第3章 数据库技术基础

数据库基础主讲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系统概述数据管理技术的发展人工管理阶段应用领域：科学计算特点：数据量少硬件水平：没有磁盘等直接存取的外存储器软件水平：没有对数据进行管理的系统软件程序与数据的关系：应用程序直接调用数据。文件管理阶段应用领域：数据管理特点：数据量大硬件水平：出现了磁盘等大容量的外存储器软件水平：出现了操作系统系统（包含文件系统）程序与数据的关系：应用程序通过文件系统调用数据文件。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。数据库阶段应用领域：数据管理特点：数据量极大硬件水平：大容量的外存储器（价格下降）软件水平：出现了对数据库管理系统软件程序与数据的关系：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。新型数据库系统数据库技术的发展：层次数据库、网状数据库、关系数据库。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面向对象数据库系统

将面向对象的模型、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。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。数据库系统的组成计算机硬件：主机、存储设备、输入输出设备和计算机网络环境。计算机软件：操作系统数据库管理系统（DMBS)：开发数据库系统的工具。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。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，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。数据库系统有关人员最终用户数据库应用系统开发人员数据库管理员数据库管理系统的功能数据库定义（描述）功能：利用所提供数据定义语言描述数据库的逻辑结构和数据之间的联系。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、修改和删除等基本操作。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。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输入接口。数据库系统特点数据共享减少数据冗余数据独立提供和增强数据安全性和完整性保护。数据模型现实世界的数据描述数据处理的三个层次现实世界：存在于人脑之外的客观世界。信息世界：对客观事物及其联系的抽象描述机器世界：信息世界中的信息数据化后的产物基本概念实体: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，如书本、仓库等。属性：实体的特征（如教师编号、姓名等）实体型: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。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。如教师李四的实体值：(15031,李四，男、09/21/65,教授）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。实体集：性质相同的同类实体的集合，如一个系的教师。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或属性组合。

如教师实体中的教师编号。实体与实体的联系一对一联系(1:1)

如：男人集与女人集的夫妻联系一对多联系(1:n）

如：班级与学生的隶属联系多对多联系（m:n)

如：学生与课程的选课联系

实体-联系方法： 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统的概念模型。

1976年p.p.cheng提出实体联系（E-R)模型图来建立实体联系模型。

E-R图符号

实体名属性联系举例：某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E-R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mnk举例建立学生管理系统的E-R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mnn1图1实体及属性图2学生管理系统E-R模型图关系：符合一定要求的二维表关系及相关概念根据E-R模型简历建立商场管理系统关系模型

员工关系员工编号姓名性别生日职务工资部门1002张向东女63.02.20总经理5000经理室2011王建国男73.10.11经理3200财务部4002李三元男71.05.31营业员920空调部元组：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。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。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或属性组。主码：从候选码中挑选用来确定元组的属性或属性组。外码：在一个关系中出现的另一关系的主码关系的特点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。关系中的属性间没有先后顺序。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：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。关系的值：关系中的元组。关系模式：包括关系模式名、属性和域。关系模式的表示:关系模式名(属性1,属性2,…..属性n)若使用符号U表示全体属性,R表示关系,则关系模式可简记为：R(U)E-R模型向关系模型的转化每个实体都转化为一个关系模式。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码成为关系的码。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。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。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）。1:n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。M:n的联系必须单独成为一个关系。举例：将学生管理系统的E-R模型转化为关系模型。分析学生与学院信息之间是n:1的联系（1:n的变例），在由学生实体得到的关系中增加一个属性“学院号”表示学生就读的学院来实现学生与课程的选修联系是m:n，必须定义一个关系来表示这种联系，该关系包括学号、课程号和成绩三个属性。建立个实体对应的关系学生关系表学号姓名性别生日民族学院号简历1102001张小三男82.04.10汉1021102003李小四男83.10.18汉1021204002王小五女82.10.02瑶2041204009赵小六男83.04.03苗3071307010刘小七女83.11.23状307学院信息关系学院号学院院长102生命科学李建国204信息科学洪向东307工业技术马自强课程关系表课程号课程名学分102004管理学2102010计算机原理3204402高等数学5307001生物化学3选课关系表学号课程号成绩110200110200485110200310201097120400220440294120400930700178130701030700169关系数据库的基本理论关系运算关系的交、并、差运算条件：关系的度数相同，属性的域相同。并：关系R与S的并（R∪S）的运算结果：由出现在R或出现在S中的所有元组（去掉重复元组）的集合组成的关系。交：关系R与S的交（R∩S)的运算结果：由同时出现在R和S中的相同元组的集合组成的关系。差：关系R与S的差（R-S)的运算结果：由只出现在R中而未在S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ABCa1b1c1a2b3c2a2b2c1ABCa2b1c2a1b1c1a2b3c1a1b2c2举例：关系R、S如下，求其交、并和差运算。关系R关系SR∪SABCa1b1c1a2b3c2a2b2c1a2b1c2a2b3c1a1b2c2ABCa1b1c1ABCa2b3c2a2b2c1R∩SR-S关系的笛卡尔积：关系R和S的笛卡尔积的属性是R和S的属性和，其元组是由R的所有元组与S的所有元组两两配对拼接而成。例：已知R和S关系如下，求其笛卡尔积。A1A21123XYZx2y1z2x1y1z1x2y3z3RS

A1A2XYZ11x2y1z211x1y1z111x2y3z323x2y1z223x1y1z123x2y3z3

RXS选择运算：从关系中选取满足条件的元组表示方式：σ条件表达式（关系名）例：对关系R，求σA=“a1”andB=1(R)ABCa11c1a23c2a22c1a21c2a23c1a11c2ABCa11c1a11c2σA=“a1”andB=1(R)关系R投影:在给定关系中通过指定若干属性（列）组成一个新关系。表示方式：π属性表（关系名）例：对下面关系R，求πA,C(R)。ABCa11c1a23c2a22c1a21c2a23c1a11c2ACa1c1a2c2a2c1a1c2关系RπA,C(R)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系，结果关系包括两关系的所有属性。表示方式：关系1关系2例：对下面关系R、S，求RSABCa11c1a23c2a32c1a24c2a13c3BD2d13d24d1AR.BCS.BDa23c22d1a24c22d1a24c23d2a13c32d1关系R关系S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。结果关系中去掉相同的属性。表示方式关系1关系2

例对关系R和S,求RS.ABCa11c1a23c2a32c1a24c2a13c3BD2d13d24d1关系R关系SABCDa23c2d2a32c1d1a24c2d1a13c1d2数据完整性数据库系统通过三类数据完整性规则来保证数据的正确性和相容性。实体完整性规则：定义了主码的关系中，不允许任何元组的主码属性值为空。意义：保证数据库中关系的每个元组（即实体）可以区分。参照完整性规则：当关系