關(guān)系模型與關(guān)系數(shù)據(jù)庫第二章

關(guān)系模型與關(guān)系數(shù)據(jù)庫第二章第1部分?jǐn)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)基礎(chǔ)第2章關(guān)系模型與關(guān)系數(shù)據(jù)庫高級數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其應(yīng)用2024/4/243第2章關(guān)系模型與關(guān)系數(shù)據(jù)庫關(guān)系數(shù)據(jù)模型2.1關(guān)系操作與關(guān)系查詢語言2.2SQL語言2.3應(yīng)用關(guān)系數(shù)據(jù)庫2.42024/4/2442.1關(guān)系數(shù)據(jù)模型2.1.1關(guān)系模型基礎(chǔ)2.1.2關(guān)系模型的約束及其表達(dá)2.1.3關(guān)系數(shù)據(jù)庫2024/4/2452.1.1關(guān)系模型基礎(chǔ)關(guān)系（表）關(guān)系模型將數(shù)據(jù)庫表示為一組“關(guān)系(relation)”的集合。每個關(guān)系好比一個具有多個行(row)和多個列(column)的二維值表(table)。每個關(guān)系含兩部分信息：關(guān)系模式(relationschema)和關(guān)系實(shí)例(relationinstance)。在正式的關(guān)系模型術(shù)語中表行：被稱為記錄(record)或元組(tuple)表列標(biāo)題：被稱為屬性(attribute)或字段(field)

。2024/4/246一個簡單關(guān)系表的關(guān)系模式和關(guān)系實(shí)例示例(圖2.1)2024/4/247其它幾個重要的關(guān)系模型概念（1）

屬性域在關(guān)系模型中，必須為每個屬性指定一個域(domain)。關(guān)系模式(relationschema)指一個關(guān)系的基本模式結(jié)構(gòu)定義。形式上，名為R的關(guān)系模式可表示為:R(A1[:dom(A1)],…,An[:dom(An)])關(guān)系實(shí)例（關(guān)系狀態(tài)）關(guān)系的每個數(shù)據(jù)行稱為一個元組，可形式表示為t=<v1,v2,…,vn>，關(guān)系的實(shí)例（狀態(tài)）是一個元組集或記錄集，可形式表示為:r(R)={t1,t2,…,tn}2024/4/248其它幾個重要的關(guān)系模型概念（2）

關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式(Schema,S)指由一個關(guān)系模式集{R1,R2,…,Rn}和一個關(guān)系約束集ICs構(gòu)成的定義集；S={R1,R2,…,Rn}+ICs。關(guān)系數(shù)據(jù)庫狀態(tài)指特定時刻DB中所有關(guān)系狀態(tài)的集合，即DB={r1,r2,…,rn}，其中，ri是關(guān)系Ri的狀態(tài)。關(guān)系數(shù)據(jù)庫關(guān)系數(shù)據(jù)庫(RDB)，是采用關(guān)系模型來表示數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。RDB的一個狀態(tài)也稱為一個RDB實(shí)例。2024/4/2492.1.2關(guān)系模型的約束及其表達(dá)

完整性約束(IntegrityConstraints,ICs)DBMS必須能強(qiáng)制實(shí)施與DB模式有關(guān)的所有約束，以限制允許存儲到DB的數(shù)據(jù)，確保DB中只有滿足約束的合法數(shù)據(jù)。ICs的主要類型包括域約束、主鍵約束和外鍵約束，它們常被統(tǒng)稱為基于模式的約束。鍵約束超鍵(superkey,SK)的概念能唯一標(biāo)識關(guān)系R中每個元組的一個屬性子集超鍵中可能會有冗余屬性候選鍵(CandidateKey)沒有冗余屬性的超鍵2024/4/2410引用完整性約束引用完整性約束(referentialintegrityconstraint)指要在兩不同關(guān)系之間指定，用來維護(hù)兩關(guān)系元組間一致性的一種關(guān)系模型約束。該約束指定：當(dāng)某關(guān)系元組引用另一個關(guān)系中元組時，只能引用已經(jīng)存在的元組。外鍵(ForeignKey,FK)定義外鍵條件指定了兩個關(guān)系模式R1和R2之間的一個引用完整性約束，或簡稱為外鍵約束。

2024/4/2411約束指定－－應(yīng)用實(shí)例2024/4/24122.2關(guān)系操作與關(guān)系查詢語言2.2.1關(guān)系代數(shù)2.2.2關(guān)系演算本章查詢表達(dá)說明用例模式（“水手值勤服務(wù)”）Sailors(sid:integer,sname:string,rating:integer,age:integer);Boats(bid:integer,bname:string,color:string);Reserves(sid:integer,bid:integer,day:date);關(guān)系查詢語言的兩種屬性引用方法：(1)屬性名(2)屬性在關(guān)系模式中的位置或順序號關(guān)系模型中除了引入描述DB結(jié)構(gòu)和約束的概念外，還引用了一組可操縱DB的操作----通過基于模型的專門語言，來表達(dá)模型操作。本節(jié)介紹：基于關(guān)系模型的兩種模型語言--關(guān)系代數(shù)/關(guān)系演算。下節(jié)介紹：以這兩種形式語言為基礎(chǔ)的關(guān)系模型標(biāo)準(zhǔn)化語言(SQL)2024/4/2413“水手值勤服務(wù)”的一個簡單模式實(shí)例2024/4/24142.2.1關(guān)系代數(shù)關(guān)系代數(shù)由一組操作符構(gòu)成。每個操作符接受1或2個關(guān)系實(shí)例作為參數(shù)，返回一個關(guān)系實(shí)例作為結(jié)果。以下三個方面因素，可突顯關(guān)系代數(shù)在RDBMS中的重要性和地位：它為關(guān)系模型操作提供了一個形式化的基礎(chǔ)；是RDBMS查詢實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化的基礎(chǔ)；SQL結(jié)合并保留了很多關(guān)系代數(shù)的基本概念關(guān)系代數(shù)操作符的兩種主要類型：基于集合論的操作，包括并、交、差和叉積等，這些操作的適用性源于“關(guān)系”本質(zhì)上是元組集合；另一類操作則是專門為RDBMS開發(fā)的操作，包括選擇、投影、連接，以及為聚合運(yùn)算引入的相關(guān)操作。2024/4/24151.并、交、差運(yùn)算

并、交、差這三個運(yùn)算操作都可對應(yīng)到集合論操作，它們都屬于二元操作符，要求有兩個被操作對象，且要求這兩個關(guān)系是相容的。并（R∪S）:R∪S={t|t?R

t?S}交（R∩S）:R∩S={t|t?R∧t?S}差（R－S）:R－S={t|t?R∧t?S}2024/4/24162.叉積操作叉積，也稱為笛卡兒積(cartesianproduct)，操作符用

表示，屬于二元關(guān)系操作符，代數(shù)表達(dá)式為R

S。2024/4/24173.選擇操作與投影操作選擇操作符表示為σc(R)，其中，c為條件表達(dá)式。投影操作符表示為πL(R)，其中，L為投影輸出的屬性子集列表A1’,…,Am’。2024/4/24184.重命名操作在許多場合，輸出列名可以直接使用輸入關(guān)系的屬性名。但當(dāng)輸出列為表達(dá)式，或二元操作兩個輸入關(guān)系中含同名屬性，或希望改善原屬性名的可讀性等，都需要重命名機(jī)制。關(guān)系代數(shù)中引入了一個重命名操作符(ρ)，其代數(shù)表達(dá)形式為：ρ(R’(A1

A1’,…,Ai

Ai’,…),E)例2.6基于圖2.4(d)的S1×R1，寫出表達(dá)式ρ(R’(1

sid1,5

sid2),S1×R1)返回的R’模式。2024/4/24195.連接操作連接操作（?c），用來合并兩個關(guān)系中的信息――將兩關(guān)系中相關(guān)的“元組對”合并成一個元組輸出。雖然在概念上，R?cS=

L(σc(R

S))；但按這種方法實(shí)現(xiàn)連接操作的效率很低。在RDBMS中，連接操作通常以獨(dú)立于叉積結(jié)果的方法實(shí)現(xiàn)。2024/4/24206.消除重復(fù)與排序運(yùn)算

消除重復(fù)運(yùn)算的表達(dá)式為

（RB），其操作對象可以是包型關(guān)系或集合型關(guān)系。消除重復(fù)是一個代價較大的操作，故在很多實(shí)際系統(tǒng)中，默認(rèn)情況下的投影輸出都不自動消除重復(fù)。

排序操作的代數(shù)符號表達(dá)式為TL(R)。該操作用來將關(guān)系R的所有元組，按L所指定方式排序輸出。L是一個屬性表達(dá)列表，具有形如A1[asc|desc],A2

[asc|desc],…的形式2024/4/24217.分組與聚合操作分組(grouping)與聚合(aggregating)操作的代數(shù)表達(dá)式為γL(R)，該操作將關(guān)系R的所有元組按L指定方式進(jìn)行分組。L是一個列表表達(dá)式。聚合關(guān)系與原關(guān)系R一般具有不同的模式結(jié)構(gòu)。聚合關(guān)系中的屬性，必須或者是出現(xiàn)L中的屬性，或是一個聚合函數(shù)表達(dá)式。很多DB書籍或文獻(xiàn)中，都將aggregating運(yùn)算譯為聚集。本書中，考慮到已將clustering譯為聚簇、聚集。為避免混淆，同時也考慮到合計匯總運(yùn)算這個語義，故采用‘聚合’這個譯法。2024/4/24222.2.2關(guān)系演算(relationalcalculus)關(guān)系演算為關(guān)系DB查詢提供了一種高級描述性表示法。它是一種形式化語言，其基礎(chǔ)是被稱為謂詞(predicate)演算的數(shù)理邏輯分支――一階謂詞邏輯(FirstOrderLogic,FOL)。在演算表達(dá)式中，不需給出如何應(yīng)獲取結(jié)果的操作次序指示信息，只描述了結(jié)果中應(yīng)當(dāng)包括的信息。關(guān)系演算表達(dá)式描述了一個新的關(guān)系，這個新關(guān)系以變量形式來指定，變量取值范圍可是是新關(guān)系中的元組（元組演算），或是新關(guān)系中的屬性域（域演算）。元組演算對商業(yè)化關(guān)系查詢語言SQL發(fā)展有重要影響；域演算則是QBE(Query-By-Exle語言)的基礎(chǔ)。2024/4/2423元組關(guān)系演算(TupleRelationalCalculus,TRC)

元組變量是取值范圍限為特定關(guān)系元組的變量。TRC查詢的基本表達(dá)形式{t|p(t)}，t

代表一個元組變量，而p(t)則是t應(yīng)當(dāng)滿足的邏輯公式。查詢結(jié)果是能使邏輯公式p(t)為真值的所有元組t集合。構(gòu)造TRC查詢表達(dá)的核心任務(wù)是給出邏輯公式p(t),本質(zhì)上TRC邏輯公式是FOL公式的一個子集。應(yīng)用舉例要檢索職級超過7的水手，TRC表達(dá)為：{S|S?Sailors∧S.rating>7}

2024/4/2424TRC原子公式，是下面形式之一：R?Rel是最基本原子公式，表達(dá)元組變量R的取值。R.aopS.b或R.aopconst或constopR.a是比較型原子公式，表達(dá)R在其指定屬性上的取值限定。任何TRC公式可由如下任一方法遞歸地構(gòu)造產(chǎn)生：任何一個原子公式。┐p(取反),p∧q(‘與’連接構(gòu)造),p∨q(‘或’連接構(gòu)造),p?q(蘊(yùn)涵:若p為真,q必為真)。?R(p(R))，R是元組變量。?R(p(R))，R是元組變量。TRC查詢的語法與語義令Rel是關(guān)系名；邏輯操作符op?{<,>,=,≤,≥,≠}；R和S是元組變量，a與b分別是R與S的一個屬性；

p和q是一個TRC公式。該表達(dá)語義是：對p(R)中的每個自由變量（包括R），至少存在一個能使公式p(R)為真的元組賦值。（綁定到變量R的存在量詞）通常一個公式p(R)中會包含一個R?Rel條件，以及一些關(guān)于R的量詞限定表達(dá)。為簡潔起見，常用?R?Rel(p(R))

替代?R(R?Rel∧p(R))

常用?R?Rel(p(R))

替代?R(R?Rel?p(R)

2024/4/2425域關(guān)系演算(DomainRelationalCalculus,DRC)

DRC公式可按類似TRC公式的方式進(jìn)行形式定義。這兩類公式定義的主要差別是變量的取值范圍。令X和Y是域變量。DRC原子公式是下面形式之一：<x1,x2,…,xn>?Rel

Rel是含有n個屬性的關(guān)系名，每個xi

,1≤i≤n，或是一個變量，或是一個常數(shù)。XopY或Xopconstant或constantopX任何DRC公式可由如下任一方法遞歸地構(gòu)造產(chǎn)生。任何一個DRC原子公式；┐p(取反),p∧q(與連接構(gòu)造),p∨q(或連接構(gòu)造),p?q(蘊(yùn)涵:若p為真,q必為真)?X(p(X))，X是<x1,x2,…,xn>。?X(p(X))，X是<x1,x2,…,xn>。2024/4/2426DRC查詢示例(Q3)查詢被指派到103號船值勤的水手名{<N>|?I,T,A(<I,N,T,A>?Sailors∧?Ir,Br,D(<Ir,Br,D>?Reserves∧Ir=I∧Br=103))}若引入簡記法，也可改寫為：{<N>|?I,T,A(<I,N,T,A>?Sailors∧?<Ir,Br,D>?Reserves(Ir=I∧Br=103))}該式還可用如下更簡潔的寫法：{<N>|?I,T,A(<I,N,T,A>?Sailors∧?D(<I,103,D>?Reserves))}(Q4)查詢曾在一個紅船上值勤過的所有水手名字{<N>|?I,T,A(<I,N,T,A>?Sailors∧?<I,Br,D>?Reserves∧?<Br,Bn,’red’>?Boats}2024/4/24272.3SQL語言2.3.1用DDL定義數(shù)據(jù)庫2.3.2用DML操縱數(shù)據(jù)庫2.3.3視圖2024/4/2428SQL語言簡介SQL是結(jié)構(gòu)化查詢語言(StructuredQueryLanguage)的縮寫。SQL發(fā)展簡史最初由IBM研究院設(shè)計實(shí)現(xiàn)，并作為IBM早期數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)SYSTEMR的接口。第一個SQL標(biāo)準(zhǔn)是1986由美國國家標(biāo)準(zhǔn)署(ANSI)推出的SQL1，也稱SQL-86。在SQL-86基礎(chǔ)上，ANSI還推出了一個改進(jìn)版SQL-89。1992年，ANSI與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)合作，對原有版本進(jìn)行了較大的修訂和擴(kuò)充，共同推出了一個更完整的SQL新標(biāo)準(zhǔn)，稱為SQL-92(也稱SQL2)。最新也最終版本是1999年ANSI/ISO推出的SQL-99(也稱SQL3)。SQL現(xiàn)已成為商業(yè)化DBMS的標(biāo)準(zhǔn)語言。2024/4/24292.3.1用DDL定義數(shù)據(jù)庫

（1）定義DB模式與DB編目DB模式，也稱SQL模式(SQLschema)最早由SQL-92引入，旨在將同屬于一個DB應(yīng)用的表和其它構(gòu)造組織在一起。SQL-92中，創(chuàng)建模式的SQL語句為：

CREATESCHEMAsailorMDBAUTHORIZATIONJsmith[PASSWORD123]（2）定義關(guān)系模式建表命令(CREATETABLE)用來創(chuàng)建或定義關(guān)系表。2024/4/2430創(chuàng)建表示例－－創(chuàng)建“水手”小模式

2024/4/24312.3.1用DDL定義數(shù)據(jù)庫

（1）定義DB模式與DB編目（2）定義關(guān)系模式（3）更改SQL模式定義DROP命令：是CREATE命令的逆命令。用來刪除命名的模式或模式元素，如表、域、約束、視圖，…等。命令的基本格式為：DROP<對象類型名><對象名>[<RESTRICT[默認(rèn)]|CASCADE>]例1DROPSCHEMA<模式名>RESTRICT例2DROPTABLE<表名>CASCADEALTER命令：用來更改表或其它模型元素定義。2024/4/24322.3.2用DML操縱數(shù)據(jù)庫一、SQL基本查詢（一）SQL查詢的基本形式SELECT[DISTINCT]select_listFROMfrom-list[WHERE<condition>]（二）SQL基本查詢的語義（概念賦值策略）計算出現(xiàn)在from-list中關(guān)系表的叉積；刪除叉積結(jié)果中不滿足WHERE中條件的元組；刪除未出現(xiàn)在select-list中的列；如果指定了DISTINCT，刪除重復(fù)元組。

(與實(shí)際DBMS中的查詢賦值策略相比，概念賦值策略通常不考慮效率，更強(qiáng)調(diào)概念性和易理解性)2024/4/2433SQL基本查詢應(yīng)用舉例（1）2024/4/2434SQL基本查詢應(yīng)用舉例（2）2024/4/24352.3.2用DML操縱數(shù)據(jù)庫一、SQL基本查詢二、在SQL命令中使用表達(dá)式和字符串select-list中的每個項，除了可以是相關(guān)表的屬性名外，還允許是形如<expr>AS輸出列名這種更一般的表達(dá)。WHERE語句中的條件項，也允許含一般表達(dá)式。三、集合運(yùn)算SQL提供了并(UNION)、交(INTERSECT)、差(EXCEPT)等三種集合操作，以擴(kuò)展基本查詢。2024/4/2436在SQL中使用表達(dá)式和字符串－舉例2024/4/2437集合運(yùn)算應(yīng)用舉例顯然，對前面的Q8、Q9這兩查詢，利用集合操作符，我們可得到更清晰、更好理解的表達(dá)。2024/4/24382.3.2用DML操縱數(shù)據(jù)庫一、SQL基本查詢二、在SQL命令中使用表達(dá)式和字符串三、集合運(yùn)算四、嵌入查詢允許在條件項中引用“基于另一表的即時計算值”，是SQL的一個強(qiáng)有力特性，可有效提高查詢表達(dá)能力。為獲得即時引用值，可通過在條件項中嵌入另一個SQL查詢來實(shí)現(xiàn)。內(nèi)嵌的查詢稱為子查詢，含子查詢的查詢稱為嵌入查詢。2024/4/2439嵌入查詢應(yīng)用舉例可用嵌入查詢來重新表達(dá)Q3、Q42024/4/24402.3.2用DML操縱數(shù)據(jù)庫一、SQL基本查詢二、在SQL命令中使用表達(dá)式和字符串三、集合運(yùn)算四、嵌入查詢五、聚合操作除了簡單存取數(shù)據(jù)，查詢也經(jīng)常需要執(zhí)行一些匯總(summarization)計算，或分組合計。標(biāo)準(zhǔn)SQL支持以下五種基本聚合操作：COUNT([DISTINCT]A):計算屬性A上(不同)值的個數(shù)SUM([DISTINCT]A):計算屬性A上(不同)值的合計值A(chǔ)VG([DISTINCT]A):計算屬性A上(不同)值的平均值MAX(A):計算屬性A上的最大值；MIN(A):計算屬性A上的最小值；

除count外，其它四個操作都要求屬性A的域?yàn)閿?shù)值型。2024/4/2441五、聚合操作（一）在查詢表達(dá)中簡單應(yīng)用聚合函數(shù)

(Q15)查職級=2的所有水手平均/最大/最小年齡/總?cè)藬?shù)

SELECTAVG(S.age)ASavg_age,MAX(S.age)ASmax_age,COUNT(*)ASnumFROMSailorsSWHERES.rating=2(Q16)查比‘職級為2的最大年齡水手’年齡更大的水手SELECTS.snameFROMSailorsSWHERES.age>(SELECTMAX(S2.age)FROMSailorsS2WHERES2.rating=2)（二）分組計算聚合值2024/4/2442五、聚合操作（一）在查詢表達(dá)中簡單應(yīng)用聚合函數(shù)(Q15、Q16)都是針對關(guān)系中被選擇的所有元組進(jìn)行聚合計算，這相當(dāng)于只有一個分組(組中包含了所有被選擇元組)。（二）分組計算聚合值SQL也支持針對關(guān)系中被選擇的元組進(jìn)行分組，并針對每個分組進(jìn)行聚合計算。增加分組聚合的擴(kuò)展SQL語句基本形式為：SELECT[DISTINCT]select_listFROMfrom-listWHEREselect-conditonGROUPBYgrouping-attribute-list[A1,A2,…]HAVINGgrouping-select-conditon分組聚合擴(kuò)展查詢語句表達(dá)的賦值策略2024/4/24432.3.2用DML操縱數(shù)據(jù)庫一、SQL基本查詢二、在SQL命令中使用表達(dá)式和字符串三、集合運(yùn)算四、嵌入查詢五、聚合操作六、外連接操作是連接操作的一類重要變體，其結(jié)果實(shí)例中通常會有大量NULL值，可能產(chǎn)生比條件連接更多的結(jié)果元組外連接又分“左外連接”、“右外連接”和“左右外連接”2024/4/2444六、外連接操作(outerjoins)左外連接(leftouterjoin)左表中那些不匹配的元組也會被加入到結(jié)果中。左表的每個不匹配元組與右表空元組(所有列都取NULL值)拼接產(chǎn)生一個結(jié)果元組。右外連接(rightouterjoin)右表中那些不匹配的元組也會被加入到結(jié)果中。全外連接(fullouterjoin)兩個表中不匹配元組都會分別與另一表的空元組組合，加入到連接結(jié)果集中。查詢示例：SELECTS.sid,R.bid,R.dayFROMSailorsSNATURALLEFTOUTERJOINReservesR2024/4/24452.3.2用DML操縱數(shù)據(jù)庫一、SQL基本查詢二、在SQL命令中使用表達(dá)式和字符串三、集合運(yùn)算四、嵌入查詢五、聚合操作六、外連接操作七、修改數(shù)據(jù)庫更新或修改DB主要包括三種基本操作：插入（insert）、刪除(delete)和修改（update）。2024/4/2446修改數(shù)據(jù)庫操作的基本語法說明2024/4/2447修改數(shù)據(jù)庫操作－－應(yīng)用示例2024/4/24482.3.3視圖讓用戶看都DB中所有數(shù)據(jù)是不合適的。首先，從安全的角度考慮，我們可能更希望各用戶只看到與其有關(guān)的哪些數(shù)據(jù)。其次，不同用戶，可能需要以特有的個性化視角來觀察所感興趣的數(shù)據(jù)子集。在DB中，通過引入視圖(view)這一概念來解決以上問題。原則上，基于一組給定的實(shí)關(guān)系，我們能創(chuàng)建一組任意大小視圖集。視圖定義的基本形式為：CREATEVIEW<視圖名>AS<查詢表達(dá)>2024/4/24492.4應(yīng)用關(guān)系數(shù)據(jù)庫2.4.1DB存儲過程與SQL/PSM