2c1abca1b2c2a1b3c2a2b2c1rsr s= ?数据库原理与应用4. 广义笛卡尔积广义

22、笛卡尔积（extended cartesian product）lrn目关系，k1个元组lsm目关系，k2个元组lrs 列：（n+m）列的元组的集合l元组的前n列是关系r的一个元组l后m列是关系s的一个元组行：k1k2个元组lrs = tr ts |tr r tss 数据库原理与应用广义笛卡尔积广义笛卡尔积 (续续)abca1b1c1a1b2c2a2b2c1abca1b1c1a1b1c1a1b1c1a1b2c2a1b2c2a1b2c2a2b2c1a2b2c1a2b2c1abca1b2c2a1b3c2a2b2c1rsr s =abca1b2c2a1b3c2a2b2c1a1b2c2a1b3c2a2

23、b2c1a1b2c2a1b3c2a2b2c1?数据库原理与应用关系代数关系代数l概述l传统的集合运算l专门的关系运算数据库原理与应用专门的关系运算专门的关系运算l选择l投影l连接l除数据库原理与应用1. 选择（选择（selection） l1) 选择又称为限制（restriction）l2) 选择运算符的含义在关系r中选择满足给定条件的诸元组 f(r) = t|trf(t)= 真f：选择条件，是一个逻辑表达式，基本形式为： ( x1y1 ) ( x2y2 )l：比较运算符（，或）lx1，y1等：属性名、常量、简单函数；属性名也可以用它的序号来代替；l：逻辑运算符（或）l ：表示任选项l：表示上

24、述格式可以重复下去数据库原理与应用选择（续）选择（续）l3) 选择运算是从行的角度进行的运算 l4) 举例:设有一个学生-课程数据库，包括学生关系student、课程关系course和选修关系sc。数据库原理与应用选择（续）选择（续）学学 号号sno姓姓 名名sname性性 别别ssex年年 龄龄sage所所 在系在系sdept95001李勇李勇男男20cs95002刘晨刘晨女女19is95003王敏王敏女女18ma95004张立张立男男19is student例1例2数据库原理与应用选择（续）选择（续）course课程号课程号课程名课程名先行课先行课学分学分cnocnamecpnoccred

25、it1数据库数据库542数学数学 23信息系统信息系统144操作系统操作系统635数据结构数据结构746数据处理数据处理 27pascal语言语言64例9数据库原理与应用选择（续）选择（续） sc学学 号号课课 程程 号号成成 绩绩snocnograde9500119295001285950013889500229095002380例7例9数据库原理与应用选择（续）选择（续）例1 查询信息系（is系）全体学生 sdept = is (student)或 5 =is (student)结果： snosnamessexsagesdept95002刘晨刘晨女女19is95004张立张立男男19is数

26、据库原理与应用选择（续）选择（续）例2 查询年龄小于20岁的学生 sage 20(student) 或 4 20(student)结果： snosnamessexsagesdept95002刘晨刘晨女女19is95003王敏王敏女女18ma95004张立张立男男19is 数据库原理与应用2. 投影（投影（projection） l1）投影运算符的含义从r中选择出若干属性列组成新的关系 a(r) = ta | t r a：r中的属性列 数据库原理与应用2. 投影（投影（projection） l2）投影操作主要是从列的角度进行运算l但投影之后不仅取消了原关系中的某些列，而且还可能取消某些元组（避

27、免重复行）数据库原理与应用投影（续）投影（续）学学 号号sno姓姓 名名sname性性 别别ssex年年 龄龄sage所所 在系在系sdept95001李勇李勇男男20cs95002刘晨刘晨女女19is95003王敏王敏女女18ma95004张立张立男男19is student例4例3数据库原理与应用投影（续）投影（续）l3) 举例例3 查询学生的姓名和所在系即求student关系上学生姓名和所在系两个属性上的投影 sname，sdept(student)或 2，5(student)结果：数据库原理与应用投影（续）投影（续）snamesdept李勇李勇cs刘晨刘晨is王敏王敏ma张立张立is数

28、据库原理与应用投影（续）投影（续）例4 查询学生关系student中都有哪些系 sdept(student)结果：sdeptcsisma数据库原理与应用3. 连接（连接（join） l1）连接也称为连接l2）连接运算的含义从两个关系的笛卡尔积中选取属性间满足一定条件的元组 r s = | tr rts stratsb la和b：分别为r和s上度数相等且可比的属性组l：比较运算符 连接运算从r和s的广义笛卡尔积rs中选取（r关系）在a属性组上的值与（s关系）在b属性组上值满足比较关系的元组。 abtr ts数据库原理与应用 连接连接(续续) l3）两类常用连接运算等值连接（equijoin） l

29、什么是等值连接为“”的连接运算称为等值连接 l等值连接的含义从关系r与s的广义笛卡尔积中选取a、b属性值相等的那些元组，即等值连接为： r s = | tr rts stra = tsb a=btr ts数据库原理与应用 连接连接(续续) 自然连接（natural join） l什么是自然连接自然连接是一种特殊的等值连接l两个关系中进行比较的分量必须是相同的属性组l在结果中把重复的属性列去掉l自然连接的含义r和s具有相同的属性组b r s = | tr rts strb = tsb tr ts数据库原理与应用连接连接(续续)l4）一般的连接操作是从行的角度进行运算。 abrsl自然连接还需要取

30、消重复列，所以是同时从行和列的角度进行运算。 数据库原理与应用连接连接(续续)l5）举例 例5 abca1b15a1b26a2b38a2b412beb13b27b310b32b52rs数据库原理与应用连接连接(续续) r s= ar.bcs.bea1b15b27a1b15b310a1b26b27a1b26b310a2b38b310 ce?数据库原理与应用连接连接(续续) 等值连接 r s =r.b=s.b ar.bcs.bea1b15b13a1b26b27a2b38b310a2b38b32?数据库原理与应用连接连接(续续) 自然连接 r s = abcea1b153a1b267a2b3810a

31、2b382?数据库原理与应用连接举例连接举例例9 查询至少选修了一门其直接先行课为5号课程的课程的学生姓名。 sname(cpno=5(course sc student) sname(cpno=5(course) sc sno，sname(student)sname (sno (cpno=5 (course) sc) sno，sname (student) 学号学号sno姓姓 名名sname性性 别别ssex年年 龄龄sage所所 在系在系sdept95001李勇李勇男男20cs95002刘晨刘晨女女19is95003王敏王敏女女18ma95004张立张立男男19is student例9学学

32、 号号课课 程程 号号成成 绩绩snocnograde9500119295001285950013889500229095002380课程号课程号课程名课程名先行课先行课学分学分cnocnamecpnoccredit1数据库数据库542数学数学 23信息系统信息系统144操作系统操作系统635数据结构数据结构746数据处理数据处理 27pascal语言语言64course sc数据库原理与应用外连接（外连接（outer join）l两个关系r和s在做自然连接时，选择两个关系在公共属性上值相等的元组构成新的关系。此时，关系r中某些元组有可能在s中不存在公共属性上值相等的元组，从而造成r中这些元组

33、在操作时被舍弃了，同样，s中某些元组也可能被舍弃。l如果把舍弃的元组也保存在结果关系中，而在其他属性上填空值（null），那么这种连接就叫做外连接(outer join)。如果只把左边关系r中要舍弃的元组保留就叫做左外连接（left outer join或left join），如果只把右边关系s中要舍弃的元组保留就叫做右外连接（right outer join或right join）。 数据库原理与应用abcea1a1a2a2a2nullb1b2b3b3b4b5 568812null37102null2abcea1a1a2a2a2b1b2b3b3b4 56881237102nullabcea1a1a2a2nullb1b2b3b3b5 5688null371022abca1a1a2a2b1b2b3b456812beb1b2b3b3b5371022关系关系r 关系关系s外连接外连接左外连接左外连接右外连接右外连接外连接的例子外连接的例子数据库原理与应用象集象集z 给定一个关系r（x，z），x和z为属性组。当tx=x时，x在r中的象集（images set）为： zx=tz|t r，tx=x 它表示r中属性组x上值为x的诸元组在z上分量的集合。 数据库原理与