66第1章 数据库基础知识

第1章数据库基础知识1.1数据库系统概述1.1.1数据与数据管理技术1.1.2数据库系统1.1.3E-R模型1.1.4数据模型1.2关系数据库1.2.1关系术语1.2.2关系完整性1.2.3关系运算1.2.4关系规范化1.3数据库设计简介1.1.1数据与数据管理技术1．数据（data）数据是描述事物的符号记录。数据是数据库中存储的基本对象，数据与其语义是不可分的。2.数据管理技术数据管理是指对数据进行分类、组织、编码、存储、检索和维护，是数据处理的中心问题。数据库技术是应数据管理任务的需要而产生的。数据管理技术经历了人工管理、文件系统和数据库系统3个发展阶段。人工管理阶段：20世纪50年代中期以前。文件系统阶段:20世纪50年代后期到60年代中期。数据库系统阶段:20世纪60年代后期以来。数据库系统的主要特点1.数据以数据库文件组织形式长期保存，数据库中的数据是有结构的，这种结构由数据模型表现出来。2.数据由数据库管理系统统一管理和控制。数据库管理系统负责数据库的建立、使用和维护，并提供数据保护和控制功能。3.数据的共享性高，冗余度低。数据库中的数据能够满足多用户多应用的不同需求。数据库中的数据之间是具有联系的，可以大大减少冗余，避免数据之间的不相容性与不一致性。4.数据独立性高。在数据库系统中，数据具有较高的逻辑独立性和物理独立性。应用程序与数据的对应关系数据库管理系统DBMS应用程序1应用程序2应用程序n…数据库DataBase数据库系统中应用程序与数据之间的对应关系DataBaseManagementSystem1.1.2数据库系统1．数据库（DataBase，简称DB）数据库是长期存储在计算机内，有组织的、大量的、可共享的数据集合。数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和存储，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并可供各种用户共享。2．数据库管理系统（简称DBMS）DBMS是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，在操作系统支持下工作，是数据库系统的核心组成部分。数据库管理系统的主要功能DBMS的主要功能包括：（1）数据定义定义数据库结构，包括定义表、索引、视图等数据对象。（2）数据操纵实现对数据库的查询和更新操作。（3）数据库的运行管理数据库在建立、运行和维护时由DBMS统一管理、统一控制，以保证数据的安全性、完整性、多用户对数据的并发使用以及发生故障后的系统恢复。（4）数据库的建立和维护包括数据库初始数据的输入和转换，数据库的转储和恢复，数据库的重组织，性能监视和分析等。数据库系统3．数据库系统（DataBaseSystem，简称DBS）数据库系统是指在计算机系统中引入数据库后的系统。由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统和数据库管理员构成。•数据库管理员（简称DBA）是负责数据库的建立、使用和维护的专门人员。•数据库应用系统是利用数据库系统资源，为特定应用环境开发的应用软件。1.1.3E-R模型E-R（实体-联系）模型是一种描述信息世界的重要手段。E-R模型独立于具体的计算机系统。E-R模型的主要成分是实体、联系和属性。•实体：客观存在并可相互区分的事物称为实体。同一类型的实体的集合构成实体集。•属性：实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。实体名和各个属性名的集合构成实体型。•联系：现实世界的事物之间总是存在某种联系，包括实体内部的联系和实体之间的联系。E-R模型两个实体之间的联系可分为3类：（1）一对一联系（1:1）如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个实体与之对应；反之亦然，则称A与B具有一对一联系。（2）一对多联系（1:n）如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n≥0）与之对应；反之，对于实体集B中的每一个实体,实体集A中至多只有一个实体与之对应，则称A与B具有一对多联系。（3）多对多联系（m:n）如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n≥0）与之对应；反之，对于实体集B中的每一个实体,实体集A中也有m个实体（m≥0）与之对应，则称A与B具有多对多联系。E-R模型【例1.1】用E-R模型描述某高校的教学组织情况：学校有若干个系部，每个系有若干学生，每个学生可选修多门课程。E-R模型的表示：矩形表示实体型，矩形框为实体名。椭圆表示属性，椭圆框为属性名。菱形表示联系，菱形框内为联系名。无向边用来连接实体型与联系，边上注明联系类型(1:1，1:n或m:n)；属性与对应的实体型或联系也用无向边连接。E-R模型E-R模型学生系部隶属选课课程姓名学号性别系号成绩课程号学分系名系主任1nnm课程名1.1.4数据模型数据模型是用来描述现实世界中的事物及其联系的，它将数据库中的数据按照一定的结构组织起来，以能反映事物本身及事物之间的各种联系。数据模型的三要素：数据结构、数据操作和完整性约束。1．层次模型用树型结构表示实体及其之间的联系。2．网络模型用网状结构表示实体及其之间的联系。3．关系模型用二维表结构来表示实体及其之间的联系。关系数据模型以关系数学理论为基础，一个二维表就是一个关系，不仅能描述实体本身，而且还能反映实体之间的联系，模型简单、使用方便，应用也最广泛。数据模型层次模型系部教研室教师班级学生课程三种模型的结构如图所示。数据模型网状模型系部教研室教师班级学生课程任课选课数据模型关系模型“系部”关系“学生”关系“选课”关系“课程”关系1.2.1关系术语（1）关系一个关系就是一张二维表，每个关系有一个关系名。（2）元组表中的一行即为一个元组，也称为一个记录。（3）属性表中的一列即为一个属性，也称为一个字段。（4）域属性的取值范围。（5）关系模式对关系的描述，它对应一个关系的结构。其格式为：关系名（属性1，属性2，…，属性n）关系术语（6）主关键字在表中能够惟一标识一个记录的的字段或字段组合，称为候选关键字。一个表中可能有多个候选关键字，从中选择一个作为主关键字，也称为主键（主码）。（7）外部关键字如果表A和表B中有公共字段，且该字段在表B中是主键，则该字段在表A中就称为外部关键字，也叫外键（外码）。在关系数据库中，主键和外键表示了2个表之间的联系。关系数据库的主要特点（1）关系中的每个属性必须是不可分割的数据项（表中不能再包含表）。如果不满足这个条件，就不能称为关系数据库。（2）关系中每一列元素必须是同一类型的数据，来自同一个域。（3）关系中不能出现相同的字段。（4）关系中不能出现相同的记录。（5）关系中的行、列次序可以任意交换，不影响其信息内容。1.2.2关系完整性关系模型的完整性规则是对关系的某种约束条件，以保证数据的正确性、有效性和相容性。关系模型中有3类完整性约束：1.实体完整性实体完整性规则要求关系中的主键不能取空值或重复的值。所谓空值就是“不知道”或“无意义”的值。2.参照完整性参照完整性规则定义了外键和主键之间的引用规则，即外键或者取空值，或者等于相应关系中主键的某个值。3.用户定义的完整性实体完整性和参照完整性是关系模型必须满足的完整性约束条件。此外，用户还可以根据某一具体应用所涉及的数据必须满足的语义要求，自定义完整性约束。1.2.3关系运算从一个关系中查询所需要的数据，就要使用关系运算。1．传统的集合运算并(∪)、交(∩)、差(－)、广义笛卡尔积(×)4种。RSR∪SR∩SR-SR×S集合运算示例关系运算2．专门的关系运算（1）选择（Select）从一个关系中找出满足条件的记录。是从行的角度进行的运算。结果是原关系的一个子集。（2）投影（Projection）从一个关系中选出若干字段组成新的关系。是从列的角度进行的运算，相当于对关系进行垂直分解。新关系模式所包含的字段个数通常比原关系少，或者字段的排列顺序不同。关系运算2．专门的关系运算（3）连接（Join）连接是把两个关系中的记录按一定的条件横向结合，生成一个新的关系。在连接操作中，按照两个关系的字段值对应相等为条件进行的连接称为等值连接。去掉重复字段的等值连接称为自然连接。•它利用两个关系中的公共字段（或语义相同的字段），把该字段值相等的记录连接起来。•自然连接是最常用的连接运算。利用关系运算或几个基本关系运算的组合，可以实现对关系数据库的查询，找出用户感兴趣的数据。1.2.4关系规范化1.关系规范化对关系模式进行分解，将不同的概念分散到不同的关系中，使得每个关系的任务单纯而明确，达到概念的单一化。2.范式（NormalForm，简记为NF）满足一定条件的关系模式称为范式。根据规范化理论，共有6个级别的范式。常用的是第一范式（1NF）、第二范式（2NF）和第三范式（3NF）。级别越高，满足的要求越高，规范化程度也越高。在关系数据库中，任何一个关系模式都必须满足第一范式，即表中的每个字段必须是不可分割的数据项。3.规范化将一个低级范式的关系模式分解为多个高一级范式的关系模式。1.3数据库设计简介数据库设计是指对于一个给定的应用环境，构造最优的数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储数据，满足不同户的应用需求。数据库设计通常分为以下6个阶段：（1）需求分析收集和分析用户的各项信息需求和处理需求，形成需求分析说明书。（2）概念结构设计根据需求分析说明书，对现实世界进行数据抽象，建立概念模型，常用的是E-R模型。数据库设计简介（3）逻辑结构设计将E-R模型转换为某个DBMS所支持的数据模型。应用关系规范化理论对关系模式进行优化。（4）物理结构设计对给定的数据库的逻辑模型，选取一个最适合应用环境的物理结构（包括存储结构和存取方法）。（5）数据库实施用DBMS提供的数据定义语言定义数据库结构，装入初始数据，编制与调试应用程序，并进行试运行。（6）数据库运行和维护数据库投入运行后，对数据库系统进行评价、调整和修改。