第2章 数据库关系数据库

1、第二章第二章 关系数据库关系数据库关系数据库简介关系数据库简介v 提出关系模型的是美国IBM公司的E.F.Codd 1970年提出关系数据模型E.F.Codd, “A Relational 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范式第二章第二章 关系数据库关系数据库2.1 关系数据结构关系数据结构2.2 关系操作关系操作2.3 关系约束关系约束2.4 关系代数关系代数 关系关系v

2、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v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v建立在集合代数的基础上 关系关系( (续续) ) 域（Domain） 2. 笛卡尔积（Cartesian Product） 3. 关系（Relation） 域（域（Domain）v域是一组具有相同数据类型的值的集合。例:整数实数介于某个取值范围的整数长度指定长度的字符串集合男，女.2. 笛卡尔积（笛卡尔积（Cartesian Product）v笛卡尔积 给定一组域D1，D2，Dn，这些域中可以有相同的。 D1，D2，Dn的笛卡尔积为： D1D2Dn （d1，

3、d2，dn）diDi，i1，2，n 所有域的所有取值的一个组合 不能重复2. 笛卡尔积笛卡尔积 医生姓名医生姓名性别性别科室科室李景男内科李景男五官科刘秀男内科刘秀男五官科李景女内科李景女五官科刘秀女内科刘秀女五官科2. 笛卡尔积笛卡尔积笛卡尔积（续笛卡尔积（续)v 元组（Tuple） 笛卡尔积中每一个元素（d1，d2，dn）叫作一个n元组（n-tuple）或简称元组(Tuple) （李景，男，内科），（刘秀，女，五官科）就是元组v分量（Component） 笛卡尔积元素（d1，d2，dn）中的每一个值di叫作一个分量 李景、男、内科等都是分量 笛卡尔积（续笛卡尔积（续)v 基数（Cardin

4、al number） 若Di（i1，2，n）为有限集，其基数为mi（i1，2，n），则D1D2Dn的基数M为： 前例中，基数为222=8v 笛卡尔积的表示方法 笛卡尔积可表示为一个二维表 表中的每行对应一个元组，表中的每列对应一个域mMin1i3. 关系（关系（Relation）1) 关系D1D2Dn的子集叫作在域D1，D2，Dn上的关系，表示为 R（D1，D2，Dn）关系（续）关系（续）2) 关系的表示 关系也是一个二维表，表的每行对应一个元组，表的每列对应一个域 D1，D2，Dn的笛卡尔积的某个子集才有实际含义医生姓名医生姓名性别性别科室科室李 景男内科刘 秀女五官科关系（续）关系（续）3

5、)属性n关系中不同列可以对应相同的域n为了加以区分，必须对每列起一个名字，称为属性（Attribute）nn目关系必有n个属性关系（续）关系（续）4) 码候选码（Candidate key） 若关系中的某一属性组的值能唯一地标识一个元组，则称该属性组为候选码 简单的情况：候选码只包含一个属性全码（All-key） 最极端的情况：关系模式的所有属性组是这个关系模式的候选码，称为全码（All-key）关系（续）关系（续）码(续)主码若一个关系有多个候选码，则选定其中一个为主码（Primary key）主属性候选码的诸属性称为主属性（Prime attribute）不包含在任何侯选码中的属性称为非主

6、属性（ Non-Prime attribute）或非码属性（Non-key attribute） 关系（续）关系（续）5) 三类关系基本关系（基本表或基表）实际存在的表，是实际存储数据的逻辑表示查询表查询结果对应的表视图表由基本表或其他视图表导出的表，是虚表，不对应实际存储的数据关系（续）关系（续）6)基本关系的性质 列是同质的（Homogeneous） 不同的列可出自同一个域n其中的每一列称为一个属性n不同的属性要给予不同的属性名 列的顺序无所谓,，列的次序可以任意交换 任意两个元组的候选码不能相同 行的顺序无所谓，行的次序可以任意交换 分量必须不可分关系模式关系模式1什么是关系模式2定义关

7、系模式3. 关系模式与关系1什么是关系模式什么是关系模式v关系模式（Relation Schema）是型v关系是值v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2定义关系模式定义关系模式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 (U) 或或 R (A1，A2，An)nR: 关系名nA1，A2，An : 属性名注：域

8、名及属性向域的映象常常直接说明为 属性的类型、长度3. 关系模式与关系关系模式与关系v关系模式n对关系的描述n静态的、稳定的v关系n关系模式在某一时刻的状态或内容n动态的、随时间不断变化的v 关系模式和关系往往统称为关系 通过上下文加以区别关系数据库关系数据库v关系数据库n在一个给定的应用领域中，所有关系的集合构成一个关系数据库在医院门诊系统中包含的关系有实体型关系：医生关系和病人关系，联系型关系：就诊关系医生关系的属性dID、dName、Title、Department、Assistant分别表示医生ID、姓名、职称、科室和助手，医生ID为主键。病人关系的属性pID、pName、Sex、Jo

9、b、Tel和Birth分别表示病人ID、姓名、性别、职业、电话和出生日期，病人ID为主键。就诊关系的属性pID、dID、Fee分别表示病人ID、医生ID和就诊总费用，病人ID和医生ID为联合主键。关系实例关系实例医生和病人之间有多对多的联系一个医生可诊治多个病人一个病人可以被多个医生诊治这种联系通过就诊关系体现医院门诊系统的关系模式集为：医生关系模式Doctor（dID，dName，Title，Department，Assistant）； 病人关系模式Patient（pID，pName，Sex，Job，Tel）；就诊关系模式CureFee（pID，dID，Fee）；关系实例关系实例医生医生ID

10、dID姓名姓名dName职称职称Title科室科室Department助手助手Assistantd1王丹主任医师内科d3d2刘秀主治医师五官科d6d3张景实习医生内科d4李灿主任医师呼吸科d5d5朱诚实习医生呼吸科d6汪力实习医生五官科医生关系实例医生关系实例 病人关系实例病人关系实例病人病人IDpID姓名姓名pName性别性别Sex职业职业Job电话电话Tel出生日期出生日期Birthp1曾范男司机138704512341980-01-11p2刘丽女教师181014234561970-09-14p3项城男个体户136452314051950-07-17p4崔慧女职员1894571231519

11、80-12-11P5李明男学生139412563471960-11-24病人病人IDpID医生医生IDdID就诊总费用就诊总费用Feep1d12000p2d2500p3d15000p4d21000P5d4100P6d412000就诊关系实例就诊关系实例第二章第二章 关系数据库关系数据库2.1 关系数据结构关系数据结构2.2 关系操作关系操作2.3 关系约束关系约束2.4 关系代数关系代数基本关系操作基本关系操作v 常用的关系操作 查询：选择、投影、连接、除、并、交、差 数据更新：插入、删除、修改 查询的表达能力是其中最主要的部分 选择、投影、并、差、笛卡尔积是5种基本操作v 关系操作的特点 集

12、合操作方式：操作的对象和结果都是集合，一次一集合一次一集合的方式关系数据库语言的分类关系数据库语言的分类v 关系代数语言 用对关系的运算来表达查询要求 代表：ISBLv 关系演算语言：用谓词来表达查询要求 元组关系演算语言谓词变元的基本对象是元组变量代表：APLHA, QUEL 域关系演算语言 谓词变元的基本对象是域变量代表：QBEv 具有关系代数和关系演算双重特点的语言 代表：SQL（Structured Query Language） 第二章第二章 关系数据库关系数据库2.1 关系数据结构关系数据结构2.2 关系操作关系操作2.3 关系约束关系约束2.4 关系代数关系代数关系的三类完整性约

13、束关系的三类完整性约束v实体完整性和参照完整性： 关系模型必须满足的完整性约束条件 称为关系的两个不变性不变性，应该由关系系统自动支持v用户定义的完整性： 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 实体完整性实体完整性实体完整性规则（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 例： 中医门诊系统的就诊关系（病人ID，医生ID，就诊总费用）中，病人ID和医生ID共同组成为主关键字，病人ID和医生ID两个属性都不能为空。因为没有病人ID的就诊或没有医生ID的就诊都是不存在的。实体完整性实体完整性对于实体完整性，有如下规则：（1

14、）实体完整性规则针对基本关系。一个基本关系表通常对应一个实体集，例如，医生关系对应医生集合。 （2）现实世界中的实体是可以区分的，它们具有一种唯一性标识。例如，医生的ID，病人的病人ID等。 （3）在关系模型中，主关键字作为唯一的标识，且不能为空。参照完整性参照完整性1. 关系间的引用2. 外码3. 参照完整性规则1. 关系间的引用关系间的引用v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 医生实体、病人实体、就诊联系用3个关系表示如下 医生（医生ID，姓名，职称，科室） 病人（病人ID，姓名，性别，年龄，职业） 就诊（医生ID，病人ID，就诊总费用

15、） 就诊关系中的医生就诊关系中的医生ID引用了医生关系中的医生引用了医生关系中的医生ID，即就诊关，即就诊关系中的医生必须是存在医生关系中的一个真实的医生系中的医生必须是存在医生关系中的一个真实的医生 就诊关系中的病人就诊关系中的病人ID引用了病人关系中的病人引用了病人关系中的病人ID，及就诊关，及就诊关系中的病人必须是存在病人关系中的一个真实病人系中的病人必须是存在病人关系中的一个真实病人关系间的引用关系间的引用(续续)例2 医生（医生ID，姓名，职称，科室，助手） 分析医生关系时发现，助手也是医生，也有一个ID号，也就是说属性助手引用了属性医生ID，助手的ID号必须是一个真实存在的医生ID

16、号。 上面2个例子说明了关系之间以及关系内部存在相互引用的情况2外码（外码（Foreign Key）v 设F是基本关系R的一个或一组属性，但不是关系R的码。如果F与基本关系S的主码Ks相对应，则称F是基本关系R的外码v 基本关系R称为参照关系（Referencing Relation）v 基本关系S称为被参照关系（Referenced Relation） 或目标关系（Target Relation）外码外码(续续)v 例1：就诊关系的医生ID和医生关系的主码医生ID相对应，就诊关系的病人ID与病人关系的主码病人ID项对应 医生ID和病人ID属性是就诊关系的外码 医生、病人关系是被参照关系，就诊

17、关系为参照关系 外码外码(续续)v 例2：医生关系中的助手同主码医生ID相对应，因此助手是医生关系的外码，医生关系既是参照关系，又是被参照关系。外码外码(续续)v 关系R和S不一定是不同的关系v 目标关系S的主码Ks 和参照关系的外码F必须定义在同一个（或一组）域上v 外码并不一定要与相应的主码同名 当外码与相应的主码属于不同关系时，往往取相同的名 字，以便于识别3. 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的外码它与基本关系S的主码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：n空值（F的每个属性值均为空值）n等于S中某个元组的主码

18、值参照完整性规则参照完整性规则(续续)例1：就诊关系中的外码医生ID的取值根据参照完整性规则只有两种可能：要么取空值，要么取对应的主码医生ID中的一个值。由于就诊关系中，医生ID是主属性，根据实体完整性规则，主属性不能取空值。因此，在就诊关系中，其外码医生ID只能取医生关系中的一个医生ID值。同理，就诊关系中的病人ID也只能取病人关系中的一个病人ID。参照完整性规则参照完整性规则(续续)例2 ：医生关系的外码助手根据参照完整性规则要么取空值，要么取医生ID中一个值。当助手为空值的时候，说明其同元组中的医生没有助手。用户定义的完整性用户定义的完整性v针对某一具体关系数据库的约束条件，反映某一具体

19、应用所涉及的数据必须满足的语义要求v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用户定义的完整性用户定义的完整性(续续)例:医生关系中的医生职称必须是（实习医生，主治医师，副主任医师，主任医师）中的一个值病人关系中的性别必须是（男，女）中的一个值就诊关系中的就诊总费用必须大于0等第二章第二章 关系数据库关系数据库2.1 关系数据结构关系数据结构2.2 关系操作关系操作2.3 关系约束关系约束2.4 关系代数关系代数关系代数关系代数v 传统的集合运算传统的集合运算v 专门的关系运算专门的关系运算集合运算符-并差交笛卡尔积比较运算符 大于大

20、于等于小于小于等于等于不等于运算符含义运算符含义 关系代数运算符关系代数运算符 概概 述述专门的关系运算符 选择投影连接除逻辑运算符 非与或运算符含义运算符含义关系代数运算符（续）关系代数运算符（续） 概概 述述(续续)1. 并（并（Union）vR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vRS 仍为n目关系，由属于R或属于S的元组组成 RS = t|t Rt S 并并(续续)2. 差（差（Difference）vR和S 具有相同的目n 相应的属性取自同一个域vR - S 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 差差(续续)3.

21、 交（交（Intersection）vR和S 具有相同的目n 相应的属性取自同一个域vRS 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 RS = R (R-S）交交 (续续)4. 笛卡尔积（笛卡尔积（Cartesian Product）v严格地讲应该是广义的笛卡尔积（Extended Cartesian Product） vR: n目关系，k1个元组vS: m目关系，k2个元组vRS 列：（n+m）列元组的集合 元组的前n列是关系R的一个元组 后m列是关系S的一个元组 行：k1k2个元组 RS = tr ts |tr R tsS . 笛卡尔积笛卡尔积 (续续)专门的

22、关系运算专门的关系运算先引入几个记号 （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 专门的关系运算专门的关系运算(续续)（2） A，tA， A 若A=Ai1，Ai2，Aik，其中Ai1，Ai2，Aik是A1，A2，An中的一部分，则A称为属性列或属性组。 tA=(tAi1，tAi2，tAik)表示元组t在属性列A上诸分量的集合。 A则表示A1，A2，An中去掉Ai1，Ai2，Aik后剩余的属性组。 专门的关系运算专门的关系运算(续续)（3） tr ts R为n目关系，S为m目关系。 tr

23、 R，tsS， tr ts称为元组的连接。 tr ts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。 专门的关系运算专门的关系运算(续续)（4）象集Zx 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 专门的关系运算专门的关系运算(续续)vx1在R中的象集 Zx1 =Z1，Z2，Z3，vx2在R中的象集 Zx2 =Z2，Z3，vx3在R中的象集 Zx3=Z1，Z3象集举例 专门的关系运算专门的关系运算(续续)v 选择

24、v 投影v 连接v 除1. 选择（选择（Selection） v1) 选择又称为限制（Restriction）v2) 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选择（续）选择（续）v3) 选择运算是从关系R中选取使逻辑表达式F为真的元组，是从行的角度进行的运算医生医生病人病人就诊就诊选择（续）选择（续）医生医生IDdID姓名姓名dName职称职称Title科室科室Department科室科室Departmentd1王丹主任医师内科d3d3张景实习医生内科医生医生IDdID姓名姓名dName职

25、称职称Title科室科室Department科室科室Departmentd1王丹主任医师内科d32. 投影（投影（Projection） v1）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 2. 投影（投影（Projection） v2）投影操作主要是从列的角度进行运算 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（避免重复行）投影（续）投影（续）姓名姓名dName职称职称Title王丹主任医师刘秀主治医师张景实习医生李灿主任医师朱诚实习医生汪力实习医生科室科室Department内科五官科呼吸科3. 连接（连接（Joi

26、n） v 1）连接也称为连接v 2）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 A和B：分别为R和S上度数相等且可比的属性组：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 连接连接(续续) v3）两类常用连接运算 等值连接（equijoin） 什么是等值连接为“”的连接运算称为等值连接 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=Bt

27、r ts 连接连接(续续) 自然连接（Natural join） 自然连接是一种特殊的等值连接两个关系中进行比较的分量必须是相同的属性组在结果中把重复的属性列去掉 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连接连接(续续)v4）一般的连接操作是从行的角度进行运算。 自然连接还需要取消重复列，所以是同时从行和列的角度进行运算。 ABRS连接连接(续续)v 例关系R和关系S 如下所示：连接连接(续续)一般连接 R S的结果如下： CE连接连接(续续) 等值连接 R S 的结果如下：R.B=S.B 连接连接(续续) 自然连接 R S的结果如下： 连接连接(续续)v外连接 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)，这种连接就叫做外连接（OUTER JOIN）。v左外连接 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)v右外连接 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)。 连接连接(续续)下图是例5中关系R和关系S的外连接 连接连接(续续)图(b)是例5