第2章關(guān)系數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)知識關(guān)系模型與關(guān)系數(shù)據(jù)庫關(guān)系操作關(guān)系完整性關(guān)系規(guī)范化理論本章主要內(nèi)容本章技能目標了解關(guān)系模型的相關(guān)知識掌握關(guān)系完整性的概念了解關(guān)系的傳統(tǒng)運算和代數(shù)運算掌握關(guān)系演算掌握關(guān)系的規(guī)范化理論2.1關(guān)系模型與關(guān)系數(shù)據(jù)庫2.2關(guān)系操作2.3關(guān)系完整性2.4關(guān)系規(guī)范化理論2.1關(guān)系模型與關(guān)系數(shù)據(jù)庫關(guān)系模型的概念是IBM公司的研究員博士提出的，并由此確定了關(guān)系數(shù)據(jù)庫的理論基礎(chǔ)。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(RelationDatabase)理論日臻完善，并已成為商用的主流數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如Oracle、Sybase、SQLServer、DB2和VisualFoxPro等都是著名的關(guān)系模型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。2.1.1關(guān)系模型2.1.2關(guān)系模型的基本概念2.1.3關(guān)系的性質(zhì)關(guān)系模型2.1.1關(guān)系模型關(guān)系模型由關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、關(guān)系數(shù)據(jù)操作和關(guān)系數(shù)據(jù)完整性約束組成。1.關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一種二維表格結(jié)構(gòu)。在關(guān)系模型中，現(xiàn)實世界的實體與實體之間的聯(lián)系均用二維表格表示。關(guān)系模型2.關(guān)系數(shù)據(jù)操作常用的關(guān)系操作包括查詢、插入、刪除和修改。關(guān)系操作用三種不同的方式描述：關(guān)系代數(shù)、關(guān)系演算和結(jié)構(gòu)化查詢語言。3.關(guān)系數(shù)據(jù)完整性約束關(guān)系數(shù)據(jù)完整性約束是為保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的正確性、有效性和相容性，對關(guān)系模型中的數(shù)據(jù)及其聯(lián)系提出的某種約束條件或規(guī)則的集合。關(guān)系模型的基本概念1.術(shù)語(1)關(guān)系：一張沒有重復(fù)行、重復(fù)列的二維表(2)關(guān)系模式關(guān)系名(屬性1,屬性2,屬性3,…,屬性n)例如：學生(學號,姓名,性別,出生日期,政治面貌,籍貫,班級代碼)(3)記錄:二維表中的每一行，又稱行(Row)或元組(Tuple)(4)屬性：二維表中的一列(5)域:屬性的取值范圍(6)分量:元組中的一個屬性關(guān)系模型的基本概念(7)鍵或碼:關(guān)系中能惟一區(qū)分、確定不同元組的屬性或?qū)傩越M合的某個屬性(8)候選鍵或候選碼：關(guān)系中能夠成為關(guān)鍵字的屬性或?qū)傩越M合可能不是惟一的(9)主鍵或主碼：在候選關(guān)鍵字中選定一個作為關(guān)鍵字(10)非主屬性或非鍵屬性：關(guān)系中不組成碼的屬性(11)外部鍵或外鍵：關(guān)系中某個屬性或?qū)傩越M合并非關(guān)鍵字，但卻是另一個關(guān)系的主關(guān)鍵字(12)從表與主表：以外鍵為主鍵的表稱為主表(主鍵表)，外鍵所在的表稱為從表(外鍵表)關(guān)系模型的基本概念2.關(guān)系與二維表的區(qū)別關(guān)系是一種規(guī)范化了的二維表中行的集合，即關(guān)系對表作了種種限制。關(guān)系應(yīng)滿足如下性質(zhì)：關(guān)系中的每一屬性都是不可再分的基本屬性。表中各列分量取自同一個域。各列被指定一個相異的名字。表中各行相異，不允許重復(fù)。行、列次序均無關(guān)關(guān)系模型的基本概念3.關(guān)系數(shù)據(jù)庫關(guān)系數(shù)據(jù)庫(RelationDatabase)主要是由若干個依照關(guān)系模型設(shè)計的數(shù)據(jù)表文件的集合。一張二維表稱為一個數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表包括數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)間的關(guān)系。一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫由若干個數(shù)據(jù)表、視圖、存儲過程等組成，而數(shù)據(jù)表又由若干個記錄組成，每一個記錄是由若干個以字段屬性加以分類的數(shù)據(jù)項組成的。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，每一個數(shù)據(jù)表都具有相對的獨立性，這一獨立性的惟一標志是數(shù)據(jù)表的名字，稱為表文件名。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，有些數(shù)據(jù)表之間是具有相關(guān)性的。關(guān)系模型的基本概念4.關(guān)系模型的優(yōu)缺點(1)關(guān)系模型的優(yōu)點關(guān)系模型是以集合論和數(shù)理邏輯作為其理論基礎(chǔ)。無論實體還是實體間的聯(lián)系都用關(guān)系來表示。概念單一，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、清晰，易于理解。關(guān)系模型的存取路徑對用戶透明。(2)關(guān)系模型的缺點查詢效率往往不如非關(guān)系數(shù)據(jù)模型必須對用戶的查詢請求進行優(yōu)化采用靜態(tài)數(shù)據(jù)模型關(guān)系的性質(zhì)關(guān)系具有以下性質(zhì)：1.關(guān)系中不允許出現(xiàn)完全相同的元組或記錄。2.關(guān)系元組的順序可任意交換。3.關(guān)系中屬性的順序也可任意交換。4.關(guān)系中各個屬性必須有不同的名字。5.關(guān)系中每一字段必須是不可分的數(shù)據(jù)項。2.2關(guān)系操作關(guān)系數(shù)據(jù)模型提供了一系列操作的定義，這些操作稱為關(guān)系操作。關(guān)系操作采用集合操作方式，即操作的對象和結(jié)果都是集合。常用的關(guān)系操作有兩類：一是查詢操作，包括選擇、投影、連接、并、交、差、除；二是增、刪、改操作。2.2.1關(guān)系代數(shù)2.2.2傳統(tǒng)的集合運算2.2.3專門的關(guān)系運算2.2.1關(guān)系代數(shù)關(guān)系代數(shù)語言是用對關(guān)系的集合運算來表達查詢要求的方式，是基于關(guān)系代數(shù)的操作語言。關(guān)系代數(shù)的基本運算有兩類：一類是傳統(tǒng)的集合運算，包括并、差、交；另一類是專門的關(guān)系運算，包括選擇、投影和連接?；具\算符2.2.2傳統(tǒng)的集合運算傳統(tǒng)的集合運算包括4種：并(∪)、交(∩)、差(-)和廣義笛卡兒積(×)。1.并(Union)如果R和S都是關(guān)系，那么由屬于R或?qū)儆赟的元組(記錄)組成的新關(guān)系稱為R和S的并，記為R∪S：其屬性與關(guān)系R或關(guān)系S相同，由屬于R或S的元組組成。

R∪S的運算結(jié)果RSR∪S2.2.2傳統(tǒng)的集合運算2.交(Intersection)如果R和S都是關(guān)系，那么由屬于R和屬于S的元組(記錄)組成的新關(guān)系稱為R和S的交，記為R∩S：其屬性與關(guān)系R或關(guān)系S相同，由既屬于R又屬于S的元組組成。SRR∩SR∩S的運算結(jié)果2.2.2傳統(tǒng)的集合運算3.差(Difference)如果R和S都是關(guān)系，那么由屬于R而不屬于S的元組(記錄)組成的新關(guān)系稱為R和S的差，記為R-S：其屬性與關(guān)系R或關(guān)系S相同，由屬于R而不屬于S的所有元組組成。RSR-SR-S的運算結(jié)果2.2.2傳統(tǒng)的集合運算4.廣義笛卡爾積兩個分別有n個屬性和m個屬性的關(guān)系R和S的廣義笛卡兒積是一個(n+m)個屬性的元組的集合。元組的前n個屬性是關(guān)系R的一個元組，后m個屬性是關(guān)系S的一個元組。若R有k1個元組，S有k2個元組，則關(guān)系R和S的廣義笛卡兒積有k1×k2個元組，記作R×S：2.2.3專門的關(guān)系運算在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中查詢用戶所需數(shù)據(jù)時，需要對關(guān)系進行一定的關(guān)系運算。關(guān)系運算主要有選擇、投影和連接及除等4種，其中連接分θ連接和自然連接。引入幾個記號：2.2.3專門的關(guān)系運算1.選擇(Selection)從關(guān)系R中選擇滿足指定條件的元組，它是一種對表進行橫向的操作。通常把選擇運算記作：為選擇運算符，c為邏輯表達式。2.2.3專門的關(guān)系運算2.投影(Projection)投影是從關(guān)系R中選擇出若干屬性(字段)組成新關(guān)系的一種運算，是一種豎向的操作。投影運算是一種針對表內(nèi)容的列運算。關(guān)系R上的投影是從R中選擇出若干屬性列組成新的關(guān)系，記作：其中A為R中的屬性列。2.2.3專門的關(guān)系運算3.連接連接有θ連接、等值連接和自然連接。(1)θ連接θ連接是從關(guān)系R和關(guān)系S的笛卡兒積中選取屬性值滿足某一θ關(guān)系的元組。記作：其中A和B分別為R和S上度數(shù)相等且可比的屬性組，θ是比較運算符。連接運算從R和S的廣義笛卡兒積R×S中選取(R關(guān)系)在A屬性組上的值與(S關(guān)系)在B屬性組上值滿足比較關(guān)系θ的元組。2.2.3專門的關(guān)系運算(2)等值連接θ為“=”的連接運算稱為等值連接。它是從關(guān)系R與S的廣義笛卡兒積中選取A、B屬性值相等的那些元組。等值連接可記為：(3)自然連接自然連接是一種特殊連接。在連接運算中，以字段值對應(yīng)相等條件進行的連接操作稱為等值連接。自然連接是去掉重復(fù)屬性的等值連接。它是對行和列同時進行運算。若關(guān)系R和關(guān)系S具有相同的屬性組B，則關(guān)系R和S的自然連接可用下式表示：2.2.3專門的關(guān)系運算4.除(Division)設(shè)有關(guān)系R(X,Y)和S(Y,Z)，其中X、Y、Z為單個屬性或?qū)傩越M，R中的Y與Ｓ中的Y出自相同的域集。則R÷S得到一個新的關(guān)系P(X)，P(X)是由Ｒ中某些X屬性值構(gòu)成，其中的任一Ｘ值所對應(yīng)的一組Y值都包含在關(guān)系S在Y上的投影。記作：2.3關(guān)系完整性關(guān)系的完整性約束是為保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的正確性和兼容性對關(guān)系模型提出的某種約束條件或規(guī)則。完整性通常包括實體完整性、參照完整性和、域完整性和用戶定義完整性4種。其中，實體完整性和參照完整性是關(guān)系模型必須滿足的完整性約束條件。1.實體完整性實體完整性規(guī)則是指關(guān)系的主關(guān)鍵字不能取“空值”。2.參照完整性參照完整性規(guī)則指的是若屬性(或?qū)傩越M)F是基本關(guān)系R的外鍵，它與基本關(guān)系S的主鍵相對應(yīng)(基本關(guān)系R和S不一定是不同的關(guān)系)，則對于R中每個元組在F上的值必須為：或者取空值(F的每個屬性值均為空值)，或者等于S中某個元組的主鍵值。2.3關(guān)系完整性3.域完整性域完整性規(guī)則是指要求表中列的數(shù)據(jù)必須具有正確的數(shù)據(jù)類型、格式以及有效的數(shù)據(jù)范圍。4.用戶定義完整性用戶定義的完整性(User-definedIntegrity)就是針對某一具體關(guān)系數(shù)據(jù)庫的約束條件，它反映某一具體應(yīng)用所涉及的數(shù)據(jù)必須滿足的語義要求。2.4關(guān)系規(guī)范化理論2.4.1問題的提出2.4.2函數(shù)依賴2.4.3關(guān)系模式的規(guī)范化2.4.4關(guān)系規(guī)范化的實際應(yīng)用2.4.1問題的提出1.關(guān)系模式中可能存在的異常【例】設(shè)有學生及選課關(guān)系Student，如表所示。Student中具有以下屬性：學號、院系名稱、系主任、課程號、教師、成績，于是得到這樣一組屬性：U={學號,院系名稱,系主任,課程號,教師,成績}。學號院系名稱系主任課程號教師成績05010031計算機系程寬062308張然8905010032計算機系程寬062308黎明6805010033計算機系程寬062308張明7006010001經(jīng)濟與管理工程系謝蘇221032張然6806010010經(jīng)濟與管理工程系謝蘇221032王子7206030200機電工程系邱會仁241302張然682.4.1問題的提出學生選課關(guān)系Student的數(shù)據(jù)模式Student(U,F)。U={學號,院系名稱,系主任,課程號,教師,成績}F={(學號,課程號)→成績,院系名稱→系主任,課程號→教師,學號→院系名稱,學號→系主任}，存在如下問題：(1)數(shù)據(jù)冗余(2)刪除異常(3)插入異常2.關(guān)系模式中存在異常的原因存在一些不好的數(shù)據(jù)依賴。解決方法：利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論，對關(guān)系模式進行分解2.4.2函數(shù)依賴數(shù)據(jù)依賴是通過一個關(guān)系中屬性間值的相等與否體現(xiàn)出數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系?，F(xiàn)在人們已經(jīng)提出了多種類型的數(shù)據(jù)依賴，其中最重要的數(shù)據(jù)依賴是函數(shù)依賴(FunctionalDependency，F(xiàn)D)和多值依賴(MultivaluedDpendency，MVD)。數(shù)據(jù)依賴是指數(shù)據(jù)之間存在的各種關(guān)系，比如外鍵就是一種依賴。數(shù)據(jù)冗余的產(chǎn)生和數(shù)據(jù)依賴有著密切的關(guān)系。在數(shù)據(jù)依賴中，函數(shù)依賴是最基本的一種依賴。實際上，它是鍵概念的推廣。2.4.2函數(shù)依賴1.函數(shù)依賴的定義在數(shù)據(jù)依賴中，函數(shù)依賴是最基本的一種依賴。實際上，它是鍵概念的推廣。2.4.2函數(shù)依賴在數(shù)據(jù)依賴中，函數(shù)依賴是最基本的一種依賴。實際上，它是鍵概念的推廣。2.4.3關(guān)系模式的規(guī)范化1.規(guī)范化的作用數(shù)據(jù)依賴引起的主要問題是操作異常，解決的辦法是進行關(guān)系模式的合理分解，也就是對關(guān)系模式進行規(guī)范化(Normalization)。規(guī)范化的目的：(1)消除異常(2)方便用戶使用，簡化檢索操作(3)加強數(shù)據(jù)獨立性(4)使關(guān)系模式靈活，更容易使用非過程化的高級查詢語言(3)更容易進行各種查詢統(tǒng)計工作2.4.3關(guān)系模式的規(guī)范化2.規(guī)范化的標準范式(NormalForm，NF)：是指關(guān)系模式規(guī)范形式。關(guān)系模式需要滿足規(guī)范化條件，不同程度的條件稱為不同的范式。于1971~1972年系統(tǒng)地提出了1NF、2NF、3NF概念，討論了規(guī)范化的問題。1974年Codd和Boyce共同提出了BCNF。1976年Fagin提出了4NF，以后又有人提出了5NF。2.4.3關(guān)系模式的規(guī)范化第一范式(1NF)定義：設(shè)R是一個關(guān)系模式。如果R的每一個屬性的值域都是不可再分的數(shù)據(jù)項，即關(guān)系中的每一屬性都是原子的，則稱該關(guān)系模式為第一范式，記作1NF。第一范式是對關(guān)系模式的最低要求。不滿足第一范式的數(shù)據(jù)庫模式不能稱為關(guān)系數(shù)據(jù)庫。不滿足第一范式的關(guān)系稱為非規(guī)范關(guān)系。學生信息課程號成績學號院系代碼系主任0401001001蘇云255430890307012004王楠255341680307012004王楠25543070學號院系代碼系主任課程號成績0401001001蘇云255430890307012004王楠255341680307012004王楠255430702.4.3關(guān)系模式的規(guī)范化第二范式(2NF)定義：設(shè)R是一個關(guān)系模式。如果R是第一范式，且R中每一個非鍵屬性完全函數(shù)依賴于R的鍵，則稱該關(guān)系模式為第二范式，記為2NF。第二范式消除了非主屬性對關(guān)鍵字的部分依賴。即滿足2NF的關(guān)系，其非主屬性完全函數(shù)依賴于關(guān)鍵字。2NF存在以下問題：(1)插入異常(2)刪除異常(3)冗余(4)更新異常2.4.3關(guān)系模式的規(guī)范化第三范式(3NF)定義：設(shè)R是一個關(guān)系模式。如果R是2NF，且它的任何一個非鍵屬性都不傳遞依賴于R的任一候選鍵，則稱該模式為第三范式，記為3NF。例：求關(guān)系模式R(學號,姓名,班級號,班級人數(shù))的范式級別。解：因為R中的各屬性都是原子的，所以R∈1NF。從R中可以看出，學號為主鍵，它是一個單一屬性，因此在R中不存在部分函數(shù)依賴，所以R∈2NF。在R中由于有學號→班級號，班級號→班級人數(shù)，它構(gòu)成了學號→班級人數(shù)這一傳遞依賴，故R不滿足第3范式的要求。結(jié)論：R∈2NF2.4.3關(guān)系模式的規(guī)范化4.BC范式(BCNF)定義：在一個關(guān)系模式的所有非平凡函數(shù)依賴中，如果所有決定于都含有碼(即起決定因素的超碼)，則此關(guān)系模式屬于BCNF。由BCNF的定義可以得到結(jié)論，一個滿足BCNF的關(guān)系模式具有以下三個性質(zhì)：(1)所有非主屬性對每個候選碼都是完全函數(shù)依賴。(2)所有的主屬性對每一個不包含它的候選碼，也是完全函數(shù)依賴的。(3)沒有任何屬性完全函數(shù)依賴于非碼的任何一組屬性。由于R屬于BCNF，按定義排除了任何屬性對候選碼的傳遞依賴與部分依賴，所以R屬于3NF。但是若R屬于3NF，則R未必屬于BCNF。2.4.3關(guān)系模式的規(guī)范化【例】求A1(學號,課程號,成績)的范式級別。解：對于關(guān)系模式A1(學號,課程號,成績)，它只有一個主關(guān)