数据基础及应用- 2

第2章MySQL数据库系统基础第1章数据库系统概述第3章MySQL数据库操作第5章使用SQL语句查询数据第4章MySQL数据表第6章视图和索引的使用第8章数据库的安全性管理第7章存储过程和触发器第9章数据库的备份与恢复目录目标导航重点和难点1．数据库的基本概念；2．数据模型；3．关系运算；4．关系的规范化；5．关系型数据库设计。知识目标1.掌握数据库的基本概念；2.掌握关系代数的运算；3.掌握关系规范化理论；4.掌握数据库设计的过程。技能目标1.具备关系代数运算的能力；2.具备关系模式分解的能力；3.具备给定应用系统进行数据库设计的能力。1.1.1数据库的基本概念1.信息信息（Information）就是对各种事物的存在方式、运动状态和相互联系特征的一种表达和陈述，是自然界、人类社会和人类思维活动普遍存在的一切物质和事物的属性。2.数据数据（Data）是用来记录信息的可识别的符号，是信息的具体表现形式。数据用型和值来表示。数据不仅包括数字、文字形式，而且包括图形、图像、声音、动画等多媒体数据。3.数据库(DataBase,DB)数据库是长期存储在计算机内,有组织、可共享的相关数据的集合,它将数据按一定的数据模型组织、描述和存储,具有冗余度小、数据独立性高和易扩展等特点,可被各类用户共享。数据库不仅存放数据,还存储数据之间的联系。1.1数据库系统概述1.1.1数据库的基本概念4.数据库管理系统(DataBaseManagementSystem,DBMS)数据库管理系统是位于用户与操作系统(OS)之间的数据管理软件,它为用户或应用程序提供访问数据库的方法,包括数据库的创建、查询、更新及各种数据控制。它是数据库系统的核心。目前比较流行的数据库管理系统有Access、MySQL、Sybase、SQLServer和Oracle等。数据库管理系统主要具有以下几个方面的功能:(1)数据定义功能数据库管理系统提供数据定义语言(DataDefinitionLanguage,DDL),用户可通过DDL方便地对数据库中的数据对象进行定义。(2)数据操纵功能数据库管理系统提供数据操纵语言(DataManipulationLanguage,DML),用户可使用DML操纵数据,实现对数据的查询、插入、删除和修改等操作。1.1数据库系统概述1.1.1数据库的基本概念(3)数据库运行管理数据库运行管理是数据库管理系统运行的核心部分,包括并发控制、存取控制(安全性检查)、完整性约束条件的检查和执行、数据库内部的维护等。

(4)数据库的建立和维护功能数据库的建立与维护功能包括:初始数据的导入与转换、数据库的存储与恢复功能,以及数据库的重组织、性能监控与分析功能等。这些功能通常是由一些实用程序完成的。5.数据库应用系统(DataBaseApplicationSystem,DBAS)应用数据库技术管理各类数据的软件系统称为数据库应用系统。6.数据库系统(DataBaseSystem,DBS)数据库系统是指引入了数据库技术的计算机系统。数据库系统一般由数据库、数据库管理系统、硬件系统、软件系统和数据库管理员(DataBaseAdministrator,DBA)以及用户构成。1.1数据库系统概述1.1.2数据管理技术的发展历程人工管理阶段20世纪50年代中期以前数据的独立性差、数据不能被长期保存、数据的冗余度大、数据面向应用和没有软件对数据进行管理文件系统阶段20世纪50年代后期到60年代中后期程序与数据有了一定的独立性，程序和数据分开存储，然而依旧存在数据的冗余度大及数据不一致性数据库系统阶段20世纪60年代后期数据库中的数据是结构化的、数据冗余度小、易扩充、较高的数据独立性、较高的数据共享性和数据由DBMS统一管理和控制1.1数据库系统概述1.1.3数据库系统组成和体系结构1.数据库系统的组成数据库系统的组成数据库数据库管理系统硬件系统软件系统用户1.1数据库系统概述1.1.3数据库系统组成和体系结构2.数据库系统的体系结构知识点1数据库系统概述数据库系统的体系结构三级模式内模式外模式模式二级映像内模式/模式映像模式/外模式映像1.2.1信息描述1.信息世界的相关术语1.2

数据模型（1）实体：客观存在并且可以相互区别的事物称为实体。（2）属性：描述实体的特性称为属性。一个实体可以用若干个属性来描述（3）码：惟一标识实体的属性或属性组合称为码。（4）域：属性的取值范围称为该属性的域。（5）实体型：具有相同属性的实体必然具有共同的特征和性质，用实体名及其属性名的集合来抽象和表达同类实体，称为实体型。（6）实体集：同类实体的集合称为实体集，例如全体学生的集合，全体教师的集合等。1.2.1信息描述2.实体之间的联系1.2

数据模型实体之间的联系一对一联系一对多联系多对多联系班级班长担任班级学生属于课程学生选修(a)1:1联系(b)1:n联系(c)m:n联系1.2.2数据模型1.数据模型三要素1.2

数据模型数据结构数据结构用于描述系统的静态特征，是所研究的对象类型的集合，这些对象是数据库的组成部分数据操作数据操作是对数据库中各种对象的实例允许执行的操作集合。数据操作包括操作对象及有关的操作规则，主要有检索和操纵两类。数据约束条件数据约束条件是一组完整性规则的集合。1.2.2数据模型2.数据模型的分类1.2

数据模型层次模型用树形结构描述数据和数据之间的联系业务的模型称为层次模型，也称为树状模型。层次模型的特点是：①有且仅有一个结点无双亲，这个结点称为根结点；②除根结点之外，其他结点有且仅有一个双亲。网状模型用网状结构描述数据及数据之间联系的模型称为网状模型，也称网络模型。网状模型的特点是：①一个结点可以有多个双亲结点；②一个以上的结点没有双亲结点。关系模型用二维表结构描述数据及数据之间联系的模型称为关系模型，它是基于严格的数学理论基础之上建立的数据模型。在关系模型中基本数据结构被限制为二维表格。因此，在关系模型中，每一张二维表称为一个关系。关系是由若干行与若干列所构成的。1.3.1关系型数据库1.关系模式的相关术语（1）关系：一个关系对应于一张二维表，每个关系有一个关系名。在数据库系统中称为“表”。（2）元组：二维表中每一行称为一个元组。在数据库系统中称为“记录”。（3）属性：二维表中每列称为属性。在数据库系统中称为“字段”。（4）关键字：二维表中能惟一标识一个元组的属性或者是属性组合称为关键字。在数据库系统中称为“主键”。（5）外键：有两个二维表R和S，其中属性A是R表的主键，但不是S表的主键，在S表中属性A称为外键。在数据库系统中称为“外部关键字”。1.3关系模式和关系运算1.3.1关系数据库2.关系模式关系的描述称为关系模式，关系模式可以简记为R（A1，A2，A3，……），其中R为关系名，A1，A2，A3为属性名。3.关系的性质（1）同一属性的数据具有同质性，即每一列中的分量是同一类型的数据，它们来自同一个域。（2）同一关系的属性名具有不可重复性，即同一关系中不同属性的数据可出自同一个域，但不同的属性要给予不同的属性名。（3）关系中列的位置具有顺序无关性，即列的次序可以任意交换。（4）关系具有元组无冗余性，即关系中的任意两个元组不能完全相同。（5）关系中元组的位置具有顺序无关性，即元组的顺序可以任意交换。（6）关系中每个分量必须取原子值，即每个分量都必须是不可分的数据项。1.3关系模式和关系运算1.3.2关系运算1.传统的集合运算1.3关系模式和关系运算（1）并运算关系R和关系S具有相同的属性。关系R与关系S的并运算是由属于R或属于S的元组组成。其结果关系的属性不变，元组是关系R和关系S的合并。记作：R∪S。（2）交运算关系R和关系S具有相同的属性。关系R与关系S的交运算是由既属于R又属于S的元组组成。其结果关系的属性不变，元组是关系R和关系S的公共元组。记作R∩S。（3）差运算关系R和关系S具有相同的属性。关系R与关系S的差由属于R而不属于S的元组组成。其结果关系的属性不变。记作：R—S。广义笛卡尔积关系R为M个属性，关系S为N个属性，则关系R和关系S的广义备卡尔积为（M+N）元组的集合。记作：R×S。1.3.2关系运算2.专门的关系运算1.3关系模式和关系运算（1）选择选择运算又称为限制运算，选择运算是单目运算。关系R的选择运算是指从R中选取满足条件的元组组成的一个新的关系。选择运算是从行的角度进行操作的。关系R的选择运算结果是关系的属性不变，元组是关系R中满足条件的元组。记作：σF(R)。（2）投影投影也是单目运算。关系R的投影运算是指从关系R中选取若干个属性组成一个新的关系。投影运算是从列的角度进行操作的。关系R的投影运算的结果是关系的元组不变，属性为选取的属性个数。记作：∏i1,i2,i3,i4(R)。（3）连接连接运算是双目运算。它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所组成的一个新的关系。记作：R∞S=σAθB(R×S)。（4）自然连接自然连接是最常用的连接之一，它是连接运算的特例。自然连接是指从两个关系的笛卡尔积中选择出公共属性值相等的元组并去掉重复属性所构成的新的关系。记作：R*S。1.4.1不合理关系模式存在的问题1.4关系的规范化理论1．数据冗余严重2．插入异常3．删除异常4．更新异常1.4.2函数依赖1．函数依赖的概念定义1.1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)的任意可能的关系r，r中不可能存在两个元组在X上的属性相等，而在属性Y上的属性值不等，则称X函数确定Y或Y依赖于函数X。如果X→Y，并且Y不是X的子集，则称X→Y是非平凡的函数依赖。若Y是X的子集，则称X→Y是平凡的函数依赖，我们讨论的都是非平凡的函数依赖。（1）函数依赖是指关系模型R中所有的元组都要满足的约束条件，而不仅仅是某个或某些元组的特例。（2）函数依赖并不一定具有可逆性。（3）函数依赖中可以包含属性组。1.4关系的规范化理论1.4.2函数依赖2．依赖的逻辑蕴涵定义1.2函数依赖的逻辑蕴涵：设F是关系模式R(U)上已知的函数依赖集，X、Y是R上的属性集合U的子集，如果从F已有的函数依赖中能够推导出X→Y，则称F逻辑蕴涵X→Y，或称X→Y，或称X→Y可以从F导出。3．关键字每个关系都至少有一个关键字，所谓的关键字就是由一个或多个属性组成的可惟一标识一个元组（二维表中的一行）的属性组。关键字也可以由一组属性联合组成。例如，如果允定义1.3设R（U）为一个关系模式，X，Y是U的一个子集，如果对X给定任何一个值，都有惟一的Y与之对应，并且不存在Y包含X，则称X为R的一个候选键，或称为关键字。关键字是能惟一确定一个实体的最少属性的集合。1.4关系的规范化理论1.4.2函数依赖定义1.4设X是关系模式R中的属性或属性组，且X并非R中的键，而是另一个关系模式T的键，则称X是R的外键。定义1.5在关系模式R(U)中，如果X→Y，且对X中的任一真子集X’使得X’→Y成立，则称Y部分依赖于X，否则，称Y完全依赖于X。定义1.6在关系模式R(U)中，如果X→Y，Y→Z，且满足Y￠X，而不存在Y→X，则称Z对X传递依赖。1.4关系的规范化理论1.4.3关系数据库的规范化关系按其规范化程度从低到高可分为5级范式，分别称为1NF、2NF、3NF、BCNF、4NF和5NF。1．第一范式（1NF）定义1.7在关系模式R中的每一个具体关系r中，如果每个属性值都是不可再分的最小数据单位，则称R是第一范式的关系。通俗地讲，第一范式要求关系中的属性必须是原子项，即不可再分的基本类型，集合、数组和结构不能作为某一属性出现，严禁关系中出现“表中有表”的情况。任何符合关系定义的数据表都满足第一范式的要求。第一范式中的关系虽然可以使用，但总会有更新异常、插入异常和较大的数据冗余。1.4关系的规范化理论知识储备1.4.3关系数据库的规范化2．第二范式（2NF）定义1.8如果关系范式R满足第一范式，而且它的所有非主关键字属性完全依赖于整个主关键字（也就是说，不存在部分函数依赖），则R满足第二范式。根据这一定义，凡是以单个属性作为关键字的关系就自动满足2NF。因为关键字的属性只有一个，就不可能存在部分依赖的情况。因此，第二范式只是针对主关键字是属性组合的关系。但第二范式还远非完善，满足第二范式的关系仍存在着插入、删除和修改的异常，存在这些问题的原因是关系模式中存在传递函数依赖，传递函数依赖是导致数据冗余和存储异常的另一个原因。1.4关系的规范化理论1.4.3关系数据库的规范化3．第三范式（3NF）定义1.9如果某关系模式R满足第二范式，而且它的任何一个非主属性都不传递依赖于任何关键字，则R满足第三范式。换句话说，如果一个关系模式R不存在部分函数依赖和传递函数依赖，则R满足3NF。经过1NF、2NF、3NF的规范化，我们基本上消除了关系模式中的部分函数依赖、传递函数依赖。在一般情况下，3NF关系排除了非主属性对于主键的部分依赖和传递依赖，把能够分离的属性尽量分解为单独的关系了，满足3NF的关系已经能够减少数据冗余和消除各种异常。1.4关系的规范化理论项目1初识学生信息管理数据库1.5.1数据库设计的任务与目标1.数据库设计的任务数据库设计是指根据用户需求,规制数据库结构并实施构建的完整过程。具体而言,它是在给定的应用环境下,构造最优的数据库模式,创建数据库及其应用系统,使其能有效地存储和管理数据,满足用户的信息需求与业务处理要求。2.数据库设计的目标数据库设计的目标是真实地反映现实世界中的数据及其内在联系,在减少有害数据冗余的前提下实现数据共享,消除数据插入、删除和更新中的各类异常,保证数据的独立性,使数据库具备良好的可维护性、可扩展性,提高数据库的访问速度和存储效率。通常将数据库设计分为以下六个阶段,需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、数据库物理设计、数据库实施、数据库运行和维护。1.5关系数据库的设计1.5.2需求分析1.需求分析阶段的任务1.5关系数据库的设计（1）调查分析用户活动（2）收集和分析需求数据，确定系统边界（3）编写系统分析报告1.5.2需求分析2.需求分析的方法1.5关系数据库的设计图1自顶向下需求分析方法图2自底向上需求分析方法（1）数据流图数据流图是从“数据”和“处理”两方面表达数据处理过程的一种图形化的表示方法。在数据流图中，用圆圈表示数据处理（加工）；用有向线段表示数据的流动及流动方向，即数据的来源和去向。（2）数据字典数据字典是对数据流图的注释和重要补充，它帮助系统分析人员全面确定用户的要求，并为以后的系统设计提供参考依据。数据字典的内容通常包括数据项、数据结构、数据流、数据存储和处理过程五个部分。数据字典是在需求分析阶段建立的，在数据库设计过程中不断地进行修改、充实和完善。1.5关系数据库的设计1.5.3概念结构设计1.概念模型的主要特点1.5关系数据库的设计（1）有丰富的语义表达能力。（2）易于交流和理解。（3）易于变动。（4）易于向各种数据模型转换，易于从概念模型导出与DBMS有关的逻辑模型。1.5.3概念结构设计2.设计概念模型的方法①自顶向下。首先定义全局概念结构的框架，再作逐步细化。②自底向上。首先定义每一局部应用的概念结构，然后按一定的规则把它们集成，从而得到全局概念结构。这也是最常用的一种策略。③由里向外。首先定义最重要的那些核心结构，再逐渐向外扩充。④混合策略。把自顶向下和自底向上结合起来的方法。自顶向下设计一个概念结构的框架，然后以它为骨架再自底向上设计局部概念结构，并把它们集成。1.5关系数据库的设计1.5.3概念结构设计3.概念模型的设计方法概念模型是对信息世界建模，所以概念模型应该能够方便、准确地表示出上述信息世界中的常用概念。在概念模型的表示方法中，最常用的是P.P.S.Chen于1976年提出的实体-联系方法（Entity-RelationshipApproach），该方法是数据库逻辑设计的一种简明扼要的方法，也称为E-R模型。在按具体数据模型设计数据库之前，先用实体-联系（E-R）图作为中间信息结构模型表示现实世界中的“纯粹”实体-联系，之后再将E-R图转换为各种不同的数据库管理系统所支持的数据模型。这种数据库设计方法，与通常程序设计中画框图的办法相类似。1.5关系数据库的设计1.5.3概念结构设计4.E-R模型的图形描述1.5关系数据库的设计（1）实体用矩形表示，矩形框内写明实体名。（2）属性用椭圆形表示，椭圆形框内写上属性，并用无向边将其与相应的实体连接起来。（3）联系用菱形表示，菱形框内写上实体间的联系名，并用无向边分别与有关实体连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1∶1，1∶n或m∶n）。1.5.3概念结构设计5.E-R模型的设计过程1.5关系数据库的设计E-R模型的设计过程（1）设计局部概念模型①明确局部应用的范围②选择实体，确定实体的属性及标识实体的关键字③确定实体之间的联系，绘制局部E-R模型（2）设计全局概念模型①确定公共实体类型②合并局部E-R图③消除不致因素1.5.4逻辑结构设计1.E-R模型向逻辑模型进行转换的原则(1)一个实体类型转换为一个关系模式,实体的属性即为关系的属性,实体的键即为关系的键。(2)一个1∶1联系可以转换为一个独立的关系模式,也可与任意一端实体对应的关系模式合并。通常将任意一端实体主键纳入另一个实体作为关系的外键。(3)一个1∶n联系可以转换为一个独立的关系模式,也可以与联系的任意n端实体所对应的关系模式合并。通常将一方关系的主键纳入多方作为关系的外键。(4)一个m∶n联系必须转换为第三方关系模式,该关系模式的属性包括双方关系的主键和联系的属性,第三方关系的主键是双方关系的主键的组合。(5)三个或三个以上实体间的多元联系可转换为一个关系模式。与该多元联系相连的各实体的键,以及联系本身的属性均转换为关系的属性,而关系的键为各实体键的组合。(6)具有相同键的关系模式可以合并。1.5关系数据库的设计1.5.4逻辑结构设计2.关系数据库的逻辑结构设计过程1.5关系数据库的设计E-R图按规则转换成关系模式规范化处理模式评价优化模式形成逻辑结构设计说明书1.5.5数据库物理设计数据库物理设计是指为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构，即存储结构和存取方法。该阶段的任务是根据逻辑（概念）模式、DBMS及计算机系统所提供的手段和施加的限制，设计数据库的内模式，即文件结构、各种存取路径、存储空间的分配、记录的存储格式等。关系型数据库物理设计的主要内容包括:为关系模式选择存取方法,以及设计关系、索引等数据库文件的物理存储结构。1.关系模式的存取方法存取方法是快速访问数据库中数据的技术。数据库管理系统通常提供多种存取方法。常用的主要有三类:索引存取方法、聚簇存取方法和分区设计方法。2.数据库的存储结构确定数据的库物理结构,主要指确定数据的存放位置和存储结构,包括确定关系、索引、聚簇、日志、备份等对象的存储安排和存储结构,以及系统配置参数等。1.5关系数据库的设计1.5.6数据库实施、运行和维护1.数据库应用程序的编制在逻辑数据库结构确定以后,应用程序设计的编制可与物理设计并行展开。理论上,只要数据库的物理数据独