第1章數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)知識(shí)

數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)描述第1章數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展121.1.1人工管理1.1.2文件系統(tǒng)1.1.3數(shù)據(jù)庫(kù)1.1.4XML技術(shù)1.2.1概念設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)描述1.2.2邏輯設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)描述1.2.3物理設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)描述1.2.4數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述3數(shù)據(jù)模型31.3.1數(shù)據(jù)抽象的過(guò)程1.3.2概念模型1.3.3邏輯模型1.3.4外部模型1.3.5內(nèi)部模型1.3.6數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1.3.7數(shù)據(jù)獨(dú)立性1.4.1數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)1.4.2數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)44數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)范設(shè)計(jì)76關(guān)系模型51.5.1基本術(shù)語(yǔ)1.5.2關(guān)系的定義和性質(zhì)1.5.3關(guān)系模型的3類(lèi)完整性規(guī)則20世紀(jì)50年代中期以前，計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)計(jì)算。那時(shí)的計(jì)算機(jī)硬件方面，外存只有卡片、紙帶及磁帶，沒(méi)有磁盤(pán)等直接存取的存儲(chǔ)設(shè)備；軟件方面，只有匯編語(yǔ)言，沒(méi)有操作系統(tǒng)和高級(jí)語(yǔ)言，更沒(méi)有管理數(shù)據(jù)的軟件；數(shù)據(jù)處理的方式是批處理。這些決定了當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)管理只能依賴(lài)人工來(lái)進(jìn)行。這個(gè)時(shí)期的數(shù)據(jù)管理的特點(diǎn)如下：（1）數(shù)據(jù)不進(jìn)行保存。計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)計(jì)算，一個(gè)程序?qū)?yīng)一組數(shù)據(jù)，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將原始數(shù)據(jù)隨程序一起輸入內(nèi)存，運(yùn)算處理后將結(jié)果數(shù)據(jù)輸出，不需要長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)。（2）沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)由程序自己管理，每個(gè)應(yīng)用程序都要包括存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、存取方法、輸入/輸出方式等內(nèi)容。（3）只有程序的概念，基本上沒(méi)有文件（File）的概念。（4）數(shù)據(jù)面向程序，即一組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)程序。1.1.1人工管理返回620世紀(jì)50年代末期至60年代中期，計(jì)算機(jī)技術(shù)有了提高，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，不僅用于科學(xué)計(jì)算，還用于信息管理。這時(shí)，外部存儲(chǔ)器已有磁盤(pán)、磁鼓等直接存取存儲(chǔ)設(shè)備；軟件則出現(xiàn)了高級(jí)語(yǔ)言和操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)是專(zhuān)門(mén)管理外存的數(shù)據(jù)管理軟件。數(shù)據(jù)處理的方式有批處理，還有聯(lián)機(jī)實(shí)時(shí)處理。這一階段的數(shù)據(jù)管理有的特點(diǎn)如下：（1）數(shù)據(jù)以文件形式可長(zhǎng)期保存在外部存儲(chǔ)器的磁盤(pán)上。用戶(hù)可以反復(fù)對(duì)文件進(jìn)行查詢(xún)、修改和插入等操作。（2）文件系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)與程序之間的存取方法。應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)之間有了一定的獨(dú)立性，即程序只需用文件名就可與數(shù)據(jù)打交道，不必關(guān)心數(shù)據(jù)的物理位置。由操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)提供存取方法（讀/寫(xiě)）。（3）文件組織已多樣化，有索引文件、鏈接文件和直接存取文件等，但文件之間相互獨(dú)立、缺乏聯(lián)系。數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系要通過(guò)程序去構(gòu)造。（4）數(shù)據(jù)面向應(yīng)用。數(shù)據(jù)不再屬于某個(gè)特定的程序，可以重復(fù)使用。1.1.2文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)不一致數(shù)據(jù)冗余數(shù)據(jù)聯(lián)系弱7文件系統(tǒng)缺陷返回820世紀(jì)60年代末期以來(lái)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用更加廣泛，數(shù)據(jù)管理規(guī)模擴(kuò)大，數(shù)據(jù)量急劇增長(zhǎng)，磁盤(pán)技術(shù)取得重要進(jìn)展，具有數(shù)百兆字節(jié)容量和快速存取的磁盤(pán)陸續(xù)進(jìn)入市場(chǎng)，成本也不高，這就為數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的產(chǎn)生提供了良好的物質(zhì)條件。用數(shù)據(jù)模型表示復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)模型不僅描述數(shù)據(jù)本身的特征，還要描述數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)不再面向特定的某個(gè)或多個(gè)應(yīng)用，而是面向整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。這樣數(shù)據(jù)冗余明顯減少，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。2.數(shù)據(jù)獨(dú)立性好。數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)之間的差別可以很大。用戶(hù)以簡(jiǎn)單的邏輯結(jié)構(gòu)操作數(shù)據(jù)而無(wú)須考慮數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)。1.1.3數(shù)據(jù)庫(kù)93.數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)為用戶(hù)提供了方便的用戶(hù)接口。用戶(hù)可以使用查詢(xún)語(yǔ)言或終端命令操作數(shù)據(jù)庫(kù)，也可以用程序方式（如用COBOL、C一類(lèi)高級(jí)語(yǔ)言和數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言聯(lián)合編制的程序）操作數(shù)據(jù)庫(kù)。4.數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)提供以下4方面的數(shù)據(jù)控制功能：（1）數(shù)據(jù)庫(kù)的恢復(fù)：在數(shù)據(jù)庫(kù)被破壞或數(shù)據(jù)不可靠時(shí)，系統(tǒng)有能力把數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)到最近某個(gè)正確狀態(tài)。（2）數(shù)據(jù)庫(kù)的并發(fā)控制：對(duì)程序的并發(fā)操作加以控制，防止數(shù)據(jù)庫(kù)被破壞，杜絕提供給用戶(hù)不正確的數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)的完整性：保證數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)始終是正確的。（4）數(shù)據(jù)安全性：保證數(shù)據(jù)的安全，防止數(shù)據(jù)丟失或被竊取、破壞。5.增加了系統(tǒng)的靈活性。對(duì)數(shù)據(jù)的操作不一定以記錄為單位，可以以數(shù)據(jù)項(xiàng)為單位。10定義1.1數(shù)據(jù)庫(kù)（DataBase，DB）。數(shù)據(jù)庫(kù)是長(zhǎng)期存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)、有組織的、統(tǒng)一管理的相關(guān)數(shù)據(jù)的集合。DB能為各種用戶(hù)共享，具有較小冗余度、數(shù)據(jù)間聯(lián)系緊密而又有較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性等特點(diǎn)。11定義1.2數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DataBaseManagementSystem，DBMS）。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)是位于用戶(hù)與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件，它為用戶(hù)或應(yīng)用程序提供訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的方法，包括數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、查詢(xún)、更新及各種數(shù)據(jù)控制。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)是基于某種數(shù)據(jù)模型，可以分為層次型、網(wǎng)狀型、關(guān)系型和面向?qū)ο笮偷取?2定義1.3數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（DataBaseSystem，DBS）。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)有組織地、動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)大量關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、方便多用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)的計(jì)算機(jī)硬件、軟件、數(shù)據(jù)資源及數(shù)據(jù)庫(kù)管理員和用戶(hù)組成的系統(tǒng)，即它是采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。定義1.4數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是研究數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)、設(shè)計(jì)、管理和使用的一門(mén)軟件學(xué)科。13XML是一種描述型的標(biāo)記語(yǔ)言，與HTML同為SGML(標(biāo)準(zhǔn)通用標(biāo)記語(yǔ)言)的一種應(yīng)用。由于XML在可擴(kuò)展性、可移植性和結(jié)構(gòu)性等方面的突出優(yōu)點(diǎn)，它的應(yīng)用范圍突破了HTML所達(dá)到的范圍。XML文件是數(shù)據(jù)的集合，它是自描述的、可交換的，能夠以樹(shù)型或圖形結(jié)構(gòu)描述數(shù)據(jù)。XML提供了許多數(shù)據(jù)庫(kù)所具備的工具：存儲(chǔ)(XML文檔)、模式(DTD，XMLschema，RE1AXNG等)、查詢(xún)語(yǔ)言(XQuery，XPath，XQL，XML-QL，QUILT等)、編程接口(SAX，DOM，JDOM)等。隨著網(wǎng)絡(luò)和Internet的發(fā)展，數(shù)據(jù)交換的能力已成為新的應(yīng)用系統(tǒng)的一個(gè)重要的要求。XML的好處是數(shù)據(jù)的可交換性(portable)，同時(shí)在數(shù)據(jù)應(yīng)用方面還具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）XML文件為純文本文件，不受操作系統(tǒng)、軟件平臺(tái)的限制；（2）XML具有基于Schema自描述語(yǔ)義的功能，容易描述數(shù)據(jù)的語(yǔ)義，這種描述能為計(jì)算機(jī)理解和自動(dòng)處理；（3）XML不僅可以描述結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，還可有效描述半結(jié)構(gòu)化，甚至非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。1.1.4XML技術(shù)141.2.1概念設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)描述實(shí)體（Entity）實(shí)體集（EntitySet）實(shí)體標(biāo)識(shí)符（Identifier）屬性（Attribute）描述實(shí)體（Entity）：客觀存在、可以相互區(qū)別的事物稱(chēng)為實(shí)體。實(shí)體可以是具體的對(duì)象，如一名男學(xué)生、一輛汽車(chē)等；也可以是抽象的對(duì)象，如一次借書(shū)、一場(chǎng)足球比賽等。實(shí)體集（EntitySet）：性質(zhì)相同的同類(lèi)實(shí)體的集合，稱(chēng)為實(shí)體集。例如所有的男學(xué)生、足球比賽的所有比賽等。1516屬性（Attribute）：實(shí)體有很多特性，一個(gè)特性稱(chēng)為一個(gè)屬性。每一個(gè)屬性有一個(gè)值域，其類(lèi)型可以是整數(shù)型、實(shí)數(shù)型、字符串型等。例如，學(xué)生有學(xué)號(hào)、姓名、年齡、性別等屬性。實(shí)體標(biāo)識(shí)符（Identifier）：能唯一標(biāo)識(shí)實(shí)體的屬性或?qū)傩约?，稱(chēng)為實(shí)體標(biāo)識(shí)符。有時(shí)也稱(chēng)為關(guān)鍵碼（Key）或簡(jiǎn)稱(chēng)為鍵。例如，學(xué)生的學(xué)號(hào)可以作為學(xué)生實(shí)體的標(biāo)識(shí)符。171.2.2邏輯設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)描述字段（Field）記錄（Record）關(guān)鍵碼（Key）文件（File）描述18字段（Field）：標(biāo)記實(shí)體屬性的命名單位稱(chēng)為字段或數(shù)據(jù)項(xiàng)。它是可以命名的最小信息單位。字段的命名往往和屬性名相同。例如，學(xué)生有學(xué)號(hào)、姓名、年齡、性別等字段。記錄（Record）：字段的有序集合稱(chēng)為記錄。一般用一條記錄描述一個(gè)實(shí)體，所以記錄又可以定義為能完整地描述一個(gè)實(shí)體的字段集。例如，一個(gè)學(xué)生記錄由字段集組成：（學(xué)號(hào)，姓名，年齡，性別）。文件（File）：同一類(lèi)記錄的集合稱(chēng)為文件。文件是用來(lái)描述實(shí)體集的。例如所有的學(xué)生記錄組成了一個(gè)學(xué)生文件。關(guān)鍵碼（Key）：能唯一標(biāo)識(shí)文件中每條記錄的字段或字段集，稱(chēng)為記錄的關(guān)鍵碼（簡(jiǎn)稱(chēng)為鍵）。19201.2.3物理設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)描述字段（Field）記錄（Record）關(guān)鍵碼（Key）文件（File）描述21位（Bit，比特）：一個(gè)二進(jìn)制位稱(chēng)為“位”。一位只能取0或1兩個(gè)狀態(tài)。字節(jié)（Byte，簡(jiǎn)記為B）：8個(gè)比特組成一個(gè)字節(jié)，可以存放一個(gè)字符所對(duì)應(yīng)的ASCII碼。字（Word）：若干個(gè)字節(jié)組成一個(gè)字。一個(gè)字所含的二進(jìn)制位的位數(shù)稱(chēng)為字長(zhǎng)。各種計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)是不一樣的，例如有8位、16位、24位、32位等。22塊（Block）：又稱(chēng)為物理塊或物理記錄。塊是內(nèi)存和外村交換信息的最小單位，每塊的大小，通常為210~214字節(jié)。內(nèi)、外存信息交換是由操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)管理的。桶（Bucket）：外存的邏輯單位，一個(gè)桶可以包含一個(gè)物理塊或多個(gè)在空間上不一定連續(xù)的物理塊。卷（Volume）：一個(gè)輸入輸出設(shè)備所能裝載的全部有用信息，稱(chēng)為“卷”。例如：磁帶機(jī)的一盤(pán)磁帶就是一卷，磁盤(pán)的一個(gè)盤(pán)組也是一卷。231.2.4數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述定義1.5聯(lián)系（Relationship）是實(shí)體之間的相互聯(lián)系。與一個(gè)聯(lián)系有關(guān)的實(shí)體集個(gè)數(shù)，稱(chēng)為聯(lián)系的元數(shù)。24一對(duì)一聯(lián)系：如果實(shí)體集E1中每個(gè)實(shí)體至多和實(shí)體集E2中的一個(gè)實(shí)體有聯(lián)系，反之亦然，那么實(shí)體集E1和E2的聯(lián)系稱(chēng)為“一對(duì)一聯(lián)系”，記為“1:1”。如飛機(jī)的座位與乘客之間是1:1聯(lián)系。25一對(duì)多聯(lián)系：如果實(shí)體集E1中每個(gè)實(shí)體可以與實(shí)體集E2中任意個(gè)（零個(gè)或多個(gè)）實(shí)體間有聯(lián)系，而E2中每個(gè)實(shí)體至多和E1中一個(gè)實(shí)體有聯(lián)系，那么稱(chēng)E1對(duì)E2的聯(lián)系是“一對(duì)多聯(lián)系”，記為“1:N”。如工廠里車(chē)間和工人之間是1:N聯(lián)系。26多對(duì)多聯(lián)系：如果實(shí)體集E1中每個(gè)實(shí)體可以與實(shí)體集E2中任意個(gè)（零個(gè)或多個(gè)）實(shí)體間有聯(lián)系，反之亦然，那么稱(chēng)E1和E2的聯(lián)系是“多對(duì)多聯(lián)系”，記為“M:N”。如學(xué)校里學(xué)生和課程之間是M:N聯(lián)系。1.3.1數(shù)據(jù)抽象的過(guò)程模型(Model)是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的抽象。在數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)中，用數(shù)據(jù)模型(DataModel)的概念描述數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)和語(yǔ)義，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象。從現(xiàn)實(shí)世界的信息到數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)以及用戶(hù)使用的數(shù)據(jù)是一個(gè)逐步抽象的過(guò)程。根據(jù)數(shù)據(jù)抽象的級(jí)別定義了4種模型：概念數(shù)據(jù)模型、邏輯數(shù)據(jù)模型、外部數(shù)據(jù)模型、內(nèi)部數(shù)據(jù)模型。一般在提及時(shí)省略“數(shù)據(jù)”兩字。27定義1.6表達(dá)用戶(hù)需求觀點(diǎn)的數(shù)據(jù)全局邏輯結(jié)構(gòu)的模型稱(chēng)為“概念模型”。表達(dá)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)觀點(diǎn)的DB全局邏輯結(jié)構(gòu)的模型稱(chēng)為“邏輯模型”。表達(dá)用戶(hù)使用觀點(diǎn)的DB局部邏輯結(jié)構(gòu)的模型稱(chēng)為“外部模型”。表達(dá)DB物理結(jié)構(gòu)的模型稱(chēng)為“內(nèi)部模型”。28數(shù)據(jù)抽象的過(guò)程，也就是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的過(guò)程，具體步驟如下：

第1步：根據(jù)用戶(hù)需求，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的概念模型，這是一個(gè)“綜合”的過(guò)程。第2步：根據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)則，把概念模型轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯模型，這是一個(gè)“轉(zhuǎn)換”的過(guò)程。第3步：根據(jù)用戶(hù)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)不同的外部模型，給程序員使用。也就是應(yīng)用程序使用的是數(shù)據(jù)庫(kù)的外部模型。外部模型與邏輯模型之間的對(duì)應(yīng)性稱(chēng)為映像。第4步：數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)時(shí)，要根據(jù)邏輯模型設(shè)計(jì)其內(nèi)部模型。內(nèi)部模型與邏輯模型之間的對(duì)應(yīng)性稱(chēng)為映像。29301.3.2概念模型在這4中模型中，概念模型的抽象級(jí)別最高。其特點(diǎn)如下所述：（1）概念模型表達(dá)了數(shù)據(jù)的整體邏輯結(jié)構(gòu)，它是系統(tǒng)用戶(hù)對(duì)整個(gè)應(yīng)用項(xiàng)目涉及的數(shù)據(jù)的全面描述。（2）概念模型是從用戶(hù)需求的觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)數(shù)據(jù)建模。（3）概念模型獨(dú)立于硬件和軟件。硬件獨(dú)立意味著概念模型不依賴(lài)于硬件設(shè)備，軟件獨(dú)立意味著該模型不依賴(lài)于實(shí)現(xiàn)時(shí)的DBMS軟件，因此硬件或軟件的變化都不會(huì)影響DB的概念模型設(shè)計(jì)。（4）概念模型是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)人員與用戶(hù)之間進(jìn)行交流的工具。31實(shí)體聯(lián)系模型（EntityRelationshipModel，ER）是一種主要的概念模型。ER模型直接從現(xiàn)實(shí)世界中抽象出實(shí)體類(lèi)型及實(shí)體間聯(lián)系，然后，用實(shí)體聯(lián)系圖（ER圖）表示數(shù)據(jù)模型。ER圖是直接表示概念模型的有力工具。32ER圖有3個(gè)基本成分：（1）矩形框：用于表示實(shí)體類(lèi)型（問(wèn)題的對(duì)象）。（2）菱形框：用于表示聯(lián)系類(lèi)型（實(shí)體間聯(lián)系）。（3）橢圓形框：用于表示實(shí)體類(lèi)型和聯(lián)系類(lèi)型的屬性。33相應(yīng)的命名均記入各種框中。對(duì)于實(shí)體標(biāo)識(shí)符的屬性，在屬性名下面畫(huà)一條橫線(xiàn)。實(shí)體與屬性之間，聯(lián)系與屬性之間用直線(xiàn)連接；聯(lián)系類(lèi)型與其涉及的實(shí)體類(lèi)型之間也以直線(xiàn)相連，用來(lái)表示它們之間的聯(lián)系，并在直線(xiàn)端部標(biāo)注聯(lián)系的類(lèi)型（1:1、1:N或M:N）。34下面通過(guò)例子說(shuō)明設(shè)計(jì)ER圖的過(guò)程。例1.2：設(shè)大學(xué)教務(wù)方面主要研究的對(duì)象有課程、教師、任課、學(xué)生和選修等。在ER圖中，把研究的對(duì)象分成實(shí)體和聯(lián)系兩大類(lèi)。大學(xué)教務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)的ER圖如圖1.2所示。圖中有以下一些成分：3536（1）3個(gè)實(shí)體類(lèi)型：學(xué)生STUDENT、課程COURSE和教師TEACHER。（2）2個(gè)聯(lián)系類(lèi)型：STUDENT和COURSE之間存在著一個(gè)M:N聯(lián)系，TEACHER和COURSE之間存在著一個(gè)1:N聯(lián)系，分別命名為SC和TC。（3）實(shí)體類(lèi)型STUDENT的屬性有學(xué)號(hào)S#、姓名SNAME、年齡AGE和性別SEX；實(shí)體類(lèi)型COURSE的屬性有課程號(hào)C#和課程名CNAME；實(shí)體類(lèi)型TEACHER的屬性有教師工號(hào)T#、姓名TNAME和職稱(chēng)TITLE。聯(lián)系類(lèi)型SC的屬性是某學(xué)生選修某課程的成績(jī)SCORE。聯(lián)系類(lèi)型TC沒(méi)有屬性。聯(lián)系類(lèi)型中的屬性是實(shí)體發(fā)生聯(lián)系時(shí)產(chǎn)生的屬性，而不應(yīng)該包括實(shí)體的屬性或標(biāo)識(shí)符。（4）確定實(shí)體類(lèi)型的鍵，在ER圖中屬于標(biāo)識(shí)符的屬性名下面畫(huà)一條橫線(xiàn)。37ER模型有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：一是簡(jiǎn)單，容易理解，真實(shí)地反映用戶(hù)的需求；二是與計(jì)算機(jī)無(wú)關(guān)，用戶(hù)容易接受。因此ER模型已成為軟件工程的一個(gè)重要設(shè)計(jì)方法。ER模型只能說(shuō)明實(shí)體間語(yǔ)義的聯(lián)系，不能說(shuō)明詳細(xì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，遇到實(shí)際問(wèn)題總是先設(shè)計(jì)一個(gè)ER模型，然后再把ER模型轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型，如關(guān)系模型。381.3.3邏輯模型在選定DBMS軟件后，就要將概念模型按照選定的DBMS的特點(diǎn)轉(zhuǎn)換成邏輯模型。邏輯模型具有下列特點(diǎn)：（1）邏輯模型表達(dá)了DB的整體邏輯結(jié)構(gòu)，它是設(shè)計(jì)人員對(duì)整個(gè)應(yīng)用項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)的全面描述。（2）邏輯模型是從數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)的觀點(diǎn)出發(fā)對(duì)數(shù)據(jù)建模。（3）邏輯模型獨(dú)立于硬件，依賴(lài)于軟件（DBMS）。（4）邏輯模型是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)人員與應(yīng)用程序員之間進(jìn)行交流的工具。39邏輯模型主要有層次、網(wǎng)狀、關(guān)系和對(duì)象模型共4種。下面分別介紹。層次模型用樹(shù)型（層次）結(jié)構(gòu)表示實(shí)體類(lèi)型及實(shí)體間聯(lián)系的數(shù)據(jù)模型稱(chēng)為層次模型(HierarchicalModel)。樹(shù)中每一個(gè)結(jié)點(diǎn)代表一個(gè)記錄類(lèi)型，樹(shù)狀結(jié)構(gòu)表示實(shí)體型之間的聯(lián)系。有且僅有一個(gè)結(jié)點(diǎn)，無(wú)父結(jié)點(diǎn)，此結(jié)點(diǎn)為樹(shù)的根；其它結(jié)點(diǎn)有且僅有一個(gè)父結(jié)點(diǎn)。上一層記錄類(lèi)型和下一層記錄類(lèi)型之間的聯(lián)系是1:N聯(lián)系。40例1.3：將圖1.2所示的ER圖轉(zhuǎn)換成的層次模型，如圖1.3所示。這是一棵樹(shù)，樹(shù)中的結(jié)點(diǎn)是記錄類(lèi)型，上一層記錄類(lèi)型和下一層記錄類(lèi)型之間的聯(lián)系是1:N聯(lián)系。這個(gè)模型表示，每門(mén)課程（COURSE）有若干（但這里應(yīng)限定為1）個(gè)教師（TEACHER）任課，有若干個(gè)學(xué)生（STUDENT）選修。模型中，從COURSE值查詢(xún)TEACHER或STUDENT值比較容易，但要從TEACHER或STUDENT值查詢(xún)COURSE值就比較麻煩。414243層次模型的特點(diǎn)是記錄之間的聯(lián)系通過(guò)指針來(lái)實(shí)現(xiàn)，查詢(xún)效率較高。但層次模型有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是只能表示1：N的聯(lián)系，盡管有許多輔助手段實(shí)現(xiàn)M：N的聯(lián)系，但比較復(fù)雜，不易掌握；二是由于層次順序的嚴(yán)格和復(fù)雜，引起數(shù)據(jù)的查詢(xún)和更新操作很復(fù)雜，因此應(yīng)用程序的編寫(xiě)也比較復(fù)雜。1968年，美國(guó)IBM公司推出的IMS系統(tǒng)是典型的層次模型系統(tǒng)，20世紀(jì)70年代在商業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。44網(wǎng)狀模型用有向圖結(jié)構(gòu)表示實(shí)體類(lèi)型及實(shí)體間聯(lián)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型稱(chēng)為網(wǎng)狀模型（NetworkModel）。1969年，CODASYL組織提出DBTG報(bào)告中的數(shù)據(jù)模型是網(wǎng)狀模型的主要代表。有向圖中的結(jié)點(diǎn)是記錄類(lèi)型，箭頭表示從箭尾的記錄類(lèi)型到箭頭的記錄類(lèi)型間聯(lián)系是1:N聯(lián)系。例1.4：將圖1.2所示的ER圖轉(zhuǎn)換成的網(wǎng)狀模型，如見(jiàn)圖1.5所示。45這是一個(gè)有向圖。這張圖中由四個(gè)結(jié)點(diǎn)和三條有向邊組成。ER圖中的實(shí)體類(lèi)型轉(zhuǎn)換成記錄類(lèi)型。M:N聯(lián)系用兩個(gè)1:N聯(lián)系實(shí)現(xiàn)。例如STUDENT和COURSE間的M:N聯(lián)系用兩個(gè)1:N聯(lián)系S_SC和C_SC實(shí)現(xiàn)，即STUDENT和SC間的1:N聯(lián)系，COURSE和SC間的1:N聯(lián)系。而TEACHER和COURSE間的1:N聯(lián)系就用1:N聯(lián)系T_C實(shí)現(xiàn)。這個(gè)模型的具體值（局部）如圖1.6所示。圖上只畫(huà)出COURSE、STUDENT和SC的記錄及其聯(lián)系。假設(shè)COURSE有四門(mén)：C1、C2、C3和C4，STUDENT有4個(gè)：S1、S2、S3和S4。圖中用C1、C2、C3、C4、S1、S2、S3、S4等符號(hào)直接表示COURSE和STUDENT的記錄，用“S1,C1,80”等符號(hào)表示SC的記錄。記錄之間的聯(lián)系用指針表示。464748網(wǎng)狀模型的特點(diǎn)是記錄之間的聯(lián)系通過(guò)指針實(shí)現(xiàn)，M:N聯(lián)系也容易實(shí)現(xiàn)（一個(gè)M:N聯(lián)系可拆成兩個(gè)1:N聯(lián)系），查詢(xún)效率也較高。層次模型和網(wǎng)狀模型致命的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和編程復(fù)雜。因此從20世紀(jì)80年代中期起其市場(chǎng)已被關(guān)系系統(tǒng)的產(chǎn)品所取代。49關(guān)系模型關(guān)系模型（RelationalModel）是1970年由E.F.Codd提出的，主要特征是用二維表格表達(dá)實(shí)體集。與前兩種模型相比，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易為初學(xué)者理解。關(guān)系模型是由若干個(gè)關(guān)系模式（RelationalSchema）組成的集合。關(guān)系模式相當(dāng)于前面提到的記錄類(lèi)型，它的實(shí)例稱(chēng)為關(guān)系（Relation），每個(gè)關(guān)系實(shí)際上是個(gè)二維表格（Table）。50例1.5：將圖1.2所示的ER圖轉(zhuǎn)換成的關(guān)系模型，如圖1.7所示。轉(zhuǎn)換的方法是把ER圖中的實(shí)體類(lèi)型和M:N的聯(lián)系類(lèi)型分別轉(zhuǎn)換成關(guān)系模式即可。聯(lián)系類(lèi)型相應(yīng)的關(guān)系模式屬性由聯(lián)系類(lèi)型和與之聯(lián)系的實(shí)體類(lèi)型的鍵一起組合而成的。而1:N的聯(lián)系類(lèi)型不必轉(zhuǎn)換成關(guān)系模式，只需在N端對(duì)應(yīng)實(shí)體類(lèi)型的關(guān)系模式里加入1端實(shí)體類(lèi)型的鍵即可。表1.2是具體實(shí)例。關(guān)系模型和層次、網(wǎng)狀模型的最大差別是用關(guān)鍵碼而不是用指針導(dǎo)航數(shù)據(jù)，其表格簡(jiǎn)單，用戶(hù)易懂，用戶(hù)只需用簡(jiǎn)單的查詢(xún)語(yǔ)句就可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作，并不涉及存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)等細(xì)節(jié)。5152531.3.4外部模型在應(yīng)用系統(tǒng)中，常常是根據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)劃分為若干個(gè)業(yè)務(wù)單位，每一個(gè)業(yè)務(wù)單位都有特定的約束和需求。在實(shí)際使用時(shí)，可以為不同的業(yè)務(wù)單位設(shè)計(jì)不同的外部模型。54例1.6：如圖1.7所示的關(guān)系模型由TEACHER、COURSE、STUDENT、SC等四個(gè)關(guān)系模式組成。在這個(gè)基礎(chǔ)上，可以為學(xué)生應(yīng)用子系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)外部模型。外部模型中的模式稱(chēng)為“視圖”（View）。這個(gè)視圖如下：學(xué)生視圖STUDENT_VIEW（S#,SNAME,C#,CNAME,SCORE,T#,TNAME）也可以為教師應(yīng)用子系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)外部視圖，其視圖如下：教師視圖TEACHER_VIEW（T#,TNAME,C#,CNAME,S#,SNAME,SCORE）顯然，視圖只是一個(gè)定義，視圖中的數(shù)據(jù)可以從邏輯模型的數(shù)據(jù)庫(kù)得到。55外部模型具有如下的特點(diǎn)：（1）外部模型是邏輯模型的一個(gè)邏輯子集；（2）外部模型獨(dú)立于硬件，依賴(lài)于軟件；（3）外部模型反映了用戶(hù)使用數(shù)據(jù)庫(kù)的觀點(diǎn)。56外部模型具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）簡(jiǎn)化用戶(hù)觀點(diǎn)。外部模型是針對(duì)具體用戶(hù)應(yīng)用需要的數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的，與用戶(hù)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)無(wú)需放入，這樣用戶(hù)可以簡(jiǎn)便的使用數(shù)據(jù)庫(kù)。（2）有助于數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性保護(hù)。用戶(hù)不能看的數(shù)據(jù)，不放入外部模型，這樣提高了系統(tǒng)的安全性。（3）外部模型是對(duì)概念模型的支持。如果用戶(hù)使用外部模型得心應(yīng)手，那么說(shuō)明當(dāng)初根據(jù)用戶(hù)需求綜合成的概念模型是正確的、完善的。571.3.5內(nèi)部模型內(nèi)部模型是數(shù)據(jù)庫(kù)最底層的抽象，通常又稱(chēng)為物理模型，它描述數(shù)據(jù)在磁盤(pán)或磁帶上的存儲(chǔ)方式（文件結(jié)構(gòu)）、存取設(shè)備（外存的空間分配）和存取方法（主索引和輔助索引）。內(nèi)部模型與硬件和軟件緊密相連，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件性能的大幅度提高，并且目前占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的關(guān)系模型以邏輯級(jí)為目標(biāo)，因此可以不必考慮內(nèi)部級(jí)的具體實(shí)現(xiàn)，由系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。58

1.3.6數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

由數(shù)據(jù)抽象的過(guò)程就可看出數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的三層模式和兩級(jí)映像的體系結(jié)構(gòu)。三層模式前面提到在用戶(hù)到數(shù)據(jù)庫(kù)之間，數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有三個(gè)層次：外部模型、邏輯模型和內(nèi)部模型。這三個(gè)層次要用到DB的數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言（DataDefinitionLanguage,簡(jiǎn)記為DDL）定義，定義以后的內(nèi)容稱(chēng)為“模式”（Schema），即外模式、邏輯模式、內(nèi)模式。這三種模式的定義如下。59定義1.7從用戶(hù)到數(shù)據(jù)庫(kù)之間，DB的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述有以下三個(gè)層次：（1）外模式是用戶(hù)與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的接口，用戶(hù)用到的那部分?jǐn)?shù)據(jù)的描述。外模式由若干個(gè)外部記錄類(lèi)型組成。（2）邏輯模式是數(shù)據(jù)庫(kù)中全部數(shù)據(jù)的整體邏輯結(jié)構(gòu)的描述。它由若干個(gè)邏輯記錄類(lèi)型組成，還包含記錄間聯(lián)系、數(shù)據(jù)的完整性等要求。（3）內(nèi)模式是數(shù)據(jù)庫(kù)在物理存儲(chǔ)方面的描述，定義所有內(nèi)部記錄類(lèi)型、索引和文件的組織方式，以及數(shù)據(jù)控制方面的細(xì)節(jié)。60三層模式具有以下特點(diǎn)：（1）用戶(hù)使用DB的數(shù)據(jù)操縱語(yǔ)言（DataManipulationLanguage，簡(jiǎn)記為DML）語(yǔ)句對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作，實(shí)際上是對(duì)外模式的外部記錄進(jìn)行操作。有了外模式后，程序員不必關(guān)心邏輯模式，只與外模式發(fā)生聯(lián)系，按照外模式的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)和操縱數(shù)據(jù)。實(shí)際上，外模式是邏輯模式的一個(gè)子集。（2）邏輯模式不必涉及到存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)等細(xì)節(jié)。數(shù)據(jù)按外模式的描述提供給用戶(hù)，按內(nèi)模式的描繪存儲(chǔ)在磁盤(pán)中，而邏輯模式提供了連接這兩種模式的相對(duì)穩(wěn)定的中間觀點(diǎn)，并使得兩級(jí)中的任何一級(jí)的改變都不受另一級(jí)的牽制。（3）內(nèi)模式并不涉及到物理設(shè)備的約束。比內(nèi)模式更接近物理存儲(chǔ)和訪(fǎng)問(wèn)的那些軟件機(jī)制是操作系統(tǒng)的一部分（即文件系統(tǒng)），例如從磁盤(pán)讀數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)到磁盤(pán)上的操作等。61兩級(jí)映像由于三層模式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可能不一致，即記錄類(lèi)型、字段類(lèi)型的命名和組成可能不一樣，因此需要三層模式之間的映像來(lái)說(shuō)明外部記錄、邏輯記錄、內(nèi)部記錄之間的對(duì)應(yīng)性。定義1.8三層模式之間存在著兩級(jí)映像：（1）外模式/邏輯模式映像存在于外模式和邏輯模式之間，用于定義外模式和邏輯模式之間的對(duì)應(yīng)性。這個(gè)映像一般是放在外模式中描述的。（2）邏輯模式/內(nèi)模式映像存在于邏輯模式和內(nèi)模式之間，用于定義邏輯模式和內(nèi)模式之間的對(duì)應(yīng)型。這個(gè)映像一般是放在內(nèi)模式中描述的。621.3.7數(shù)據(jù)獨(dú)立性數(shù)據(jù)獨(dú)立性（DataIndependence）是指應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間是相互獨(dú)立的。在修改數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，盡可能不修改應(yīng)用程序，則稱(chēng)系統(tǒng)達(dá)到了數(shù)據(jù)獨(dú)立性目標(biāo)。63數(shù)據(jù)獨(dú)立性分成物理數(shù)據(jù)獨(dú)立性和邏輯數(shù)據(jù)獨(dú)立性?xún)蓚€(gè)級(jí)別。1.物理數(shù)據(jù)獨(dú)立性物理獨(dú)立性是指用戶(hù)的應(yīng)用程序與存儲(chǔ)在磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立的。即，數(shù)據(jù)在磁盤(pán)上怎樣存儲(chǔ)由DBMS管理，用戶(hù)程序不需要了解，應(yīng)用程序要處理的只是數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，這樣當(dāng)數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)改變了，應(yīng)用程序不用改變。642.邏輯數(shù)據(jù)獨(dú)立性邏輯獨(dú)立性是指用戶(hù)的應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯結(jié)構(gòu)是相互獨(dú)立的，即，當(dāng)數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)改變時(shí)，用戶(hù)程序也可以不變。如果數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯模式要修改，譬如增加記錄類(lèi)型或增加數(shù)據(jù)項(xiàng)，那么只要對(duì)外模式/邏輯模式映像作相應(yīng)的修改，可以使外模式和應(yīng)用程序盡可能保持不變。651.4.1數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)DBMS的工作模式數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）是專(zhuān)門(mén)用于建立和管理數(shù)據(jù)庫(kù)的一套軟件，介于應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)之間。DBMS不僅具有最基本的數(shù)據(jù)管理功能，包括定義、查詢(xún)、更新及各種操作，還能保證數(shù)據(jù)的完整性、安全性、提供多用戶(hù)的并發(fā)控制，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)。DBMS的工作示意圖如圖1.8所示。6667DBMS的工作模式如下：（1）接受應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)請(qǐng)求和處理請(qǐng)求；（2）將用戶(hù)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求（高級(jí)指令）轉(zhuǎn)換成復(fù)雜的機(jī)器代碼（底層指令）；（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作；（4）從對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作中接受查詢(xún)結(jié)果；（5）對(duì)查詢(xún)結(jié)果進(jìn)行處理（格式轉(zhuǎn)換）；（6）將處理結(jié)果返回給用戶(hù)。68DBMS的主要功能（1）數(shù)據(jù)庫(kù)的定義功能（2）數(shù)據(jù)庫(kù)的操縱功能（3）數(shù)據(jù)庫(kù)的保護(hù)功能（4）數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)功能（5）數(shù)據(jù)字典69（1）數(shù)據(jù)庫(kù)的定義功能DBMS提供DDL定義數(shù)據(jù)庫(kù)的三層結(jié)構(gòu)、兩級(jí)映像，定義數(shù)據(jù)的完整性約束、保密限制等約束。因此，在DBMS中應(yīng)包括DDL的編譯程序。（2）數(shù)據(jù)庫(kù)的操縱功能DBMS提供DML實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的操作?；镜臄?shù)據(jù)操作有兩類(lèi)：檢索（查詢(xún)）和更新（包括插入、刪除、更新）。因此，在DBMS中應(yīng)包括DML的編譯程序或解釋程序。依照語(yǔ)言的級(jí)別，DML又可分為過(guò)程性DML和非過(guò)程性DML兩種。通常查詢(xún)語(yǔ)言是指DML中的檢索語(yǔ)句部分。70（3）數(shù)據(jù)庫(kù)的保護(hù)功能數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)是信息社會(huì)的戰(zhàn)略資源，對(duì)數(shù)據(jù)的保護(hù)是至關(guān)重要的事情。DBMS對(duì)數(shù)據(jù)的保護(hù)通過(guò)4個(gè)方面的功能實(shí)現(xiàn)，因而在DBMS中應(yīng)包括這4個(gè)子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)的恢復(fù)。在數(shù)據(jù)庫(kù)被破壞或數(shù)據(jù)不正確時(shí)，系統(tǒng)有能力把數(shù)據(jù)庫(kù)恢復(fù)到正確的狀態(tài)。數(shù)據(jù)庫(kù)的并發(fā)控制。在多個(gè)用戶(hù)同時(shí)對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)有能力加以控制，防止破壞DB中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)完整性控制。保證數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)及語(yǔ)義的正確性和有效性，防止任何對(duì)數(shù)據(jù)造成錯(cuò)誤的操作。數(shù)據(jù)安全性操作。防止的用戶(hù)存取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，以免數(shù)據(jù)的泄露、更改或破壞。DBMS的其他保護(hù)功能還有系統(tǒng)緩沖區(qū)的管理以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的某些自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制等。71（4）數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)功能這一部分包括數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)載入、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)儲(chǔ)，數(shù)據(jù)庫(kù)的改組以及性能監(jiān)控等功能。這些功能分別由各個(gè)應(yīng)用程序（Utilities）完成。（5）數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中存放三層結(jié)構(gòu)定義的數(shù)據(jù)庫(kù)稱(chēng)為數(shù)據(jù)字典（DataDictionary,DD）。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作都要通過(guò)DD才能實(shí)現(xiàn)。DD中還存放數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行時(shí)的統(tǒng)計(jì)信息，例如記錄個(gè)數(shù)、訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)等。管理DD的子系統(tǒng)稱(chēng)為“DD系統(tǒng)”。721.4.2數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（DBS）的組成數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)DBS通常由硬件、軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)管理員組成。73（1）數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)（DB）是指長(zhǎng)期存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的，有組織，可共享的數(shù)據(jù)的集合。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)學(xué)模型組織、描述和存儲(chǔ)，具有較小的冗余，較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性和易擴(kuò)展性，并可為各種用戶(hù)共享。（2）硬件構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各種物理設(shè)備，包括中央處理器、內(nèi)存、外存、輸入/輸出設(shè)備等硬件設(shè)備。（3）軟件這一部分包括操作系統(tǒng)、各種宿主語(yǔ)言、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)及應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）是數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的核心軟件。74（4）數(shù)據(jù)庫(kù)管理員要想成功地運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，就要在數(shù)據(jù)處理部門(mén)配備管理人員－數(shù)據(jù)庫(kù)管理員（DataBaseAdministrator，DBA）。DBA必須具有以下素質(zhì)：熟悉企業(yè)全部數(shù)據(jù)的性質(zhì)和用途；對(duì)所有用戶(hù)的需求有充分的了解；對(duì)系統(tǒng)的性能非常熟悉；兼有系統(tǒng)分析員和運(yùn)籌學(xué)專(zhuān)家的品質(zhì)和知識(shí)。DBA的定義如下。75定義1.9DBA是控制數(shù)據(jù)整體結(jié)構(gòu)的一組人員，負(fù)責(zé)DBS的正常運(yùn)行，承擔(dān)創(chuàng)建、監(jiān)控和維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的責(zé)任。DBA的主要職責(zé)有以下6點(diǎn)：（1）定義模式。（2）定義內(nèi)模式。（3）與用戶(hù)的聯(lián)絡(luò)。包括定義外模式、應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)、提供技術(shù)培訓(xùn)等專(zhuān)業(yè)服務(wù)。（4）定義安全性規(guī)則，對(duì)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的授權(quán)。（5）定義完整性規(guī)則，監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行。（6）數(shù)據(jù)庫(kù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)與恢復(fù)工作。76

1.5.1基本術(shù)語(yǔ)

定義1.10用二維表格表示實(shí)體集，用關(guān)鍵碼表示實(shí)體之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)模型稱(chēng)為關(guān)系模型（RelationalModel）。例如，如圖1.9是一個(gè)二維表格。對(duì)表格數(shù)學(xué)化，用字母表示表格的內(nèi)容。在關(guān)系模型中，字段稱(chēng)為屬性，字段值稱(chēng)為屬性值,記錄類(lèi)型稱(chēng)為關(guān)系模式,記錄稱(chēng)為元組（Tuple），元組的集合稱(chēng)為關(guān)系（Relation）或?qū)嵗↖nstance）。一般用大寫(xiě)字母A，B，C…表示單個(gè)屬性，用大寫(xiě)字母…X，Y，Z表示屬性集，用小寫(xiě)字母表示屬性值，元組為行（Row），屬性為列（Column）。7778關(guān)鍵碼（Key，鍵）由一個(gè)或多個(gè)屬性組成。有下列幾種鍵：（1）超鍵（SuperKey）：在關(guān)系中能唯一標(biāo)識(shí)元組的屬性或?qū)傩约Q(chēng)為關(guān)系模式的超鍵。（2）候選鍵（CandidateKey）：不含有多余屬性的超鍵稱(chēng)為候選鍵。（3）主鍵（PrimaryKey）：用戶(hù)選作元組標(biāo)識(shí)的候選鍵稱(chēng)為主鍵。一般如不加說(shuō)明，鍵是指主鍵。如在學(xué)生表中，（學(xué)號(hào)，姓名）是模式的一個(gè)超鍵，但不是候選鍵，而（學(xué)號(hào)）是候選鍵，在實(shí)際應(yīng)用中，如果選擇（學(xué)號(hào)）作為刪除或查找元組的標(biāo)志，那么稱(chēng)（學(xué)號(hào)）是主鍵。79（4）外鍵（ForeignKey）：如果模式R中屬性K是其他模式的主鍵，那么K在模式R中稱(chēng)為外鍵。關(guān)系中每一個(gè)屬性都有一個(gè)取值范圍，稱(chēng)為屬性的值域。屬性A的取值范圍用DOM(A)表示。每一個(gè)屬性對(duì)應(yīng)一個(gè)值域，不同的屬性可對(duì)應(yīng)于同一值域。801.5.2關(guān)系的定義和性質(zhì)定義1.11關(guān)系是一個(gè)屬性數(shù)目相同的元組的集合。集合中的元素是元組，每個(gè)元組的屬性數(shù)目應(yīng)該相同。如果一個(gè)關(guān)系的元組數(shù)目是無(wú)限的，則稱(chēng)為無(wú)限關(guān)系，否則稱(chēng)為有限關(guān)系。由于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)的限制，只限于研究有限關(guān)系。81盡管關(guān)系與二位表格、傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件有類(lèi)似之處，但它們又有區(qū)別。嚴(yán)格的講，關(guān)系是一種規(guī)范了的二維表格。在關(guān)系模型中，對(duì)關(guān)系作了下列規(guī)范性限制：（1）關(guān)系中每一個(gè)屬性值都是不可分解的；（2）關(guān)系中不允許出現(xiàn)重復(fù)元組（即不允許出現(xiàn)相同的元組）；（3）由于關(guān)系是一個(gè)集合，因此不考慮元組間的順序，沒(méi)有行序；（4）元組中的屬性在理論上也是無(wú)序的，但使用時(shí)按習(xí)慣考慮列的順序。821.5.3關(guān)系模型的3類(lèi)完整性規(guī)則為了維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)的一致性，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)與更新操作必須遵循下列3類(lèi)完整性規(guī)則。1.實(shí)體完整性規(guī)則（EntityIntegrityRule）這條規(guī)則要求關(guān)系中元組在組成主鍵的屬性上不能有空值。如果出現(xiàn)空值，那么主鍵值就起不了唯一標(biāo)識(shí)元組的作用。2.參照完整性規(guī)則（ReferenceIntegrityRule）這條規(guī)則要求：如果屬性集K是關(guān)系模式R1的主鍵，K也是關(guān)系模式R2的外鍵，那么在R2的關(guān)系中，K的取值只有兩種可能，或者為空值，或者等于R1關(guān)系中的某個(gè)主鍵值。83這條規(guī)則的實(shí)質(zhì)是“不允許引用不存在的實(shí)體”。這條規(guī)則在具體使用時(shí)，有3點(diǎn)可變通：（1）外鍵和相應(yīng)的主鍵可以不同名，只要定義在相同的值域上即可；（2）R1和R2也可以是同一個(gè)關(guān)系模式，此時(shí)表示了同一個(gè)關(guān)系中不同元組之間的聯(lián)系；（3）外鍵值是否允許空，視具體情況而定。84例1.7：例1.5所示關(guān)系模型中有4個(gè)關(guān)系模式：TEACHER（T#,TNAME,TITLE）COURSE（C#,CNAME,T#）STUDENT（S#,SNAME,AGE,SEX）SC（S#,C#,SCORE）如教師工號(hào)T#在TEACHER中是主鍵，在COURSE中是外鍵，一般在外鍵的屬性下面畫(huà)一條波浪線(xiàn)。853.用戶(hù)定義的完整性規(guī)則在建立關(guān)系模式中，對(duì)屬性定義了數(shù)據(jù)類(lèi)型，即使這樣可能還滿(mǎn)足不了用戶(hù)的需求。此時(shí)，用戶(hù)可以針對(duì)具體的數(shù)據(jù)約束，設(shè)置完整性規(guī)則，由系統(tǒng)檢驗(yàn)實(shí)施，使用統(tǒng)一的方法處理它們，不再由應(yīng)用程序承擔(dān)這項(xiàng)工作。例如，學(xué)生的年齡定義為兩位整數(shù)，范圍仍然太大，可以寫(xiě)如下規(guī)則把年齡限制在15~40歲之間：CHECK(AGEBETWEEN15AND40)861.6關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)范化設(shè)計(jì)關(guān)系模式的好與壞用什么標(biāo)準(zhǔn)衡量？這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是模式的范式（NormalForms,NF）。范式的種類(lèi)與數(shù)據(jù)依賴(lài)有著直接的聯(lián)系，基于數(shù)據(jù)依賴(lài)的范式有1NF、2NF、3NF、BCNF等。1NF是關(guān)系模式的基礎(chǔ)，2NF已成為歷史，一般不再提及；在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中最常用的3NF和BCNF。從1NF、2NF、3NF、BCNF按順序來(lái)介紹。871.第一范式定義1.12如果關(guān)系模式R的每個(gè)關(guān)系r的屬性值都是不可分的原子值，那么稱(chēng)R是第一范式的模式。滿(mǎn)足1NF的關(guān)系稱(chēng)為規(guī)范化的關(guān)系，否則稱(chēng)為非規(guī)范化的關(guān)系。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)研究的關(guān)系都是規(guī)范化的關(guān)系。例如關(guān)系模式R（NAME,ADDRESS,PHONE），如果一個(gè)人有兩個(gè)電話(huà)號(hào)碼（PHONE），那么關(guān)系中至少要出現(xiàn)兩個(gè)元組，以便存儲(chǔ)這兩個(gè)號(hào)碼。882.第二范式即使關(guān)系模式是1NF，但很可能具有不受歡迎的冗余和異常現(xiàn)象，因此需把關(guān)系模式作進(jìn)一步的規(guī)范化。如果關(guān)系模式中存在局部依賴(lài)，就不是一個(gè)好的模式，需要把關(guān)系模式分解，以排除局部依賴(lài)，使模式達(dá)到2NF的標(biāo)準(zhǔn)。在介紹第二范式之前，需要定義函數(shù)依賴(lài)FD（FunctionalDependency）。89定義1.13設(shè)有關(guān)系模式R（U），X和Y是屬性集U的子集，函數(shù)依賴(lài)FD是形為X→Y的一個(gè)命題，只要r是R的當(dāng)前關(guān)系，對(duì)r中任意兩個(gè)元組t和s，都有t[X]=s[X]蘊(yùn)涵t[Y]=s[Y]，那么稱(chēng)FDX→Y在關(guān)系模式R(U)中成立。這里t[X]表示元組t在屬性集X上對(duì)應(yīng)的值。X→Y讀作“X函數(shù)決定Y”，或“Y函數(shù)依賴(lài)X”。FD是對(duì)關(guān)系模式R的一切可能的關(guān)系r定義的。對(duì)于當(dāng)前關(guān)系r的任意兩個(gè)元組，如果X上對(duì)應(yīng)值相同，則要求Y上對(duì)應(yīng)值也相同。90例1.8：設(shè)關(guān)系模式R（S#，C#，SCORE，T#，TITLE）的屬性分別表示學(xué)生學(xué)號(hào)、選修課程的編號(hào)、成績(jī)、任課教師工號(hào)和教師職稱(chēng)的意義。（S#，C#）是R的候選鍵。R上有兩個(gè)FD：（S#，C#）→（T#，TITLE）和C#→（T#，TITLE），因?yàn)榈诙€(gè)FD的存在使第一個(gè)FD是局部依賴(lài)，R不是2NF模式。此時(shí)R的關(guān)系就會(huì)出現(xiàn)冗余和異?，F(xiàn)象。譬如某一門(mén)課程有100個(gè)學(xué)生選修，那么在關(guān)系中就會(huì)存在100個(gè)元組，因而教師的工號(hào)和職稱(chēng)就會(huì)重復(fù)100次。如果把R分解成R1(C#,T#,TITLE)和R2(S#,C#,SCORE)后，R1和R2則都是2NF模式。91定義1.14對(duì)于FDW→A，如果存在XW有X→A成立，那么稱(chēng)W→A是局部依賴(lài)（A局部依賴(lài)于W）；否則稱(chēng)W→A是完全依賴(lài)。定義1.15如果A是關(guān)系模式R的候選鍵的屬性，那么稱(chēng)A是R的主屬性；否則稱(chēng)A是R的非主屬性。定義1.16如果關(guān)系模式R是1NF，且每個(gè)非主屬性完全函數(shù)依賴(lài)于候選鍵，那么稱(chēng)R是第二范式（2NF）的模式。如果數(shù)據(jù)庫(kù)模式中每個(gè)關(guān)系模式都是2NF，則稱(chēng)數(shù)據(jù)庫(kù)模式為2NF的數(shù)據(jù)庫(kù)模式。不滿(mǎn)足2NF的關(guān)系模式中必定存在于非主屬性對(duì)候選鍵的局部依賴(lài)。923.第三范式定義1.17如果X→Y是R的一個(gè)FD，且Y不是X的子集,則稱(chēng)X→Y是R的非平凡的FD。定義1.18設(shè)F是關(guān)系模式R的FD集，如果F中的每一個(gè)非平凡的FDX→Y,都有X是R的超鍵，或則Y的每個(gè)屬性都是主屬性，則稱(chēng)R是屬于3NF。如果數(shù)據(jù)庫(kù)模式中每個(gè)關(guān)系模式都是3NF，則稱(chēng)數(shù)據(jù)庫(kù)模式為3NF的數(shù)據(jù)庫(kù)模式。93例1.9：在例1.8中，R2是2NF模式，而且也已是3NF模式。但R1(C#,T#,TITLE)是2NF模式，卻不一定是3NF模式。如果R1中存在函數(shù)依賴(lài)C#→T#和T#→TITLE，那么R的候選鍵是C#,由于T#→TITLE的存在使R1不是3NF模式。如果把R1分解成R11（T#，TITLE）和R12（C#，T#）后，C#→TITLE就不會(huì)出現(xiàn)在R11和R12中。這樣R11和R12都是3NF模式。94算法1.1分解成3NF模式集的算法設(shè)關(guān)系模式R（U），主鍵是W，R上還存在FDX→Z，并且Z是非主屬性，ZX，X不是候選鍵，這樣W→Z就是一個(gè)傳遞依賴(lài)。此時(shí)應(yīng)把R分解成兩個(gè)模式：R1（XZ），主鍵是X；R2（Y），其中Y=U-Z，主鍵仍是W，外鍵是X（參照R1）。利用外鍵和主鍵相匹配機(jī)制，R1和R2通過(guò)連接可以重新得到R。如果R1和R2還不會(huì)是3NF，則重復(fù)上述過(guò)程，一直到數(shù)據(jù)庫(kù)模式中每一個(gè)關(guān)系模式都是3NF為止。BCNF第三范式的修正形式是Boyee―Codd范式（簡(jiǎn)稱(chēng)BCNF）,是由Boyee與Codd提出的。95定義1.19設(shè)F是關(guān)系模式R的FD集，如果F中的每一個(gè)非平凡的FDX→Y,都有X是R的超鍵，則稱(chēng)R是BCNF。如果數(shù)據(jù)庫(kù)模式中每個(gè)關(guān)系模式都是BCNF，則稱(chēng)數(shù)據(jù)庫(kù)模式為BCNF的數(shù)據(jù)庫(kù)模式。96例1.10：設(shè)關(guān)系模式R（B#，BNAME，AUTHOR）的屬性分別表示書(shū)號(hào)、書(shū)名和作者名。如果規(guī)定，每個(gè)書(shū)號(hào)只有一個(gè)書(shū)名，但不同書(shū)號(hào)可以有相同書(shū)名；每本書(shū)可以有多個(gè)作者合寫(xiě)，但每個(gè)作者參與編著的書(shū)名應(yīng)該互不相同。這樣的規(guī)定可以用下列兩個(gè)FD表示：97B#→BNAME和（AUTHOR，BNAME）→B#R的候選鍵為（BNAME，AUTHOR）或（B#，AUTHOR），因而模式R的屬性都是主屬性，R是3NF模式。但從上述兩個(gè)FD，但由于第一個(gè)FD的原因使R不是BCNF模式。如一本書(shū)由多個(gè)作者編寫(xiě)時(shí)，其書(shū)名與書(shū)號(hào)間的聯(lián)系在關(guān)系中將多次出現(xiàn)，帶來(lái)冗余和操作異?，F(xiàn)象。如果把R分解成R1（B#，BNAME）和R2（B#，AUTHOR），能解決上述問(wèn)題，且R1和R2都是BCNF。但這個(gè)分解把（AUTHOR，BNAME）→B#丟失了，數(shù)據(jù)語(yǔ)義將會(huì)引起新的矛盾。這就需要其它方法來(lái)約束了。98算法1.2分解成BCNF模式集的算法對(duì)于關(guān)系模式R的分解ρ（初始時(shí)ρ={R}），如果ρ中有一個(gè)關(guān)系模式Ri不是BCNF，Ri中存在一個(gè)非平凡FDX→Y，X不是超鍵。此時(shí)把Ri分解成XY和Ri–Y兩個(gè)模式。重復(fù)上述過(guò)程，一直到ρ中每一個(gè)模式都是BCNF。這個(gè)算法可能會(huì)丟失掉某些FD。991.7數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)一般可劃分為下面七個(gè)階段：規(guī)劃、需求分析、概念設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行維護(hù)。1.規(guī)劃階段對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，特別是大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或大型信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)群，規(guī)劃階段是十分必要的。規(guī)劃的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的成功與否，對(duì)應(yīng)用單位的信息化進(jìn)程將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。100規(guī)劃階段具體可分為三個(gè)步驟：（1）系統(tǒng)調(diào)查：對(duì)應(yīng)用單位做全面的調(diào)查。發(fā)現(xiàn)其需要解決的主要問(wèn)題。（2）可行性分析：從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、效益、法律等諸方面對(duì)建立數(shù)據(jù)庫(kù)的可行性進(jìn)行分析；然后寫(xiě)出可行性報(bào)告；組織專(zhuān)家進(jìn)行討論其可行性。（3）確定數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的總目標(biāo)，并對(duì)應(yīng)用單位的工作流程進(jìn)行優(yōu)化和制定項(xiàng)目開(kāi)發(fā)計(jì)劃。在得到?jīng)Q策部門(mén)批準(zhǔn)后，就正式進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。1012.需求分析階段這一階段是計(jì)算機(jī)人員（系統(tǒng)分析員）和用戶(hù)雙方共同收集數(shù)據(jù)庫(kù)所需要的信息內(nèi)容和用戶(hù)處理的需求。并以需求說(shuō)明書(shū)的形式確定下來(lái)，作為以后系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的指南和系統(tǒng)驗(yàn)證的依據(jù)。102需求分析的工作