数据基础及应用 2

数据库原理、技术与应用——MySQL（视频教学+题库+AI赋能版)

第1章数据库技术概论1.4关系数据库基础知识1.3数据模型数据库技术的产生与发展1.2数据库系统1.5关系的规范化理论CONTENTS目录

1.11.1数据库技术的产生与发展1.1.1数据与数据处理数据（Data）：对客观事物特征及联系的抽象化、符号化表示信息（Information）：经过加工处理并对决策有影响的数据数据处理：将数据转换成信息的过程数据管理：数据的收集、组织、存储、检索和维护（数据处理的中心环节）1.1.2数据管理技术的发展①人工管理阶段（50年代中期以前）：数据不保存、无共享、无独立性②文件管理阶段（50~60年代）：数据可长期保存，但共享性差、冗余度大③数据库管理阶段（60年代后期以后）：统一管理，数据共享、低冗余、高独立性三个阶段反映了数据管理技术从低级到高级的发展过程1.2数据库系统1.2.1数据库系统的组成①硬件：主机、存储设备、I/O设备、网络环境②软件：操作系统、DBMS、数据库应用系统③数据库（DB）：按一定方式组织、可共享的数据集合④人员：最终用户、应用开发人员、数据库管理员（DBA）1.2.2三级模式结构与系统特点三级模式：概念模式（全局逻辑结构）、外模式（用户视图）、内模式（物理存储）二级映射：概念模式/内模式映射（保证物理独立性）外模式/概念模式映射（保证逻辑独立性）系统特点：数据结构化、共享性高冗余度低、较高的数据独立性、统一的数据控制1.3数据模型1.3.3概念模型——E-R模型实体（Entity）：可相互区分的客观事物（如教师、学生）属性（Attribute）：实体的特征（如姓名、性别、职称）实体间联系：一对一（1:1）、一对多（1:n）、多对多（m:n）E-R图：矩形表示实体、菱形表示联系、椭圆表示属性1.3.4逻辑模型①层次模型：树形结构，每个结点只有一个父结点②网状模型：有向图结构，可表示多对多联系③关系模型：二维表格表示实体及联系，结构简单、有严格数学基础关系模型是目前最流行的数据模型，MySQL即采用关系模型1.4关系数据库基础1.4.1~1.4.2关系数据库基础与关系运算基本概念：关系（表）、元组（行）、属性（列）、关键字（主键）、外键传统关系运算（集合运算）：并、差、交、笛卡尔积专门关系运算：选择、投影、连接1.4.3关系的完整性约束①实体完整性：主属性不能取空值，不允许两个元组关键字值相同②参照完整性：外键取值必须取空值或等于被参照关系的主键值③用户定义完整性：针对具体应用的数据约束（如性别只能取'男'或'女'）1.5关系的规范化理论1.5.1不好的关系模式——数据冗余与操作异常【例】商品供应关系模式：商品供应（供应商名称，供应商地址，联系人，商品名称，订货数量，单价）该模式中，一个供应商供应多种商品，同一商品可由多个供应商供应（多对多联系）问题：供应商名称、地址、联系人对每种商品都要重复输入，数据冗余大1.5.1操作异常问题（1）更新异常：供应商地址在多个元组中重复，更新时必须修改所有元组，否则数据不一致（2）插入异常：新发展了供应商但尚未订货时，无法插入该供应商信息（主关键字不能为空）（3）删除异常：删除过期订货记录时，可能把供应商的全部信息一并删除结论：这是一个不好的关系模式，需要通过模式分解来消除上述问题1.5.1模式分解示例将商品供应关系模式分解为两个关系模式：供应商（供应商名称，供应商地址，联系人）供应（供应商名称，商品名称，订货数量，单价）分解后：每个供应商信息只存储一次，消除数据冗余改变地址只需修改一个元组，消除更新异常新供应商信息可直接插入供应商表，消除插入异常删除订货记录不影响供应商信息，消除删除异常1.5.2函数依赖的基本概念定义1（函数依赖）：设R(U)，X、Y是U的子集，若X值相等则Y值必相等，记为X->Y定义2（完全/部分函数依赖）：若X->Y且X的任意真子集都不决定Y，称完全依赖；否则为部分依赖例：学生R(学号，姓名，出生年月，班号，班长姓名，课程号，成绩)（学号，课程号）->成绩是完全依赖；（学号，班号，课程号）->成绩是部分依赖定义3（传递函数依赖）：若X->Y（Y->X不成立），Y->Z，则Z传递函数依赖于X例：学号->班号，班号->班长姓名，则班长姓名传递依赖于学号1.5.3第1范式（1NF）定义6：当关系模式R的所有属性都不能分解为更基本的数据元素时，即所有属性均满足原子特征，称R满足1NF【例】员工关系模式R(员工号，姓名，工资)，其中工资由基本工资和岗位工资组成不满足1NF，因为工资属性可再分解分解为R_NEW(员工号，姓名，基本工资，岗位工资)，满足1NF1NF是关系模式规范化的最低要求满足1NF仍可能存在插入、删除、修改异常，需满足更高范式1.5.3第2范式（2NF）定义7：若R满足1NF，且所有非主属性都完全函数依赖于每一个候选关键字，称R满足2NF【例】借书关系模式R(读者编号，工作单位，图书编号，借阅日期，归还日期)候选关键字：（读者编号，图书编号）工作单位只依赖于读者编号（候选关键字的子集），部分函数依赖，不满足2NF问题：读者调动工作单位时需修改多条借书记录，产生更新异常分解：R1(读者编号，工作单位)+R2(读者编号，图书编号，借阅日期，归还日期)1.5.3第3范式（3NF）定义8：若R满足1NF，且所有非主属性都不传递函数依赖于每一个候选关键字，称R满足3NF【例】公司关系模式R(公司注册号，法人代表，注册城市，所在省)候选关键字：公司注册号（单属性，不存在部分依赖，满足2NF）但：公司注册号->注册城市，注册城市->所在省所以：公司注册号->所在省（传递函数依赖），不满足3NF分解：R1(公司注册号，法人代表，注册城市)+R2(注册城市，所在省)定理：满足3NF的关系一定满足2NF1.5.3BCNF范式定义9：若R满足1NF，且R的所有属性（含主属性）都不传递函数依赖于每一个候选关键字，称R满足BCNFBCNF是比3NF更强的规范：满足BCNF一定满足3NF，但反之不一定【例】R(书号，书名，作者名)，约定：每个书号只有一个书名，不同书号可有相同书名函数依赖：书号->书名，（书名，作者名）->书号候选关键字：（书号，作者名）和（书名，作者名）所有属性都是主属性，满足3NF但书名传递依赖于（书名，作者名），不满足BCNF1.5.4关系模式的分解——示例【例】员工奖金分配表R(员工号，姓名，部门，月份，月度奖)候选关键字：（员工号，月份），由两个属性组成姓名、部门只依赖于员工号，部分函数依赖，不满足2NF分解方法：R1(员工号，月份，月度奖)PrimaryKey(员工号，月份)R2(员工号，姓名，部门)PrimaryKey(员工号)分解后R1、R2均满足BCNF和3NF，且分解是无损的（可恢复原关系）1.5.43NF分解方法总结Heath定理：若R(A,B,C)中A->B且A->C，则R与投影(A,B)、(A,C)的连接等价（无损分解）分解步骤：（1）不满足1NF：将复合属性分解为基本属性（2）不满足2NF：消除非主属性对候选关键字的部分函数依赖设K=(K1,K2)，K1->X，则分解为：R1(K1,K2,X2)+R2(K1,X1)（3）不满足3NF：消除非主属性对候选关键字的传递函数依赖1.5.43NF分解方法总结（续）设K->X1，X1->X2，则分解为：R1(K,X1)+R2(X1,X2)关键原则：将候选关键字分解到每个子关系中，保证无损分解1.6数据库设计1.6.1数据库设计的6个阶段①需求分析：调查用户要求，明确系统功能，画出数据流图，建立数据字典②概念设计：将需求抽象为概念模型（E-R模型），是整个设计的关键③逻辑设计：将概念模型（E-R图）转换为逻辑模型（关系模式），进行规范化处理④物理设计：确定存储结构和存取方法，评价时间和空间效率⑤数据库实施：用DDL定义数据库结构，组织数据入库，编码调试应用程序⑥运行和维护：数据库转储与恢复、安全性与完整性控制、性能改造、重组织与重构造1.6.2E-R模型转化——1:1联系转化规则：在两个实体转化的关系模式中，任一个增加另一方的关键属性和联系的属性【例】校长与学校（1:1联系）E-R图：校长1:1学校转化为两个关系模式：校长（校长姓名，性别，出生日期，职称，任职年月，学校名称）学校（学校名称，所在地，网址）说明：在校长关系中增加学校关系的关键属性'学校名称'作为外键1.6.2E-R模型转化——1:n联系转化规则：在n方实体的关系模式中增加1方实体的关键属性和联系的属性【例】仓库与产品（1:n联系）E-R图：仓库1:n产品转化为两个关系模式：仓库（仓库号，地点，面积）产品（产品号，产品名称，价格，数量，仓库号）说明：在产品关系（n方）中增加仓库关系（1方）的关键属性“仓库号”作为外键，并增加联系属性“数量”。1.6.2E-R模型转化——m:n联系转化规则：除对两个实体分别转化外，还要为联系单独建立一个关系模式，其属性为两方实体的关键属性加上联系属性，关键属性是两方关键属性的组合【例】供应商与货物（m:n联系）转化为三个关系模式：供应商（供应商号，供应商名，电话，地址）货物（货物代码，货物名称，型号，库存量）采购（供应商号，货物代码，数量）——独立关系模式说明：采购关系的关键字为（供应商号，货物代码）的组合1.6.3数据库设计实例——大学教学管理系统需求描述：对学生选课、教师授课等教学活动进行管理规定：每名学生可同时选修多门课程，每门课程可由多位教师讲授每位教师可讲授多门课程，各学院对教师实行聘任，学生属于某一专业5个实体：学生（学号，姓名，性别，出生年月）课程（课程编号，课程名称，课程类别，学分）1.6.3数据库设计实例——大学教学管理系统（续）教师（教师号，姓名，性别，职称）专业（专业名称，成立年份，专业简介）学院（学院名称，网址，教师人数）1.6.3设计实例——E-R图与联系分析4个实体间联系：①学生—课程：多对多（m:n）②专业—学生：一对多（1:n）③教师—课程：多对多（m:n）④学院—教师：一对多（1:n）E-R图绘制：5个实体（矩形）+4个联系（菱形）+各自属性（椭圆）1.6.3设计实例——E-R图与联系分析（续）根据E-R图，将5个实体和2个m:n联系转化为7个关系模式1.6.3设计实例——关系模式转化结果7个关系模式：①学生(学号，姓名，性别，出生年月，专业名称)含专业名称外键②课程(课程编号，课程名称，课程类别，学分)③选课(学号，课程编号，成绩)m:n联系转化的独立关系④教师(教师号，姓名，性别，职称，学院名称，聘任时间)含学院名称外键⑤授课(教师号，课程编号，上课教室)m:n联系转化的独立关系1.6.3设计实例——关系模式转化结果（续）⑥学院(学院名称，网址，教师人数)⑦专业(专业名称，成立年份，专业简介)转化要点：1