大學(xué)計算機基礎(chǔ)-09數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)

第9章 數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)9.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念9.2數(shù)據(jù)模型9.3關(guān)系代數(shù)9.4數(shù)據(jù)庫設(shè)計習(xí)題2/5/202311．?dāng)?shù)據(jù)數(shù)據(jù)（Data）實際上就是描述事物的符號記錄。

2．?dāng)?shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫（Database，簡稱DB）是數(shù)據(jù)的集合，它具有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)形式并存放于統(tǒng)一的存儲介質(zhì)內(nèi)，是多種應(yīng)用數(shù)據(jù)的集成，并可被各個應(yīng)用程序所共享。

9.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念

9.1.1數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

2/5/202323．?dāng)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DatabaseManagementSystem，簡稱DBMS）是數(shù)據(jù)庫的機構(gòu)，它是一種系統(tǒng)軟件，負責(zé)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)維護、控制及保護和數(shù)據(jù)服務(wù)等。

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心。2/5/20233數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供：

數(shù)據(jù)定義語言（DataDefinitionLanguage簡稱DDL）。該語言負責(zé)數(shù)據(jù)的模式定義與數(shù)據(jù)的物理存取構(gòu)建。

數(shù)據(jù)操縱語言（DataManipulationsLanguage簡稱DML）。該語言負責(zé)數(shù)據(jù)的操縱，包括查詢及增、刪、改等操作。數(shù)據(jù)控制語言（DataControlLanguage。簡稱DCL）。該語言負責(zé)數(shù)據(jù)完整性、安全性的定義與檢查以及并發(fā)控制、故障恢復(fù)等功能。

2/5/202344．?dāng)?shù)據(jù)庫管理員由于數(shù)據(jù)庫的共享性，因此對數(shù)據(jù)庫的規(guī)劃、設(shè)計、維護、監(jiān)視等需要有專人管理，稱他們?yōu)閿?shù)據(jù)庫管理員（DatabaseAdministrator簡稱DBA）。5．?dāng)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DatabaseSystem簡稱DBS）由如下幾部分組成：數(shù)據(jù)庫（數(shù)據(jù)）、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（軟件）、數(shù)據(jù)庫管理員（人員）、系統(tǒng)平臺之一——硬件平臺（硬件）、系統(tǒng)平臺之二——軟件平臺（軟件）。這五個部分構(gòu)成了一個以數(shù)據(jù)庫為核心的完整的運行實體，稱為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。2/5/202356．?dāng)?shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)（DatabaseApplicationSystem簡稱DBAS)利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行應(yīng)用開發(fā)可構(gòu)成一個數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)再加上應(yīng)用軟件及應(yīng)用界面這三者所組成，具體包括：數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員，硬件平臺、軟件平臺、應(yīng)用軟件、應(yīng)用界面。

2/5/20236數(shù)據(jù)管理經(jīng)歷了三個階段：人工管理階段：硬件無磁盤，直接存取。文件系統(tǒng)階段：簡單的數(shù)據(jù)共享與數(shù)據(jù)管理能力。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段：統(tǒng)一管理與共享數(shù)據(jù)。

9.1.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展2/5/202379.1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本特點1．?dāng)?shù)據(jù)的集成性：在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中按照多個應(yīng)用的需要組織全局的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（即數(shù)據(jù)模式）。2．?dāng)?shù)據(jù)的高共享性與低冗余性。3．?dāng)?shù)據(jù)獨立性：（1）物理獨立性（2）邏輯獨立性

2/5/202384．?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)一管理與控制：包含以下三個方面：（l）數(shù)據(jù)的完整性檢查:數(shù)據(jù)的正確性；（2）數(shù)據(jù)的安全性保護：防止非法訪問；（3）并發(fā)控制：控制多個程序同時訪問。2/5/202399.1.4數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系三級模式：外部級模式；概念級模式；內(nèi)部級模式。二級映射：外部級到概念級的映射；概念級到內(nèi)部級的映射。2/5/202310應(yīng)用外模式（用戶數(shù)據(jù)庫）應(yīng)用外模式（用戶數(shù)據(jù)庫）應(yīng)用外模式（用戶數(shù)據(jù)庫）概念模式（概念數(shù)據(jù)庫）內(nèi)模式（物理數(shù)據(jù)庫）數(shù)據(jù)庫外模式—概念模式映射概念模式—內(nèi)模式映射DBA視圖用戶視圖系統(tǒng)程序員視圖2/5/2023119.2數(shù)據(jù)模型9.2.1數(shù)據(jù)模型的基本概念

數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)特征的抽象，數(shù)據(jù)模型可將現(xiàn)實世界要求反映到數(shù)據(jù)庫中的物理結(jié)構(gòu)上。

現(xiàn)實世界：需用數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)部分需求。信息世界：對現(xiàn)實世界進行抽象所構(gòu)成的邏輯模型。計算機世界：將信息世界描述轉(zhuǎn)化成計算機物理結(jié)構(gòu)上的描述，從而形成物理模型。2/5/202312數(shù)據(jù)模型所描述的內(nèi)容有三個部分，它們是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作與數(shù)據(jù)約束。（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：主要描述數(shù)據(jù)的類型、內(nèi)容、性質(zhì)以及數(shù)據(jù)間的聯(lián)系等。（2）數(shù)據(jù)操作：主要描述在相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的操作類型與操作方式。（3）數(shù)據(jù)約束：主要描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)數(shù)據(jù)間的語法、語義聯(lián)系，它們之間的制約與依存關(guān)系。2/5/202313數(shù)據(jù)模型按不同的應(yīng)用層次分成三種類型：

概念數(shù)據(jù)模型（概念模型）：面向用戶，與具體的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)無關(guān)。

邏輯數(shù)據(jù)模型（數(shù)據(jù)模型）:面向數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。物理數(shù)據(jù)模型（物理模型）：面向計算機物理表示。

2/5/2023149.2.2E-R模型

E-R模型（entity-relationshipmodel）（實體聯(lián)系模型）

1.E-R模型的基本概念（l）實體實體是概念世界中的基本單位，它們是客觀存在的且又能相互區(qū)別的事物。實體集（entityset）：有共性的實體組成的集合。2/5/202315（2）屬性屬性刻畫了實體的特征。（3）聯(lián)系實體集間關(guān)系。有下面幾種：一對一的聯(lián)系（1：1）；一對多或多對一聯(lián)系（1：M或M:1）；多對多聯(lián)系（M:N）。2/5/2023162.E-R模型三個基本概念之間的聯(lián)接關(guān)系E-R模型由上面三個基本概念組成。由實體、聯(lián)系、屬性三者結(jié)合起來才能表示現(xiàn)實世界。2/5/2023173.E-R模型的圖示法E-R模型可用圖表示，這種圖稱為E-R圖。（1）實體集表示法：用矩形表示實體集。

（2）屬性表示法：用橢圓形表示屬性。（3）聯(lián)系表示法：菱形表示聯(lián)系。2.E-R模型三個基本概念之間的聯(lián)接關(guān)系由實體、聯(lián)系、屬性三者結(jié)合起來才能表示現(xiàn)實世界。2/5/202318舉例：假設(shè)在教學(xué)中有三個實體：學(xué)生（學(xué)號，姓名，專業(yè)，年齡，性別）教師（職工號，姓名，職稱，年齡）課程（課程號，課程名，學(xué)分，學(xué)時）兩個聯(lián)系：選課（學(xué)號，課程號）教課（職工號，課程號）2/5/2023199.2.3層次模型層次模型是最早發(fā)展起來的數(shù)據(jù)庫模型。2/5/2023209.2.4網(wǎng)狀模型網(wǎng)狀模型的出現(xiàn)略晚于層次模型，2/5/2023219.2.5關(guān)系模型1．關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系模型采用二維表來表示，簡稱表。二維表由表框架及表的元組組成。表框架由n個命名的屬性組成，n稱為屬性元數(shù)。每個屬性有一個取值范圍稱為值域。一個元組是由n個元組分量所組成。一個表框架可以存放m個元組，m稱為表的基數(shù)。

上述二維表稱為關(guān)系（Relation)，以二維表為基本結(jié)構(gòu)所建立的模型稱為關(guān)系模型。學(xué)號姓名性別出生日期籍貫民族0403101張平男02/18/86遼寧漢0403102王芳女10/25/86陜西漢0403103劉巖男08/16/87吉林朝0403104高麗女06/10/85廣西壯2/5/202322二維表的性質(zhì)：①元組個數(shù)有限性。②元組的惟一性。③元組的次序無關(guān)性。④元組分量的原子性。⑤屬性名惟一性。⑥屬性的次序無關(guān)性。⑦分量值域的同一性。學(xué)號姓名性別出生日期籍貫民族0403101張平男02/18/86遼寧漢0403102王芳女10/25/86陜西漢0403103劉巖男08/16/87吉林朝0403104高麗女06/10/85廣西壯2/5/202323在二維表中凡能惟一標(biāo)識元組的最小屬性集稱為該表的鍵（主鍵）或碼（主碼）。表R中的某屬性集是某表S的鍵，則稱該屬性集為R的外鍵或外碼。關(guān)系框架與關(guān)系元組構(gòu)成了一個關(guān)系。一個語義相關(guān)的關(guān)系集合構(gòu)成一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫。關(guān)系的框架稱為關(guān)系模式，而語義相關(guān)的關(guān)系模式集合構(gòu)成了關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式。關(guān)系模式支持子模式，關(guān)系子模式對應(yīng)用戶數(shù)據(jù)庫稱視圖。2/5/2023242．關(guān)系操縱關(guān)系模型的數(shù)據(jù)操縱即是建立在關(guān)系上的數(shù)據(jù)操縱，一般有查詢、增加、刪除及修改四種操作。

3．關(guān)系中的數(shù)據(jù)約束（l）實體完整性約束；（2）參照完整性約束；（3）用戶定義的完整性約束。

2/5/2023259.3.1關(guān)系模型的基本操作設(shè)n元關(guān)系R有n個域:D1,D2，…，Dn

其笛卡爾積是：D1×D2×…×Dn

該集合的元素為：(d1,d2，…，dn）di∈Di該集合與n元關(guān)系R有如下聯(lián)系：

ABC100276.388.1100388.255.0100498.578.0關(guān)系模型有插入、刪除、修改和查詢四種操作9.3關(guān)系代數(shù)2/5/2023269.3.2關(guān)系模型的基本運算

ABC100243100354100444ABC100243100555（1）插入設(shè)有關(guān)系R需插入的元組為R′則插入可用集合并運算表示為：RUR′

R′R（2）刪除設(shè)有關(guān)系R需刪除的元組為R′則刪除可用集合差運算表示為：R-R′

2/5/202327（3）修改要修改關(guān)系R內(nèi)的元組可用下面的方法實現(xiàn)：①設(shè)要修改的元組構(gòu)成關(guān)系R′，則先做刪除得：R－R′②設(shè)修改后的元組構(gòu)成關(guān)系R"，此時將其插入即得到結(jié)果：（R－R′)∪R"ABC100243100354100444ABC100243R′RABC100255R"2/5/202328用于查詢的一些操作無法用傳統(tǒng)的集合運算表示，需要引入一些新的運算。①投影（Projection）運算關(guān)系RABC100235100323100456AB1002310032100452/5/202329②選擇（selection）運算關(guān)系RABC100235100323100456ABC1002351004562/5/202330③笛卡爾積（CartesianProduct）運算XY2332ABCXY100213152310021315321003121323100312133210041516231004151632SR×SABC100213151003121310041516則R與S的笛卡爾積R×S是一個n+m元關(guān)系，元組個數(shù)是p×q。R設(shè)n元關(guān)系R有p個元組，m元關(guān)系S有q個元組，2/5/2023319.3.3關(guān)系代數(shù)中的擴充運算擴充運算有交、除、連接及自然連接等。這些運算可由基本運算導(dǎo)出。1.交運算關(guān)系R與S的交運算為R∩S。注：R∩S=R-(R-S)AB100241003510044RAB1002410055SAB10024R∩S

2/5/2023322.除（division）運算當(dāng)關(guān)系T＝R×S時，則可將除運算寫成為：T÷R=S或T/R=SS稱為T除以R的商（quotient）。XY2332ABCXY100213152310021315321003121323100312133210041516231004151632ST=R×SABC100213151003121310041516R2/5/2023333.連接（join）與自然連接（naturaljoin）運算設(shè)有關(guān)系R、S以及比較式iθj，則R、S的θ連接記為：R∣×∣Siθj其含義為：R∣×∣S=σiθj(R×S)iθjAB100241003510044RCD1002310055SABCD10035100231004410023R∣×∣S

A>C2/5/202334自然連接：①兩關(guān)系間有公共域；②通過公共域的相等進行連接。AB100241003510044RCD1002310055SABD100243R∣×∣S

A=C2/5/2023359.4數(shù)據(jù)庫設(shè)計9.4.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述2/5/2023369.4.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計的需求分析①信息要求。指用戶需要從數(shù)據(jù)庫中獲得信息的內(nèi)容與性質(zhì)。②處理要求。指用戶要完成什么處理功能。③安全性和完整性的要求。

2/5/2023379.4.3數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計1.數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計概述目的：分析數(shù)據(jù)間內(nèi)在語義的關(guān)聯(lián)，在此基礎(chǔ)上建立一個數(shù)據(jù)的抽象模型。方法：（l）集中式模式設(shè)計法（2）視圖集成設(shè)計法2/5/2023382．?dāng)?shù)據(jù)庫概念設(shè)計的過程使用E-R模型與視圖集成法進行設(shè)計時，需要按以下步驟進行：(1)選擇局部應(yīng)用：由數(shù)據(jù)流圖，設(shè)計E-R圖(2)視圖設(shè)計：（三種形式）①自頂向下②由底向上③由內(nèi)向外(3)視圖集成2/5/2023399.4.4數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計1．從E-R圖向關(guān)系模式轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計主要工作是將E-R圖轉(zhuǎn)換成指定RDBMS中的關(guān)系模式。實體（實體集）與聯(lián)系可表示成關(guān)系，屬性可表示成關(guān)系中的屬性。如圖所示：2/5/202340學(xué)號姓名專業(yè)年齡性別選課職工號姓名職稱年齡教課2/5/2023412．邏輯模式規(guī)范化及調(diào)整、實現(xiàn)3．關(guān)系視圖設(shè)計（外模式設(shè)計）2/5/2023429.4.5數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計的主要目標(biāo)是對數(shù)據(jù)庫內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)作調(diào)整并選擇合理的存取路徑，以提高數(shù)據(jù)庫訪問速度及有效利用存儲空間。2/5/2023439.4.6數(shù)據(jù)庫的建立與維護1．?dāng)?shù)據(jù)庫的建立2．?dāng)?shù)據(jù)庫的運行和維護2/5/202344選擇題1．?dāng)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心是（）。A）數(shù)據(jù)庫B）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)C）數(shù)據(jù)模型D）軟件工具答案：B2/5/202345選擇題2．下列有關(guān)數(shù)據(jù)庫的描述，正確的是（）。A)數(shù)據(jù)庫是一個DBF文件 B)數(shù)據(jù)庫是一個關(guān)系C)數(shù)據(jù)庫是一個結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)集合 D)數(shù)據(jù)庫是一組文件答案：C2/5/202346選擇題3．下列敘述中，不屬于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的是（）。A)數(shù)據(jù)庫 B)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)C)數(shù)據(jù)庫管理員D)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)答案：D2/5/202347選擇題4．在數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展過程中，經(jīng)歷了人工管理階段、文件系統(tǒng)階段和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段。其中數(shù)據(jù)獨立性最高的階段是（）。A）人工管理階段B）文件系統(tǒng)階段C）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段D）以上皆是答案：C2/5/202348選擇題5．下述關(guān)于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的敘述中正確的是（）。A）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)減少了數(shù)據(jù)冗余B）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)避免了一切冗余C）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的一致性是指數(shù)據(jù)類型一致D）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)比文件系統(tǒng)能管理更多的數(shù)據(jù)答案：A2/5/202349選擇題6．應(yīng)用數(shù)據(jù)庫的主要目的是（）。A)解決數(shù)據(jù)保密問題 B)解決數(shù)據(jù)完整性問題C)解決數(shù)據(jù)共享問題 D)解決數(shù)據(jù)量大的問題答案：C2/5/202350選擇題7．?dāng)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS中用來定義模式、內(nèi)模式和外模式的語言為（）。A)C B)BasicC)DDL D)DML答案：C2/5/202351選擇題8．公司中有多個部門和多名職員，每個職員只能屬于一個部門，一個部門可以有多名職員，從職員到部門的聯(lián)系類型是（）。A)多對多 B)一對一C)多對一D)一對多答案：C2/5/202352選擇題9．用樹形結(jié)構(gòu)來表示實體之間聯(lián)系的模型稱為（）。A）關(guān)系模型B）層次模型C）網(wǎng)狀模型D）數(shù)據(jù)模型答案：B2/5/202353選擇題10．關(guān)系表中的每一橫行稱為一個（）。A）元組B）字段C）屬性D）碼答案：A2/5/202354選擇題

11．按條件f對關(guān)系R進行選擇，其關(guān)系代數(shù)表達式是（）。A)RRB)RRC)σf(R)D）f(R)

答案：C2/5/202355選擇題12．關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)能實現(xiàn)的專門關(guān)系運算包括（）。A）排序、索引、統(tǒng)計B）選擇、投影、連接C）關(guān)聯(lián)、更新、排序D）顯示、打印、制表答案：B2/5/202356選擇題13．在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，用來表示實體之間聯(lián)系的是（）。A）樹結(jié)構(gòu)B）網(wǎng)結(jié)構(gòu)C）線性表D）二維表答案：D2/5/202357選擇題14．?dāng)?shù)據(jù)庫設(shè)計包括兩個方面的設(shè)計內(nèi)容，它們是（）。A）概念設(shè)計和邏輯設(shè)計B）模式設(shè)計和內(nèi)模式設(shè)計C）內(nèi)模式設(shè)計和物理設(shè)計D）結(jié)構(gòu)特性設(shè)計和行為特性設(shè)計答案：A2/5/202358選擇題15．將E-R圖轉(zhuǎn)換到關(guān)系模式時，實體與聯(lián)系都可以表示成A）屬性B）關(guān)系C）鍵D）域答案：B2/5/202359選擇題16．下列有關(guān)數(shù)據(jù)庫的描述，正確的是（）。A)數(shù)據(jù)