第2章关系数据库及其语言.ppt

1、华东理工大学信息学院计算机系,数据库原理 An Introduction to Database System 第二章 关系数据库及其语言,2,掌握,难点,举一反三,了解,关系数据库产品的发展和演变,关系模型的三个组成部分及各部分的主要内容 关系的三类完整性约束的概念 SQL语言的特点,关系代数的各种运算 SQL语言查询、插入、更新和删除 视图定义,关系代数 SQL的复杂查询,SQL语言的基本概念,第二章 关系数据库及其语言,2.1 关系模型 2.2 关系代数 2.3 关系演算 2.4 数据库标准语言SQL,2.1 关系模型,2.1.1 关系模型的特点 2.1.2 关系数据结构 2.1.3 关

2、系数据操作 2.1.4 关系的完整性,2.1.1 关系模型特点,特点： 结构简单，表达力强 语言的一体化 非过程化的操作 坚实的数学基础 操作效率较低,关系DB系统 是支持关系模型的DB系统,组成： 关系数据结构 关系数据操作 关系完整性约束,2.1.2 关系数据结构,域（Domain）：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 介于某个取值范围的日期,1. 笛卡尔积（Cartesian Product）,1) 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，d2

3、，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,例 给出三个域： D1=SUPERVISOR = 张清玫，刘逸 D2=SPECIALITY=计算机专业，信息专业 D3=POSTGRADUATE=李勇，刘晨，王敏 则D1，D2，D3的笛卡尔积为： D1D2D3 (张清玫，计算机专业，李勇)，(张清玫，计算机专业，刘晨)， (张清玫，计算机专业，王敏)，(张清玫，信息专业，李勇)， (张清玫，信息专业，刘晨)，(张清玫，信息专业，王敏)， (刘逸，计算机专业，李勇)，(刘逸，计算机专业，刘晨)， (刘逸，计算机专业，王敏)，(刘逸，信息专业，李勇)， (刘逸，

4、信息专业，刘晨)，(刘逸，信息专业，王敏) ,2. 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） R：关系名 n：关系的目或度（Degree）,2. 关系,例 在表2.1 的笛卡尔积中取出有实际意义的元组 来构造关系 关系：SAP(SUPERVISOR，SPECIALITY，POSTGRADUATE) 关系名，属性名 假设：导师与专业：1:1，导师与研究生：1:n 于是：SAP关系可以包含三个元组 (张清玫，信息专业，李勇)， (张清玫，信息专业，刘晨)， (刘逸，计算机专业，王敏) ,2. 关系,例如：我们给出三个域

5、： D1=姓名集合（NAME）=丁平，张刚，刘丽 D2=性别集合（SEX）=男，女 D3=年龄集合（AGE）=17，19，21 假如上面的丁平、张刚、刘丽是三个学生的名字，他们的年龄都在D3域内，则从上述笛卡儿积的18个元组中，必能找出符合这三个学生情况的三个元组。用二维表来表示，他们的内容可能如下表所示。,则D1 D2 D3= （丁平，男，17），（丁平，男，19），（丁平，男，21）， （丁平，女，17），（丁平，女，19），（丁平，女，21）， （张刚，男，17），（张刚，男，19），（张刚，男，21）， （张刚，女，17），（张刚，女，19），（张刚，女，21）， （刘丽，男，17），

6、（刘丽，男，19），（刘丽，男，21）， （刘丽，女，17），（刘丽，女，19），（刘丽，女，21） 共有18个元组，它构成了以元组为元素的集合。,2. 关系,它的一个有意义的子集才是关系,关系的类型 ： 基本关系 查询表 视图表,2 关系,4)术语： 候选键 主键、主属性 非主属性 外键（外来关键字） 外键提供了一种表示两个关系联系的方法 全键 。,S(Sno，Cardno，Sname，Sage) SC(Sno，Cno，Grade),主键,两个主属性,非主属性,3. 关系的性质,列是同质的（Homogeneous） 每一列中的分量是同一类型的数据，来自同 一个域 不同的列可出自同一个域 其中

7、的每一列称为一个属性 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,3. 关系的性质, 任意两个元组不能完全相同 由笛卡尔积的性质决定 行的顺序无所谓 行的次序可以任意交换 分量必须取原子值 每一个分量都必须是不可分的数据项。 这是规范条件中最基本的一条,4 关系模式,关系模式通常可以简记为 R (U) 或 R (A1，A2，An) R 关系名 A1，A2，An 属性名 域名及属性向域的映象常常直接说明为 属性的类型、长度,实例：学生关系模式可简记为： 学生（学号，姓名，年龄，性别，籍贯）,5 关系数据库,在一个给定的应用领域中，所有实体及实体之间联系的关系的集合构成一个

8、关系数据库。,关系数据库也有型和值之分 关系数据库的型称为关系数据库模式，是对关系数据库的描述 若干域的定义 在这些域上定义的若干关系模式 关系数据库的值是这些关系模式在某一时刻对应的关系的集合，通常简称为关系数据库,2.1.3 关系数据操作,1 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，并可等价代替其它操作，但等价代替不是最方便快捷的。 关系操作的特点 集合操作方式：操作的对象和结果都是集合，一次一集合的方式,2 关系数据库语言的分类,关系代数语言 用对关系的运算来表达查询

9、要求 代表：ISBL 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：QBE 具有关系代数和关系演算双重特点的语言 代表：SQL（Structured Query Language）,2.1.4 关系的完整性,关系模型的完整性规则是对关系的某种约束条件。 关系模型中三类完整性约束： 实体完整性 参照完整性 用户定义的完整性 实体完整性和参照完整性是关系模型必须满足的完整性约束条件，被称作是关系的两个不变性，应该由关系系统自动支持。,1 实体完整性,实体完整性规则（Entity I

10、ntegrity） 若属性A是基本关系R的主属性，则属性A不能取空值，且主键值不能重复。 例 学生的学号不能为空，如果为空，那么这个学生就不存在。 SAP(SUPERVISOR，SPECIALITY，POSTGRADUATE) POSTGRADUATE属性为主属性 （假设研究生不会重名），则其不能取空值,1 实体完整性,注意 实体完整性规则规定基本关系的所有 主属性都不能取空值 例 选修（学号，课程号，成绩） (学号，课程号)为主码，则两个属性都不能取空值。,关系间的引用,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 学生实体、专业实体以及专业

11、与学生 间的一对多联系 学生（学号，姓名，性别，专业号，年龄） 专业（专业号，专业名）,学生（学号，姓名，性别，专业号，年龄）专业（专业号，专业名）,1. 关系间的引用,例2 学生、课程、学生与课程之间的多对 多联系 学生（学号，姓名，性别，专业号，年龄） 课程（课程号，课程名，学分） 选修（学号，课程号，成绩）,学生,学生选课,课程,关系间的引用,例3 学生实体及其内部的领导联系(一对多) 学生（学号，姓名，性别，专业号，年龄，班长）,外键（Foreign Key）,设F是基本关系R的一个或一组属性，但不 是关系R的候选键。如果F与基本关系S的主键 Ks相对应，则称F是基本关系R的外键 基本

12、关系R称为参照关系（Referencing Relation） 基本关系S称为被参照关系（Referenced Relation）或目标关系（Target Relation）。,外键,说明 关系R和S不一定是不同的关系 目标关系S的主键Ks 和参照关系的外键F必须定义在同一个（或一组）域上 外键并不一定要与相应的主键同名 当外键与相应的主键属于不同关系时，往往取相同的名字，以便于识别,2 参照完整性规则,若属性（或属性组）F是基本关系R的外键 它与基本关系S的主键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： 或者取空值（F 的每个属性值均为空值） 或

13、者等于S 中某个元组的主键值。,2 参照完整性规则,学生关系中每个元组的“专业号”属性只 取下面两类值： （1）空值，表示尚未给该学生分配专业 （2）非空值，这时该值必须是专业关系中某个元组的“专业号”值，表示该学生不可能分配到一个不存在的专业中,2 参照完整性规则,选修（学号，课程号，成绩） “学号”和“课程号”是选修关系中的主属性 按照实体完整性和参照完整性规则，它们 只能取相应被参照关系中已经存在的主键 值,2 参照完整性规则,学生（学号，姓名，性别，专业号，年龄，班长） “班长”属性值可以取两类值： （1）空值，表示该学生所在班级尚未选出班长，或该学生本人即是班长； （2）非空值，这时

14、该值必须是本关系中某个元组的学号值,3 用户定义的完整性,用户定义的完整性是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。 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。,3 用户定义的完整性,例: 课程(课程号，课程名，学分) “课程名”属性必须取唯一值 非主属性“课程名”也不能取空值 “学分”属性只能取值1，2，3，4,2.2 关系代数,2.2.1 传统的集合运算 2.2.2 专门的关系运算 2.2.3 扩充的关系运算,集合运算符 将关系看成元组的集合 运算是从关系的“水平”方向即行的角度来进行

15、专门的关系运算符 不仅涉及行而且涉及列 扩充的关系运算 算术比较符 辅助专门的关系运算符进行操作 逻辑运算符 辅助专门的关系运算符进行操作,概述,表2.4 关系代数运算符,关系代数运算的运算符,表2.4 关系代数运算符（续）,关系代数运算的运算符,表示记号,（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 t Ai则表示元组t 中相应于属性Ai的一个分量,表示记号,（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

16、)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。,表示记号,（3） tr ts R为n目关系，S为m目关系。tr R，tsS， tr ts称为元组的连接。它是一个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。,表示记号,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（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。,2.2.1 传统的集合运算,1. 并 2. 差 3. 交 4. 广义笛卡尔积,1. 并（

17、Union）,R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 RS 仍为n目关系，由属于R或属于S的元组组成 RS = t|t Rt S ,1. 并(续),R,S,RS,2. 差（Difference）,R和S 具有相同的目n 相应的属性取自同一个域 R - 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 ,2. 差,R,S,R-S,3. 交（Intersection）,R和S 具有相同的目n 相应的属性取自同一个域 RS 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）,3. 交,R,S

18、,R S,4. 广义笛卡尔积（Extended Cartesian Product）,R n目关系，k1个元组 S m目关系，k2个元组 RS 列：（n+m）列的元组的集合 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 ,4. 广义笛卡尔积,R,S,R S,2.2.2 专门的关系运算,1. 选择 2. 投影 3. 连接 4. 除,1. 选择（Selection）,1) 选择又称为限制（Restriction） 2) 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，

19、是一个逻辑表达式，基本形式为： ( X1Y1 ) ( X2Y2 ) ：比较运算符（，或） X1，Y1等：属性名、常量、简单函数；属性名也可以用它的序号来代替； ：逻辑运算符（或） ：表示任选项 ：表示上述格式可以重复下去,1. 选择,3) 选择运算是从行的角度进行的运算 4) 举例 设有一个学生-课程数据库，包括学生关系Student、课程关系Course和选修关系SC。,实例,(a),Student,例1,例2,例4,例3,例9,实例,(b),Course,例9,实例,(c),SC,例8,例9,1. 选择（续）,例1 查询信息系（IS系）全体学生 Sdept = IS (Student) 或

20、 5 =IS (Student) 结果：,1. 选择（续）,例2 查询年龄小于20岁的学生 Sage 20(Student) 或 4 20(Student) 结果：,2. 投影（Projection）,1）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（Projection）,2）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）,2. 投影（续）,3) 举例 例3 查询学生的姓名和所在系 即求Student关系上学生姓名和所在系两个属性上的投影 Sname，Sdept

21、(Student) 或 2，5(Student) 结果：,2. 投影（续）,2. 投影（续）,例4 查询学生关系Student中都有哪些系 Sdept(Student) 结果：,3. 连接（Join）,1）连接也称为连接 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。,3. 连接,3）两类常用连接运算 等值连接（equijoin） 什么是等值连接 为“”

22、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=B,3. 连接(续),自然连接（Natural join） 什么是自然连接 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 ,3. 连接(续),4）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。,3. 连接(续),5）举例 例

23、5,R,S,3. 连接(续),R S,3. 连接(续),等值连接 R S,3. 连接(续),自然连接 R S,3. 连接(续),6) 外连接（Outer join） 什么是外连接 如果把舍弃的元组也保存在结果关系中，而其他属性上填充值(NULL)，就称为外连接。 什么是左外连接 如果只把左边关系R中要舍弃的元组保留称为左外连接 什么是右外连接 如果只把右边关系S中要舍弃的元组保留下来称为右外连接,3. 连接(续),外连接,3. 连接(续),左外连接,3. 连接(续),右外连接,4. 除（Division）,给定关系R (X，Y) 和S (Y，Z)，其中X，Y，Z为属性组。 R与S的除运算得到一

24、个新的关系P(X)，P是R中 满足下列条件的元组在X属性列上的投影：元组在X上分 量值x的象集Yx包含S在Y上投影的集合。 RS = tr X | tr RY (S) Yx Yx：x在R中的象集，x = trX,4. 除,2）除操作是同时从行和列角度进行运算 3）举例 例6,除法示例(例2.8):,例RWi的运算结果可理解为： R中包含Wi属性值的那些元组在R与Wi的属性名之差（即S#）上的投影。,4. 除,R,S,Y,X,RS,X,4. 除(续),4）象集Yx 给定一个关系R（X，Y），X和Y为属性组。当tX=x时，x在R中的象集（Images Set）为： Yx=tY|t R，tX=x 它

25、表示R中属性组X上值为x的诸元组在Y上分量的集合。,分析：,在关系R中，A可以取四个值a1，a2，a3，a4 a1的象集为 (b1，c2)，(b2，c3)，(b2，c1) a2的象集为 (b3，c7)，(b2，c3) a3的象集为 (b4，c6) a4的象集为 (b6，c6) S在(B，C)上的投影为 (b1，c2)，(b2，c1)，(b2，c3) 只有a1的象集包含了S在(B，C)属性组上的投影 所以 RS =a1,4. 除(续),R,S,5综合举例,然后求：Sno, Cno(SC)K,例7 查询至少选修1号课程和3号课程的学生号码,首先建立一个临时关系K：,5. 综合举例(续),例 7续

26、Sno, Cno(SC) 95001象集1，2，3 95002象集2，3 Cno(K)=1，3 于是：Sno, Cno(SC)K=95001,5. 综合举例(续),例 8 查询选修了2号课程的学生的学号。 Sno（Cno=2（SC） 95001，95002,5. 综合举例(续),例9 查询至少选修了一门其直接先行课为5号课程的课程的学生姓名。 Sname(Cpno=5(Course SC Student) 或 Sname(Cpno=5(Course) SC Sno，Sname(Student) 或 Sname (Sno (Cpno=5 (Course) SC) Sno，Sname (Stude

27、nt),5. 综合举例(续),例10 查询选修了全部课程的学生号码和姓名。 Sno，Cno（SC）Cno（Course） Sno，Sname（Student）,实例分析,有如下关系模式： T (Tno, Tname, Type, Credit, Hours, Ptno) 课程 (课程号,课程名,课程类型,学分, 学时, 先修课) C (Cno, Tno, Cterm, Teacher) 已开课表(已开课号,课程号,开课学期, 主讲教师) S (Sno, Sname, Sex, Birth, Native, Spno) 学生(学号, 姓名, 性别, 出生日期, 籍贯, 专业编码) S-C (Sn

28、o, Cno, Grade,) 学生选课(学号, 已开课号, 成绩),实例分析,(1) 查询2002年第2学期(2002-2)开出的课程的编号、名称和学分,(2) 查询李勇老师承担的课程编号,Tno(Teacher=李勇(C),实例分析,(3) 求张文老师2002年第2学期(2002-2)承担的课程名称、学时数,(4) 查询籍贯为“湖北武汉”的全体学生,Native=湖北武汉(S),实例分析,(5) 查1983年元旦以后出生的全体男生,Birth1983/01/01 Sex=男(S),(6) 求学号为010301的学生2002年第2学期选修的课程名和学分,实例分析,(7) 求选修“C语言”的学生学号及成绩,(8) 求至少选修了一门其先行课程编号为“12102”课程的学生学号和姓名,实例分析,(