數據庫應用技術數據庫原理及應用教程第一章數據庫系統概述（1）第二章關系數據庫（2）第三章關系數據庫標準語言-SQL（4）第四章關系數據庫理論（3）第五章數據庫安全保護（2）第六章數據庫設計（2）第七章SQLServer2000高級應用（2）第一章數據庫系統概述1.1數據庫系統的產生、發展和當前流行的數據庫1.2數據庫系統的組成1.3數據庫系統的模式結構1.4數據庫管理系統1.5數據模式1.6四種數據模型1.1數據庫系統的產生、發展和當前流行的數據庫隨著計算機硬件和軟件的發展，數據管理經歷了人工管理、文件系統和數據庫系統三個發展階段人工管理階段（50年代中期以前）文件系統階段（50年代后期至60年代中期）數據庫系統階段（60年代末開始）1.1數據庫系統的產生、發展和當前流行的數據庫1964年，美國通用電氣公司成功開發了世界上的第一個數據庫系統——IDS(IntegratedDataStore)。IDS奠定了網狀數據庫的基礎，并且得到了廣泛的發行和應用，成為數據庫系統發展史上的一座豐碑。1968年，美國國際商用機器公司（IBM）也推出世界上第一個層次數據庫系統IMS（InformationManagementSystem），同樣在數據庫系統發展史上占有重要的地位。1.1數據庫系統的產生、發展和當前流行的數據庫七十年代初，E.F.Codd在總結前面的層次、網狀數據庫優缺點的基礎上，提出了關系數據模型的概念。他提出了關系代數和關系演算（直到今天，在E.F.Codd的這些基本理論還在左右這數據庫系統的發展，也依然是高校計算機專業課堂上所要講述的重要內容）。1.1數據庫系統的產生、發展和當前流行的數據庫在理論上，確立了完整的關系模型理論、數據依賴理論和關系數據庫的設計理論（在后面將重點講述這些關系數據庫的基本理論）；在實踐上，世界上出現了很多著名的關系數據庫系統，比較著名的如SystemR，INGRES，Oracle等。1.1數據庫系統的產生、發展和當前流行的數據庫/china/sql/2008/

//課堂提問1、P421.131.152、P422.12.10第一章數據庫系統概述1.1數據庫系統的產生、發展和當前流行的數據庫1.2數據庫系統的組成1.3數據庫系統的模式結構1.4數據庫管理系統1.5數據模式1.6四種數據模型1.2數據庫系統的組成數據庫系統通常是指在計算機系統中引入數據庫后的系統構成，由數據庫、數據庫用戶、計算機硬件系統和計算機軟件系統等級部分組成。1.2數據庫系統的組成用戶1用戶2用戶n用戶…數據庫管理員軟件系統應用系統應用開發工具DBMS操作系統（OS）數據庫數據庫數據庫是存儲在計算機內、有組織的、可共享的數據集合。 數據庫中的數據按一定的數據模型組織、描述和存儲，具有較少的冗余度、較高的數據獨立性和易擴展性，并為各個用戶共享。用戶用戶是指使用數據庫的人，他們可以對數據庫進行存儲、維護和檢索等操作。第一類用戶：終端用戶；第二類用戶：應用程序員第三類用戶：數據庫管理員（DBA）軟件系統軟件系統主要包括數據庫管理系統（DBMS)及其開發工具、操作系統和應用系統。DBMS完成對硬件的訪問，并對數據庫的數據進行存取、維護和管理，完成數據庫系統的各類人員、應用程序等對數據庫的各種操作請求。DBMS是數據庫系統的核心軟件。硬件系統硬件系統指存儲和運行數據庫系統的硬件設備1.2數據庫系統的組成應用系統應用開發工具DBMS操作系統硬件課堂提問1、P433.62、P411.11.23、P422.42.5第一章數據庫系統概述1.1數據庫系統的產生、發展和當前流行的數據庫1.2數據庫系統的組成1.3數據庫系統的模式結構1.4數據庫管理系統1.5數據模式1.6四種數據模型1.3數據庫系統的模式結構(重點)數據庫系統的三級模式結構數據庫系統模式的概念數據庫系統的三級模式結構數據庫系統的二級映像與數據獨立性數據庫系統的三級模式與二級映像的優點1.3數據庫系統的模式結構可以從多種不同的角度考查數據庫系統的結構。從數據庫管理系統的角度看，數據庫系統通常采用三級模式結構，這是數據庫系統內部的體系結構；從數據庫最終用戶的角度看，數據庫系統的結構分為單用戶結構、主從式結構、分布式結構、客戶/服務器結構和瀏覽器/服務器結構，這是數據庫系統外部的體系結構。1.3數據庫系統模式的概念模式（Schema）是數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述。例如：學生記錄定義為（學號、姓名、性別、系別、年齡），稱為記錄型，而（001101，張立，男，計算機，20）則是該記錄型的一個記錄值。模式只是對記錄型的描述，而與具體的值無關。數據庫系統的三級模式結構數據庫系統內部的體系結構從邏輯上劃分為三級：外模式、模式和內模式；對用戶而言，可以對應地分為：一般用戶級模式、概念級模式和物理模式；應用1應用2應用n……外模式1……外模式m子模式/模式映象模式模式/內模式映象內模式數據庫圖1.8數據庫系統的三級模式結構用戶級概念級物理級模式（Schema）也稱為邏輯模式或概念模式，是數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述。模式處于三級結構的中間層，不涉及數據的物理存儲細節和硬件環境，與具體的應用程序也無關，是整個數據庫實際存儲的抽象表示。一個數據庫只有一個模式，是數據庫的整體邏輯。外模式又稱子模式或用戶模式，是三級結構的最外層，是數據庫用戶能看到并允許使用的那部分局部數據的邏輯結構和特征的描述。外模式一般是模式的子集，一個數據庫就可以有多個外模式。外模式是保證數據庫安全的一個有力措施。內模式又稱存儲模式，是三級結構中的最內層，也是靠近物理存儲的一層，即與實際存儲數據方式有關的一層。是數據在數據庫內部的表示方法。由多個存儲記錄組成，但并非物理層，不必關心具體的存儲位置。數據庫系統的三級模式結構一個數據庫系統中，實際存在的只是物理級數據庫，是數據訪問的基礎；概念級數據庫是物理級數據庫的一種抽象描述；用戶級數據庫是用戶對數據庫的接口。外模式可有多個，而模式、內模式只能各有一個。內模式是整個數據庫實際存儲的表示，而模式是整個數據庫實際存儲的抽象表示，外模式是概念模式的某一部分的抽象表示數據庫系統的二級映像與數據獨立性數據庫系統的三級模式是對數據的三個抽象級別，它使用戶能邏輯地抽象地處理數據，而不必關心數據在計算機內部的存儲方式，把數據的具體組織交給DBMS管理。為了能夠在內部實現這三個抽象層次的聯系和轉換，DBMS在三級模式之間提供了二級映象功能。數據庫系統的二級映像與數據獨立性外模式/模式映像模式/內模式映像外模式/模式映像模式描述的是數據的全局邏輯結構，外模式描述的是數據局部邏輯結構；同一模式可以有任意多個外模式，每一個外模式都存在一個外模式/模式映像；確定了數據的局部邏輯結構與全局邏輯結構之間的對應關系；保證了數據程序間的邏輯獨立性。模式/內模式映像模式和內模式是唯一的，所以模式/內模式映像是唯一的；確定了數據的全局邏輯結構與存儲結構之間的對應關系存儲結構變化時，數據庫管理員對模式/內模式映像作相應的變化，是模式保持不變確保了數據的物理獨立性數據庫系統的三級模式與二級映像的優點保證數據的獨立性模式和內模式分開，保證了數據的物理獨立性；外模式和模式分開，保證了數據的邏輯獨立性。

簡化了用戶接口按照外模式編寫應用程序或輸入命令，不需要了解數據內部的存儲結構有利于數據共享不同的外模式下可有多個用戶共享系統中的數據，減少了數據冗余有利于數據的安全保密在外模式下根據需求進行操作，只能對限定的數據操作，保證了其他數據的安全。課堂提問1、P433.73.82、P411.11.21.31.81.101.111.143、P422.32.42.52.72.9第一章數據庫系統概述1.1數據庫系統的產生、發展和當前流行的數據庫1.2數據庫數據庫系統的組成1.3數據庫系統的模式結構1.4數據庫管理系統1.5數據模式1.6四種數據模型1.4數據庫管理系統數據庫管理系統是對數據進行管理的大型系統軟件，它是數據庫系統的核心組成部分，用戶在數據庫系統中的一切操作，包括數據定義、查詢、更新及各種控制，都是通過DBMS進行的。DBMS就是實現把用戶意義下的抽象的邏輯數據處理轉換成計算機中的具體的物理數據的處理軟件，這給用戶帶來很大的方便。數據庫管理系統DBMS的主要功能DBMS的組成DBMS的數據存取的過程DBMS的主要功能1、數據定義

DBMS提供數據定義語言DDL（DataDefineLanguage），定義數據的模式、外模式和內模式三級模式結構，定義模式/內模式和外模式/模式二級映象，定義有關的約束條件，例如，為保證數據庫安全而定義的用戶口令和存取權限，為保證正確語義而定義完整性規則。DBMS的主要功能2.數據操縱

DBMS提供數據操縱語言DML（DataManipulationLanguage）實現對數據庫的基本操作，包括檢索、插入、修改、刪除等。

SQL語言就是DML的一種。DBMS的主要功能3.數據庫運行管理

DBMS對數據庫的控制主要通過四個方面實現：數據的安全性控制數據的完整性控制多用戶環境下的并發控制數據庫的恢復以確保數據正確有效和數據庫系統的正常運行。DBMS的主要功能4.數據庫的建立和維護功能包括數據庫的初始數據的裝入，數據庫的轉儲、恢復、重組織，系統性能監視、分析等功能。5.數據通信接口DBMS提供與其他軟件系統進行通信的功能。實現用戶程序與DBMS之間的通信，通常與操作系統協調完成。DBMS的主要功能4.數據庫的建立和維護功能包括數據庫的初始數據的裝入，數據庫的轉儲、恢復、重組織，系統性能監視、分析等功能。5.數據通信接口DBMS提供與其他軟件系統進行通信的功能。實現用戶程序與DBMS之間的通信，通常與操作系統協調完成。DBMS的主要功能6.數據組織、存儲和管理

DBMS負責對數據庫中需要存放的各種數據如：數據字典、用戶數據、存取路徑等的組織、存儲和管理工作，確定以何種文件結構和存取方式物理地組織這些數據，以提高存儲空間利用率和對數據庫進行增、刪、查和該的效率等。DBMS的組成DBMS是許多程序所組成的一個大型軟件系統每個程序都有自己的功能共同完成DBMS的一件或幾件工作。DBMS的組成語言編譯處理程序系統運行控制程序系統建立、維護程序數據字典DBMS的數據存取的過程在數據庫系統中，DBMS與操作系統、應用程序、硬件等協同工作，共同完成數據各種存取操作，其中DBMS起著關鍵的作用。DBMS對數據的存取通常需要以下幾個步驟：用戶使用某種特定的數據操作語言向DBMS發出存取請求；DBMS的數據存取的過程DBMS接受請求并解釋轉換成機器代碼指令；DBMS依次檢查外模式、外模式/模式映象、模式、模式/內模式映象及存儲結構定義；DBMS對存儲數據庫執行必要的存取操作；從對數據庫的存取操作中接受結果DBMS的數據存取的過程對得到的結果進行必要的處理，如格式轉換等將處理的結果返回給用戶上述存取過程中還包括安全性控制、完整性控制，以確保數據的正確性、有效性和一致性。課堂提問1.1.71.91.12第一章數據庫系統概述1.1數據庫系統的產生、發展和當前流行的數據庫1.2數據庫數據庫系統的組成1.3數據庫系統的模式結構1.4數據庫管理系統1.5數據模式1.6四種數據模型1.5數據模式數據模型的概念三個世界的劃分及其有關概念數據模型的分類實體聯系模型及E-R圖數據模型的組成要素數據模型的概念數據模型是數據的框架，該框架描述了數據及其聯系的組織方式、表達方式和存取路徑，是數據庫系統的核心和基礎各種機器上實現的DBMS軟件都基于某種數據模型它的數據結構直接影響到數據庫系統的其他部分的性能，也是數據定義和數據操縱語言的基礎是設計數據庫的一項首要任務三個世界的劃分及其有關概念1、三個世界的劃分將現實世界的事物及聯系抽象成信息世界的信息模型，然后再抽象成計算機世界的數據模型信息模型不依賴于具體的計算機系統，是計算機內部數據的抽象表示，是概念模型概念模型經過抽象，轉換成計算機上某一DBMS支持的數據模型三個世界的劃分及其有關概念現實世界概念模型認識抽象DBMS支持的數據模型信息世界計算機世界現實世界三個世界的劃分及其有關概念2、現實世界是客觀存在的世界每個事物都有自己的特征或性質事務之間是有相互聯系的三個世界的劃分及其有關概念3、信息世界及其有關基本概念實體（Entity）:客觀存在并可以相互區別的事物 客觀存在并且可以相互區別的“事物”稱為實體。實體可以是可觸及的對象，如一個學生，一本書，一輛汽車；也可以是抽象的事件，如一堂課，一次比賽等。三個世界的劃分及其有關概念屬性(Attributes):實體的某一特性稱為屬性,一個實體可以有多個屬性。如學生實體有學號、姓名、年齡、性別、系等方面的屬性。屬性有"型"和“值”之分，"型"即為屬性名，如姓名、年齡、性別是屬性的型；“值”即為屬性的具體內容，如（990001,張立，20，男，計算機）這些屬性值的集合表示了一個學生實體。三個世界的劃分及其有關概念實體型（EntityType） 若干個屬性型組成的集合可以表示一個實體的類型，簡稱實體型。如學生（學號，姓名，年齡，性別，系）就是一個實體型。實體集(EntitySet)

同型實體的集合稱為實體集。如所有的學生、所有的課程等。三個世界的劃分及其有關概念鍵（Key） 能唯一標識一個實體的屬性或屬性集稱為實體的鍵。如學生的學號，學生的姓名可能有重名，不能作為學生實體的鍵。域（Domain） 屬性值的取值范圍稱為該屬性的域。如學號的域為6位整數，姓名的域為字符串集合，年齡的域為小于40的整數，性別的域為（男，女）。三個世界的劃分及其有關概念聯系（Relationship）在現實世界中，事物內部以及事物之間是有聯系的，這些聯系同樣也要抽象和反映到信息世界中來，在信息世界中將被抽象為實體型內部的聯系和實體型之間的聯系。三個世界的劃分及其有關概念聯系（Relationship）實體內部的聯系通常是指組成實體的各屬性之間的聯系；實體之間的聯系通常是指不同實體集之間的聯系。反映實體型及其聯系的結構形式稱為實體模型，也稱作信息模型，它是現實世界及其聯系的抽象表示。三個世界的劃分及其有關概念兩個實體型之間的聯系有如下三種類型：（1）一對一聯系（1:1） 實體集A中的一個實體至多與實體集B中的一個實體相對應，反之亦然，則稱實體集A與實體集B為一對一的聯系。記作1:1。如：班級與班長，觀眾與座位，病人與床位。三個世界的劃分及其有關概念兩個實體型之間的聯系有如下三種類型：（2）一對多聯系（1:n） 實體集A中的一個實體與實體集B中的多個實體相對應，反之，實體集B中的一個實體至多與實體集A中的一個實體相對應。記作1:n。如：班級與學生、公司與職員、省與市。三個世界的劃分及其有關概念兩個實體型之間的聯系有如下三種類型：（3）多對多（m:n） 實體集A中的一個實體與實體集B中的多個實體相對應，反之，實體集B中的一個實體與實體集A中的多個實體相對應。記作（m:n）。如：教師與學生,學生與課程，工廠與產品。三個世界的劃分及其有關概念實際上，一對一聯系是一對多聯系的特例，而一對多聯系又是多對多聯系的特例。可以用圖形來表示兩個實體型之間的這三類聯系

ABABAB(a)(b)(c)三個世界的劃分及其有關概念4計算機世界中的基本概念 信息世界中的實體抽象為計算機世界中的數據，存儲在計算機中。在計算機世界中，常用的主要概念如下：字段（Field） 對應于屬性的數據稱為字段，也稱為數據項。字段的命名往往和屬性名相同。 如學生有學號、姓名、年齡、性別、系等字段。三個世界的劃分及其有關概念4計算機世界中的基本概念記錄（Record） 對應于每個實體的數據稱為記錄。 如一個學生（990001，張立，20，男，計算機）為一個記錄。 文件（File） 對應于實體集的數據稱為文件。 如所有學生的記錄組成了一個學生文件。三個世界的劃分及其有關概念4計算機世界中的基本概念關鍵字（key） 能唯一標識文件中每個記錄的字段或字段集，稱為記錄的關鍵字。 如在學生文件中，學號可以唯一標識一個學生記錄，因此，學號可以作為學生記錄的關鍵字。三個世界的劃分及其有關概念在計算機世界中，信息模型被抽象為數據模型，實體型內部的聯系抽象為同一記錄內部各字段間的聯系，實體型之間的聯系抽象為記錄與記錄之間的聯系。現實世界是設計數據庫的出發點，也是使用數據庫的最終歸宿。實體模型和數據模型是現實世界事物及其聯系的兩級抽象。而數據模型是實現數據庫系統的根據。三個世界的劃分及其有關概念通過以上的介紹，我們可總結出三個世界中各術語的對應關系：

現實世界--信息世界--計算機世界 事物總體--

實體集--

文件 事物個體--

實體--

記錄 特征 --

屬性--

字段 事物間聯系--

實體模型--

數據模型數據模型的分類根據模型應用的不同目的，將模型劃分為兩類：概念模型邏輯模型和物理模型概念模型也成為信息模型是按用戶的觀點對數據和信息建模，不依賴與具體的計算機系統描述某個特定組織所關心的信息結構用于數據庫設計時用戶和數據庫設計人員之間交流的工具實體模型,簡稱E-R模型邏輯模型和物理模型邏輯模型是按計算機的觀點對數據建模，有嚴格的形式化定義邏輯模型主要用于DBMS的實現，即數據庫是按照DBMS規定的數據模型組織和建立起來的。物理模型是對數據最底層的抽象，描述數據在磁盤或磁帶上的存儲方式和存取方式，是面向計算機系統的。實體聯系模型及E-R圖廣泛應用于數據庫設計工作中的一種概念模型，利用E-R圖來表示實體及其之間的聯系E-R圖的基本成分包含實體型、屬性和聯系實體型：用矩形框表示，框內注明實體名稱屬性：用橢圓表示，框內標注屬性名稱，并用無向邊與有關實體相連聯系：聯系用菱形表示，框內標注聯系名稱，并用無向邊與有關實體相連，同時在無向邊旁標上聯系的類型實體聯系模型及E-R圖課程選修學號學號學號學號學號學號學號學號學號學生nm數據模型的組成要素由于數據模型是現實世界中的事物及其聯系的一種模擬和抽象表示，是一種形式化描述數據、數據間聯系以及有關語義約束規則的方法。數據結構：數據庫的組成對象以及對象間的聯系數據操作：數據庫中的各種數據允許執行的操作的集合數據的完整性約束：保證數據的正確、有效和相容課堂提問1.1.51.62.62.112.143.11第一章數據庫系統概述1.1數據庫系統的產生、發展和當前流行的數據庫1.2數據庫數據庫系統的組成1.3數據庫系統的模式結構1.4數據庫管理系統1.5數據模式1.6四種數據模型四種數據模型層次模型網狀模型關系模型面向對象模型關系模型關系模型是發展較晚的一種模型，1970年美國IBM公司的研究員E.F.Codd首次提出了數據庫系統的關系模型。他發表了題為“大型共享數據銀行數據的關系模型”（ARelationModelofDataforLargeSharedDataBanks）,在文中解釋了關系模型，定義了某些關系代數運算，研究了數據的函數相關性，定義了關系的第三范式，從而開創了數據庫的關系方法和數據規范化理論的研究關系模型他為此獲得了1981年的圖靈獎。此后許多人把研究方向轉到關系方法上，陸續出現了關系數據庫系統。1977年IBM公司研制的關系數據庫的代表SystemR開始運行，其后又進行了不斷的改進和擴充，出現了基于SystemR的數據庫系統SQL/DB。關系模型20世紀80年代以來，計算機廠商新推出的數據庫管理系統幾乎都支持關系模型，非關系系統的產品也都加上了關系接口。數據庫領域當前的研究工作也都是以關系方法為基礎。關系數據庫已成為目前應用最廣泛的數據庫系統，如現在廣泛使用的小型數據庫系統Foxpro、Acess，大型數據庫系統Oracle、Informix、Sybase、SQLServer等都是關系數據庫系統。關系模型1.關系模型的數據結構以及有關概念關系模型的數據結構是一個“二維表框架”組成的集合，每個二維表又可稱為關系，所以關系模型是“關系框架”的集合。關系模型與層次模型、網狀模型不同，它是建立在嚴格的數學概念之上的。關系模型1.關系模型的數據結構以及有關概念圖1.22給出了教學數據庫的關系模型及其實例，包含五個關系：教師關系T、學生關系S、課程關系C、選課關系SC和授課關系TC，分別對應五張表。下面以圖1.22為例，介紹關系模型中所涉及的一些基概念。T（教師關系）TNO教師號TN姓名SEX性別AGE年齡PROF職稱SAL工資COMM崗位津貼DEPT系別T1李力男47教授15003000計算機T2王平女28講師8001200信息T3劉偉男30講師9001200計算機T4張雪女51教授16003000自動化T5張蘭女39副教授13002000信息S（學生關系）SNO學號SN姓名SEX性別AGE年齡DEPT系別S1趙亦女17計算機S2錢爾男18信息S3孫珊女20信息S4李思男21自動化S5周武男19計算機S6吳麗女20自動化C（課程關系）CNO課程號CN課程名CT課時C1程序設計60C2微機原理80C3數字邏輯60C4數據結構80C5數據庫60C6編譯原理60C7操作系統60SC（選課關系）TC（授課關系）SNO學號CNO課程號SCORE成績

TNO教師號CNO課程號S1C190

T1C1S1C285

T1C4S2C557

T2C5S2C680

T3C1S2C7

T3C5S2C570

T4C2S3C10

T4C3S3C270

T5C5S3C485

T5C7S4C193

S4C285

S4C383

S5C289

關系模型（1）關系（Relation） 一個關系對應一張二維表（2）元組（Tuple） 表格中的一行，如S表中的一個學生記錄即為一個元組。關系模型（3）屬性（Attribute） 表格中的一列，相當于記錄中的一個字段，如S表中有五個屬性（學號，姓名，性別，年齡，系別）。（4）關鍵字（Key） 可唯一標識元組的屬性或屬性集，也稱為關系鍵或主碼，如S表中學號可以唯一確定一個學生，為學生關系的主碼。（5）域（Domain） 屬性的取值范圍，如年齡的域是（14~40）,性別的域是（男，女）。（6）分量 每一行對應的列的屬性值，即元組中的一個屬性值，如學號、姓名、年齡等均是一個分量。關系模型（7）關系模式對關系的描述，一般表示為：關系名（屬性1，屬性2，……屬性n），如：學生（學號，姓名，性別，年齡，系別）。在關系模型中，實體是用關系來表示的，如：學生（學號，姓名，性別，年齡，系別）課程（課程號，課程名，課時）實體間的關系也是用關系來表示的，如:學生和課程之間的關系選課關系（學號，課程號，成績）關系模型關系模型(8)關系實例：是關系模式的“值”，是關系的數據，相當于二維表中的數據關系模型2.關系模型的數據操縱與完整性約束數據操縱主要包括查詢、插入、刪除和修改數據，這些操作必須滿足關系的完整性約束條件，即實體完整性、參照完整性和用戶定義的完整性。關系模型3、關系模型的優缺點關系模型的優點主要有：（1）與非關系模型不同，它有較強的數學理論根據。（2）數據結構簡單、清晰，用戶易懂易用，不僅用關系描述實體，而且用關系描述實體間的聯系。（3）關系模型的存取路徑對用戶透明，從而具有更高的數據獨立性、更好的安全保密性，也簡化了程序員的工作和數據庫建立和開發的工作。關系模型3、關系模型的優缺點關系模型的缺點主要有：由于存取路徑對用戶透明，查詢效率往往不如非關系模型，因此，為了提高性能，必須對用戶的查詢表示進行優化，增加了開發數據庫管理系統的負擔。第二章關系數據庫關系數據庫是支持關系模型的數據庫系統。關系模型由關系數據結構、關系操作集合和關系完整性約束三部分組成。第二章關系數據庫2.1關系模型的數據結構及其形式化定義2.2關系的鍵與關系的完整性2.3關系代數2.4關系演算2.1關系模型的數據結構及其形式化定義關系模型的數據結構是關系。實體以及實體之間的聯系都由關系來表示。2.1關系模型的數據結構及其形式化定義2.1.1關系的形式化定義以及有關概念2.1.2關系的性質2.1.3關系模式2.1.4關系數據庫與關系數據庫模式2.1.1關系的形式化定義以及有關概念1、域（Domain）域是一組具有相同數據類型的值的集合，又稱為值域。（用D表示）域中所包含的值的個數稱為域的基數（用m表示）。關系中用域表示屬性的取值范圍。域名無排列次序。 例如：D1={李力，王平，劉偉} m1=3 D2={男，女} m2=2 D3={47,28,30} m3=3 2.1.1關系的形式化定義以及有關概念1、域（Domain）D1={李力，王平，劉偉} m1=3 D2={男，女} m2=2 D3={47,28,30} m3=3 2.1.1關系的形式化定義以及有關概念2、

笛卡爾積(CartesianProduct)

給定一組域D1，D2，…，Dn（它們可以包含相同的元素，即可以完全不同，也可以部分或全部相同）。D1，D2，…，Dn的笛卡爾積為D1×D2×……×Dn={（d1，d2，…，dn）|di∈Di，i=1，2，…，n}。2.1.1關系的形式化定義以及有關概念2、

笛卡爾積(CartesianProduct)

其中：1.元素中的每一個di叫做一個分量(Component)，來自相應的域（di∈Di）2.每一個元素（d1，d2，d3，…，dn）叫做一個n元組（n-tuple），簡稱元組（Tuple）。2.1.1關系的形式化定義以及有關概念2、

笛卡爾積(CartesianProduct) 3.若Di（i=1，2，……n）為有限集，Di中的集合元素個數稱為Di的基數，用mi（i=1，2，……n）表示，則笛卡爾積D1×D2×……×Dn的基數M（即元素（d1,d2,……dn）的個數）為所有域的基數的累乘之積，即

M=2.1.1關系的形式化定義以及有關概念2、

笛卡爾積(CartesianProduct)

例如：上述表示教師關系中姓名、性別兩個域的笛卡爾積為：D1×D2={（李力，男），（李力，女），（王平，男），（王平，女），（劉偉，男），（劉偉，女）}其中：李力、王平、劉偉、男、女都是分量（李力，男），（李力，女）等是元組其基數M=m1×m2=3*2=6元組的個數為62.1.1關系的形式化定義以及有關概念2、

笛卡爾積(CartesianProduct) 4.笛卡爾積可用二維表的形式表示表2.1D1和D2的笛卡爾積姓名性別李力男李力女王平男王平女劉偉男劉偉女2.1.1關系的形式化定義以及有關概念2、

笛卡爾積(CartesianProduct)

笛卡爾積實際是一個二維表，表的框架由域構成，表的任意一行就是一個元組，表中的每一列來自同一域，如第一個分量來自D1，第二個分量來自D2。2.1.1關系的形式化定義以及有關概念3、

關系（Relation）

笛卡爾積D1×D2×…×Dn的任一子集稱為定義在域D1，D2，…Dn上的n元關系（Relation），可用R（D1，D2……Dn）表示。

如上例D1×D2笛卡爾積的子集可以構成教師關系T1，如下表：2.1.1關系的形式化定義以及有關概念3、

關系（Relation）

姓名性別李力男王平女劉偉男姓名性別李力男李力女王平男王平女劉偉男劉偉女2.1.1關系的形式化定義以及有關概念3、

關系（Relation）

1)

R為關系名，n稱為關系的目或度（Degree）。當n=1時，稱為單元關系。當n=2時，稱為二元關系。…當n=n時，稱為n元關系。2.1.1關系的形式化定義以及有關概念3、

關系（Relation）

1)

R為關系名，n稱為關系的目或度（Degree）。當n=1時，稱為單元關系。當n=2時，稱為二元關系。…當n=n時，稱為n元關系。2.1.1關系的形式化定義以及有關概念3、

關系（Relation）

2)該子集中的元素是關系中的元組，用r表示，關系中元組個數是關系的基數。如（李力，男），（王平，女），（劉偉，男）為三個元組，關系Ｔ的基數為3。2.1.1關系的形式化定義以及有關概念3、

關系（Relation）

3)可以把關系看成一個二維表。其中，（1）表的框架由域Di（i=1，2，……n）構成；（2）表的任意一行對應一個元組；（3）表的每一列來自同一域；（4）域可以相同，為了加以區別，每列起一個名字，稱為屬性，n目關系有n個屬性，屬性的名字唯一，屬性的取值范圍Di（i=1，2，…，n）稱為值域；2.1.1關系的形式化定義以及有關概念3、

關系（Relation）

3)可以把關系看成一個二維表。其中，（5）具有相同關系框架的關系成為同類關系。姓名性別張雪女張蘭女姓名性別李力男王平女劉偉男2.1.1關系的形式化定義以及有關概念3、

關系（Relation）

4)數學上關系是笛卡爾積的任意子集，但在實際應用中關系是笛卡爾積中所取的有意義的子集。姓名性別李力男李力女姓名性別李力男李力女王平男王平女劉偉男劉偉女2.1.1關系的形式化定義以及有關概念3、

關系（Relation）

在關系模型中，關系可進一步定義為：定義在域D1，D2，……Dn（不要求完全相異）上的關系由關系頭（Heading）和關系體（Body）組成。關系頭：由屬性名A1，A2，…，An的集合組成，每個屬性Ai正好對應一個域Di（i=1，2，…，n），關系頭，也稱關系框架，相對固定，是關系的數據結構的描述。關系體：是指關系結構中的內容或者數據，并非固定不變，它隨元組的建立、刪除或修改而變化。2.1.1關系的形式化定義以及有關概念3、

關系（Relation）

姓名性別李力男王平女劉偉男2.1關系模型的數據結構及其形式化定義2.1.1關系的形式化定義以及有關概念2.1.2關系的性質2.1.3關系模式2.1.4關系數據庫與關系數據庫模式2.1.2關系的性質盡管關系與二維表格、傳統的數據文件是非常類似的，但它們之間又有重要的區別。

嚴格地說，關系是種規范化了的二維表中行的集合，為了使相應的數據操作簡化，在關系模型中，對關系作了種種限制，關系具有如下特性:2.1.2關系的性質關系中不允許出現相同的元組。 因為數學上集合中沒有相同的元素，而關系是元組的集合，所以作為集合元素的元組應該是唯一的。2.1.2關系的性質2.關系中元組的順序（即行序）是無關緊要的，在一個關系中可以任意交換兩行的次序。

因為集合中的元素是無序的，所以作為集合元素的元組也是無序的。根據關系的這個性質，可以改變元組的順序使其具有某種排序，然后按照順序查詢數據，可以提高查詢速度。2.1.2關系的性質3.關系中屬性的順序是無關緊要的，即列的順序可以任意交換。 交換時，應連同屬性名一起交換，否則將得到不同的關系。性別姓名男李力女王平男劉偉姓名性別李力男王平女劉偉男2.1.2關系的性質4.同一屬性名下的各個屬性值必須來自同一個域，是同一類型的數據。5.關系中各個屬性必須有不同的名字，不同的屬性可來自同一個域，即它們的分量可以取自同一個域。2.1.2關系的性質6.關系中每一分量必須是不可分的數據項。 或者說所有屬性值都是原子的，即是一個確定的值，而不是值的集合。屬性值可以為空值，表示“未知”或“不可使用”，即不可“表中有表”。滿足此條件的關系稱為規范化關系，否則稱為非規范化關系。

2.1.2關系的性質6.關系中每一分量必須是不可分的數據項。

姓名籍貫

姓名省市／縣省市／縣

張強吉林長春

張強吉林長春王麗山西大同

王麗山西大同第二章關系數據庫2.1關系模型的數據結構及其形式化定義2.2關系的鍵與關系的完整性2.3關系代數2.4關系演算2.2關系的鍵與關系的完整性2.2.1候選鍵與主關系鍵2.2.2外部關系鍵2.2.3關系的完整性2.2.1候選鍵與主關系鍵1.候選鍵(CandidateKey)

能唯一標識關系中元組的屬性或屬性集，則稱該屬性或屬性集為候選鍵(CandidateKey)，也稱候選關鍵字或候選碼。2.2.1候選鍵與主關系鍵1.候選鍵(CandidateKey)

設關系R有屬性A1，A2，……An，其屬性集K=（Ai，Aj，……Ak），當且僅當滿足下列條件時，K被稱為候選鍵：2.2.1候選鍵與主關系鍵1.候選鍵(CandidateKey)唯一性（Uniqueness）：關系R的任意兩個不同元組，其屬性集K的值是不同的。最小性（Minimally）：組成關系鍵的屬性集（Ai，Aj，……Ak）中，任一屬性都不能從屬性集K中刪掉，否則將破壞唯一性的性質。2.2.1候選鍵與主關系鍵2.主關系鍵(PrimaryKey)

如果一個關系中有多個候選鍵，可以從中選擇一個作為查詢、插入或刪除元組的操作變量，被選用的候選鍵稱為主關系鍵(PrimaryKey)，或簡稱為主鍵、主碼、關系鍵、關鍵字。2.2.1候選鍵與主關系鍵2.主關系鍵(PrimaryKey)

每個關系必需選擇一個主關系鍵，選定以后，不能隨意改變。每個關系必定有且僅有一個主關系鍵，因為關系的元組無重復，至少關系的所有屬性的組合可作為主關系鍵，通常用較小的屬性組合作為主關系鍵。2.2.1候選鍵與主關系鍵3.主屬性與非碼屬性主屬性（PrimeAttribute）：包含在主碼中的的各屬性稱為主屬性。非碼屬性（Non-PrimeAttribute）：不包含在任何候選碼中的屬性稱為非碼屬性。2.2.1候選鍵與主關系鍵3.主屬性與非碼屬性在最簡單的情況下，一個候選碼只包含一個屬性；在最極終端的情況下，所有屬性的組合是關系的候選碼，這時稱為全碼（all-key）。2.2關系的鍵與關系的完整性2.2.1候選鍵與主關系鍵2.2.2外部關系鍵2.2.3關系的完整性2.2.2外部關系鍵如果關系R2的一個或一組屬性X不是R2的主碼，而是另一關系R1的主碼，則該屬性或屬性組X稱為關系R2的外部關系鍵或外碼（Foreignkey）。關系R2為參照關系(referencingrelation)，關系R1為被參照關系(referencedrelation)。被參照關系的主碼和參照關系的外碼必須定義在同一個域上。2.2.2外部關系鍵TNO教師號CNO課程號T1C1T1C4T2C5T3C1T3C5T4C2T4C3T5C5T5C7TNTNOPROF李力T1教授王平T2講師劉偉T3講師張雪T4教授張蘭T5副教授2.2關系的鍵與關系的完整性2.2.1候選鍵與主關系鍵2.2.2外部關系鍵2.2.3關系的完整性2.2.3關系的完整性為了維護數據庫中數據與現實世界的一致性，對關系數據庫的插入、刪除和修改操作必須有一定的約束條件，這就是關系模型的三類完整性：實體完整性參照完整性用戶自定義的完整性實體完整性實體完整性是指主關系鍵的值不能為空或部分為空。關系模型中的一個元組對應一個實體，一個關系則對應一個實體集。現實世界中的實體是可區分的，即它們具有某種唯一性標識。與此相對應，關系模型中以主關系鍵來唯一標識元組。實體完整性如果主關系鍵中的值為空或部分為空，即主屬性為空，則不符合關系鍵的定義條件，不能唯一標識元組及與其相對應的實體。這就說明存在不可區分的實體，從而與現實世界中的實體是可以區分的事實相矛盾。因此主關系鍵的值不能為空或部分為空。參照完整性如果關系R2的外部關系鍵X與關系R1的主關系鍵相符,則X的每個值或者等于R1中主關系鍵的某一個值，或者取空值。2.2.2外部關系鍵TNO教師號CNO課程號T1C1T1C4T2C5T3C1T3C5T4C2T4C3T5C5T5C7TNTNOPROF李力T1教授王平T2講師劉偉T3講師張雪T4教授張蘭T5副教授參照完整性SNO學號SN姓名SEX性別AGE年齡DEPT所在系

DEPT所在系ADDR地址S1趙亦女17計算機

計算機1號樓S2錢爾男18信息

信息1號樓…

自動化2號樓S11王威男19

S（學生關系）D（系別關系）參照完整性實體完整性和參照完整性是關系模型必須滿足的完整性約束條件，被稱作關系的兩個不變性。任何關系數據庫系統都應該支持這兩類完整性。除此之外，不同的關系數據庫系統由于應用環境的不同，往往還需要一些特殊的約束條件，這就是用戶定義完整性。用戶自定義完整性用戶定義完整性是針對某一具體關系數據庫的約束條件。它反映某一具體應用所涉及的數據必須滿足的語義要求。第二章關系數據庫2.1關系模型的數據結構及其形式化定義2.2關系的鍵與關系的完整性2.3關系代數2.4關系演算2.3

關系代數關系模型由關系數據結構、關系操作和關系完整性約束三部分組成；關系操作包括查詢操作和更新操作；關系操作采用集合操作方式，操作的對象和結果都是集合，也稱為一次一集合。2.3

關系代數關系代數：用關系的運算來表達查詢要求；關系演算：用謂詞來表達查詢要求元組關系演算：謂詞變元的基本對象是元組變量域關系演算：謂詞變元的基本對象是元組變量2.3

關系代數關系代數：用關系的運算來表達查詢要求；關系演算：用謂詞來表達查詢要求元組關系演算：謂詞變元的基本對象是元組變量域關系演算：謂詞變元的基本對象是元組變量2.3

關系代數傳統的集合運算：將關系看作元組的集合；專門集合運算：涉及行運算和列運算傳統的集合運算傳統的集合運算：將關系看作元組的集合；專門集合運算：涉及行運算和列運算傳統的集合運算定義2.8設給定兩個關系R、S，若滿足：（１）

具有相同的度n;（２）

R中第i個屬性和S中第i個屬性必須來自同一個域。則說關系R、S是相容的。除笛卡爾積外，要求參加運算的關系必須滿足上述的相容性定義。傳統的集合運算ABCABCa1b1c1a1b1c1a1b1c2a2b2c1a2b2c1a2b3c2RS1.并（Union）關系R和關系S的并由屬于R或屬于S的元組組成，即R和S的所有元組合并，刪去重復元組，組成一個新關系，其結果仍為n目關系。記作：

R∪S={t|t∈R∨t∈S}對于關系數據庫，記錄的插入和添加可通過并運算實現。1.并（Union）ABCa1b1c1a1b1c2a2b2c1ABCa1b1c1a2b2c1a2b3c2RSABCa1b1c1a2b2c1a2b3c2a1b1c2R∪S2.差（Difference）關系R與關系S的差由屬于R而不屬于S的所有元組組成，即R中刪去與S中相同的元組，組成一個新關系，其結果仍為n目關系。記作：

R-S={t|t∈R∧┐t∈S}通過差運算，可實現關系數據庫記錄的刪除。2.差（Difference）ABCa1b1c1a1b1c2a2b2c1ABCa1b1c1a2b2c1a2b3c2RSABCa1b1c2R-S3.交（Intersection）關系R與關系S的交由既屬于R又屬于S的元組組成，即R與S中相同的元組，組成一個新關系，其結果仍為n目關系。記作：

R∩S={t|t∈Rt∈S}如果兩個關系沒有相同的元組，那么它們的交為空。3.交（Intersection）兩個關系的并和差運算為基本運算（即不能用其他運算表達的運算）而交運算為非基本運算，交運算可以用差運算來表示：

R∩S=R-(R-S)3.交（Intersection）ABCa1b1c1a1b1c2a2b2c1ABCa1b1c1a2b2c1a2b3c2RSABCa1b1c2R∩

Sa2b2c14.廣義笛卡爾積（ExtendedCartesianProduct）兩個分別為n目和m目關系R和S的廣義笛卡爾積是一個（n+m）列的元組的集合元組的前n列是關系R的一個元組，后m列是關系S的一個元組若R有k1個元組，S有k2個元組，則關系R和關系S的廣義笛卡爾積有k1*k2個元組，記作

R×S={tr⌒ts|tr∈R,∧ts∈S}4.廣義笛卡爾積（ExtendedCartesianProduct）ABCa1b1c1a1b1c2a2b2c1ABCa1b1c1a2b2c1a2b3c2RSR×

SABCABCa1b1c1a1b1c1a1b1c1a2b2c1a1b1c1a2b3c2a1b1c2a1b1c1a1b1c2a2b2c1a1b1c2a2b3c2a2b2c1a1b1c1a2b2c1a2b2c1a2b2c1a2b3c2專門集合運算由于傳統的集合運算，只是從行的角度進行，而要靈活地實現關系數據庫多樣的查詢操作，必須引入專門的關系運算。在講專門的關系運算之前，為敘述上的方便先引入幾個概念。專門集合運算設關系模式為R(A1,A2,……An)，它的一個關系為R，t∈R表示t是R的一個元組，t[Ai]則表示元組t中相應于屬性Ai的一個分量。專門集合運算若A={Ai1,Ai2,……，Aik}，其中Ai1,Ai2,……,Aik是A1,A2,……，An中的一部分，則A稱為屬性列或域列，?則表示{A1,A2,……，An}中去掉{Ai1,Ai2,……，Aik}后剩余的屬性組。t[A]={t[Ai1],t[Ai2],……,t[Aik]}表示元組t在屬性列A上諸分量的集合。專門集合運算R為n目關系，S為m目關系，tr∈R,ts∈S,trts稱為元組的連接(concatenation)，它是一個n+m列的元組，前n個分量為R的一個n元組，后m個分量為S中的一個m元組。專門集合運算給定一個關系R（X，Z），X和Z為屬性組，定義當t[X]=x時，x在R中的象集(imageset)，為Zx={t[Z]|t∈R,t[X]=x},它表示R中的屬性組X上值為x的諸元組在Z上分量的集合。1、選取（Selection）選取運算是單目運算，是根據一定的條件在給定的關系R中選取若干個元組，組成一個新關系，記作：σF(R)={t|t∈R∧F(t)為真}其中：1、選取（Selection）σ為選取運算符F為選取的條件，它由運算對象（屬性名、常數、簡單函數）、算術比較運算符（>，≥，<，≤，=，≠）和邏輯運算符（∨∧┐）連接起來的邏輯表達式，結果為邏輯值“真”或“假”。1、選取（Selection）選取運算實際上是從關系R中選取使邏輯表達式為真的元組，是從行的角度進行的運算。例1查詢計算機系的全體學生:σDEPT=’計算機’(S)或σ5=’計算機’(S)（其中5為DEPT的屬性序號）S（學生關系）SNO學號SN姓名SEX性別AGE年齡DEPT系別S1趙亦女17計算機S2錢爾男18信息S3孫珊女20信息S4李思男21自動化S5周武男19計算機S6吳麗女20自動化1、選取（Selection）SNOSNSEXAGEDEPTS1趙亦女17計算機S5周武男19計算機σDEPT=’計算機’(S)例2查詢工資高于1000元的男教師。σ(SAL>1000)∧(SEX=’男’)(T)T（教師關系）TNO教師號TN姓名SEX性別AGE年齡PROF職稱SAL工資COMM崗位津貼DEPT系別T1李力男47教授15003000計算機T2王平女28講師8001200信息T3劉偉男30講師9001200計算機T4張雪女51教授16003000自動化T5張蘭女39副教授13002000信息1、選取（Selection）TNOTNSEXAGEPROFSALCOMMDEPTT1李力男47教授15003000計算機2.投影（Projection）投影運算也是單目運算，關系R上的投影是從R中選擇出若干屬性列，組成新的關系，即對關系在垂直方向進行的運算，從左到右按照指定的若干屬性及順序取出相應列，刪去重復元組。記作：ΠA(R)={t[A]|t∈R}2.投影（Projection）其中：A為R中的屬性列Π為投影運算符。2.投影（Projection）從其定義可看出，投影運算是從列的角度進行的運算，這正是選取運算和投影運算的區別所在。選取運算是從關系的水平方向上進行運算的，而投影運算則是從關系的垂直方向上進行的。2.投影（Projection）例查詢教師的姓名及其職稱。ΠTN,TNO,PROF(T)或Π2,1,5(T)（其中2,1,5分別為TN、TNO和PROF的屬性序號）T（教師關系）TNO教師號TN姓名SEX性別AGE年齡PROF職稱SAL工資COMM崗位津貼DEPT系別T1李力男47教授15003000計算機T2王平女28講師8001200信息T3劉偉男30講師9001200計算機T4張雪女51教授16003000自動化T5張蘭女39副教授13002000信息2.投影（Projection）TNTNOPROF李力T1教授王平T2講師劉偉T3講師張雪T4教授張蘭T5副教授投影運算可以改變關系的屬性次序2.投影（Projection）例2.7查詢教師關系中有哪些系。ΠDEPT(T)T（教師關系）TNO教師號TN姓名SEX性別AGE年齡PROF職稱SAL工資COMM崗位津貼DEPT系別T1李力男47教授15003000計算機T2王平女28講師8001200信息T3劉偉男30講師9001200計算機T4張雪女51教授16003000自動化T5張蘭女39副教授13002000信息2.投影（Projection）投影后取消了某些屬性列后，就可能出現重復行，應該取消這些完全相同的行。投影之后，不但減少了屬性，元組也可能減少，新關系與原關系不相容。DEPT計算機信息自動化2.投影（Projection）例查詢講授C5課程的教師號ΠTNO(σCNO=’C5’(TC))TC（授課關系）TNO教師號CNO課程號T1C1T1C4T2C5T3C1T3C5T4C2T4C3T5C5T5C72.投影（Projection）結果為：選取運算和投影運算相結合，先在授課表中選取滿足條件的元組，再于TNO屬性上進行投影。TNOT2T3T5TNOCNOT2C5T3C5T5C53.連接（Join）連接運算是二目運算，是從兩個關系的笛卡爾積中選取滿足連接條件的元組，組成新的關系。設關系R（A1,A2,……An）及S（B1,B2,……Bm）,連接屬性集X包含于{A1,A2,……An},及Y包含于{B1,B2,……Bm}3.連接（Join）X與Y中屬性列數目相等，且相對應屬性有共同的域。若Z={A1,A2……An}/X(/X:去掉X之外的屬性)及W={B1,B2……Bm}/Y,則R及S可表示為R(Z,X)，S(W，Y)；3.連接（Join）關系R和S在連接屬性X和Y上的連接，就是以R×S笛卡爾積中，選取X屬性列上的分量與Y屬性列上的分量滿足給定θ比較條件的那些元組在R×S上選取在連接屬性X,Y上滿足θ條件的子集，組成新的關系新關系的度為n+m。3.連接（Join）記作：R∞S={tr⌒ts

|tr∈R∧ts∈S∧

tr[X]θts[Y]為真}其中，∞是連接運算符，θ為算術比較運算符，也稱θ連接；XθY3.連接（Join）XθY為連接條件；θ為“=”時，稱為等值連接；θ為“<”時，稱為小于連接；θ為“>”時，稱為大于連接。連接運算為非基本運算，可以用選取運算和廣義笛卡爾積運算來表示：R∞S=σxθy(R×S)3.連接（Join）ABCa1b12a1b24a2b36a2b48BDb15b26b37b38

RS大于連接（C>D）AR.BCS.BDa2b36b15a2b48b15a2b48b26a2b48b37等值連接（C=D）BDb15b26b37b38ABCa1b12a1b24a2b36a2b48

RSAR.BCS.BDa2b36b26a2b48b383.