數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用：第2章 關(guān)系模型和關(guān)系數(shù)據(jù)庫

1、第2章 關(guān)系模型和關(guān)系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)模型 數(shù)據(jù)模型是一種用來表達(dá)數(shù)據(jù)的工具。在數(shù)據(jù)模型是一種用來表達(dá)數(shù)據(jù)的工具。在計算機中表示數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型應(yīng)該能夠精確計算機中表示數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型應(yīng)該能夠精確地描述數(shù)據(jù)的靜態(tài)特性、數(shù)據(jù)的動態(tài)特性和地描述數(shù)據(jù)的靜態(tài)特性、數(shù)據(jù)的動態(tài)特性和數(shù)據(jù)完整性約束條件。數(shù)據(jù)完整性約束條件。 因此數(shù)據(jù)模型通常是由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、因此數(shù)據(jù)模型通常是由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)完數(shù)據(jù)完整性整性規(guī)則規(guī)則(講表的重點講表的重點)和和數(shù)據(jù)操作三部分內(nèi)數(shù)據(jù)操作三部分內(nèi)容構(gòu)成。容構(gòu)成。層次數(shù)據(jù)模型 層次數(shù)據(jù)模型（層次數(shù)據(jù)模型（hierarchical data model）的基本結(jié)構(gòu)是一種倒掛樹狀結(jié)構(gòu)。的基本結(jié)構(gòu)是

2、一種倒掛樹狀結(jié)構(gòu)。 樹結(jié)構(gòu)具有如下的特征（或限制條件）：樹結(jié)構(gòu)具有如下的特征（或限制條件）：l有且僅有一個根結(jié)點，它是一個無父結(jié)點的結(jié)有且僅有一個根結(jié)點，它是一個無父結(jié)點的結(jié)點。點。l除根結(jié)點以外的所有其他結(jié)點有且僅有一個父除根結(jié)點以外的所有其他結(jié)點有且僅有一個父結(jié)點。結(jié)點。網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型網(wǎng)狀模型（網(wǎng)狀模型（Network Model）是層次模型）是層次模型的擴展，它表示多個從屬關(guān)系的層次結(jié)構(gòu)，的擴展，它表示多個從屬關(guān)系的層次結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)一種交叉關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀模型呈現(xiàn)一種交叉關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀模型是有向是有向“圖圖”結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。其主要特征如下：其主要特征如下：l允許一個以上的結(jié)點無父結(jié)點。

3、允許一個以上的結(jié)點無父結(jié)點。l一個結(jié)點可以有多于一個的父結(jié)點。一個結(jié)點可以有多于一個的父結(jié)點。關(guān)系數(shù)據(jù)模型（重點） 關(guān)系數(shù)據(jù)模型是一個滿足一定條件的二關(guān)系數(shù)據(jù)模型是一個滿足一定條件的二維表格。維表格。滿足關(guān)系模型的二維表格是個規(guī)則的二滿足關(guān)系模型的二維表格是個規(guī)則的二維表格，它的每一行維表格，它的每一行是唯一的是唯一的，每一列，每一列也也是唯一的是唯一的。在關(guān)系數(shù)據(jù)模型中，這樣。在關(guān)系數(shù)據(jù)模型中，這樣一個二維表格稱為關(guān)系，表格的第一行一個二維表格稱為關(guān)系，表格的第一行是屬性名，后續(xù)的每一行稱為元組。每是屬性名，后續(xù)的每一行稱為元組。每一列是一個屬性，同一屬性的取值范圍一列是一個屬性，同一屬性的

4、取值范圍相同。相同。 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 關(guān)系（關(guān)系（relation）：一個二維表格。）：一個二維表格。屬性（屬性（attribute）：表（關(guān)系）的每一列）：表（關(guān)系）的每一列必須有一個名字稱為屬性。必須有一個名字稱為屬性。元組（元組（tuple）：表（關(guān)系）的每一行稱為）：表（關(guān)系）的每一行稱為一個元組。一個元組。 域（域（domain）：表（關(guān)系）的每一屬性有）：表（關(guān)系）的每一屬性有一個取值范圍，稱為域。域是一組具有相一個取值范圍，稱為域。域是一組具有相同數(shù)據(jù)類型的值的集合。同數(shù)據(jù)類型的值的集合。 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵字（關(guān)鍵字（key）：又稱主屬性，）：又稱主屬性，可以唯一地可以

5、唯一地標(biāo)識標(biāo)識一個元組（一行）的一個屬性或多個屬性的組合。一個元組（一行）的一個屬性或多個屬性的組合?？梢云鸬竭@樣作用的關(guān)鍵字有兩類：候選關(guān)鍵字可以起到這樣作用的關(guān)鍵字有兩類：候選關(guān)鍵字和主關(guān)鍵字。和主關(guān)鍵字。l候選關(guān)鍵字候選關(guān)鍵字 （candidate key）：一個關(guān)系中）：一個關(guān)系中可以唯一可以唯一地地標(biāo)識一個元組（一行）的一個屬性或多個屬性的組標(biāo)識一個元組（一行）的一個屬性或多個屬性的組合。一個關(guān)系中可以有多個候選關(guān)鍵字。合。一個關(guān)系中可以有多個候選關(guān)鍵字。l主關(guān)鍵字（主關(guān)鍵字（primary key）：把關(guān)系中的一個候選關(guān)鍵）：把關(guān)系中的一個候選關(guān)鍵字定義為主關(guān)鍵字。一個關(guān)系中只能有

6、一個主關(guān)鍵字，字定義為主關(guān)鍵字。一個關(guān)系中只能有一個主關(guān)鍵字，用以唯一地用以唯一地標(biāo)識元組，簡稱為關(guān)鍵字。標(biāo)識元組，簡稱為關(guān)鍵字。 關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)外部鍵（外部鍵（foreign key）：如果某個關(guān)系中）：如果某個關(guān)系中的一個屬性或?qū)傩越M合不是所在關(guān)系的主的一個屬性或?qū)傩越M合不是所在關(guān)系的主關(guān)鍵字或候選關(guān)鍵字，但卻是其他關(guān)系的關(guān)鍵字或候選關(guān)鍵字，但卻是其他關(guān)系的主關(guān)鍵字，對這個關(guān)系而言，稱其為外部主關(guān)鍵字，對這個關(guān)系而言，稱其為外部關(guān)鍵字。關(guān)鍵字。關(guān)系模式（關(guān)系模式（relational schema）：關(guān)系模）：關(guān)系模式是對關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述。簡記為：關(guān)式是對關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述。簡記為：

7、關(guān)系名（屬性系名（屬性1，屬性，屬性2，屬性，屬性3，屬性屬性n）。）。關(guān)系模型一個關(guān)系是一個二維表格。一個關(guān)系是一個二維表格。二維表格的每一列是一個屬性。每一列二維表格的每一列是一個屬性。每一列有唯一的有唯一的屬性名。屬性在表中的順序無關(guān)緊要。屬性名。屬性在表中的順序無關(guān)緊要。二維表格的每一列數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型相同，數(shù)據(jù)來二維表格的每一列數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型相同，數(shù)據(jù)來自同一個值域。不同列的數(shù)據(jù)也可以來自同一個自同一個值域。不同列的數(shù)據(jù)也可以來自同一個值域。值域。二維表格中每一行（除屬性名行）是一個元組，二維表格中每一行（除屬性名行）是一個元組，表中不能有重復(fù)的元組（元組表中不能有重復(fù)的元組（元組是唯

8、一的是唯一的），用關(guān)），用關(guān)鍵字（主關(guān)鍵字和候選關(guān)鍵字）來保證元組鍵字（主關(guān)鍵字和候選關(guān)鍵字）來保證元組的唯的唯一性一性。元組在表中的順序無關(guān)緊要。元組在表中的順序無關(guān)緊要。關(guān)系數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫規(guī)范化 關(guān)系數(shù)據(jù)庫是以關(guān)系模型為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫，關(guān)系數(shù)據(jù)庫是以關(guān)系模型為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫，它利用關(guān)系描述現(xiàn)實世界中的對象。它利用關(guān)系描述現(xiàn)實世界中的對象。一個關(guān)系既可用來描述一個實體及其屬性，一個關(guān)系既可用來描述一個實體及其屬性，也可用來描述實體間的聯(lián)系。也可用來描述實體間的聯(lián)系。 關(guān)系數(shù)據(jù)庫規(guī)范化 函數(shù)依賴及其對關(guān)系的影響函數(shù)依賴及其對關(guān)系的影響l函數(shù)依賴是屬性之間的一種聯(lián)系，普遍存在于函數(shù)依賴是屬性之間

9、的一種聯(lián)系，普遍存在于現(xiàn)實生活中。例如，銀行通過客戶的存款帳號，現(xiàn)實生活中。例如，銀行通過客戶的存款帳號，可以查詢到該帳號的余額。可以查詢到該帳號的余額。 l例如：例如：STUDENT (學(xué)號，姓名，性別，出生日期，專業(yè)，學(xué)院，院長學(xué)號，姓名，性別，出生日期，專業(yè)，學(xué)院，院長)函數(shù)依賴關(guān)系是：學(xué)號函數(shù)依賴關(guān)系是：學(xué)號學(xué)院、學(xué)院學(xué)院、學(xué)院院長院長關(guān)系模式經(jīng)常存在的問題l數(shù)據(jù)冗余太大，數(shù)據(jù)在多個元組中不必要地重復(fù)數(shù)據(jù)冗余太大，數(shù)據(jù)在多個元組中不必要地重復(fù) l更新異常，由于數(shù)據(jù)冗余，當(dāng)更新數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)更新異常，由于數(shù)據(jù)冗余，當(dāng)更新數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)要付出很大的代價來維護(hù)數(shù)據(jù)庫的完整時，系統(tǒng)要付出很

10、大的代價來維護(hù)數(shù)據(jù)庫的完整性。性。 l插入異常。插入異常。l刪除異常，如果刪除一組屬性，帶來的副作用可刪除異常，如果刪除一組屬性，帶來的副作用可能是丟失了一些其他信息。能是丟失了一些其他信息。規(guī)范化范式 每個規(guī)范化的關(guān)系只有一個主題。如果某個關(guān)系有每個規(guī)范化的關(guān)系只有一個主題。如果某個關(guān)系有兩個或多個主題，就應(yīng)該分解為多個關(guān)系，每個關(guān)兩個或多個主題，就應(yīng)該分解為多個關(guān)系，每個關(guān)系只能有一個主題。規(guī)范化的過程就是不斷分解關(guān)系只能有一個主題。規(guī)范化的過程就是不斷分解關(guān)系的過程。系的過程。 關(guān)系規(guī)范化理論認(rèn)為，關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的每一個關(guān)系關(guān)系規(guī)范化理論認(rèn)為，關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的每一個關(guān)系都要滿足一定的規(guī)范。根

11、據(jù)滿足規(guī)范的條件不同，都要滿足一定的規(guī)范。根據(jù)滿足規(guī)范的條件不同，可以化分為可以化分為6個等級個等級5個范式，分別稱為第一范式個范式，分別稱為第一范式（1NF），第二范式（），第二范式（2NF），第三范式（），第三范式（3NF），），修正的第三范式（修正的第三范式（BCNF），第四范式（），第四范式（4NF），），第五范式（第五范式（5NF），），NF是（是（Normal Form）的縮寫。）的縮寫。第一范式（1NF ） 關(guān)系模式都滿足第一范式，即符合關(guān)系定關(guān)系模式都滿足第一范式，即符合關(guān)系定義義 的二維表格（關(guān)系）都滿足第一范式。列的二維表格（關(guān)系）都滿足第一范式。列的取值只能是原子數(shù)據(jù)；每

12、一列的數(shù)據(jù)類型的取值只能是原子數(shù)據(jù)；每一列的數(shù)據(jù)類型相同，每一列相同，每一列有唯一的有唯一的列名（屬性）；列的列名（屬性）；列的先后順序無關(guān)緊要，行的先后順序無關(guān)緊要。先后順序無關(guān)緊要，行的先后順序無關(guān)緊要。 第二范式（2NF） 關(guān)系的每一個非關(guān)鍵字屬性都完全函數(shù)依關(guān)系的每一個非關(guān)鍵字屬性都完全函數(shù)依賴于關(guān)鍵字屬性，則關(guān)系滿足第二范式。賴于關(guān)鍵字屬性，則關(guān)系滿足第二范式。 第二范式要求每個關(guān)系只包含一個實體集第二范式要求每個關(guān)系只包含一個實體集的信息，所有非關(guān)鍵字屬性依賴關(guān)鍵字屬性。的信息，所有非關(guān)鍵字屬性依賴關(guān)鍵字屬性。每個以單個屬性作為主鍵的關(guān)系自動滿足第每個以單個屬性作為主鍵的關(guān)系自動滿

13、足第二范式。二范式。第三范式 （3NF） 關(guān)系的所有非關(guān)鍵字屬性相互獨立，任何關(guān)系的所有非關(guān)鍵字屬性相互獨立，任何屬性其屬性值的改變不應(yīng)影響其他屬性，則屬性其屬性值的改變不應(yīng)影響其他屬性，則該關(guān)系滿足第三范式。該關(guān)系滿足第三范式。 一個關(guān)系滿足第二范式，同時沒有傳遞依一個關(guān)系滿足第二范式，同時沒有傳遞依賴，則該關(guān)系滿足第三范式。賴，則該關(guān)系滿足第三范式。規(guī)范化的規(guī)則 每個關(guān)系只包含一個實體集，每個實體集每個關(guān)系只包含一個實體集，每個實體集只有一個主題；只有一個主題；每個關(guān)系有一個主鍵；每個關(guān)系有一個主鍵；屬性中只包含原子數(shù)據(jù)；屬性中只包含原子數(shù)據(jù)；不能有重復(fù)屬性。不能有重復(fù)屬性。關(guān)系數(shù)據(jù)完整性

14、規(guī)則 實體完整性規(guī)則實體完整性規(guī)則l保證關(guān)系中保證關(guān)系中元組唯一的元組唯一的特性。通過關(guān)系特性。通過關(guān)系的主關(guān)鍵字和候選關(guān)鍵字實現(xiàn)。的主關(guān)鍵字和候選關(guān)鍵字實現(xiàn)。 域完整性規(guī)則域完整性規(guī)則l保證關(guān)系中屬性取值正確、有效的特性。保證關(guān)系中屬性取值正確、有效的特性。例如，定義屬性的數(shù)據(jù)類型、設(shè)置屬性例如，定義屬性的數(shù)據(jù)類型、設(shè)置屬性的有效性規(guī)則等。的有效性規(guī)則等。 關(guān)系數(shù)據(jù)完整性規(guī)則參照完整性規(guī)則參照完整性規(guī)則l與關(guān)系之間的聯(lián)系有關(guān)，包括插入規(guī)則、與關(guān)系之間的聯(lián)系有關(guān)，包括插入規(guī)則、刪除規(guī)則和更新規(guī)則刪除規(guī)則和更新規(guī)則 。用戶定義完整性規(guī)則用戶定義完整性規(guī)則l為滿足用戶特定需要而設(shè)定的規(guī)則。為滿足用

15、戶特定需要而設(shè)定的規(guī)則。 實體模型轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式 為每個實體定義一個關(guān)系，實體的名字就為每個實體定義一個關(guān)系，實體的名字就是關(guān)系的名字；是關(guān)系的名字；實體的屬性就是關(guān)系的屬性；實體的屬性就是關(guān)系的屬性；實體的鍵是關(guān)系的主關(guān)鍵字；實體的鍵是關(guān)系的主關(guān)鍵字；實體之間的聯(lián)系轉(zhuǎn)換為關(guān)系之間的聯(lián)系，實體之間的聯(lián)系轉(zhuǎn)換為關(guān)系之間的聯(lián)系，關(guān)系之間的聯(lián)系是通過外部關(guān)鍵字來體現(xiàn)關(guān)系之間的聯(lián)系是通過外部關(guān)鍵字來體現(xiàn)的。的。 一對一聯(lián)系的轉(zhuǎn)換 兩個實體之間的聯(lián)系最簡單的形式是一對兩個實體之間的聯(lián)系最簡單的形式是一對一（一（1 1）聯(lián)系。）聯(lián)系。1 1聯(lián)系的聯(lián)系的E-R模型轉(zhuǎn)模型轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型時，每個實體用一個關(guān)系表

16、換為關(guān)系模型時，每個實體用一個關(guān)系表示，然后將其中一個關(guān)系的關(guān)鍵字置于另示，然后將其中一個關(guān)系的關(guān)鍵字置于另一個關(guān)系中，使之成為另一個關(guān)系的外部一個關(guān)系中，使之成為另一個關(guān)系的外部關(guān)鍵字。關(guān)系模式中帶有下劃線的屬性是關(guān)鍵字。關(guān)系模式中帶有下劃線的屬性是關(guān)系的主關(guān)鍵字。關(guān)系的主關(guān)鍵字。 一對多聯(lián)系的轉(zhuǎn)換 一對多（一對多（1 n）聯(lián)系的）聯(lián)系的E-R模型中，通常模型中，通常把把“1”方（一方）實體稱為方（一方）實體稱為“父父”方，方，“n”方（多方）實體稱為方（多方）實體稱為“子子”方。方。1 n聯(lián)系的表示簡單而且直觀。一個實體用一聯(lián)系的表示簡單而且直觀。一個實體用一個關(guān)系表示，然后把父實體關(guān)系中

17、的關(guān)鍵個關(guān)系表示，然后把父實體關(guān)系中的關(guān)鍵字置于子實體關(guān)系中，使其成為子實體關(guān)字置于子實體關(guān)系中，使其成為子實體關(guān)系中的外部關(guān)鍵字。系中的外部關(guān)鍵字。E-R 模型轉(zhuǎn)換為關(guān)系數(shù)據(jù)模型的方法 聯(lián)系類型聯(lián)系類型方方 法法1111一個關(guān)系的主關(guān)鍵字置于另一個關(guān)一個關(guān)系的主關(guān)鍵字置于另一個關(guān)系中系中1n1n父關(guān)系（一方）的主關(guān)鍵字置于子父關(guān)系（一方）的主關(guān)鍵字置于子關(guān)系（多方）中關(guān)系（多方）中mnmn分解成兩個分解成兩個1 n關(guān)系。建立關(guān)系。建立“紐帶紐帶關(guān)系關(guān)系”，兩個父關(guān)系的關(guān)鍵字置于，兩個父關(guān)系的關(guān)鍵字置于紐帶關(guān)系中，紐帶關(guān)系是兩個父關(guān)紐帶關(guān)系中，紐帶關(guān)系是兩個父關(guān)系的子關(guān)系系的子關(guān)系多對多聯(lián)系的

18、轉(zhuǎn)換 多對多（多對多（m n）聯(lián)系的）聯(lián)系的E-R數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換為關(guān)系數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換策略是把一個為關(guān)系數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換策略是把一個m n聯(lián)系分解為兩個聯(lián)系分解為兩個1 n聯(lián)系，分解的聯(lián)系，分解的方法是建立第三個關(guān)系（稱為方法是建立第三個關(guān)系（稱為“紐帶紐帶”關(guān)關(guān)系）。原來的兩個多對多實體分別對應(yīng)兩系）。原來的兩個多對多實體分別對應(yīng)兩個父關(guān)系，新建立第三個關(guān)系，作為兩個個父關(guān)系，新建立第三個關(guān)系，作為兩個父關(guān)系的子關(guān)系，子關(guān)系中的必有屬性是父關(guān)系的子關(guān)系，子關(guān)系中的必有屬性是兩個父關(guān)系的關(guān)鍵字。兩個父關(guān)系的關(guān)鍵字。關(guān)系運算集合運算 傳統(tǒng)的集合運算包括并、差、交、廣義笛傳統(tǒng)的集合運算包括并

19、、差、交、廣義笛卡爾積四種運算?？柗e四種運算。設(shè)關(guān)系設(shè)關(guān)系A(chǔ)和關(guān)系和關(guān)系B都具有都具有n個屬性，且相應(yīng)個屬性，且相應(yīng)屬性值取自同一個值域，則可以定義并、屬性值取自同一個值域，則可以定義并、差、交和積運算。差、交和積運算。并運算兩個已知關(guān)系兩個已知關(guān)系R和和S的并將產(chǎn)生一個包含的并將產(chǎn)生一個包含R、S中中所有不同元組的新關(guān)系。記作：所有不同元組的新關(guān)系。記作：RS。 差運算兩個已知關(guān)系兩個已知關(guān)系R和和S的差，是所有屬于的差，是所有屬于R但不屬于但不屬于S的元組組成的新關(guān)系。記作：的元組組成的新關(guān)系。記作：R-S。交運算兩個已知關(guān)系兩個已知關(guān)系R和和S的交，是屬于的交，是屬于R而且也屬于而且也

20、屬于S的元組組成的新關(guān)系。記作：的元組組成的新關(guān)系。記作：RS。積運算兩個已知關(guān)系兩個已知關(guān)系R和和S的積，是的積，是R中每個元組中每個元組與與S中每個元組連接組成的新關(guān)系。記作：中每個元組連接組成的新關(guān)系。記作：RS。如果關(guān)系如果關(guān)系R有有m個元組，關(guān)系個元組，關(guān)系S有有n個元組，個元組，關(guān)系關(guān)系R與關(guān)系與關(guān)系S的積運算是指一個關(guān)系中的的積運算是指一個關(guān)系中的每個元組與另一個關(guān)系中的每個元組相聯(lián)每個元組與另一個關(guān)系中的每個元組相聯(lián)接形成新的關(guān)系接形成新的關(guān)系C。關(guān)系。關(guān)系C中有中有mn個元個元組。關(guān)系組。關(guān)系R和關(guān)系和關(guān)系S積運算記作積運算記作RS。關(guān)系運算 專門的關(guān)系操作包括投影、選擇和聯(lián)接。專門的關(guān)系操作包括投影、選擇和聯(lián)接。 投影 投影操作是指從一個或多個關(guān)系中選擇若干個屬投影操作是指從一個或多個關(guān)系中選擇若干個屬性組成新的關(guān)系。投影操作取得垂直方向上關(guān)系性組成新的關(guān)系。投影操作取得垂直方向上關(guān)系的子集（列），即投影是從關(guān)系中選擇列。投影的子集（列），即投影是從關(guān)系中選擇列。投影可用于