數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理教程

教材：王珊、陳紅，?數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理教程?，清華大學(xué)出版社，1998參考書籍：薩師煊、王珊，?數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論〔第三版〕?，高等教育出版社，2000C.J.Date〔孟小峰等譯〕，?數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)導(dǎo)論?，機(jī)械工業(yè)出版社，2000

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理1課程講授的內(nèi)容

第一章緒論1.1

引言1.2

數(shù)據(jù)模型1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第二章

關(guān)系數(shù)據(jù)庫2.1

關(guān)系數(shù)據(jù)庫概述2.2

關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.3

關(guān)系的完整性2.4

關(guān)系代數(shù)2.5

關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)第三章

關(guān)系數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)語言SQL3.1

SQL的數(shù)據(jù)定義3.2

SQL的查詢語句3.3

SQL的更新語句3.4

SQL的視圖第四章

關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)理論4.1

數(shù)據(jù)依賴4.2

范式〔1NF，2NF，3NF，BCNF〕4.3

關(guān)系模式的標(biāo)準(zhǔn)化第五章

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)5.1

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的步驟5.2

需求分析5.3

概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.4

邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5.5

數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計(jì)2

1.1

引言1.2

數(shù)據(jù)模型1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1章緒論341.1

引言1.1.1數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)(Data):

描述事物的符號(hào)記錄。數(shù)據(jù)與其語義是不可分的。

數(shù)據(jù)庫(DataBase，DB)

長期儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)的、有組織的、可共享的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述和儲(chǔ)存，具有較小的冗余度、較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性和易擴(kuò)展性，并可為各種用戶共享。5數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DataBaseManagementSystem，DBMS)位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件。主要功能包括以下幾個(gè)方面：1.數(shù)據(jù)定義功能：數(shù)據(jù)定義語言(DataDefinitionLanguage,DDL)2.數(shù)據(jù)操縱功能:數(shù)據(jù)操縱語言(DataManipulationLanguage,DML)3.數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行管理:統(tǒng)一管理、統(tǒng)—控制，以保證數(shù)據(jù)的平安性、完整性、多用戶對(duì)數(shù)據(jù)的并發(fā)使用及發(fā)生故障后的系統(tǒng)恢復(fù)。4.數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù)功能：數(shù)據(jù)庫初始數(shù)據(jù)的輸入、轉(zhuǎn)換功能，重組織、性能監(jiān)視、分析功能等6數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DataBaseSystem，DBS)指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)，一般由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(及其開發(fā)工具)、應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶構(gòu)成。數(shù)據(jù)庫管理員(DataBaseAdministrator,DBA)

7應(yīng)用系統(tǒng)DB用戶應(yīng)用開發(fā)工具DBMSOS用戶用戶DBA圖1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DBS)圖2

數(shù)據(jù)庫在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位89人工管理階段(20世紀(jì)50年代中期以前〕特點(diǎn)：(1)數(shù)據(jù)不保存(2)應(yīng)用程序管理數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)需要由應(yīng)用程序自己管理，沒有相應(yīng)的軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的管理工作。應(yīng)用程序中不僅要規(guī)定數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，而且要設(shè)計(jì)物理結(jié)構(gòu)，包括存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、存取方法、輸入方式等。因此程序員負(fù)相很重。(3)數(shù)據(jù)不共享數(shù)據(jù)是面向應(yīng)用的，一組數(shù)據(jù)只能對(duì)應(yīng)一個(gè)程序。(4)數(shù)據(jù)不具有獨(dú)立性數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)或物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，必須對(duì)應(yīng)用程序做相應(yīng)的修改。10應(yīng)用程序1數(shù)據(jù)集1應(yīng)用程序2數(shù)據(jù)集2應(yīng)用程序n數(shù)據(jù)集n……圖1-3人工管理階段應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系1112應(yīng)用程序1文件1應(yīng)用程序2文件2應(yīng)用程序n文件n……圖1-4文件系統(tǒng)階段應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系存取方法13數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段(60年代－〕特點(diǎn)：(1)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化是數(shù)據(jù)庫與文件系統(tǒng)的根本區(qū)別。文件系統(tǒng)中，盡管其記錄內(nèi)部已有了某些結(jié)構(gòu)，但記錄之間沒有聯(lián)系。數(shù)據(jù)的最小存取單位是記錄。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化，描述數(shù)據(jù)時(shí)不僅要描述數(shù)據(jù)本身，還要描述數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)不再針對(duì)其一應(yīng)用，是面向全組織，具有整體的結(jié)構(gòu)化。數(shù)據(jù)的最小存取單位是數(shù)據(jù)項(xiàng)。14學(xué)生記錄格式例如主記錄－詳細(xì)記錄格式例如(a)15主記錄－詳細(xì)記錄格式例如(b)面向組織(多個(gè)應(yīng)用〕的學(xué)生數(shù)據(jù)組織16(2)數(shù)據(jù)的共享性高，冗余度低，易擴(kuò)充面向整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可以被多個(gè)用戶、多個(gè)應(yīng)用共享使用。共享導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余度低，同時(shí)可防止數(shù)據(jù)之間的不相容性與不一致性。容易增加新的應(yīng)用，這就使得數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)彈性大，易于擴(kuò)充。(3)數(shù)據(jù)獨(dú)立性高物理獨(dú)立性是指用戶的應(yīng)用程序與存儲(chǔ)在磁盤上的數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立的。也就是說，數(shù)據(jù)在磁盤上的數(shù)據(jù)庫中怎樣存儲(chǔ)是由DBMS管理的、用戶程序不需要了解，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。邏輯獨(dú)立性是指用戶的應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)是相互獨(dú)立的，也就是說，數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)改變了，用戶程序也可以不變。數(shù)據(jù)獨(dú)立性是由DBMS的二級(jí)映象功能來保證的。17(4)數(shù)據(jù)由DBMS統(tǒng)一管理和控制數(shù)據(jù)庫的共享是并發(fā)的(Concurrency)。DBMS還必須提供的數(shù)據(jù)控制功能：(1)數(shù)據(jù)的平安性〔Security)(2)數(shù)據(jù)的完整性(Integrity)正確性、有效性和相容性(3)并發(fā)(Concurrency)控制(4)數(shù)據(jù)庫恢復(fù)(Recovery)18應(yīng)用程序1應(yīng)用程序2…圖1-5數(shù)據(jù)庫管理階段程序與數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系DBMS

數(shù)據(jù)庫19表1-1數(shù)據(jù)管理三個(gè)階段的比較數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的出現(xiàn)使信息系統(tǒng)從以加工數(shù)據(jù)的程序?yàn)橹行霓D(zhuǎn)向圍繞共享的數(shù)據(jù)庫為中心的新階段。2021數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)庫創(chuàng)立〔20世紀(jì)60年代和更早〕－原始文件處理22數(shù)據(jù)倉庫和數(shù)據(jù)挖掘（80年代后期－現(xiàn)在）－數(shù)據(jù)倉庫和OLAP技術(shù)－數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)發(fā)現(xiàn)高級(jí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（80年代中期－現(xiàn)在）－高級(jí)數(shù)據(jù)模型：

擴(kuò)充關(guān)系、面向?qū)ο蟆?duì)象－關(guān)系、演繹－面向應(yīng)用：

空間的、時(shí)間的、多媒體的、主動(dòng)的、科學(xué)的、知識(shí)庫基于Web的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（90年代－現(xiàn)在）－基于XML的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)－Web挖掘新一代綜合信息系統(tǒng)〔2000－…〕23新一代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其相互關(guān)系241.2

數(shù)據(jù)模型(DataModel)25根據(jù)應(yīng)用的不同目的，數(shù)據(jù)模型劃分為兩類：概念模型〔信息模型〕按用戶的觀點(diǎn)來對(duì)數(shù)據(jù)和信息建模；主要用于數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)模型按計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的觀點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)建模；主要包括網(wǎng)狀模型、層次模型、關(guān)系模型等，主要用于DBMS的實(shí)現(xiàn)。

26現(xiàn)實(shí)世界

信息世界概念模型機(jī)器世界DBMS支持的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換認(rèn)識(shí)抽象圖1-10對(duì)象的抽象過程271.2.1數(shù)據(jù)模型的三個(gè)要素1.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是所研究的對(duì)象類型的集合。與數(shù)據(jù)類型、內(nèi)容、性質(zhì)有關(guān)的對(duì)象〔例如網(wǎng)狀模型中的數(shù)據(jù)項(xiàng)、記錄，關(guān)系模型中的域、屬性、關(guān)系等〕。與數(shù)據(jù)之間聯(lián)系有關(guān)的對(duì)象〔例如網(wǎng)狀模型中的系型〕。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)特性的描述。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是刻畫一個(gè)數(shù)據(jù)模型性質(zhì)最重要的方面。

282.數(shù)據(jù)操作是指對(duì)數(shù)據(jù)庫中各種對(duì)象(型)的實(shí)例(值)允許執(zhí)行的操作的集合，包括操作及有關(guān)的操作規(guī)那么。數(shù)據(jù)庫主要有檢索和更新(包括插入、刪除、修改)兩大類操作。數(shù)據(jù)操作是對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的描述3.數(shù)據(jù)的約束條件是一組完整性規(guī)那么的集合。完整性規(guī)那么是給定的數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)及其聯(lián)系所具有的制約和依存規(guī)那么，用以限定符合數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，以保證數(shù)據(jù)的正確、有效、相容。291.2.2概念模型概念模型是現(xiàn)實(shí)世界到機(jī)器世界的一個(gè)中間層次概念模型用于信息世界的建模應(yīng)該具有較強(qiáng)的語義表達(dá)能力應(yīng)該簡單、清晰、易于用戶理解。

301.信息世界中的根本概念(1)實(shí)體(Entity)客觀存在并可相互區(qū)別的事物稱為實(shí)體。(2)屬性(Attribute)實(shí)體所具有的某一特性稱為屬性。一個(gè)實(shí)體可以由假設(shè)干個(gè)屬性來刻畫。例如：(94002268，張山，男，1976，計(jì)算機(jī)系，1994)(3)碼(Key)唯一標(biāo)識(shí)實(shí)體的屬性集稱為碼。

31(4)域(Domain)屬性的取值范圍稱為該屬性的域。例如，學(xué)號(hào)的域?yàn)?位整數(shù)，姓名的域?yàn)樽址?，年齡的域?yàn)樾∮?8的整數(shù)，性別的域?yàn)?男，女)。(5)實(shí)體型(EntityType)用實(shí)體名及其屬性集合來抽象和刻畫同類實(shí)體，稱為實(shí)體型。

學(xué)生(學(xué)號(hào)，姓名，出生年份，系，入學(xué)時(shí)間)(6)實(shí)體集(EntitySet)同型實(shí)體的集合稱為實(shí)體集。32(7)聯(lián)系(Relationship)在現(xiàn)實(shí)世界中，事物內(nèi)部以及事物之間是有聯(lián)系的，這些聯(lián)系在信息世界中反映為實(shí)體(型)內(nèi)部的聯(lián)系和實(shí)體(型)之間的聯(lián)系。實(shí)體內(nèi)部的聯(lián)系通常是指組成實(shí)體的各屬性之間的聯(lián)系。實(shí)體之間的聯(lián)系通常是指不同實(shí)體集之間的聯(lián)系。兩個(gè)實(shí)體型之間的聯(lián)系可以分為三類：一對(duì)一聯(lián)系(1:1)，如“班級(jí)－班長〞一對(duì)多聯(lián)系(1:n)，如“班級(jí)－學(xué)生〞多對(duì)多聯(lián)系(m:n)，如“課程－學(xué)生〞33實(shí)體型A實(shí)體型B實(shí)體型B實(shí)體型A實(shí)體型A實(shí)體型B聯(lián)系名聯(lián)系名聯(lián)系名兩個(gè)實(shí)體型之間的三類聯(lián)系11mnn11:1聯(lián)系1:n聯(lián)系m:n聯(lián)系34多個(gè)實(shí)體型之間的聯(lián)系也可以分為三類：一對(duì)一聯(lián)系(1:1)一對(duì)多聯(lián)系(1:n)假設(shè)實(shí)體集E1，E2，…，En存在聯(lián)系，對(duì)于實(shí)體集Ej(j=1，2，…，i-1，i+1,…,n)中的給定實(shí)體，最多只和Ei中的一個(gè)實(shí)體相聯(lián)系，那么說Ei與E1，E2，…，Ei-1,Ei+1,En之間的聯(lián)系是一對(duì)多的。多對(duì)多聯(lián)系(m:n)例如：“供給商、工程和零件〞35

同一個(gè)實(shí)體集內(nèi)的各實(shí)體之間也可以存在一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多的聯(lián)系。職工領(lǐng)導(dǎo)1n36

2.概念模型的表示方法

實(shí)體－聯(lián)系方法(Entity-Relationshipapproach)由．Chen于1976年提出

實(shí)體型－矩形屬性－橢圓形聯(lián)系－菱形

37

工廠物資管理E-R圖381.2.2數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域中最常用的數(shù)據(jù)模型有四種層次模型(HierarchicalModel),如IBM的IMS系統(tǒng)網(wǎng)狀模型(NetworkModel),如DBTG系統(tǒng)關(guān)系模型(RelationalModel)，如Oracle，Sybase

面向?qū)ο竽Ｐ?ObjectOrientedModel)391.3

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的兩種考察角度從數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)角度看，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常采用三級(jí)模式結(jié)構(gòu)，這是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)內(nèi)部的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從數(shù)據(jù)庫最終用戶角度看，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為集中式結(jié)構(gòu)(又可有單用戶結(jié)構(gòu)、主從式結(jié)構(gòu))、分布式結(jié)構(gòu)、客戶／效勞器結(jié)構(gòu)和并行結(jié)構(gòu)。這是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)外部的體系結(jié)構(gòu)。401.3.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模式的概念“型〞(Type)和“值〞(Value)型是指一類數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和屬性的說明，值是型的一個(gè)具體賦值。例：記錄型(學(xué)號(hào)，姓名，性別，系別，年齡，籍貫)記錄值(90020l，李明，男，計(jì)算機(jī)，22，江蘇)

41模式(schema)：是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，它僅僅涉及到型的描述，不涉及到具體的值。模式的一個(gè)具體值稱為模式的一個(gè)實(shí)例(instance)。同一個(gè)模式可以有很多實(shí)例；模式是相對(duì)穩(wěn)定的，而實(shí)例是相對(duì)變動(dòng)的；模式反映的是數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)及其聯(lián)系，而實(shí)例反映的是數(shù)據(jù)庫某一時(shí)刻的狀態(tài)。不同的DBMS在體系結(jié)構(gòu)上通常都具有相同的特征，即采用三級(jí)模式結(jié)構(gòu)并提供兩級(jí)映象功能。421.3.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級(jí)模式結(jié)構(gòu)模式〔Schema)也稱邏輯模式，是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。它是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模式結(jié)構(gòu)的中間層模式實(shí)際上是數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)在邏輯級(jí)上的視圖。一個(gè)數(shù)據(jù)庫只有一個(gè)模式。數(shù)據(jù)庫模式以某一種數(shù)據(jù)模型為根底，統(tǒng)一綜合地考慮了所有用戶的需求，并將這些需求有機(jī)地結(jié)合成一個(gè)邏輯整體。模式定義包括數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)定義、數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系定義以及平安性、完整性要求的定義。DBMS提供模式定義語言(模式DDL)來嚴(yán)格地定義模式。432)外模式〔ExternalSchema)也稱子模式(Subshema)或用戶模式，它是數(shù)據(jù)庫用戶(包括應(yīng)用程序員和最終用戶)能夠看見和使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是數(shù)據(jù)庫用戶的數(shù)據(jù)視圖，是與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。外模式通常是模式的子集。一個(gè)數(shù)據(jù)庫可以有多個(gè)外模式。外模式是保證數(shù)據(jù)庫平安性的一個(gè)有力措施。DBMS提供子模式定義語言(子模式DDL)來嚴(yán)格地定義子模式。443)內(nèi)模式〔InternalSchema)也稱存儲(chǔ)模式(Storageschema)，一個(gè)數(shù)據(jù)庫只有一個(gè)內(nèi)模式。它是數(shù)據(jù)物理結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)方式的描述，是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的表示方式。例如，記錄的存儲(chǔ)方式是順序存儲(chǔ)、按照B樹結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)還是按hash方法存儲(chǔ)；索引按照什么方式組織；數(shù)據(jù)是否壓縮存儲(chǔ)，是否加密；數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)記錄結(jié)構(gòu)有何規(guī)定等。DBMS提供內(nèi)模式描述語言(內(nèi)模式DDL，或者存儲(chǔ)模式DDL)來嚴(yán)格地定義內(nèi)模式。45應(yīng)用A應(yīng)用B應(yīng)用C應(yīng)用C外模式2外模式1外模式3模式內(nèi)模式DB123外模式/模式映象模式/內(nèi)模式映象圖1-24數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的模式結(jié)構(gòu)461.3.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的二級(jí)映象功能與數(shù)據(jù)獨(dú)立性三級(jí)