关系数据库重点

第 2 章关系数据库教学课时：6 课时本章学习目标：1.掌握数据模型的基本概念2.掌握实体- 联系模型3.掌握关系模型的概念和性质4.掌握关系的完整性规则5.掌握关系数据库的规范化理论、范式的基本概念和分解方法教学重点：1.关系数据模型2.关系的规范化3. 关系完整性教学难点：1.实体—联系模型2.关系模型的三要素3. 范式4. 实体完整性5. 参照完整性教学方法：讲授法、讲解法、演示法、讨论法教学过程及内容：2.1 数据模型2.1.1 数据模型的概念一般地讲，数据模型是严格定义的一组概念的集合。

这些概念精确地描述了系统的静态特性、动态特性和完整性约束条件。

因此，数据模型通常由数据结构、数据操作和数据的完整性约束三部分组成。

1. 数据结构数据结构是所研究的对象类型的集合，这些对象是数据库的组成成分。

2. 数据操作数据操作是指对数据库中各种对象型的实例（如关系模型中的关系的值）所允许执行的操作的集合，包括操作及有关的操作规则。

数据库主要有检索和更新（包括插入、删除、修改）两大类操作。

3.数据的完整性约束条件数据的完整性约束条件是一组完整性规则的集合。

完整性规则是给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则，用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效、相容。

2.1.2 数据之间的联系数据模型是数据库系统的核心和基础，各种数据库管理系统都是基于某种数据模型的。

而具体的数据库管理系统所支持的数据模型不便于非计算机专业人员理解和应用。

概念模型用于信息世界的建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象。

它不是面向机器实现，而是面向现实世界，是按照用户的观点来对数据和信息建模。

图2.1数据抽象层次1.实体及其属性1)实体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实体和属性有型与值之分。

4)实体集具有相同实体型的实体的集合称为实体集。

5)关键字在实体属性中，用于区别实体集合中不同个体的某个属性或某几个属性的组合，称为关键字。

2.实体间的联系实体内部的联系通常是指实体的各属性之间的联系。

实体之间的联系通常是指一个实体集内部各实体之间的联系或者不同的实体集的实体之间的联系。

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)图2.2表示了两个实体集间的以上3种联系。

实际上，一对一联系是一对多联系的特例，而一对多联系又是多对多联系的特例。

通常情况下，两个以上的实体集之间也存在着一对一、一对多或多对多联系。

实体集A 实体集B 实体集A 实体集BX2.1.3 实体-联系模型实体-联系模型中表示实体型、属性和联系的方法如下。

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，菱形框内写上联系名，因为联系是实体之间的一种行为，所以通常用动词表示联系名，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。

2.1.4 常用的数据模型目前，数据库领域中最常用的数据模型有 3 种：层次模型、网状模型、关系模型。

其中层次模型和网状模型统称为非关系模型。

1.层次模型1)层次模型的数据结构在数据库中，对满足以下两个条件的数据模型称为层次模型。

有且仅有一个结点无双亲，这个结点称为“根结点”。

其他结点有且仅有一个双亲。

2)层次模型的数据操作和数据完整性层次模型的数据操作主要有查询、插入、删除和修改。

进行插入、删除、修改操作时要满足层次模型的完整性约束条件。

3)层次模型的存储结构层次数据库中不仅要存储数据本身，还要存储数据之间的层次联系。

层次模型数据的存储常常是和数据之间联系的存储结合在一起的。

常用的存储结构有两种。

(1) 邻接法按照树的前序遍历顺序把所有记录值依次邻接存放，即通过物理空间的位置相邻来体现(或隐含)层次顺序。

(2) 链接法用指针来反映数据之间的层次联系，可以采用两种方式。

子女-兄弟链接法。

层次序列链接法。

4)层次模型的特点层次模型的优点是：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。

2.网状模型1)网状模型的数据结构在网状模型中，允许：一个以上的结点无双亲。

一个结点可以有多于一个的双亲。

2)网状模型的数据操作与完整性约束网状模型一般来说没有层次模型那样严格的完整性约束条件，但具体的网状数据库系统对数据操作都加了一些限制，提供了一定的完整性约束。

DBTG 在模式DDL 中提供了定义DBTG 数据库完整性的若干概念和语句，主要有：支持记录码的概念，码即惟一标识记录的数据项的集合。

保证一个联系的双亲记录和子女记录之间是一对多的联系。

可以支持双亲记录和子女记录之间某些约束条件。

3)网状模型的存储结构网状模型的存储结构中关键是如何实现记录之间的联系。

常用的方法是链接法，包括单向链接、双向链接、环状链接、向首链接等，此外还有指针阵列法、二进制阵列法、索引法，具体的数据库系统中实现各不相同。

4)网状模型的特点网状模型的优点是：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，如一个结点可以有多个双亲。

网状模型的缺点是：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。

3. 关系模型关系模型是建立在数学概念基础上的。

关系模型中使用关系来表示实体。

关系模型中实体之间的联系也使用关系来表示。

关系模型诞生以后发展迅速，深受用户的喜爱并得到广泛应用，具有下列优点。

1)关系模型具有严格的理论基础关系模型以关系代数为依据，建立在数学基础之上，有严格的数学定义。

2)关系模型的数据结构单一对数据的检索结果也是关系，无论原始数据还是结果数据都是同一种数据结构。

用户的观点下数据的逻辑结构就是单一的关系——二维表，操作简单、结构清晰，用户易懂易用。

3)关系模型存取简单关系模型的存取路径对用户透明，用户只需要了解怎么查找、更新所关心的数据，而不必详细说明存取路径，从而具有更高的数据独立性，更好的安全保密性，也简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作。

2.2 关系模型2.2.1 关系的定义1. 域域是一组具有相同数据类型的值的集合。

例如，自然数、{0, 1}、{A, B , C, D}等都可以是域。

2. 笛卡儿积给定一组域D i，D2, ,，D n(可以有相同的域)，则笛卡儿积定义为：D i X D2X ,x D n = {(d i, d2, ,,d n) | d i € D j, i = 1, 2, ,, n} 其中每个(d i, d2, , , d n)叫做元组，元组中的每一个值d i叫做分量，d i必须是D i中的一个值。

显然，笛卡儿积的基数就是构成该积所有域的基数的累乘积。

3. 关系D i X D2X , x D n的子集称作在域D i, D2, , , D n上的关系，记作：R(D i，D2，, ，D n)其中，R为关系名，n是关系的目或度，D i是第i个域名。

当n=1 时，关系仅含一个域，称该关系为单元关系。

当n=2 时，关系含有两个域，称该关系为二元关系。

依此类推，若关系中含有n个域，则称该关系为n元关系。

2.2.2关系中的术语1.元组表中的一行称为一个元组，在数据库中也称为记录。

2.属性表中的一列称为一个属性，用来描述实体的特征，属性分为属性名和属性值。

3.域属性的取值范围。

4.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；而关系是关系模式对应的一个实例，是值的概念。

5.关系数据库利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。

6.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他所有属性即元组的值，而其任何真子集无此性质，则这个属性或属性组称为该关系的关键字。

7.候选键/候选关键字/候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。

8.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，它就称为主键。

9.主属性若关系中的一个属性是构成某一个候选关键字的属性组合中的一个，则称该属性为主属性。

2.2.3关系模型的三要素关系模型包括数据结构、关系操作和关系完整性三个组成部分。

1.数据结构——关系在数据库中要区分型和值，关系数据库中，关系模式是型，关系是值；关系是元组的集合，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。

数据查询的表达能力是其中最主要的部分。

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、参照完整性和用户定义的完整性。

2.2.4 关系的性质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。

关系数据库中，每一个关系要满足一定的要求或者规范条件，满足不同程度要求的为不同范式的关系。

但对关系最基本的要求是不允许表中表，即关系数据模型中，所有的属性都应该是不可再分的最小数据项。

2.3关系的规范化2.3.1 函数依赖1.函数依赖的定义如果给定属性X的值能够确定属性Y的值，则称属性X函数决定属性Y，或称属性Y 函数依赖于属性X。

一个关系上的函数依赖集，简写为FD。

函数依赖是关系模式R上属性之间需要满足的约束条件，它属于语义范畴的概念，所以，只能根据语义来确定函数依赖。

2.平凡函数依赖与非平凡函数依赖在关系模式R(U)中，对于U的子集X和Y，如果X T Y，并且Y是X的子集，则称X T Y是平凡函数依赖；如果Y不是X的子集则称X T Y是非平凡函数依赖。

我们讨论的总是非平凡函数依赖。

3.完全函数依赖/部分依赖在关系模式R(U)中，对于U的子集X和Y，有函数依赖X T Y，如果存在X的非空真子集X '使得X 'T Y 成立，则称Y部分依赖于X，记作X-J Y。

否则，称Y完全依赖于X，记作X f>Y。

4.传递函数依赖在关系模式R(U)中，对于U的子集X、Y和Z,如果存在非平凡的函数依赖X T Y和Y T z,而Y说X，则称Z传递函数依赖于X，记作X—L z。

2.3.2第一范式(1NF )满足不同程度的要求构成不同的范式级别，关系模式有下列几种范式：第一范式(1NF)、第二范式(2NF)、第三范式(3NF)、BCNF、第四范式(4NF)和第五范式(5NF)。