第1章关系数据库管理系统基础知识

第1章关系数据库管理系统基础知识•1.1数据库系统概述•1.2数据模型•1.3关系数据库及其设计过程•1.4关系数据库的规范化•1.5数据表的关联与数据的完整性•1.6关系数据库应用实例—《电脑器材销售管理》•1.7实训要求与习题第1章关系数据库管理系统基础知识学习目的与要求•数据库系统的基本概念•数据模型的基本概念•实体联系模型•关系模型的概念和性质•数据库系统的规范化理论等内容•设计创建一个《电脑器材销售管理》数据库模型1.1数据库系统概述计算机应用从科学计算进入数据处理是一个重大转折，数据处理是指对各种形式的数据进行收集、储存、加工和传播的一系列活动，其基本环节是数据管理。数据管理指的是对数据的分类、组织、编码、储存、检索和维护。数据管理方式多种多样，其中数据库技术是在应用需求的推动下，在计算机硬件、软件高速发展的基础上出现的高效数据管理技术。数据库系统在计算机应用中起着越来越重要的作用，从小型单项事务处理系统到大型信息系统，从联机事务处理(OLTP)到联机分析处理(OLAP)，从传统的企业管理到计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)、现代集成制造系统(CIMS)、办公信息系统(OIS)、地理信息系统(GIS)等，都离不开数据库管理系统。正是这些不断涌现的应用要求，又不断地推动了数据库技术的更新换代。1.1.1数据库技术的产生与发展1.数据库技术的产生从20世纪60年代后期开始，计算机技术从科学计算迅速扩展到数据处理领域，随着数据处理的不断深入，数据处理的规模越来越大，数据量也越来越多，数据处理成为最大的计算机应用领域。数据处理技术也不断地完善，经历了人工管理、文件系统和数据库系统三个阶段。(1)人工管理阶段计算机在其诞生初期，人们还是把它当作—种计算工具，主要用于科学计算。通常是在编写的应用程序中给出自带的相关数据，将程序和相关数据同时输入计算机。不同用户针对不同问题编制各自的程序，整理各自程序所需要的数据。数据的管理完全由用户自己负责。人工管理阶段程序与数据的关系特点：•数据不能单独保存。•数据无独立性。•数据冗余不能共享。(2)文件系统阶段在文件系统中，把数据组织成相互独立的数据文件，利用“按文件名访问，按记录存取”的管理技术，程序和数据分别存储为程序文件和数据文件。数据文件是独立的，可以长期保存在外存储器上多次存取。数据的存取以记录为基本单位，并出现了多种文件组织形式，如顺序文件、索引文件、随机文件等。文件系统阶段程序与数据的关系•数据与程序缺乏独立性。•数据的冗余和不一致性。•数据的无结构性。特点：(3)数据库系统阶段为了从根本上解决数据与程序的相关性，把数据作为一种共享的资源进行集中管理，为各种应用系统提供共享服务，数据库技术应运而生，使信息管理系统的重心从以加工数据的程序为中心转向以数据共享、统一管理为核心。数据库系统阶段程序与数据的关系①数据结构化②数据能够共享③数据冗余度小，易扩充④数据与程序的独立性较高⑤对数据实行集中统—控制优点：2.数据库技术的发展随着计算机科学的不断发展，数据库技术大致上经历了三个发展时期：(1)20世纪60年代的萌芽期(2)20世纪70年代的发展期(3)20世纪80年代的成熟期1.1.2数据库1、数据库数据库(Database，简称DB)，顾名思义，是存放数据的仓库。只不过这个仓库是创建在计算机存储设备上，如硬盘就是一类最常见的计算机大容量存储设备。数据必须按一定的格式存放，以利于以后使用。可以说数据库就是长期存储在计算机内、与应用程序彼此独立的、以—定的组织方式存储在一起的、彼此相互关联的、具有较少冗余的、能被多个用户共享的数据集合。在这里要特别注意数据库不是简单地将一些数据堆积在一起，而是把相互间有一定关系的数据，按一定的结构组织起来的数据集合。2、数据库体系结构为了有效地组织、管理数据，人们为数据库设计了一个严谨的体系结构，包括了内模式、模式和外模式三级模式结构，这三级模式反映了看待数据库的三种不同的数据观点。1.1.3数据库管理系统数据库管理系统（DataBaseManagementSystem，简称DBMS）是位于用户与计算机操作系统之间的一个系统软件，由一组计算机程序组成。它能够对数据库进行有效的组织、管理和控制，包括数据的存储、数据的安全性与完整性控制等。DBMS主要功能：1.数据定义功能2.数据操纵功能3.数据库的运行控制与管理4.数据库的建立和维护功能5.数据通信接口1.1.4数据库系统•数据库系统（DatabaseSystem，简称DBS）是指在计算机系统中引入数据库后的系统，带有数据库的计算机系统硬件和软件层次如图所示。数据库系统构成•硬件平台•数据库•软件数据库管理系统（DBMS）、支持DBMS运行的操作系统、具有数据库接口的高级语言及其编译系统、以DBMS为核心的应用开发工具。•为特定应用环境开发的数据库应用系统。•相关人员数据库管理员（DBA）、系统分析员、数据库设计员、应用程序员、用户1.2数据模型•概念数据模型：独立于计算机系统的数据模型，用来描述所使用的信息结构。•逻辑数据模型：现实世界的第二层抽象，反映数据的逻辑结构。•物理数据模型：反映数据在计算机中的存储结构。在数据库中用数据模型来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息。根据数据抽象层次，针对不同的数据对象和应用目的，可以分为三类：1.2.1数据模型的组成要素•数据结构：所研究的对象类型的集合，这些对象是数据库的组成成分。•数据操作：指对数据库中不同数据结构的对象所允许执行的操作的集合，包括操作及操作规则。•完整性约束：数据的完整性约束条件是一组完整性规则的集合。1.2.2概念模型具体的数据库管理系统DBMS所支持的逻辑数据模型不便于非计算机专业人员理解和应用，在开始设计数据模型时，可以先用概念数据模型将现实世界中的客观事物用某种信息结构表示出来，再转化为用计算机表示的逻辑数据模型，如图所示。概念模型涉及的概念(1)实体：现实世界中客观存在并可相互区分的事物称为实体。(2)属性：实体所具有的某一特性称为属性。(3)实体和属性的型与值：型是结构，用实体名及其属性名集合描述同类实体，称为实体型；值是数据，不同的实体有不同的属性内容（属性值）。(4)实体集：具有相同实体型的实体值的集合称为实体集。(5)关键字：在实体属性中，能区别实体集合中不同个体的某一个或某几个属性的组合，称为关键字。2.实体间的联系两个实体集之间的联系可以分为三类：•一对一联系(1：1)•一对多联系(1：N)•多对多联系(M：N)3.概念模型的表示方法概念模型的表示方法很多，其中最著名最常用的是P.P.S.Chen于1976年提出的实体-联系方法（E-R方法）。该方法用E-R图描述信息世界的概念模型。方法如下：•实体型：用矩形表示，矩形框内写上实体名。•属性：用椭圆形或圆角矩形表示，图形内写上属性名，并用直线将其与相应的实体连接起来。•联系：用菱形表示，菱形框内写上表示联系行为的动词表示联系名，并用直线分别与有关实体连接起来，同时在直线旁边标上联系的类型(1：1，1：N或M：N)。如果一个联系具有属性，则这些属性也要用直线与该联系连接起来。学生实体通常在表示单个实体的E-R图中，除了要标明实体名外，还要标明实体所具有的属性。例如学生实体具有学号、姓名、性别、出生日期和所在系的属性，其E-R图如下：实体之间的联系的表示在表示实体之间的联系时，每个实体只标明其实体名，而把实体属性单独用图表示或把所有实体集用列表表示。两个以上的实体集之间联系的表示同一个实体集内部联系的表示1.2.3层次模型在数据库中，对满足以下两个条件的数据模型称为层次模型。•有且仅有一个节点无双亲，这个节点称为“根节点”。•其他节点有且仅有一个双亲。层次模型中相关概念•在层次模型中，同一双亲的子女节点称为兄弟节点；•没有子女的节点称为叶节点；•双亲节点与其任意一个子女节点都构成一个基本层次联系，表示一对多的关系。层次模型特点•层次模型的优点：层次模型数据结构简单，对具有一对多的层次关系的描述非常自然、直观、容易理解。记录之间的联系通过指针来实现，查询效率较高。•层次模型的缺点：上一层记录类型和下一层记录类型只能表示一对多联系，无法实现多对多联系。如果要实现多对多联系，则非常复杂，效率非常低，使用也不方便。1.2.4网状模型在网状模型中，允许：•一个以上的节点无双亲。•一个节点可以有多于一个的双亲。网状模型的特点•网状模型的优点：记录之间联系通过指针实现，具有良好的性能，存取效率较高。能够更为直接地描述现实世界，如一个节点可以有多个双亲。•网状模型的缺点：随着应用环境的扩大，数据库的结构会变得越来越复杂，编写应用程序也会更加复杂，程序员必须熟悉数据库的逻辑结构。与层次模型一样，现在的数据库管理系统已经很少使用网状模型了。1.2.5关系模型关系模型是三种数据模型中最重要的模型，是当前使用最广泛的数据模型。MicrosoftSQLServer2000数据库管理系统也是基于关系模型的。关系模型是建立在数学概念基础上的，它的主要特征是使用关系来表示实体以及实体之间的联系。1.关系模型的基本术语(1)关系一个关系模型的逻辑结构是二维表，它由行和列组成。(2)元组表中的一行称为一个元组，在数据库中也称为记录。(3)属性表中的一列称为一个属性，用来描述事物的特征，属性分为属性名和属性值。在数据库中属性也称为字段。(4)域属性的取值范围。(5)关系模式关系模式描述关系的信息结构和语义限制，是型的概念；而关系是关系模式中的—个实例，是值的概念。关系模式的描述形式---关系名（属性1，属性2，…，属性n）。1.关系模型的基本术语•(6)关系数据库使用关系模型表示和处理数据的数据库，是一些相关的表和其他数据库对象的集合。•(7)关键字/码若关系中的某一个属性或属性组的值惟一地决定其它所有属性，则这个属性或属性组称为该关系的关键字。•(8)候选键/候选关键字/侯选码如果一个关系中有多个属性或属性组都能用来标识该关系的元组，那么这些属性或属性组都称为该关系的候选关键字。1.关系模型的基本术语•(9)主键/主关键字/主码在一个关系的多个候选关键字中指定其中一个作为该关系的关键字，则称它为主关键字或主键、主码。•(10)外键/外关键字/外码如果一个关系R中的某个属性或属性组F并非该关系的关键字，但它和另外一个关系S的关键字K相对应，则称F为关系R的外键，同时要求外键F的值要参照关系S中主键K的值。有时，R和S可能为同一个关系。2.关系模型三要素（1）数据结构——关系关系模型中数据的逻辑结构就是一张二维表格。在关系数据库中，关系模式是型（二维表格），关系是值（元组的集合），关系模式必须指出这个元组集合的结构，即它由哪些属性构成，这些属性采用何种类型、来自哪些域，以及属性与域之间的映像关系。（2）关系操作关系模型中常用的关系操作有数据查询和数据更新两大部分，其中数据查询包括选择、投影、连接、除、并、交、差；数据更新包括插入、删除、修改操作。（3）关系完整性约束关系模型允许定义三类完整性约束：实体完整性、参照完整性和数据类型的域完整性。实体完整性和参照完整性是关系模型必须满足的约束条件，由关系系统自动支持；数据类型的域完整性是数据取值要遵循的约束条件。3.关系模型的特点(1)关系模型具有严格的理论基础(2)关系模型的数据结构单一(3)关系模型存取简单1.3关系数据库及其设计过程关系数据库是目前使用最广泛的数据库，现实世界信息结构复杂、应用环境千变万化，如何构造一个合理的数据库系统，使之能够有效地存储数据，满足各种用户的需求是我们要解决的首要问题，本节将结合应用实例《电脑器材销售管理》研究关系数据库的设计过程。1.3.1关系与表格关系模型是建立在集合代数基础上的，关系是有严格的数学定义的，并不是所有的二维表格都可以称为关系，这个表格应该具有如下一些性质。(1)关系必须是规范化的关系(2)表中的“行”是惟一的(3)行的次序可以任意(4)表中的“列名”是惟一的(5)列的次序可以任意(6