第一章 数据库基础知识

第一章数据库基础知识广州华商职业学院本章目录数据库概述1数据模型2关系数据库3关系运算4数据库设计基础5信息的特征1.1信息、数据和数据处理信息能源材料客观世界的三大要素采集并加工、传递消息情报指令数据信号学号：200901001姓名：陈青山性别：男年龄：18岁所在系别：计算机源于物质和能量可以感知可存储、加工、传递和再生1、信息:是现实世界事物在存在方式或运动状态的反映

数据是信息的符号表示或载体信息是数据有意义的表现200901001陈青山男18岁计算机数字文字图形图象声音等数据与信息的联系数据的表现形式1.1信息、数据和数据处理数据是信息的具体表现形式2、数据：数据是指存储在某一存储媒体介质上能够识别的物理符号，是反映客观特性的记录信息＝数据＋数据处理将数据转换成信息包括收集、整理、存储、加工、分类、维护、排序、检索和传输等一系列活动的总和3、数据处理

产出输出结果原料输入“数据处理”的真正含义应该是为了产生信息而处理数据

1.1信息、数据和数据处理1.1.2数据管理的发展

人工管理阶段文件系统阶段数据库系统阶段数据不保存，不共享，无独立性，无专用软件管理数据数据以文件形式长期保存，由文件系统管理数据，程序与数据间有一定独立性数据结构化，共享性高、冗余度低，独立性高，有统一的数据控制功能DBMS数据的安全性控制数据的完整性控制数据的并发控制数据的数据恢复人工管理阶段应用程序与数据之间的对应关系应用程序1应用程序2应用程序n数据集1数据集2数据集n…1.1.2数据管理的发展

文件系统阶段应用程序与数据间的对应关系文件系统……文件1文件2文件3应用程序1应用程序2应用程序n1.1.2数据管理的发展

数据库系统阶段应用程序与数据间的对应关系…应用程序1应用程序2应用程序n数据库数据库管理系统

DBMS1.1.2数据管理的发展

1.1.3数据库的体系结构

1、数据库系统的三级体系结构

学号姓名性别年龄系别

001101张立男20计算机型值模式实例外模式模式内模式数据库系统内部的体系结构从逻辑上分为三级数据库系统的三级模式结构数据库应用1应用2应用n外模式1…外模式m…外模式/模式映象模式模式/内模式映象内模式用户级概念级物理级1.1.3数据库的体系结构

内模式是整个数据库实际存储的表示模式是整个数据库实际存储的抽象表示外模式是概念模式的某一部分的抽象表示外模式模式内模式数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述数据库用户能看到并允许使用的那部分局部数据的逻辑结构和特征的描述它是对数据库存储结构的描述，是数据在数据库内部的表示方式可有多个只有一个1.1.3数据库的体系结构

2、两层映射DBMS在三级模式之间提供了二级映象功能，保证了数据库系统中的数据能够具有较高的逻辑独立性与物理独立性。外模式/模式映象模式/内模式映象保证了数据与程序间的逻辑独立性确保了数据的物理独立性

1.1.3数据库的体系结构

1.1.4数据库系统数据库系统（DBS）数据库计算机软件系统数据库用户计算机硬件系统用户1用户2用户n…用户应用系统应用开发工具DBMS操作系统OS数据库数据库管理员软件系统集成性，共享性终端用户应用程序员数据库管理员对数据库进行存储、维护和检索非计算机专业人员使用数据库设计和编制应用程序负责设计、建立、管理和维护数据库以及协调用户对数据库要求的个人或工作团队

1、数据库（DB）:是存储在计算机内、有组织的、可共享的数据集合

2、用户1.1.4数据库系统DBMSOS应用系统软件系统：核心3、软件（Software）系统DBMS在操作系统支持下工作，应用程序在DBMS支持下才能使用数据库。1.1.4数据库系统4、硬件（Hardware）系统

硬件系统指存储和运行数据库系统的硬件设备。DBS数据库管理系统（DBMS）

DBMS核心数据定义查询更新各种控制DBMS的主要功能1、数据定义功能定义数据的模式、外模式和内模式三级模式结构定义模式/内模式和外模式/模式二级映象定义有关的约束条件数据库管理系统（DBMS）

2、数据操纵功能

数据库的基本操作：检索、更新（包括插入、修改、删除）等。3、数据库运行管理功能

对数据库运行的管理是DBMS运行的核心部分。数据的安全性控制数据的完整性控制多用户环境下的并发控制数据库的恢复4、数据库的建立和维护功能数据库管理系统（DBMS）

数据库的建立包括数据库的初始数据的装入与数据转换等。数据库的维护包括数据库的转储、恢复、重组织与重构造、系统性能监视与分析等。DBMS的组成

语言编译处理程序系统运行控制程序系统建立、维护程序数据字典数据定义语言DDL编译程序数据操纵语言DML编译程序系统总控程序安全性控制程序完整性控制程序并发控制程序数据存取和更新程序通信控制程序装配程序重组程序系统恢复程序描述数据库中有关信息的数据目录1.2数据模型组织方式表达方式存取路径数据及其联系

数据模型是数据库的框架三个世界的划分数据模型是数据库系统的核心和基础首先将现实世界的事物及联系抽象成信息世界的信息模型然后再抽象成计算机世界的数据模型数据加工经历了现实世界、信息世界和计算机世界三个不同的世界，经历了两级抽象和转换数据结构数据操作数据的完整性约束层次结构网状结构关系结构查询插入删除修改更新正确有效相容1.2.1数据模型的组成要素

1.2.2概念模型

1.信息处理的三个层次现实世界概念模型是面向数据库用户的实现世界的模型，主要用来描述世界的概念化结构现实世界就是存在于人脑之外的客观世界

信息世界就是现实世界在人们头脑中的反映，又称观念世界

数据世界就是信息世界中的信息数据化后对应的产物

信息世界数据世界现实世界概念模型认识抽象DBMS支持的数据模型信息世界数据世界现实世界数据处理的抽象和转换过程1.2.2概念模型实体所具有的某一特性称为属性2.有关基本概念属性型属性值属性名具体值1.2.2概念模型客观存在并且可以相互区别的“事物”称为实体实体可以是具体的人、事、物，也可以是抽象的事件实体属性具有相同属性的实体必然具有共同的特征，通常是实体名和属性名的集合

1.2.2概念模型实体值是实体的具体实例同型实体的集合称为实体集实体型实体值实体集3.实体联系

实体型内部的联系通常是指组成实体的各属性之间的联系实体型之间的联系通常是指不同实体集之间的联系实体型A联系名实体型B111:1的联系实体型A联系名实体型B1n1:n的联系实体型A联系名实体型Bmnm:n的联系1.2.2概念模型联系联系类型1.2.3逻辑模型……层次模型无双亲，根节点根以外的其他结点有且仅有一个双亲结点；父子结点之间的联系是一对多（1:n）的联系。逻辑模型是属于计算机世界中的模型逻辑模型主要包括层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型等结构简单，层次分明查询效率高提供良好的数据完整性支持不能直接表示多对多联系插入和删除数据限制太多查询子女结点必须通过双亲结点优点缺点层次模型的优缺点1.2.3逻辑模型1.2.3逻辑模型网状模型用网络结构表示数据及其联系的数据模型有一个以上的结点没有双亲结点。允许结点有多个双亲结点。允许两个结点之间有多种联系（复合联系）网状模型的特点可表示实体间的多种复杂联系具有良好的性能和存储效率数据结构复杂数据定义语言、数据操纵语言复杂用户需要了解系统结构的细节优点缺点关系模型的结构图小型数据库系统：Foxpro、Access大型数据库系统：Oracle、SQLServer、Informix、Sybase关系二维表SNO学号SN姓名SEX性别AGE年龄DEPT系别S1赵亦女17计算机S2钱尔男18信息S3孙珊女20信息S4李思男21自动化S5周武男19计算机S6吴丽女20自动化元组属性域：属性的取值范围，（男，女）1.2.3逻辑模型关系模型有严格的数学理论根据用关系描述实体间的联系具有更高的数据独立性、更好的安全保密性优点查询效率不如非关系模型缺点关系模型的优缺点1.2.3逻辑模型1.2.4物理模型物理模型是面向计算机物理表示的模型，描述了数据在储存介质上的组织结构，它不但与具体的DBMS有关，而且还与操作系统和硬件有关1.3关系数据库关系数据库是由若干张完整关系模型设计的二维表组成，所有关系数据库实际上就是二维表关系术语姓名性别李力男王平女刘伟男元组域属性属性的名字惟一

1.3.1关系模型关系一个关系就是一张二维表元组二维表的每一行在关系中称为元组属性

二维表的每一列在关系中称为属性

域域是一组具有相同数据类型的值的集合，又称为值域“学生关系”中的学号能惟一标识每一个学生“选课关系”中，只有属性的组合“学号+课程号”才能惟一地区分每一条选课记录能惟一标识关系中元组的一个属性或属性集，称为候选键(CandidateKey)1.3.1关系模型候选键候选键惟一性最小性候选关键字

每个关系必定有且仅有一个主关系键学号姓名以学号作为数据操作的依据以姓名作为数据操作的依据关键字

从多个候选键中选择一个作为查询、插入或删除元组的操作变量，被选用的候选键称为主关系键主键主码关系键关键字1.3.1关系模型主属性：包含在主关系键中的各个属性称为主属性非属性：不包含在任何候选键中的属性称为非属性全码：所有属性的组合是关系的候选键候选码为（T，C，S）全码

教师T课程C1：nn：1学生S课程C1：nn：1教师T学生S课程Cn：nn：nn：n主属性、非主属性

1.3.1关系模型关系R1关系R2属性X属性Y…属性X属性Z…主码

主码

外部关系键或外码参照关系

被参照关系

被参照关系的主码和参照关系的外码必须定义在同一个域上外部关键字

1.3.1关系模型关系的描述称为关系模式（RelationSchema）简记为：R（U）或R（A1，A2，…，An）属性名

关系模式

关系模型关系关系头关系体静态、稳定，固定不变随数据更新不断变化例:学生信息表（学号，姓名，性别，民族，政治面貌，出生日期，专业）1.3.1关系模型关系的特点1.3.1关系模型关系必须规范化，属性不可再分割在同一关系中不允许出现相同的属性名在同一关系中元组及属性的顺序可以任意任意交换两个元组（或属性）的位置，不会改变关系模式1.3.2关系数据库的完整性完整性约束实体完整性参照完整性用户自定义完整性体现具体领域中的语义约束必须满足主键字的值不能为空或部分为空如果关系R2的外部关系键X与关系R1的主关系键相符，则X的每个值或者等于R1中主关系键的某一个值，或者取空值实体的完整性参照的完整性1.3.2关系数据库的完整性如：学生关系中的主关系键“学号”不能为空选课关系中的主关系键“学号+课程号”不能部分为空，1.3.2关系数据库的完整性针对某一具体关系数据库的约束条件反映某一具体应用所涉及的数据必须满足的语义要求用户自定义完整性如：成绩属性的取值范围在0-100之间函数依赖设R（U）是属性集U上的关系模式，X,Y是U的子集。若对于R（U）的任意两个元组t1和t2，如果t1[X]=t2[X],则t1[Y]=t2[Y]，那么称X函数确定Y或Y函数依赖X，记作X→Y。

SCD(SNo，SN，Age，Dept，MN，CNo，Score)SNo一个学生SN，Age，Dept惟一确定惟一确定SNo决定函数（SN，Age，Dept）（SN，Age，Dept）函数依赖于SNo1.3.3函数依赖1.3.3函数依赖平凡函数依赖与非平凡函数依赖在关系模式R（U）中，对于U的子集X和Y：如果X→Y，但YX，则称X→Y是非平凡的函数依赖；如果X→Y，且YÍX,则称X→Y是平凡的函数依赖；若X→Y，则X称为这个函数依赖的决定属性组，也称为决定因素。完全函数依赖

设X,Y是关系R的两个属性集合，X‘是X的真子集，存在X→Y，但对每一个X'都有X'!→Y，则称Y完全函数依赖于X。1.3.3函数依赖传递函数依赖设X,Y,Z是关系R中互不相同的属性集合，存在X→Y（Y!→X）,Y→Z，则称Z传递函数依赖于X。设X,Y是关系R的两个属性集合，存在X→Y，若X‘是X的真子集，存在X'→Y，则称Y部分函数依赖于X。部分函数依赖1.3.4关系模式的范式第一范式如果关系模式R所有的属性均为简单属性，即每个属性都是不可再分的，则称R属于第一范式，简称1NF，记作R∈1NF1NF是关系模式应具备的最起码的条件。第一范式可能具有大量的数据冗余，具有插入异常、删除异常和更新异常等弊端。克服这些弊端的方法是用投影运算将关系分解，去掉过于复杂的函数依赖关系，向更高一级的范式进行转换。1.3.4关系模式的范式第二范式如果关系模式R∈1NF，且每个非主属性都完全函数依赖于R的主关系键，则称R属于第二范式，简称2NF，记作R∈2NF。从1NF关系中消除非主属性对主关系键的部分函数依赖，则可得到2NF如果R的关系键为单属性，或R的全体属性均为主属性，则R∈2NF数据冗余插入异常删除异常更新异常第二范式缺点如：SC(SNo，CNo，Score)

函数依赖为(SNo，CNo)→Score，非主属性Score不传递函数依赖于主关系键（SNo，CNo），因此，SC∈3NF。1.3.4关系模式的范式第三范式如果关系模式R∈2NF，且每个非主属性都不传递函数依赖于R的主关系键，则称R属于第三范式，简称3NF，记作R∈3NF。主关系键

非主属性

除上述的三种范式外，关系范式还有BC范式、第四范式、第五范式通常情况下，只要把关系分解到第三范式就可以了，并非是关系范式等级越高就越好1.4关系运算关系代数的运算按运算符的不同主要分为两类传统的集合运算把关系看成元组的集合，以元组作为集合中元素来进行运算，其运算是从关系的“水平”方向即行的角度进行的。包括并、差、交和笛卡尔积等运算专门的关系运算不仅涉及行运算，也涉及列运算，这种运算是为数据库的应用而引进的特殊运算。包括选取、投影、连接和除法等运算。1.4.1传统的集合运算设给定两个关系R、S，若满足：(1)

具有相同的度n;(2)R中第i个属性和S中第i个属性必须来自同一个域。则说关系R、S是相容的。传统的集合运算除笛卡尔积外，其他的集合运算要求参加运算的关系必须满足上述的相容性定义。1.4.2专门的关系运算选择

从关系中找出满足给定条件的那些元组称为选择。其中的条件是以逻辑表达式给出的，值为真的元组将被选取投影

从关系模式中挑选若干属性组成新的关系称为投影。这是从列的角度进行的运算，相当于对关系进行垂直分解联接

选择和投影运算的操作对象只是一个关系，联接运算需要两个关系作为操作对象，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1.5数据库设计基础

结构设计行为设计概念设计、逻辑设计和物理设计应用程序的设计数据库设计的任务

数据库设计是指根据用户需求研制数据库结构的过程。数据库设计的特点现代数据库的设计特点是强调结构设计与行为设计相结合，是一种“反复探寻，逐步求精”的过程。数据库设计的内容数据库设计的目标1.满足用户的信息需求和处理需求；2.准确模拟现实世界；3.具有数据库管理系统的支持；4.具有良好的性能。数据库设计的步骤1．系统需求分析阶段

2．概念结构设计阶段3．逻辑结构设计阶段4．物理结构设计阶段5．数据库实施阶段6．数据库运行与维护阶段1.5.1数据库设计概述1.5.2数据库的概念结构设计概念结构设计就是将需求分析得到的用户需求抽象为信息结构，即概念模型。E_R模型实体是客观存在并可相区分的事物属性是用以描述实体的某一特征的联系是指实体之间存在的对应关系（它也具有属性）E_R模型的表示一对一联系、一对多联系和多对多联系实体名属性名联系名（a）实体（b）属性（c）联系1:11:nm:n

1.5.2数据库的概念结构设计