第06章数据库理论基础教学课件

人工管理阶段人工管理阶段文件管理阶段文件管理阶段数据库系统管理阶段数据库系统管理阶段应用目的应用目的科学计算科学计算科学计算和数据管理科学计算和数据管理大规模数据管理大规模数据管理计算机硬件条计算机硬件条件件纸带、磁带和卡片纸带、磁带和卡片磁盘和磁鼓磁盘和磁鼓大容量磁盘大容量磁盘计算机软件条计算机软件条件件无操作系统无操作系统具有文件系统和操作系具有文件系统和操作系统统具有操作系统和数据库管理系具有操作系统和数据库管理系统统处理方式处理方式批处理批处理联机实时处理和批处理联机实时处理和批处理分布处理、联机实时处理和批分布处理、联机实时处理和批处理处理数据管理者数据管理者用户（程序员）用户（程序员）文件系统文件系统数据库管理系统数据库管理系统数据面向的对数据面向的对象象某一应用程序某一应用程序某一应用某一应用现实世界现实世界数据共享程度数据共享程度无共享，冗余度大无共享，冗余度大共享性差，冗余度大共享性差，冗余度大共享性好，冗余度小共享性好，冗余度小数据的独立性数据的独立性不独立，完全依赖于不独立，完全依赖于程序程序独立性差独立性差独立性好独立性好数据的结构化数据的结构化无结构无结构记录内有结构，整体无记录内有结构，整体无结构结构整体结构化整体结构化数据控制能力数据控制能力由应用程序控制由应用程序控制主要由应用程序控制主要由应用程序控制由数据库管理系统控制由数据库管理系统控制人工管理、文件管理、数据库系统、分布式数据库、面向对象数据库人工管理、文件管理、数据库系统、分布式数据库、面向对象数据库7/12/20247/12/20241 1n产生的时期n4040年代中年代中-50-50年代中年代中n产生的背景n应用需求应用需求 科学计算科学计算n硬件水平硬件水平 无直接存取存储设备无直接存取存储设备n软件水平软件水平 没有操作系统没有操作系统n处理方式处理方式 批处理批处理n特点n数据不保存数据不保存n数据由应用程序管理数据由应用程序管理n数据不具备独立性和共享性数据不具备独立性和共享性应用程序应用程序数据集数据集应用程序应用程序数据集数据集应用程序应用程序数据集数据集n n.7/12/20247/12/20242 2n产生的时期n5050年代末年代末-60-60年代中年代中n产生的背景n应用需求应用需求 科学计算、信息管理科学计算、信息管理n硬件水平硬件水平 磁盘、磁鼓磁盘、磁鼓n软件水平软件水平 高级语言和操作系统（有文件系统）高级语言和操作系统（有文件系统）n处理方式处理方式 联机实时处理、批处理联机实时处理、批处理n特点n数据可以长期保存数据可以长期保存n数据由文件系统管理数据由文件系统管理n数据独立性共享性差冗余度大容易产生数据不一致数据独立性共享性差冗余度大容易产生数据不一致应用程序应用程序文件文件应用程序应用程序文件文件2应用程序应用程序文件文件n存取方存取方法法.7/12/20247/12/20243 3 对所有数据实行统一的、集中地、独立的管理，使数据存储独立于使用数据的程序，实现数据共享n产生的时期n2020世纪世纪6060年代后期开始年代后期开始n产生的背景n应用背景应用背景 大规模管理大规模管理n硬件背景硬件背景 大容量磁盘大容量磁盘n软件背景软件背景 有数据库管理系统有数据库管理系统n处理方式处理方式 联机实时处理联机实时处理,分布处理分布处理,批处理批处理n特点n数据结构化数据结构化n数据由数据由DBMSDBMS管理和控制管理和控制n数据共享性和独立性高数据共享性和独立性高应用程序应用程序1 1应用程序应用程序2 2.应用程序应用程序n nDBMSDBMS数据库数据库Database Database Management SystemManagement System数据库管理系统数据库管理系统7/12/20247/12/20244 4数据库数据库应用的一般结构7/12/20247/12/20245 5现实世界现实世界信息世界信息世界数据世界数据世界抽象化抽象化数据化数据化（概念模型）（概念模型）（数据模型）（数据模型）（事物）（事物）数据库不仅要反映数据本身的内容，而且要反映数据之间的联数据库不仅要反映数据本身的内容，而且要反映数据之间的联系。因此必须把具体事物转换为计算机能处理的数据形式，这个转系。因此必须把具体事物转换为计算机能处理的数据形式，这个转换过程就是建立模型的过程。数据库系统使用这些数据模型定义、换过程就是建立模型的过程。数据库系统使用这些数据模型定义、组织和操纵数据库中的数据。组织和操纵数据库中的数据。7/12/20247/12/20246 6根据应用目的，模型分为两个层次根据应用目的，模型分为两个层次：n概念模型概念模型(信息模型信息模型)n独立于计算机实现的，只用来描述和组织所关心的信息结构的概念数据模型n对应于信息世界n数据模型（结构数据模型）数据模型（结构数据模型）n直接面向计算机系统的，描述数据库中数据的逻辑结构的基本数据模型n对应于数据世界7/12/20247/12/20247 7n信息世界中的基本概念（1 1）实体（实体（EntityEntity）：客观存在且相互区别的事物）：客观存在且相互区别的事物 （2 2）实体集（实体集（Entity SetEntity Set）：具有相同特征的实体的集合）：具有相同特征的实体的集合 （3 3）属性（属性（AttributeAttribute）：实体所具有的特征（等同于字段）：实体所具有的特征（等同于字段）（4 4）关键字（关键字（KeyKey）：唯一能标识实体的属性）：唯一能标识实体的属性 （5 5）域（域（DomainDomain）：属性的取值范围）：属性的取值范围 （6 6）实体型（实体型（Entity TypeEntity Type）：用实体名及其属性名描述同一类实体）：用实体名及其属性名描述同一类实体概念模型概念模型7/12/20247/12/20248 8n概念模型反映实体型及其联系的结构形式n联系(Relationship)：两类n实体内部的联系：各属性之间的联系n实体之间的联系：不同实体集之间的联系 建立概念模型的关键是分析实体间的相互联系n两个实体型之间的联系可分为三类：n1对1联系(1:1)n1对多联系(1:n)n多对多联系(m:n)概念模型概念模型7/12/20247/12/20249 9定义：若对于实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个实体与之联系，反之亦然，则称实体集A与实体集B具有一对一联系，记为1:1。实体型实体型A联系名联系名实体型实体型B11领导领导系主任系主任系系111对1联系7/12/20247/12/20241010定义：若对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体(n0)与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体集B具有一对多联系，记为1:n。实体型实体型A联系名联系名实体型实体型B1n包括包括班级班级学生学生1N1对多联系7/12/20247/12/20241111定义：若对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体(n0)与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体(m0)与之联系，则称实体集A与实体集B具有多对多联系，记为m:n。实体型实体型B实体型实体型A联系名联系名mn课程号课程号选课选课学生学生课程课程MN学号学号姓名姓名性别性别学分学分课程名课程名成绩成绩多对多联系7/12/20247/12/20241212n数据模型的三要素n数据结构(最重要最重要)n数据操作n检索n更新(删除、插入、更改)n数据的完整性约束数据模型数据模型7/12/20247/12/20241313n当前流行的基本数据模型有4类：n层次模型(树)n网状模型(图)n关系模型(Relational Model)(表)n面向对象模型（对象、类、封装、继承）数据模型的分类数据模型数据模型7/12/20247/12/20241414 最早使用的一种模型；数据结构是一棵有向树ABA_CC层次模型系号 系名 负责人专业代号专业名教师编号姓名职务学号 姓名 性别课号 课程名学时7/12/20247/12/20241515 数据结构是一个有向图；能表示实体之间的多种复杂联系。缺点:编写应用程序比较复杂,需熟悉数据库的逻辑结构AA_BB_CBC网状模型7/12/20247/12/20241616n数据的逻辑结构是二维表二维表n1970年IBM首次提出，80年代以来推出的数据库管理系统几乎都支持关系模型，是最广泛的一种数据模型。n市场上典型的关系DBMS产品:DB2,ORACLE,SYBASE,SQL Server,Informix等微机型产品:Foxpro,Access等关系模型7/12/20247/12/20241717n(1)字段（字段（fieldfield）标记实体属性的命名单位称为字段，或数据项。n(2)记录（记录（recordrecord）字段的有序集合称为记录n(3)文件（文件（filefile）同一类记录的集合称为文件n(4)关键码（关键码（keykey）能惟一标识文件中每个记录的字段或字段集，称为记录的关键码（简称为键）数据模型中基本术语7/12/20247/12/20241818u关系的定义u关系模型的常用术语u关系代数u关系的完整性7/12/202419n1域（Domain）n2笛卡尔积（Cartesian Product）n3关系 （Relation）关系模型是由关系模型是由关系数据结构关系数据结构、关系操作关系操作与关系完整性关系完整性组成。基本概念：基本概念：7/12/20247/12/20242020n域是一组具有相同数据类型的值的集合。例如：n整数、实数、字符串、大于0且小于500的整数n“男”，“女”域（Domain）7/12/20247/12/20242121n给定一组域D1，D2，Dn，则D1，D2，Dn的笛卡尔积表示为：D D1 1DD2 2DDn n=(d=(d1 1,d,d2 2,d,dn n)|d)|di iDDi i,i=1,2,n,i=1,2,n 其中每一个(d1,d2,dn)叫作一个n元组或简称元组，元组中的每一个值di叫作一个分量n笛卡尔积可以表示为一张二维表二维表n表中每一行即对应一个元组元组n表中的每一列对应一个域域笛卡尔积（Cartesian Product）7/12/20247/12/20242222D1=男人集合Man=王兵，李军，张伟D2=女人集合Woman=丁梅，吴芳D3=孩子集合Children=王一，李一，李二D1D2D3=（王兵，丁梅，王一），（王兵，丁梅，李一），（王兵，丁梅，李二），（王兵，吴芳，王一），（王兵，吴芳，李一），（王兵，吴芳，李二），（李军，丁梅，王一），（李军，丁梅，李一），（李军，丁梅，李二），（李军，吴芳，王一），（李军，吴芳，李一），（李军，吴芳，李二），（张伟，丁梅，王一），（张伟，丁梅，李一），（张伟，丁梅，李二），（张伟，吴芳，王一），（张伟，吴芳，李一），（张伟，吴芳，李二）3X2X3 =183X2X3 =18个元组个元组 就是一张二就是一张二维表维表例如：给出三个域：7/12/20247/12/20242323该D1，D2，D3的笛卡尔积的基数=323=18，即有18个元组，这18个元组可以组成一张二维表。ManWomanChildren王兵王兵丁梅丁梅王一王一王兵王兵丁梅丁梅李一李一王兵王兵丁梅丁梅李二李二王兵王兵吴芳吴芳王一王一王兵王兵吴芳吴芳李一李一王兵王兵吴芳吴芳李二李二李军李军丁梅丁梅王一王一李军李军丁梅丁梅李一李一李军李军丁梅丁梅李二李二李军李军吴芳吴芳王一王一李军李军吴芳吴芳李一李一李军李军吴芳吴芳李二李二张伟张伟丁梅丁梅王一王一张伟张伟丁梅丁梅李一李一张伟张伟丁梅丁梅李二李二张伟张伟吴芳吴芳王一王一张伟张伟吴芳吴芳李一李一张伟张伟吴芳吴芳李二李二7/12/20247/12/20242424nD1D2Dn的子集叫作在域D1，D2，Dn上的关关系系，表示为：R R（D D1 1，D D2 2，D Dn n）。其中R R表示关系名关系名，n n是关系的度度。n关系是笛卡尔积的有限子集，所以关系也是一张二维表。表表中中的的每每列列对对应应一一个个域域，表表中中的的每每行行对对应应一一个个元元组组。由于域可以相同，为了加以区分，必须给每列起一个名字，称为属性属性。关系 Relation7/12/20247/12/20242525n例如针对Man、Woman、Children集合，存在这样事实：王兵与丁梅是一对夫妻，拥有子女王一；李军和吴芳是一对夫妻，拥有李一和李二两个子女，则从原笛卡尔积中可以得到一个子集R：nR=（王兵，丁梅，王一），（李军，吴芳，李一），（李军，吴芳，李二）nR即称为一个关系，若将该关系命名为Family，可得到二维表6-3。子集R的例子：7/12/20247/12/20242626ManWomanChildren王兵丁梅王一李军吴芳李一李军吴芳李二 关系Family7/12/20247/12/20242727（1）关系中每一列的值都是同一类型的数据，来自同一个域。（2）关系中不同的列可以对应同一个域，但必须给予不同的属性名。（3）关系中任意两个元组不能完全相同。（4）关系中元组的次序可以随意交换。（5）关系中列的次序可以任意交换。（6）关系中每一个分量必须是不可分的数据项。关系具有以下性质7/12/20247/12/20242828高雪部门编号部门编号部门部门系主任系主任0101基础部庞新0202自动化系胡敏0301计算机系0302信息工程系韩克0303管理系任强高雪高雪7/12/20247/12/20242929 关系：即二维表格。元组：表中的一行。属性：表中的一列，通常每列有一个列名，即属性名，例如三个属性：部门编号、部门和系主任。主键：表中可以惟一确定一个元组的属性组，如表中部门编号，只要给定一个确定的部门编号，就可以确定该部门的部门名称及电话等其它属性值。注注意意：主主键键可可以以是是一一个个属属性性，也可能由几个属性构成。也可能由几个属性构成。域：属性的取值范围。例如：属性“性别”的域是“男”、“女”关系模式：对关系的描述，其表示形式为：关系名（属性1，属性2，属性n）例如表的关系可描述为：系部一览（部门编号、部门、系主任）关系模式是型；关系模式是型；而关系是值而关系是值7/12/20247/12/20243030n 关系代数是由一组以关系作为运算对象的特定运算组成关系代数是由一组以关系作为运算对象的特定运算组成的。是关系数据操纵语言的一种传统表达方式，关系代数的的。是关系数据操纵语言的一种传统表达方式，关系代数的运算对象是关系，运算结果也为关系。运算对象是关系，运算结果也为关系。（1）传统的集合运算已知集合R、Sn并（R S）：同属于同属于R R、S S的元组的集合的元组的集合n差（R-S）：属于属于R R 而不属于而不属于S S 的所有元组组成的集合的所有元组组成的集合n交（R S）：同时属于同时属于R R、S S 的元组组成的集合的元组组成的集合n笛卡尔积（R S）：关系中的元组为每一个关系中的元组为每一个R R中的元组与所有的中的元组与所有的S S 中的元组的组合中的元组的组合关系的操作常用：代数方式或逻辑方式关系的操作常用：代数方式或逻辑方式 （关系代数）（关系代数）（关系演算）（关系演算）7/12/20247/12/20243131例：已知关系R、S和T如表6-7、6-8及6-9所示，求出RS、RS、R-S和RT。表6-7 关系RABCDA1B1C1D1A1B2C2D2A2B2C1D3表表6-7 关系关系R 表6-9 关系TBEB1E1B2E2ABCDA1B2C2D1A1B3C2D2A2B2C1D3表6-8 关系S7/12/20247/12/20243232ABCDA1B1C1D1A1B2C2D2A2B2C1D3表表6-7 6-7 关系关系R R ABCDA1B2C2D1A1B3C2D2A2B2C1D3表表6-8 6-8 关系关系S SABCDA1B1C1D1A1B2C2D2A2B2C1D3A1B2C2D1A1B3C2D2并（并（R R S S）例：已知关系R、S和T如表6-7、6-8及6-9所示，求出RS、RS、R-S和RT。7/12/20247/12/20243333ABCDA1B1C1D1A1B2C2D2A2B2C1D3关系关系R R ABCDA1B2C2D1A1B3C2D2A2B2C1D3关系关系S SABCDA2B2C1D3交（R S）例：已知关系R、S和T如表6-7、6-8及6-9所示，求出RS、RS、R-S和RT。7/12/20247/12/20243434ABCDA1B1C1D1A1B2C2D2差（差（R R-S S）ABCDA1B1C1D1A1B2C2D2A2B2C1D3关系关系R R ABCDA1B2C2D1A1B3C2D2A2B2C1D3关系关系S S例：已知关系R、S和T如表6-7、6-8及6-9所示，求出RS、RS、R-S和RT。7/12/20247/12/20243535ABCDA1B1C1D1A1B2C2D2A2B2C1D3关系关系R R R.AR.BR.CR.DT.BT.EA1B1C1D1B1E1A1B1C1D1B2E2A1B2C2D2B1E1A1B2C2D2B2E2A2B2C1D3B1E1A2B2C1D3B2E2笛卡尔积（R S）12x4=9X4=36关系关系T TBEB1E1B2E2例：已知关系R、S和T如表6-7、6-8及6-9所示，求出RS、RS、R-S和RT。7/12/20247/12/20243636（2）专门的关系运算（4种）n投影投影 ：投影可看作是对一个表的垂直分割，提供了交换列的次序和构造新的关系的方法。n选择选择：从关系R中选取使逻辑表达式F为真的元组，它是对关系的水平分割。n连接连接 ：连接是从两个笛卡尔积中选取属性间满足一定条件的元组。（等值连接、自然连接）n除运算：除运算：由属于R但不属于S的所有属性组成，且P的任意元组与关系S组合后成为R中原有的一个元组。7/12/20247/12/20243737 关系R上的投影是从R中选择若干属性列组成新的关系，记作：A（R）=tA|tR 其中A为R中的属性列 投影可看作是对一个表的垂直分割投影7/12/20247/12/20243838表6-8 关系SABCDA1B2C2D1A1B3C2D2A2B2C1D3ACA1C2A2C1表表6-14 6-14 关系关系A A，c c（S S）例：已知关系S如表6-8所示，计算出A，C（S）。注意：关系中任意两个元组注意：关系中任意两个元组不能完全不能完全相同，因此进行投相同，因此进行投影运算后得到的关系应消去影运算后得到的关系应消去重复元组。重复元组。7/12/20247/12/20243939选择是在关系选择是在关系R R中选择满足给定条件的元组，记作：中选择满足给定条件的元组，记作：F F（R R）=t|t=t|t R F R F（t t）=真真 其中F表示选择条件，它是一个逻辑表达式，取逻辑值“真”或“假”。F是由比较运算符或逻辑运算符连接组成的表达式，运算对象可以是常量、变量（属性名）或简单函数，属性名也可以用其序号来代替。选择运算实际上就是从关系R中选取使逻辑表达式F为真的元组，它是对关系的水平分割。选择7/12/20247/12/20244040表表6-15 6-15 关系关系A=A1A=A1（S S）ABCDA1B2C2D1A1B3C2D2表表6-8 6-8 关系关系S SABCDA1B2C2D1A1B3C2D2A2B2C1D3例：已知关系S如表6-8所示，计算出A=A1（S）。7/12/20247/12/20244141 连接是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，记作：其中A和B分别是R和S上的属性组，在A和B中包含的属性数相同且可比。为比较运算符。等值连接时，等值连接时，为为“=”“=”。自自然然连连接接是是一一种种特特殊殊的的等等值值连连接接，要要求求两两个个关关系系中中进进行行等等值值比比较较的的分分量量必必须须是是相相同同的的属属性性组组，并并且且在在结结果果中中去掉重复的属性列。去掉重复的属性列。连接等值连接、自然连接7/12/20247/12/20244242表6-16 关系RABC123456789CD326385表6-17 关系SABCD12324563表表6-18 6-18 关系关系R RS S例：已知关系R 关系S如表6-16和表6-17所示，计算出RS。7/12/20247/12/20244343n设关系R（X，Y）和S（Y，Z），其中X，Y，Z为属性组。R中的Y与S中的Y为对应的属性，可以有不同的属性名，但必须出自相同的域集。则R与S的除运算得到一个新的关系P（X），记作：RS的属性由属于R但不属于S的所有属性组成，且RS的任一元组与关系S组合后都成为R中原有的一个元组。除7/12/20247/12/20244444ABCa1Aa2Ba3Cb2Cb3Ac1Cd3Be2B表表6-19 6-19 关系关系R RB3表表6-20 6-20 关系关系S1S1ACaC b AdB表表6-22 6-22 关系关系R R S1S1例：已知关系R、S1和S2如表6-19、表6-20和表6-21所示，计算出RS1及R S2。7/12/20247/12/20244545表表6-23 6-23 关系关系R R S2 S2Aae表表6-21 6-21 关系关系S2S2BC2BABCa1Aa2Ba3Cb2Cb3Ac1Cd3Be2B表表6-19 6-19 关系关系R R例：已知关系R、S1和S2如表6-19、表6-20和表6-21所示，计算出RS1及R S2。7/12/20247/12/20244646n实体完整性 主键的属性的值不能为空值n参照完整性 是多个关系间属性引用的一种限制。保证了两个关系间的正确联系。n用户自定义完整性 根据数据库系统应用环境需要而形成的一些特殊约束条件。如预订同一班航班人数不得超过飞机定员数。7/12/20247/12/20244747参照完整性例子7/12/20247/12/20244848n数据库系统的三级模式（数据抽象的三个级别）n外模式（用户模式）数据库使用者能看见和使用的数据的局部逻辑结构和特性的描述n模式（逻辑模式）（概念模式）数据库中全体数据的全局逻辑结构和特性的描述n内模式（存储模式）数据在数据库系统中的内部表示，即数据的物理结构和存储方式的描述n数据库系统的两级映像n外模式/模式映像n模式/内模式映像7/12/20247/12/20244949数据库系统的三级模式结构DBMS内模式模 式外模式3外模式2外模式1应用A应用E应用B应用C应用D外模式/模式映象模式/内模式映象数据库7/12/20247/12/20245050本章习题本章习题1、数据库管理系统是一种。A）采用了数据库技术的计算机系统B）包括数据库管理人员、计算机软硬件以及数据库系统 C）位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件D）包括操作系统在内的数据管理软件系统2、数据库是相关数据的集合，它不仅包括数据本身，而且包括 A）数据之间的联系 B）数据安全 C）数据控制 D）数据操纵3、数据模型是对实际事物的数据特征进行抽象来描述事物及事物之间的关系的。数据模型主要有关系模型、层次模型和。A）网状模型 B）E_R模型 C）树状结构 D）实体模型4、在一个结构化的数据集合中，有且仅有一个结点无父结点，其他结点有且仅有一个父结点，该数据集合的数据模型是 A)面向对象模型 B)关系模型 C)层次模型 D)网状模型一、单项选择题一、单项选择题CAAC7/12/20247/12/20245151本章习题本章习题5、一个关系相当于一张二维表，二维表中的表头相当于该关系的 A）数据项 B）元组 C）型 D）属性6、在关系理论中，如果一个关系中的一个属性或属性组能够唯一地标识一个元组，那么可称该属性或属性组为 A）索引码 B）关键字 C）域 D）关系名7、设“职工档案”数据表中有职工编号、姓名、年龄、职务、籍贯等字段，其中可作为关键字的字段是。A）职工编号 B）姓名 C）年龄 D）职务型8、在已知教学环境中，一名学生可以选择多门课程，一门课程可以被多名学生选择，这说明学生数据与课程数据之间存在 的联系 A)一对一 B)一对多 C)多对多 D)未知CBAC7/12/20247/12/20245252本章习题本章习题1、现实世界中客观存在并且可以 的事物被称为实体，同类实体的集合被称为 。2、在关系中，一个属性的取值范围叫做3、当前数据库系统的主流是 型数据库系统。4、数据模型通常由 、和 三部分组成。5、数据库管理技术经历了人工管理阶段、和 三个发展阶段。二、填空题二、填空题相互区别相互区别域域关系关系实体集实体集数据结构数据结构 数据完整性约束数据完整性约束数据操作数据操作 文件管理文件管理数据库数据库7/12/20247/12/20245353谢谢