數(shù)據(jù)庫SQL ServerSQLite教程課件：關系數(shù)據(jù)模型與關系運算

關系數(shù)據(jù)模型與關系運算2.1數(shù)據(jù)模型概述2.2關系數(shù)據(jù)模型2.3關系運算

2.1數(shù)據(jù)模型概述

2.1.1數(shù)據(jù)模型的定義數(shù)據(jù)模型(DataModel)是對現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)特征的抽象，如數(shù)據(jù)的組成、數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系等?，F(xiàn)實世界中的實體不僅具有數(shù)據(jù)特征，還具有其他特征，如行為特征等。但對于數(shù)據(jù)模型而言，只關心實體的數(shù)據(jù)特征。數(shù)據(jù)模型是描述現(xiàn)實世界實體、實體之間的聯(lián)系以及語義約束的模型。

2.1.2數(shù)據(jù)模型的分類

根據(jù)對現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)抽象層次的不同，可將數(shù)據(jù)模型分為概念數(shù)據(jù)模型和結構數(shù)據(jù)模型。兩種數(shù)據(jù)模型之間的關系如圖2-1所示。

概念數(shù)據(jù)模型又稱語義數(shù)據(jù)模型，強調(diào)從用戶的角度來描述現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)特征，著重于對實際數(shù)據(jù)需求的獲取和表達，應該簡單、清晰、易于用戶理解。圖2-1概念數(shù)據(jù)模型與結構數(shù)據(jù)模型之間的關系

結構數(shù)據(jù)模型又稱邏輯數(shù)據(jù)模型，是用戶從數(shù)據(jù)庫看到的模型，強調(diào)從數(shù)據(jù)庫的角度來進行數(shù)據(jù)建模，具體表現(xiàn)為網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型、層次數(shù)據(jù)模型等。數(shù)據(jù)庫的邏輯結構包括數(shù)

據(jù)結構、數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)約束三個要素。結構數(shù)據(jù)模型是DBMS的邏輯基礎，任何一個DBMS都是基于某種特定的結構數(shù)據(jù)模型的，既要面向用戶，又要面向系統(tǒng)。

2.1.3E-R模型

在數(shù)據(jù)庫領域已經(jīng)提出了多種概念數(shù)據(jù)模型建模的方法，其中最著名和最流行的是E-R模型。

E-R模型(Entity-RelationshipModel，實體-聯(lián)系模型)是由美國路易斯安那州立大學的華裔教授PeterP.Chen于1976年提出的。E-R模型提供不受任何DBMS約束的面向用戶

的表達方法，建模思想簡單，語義表達能力強，一經(jīng)推出，立即受到了工業(yè)界的歡迎，在數(shù)據(jù)庫設計中被廣泛用作數(shù)據(jù)建模的工具。E-R模型的核心思想是將現(xiàn)實世界中的所有數(shù)

據(jù)都表示為實體，然后在實體與實體之間建立相應的聯(lián)系，并最終通過建立E-R圖來表示所有的數(shù)據(jù)語義。

⒈E-R模型的組成

E-R模型的構成要素，首先是實體和聯(lián)系。又因為實體和聯(lián)系都有其相應的屬性，所以E-R模型的組成包括三個要素：實體、聯(lián)系和屬性。

1)實體(Entity)

實體是現(xiàn)實世界中可標識的對象，可以是物理實體，也可以是抽象實體。實體的一個重要特征是它在現(xiàn)實世界是可以唯一標識的，如果不能唯一標識，則必須進一步分解。此

外，實體具有相應的實體名。

2)聯(lián)系(Relationship)

在E-R模型中，聯(lián)系是實體與實體之間的某種關聯(lián)，通過連線表示出來。聯(lián)系也具有相應的聯(lián)系名。在E-R模型中，實體之間的聯(lián)系分為三種類型：

(1)一對一聯(lián)系：指一個實體A只能與一個實體B發(fā)生聯(lián)系，反之亦然。它通常表示為1∶1或1-1。

(2)一對多聯(lián)系：指實體A和實體B存在1∶N聯(lián)系，即一個實體A可以與一個或多個實體B發(fā)生聯(lián)系，但一個實體B只能與一個實體A發(fā)生聯(lián)系。它通常表示為1∶N或1-N。

(3)多對多聯(lián)系：指實體A與實體B存在M∶N聯(lián)系，即一個實體A可以與一個或多個實體B發(fā)生聯(lián)系；反之，一個實體B也可以與一個或多個實體A發(fā)生聯(lián)系。它通常表示為M∶N或M-N。

3)屬性(Attribute)

實體內(nèi)部和實體之間的聯(lián)系都可以擁有一些描述自身特征的數(shù)據(jù)項，稱為屬性。實體內(nèi)部通常有多個屬性，構成一個屬性集。在這些屬性中，可以唯一標識實體屬性的就是實

體的碼。實體之間的聯(lián)系本身也可以有描述屬性。

屬性一般具有一個屬性名和一個域。域代表了屬性可以取值的范圍。

2.E-R模型的符號

E-R模型通過建立由實體、聯(lián)系和屬性構成的E-R圖來描述現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)需求，因此E-R模型也稱為E-R圖。

E-R模型的基本符號如圖2-2所示，實體集用矩形框表示，實體的屬性用橢圓框表示，實體間的聯(lián)系用菱形框表示，并附上相應的名稱。圖2-2E-R模型的基本符號

例如，一個公司業(yè)務流程的E-R模型設計如圖2-3所示。圖2-3某公司業(yè)務流程E-R圖

⒊E-R模型的集成與優(yōu)化

完成了各個底層子系統(tǒng)的E-R模型后，下一步將進行E-R模型的集成和優(yōu)化。方法是，首先找出公共實體，然后基于公共實體進行合并，最后消除合并過程中出現(xiàn)的各種沖突。

E-R模型在集成的過程中，可能出現(xiàn)的沖突大致有以下幾種：

(1)屬性沖突。

(2)結構沖突。

(3)命名沖突。

E-R模型在優(yōu)化過程中，可能出現(xiàn)的情形大致有以下幾種：

(1)合并實體。

(2)消除冗余屬性。

(3)消除冗余聯(lián)系。

2.2關系數(shù)據(jù)模型

2.2.1關系模型的相關概念關系模型是以規(guī)范化的二維表格結構表示實體，以外碼表示實體間的聯(lián)系，以三類完整性表示語義約束的數(shù)據(jù)模型。關系模型示例如圖2-4所示，涉及一些術語，包括元組、屬性、關系等。圖2-4關系模型的相關概念示例

在關系模型中，所有實體都表示在一個二維表格結構中，每一個實體表示為表格中的一行，稱為一個元組(Tuple)。元組的數(shù)目稱為關系的基數(shù)。元組本質(zhì)上是數(shù)據(jù)，是一系列屬性值的集合。

表格的每一列稱為一個屬性(Attribute)，屬性有一個屬性名及相應的域。屬性的數(shù)目稱為關系模式的度(Degree)，元組的每一個值稱為屬性值。

關系數(shù)據(jù)庫模式(RelationalDatabaseSchema)用于描述整個關系數(shù)據(jù)庫的邏輯結構和特征。關系數(shù)據(jù)庫模式的一個實例稱為關系數(shù)據(jù)庫。在關系模型中涉及以下幾個碼的概念：

(1)超碼(SupperKey)：關系模式中能夠唯一區(qū)分每個元組的屬性集合。

(2)候選碼(CandidateKey)：不含多余屬性的超碼。它是唯一區(qū)分元組的最小屬性集。

(3)主碼(PrimaryKey)：用戶選定的作為元組標識的候選碼，其他的候選碼稱為替換碼(AlternateKey)。主碼在E-R圖中以屬性名加下畫線表示。

2.2.2關系的幾個性質(zhì)

關系模型是以二維表格形式的關系為基本數(shù)據(jù)結構，并且必須滿足一定的規(guī)范，因此關系是規(guī)范化的二維表格，表現(xiàn)為以下幾個性質(zhì)：

(1)屬性值不可分解：每個屬性值都是單一值，不能是一個值集。通俗地講，就是不允許關系出現(xiàn)“表中表”。

(2)元組不可重復：任何關系中都不允許存在重復元組。

(3)關系沒有行序：任何關系的元組之間沒有順序。

(4)關系沒有列序：任何關系的屬性列之間沒有順序。

2.2.3關系模型的完整性約束

關系模型通過四類完整性約束來表達數(shù)據(jù)的語義約束，即實體完整性、參照完整性、域完整性和用戶自定義完整性。完整性約束(IntegralConstrait)也稱完整性規(guī)則(Integral

Rule)，是關系模式必須滿足的一些謂詞條件，體現(xiàn)為具體領域中的語義約束。依據(jù)完整性約束，關系模型可以表達豐富的語義約束條件。

⒈實體完整性

實體完整性(EntityIntegrity)也稱行完整性，是指關系模式的任一關系的主屬性值(候選碼)不可為空。圖2-5為一個實體完整性示例。圖2-5實體完整性示例

⒉參照完整性

參照完整性(ReferentialIntegerity)也稱引用完整性，定義在兩個關系模式之上，涉及外碼概念，用于保證相關表中數(shù)據(jù)的一致性。關系模式R的外碼(ForeignKey)是指它的

一個屬性集FK滿足兩個條件：存在帶有候選碼CK的關系模式S；R的任一非空FK值都在S的CK中有一個相同的值。我們把S稱為被參照關系(ReferencedRelation)，R稱為參照關系(ReferentialRelation)。圖2-6為一個外碼的示例。圖2-6關系模式的外碼示例

⒊域完整性

實體完整性和參照完整性給出了針對主碼和外碼的語義約束，但實際應用還常常要求對一些非碼屬性添加完整性約束，因此，在關系模型中引入了第三類完整性約束。

域完整性也稱列完整性，是指定列的輸入有效性，通過限制列的類型、格式和可能值的范圍等方法加以實現(xiàn)。域完整性通常以不等式、等式等形式給出，并且可以通過邏輯操

作符連接多個謂詞條件。

⒋用戶自定義完整性

這是用戶根據(jù)實際應用的需要而自行定義的數(shù)據(jù)完整性。所有完整性類別都支持用戶定義完整性，包括CreateTable中所有列級約束和表級約束、存儲過程及觸發(fā)器。

例如，在訂單表中，發(fā)貨日期不能早于訂貨日期，因此，在使用Update或Insert操作創(chuàng)建觸發(fā)器時，定義發(fā)貨日期＞訂貨日期，否則會出錯并回滾事務。

2.3關系運算關系運算是關系模型數(shù)據(jù)操作的主要實現(xiàn)方式，分為兩類：一類是傳統(tǒng)的集合運算(并、差、交、笛卡爾積)，另一類是專門的關系運算(選擇、投影、連接等)。任何關系運算的結果仍然是一個關系，有些查詢需要幾個基本運算的組合，要經(jīng)過若干步驟才能完成。關系運算操作有兩種類型：一元操作和二元操作。一元操作是指只有一個運算對象的操作，二元操作是指有兩個運算對象的操作，如并、交、差等操作。用戶對關系運算的操作需求，表現(xiàn)為關系表達式。

⒈集合運算

已知關系R和關系S如圖2-7所示，其四種集合操作如下：

(1)并(Union)。并即R和S具有相同的結構，其運算符為“∪”，記為T=R∪S。

(2)差(Difference)。R和S的差是由屬于R但不屬于S的元組組成的集合，其運算符為“-”，記為T=R-S。

(3)交(Intersection)。R和S的交是由既屬于R又屬于S的元組組成的集合，其運算符為“∩”，記為T=R∩S。

(4)笛卡爾積。R和S的笛卡爾積是R和S的元組兩兩任意組合而得到的結果，其運算符為“×”，記為T=R×S。圖2-7關系R和S

上述四種運算結果如圖2-8所示。圖2-8關系R和S的四種集合運算結果

⒉專門的關系運算

專門的關系運算包括選擇、投影、連接和除法運算。

假設關系R和S如圖2-9所示，下面討論專門的關系運算。圖2-9關系R和S

1)選擇

從關系中找出滿足給定條件的元組的操作(where)，其中條件以邏輯表達式給出，值為真的元組將被選取。這種運算是從水平方向抽取元組。例如：

select*fromRwhereBin(12,32)

算結果如圖2-10所示。圖2-10關系R和S的選擇運算結果

2)投影

從關系模式中指定若干個屬性組成新的關系，這是從列的方向進行的運算。例如：selectA,BfromR

運算結果如圖2-11所示。圖2