02关系模型和关系运算理论

第2章关系模型和运算理论南京邮电大学计算机学院软件工程系2内容提纲1）基本概念关系模型关键码（主键和外键）关系的定义和性质三类完整性规则过程性语言与非过程性语言2）关系代数五个基本操作四个组合操作七个扩充操作3内容提纲3）关系演算元组关系演算和域关系演算的原子公式、公式的定义关系演算的安全性和等价性4）关系代数表达式的优化关系代数表达式的等价及等价转换规则启化式优化算法5）关系逻辑谓词、原子、规则和查询规则的安全性用规则模拟关系代数表达式4引言关系模型是当前的主流逻辑数据模型由IBM公司的高级研究员E.F.Codd于1970年提出应用广泛的原因：单一的数据建模概念坚实的数学理论基础提供高级接口：数据库语言SQL52.1关系模型的基本概念基本术语定义2.1用二维表格表示实体集，用关键码表示实体之间联系的数据模型称为关系模型（RelationalModel）理解用二维表格（table）表示实体集及其间联系，用关键码（或键）进行数据导航关系模型是逻辑模型的一种，也具有三个要素关系数据结构关系操作数据完整性约束规则62.1关系模型的基本概念基本术语示例SNOSNAMEAGESEXNativePlaceS1WANG20M北京S2LIU18F山东S3HU17M上海S4XIA19F四川CNOCNAMECreditCreditHoursCPNOTNOC1Math348NULLT1C2English464NULLT2C3PM232C2T2C4DB3.556C1T1SNOCNOGradeS1C280S1C370S1C485S2C160S2C275S2C390S2C4NULLS3C185S3C480S4C285S4C475TNOTNAMETITLESEXT1ZHAO讲师MT2LIU教授FSC（SNO，CNO，Grade）字段含义：学号，课程号，成绩S（SNO，SNAME，AGE，SEX，NativePlace）字段含义：学号，姓名，年龄，性别，籍贯T（TNO，TNAME，TITLE，SEX）字段含义：教师号，教师姓名，职称，性别C（CNO，CNAME，Credit，CreditHours，CPNO，TNO）字段含义：课程号，课程名，学分，学时数，先修课号，授课教师号72.1关系模型的基本概念基本术语关系数据结构：二维表字段称为属性，也称为列（column）反映事物的一个特征，每个字段都有字段名和字段值属性的取值范围(所有可取值的集合)称为属性域Domain大写字母A、B、C、…表示单个属性；大写字母…、X、Y、Z表示属性集小写字母a、b、c、…表示属性值记录称为元组（tuple），也称为行（row）记录类型称为关系模式，由模式名和属性列表组成元组集合称为关系（relation）或实例（instance），也称为表格82.1关系模型的基本概念基本术语关系数据结构：二维表元组用关键字（Keyword—简称键）来标识属性个数称为元数（arity），也称为目；元组个数为基数（cardinality）RABCDEa1b1c1d1e1a2b2c2d2e2a3b3c3d3e3a4b4c4d4e4一般术语关系模型术语字段、数据项属性记录类型关系模式记录1元组1记录2元组2记录3元组3记录4元组4字段值属性值文件关系R（A，B，C，D，E）92.1关系模型的基本概念基本术语关键码（key，简称键）由一个或多个属性组成。在实际使用中，有下列几种键1）超键（SuperKey）其值能唯一地决定其它所有属性的值的属性集2）候选键（CandidateKey）不含多余属性的超键其值能唯一地决定关系中其它所有属性的值、而它的任何真子集无此性质的属性或属性组3）主键（PrimaryKey）用户选作元组标识的候选键，称为主键（PK），简称键102.1关系模型的基本概念基本术语关键码（key，简称键）4）候补键（AlternateKey）主键之外的候选键5）全键：由关系的所有属性构成的主键6）外键（ForeignKey，FK）如果模式R中的属性K是其它模式的主键，那么K在模式R中称为外键不是本关系的键，却引用了其它关系或本关系的键的属性或属性组7）主属性与非主属性nSUPPLY(供应商，零件名，工程名)项目供应mp零件供应商112.1关系模型的基本概念基本术语示例关系模式STUDENT（学号，姓名，性别，出生日期，籍贯）假设：不允许学生重名，问：（学号，姓名，性别，出生日期，籍贯）？（学号，性别）？（学号，姓名）？（学号）？（姓名）？哪些是主属性？122.1关系模型的基本概念关系的定义和性质定义2.2关系是一个属性数目相同的元组的集合有限关系在关系模型中，关系的规范性限制：1）关系中每一个属性值都是不可分解的（原子的）2）关系中不允许出现重复元组（即不允许出现相同的元组）3）由于关系是一个集合，因此不考虑元组间的顺序，即没有行序注：关系中元组的排列是有序的，取决于索引4）元组中的属性在理论上也是无序的，但使用时按习惯考虑列的顺序132.1关系模型的基本概念关系模型的完整性规则实体完整性规则（entityintegrityrule）关系内的约束每个关系都应有一个主键每个元组的主键的值应当唯一；组成主键的属性，不能有空值（NULL）否则，主键值就起不了惟一标识元组的作用142.1关系模型的基本概念关系模型的完整性规则实体完整性规则（entityintegrityrule）例如S（SNO，SNAME，AGE，SEX，NativePlace）字段含义：学号，姓名，年龄，性别，籍贯CreateTableS(SNOCHAR(3),SNAMECHAR(8),AGEInteger,SEXCHAR(1),NativePlaceVARCHAR(20),PrimaryKey(SNO),Check(SEXIN(‘M’,‘F’)));SNOSNAMEAGESEXNativePlaceS1WANG20M北京S2LIU18F山东S2HU17M上海NULLXIA19F四川╳╳152.1关系模型的基本概念关系模型的完整性规则参照完整性规则（referenceintegrityrule）不同关系或同一关系的不同元组间的约束定义2.3参照完整性规则的形式定义如果属性集K是关系模式R1的主键，K也是关系模式R2的外键，那么在R2的关系中，K的取值只允许两种可能，或者为空值，或者等于R1关系中某个主键值规则的实质：不允许引用不存在的实体在上述形式定义中关系模式R1的关系称为“参照关系”，也称“主表”、“父表”关系模式R2的关系称为“依赖关系”，也称“副表”、“子表”162.1关系模型的基本概念关系模型的完整性规则参照完整性规则（referenceintegrityrule）规则在具体使用时，有三点变通：①外键和相应主键可以不同名，只要定义在相同值域上即可②R1和R2可以是不同关系模式，也可以是同一个关系模式同一个关系模式中，表示了同一个关系中不同元组之间的联系③外键值是否允许空，应视具体问题而定当外键属性是主键的组成成分时，不允许为空172.1关系模型的基本概念关系模型的完整性规则参照完整性规则（referenceintegrityrule）示例SNOSNAMEAGESEXNativePlaceS1WANG20M北京S2LIU18F山东S3HU17M上海S4XIA19F四川CNOCNAMECreditCreditHoursCPNOTNOC1Math348NULLT1C2English464C5T2C3PM232C2T4C4DB3.556C1NULLSNOCNOGradeS1C280S1C370S1C585S2C160S2C275S2NULL90S2C4NULLS3C185S3C480S4C285S6C475TNOTNAMETITLESEXT1ZHAO讲师MT2LIU教授F╳╳╳╳╳182.1关系模型的基本概念关系模型的完整性规则用户定义的完整性规则和数据的具体内容有关的约束构建关系模式时，属性的数据类型，可能满足不了需求，需要显式定义额外的约束规则说明CHECK()子句、触发器、断言、过程…说明各种DBMS产品对完整性约束的支持程度不同数据库中完整性约束检查，由DBMS实现对DB进行更新(I/D/U)操作时检查，保证数据与现实世界的一致性192.1关系模型的基本概念关系模型的完整性规则用户定义的完整性规则示例1S（SNO，SNAME，AGE，SEX，NativePlace）字段含义：学号，姓名，年龄，性别，籍贯CreateTableS(SNOCHAR(3),SNAMECHAR(8),AGEInteger,SEXCHAR(1),NativePlaceVARCHAR(20),PrimaryKey(SNO),Check(SEXIN(‘M’,‘F’)));SNOSNAMEAGESEXNativePlaceS1WANG20M北京S2LIU18F山东S3HU17M上海S4XIA19K四川╳202.1关系模型的基本概念关系模型的完整性规则用户定义的完整性规则示例2SC（SNO，CNO，Grade）字段含义：学号，课程号，成绩CreateTableSC(SNOCHAR(3),CNOCHAR(3),GRADEDEC(5,2),PrimaryKey(SNO,CNO),ForeignKey(SNO)ReferencesS(SNO),ForeignKey(CNO)ReferencesC(CNO),Check(GRADEisNULLOrGRADEBetween0And100));SNOCNOGradeS1C280S1C370S1C585S2C160S2C275S2NULL90S2C4NULLS3C1-5S3C480S4C2101S6C475╳╳╳╳╳212.1关系模型的基本概念关系模型的三层体系结构回顾数据库的三级体系结构转换应用1应用3应用2逻辑模型内部模型外部模型3外部模型2外部模型1映像映像DB概念模型用户需求用户需求用户1用户3用户2用户需求综合用户(应用程序)用户记录模式/内模式映像外模式模式内模式DB模式/外模式映像222.1关系模型的基本概念关系模型的三层体系结构关系模型也遵循数据库的三级体系结构关系模式记录类型称为关系模式关系模式的集合就是数据库的概念模式，是问题域数据的全局逻辑视图是对数据的特征描述，不涉及物理存储方面的描述由数据定义语言（DDL）实现定义模式名、属性名、值域、模式主键定义时，模式名和属性名一般都用英文单词表示23SC（SNO，CNO，Grade）S（SNO，SNAME，AGE，SEX，NativePlace）T（TNO，TNAME，TITLE，SEX）C（CNO，CNAME，Credit，CreditHours，CPNO，TNO）2.1关系模型的基本概念关系模型的三层体系结构关系模型也遵循数据库的三级体系结构关系模式用户(应用程序)用户记录模式/内模式映像外模式模式内模式DB模式/外模式映像242.1关系模型的基本概念关系模型的三层体系结构关系模型也遵循数据库的三级体系结构子模式是用户所用到的局部数据的描述构建子模式时，需要指出数据与关系模式中相应数据的联系由数据定义语言（DDL）实现定义时需要考虑用户对数据的操作权限对子模式的操作（如插入、修改、删除）是受限的252.1关系模型的基本概念关系模型的三层体系结构关系模型也遵循数据库的三级体系结构子模式例如构建成绩子模式，要求显示学号、姓名、课程号和成绩CreateViewG(S#,SNAME,C#,SCORE)ASSelectS.SNO,SNAME,CNO,GradeFromS,SCWhereS.SNO=SC.SNOG(S#，SNAME，C#，SC