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第5章数据库技术 5 1数据库基本概念5 2关系代数5 3数据库设计 5 1数据库基本概念 5 1 1数据库技术与数据库系统5 1 2数据描述5 1 3数据模型 5 1 1数据库技术与数据库系统1 数据库管理技术 1 人工管理 2 文件管理 1 数据的冗余度比较大 2 由于数据是面向应用的 使程序与数据还是互相依赖 3 文件系统对数据的控制没有统一的方法 而是完全靠应用程序自己对文件中的数据进行控制 因此 使应用程序的编制很麻烦 而且缺乏对数据的正确性 安全性 保密性等有效且统一的控制手段 3 数据库管理1 数据是结构化的 是面向系统的 数据的冗余度小 2 数据具有独立性 3 保证了数据的完整性 安全性和并发性 2 数据库管理系统数据库管理系统功能 1 定义数据库 2 管理数据库 3 建立和维护数据库 4 数据通信 1 语言处理部分分为以下四部分 数据描述语言DDL DataDescriptionLanguage 解释程序 模式DDL是数据库管理员用来定义数据库总体逻辑数据结构的 子模式DDL是用户用来定义其所用的局部逻辑数据结构的 物理DDL又称为设备介质语言 主要用来定义数据的物理存储方式 数据操纵语言DML处理程序 终端询问解释程序 数据库控制命令解释程序 2 系统运行控制程序分为以下几个模块 系统总控程序 访问控制程序 并发控制程序 保密控制程序 数据完整性控制程序 数据访问程序 通信控制程序 3 系统建立与维护程序分为以下几个模块 数据装入程序 工作日志程序 性能监督程序 系统恢复程序 重新组织程序 3 数据库系统的构成 1 用户在应用程序中向DBMS发出读取记录的请求 同时给出记录名和要读取记录的关键字值 2 DBMS接到请求后 利用应用程序A所用的子模式来分析这一请求 3 DBMS调用模式 进一步分析请求 根据子模式与模式之间变换的定义 决定应读入哪些模式记录 4 DBMS通过物理模式将数据的逻辑记录转换为实际的物理记录 5 DBMS向操作系统发出读取所需物理记录的请求 6 操作系统对实际的物理存储设备启动读操作 7 读出的记录从保存数据的物理设备送到系统缓冲区 8 DBMS根据模式和子模式的规定 将记录转换为应用程序所需要的形式 9 DBMS将数据从系统缓冲区传送到应用程序A的工作区 10 DBMS向用户程序A发出本次请求执行情况的信息 5 1 2数据描述1 信息的存在形态 1 现实世界 2 观念世界 属性 实体 实体型 实体集 3 数据世界 数据项 字段 field 记录 record 记录型 recordtype 文件 fild 关键字 key 教师 记录型 教师 记录型与 教师 文件的示意图 2 实体间的联系 1 一对一 1 1 的联系设有两个实体集E1和E2 如果E1和E2中的每一个实体最多与另一个实体集中的一个实体有联系 则称实体集E1和E2的联系是一对一的联系 通常表示为 1 1的联系 例如 实体集学校与实体集校长之间的联系就是1 1的联系 2 一对多 1 n 的联系设有两个实体集E1和E2 如果E2中的每一个实体与E1中的任意个实体 包括零个 有联系 而E1中的每一个实体最多与E2中的一个实体有联系 则称这样的联系为 从E2到E1的一对多的联系 通常表示为 1 n的联系 例如 实体集学校与实体集教师之间的联系为一对多的联系 3 多对多 m n 的联系设有两个实体集E1和E2 其中的每一个实体都与另一个实体集中的任意个 包括零个 实体有联系 则称这两个实体集之间的联系是 多对多的联系 通常表示为 m n的联系 例如 教师实体集与学生实体集之间的联系是多对多的联系 又如 学生实体集和课程实体集之间的联系也是一种多对多的联系 5 1 3数据模型1 层次模型建立数据的层次模型需要满足下列两个条件 1 有一个数据记录没有 父亲 这个记录即是根结点 2 其他数据记录有且只有一个 父亲 学校行政机构的层次模型 2 网状模型网状数据模型的特点 1 可以有一个以上的结点无 父亲 2 至少有一个结点有多于一个的 父亲 学校教学情况的网状模型 3 关系模型把数据看成一个二维表 每一个二维表称为一个关系 关系模型的优点 1 数据结构比较简单 2 具有很高的数据独立性 3 可以直接处理多对多的联系 4 有坚实的理论基础 一个关系的属性名表称为关系模式 也就是二维表的表框架 相当于记录型 若某一关系的关系名为R 其属性名为A1 A2 An则该关系的关系模式记为R A1 A2 An 关系名为ER关系模式 即二维表的表框架 为ER S SN SD 其中 S SN SD分别是这个关系中的三个属性的名字 S1 S2 S3 S4 S5 是属性S 即学号 的值域 CHANG WANG LI HU MA 是属性SN 即学生姓名 的值域 MATH EL PHYS COM 是属性SD 即所属系 的值域 1 并运算 union 假设有n元关系R和n元关系S 它们相应的属性值取自同一个域 则它们的并仍然是一个n元关系 它由属于关系R或属于关系S的元组组成 并记为R S 并运算满足交换律 即R S与S R是相等的 2 差运算 difference 假设有n元关系R和n元关系S 它们相应的属性值取自同一个域 则n元关系R和n元关系S的差仍然是一个n元关系 它由属于关系R而不属于关系S的元组组成 并记为R S 差运算不满足交换律 即R S与S R是不相等的 3 交运算 intersection 假设有n元关系R和n元关系S 它们相应的属性值取自同一个域 则它们的交仍然是一个n元关系 它由属于关系R且又属于关系S的元组组成 并记为R S 交运算满足交换律 即R S与S R是相等的 4 笛卡尔积 Cartesianproduct 设有m元关系R和n元关系S 则R与S的笛卡尔积记为R S 它是一个m n元组的集合 即m n元关系 其中每个元组的前m个分量是R的一个元组 后n个分量是S的一个元组 R S是所有具备这种条件的元组组成的集合 在实际进行组合时 可以从R的第一个元组开始到最后一个元组 依次与S的所有元组组合 最后得到R S的全部元组 R S共有m n个元组 5 选择运算 selection 选择运算是在指定的关系中选取所有满足给定条件的元组 构成一个新的关系 而这个新的关系是原关系的一个子集 选择运算用公式表示为R g r r R且g r 为真 或 g R r r R且g r 为真 公式中的R是关系名 g为一个逻辑表达式 取值为真或假 g由逻辑运算符 或and 与 或or 或 或not 非 联接各算术比较表达式组成 算术比较符有 其运算对象为常量 或者是属性名 或者是简单函数 在后一种表示中 为选择运算符 6 投影运算 projection 投影运算是在给定关系的某些域上进行的运算 通过投影运算可以从一个关系中选择出所需要的属性成分 并且按要求排列成一个新的关系 而新关系的各个属性值来自原关系中相应的属性值 给定关系R在其域列SN和C上的投影用公式表示为R SN C 或 SN C R 7 联接运算 join 联接运算是对两个关系进行的运算 其意义是从两个关系的笛卡尔积中选出满足给定属性间一定条件的那些元组 设m元关系R和n元关系S 则R和S两个关系的联接运算用公式表示为 运算的结果为m n元关系 其中 是联接运算符 为算术比较符 i 与 j 分别表示关系R中第i个属性的属性名和关系S中第j个属性的属性名 它们之间应具有可比性 这个式子的意思是 在关系R和关系S的笛卡尔积中 找出关系R的第i个属性和关系S的第j个属性之间满足 关系的所有元组 比较符 有以下三种情况 当 为 时 称为等值联接 当 为 时 称为小于联接 当 为 时 称为大于联接 联接运算的上述公式还可以表示为R f S r s r R且s S且f r s 为真 其中 f为布尔函数 即联接条件 其取值为真或假 r s是关系R和关系S的笛卡尔积中的任一元组 8 自然联接运算 Naturaljoin 设关系R和关系S具有公共的属性 则关系R和关系S的自然联接的结果 是从它们的笛卡尔积R S中选出公共属性值相等的那些元组 如果关系R和关系S具有相同的属性名A1 A2 Ak 则它们的自然联接是从笛卡尔积R S中选出R A1 S A1 R A2 S A2 R Ak S Ak的所有元组 并去掉重复属性的元组集合 记为R S 其中R A1 R A2 R Ak表示R S中对应于关系R中的属性A1 A2 Ak的属性名 同样 S A1 S A2 S Ak表示R S中对应于关系S中的属性A1 A2 Ak的属性名 如果用j1 j2 jm来表示R S中除去S A1 S A2 S Ak以后按顺序列出的所有其他分量的序号 则根据自然联接的定义 可以用选择运算和投影运算来表示自然联接 R S j1 j2 jm R A1 S A1 R A2 S A2 R Ak S Ak R S 上式表明 自然联接运算分以下三步进行 1 计算笛卡尔积R S 2 选出同时满足R Ai S Ai Ai为为R和S的公共属性 的所有元组 3 去掉重复属性 例找出关系R平均成绩 AVER 在85分以上的学生姓名和学号 即P S SN AVER 85 R S1 MA S3 FAN S4 WANG 例有关系T和P 要找出讲授课程G1的教师姓名 所在系和他的职称 即TP TN TD T TG G1 T P 例设有一关系W 现要在关系W中存入一个元组 a b c d e f g 对于这个操作可以用以下运算来实现 W a b c d e f g GIVINGW其中GIVING表示经过并运算后的结果赋于W 5 3数据库设计 5 3 1数据库设计的基本概念5 3 2数据库设计的过程5 3 3数据字典 5 3 1数据库设计的基本概念可行性分析与研究阶段系统设计阶段设计实施与系统运行阶段 5 3 2数据库设计的过程1 需求分析 1 了解组织机构 2 了解具体的业务现状 3 了解外部要求 4 了解长远规划中的应用范围和要求 2 概念结构设计概念模型主要特点 能充分反映实际应用中的实体及其相互之间的联系 是现实世界的一个真实模型 由于概念模型独立于具体的计算机系统和具体的数据库管理系统 因此 便于用户理解 有利于用户积极参与设计工作 概念模型容易修改 当问题有变化时 反映实际问题的概念模型可以很方便地扩充和修改 便于向各种模型转换 由于概念模型不依赖于具体的数据库管理系统 因此 容易向关系模型 网状模型和层次模型等各种模型转换 概念结构设计要借助于某种方便又直观的描述工具 E R 实体 联系 Entity Relationship 图是设计概念模型的有力工具 在E R图中 用三种图框分别表示实体 属性和实体之间的联系 其规定如下 用矩形框表示实体 框内标明实体名 用椭圆状框表示实体的属性 框内标明属性名 用菱形框表示实体间的联系 框内标明联系名 实体与其属性之间以无向边联接 菱形框与相关实体之间也用无向边联接 并在无向边旁标明联系的类型 描述实体集联系的E R图 多个实体集联系的E R图 同一个实体集内实体联系的E R图 实体属性的E R图 实体集之间联系属性的E R图 1 建立分E R图划分实体和属性的原则 属性与其所描述的实体之间的联系只能是一对多的 属性本身不能再具有需要描述的性质或与其他事物具有联系 能作为属性的尽量作为属性而不划分为实体 以简化E R图 例在一个简单的教学管理系统中 主要的实体型是学生 教师 课程 课外科技小组 在这些实体型之间有以下几种联系 课程 学生 联系 记为 C S 联系 这是多对多的联系 课程 教师 联系 记为 C T 联系 这也是多对多的联系 学生 科技小组 联系 记为 S R 联系 这也是多对多的联系 教师 科技小组 联系 记为 T R 联系 这是一对一的联系 2 设计初步E R图 属性域冲突 即同一个属性在不同的分E R图中其值的类型 取值范围等不一致或者是属性取值单位不同 命名冲突 即属性名 实体名 联系名之间有同名异义或异名同义的问题存在 结构冲突 这主要表现在同一对象在不同的应用中有不同的抽象 3 设计基本E R图商店管理的初步E R图商店管理的基本E R图 3 逻辑结构设计 1 逻辑结构设计的步骤 将概念模型转换成一般的数据模型 将一般的数据模型转换为特定的数据库管理系统所支持的数据模型 2 逻辑结构设计的目标 确定整个数据库由哪些关系模式组成 即确定有哪些 表 组成 确定每个关系模式由哪些属性组成 即确定每个 表 中的字段 确定每个关系模式中的关键字属性 3 逻辑结构设计的规则 每一个实体型转换为一个关系模式 每个联系分别转换为关系模式 4 物理结构设计 1 物理结构设计的准备工作 要充分了解和掌握所用的数据库管理系统的性