第3章 数据库技术基础

1、数据库基础 主讲主讲 谢可夫谢可夫 湖南师范大学计算机教学部 数据库技术基础数据库技术基础 p数据库系统概述数据库系统概述 l数据管理技术的发展数据管理技术的发展 人工管理阶段人工管理阶段 u应用领域：科学计算应用领域：科学计算 u特点：数据量少特点：数据量少 u硬件水平：没有磁盘等直接存取的外存储器硬件水平：没有磁盘等直接存取的外存储器 u软件水平：没有对数据进行管理的系统软件软件水平：没有对数据进行管理的系统软件 u程序与数据的关系：应用程序直接调用数据。程序与数据的关系：应用程序直接调用数据。 文件管理阶段文件管理阶段 u应用领域：数据管理应用领域：数据管理 u特点：数据量大特点：数据量

2、大 u硬件水平：出现了磁盘等大容量的外存储器硬件水平：出现了磁盘等大容量的外存储器 u软件水平：出现了操作系统系统（包含文件系统）软件水平：出现了操作系统系统（包含文件系统） u程序与数据的关系：应用程序通过文件系统调用数据文件。程序与数据的关系：应用程序通过文件系统调用数据文件。 u存在问题：数据冗余度大、数据独立性差、缺乏对数据的统存在问题：数据冗余度大、数据独立性差、缺乏对数据的统 一管理。一管理。 数据库阶段数据库阶段 u应用领域：数据管理应用领域：数据管理 u特点：数据量极大特点：数据量极大 u硬件水平：大容量的外存储器（价格下降）硬件水平：大容量的外存储器（价格下降） u软件水平：

3、出现了对数据库管理系统软件软件水平：出现了对数据库管理系统软件 u程序与数据的关系：由数据库管理系统对数据进行统一管理，程序与数据的关系：由数据库管理系统对数据进行统一管理， 应用程序通过文件系统调用数据库。应用程序通过文件系统调用数据库。 新型数据库系统新型数据库系统 u数据库技术的发展：层次数据库、网状数据库、数据库技术的发展：层次数据库、网状数据库、 关系数据库。关系数据库。 u分布式数据库及特点分布式数据库及特点 数据分布在计算机网络的不同节点上 分布在不同节点上的数据逻辑上属于同一数据库 每个节点都有自己的软、硬件资源和数据库管理系统 u面向对象数据库系统面向对象数据库系统 将面向对

4、象的模型、方法和机制，与先进的数据库技 术有机地结合形成的新型数据库系统。 u多媒体数据库系统多媒体数据库系统 数据库系统与多媒体技术相结合的产物 u数据仓库数据仓库 处理海量数据并带决策支持的数据库系统。涉及到三方面 的技术：数据仓库技术、联机分析处理和数据挖掘技术。 l数据库系统的组成数据库系统的组成 计算机硬件：主机、存储设备、输入输出设备计算机硬件：主机、存储设备、输入输出设备 和计算机网络环境。和计算机网络环境。 计算机软件：计算机软件： u操作系统操作系统 u数据库管理系统（数据库管理系统（DMBS)：开发数据库系统的工：开发数据库系统的工 具。具。 u数据库应用系统：利用数据库系

5、统资源开发出的、数据库应用系统：利用数据库系统资源开发出的、 面向某一实际应用的软件。面向某一实际应用的软件。 管理信息系统；如人事管理系统和教学管理系统等 开放式信息服务系统：如综合科技信息系统。 数据库：数据库系统中按一定的方式组织的数据库：数据库系统中按一定的方式组织的 ， 存储在外部存储设备上的、能与多个用户共享存储在外部存储设备上的、能与多个用户共享 的、与应用程序相互独立的相关数据集合。的、与应用程序相互独立的相关数据集合。 数据库系统有关人员数据库系统有关人员 u最终用户最终用户 u数据库应用系统开发人员数据库应用系统开发人员 u数据库管理员数据库管理员 l数据库管理系统的功能数

6、据库管理系统的功能 数据库定义（描述）功能：利用所提供数据定数据库定义（描述）功能：利用所提供数据定 义语言描述数据库的逻辑结构和数据之间的联义语言描述数据库的逻辑结构和数据之间的联 系。系。 数据库操作功能：利用所提供的数据操纵语言数据库操作功能：利用所提供的数据操纵语言 实现对数据库的检索、插入、修改和删除等基实现对数据库的检索、插入、修改和删除等基 本操作。本操作。 数据库管理功能：包括系统建立与维护功能、数据库管理功能：包括系统建立与维护功能、 系统运行控制功能。系统运行控制功能。 数据库通信功能：提供数据库与操作系统的联数据库通信功能：提供数据库与操作系统的联 机处理接口以及远程作业

7、输入接口。机处理接口以及远程作业输入接口。 l数据库系统特点数据库系统特点 数据共享数据共享 减少数据冗余减少数据冗余 数据独立数据独立 提供和增强数据安全性和完整性保护。提供和增强数据安全性和完整性保护。 p数据模型数据模型 l现实世界的数据描述现实世界的数据描述 数据处理的三个层次数据处理的三个层次 u现实世界：存在于人脑之外的客观世界。现实世界：存在于人脑之外的客观世界。 u信息世界：对客观事物及其联系的抽象描述信息世界：对客观事物及其联系的抽象描述 u机器世界：信息世界中的信息数据化后的产物机器世界：信息世界中的信息数据化后的产物 l基本概念基本概念 实体实体:现实世界中任何可区分、可

8、识别客观事现实世界中任何可区分、可识别客观事 物。可以是人，如教师、学生等，也可以是物，物。可以是人，如教师、学生等，也可以是物， 如书本、仓库等。如书本、仓库等。 u属性：实体的特征（如教师编号、姓名等）属性：实体的特征（如教师编号、姓名等） 实体型实体型: 实体的结构描述，是实体名和属性的实体的结构描述，是实体名和属性的 集合；具有相同属性的实体，有相同的型。集合；具有相同属性的实体，有相同的型。 如教师实体性如教师实体性: 教师（编号、姓名、性别、出生日期、职称） 教师张三和李四具有相同的型 实体值：具体的实体，是属性值的集合。实体值：具体的实体，是属性值的集合。 如教师李四的实体值：(

9、15031,李四，男、09/21/65,教授） 属性型：属性名及其取值类型。属性型：属性名及其取值类型。 属性值：属性在器值域中所取的具体值。属性值：属性在器值域中所取的具体值。 实体集实体集 ：性质相同的同类实体的集合，如一：性质相同的同类实体的集合，如一 个系的教师。个系的教师。 域：属性的取值范围。域：属性的取值范围。 如 性别的取值范围男，女 职称的取值范围助教，讲师，副教授，教授 码：能够唯一确定实体集中每一个实体的属性码：能够唯一确定实体集中每一个实体的属性 或属性组合。或属性组合。 如 教师实体中的教师编号。 实体与实体的联系实体与实体的联系 u一对一联系一对一联系(1:1) 如

10、：男人集与女人集的夫妻联系 u一对多联系一对多联系(1:n） 如：班级与学生的隶属联系 u多对多联系（多对多联系（m:n) 如：学生与课程的选课联系 p实体实体-联系方法：联系方法： l 实体联系模型通过描述系统内所有的实体实体联系模型通过描述系统内所有的实体 及其属性以及实体间的联系来建立信息系及其属性以及实体间的联系来建立信息系 统的概念模型。统的概念模型。 l 1976年年p.p.cheng提出实体联系（提出实体联系（E-R)模模 型图来建立实体联系模型。型图来建立实体联系模型。 l E-R图符号图符号 实体名实体名 属性属性联系联系 l举例：某家电商场欲建立商品销售管理和顾客资举例：某

11、家电商场欲建立商品销售管理和顾客资 料管理信息系统，试建立系统的料管理信息系统，试建立系统的E-R模型。模型。 编号 姓名 性别 生日 职务 工资 部门 编号厂家单价单位型号名称 电话地址姓名编号 金额 数量 日期 商品 顾客 员工销售 m n k l举例举例 建立学生管理系统的建立学生管理系统的E-R模型模型 学号姓名生日性别民族简历学院号 学院院长 学分 课名 课程号 学生学院 课 程 学院 课程 学生 注册 选修 成绩 m n n1 图1 实体及属性 图2 学生管理系统E-R模型图 p关系：符合一定要求的二维表关系：符合一定要求的二维表 l关系及相关概念关系及相关概念 根据根据E-R模型

12、简历建立商场管理系统关系模型模型简历建立商场管理系统关系模型 员工关系 员工员工 编号编号 姓名姓名性别性别生日生日职务职务工资工资部门部门 1002张向东张向东女女63.02.20 总经理总经理5000经理室经理室 2011王建国王建国男男73.10.11经理经理3200财务部财务部 4002李三元李三元男男71.05.31 营业员营业员920空调部空调部 元组：由相关联的属性组成的一组数据。元组：由相关联的属性组成的一组数据。 关系的基数：关系元组的个数。关系的基数：关系元组的个数。 属性：关系中的一列，由属性名标识。属性：关系中的一列，由属性名标识。 关系的度：一个关系中属性的数目。关系

13、的度：一个关系中属性的数目。 属性的域：属性的取值范围。属性的域：属性的取值范围。 候选码：关系中可以唯一确定每个元组的属性候选码：关系中可以唯一确定每个元组的属性 或属性组。或属性组。 主码：从候选码中挑选用来确定元组的属性或主码：从候选码中挑选用来确定元组的属性或 属性组。属性组。 外码：在一个关系中出现的另一关系的主码外码：在一个关系中出现的另一关系的主码 l关系的特点关系的特点 关系中的每一列属性不可再分。关系中的每一列属性不可再分。 关系中的每一属性表示的是同类信息。关系中的每一属性表示的是同类信息。 关系中的属性间没有先后顺序。关系中的属性间没有先后顺序。 关系中的元组没有先后顺序

14、。关系中的元组没有先后顺序。 关系中不能有相同的元组。关系中不能有相同的元组。 l关系：符合关系特点的的二维表。关系：符合关系特点的的二维表。 关系的型（关系框架）：关系表中的表头。关系的型（关系框架）：关系表中的表头。 关系的值：关系中的元组。关系的值：关系中的元组。 l关系模式：包括关系模式名、属性和域。关系模式：包括关系模式名、属性和域。 l关系模式的表示关系模式的表示: 关系模式名关系模式名(属性属性1,属性属性2,.属性属性n) 若使用符号若使用符号U表示全体属性表示全体属性,R表示关系表示关系,则关系则关系 模式可简记为：模式可简记为：R(U) pE-R模型向关系模型的转化模型向关

15、系模型的转化 l每个实体都转化为一个关系模式。每个实体都转化为一个关系模式。 给实体型取一个关系名。给实体型取一个关系名。 实体的属性转化为关系框架实体的属性转化为关系框架 实体的码成为关系的码。实体的码成为关系的码。 l实体间的每一联系都转化为一个关系模式。实体间的每一联系都转化为一个关系模式。 给联系取一个关系的名。给联系取一个关系的名。 联系涉及的关系的码成为该关系的属性。联系涉及的关系的码成为该关系的属性。 联系的属性成为该关系其余的属性。联系的属性成为该关系其余的属性。 l实体、实体联系转化为关系后的优化实体、实体联系转化为关系后的优化 1:1的联系一般没必要单独组成一个关系，可的联

16、系一般没必要单独组成一个关系，可 以将它与联系中的某一方的实体转化成的关系以将它与联系中的某一方的实体转化成的关系 合并（一般与存取较频繁的关系合并）。合并（一般与存取较频繁的关系合并）。 1:n的联系根据实际情况，将其与联系中的的联系根据实际情况，将其与联系中的n 方实体转化成的关系合并。方实体转化成的关系合并。 M:n的联系必须单独成为一个关系。的联系必须单独成为一个关系。 l举例：将学生管理系统的举例：将学生管理系统的E-R模型转化为模型转化为 关系模型。关系模型。 分析分析 u学生与学院信息之间是学生与学院信息之间是n:1的联系（的联系（1:n的变例），的变例）， 在由学生实体得到的关

17、系中增加一个属性在由学生实体得到的关系中增加一个属性“学院号学院号” 表示学生就读的学院来实现表示学生就读的学院来实现 u学生与课程的选修联系是学生与课程的选修联系是m:n，必须定义一个关系，必须定义一个关系 来表示这种联系，该关系包括学号、课程号和成绩来表示这种联系，该关系包括学号、课程号和成绩 三个属性。三个属性。 建立个实体对应的关系建立个实体对应的关系 学生关系表学生关系表 学号学号姓名姓名性别性别生日生日民族民族学院号学院号简历简历 1102001张小三张小三男男82.04.10汉汉102 1102003李小四李小四男男83.10.18汉汉102 1204002王小五王小五女女82.

18、10.02瑶瑶204 1204009赵小六赵小六男男83.04.03苗苗307 1307010刘小七刘小七女女83.11.23状状307 学院信息关系学院信息关系 学院号学院号学院学院院长院长 102生命科学生命科学李建国李建国 204信息科学信息科学洪向东洪向东 307工业技术工业技术马自强马自强 课程关系表课程关系表 课程课程 号号 课程课程 名名 学分学分 10200 4 管理管理 学学 2 10201 0 计算计算 机原机原 理理 3 20440 2 高等高等 数学数学 5 30700 1 生物生物 化学化学 3 选课关系表选课关系表 学号学号课程号课程号成绩成绩 1102001102

19、00485 110200310201097 120400220440294 120400930700178 1307010 30700169 p关系数据库的基本理论关系数据库的基本理论 l关系运算关系运算 关系的交、并、差运算关系的交、并、差运算 u条件：关系的度数相同，属性的域相同。条件：关系的度数相同，属性的域相同。 u并：关系并：关系R与与S的并（的并（RS）的运算结果：由出现）的运算结果：由出现 在在R或出现在或出现在S中的所有元组（去掉重复元组）的中的所有元组（去掉重复元组）的 集合组成的关系。集合组成的关系。 u交：关系交：关系R与与S的交（的交（RS)的运算结果：由同时出的运算结

20、果：由同时出 现在现在R和和S中的相同元组的集合组成的关系。中的相同元组的集合组成的关系。 u差：关系差：关系R与与S的差（的差（R-S)的运算结果：由只出现的运算结果：由只出现 在在R中而未在中而未在S中出现的元组的集合组成的关系。中出现的元组的集合组成的关系。 图3 关系的并、交、差示意图 ABC a1b1c1 a2b3c2 a2b2c1 ABC a2b1c2 a1b1c1 a2b3c1 a1b2c2 举例：关系举例：关系R、S如下，求其交、并和差运算。如下，求其交、并和差运算。 关系关系R 关系关系S RS ABC a1b1c1 a2b3c2 a2b2c1 a2b1c2 a2b3c1 a

21、1b2c2 AB a1b1 ABC a2b3c2 a2b2c1 RS R-S 关系的笛卡尔积：关系关系的笛卡尔积：关系R和和S的笛卡尔积的属的笛卡尔积的属 性是性是R和和S的属性和，其元组是由的属性和，其元组是由R的所有元组的所有元组 与与S的所有元组两两配对拼接而成。的所有元组两两配对拼接而成。 例：已知例：已知R和和S关系如下，求其笛卡尔积。关系如下，求其笛卡尔积。 A1A2 11 23 XYZ x2y1z2 x1y1z1 x2y3z3 R S A1A2XYZ 11x2y1z2 11x1y1z1 11x2y3z3 23x2y1z2 23x1y1z1 23x2y3z3 RXSRXS 选择运算

22、：从关系中选取满足条件的元组选择运算：从关系中选取满足条件的元组 表示方式：表示方式：条件表达式 条件表达式（关系名） （关系名） 例：对关系例：对关系R，求，求A=“a1”and B=1(R) ABC a11c1 a23c2 a22c1 a21c2 a23c1 a11c2 ABC a11c1 a11c2 A=“a1”and B=1(R) 关系关系R R 投影投影:在给定关系中通过指定若干属性（列）组在给定关系中通过指定若干属性（列）组 成一个新关系。成一个新关系。 表示方式：表示方式：属性表 属性表（关系名） （关系名） 例：对下面关系例：对下面关系R，求，求A,C(R)。 ABC a11c

23、1 a23c2 a22c1 a21c2 a23c1 a11c2 AC a1c1 a2c2 a2c1 a1c2 关系关系R R A,C(R) 连接：根据给定条件将两个关系中的所有元连接：根据给定条件将两个关系中的所有元 组一一比较，符合连接条件的元组组成结果关组一一比较，符合连接条件的元组组成结果关 系，结果关系包括两关系的所有属性。系，结果关系包括两关系的所有属性。 表示方式：表示方式：关系关系1 关系关系2 例：对下面关系例：对下面关系R、S，求，求R S 条 件 .RBSB ABC a11c1 a23c2 a32c1 a24c2 a13c3 BD 2d1 3d2 4d1 AR.BC a23c2 a24c2 a24c2 a13c3 关系关系R 关系关系S 自然连接：将两个关系中的元组按相同的属性自然连接：将两个关系中的元组按相同的属性 进行相等比较，若相等则连接。结果关系中去进行相等比较，若相等则连接。结果关系中去 掉相同的属性。掉相同的属性。 表示方式表示方式 关系关系1 关系关系2 例对关系例对关系R和和S,求求R S. ABC a11c1 a23c2 a32c1 a24c2 a13c3 BD 2d