第五章 关系数据库理论

数据库系统西安电子科技大学数据库系统–PrincipleofDataBaseSystem西安电子科技大学计算机学院-SchoolofComputerScience&Engineering,XidianUniversity,China2第五章关系数据库理论(4版第六章)关系数据库系统由三级结构／两级映象的体系结构构成。关系模式是指关系数据库三结构中的模式，即数据库的逻辑结构。模式是数据库的整体结构，由所有的基本表的结构构成的整体就是模式。视图是子模式，它是模式的子集，是面向某一具体应用的。内模式是对数据的存储形式，它由一组物理文件构成，每一个物理文件对应一个或多个基本表。引言数据库系统–PrincipleofDataBaseSystem西安电子科技大学计算机学院-SchoolofComputerScience&Engineering,XidianUniversity,China3第五章关系数据库理论从合理组织数据加以存储的角度出发，要求达到数据的冗余度小、共享性高。解决的办法是对模式进行分解，分解成一组关系模式，每一关系模式对应一个基本表。而在使用方面，通过将多各关系模式进行自然连接，构成完整的关系模式。怎样的分解才是合理的？关系数据库理论就是用来指导关系数据库模式设计的。模式设计是数据库设计的主要内容之一。引言数据库系统–PrincipleofDataBaseSystem西安电子科技大学计算机学院-SchoolofComputerScience&Engineering,XidianUniversity,China45.1关系模式设计引论关系的外延和内涵外延：关系模型的值，即关系模型中的数据，称为关系、实例或当前值。它随着时间的推移而变化，主要由元组的插入、删除和修改而引起。外延是动态的。内涵：是对关系、属性、域的定义和说明，即关系模型的型的定义。内涵是静态的。一个完整的关系模型内涵的定义：数据依赖属性到域上的映射关系关系的域属性集R(U，D，dom()，F)关系名关系的内涵称为关系模式。它是静态的，与时间无关。关系模式通常简记为：RU，F。数据库系统–PrincipleofDataBaseSystem西安电子科技大学计算机学院-SchoolofComputerScience&Engineering,XidianUniversity,China55.1关系模式设计引论关系模式的存储异常例：描述学校的数据库有如下属性：学生的学号(Sno)、所在系(Sdept)、系主任姓名(Mname)、课程名(Cname)、成绩(Grade)关系模式：Student(Sno,Sdept,Mname,Cname,Grade)语义：1.一个系有若干学生，一个学生只属于一个系；2.一个系只有一名主任；3.一个学生可以选修多门课程，每门课程有若干学生选修；4.每个学生所学的每门课程都有一个成绩。数据库系统–PrincipleofDataBaseSystem西安电子科技大学计算机学院-SchoolofComputerScience&Engineering,XidianUniversity,China65.1关系模式设计引论关系模式Student(Sno,Sdept,Mname,Cname,Grade)存在的问题：1.数据冗余度大浪费大量的存储空间例：每一个系主任的姓名重复出现2.修改异常（UpdateAnomalies）数据冗余，更新数据时，维护数据完整性代价大。例：某系更换系主任后，系统必须修改与该系学生有关的每一个元组3.插入异常（InsertionAnomalies）该插的数据无法插入到表中。例：如果一个系刚成立，尚无学生，我们就无法把这个系及其系主任的信息存入数据库。数据库系统–PrincipleofDataBaseSystem西安电子科技大学计算机学院-SchoolofComputerScience&Engineering,XidianUniversity,China75.1关系模式设计引论⒋删除异常（DeletionAnomalies）不该删除的数据不得不删例：如果某个系的学生全部毕业了，我们在删除该系学生信息的同时，把这个系及其系主任的信息也丢掉了。结论：•Student关系模式不是一个好的模式。•所谓“好”的模式：不会发生插入异常、删除异常、更新异常，数据冗余应尽可能少。原因：由存在于模式中属性间的某些依赖关系引起的如Mname的取值依赖于Sdept的值。解决方法：通过分解关系模式来消除其中不合适的依赖。如：分解为Student(Sno,Sdept,Cname,Grade)和Dept(Sdept,Mname)两关系模式即可解决。数据库系统–PrincipleofDataBaseSystem西安电子科技大学计算机学院-SchoolofComputerScience&Engineering,XidianUniversity,China85.2规范化规范化(Normalization)是指定义一组关系模式应该符合的条件(范式)，而符合这些条件的关系模式就不存在某些操作异常，冗余也会减小。函数依赖(FunctionalDependencies，简写为FD)定义：设R(U)是一个属性集U上的关系模式，X和Y是U的子集。若对于R(U)的任意一个可能的关系r，r中不可能存在两个元组在X上的属性值相等，而在Y上的属性值不等，则称“X函数确定Y”或“Y函数依赖于X”，记作X→Y（读作X决定Y）。X称为这个函数依赖的决定因素(Determinant)。例:学生关系Student(Sno,Sname,Ssex,Sage,Sdept)假设不允许重名，则有：Sno→Ssex,Sno→Sage,Sno→Sdept,Sno→Sname,Sname→Sno,Sname→Ssex,Sname→Sage,Sname→Sdept。数据库系统–PrincipleofDataBaseSystem西安电子科技大学计算机学院-SchoolofComputerScience&Engineering,XidianUniversity,China95.2规范化说明：1.函数依赖不是指关系模式R的某个或某些关系实例满足的约束条件，而是指R的所有关系实例均要满足的约束条件。2.函数依赖是语义范畴的概念。只能根据数据的语义来确定函数依赖。例如:“姓名→年龄”这个函数依赖只有在不允许有同名人的条件下成立。3.现实世界中实体的很多属性间都有函数依赖关系，如“学生学号决定学生的姓名”，即如果知道了学生的学号，就能确定该学生的姓名。4.数据库设计者也可以对现实世界作强制的规定。例如规定不允许同名人出现，函数依赖“姓名→年龄”成立。所插入的元组必须满足规定的函数依赖，若发现有同名人存在，则拒绝装入该元组。数据库系统–PrincipleofDataBaseSystem西安电子科技大学计算机学院-SchoolofComputerScience&Engineering,XidianUniversity,China105.2规范化几种特殊的函数依赖：在关系模式R(U)中，对于U的子集X和Y，④若Y不函数依赖于X，则记为X→Y。例：在关系SC(Sno,Cno,Grade)中，非平凡函数依赖：(Sno,Cno)→Grade平凡函数依赖：(Sno,Cno)→Sno,(Sno,Cno)→Cno注：对于任一关系模式，平凡函数依赖都是必然成立的，它不反映新的语义，因此若不特别声明，我们总是讨论非平凡函数依赖。①若X→Y，但YX，则称X→Y是非平凡的函数依赖②若X→Y，但YX，则称X→Y是平凡的函数依赖(TrivialFD)③若X→Y，并且Y→X，则记为X←→Y。(X与Y相互决定)数据库系统–PrincipleofDataBaseSystem西安电子科技大学计算机学院-SchoolofComputerScience&Engineering,XidianUniversity,China115.2规范化定义：在关系模式R(U)中，如果X→Y，并且对于X的任何一个真子集X’，都有X’→Y，则称Y完全函数依赖于X，记作XFY。若X→Y，但Y不完全函数依赖于X，则称Y部分函数依赖于X，记作XPY。例:在关系SC(Sno,Sname,Cno,Grade)中，由于：Sno→Grade，Cno→Grade，因此：(Sno,Cno)FGrade(Sno,Sname,Cno)PGrade定义:在关系模式R(U)中，如果X→Y，(YX)，Y→XY→Z，则有X→Z，称Z传递函数依赖于X，记为:XTZ。注:①如果Y→X，即X←→Y，则Z直接依赖于X；②如果YX,则XPZ。例:在关系Std(Sno,Sdept,Mname)中，有：Sno→Sdept，Sdept→Mname，则SnoTMname(Sno,Sdept)Sdept，SdeptMname，(Sno,Sdept)PMname数据库系统–PrincipleofDataBaseSystem西安电子科技大学计算机学院-SchoolofComputerScience&Engineering,XidianUniversity,China125.2规范化主码的两个性质：①决定性：K→U②最小性：K’K，使得K’→U主属性(PrimeAttribute)：所有候选码中出现的属性非主属性(NonprimeAttribute)：不出现在任何候选码中的属性全码(AllKey)：由关系模式的所有属性构成码例：设关系模式S(Sno,Sname,Sdept,Sage)，若无重名，则Sno,Sname是候选码，Sno,Sname是主属性，Sdept,Sage是非主属性。定义：设K为关系模式RU,F中的属性或属性组。若KFU，则K称为R的一个候选码（CandidateKey）。若关系模式R有多个候选码，则选定其中的一个做为主码(Primarykey)。候选码常常简称为码。数据库系统–PrincipleofDataBaseSystem西安电子科技大学计算机学院-SchoolofComputerScience&Engineering,XidianUniversity,China135.2规范化定义：关系模式R中属性或属性组X并非R的码，但X是另一个关系模式的码，则称X是R的外部码(Foreignkey),也称外码。例：在关系SC(Sno,Cno,Grade)中，码为(Sno,Cno)，Sno是另一关系S(Sno,Sname,…)的码，而非SC的码，故Sno是SC的外码，同样Cno也是SC的外码。注：①主码又和外部码一起提供了表示关系间联系的手段。②给出多个候选码时，以“,”分隔不同的候选码；当候选码为多个属性时，候选码用()括起来，属性间用“,”隔开。如:关系模式S(Sno,Sname,Sdept,Sage)的候选码为：Sno,Sname。关系模式SC(Sno,Cno,Grade)的候选码为(Sno,Cno)。数据库系统–PrincipleofDataBaseSystem西安电子科技大学计算机学院-SchoolofComputerScience&Engineering,XidianUniversity,China145.2规范化范式范式(NormalForm)是符合某一类满足一定要求的关系模式的集合。关系数据库中的关系必须满足一定的要求。满足不同程度要求的为不同范式。定义：如果一个关系模式R的所有属性都是不可分的基本数据项，则称关系R为第一范式的关系模式(FirstNormalForm)，简称关系R属于一范式，记为：R∈1NF。注：①第一范式是对关系模式的最起码的要求。不满足第一范式的数据库模式不能称为关系数据库。(由关系属性的原子性得出)。②但是满足第一范式的关系模式并不一定是一个好的关系模式。数据库系统–PrincipleofDataBaseSystem西安电子科技大学计算机学院-SchoolofComputerScience&Engineering,Xi