数据库系统讲义.docx

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数据库系统讲义

第一章绪论

本章属于基础知识，主要是对一些概念的理解和记忆。

没有难点，相对的重点在于ER模型的设计和关系模型的掌握。

一、数据管理技术的发展阶段（识记）

数据管理技术共经历了三个阶段：

人工管理阶段、文件系统阶段、数据库阶段：

1、人工管理阶段的特点：

（1）数据不保存在机器中

（2）没有专用软件对数据进行管理

（3）只有程序的概念，没有文件的概念。

2、文件系统阶段的特点与缺陷：

（1）数据可长期保存在磁盘上。

（2）数据的逻辑结构与物理结构有了区别

（3）文件组织呈现多样化

（4）数据不再属于某个特定程序，可以重复使用。

其缺陷是：

数据冗余性

数据不一致性

数据联系弱

3、数据库阶段的特点

采用复杂的数据模型表示数据结构

有较高的数据独立性（数据结构分成用户的逻辑结构、整体逻辑结构和物理结构三级）

数据库系统为用户提供方便的用户接口，可以使用查询语言、终端命令或程序方式操作数据库。

系统提供了四个方面的数据控制功能：

数据库的恢复、并发控制、数据完整性和数据安全性。

对数据的操作不一定以记录为单位，还可以数据项为单位。

数据库技术中的四个名词:

DB、DBMS、DBS、数据库技术。

其概念是不同的，要分清。

DB：

数据库（Database）,DB是统一管理的相关数据的集合。

DBMS：

数据库管理系统（DatabaseManagement

System），DBMS是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件，为用户或应用程序提供访问DB的方法，包括DB的建立、查询、更新及各种数据控制。

DBMS总是基于某种数据模型，可以分为层次型、网状型、关系型、面向对象型DBMS。

DBS：

数据库系统（DatabaseSystem）,DBS是实现有组织地、动态地存储大量关联数据，方便多用户访问的计算机软件、硬件和数据资源组成的系统，即采用了数据库技术的计算机系统。

数据库技术：

是一门研究数据库结构、存储、管理和使用的软件学科。

二、数据描述的术语（领会）

1、数据描述的三个领域：

现实世界、信息世界和机器世界。

信息世界中的几个概念：

实体（即客观存在可以相互区别的事物）、实体集（同类实体的集合）、属性（实体的特性）、实体标识符（唯一标识实体的属性（集））。

机器世界中的四个概念：

字段、记录、文件、键（关键码）。

2、数据描述的两种形式：

物理描述和逻辑描述。

前者是指数据在存储设备上的存取方式，后者是指程序员或用户以用以操作的数据形式。

3、数据联系的描述：

1：

1联系：

如果实体集E1中的每个实体最多只能和实体集E2中的一个实体有联系，反之亦然，好么实体集E1对E2的联系称为"一对一联系"，记为"1：

1"。

1：

N联系：

如果实体集E1中每个实体与实体集E2中任意个（零个或多个）实体有联系，而E2中每个实体至多和E1中的一个实体有联系，那么E1对E2的联系是"一对多联系"，记为"1：

N"。

M：

N联系：

如果实体集E1中每个实体与实体集E2中任意个（零个或多个）实体有联系，反之亦然，那么E1对E2的联系是"多对多联系"，记为"M：

N"。

三、数据模型

1、数据模型的概念（领会）：

表示实体类型及实体类型间联系的模型称为"数据模型"。

它可分为两种类型：

概念数据模型和结构数据模型。

2、概念数据模型（领会）：

它是独立于计算机系统的模型，完全不涉及信息在系统中的表示，只是用来描述某个特定组织所关心的信息结构。

（掌握ER模型）

3、结构数据模型：

它是直接面向数据库的逻辑结构，是现实世界的第二层抽象。

这类模型涉及到计算机系统和数据库管理系统，所以称为"结构数据模型"。

结构数据模型应包含：

数据结构、数据操作、数据完整性约束三部分。

层次模型（识记）：

用树型结构表示实体间联系的数据模型

关系模型（领会）：

是由若干个关系模式组成的集合，其主要特征是用二维表格结构表达实体集，用外鍵表示实体间联系。

四、数据库的体系结构（领会）

1、三级结构模式：

数据库的体系结构分为三级：

内部级、概念级和外部级：

外部级：

单个用户所能看到的数据特性，称外模式。

概念级：

涉及到所有用户的数据定义，是全局的数据视图,称"概念模式"。

内部级：

最接近于物理存储，涉及到实际数据存储的结构，称"内模式"。

2、两级映象：

模式/内模式映象：

用于定义概念模式和内模式之间的对应性。

一般在内模式中描述。

外模式/模式映象：

用于定义外模式和概念模式间的对应性。

一般在外模式中描述。

3.两级数据独立性：

物理数据独立性：

修改内模式时尽量不影响概念模式及外模式，则达到物理数据独立性。

逻辑数据独立性：

修改概念模式时尽量不影响外模式和应用程序。

五、数据库管理系统（DBMS领会）

1、DBMS的主要功能：

（1）数据库的定义功能

（2）数据库的操纵功能

　　　　（3）数据库的保护功能

　　　　（4）数据库的存储管理

　　　　（5）数据库的维护功能

　　　　（6）数据字典

2、DBMS的组成：

由两大部分组成：

查询处理器和存储管理器，前者包括DDL编译器、DML编译器、嵌入型DML预编译器、查询运行核心程序。

后者包括授权和完整性管理器，事务管理器、文件管理器，缓冲区管理器。

六、数据库系统（DBS领会）

DBS由四部分组成：

数据库、硬件、软件、数据库管理员。

DBS的全局结构及DBS的效益，了解一下。

第二章关系数据库

本章为次重点章，我们经常使用的数据库均采用关系模型，本章主要介绍了关系模型的关系运算理论，主要在于对关系演算运算的理解，为后面章节的SQL作准备。

一、关系模型的基本概念（识记）

1、关系模型的基本术语：

用二维表格结构表示实体集、外键表示实体间联系的数据模型称为关系模型。

基本术语有：

字段（属性）、字段值（属性值）、记录（元组）、二维表格（元组集合、关系或实例）。

在这里，括号中的表述为关系模型中的术语。

它与表格中术语可以一一对应。

还有，关系中属性个数称为元数，元组个数为基数。

键：

由一个或几个属性组成。

（注意键不一定是唯一的一个属性）。

超键：

在关系中能唯一标识元组的属性集称为关系模式的超键。

（注意，超键也是一个属性集，不一定只是一个属性）

候选键：

不含有多余属性的超键称为候选键。

主键：

用户选作元组标识的一个候选键为主键。

外键：

某个关系的主键相应的属性在另一关系中出现，此时该主键在就是另一关系的外键，如有两个关系S和SC,其中S#是关系S的主键，相应的属性S#在关系SC中也出现，此时S#就是关系SC的外键。

2、关系模式、关系子模式

关系模式：

关系模式实际上就是记录类型。

它包括：

模式名，属性名，值域名以及模式的主键。

关系模式仅是对数据特性的描述。

（这通常在数据库中表现为一个数据表的结构）

关系子模式：

就是用户所用到那部分数据的描述。

3、关系模型的三类完整性规则

实体完整性规则：

要求关系中组成主键的属性上不能有空值。

参照完整性规则：

要求不引用不存在的实体。

用户定义完整性规则：

由具体应用环境决定，系统提供定义和检验这类完整性的机制。

4、关系模型的形式定义：

数据结构、数据操作和完整性规则。

二、关系代数运算（简单应用）

1、关系代数的五个基本操作：

并、差、笛卡尔积、投影和选择。

并（∪）：

两个关系需有相同的关系模式，并的对象是元组，由两个关系所有元组构成。

差（-）：

同样，两个关系有相同的模式，R和S的差是由属于R但不属于S的元组构成的集合。

投影（σ）：

对关系进行垂直分割，消去某些列，并重新安排列的顺序。

选择（π）：

根据某些条件关系作水平分割，即选择符合条件的元组。

2、关系代数的四个组合操作：

交、联接、自然联接和除法

交（∩）：

R和S的交是由既属于R又属于S的元组构成的集合。

联接包括θ联接和F联接，是选择R×S中满足iθ（r+j）或F条件的元组构成的集合，特别注意等值联接（θ为等号"="）。

自然联接（R|X|S）：

在R×S中，选择R和S公共属性值均相等的元组，并去掉R×S中重复的公共属性列。

如果两个关系没有公共属性，则自然联接就转化为笛卡尔积。

除法（÷）：

首先除法的结果中元数为两个元数的差，以例2.6为例，我们可以直接用观察法来得到结果，把S看作一个块，拿到R中去和相同属性集中的元组作比较，如果有相同的块，且除去此块后留下的相应元组均相同，那么可以得到一条元组，所有这些元组的集合就是除法的结果。

对于上述的五个基本操作和组合操作，应当从实际运算方面进行理解和运用，对其形式定义可不必深究。

注意课本上的例子和给的练习题。

3、关系代数表达式及应用

在关系代数表达式中，复合了上述五个基本操作，在给出相应的表格（关系）中，应该能够根据给出的关系代数表达式计算关系值，也要能根据相应查询要求列出关系表达式。

在列关系表达式时，通常有以下形式：

π...（σ...（R×S））或者π...（σ...（R|X|S））

首先把查询涉及到的关系取来，执行笛卡尔积或自然联接操作得到一张大的表格，然后对大表格执行水平分割（选择）和垂直分割（投影）操作。

但是注意当查询涉及到否定或全部值时，就不能用上述形式，而要用到差或除法操作。

第三章关系数据库SQL语言

本章为重点章，应熟悉和掌握SQL的数据定义、数据查询、数据更新的句法及其应用，特别是数据查询的应用。

结合上机操作进行理解和掌握。

一、SQL概述。

1、SQL发展历程（识记）

SQL从1970年美国IBM研究中心的E.F.Codd发表论文到1974年Boyce和Chamberlin把SQUARE语言改为SEQUEL语言，到现在还在不断完善和发展之中，SQL（结构式查询语言）虽然名为查询，但实际上具有定义、查询、更新和控制等多种功能。

2、SQL数据库的体系结构（领会）

SQL数据库的体系结构也是三级结构，但术语与传统关系模型术语不同，在SQL中，关系模式称为"基本表"，存储模式称为"存储文件"，子模式称为"视图"，元组称"行"，属性称"列"。

SQL数据库体系的结构要点如下：

（1）一个SQL数据库是表的汇集。

（2）一个SQL表由行集构成，行是列的序列，每列对应一个数据项。

（3）表或者是基本表，或者是视图。

基本表是实际存储在数据库中的表，视图由是由若干基本表或其他视图构成的表的定义。

（4）一个基本表可以跨一个或多个存储文件，一个存储文件也可存放一个或多个基本表。

存储文件与物理文件对应。

（5）用户可以用SQL语句对表进行操作，包括视图和基本表。

（6）SQL的用户可以是应用程序，也可以是终端用户。

3、SQL的组成（识记）

SQL由三部分组成：

（1）数据定义：

SQLDDL。

定义SQL模式，基本表、视图和索引。

（2）数据操纵：

SQLDML。

包括数据查询和数据更新（增、删、改）。

（3）数据控制：

包括对基本表和视图的授权、完整性规则的描述，事务控制等。

二、SQL的数据定义（简单应用）

1、SQL模式的创建和撤消：

SQL模式的创建可简单理解为建立一个数据库，定义一个存储空间，其句法是：

CREATSCHEMA

<模式名>AUTHORIZATION<用户名>

撤消SQL模式的句法为：

DROPSCHEMA<模式名>

[CASCADE|RESTRICT]

方括号中的选项参数CASCADE表示连锁方式，执行时将模式下所有基本表、视图、索引等元素全部撤消。

RESTRICT表示约束式，执行时必须在SQL模式中没有任何下属元素时方可撤消模式。

2、SQL提供的基本数据类型

数值型：

包括integer、smallint、real、doubleprecision、float（n）,numeric（p，d）

字符串型：

char（n）、varchar（n），前者是定长，后者为变长串

位串型：

bit（n）,bitvarying（n），同上。

时间型：

date、time。

3、基本表的创建、修改和撤消

基本表的创建：

（可理解为建立表结构）

CREATTABLESQL模式名.基本表名

（列名，类型，

……

完整性约束...）

完整性约束包括主键子句（PRIMARYKEY）、检查子句（CHECK）和外键子句（ForeignKEY）.

基本表结构的修改

ALTERTABLE基本表名ADD/DROP（增加/删除）列名类型名（增加时写出）

删除时有子句[CASCADE|RESTRICT]，前者为连锁删除，后者为约束删除，即没有对本列的任何引用时才能删除。

基本表的撤消

DROPTABLE基本表名[CASCADE|RESTRICT]

4、视图的创建和撤消

创建：

CREATVIEW视图名（列名表）ASSELECT查询语句

撤消：

DROPVIEW视图名

5、索引的创建和撤消

创建：

CREAT[UNIQUE]INDEX索引名ON基本表名（列名表[ASC|DESC]）

撤消：

DROPINDEX索引名

总结：

凡创建都用CREAT,删除都用DROP,改变用alter,再跟类型和名字，附加子句很容易了。

三、SQL的数据查询（综合应用）

这一段是本章的重点内容，应该熟练掌握。

首先了解基本句法：

1、SELECT-FROM-WHERE句型

SELECT列名表（逗号隔开）FROM基本表或视图序列WHERE条件表达式

在这里，重点要掌握条件表达式中各种运算符的应用，如=，>,<,<>等算术比较运算符、逻辑运算符AND、OR、NOT、集合成员资格运算符：

IN，NOT

IN，以及嵌套的SELECT语句的用法要特别注意理解。

针对课本的例题和课后习题进行掌握。

在查询时，SELECT语句可以有多种写法，如联接查询、嵌套查询和使用存在量词的嵌套查询等。

最好都掌握，但是起码应能写出一种正确的查询语句。

2.SELECT语句完整的句法：

SELECT列名表（逗号隔开）

FROM基本表或视图序列

[WHERE条件表达式]（此为和条件子句）

[GROUPBY列名序列]（分组子句）

[HAVING组条件表达式]（组条件子句）

[ORDERBY列名[ASC|DESC]..]（排序子句）

这段关于完整句法的内容能够理解也就问题不大了。

3、SELECT语句中的限定

这一段内容主要是对SELECT语句进一步使用进行的深入学习，领会下列各种限定的使用目的和方法。

要求输出表格中不出现重复元组，则在SELECT后加一DISTINCT

SELECT子句中允许出现加减乘除及列名，常数的算术表达式

WHERE子句中可以用BETWEEN...AND...来限定一个值的范围

同一个基本表在SELECT语句中多次引用时可用AS来增加别名

WHERE子句中字符串匹配用LIKE和两个通配符，%和下划线_.

查询结果的结构完全一致时可将两个查询进行并（UNION）交（INTERSECT）差（EXCPT）操作

查询空值操作不是用='null',而是用ISNULL来测试。

集合成员资格比较用IN/NOTIN，集合成员算术比较用元组θSOME/ALL

可以用子查询结果取名（表名（列名序列））来作为导出表使用

基本表的自然联接操作是用NATURALINNERJOIN来实现的。

四、SQL的数据更新（简单应用）

简单应用就是掌握基本的句型并能套用在一些简单的查询要求上。

1、数据插入：

INSERTINTO基本表名（列名表）

VALUES（元组值）

或

INSERTINTO基本表名（列名表）

SELECT查询语句

其中元组值可以连续插入。

用查询语句可以按要求插入所需数据。

2、数据删除：

DELETEFROM基本表名[WHERE条件表达式]

3、数据修改：

UPDATE基本表名

SET列名=值表达式,[列名=值表达式...]

[WHERE条件表达式]

这一节的关于增删改的操作要和前面关于数据库模式、表的增删改操作进行对比学习，以加深理解。

不要忘记上机实践。

第五章关系数据理论

本章的理论性较强，学习时有无从下手的感觉，在学习时应多加思考，从概念出发去理解理论，前后的理论有较强的联系，因此要逐个理解，但对于理论的证明等内容则不必深究，本章重点是函数依赖和范式的概念。

一、关系模式的设计问题（识记）

关系数据库是以关系模型为基础的数据库，它利用关系来描述现实世界。

一个关系既可以用来描述一个实体及其属性，也可以用来描述实体间的联系。

关系实质上就是一张二维表，表的行称为元组，列称为属性。

关系模式是用来定义关系的，这里的关系模式我们可以简单地理解为一个表的结构，一个关系数据库包含一组关系，也就是包含一组二维表，这些二维表结构体的集合就构成数据库的模式（也可以理解为数据库的结构）。

关系数据库设计理论包括三个方面内容：

数据依赖、范式、模式设计方法。

核心内容是数据依赖。

关系模式的存储异常:

数据冗余、更新异常、插入异常和删除异常

二、函数依赖（FD）

1、函数依赖的定义（领会）：

设有关系模式R（A1，A2，...An）或简记为R（U），X，Y是U的子集，r是R的任一具体关系，如果对r的任意两个元组t1,t2,由t1[X]=t2[X]导致t1[Y]=t2[Y]，则称X函数决定Y，或Y函数依赖于X，记为X→Y。

X→Y为模式R的一个函数依赖。

这个定义可以这样理解：

有一张设计好的二维表，X，Y是表的某些列（可以是一列，也可以是多列），若在表中的第t1行，和第t2行上的X值相等，那么必有t1行和t2行上的Y值也相等，这就是说Y函数依赖于X。

如下图所示:

教师

课程

张老师

物理

杨老师

化学

李老师

物理

在表中，凡教师名相同的，对应的课程名也必是相同的，则此时说

教师名函数决定课程名，或"课程名"函数依赖于"教师名"。

但是反过来不一定，课程名相同时并不一定教师名相同，所以这里的Y→X是不成立的。

要特别注意的是，在这张表中，任何一行的关系均应符合上述条件，如果有一行不符合函数依赖的条件，则函数依赖对于这个关系就不成立。

还有应该了解的是，函数依赖是否成立是不可证明的，只能通过属性的含义来判断，上述表是一个关系实例，可以一条条进行验证，但是对于模式设计来说，开始时并没有数据插入，我们只能从属性的含义出发，如这个关系模式保存了全校所有教师和课程对应关系，则有可能出现相同的教师名而课程名不是一样的情况（有同名教师），那么"课程名→教师名"这个函数依赖就不成立了。

上述例子可对照课本理论进行领会。

2、键和FD的关系（领会）

键是唯一标识实体的属性集。

对于键和函数依赖的关系：

有两个条件：

设关系模式R（A1,A2...An），F是R上的函数依赖集，X是R的一个子集，

（1）X→A1A2...An∈F+（它的意思是X能够决定唯一的一个元组）

（2）不存在X的真子集Y，使得Y也能决定唯一的一个元组，则X就是R的一个候选键。

（它的意思是X能决定唯一的一个元组但又没有多余的属性集）

包含在任何一个候选键中的属性称为主属性，不包含在任何键中的属性为非主属性（非键属性），注意主属性应当包含在候选键中。

3、函数依赖（FD）的推理规则（了解）

前面我们举的例子中是以实际经验来确定一个函数依赖的逻辑蕴涵，但是我们需要一个推理规则才能完全确定F或F+的所有函数依赖。

设有关系模式R（U），X，Y，Z，W均是U的子集，F是R上只涉及到U中属性的函数依赖集，推理规则如下：

自反律：

如果YXU,则X→Y在R上成立。

增广律：

如果X→Y为F所蕴涵，ZU，则XZ→YZ在R上成立。

（XZ表示X∪Z，下同）

传递律：

如果X→Y和Y→Z在R上成立，则X→Z在R上成立。

合并律：

如果X→Y和X→Z成立，那么X→YZ成立。

伪传递律：

如果X→Y和WY→Z成立，那么WX→Z成立。

分解律：

如果X→Y和ZY成立，那么X→Z成立。

三、关系模式的范式（领会）

1、1NF、2NF、3NF、BCNF的定义：

1NF：

第一范式。

即关系模式中的属性的值域中每一个值都是不可再分解的值。

如果某个数据库模式都是第一范式的，则称该数据库模式是属于第一范式的数据库模式。

比如有一个关系顾客={顾客，送货地址}，若有这样几行记录：

顾客送货地址

张三北京、上海

李四北京

这时的第一条记录就表示本关系模式不是1NF的，因为课程中的值域还是可以分解的，它包括了两个地址，如分为：

顾客送货地址

张三北京

张三上海

李四北京

就成为第一范式的关系模式。

2NF：

第二范式。

如果关系模式R为第一范式，并且R中每一个非主属性完全函数依赖于R的某个候选键，则称为第二范式模式。

在这里要先了解"非主属性"、"完全函数依赖"、"候选键"这三个名词的含义。

候选键就是指可以唯一决定关系模式R中某元组值且不含有多余属性的属性集。

非主属性也就是非键属性，指关系模式R中不包含在任何建中的属性。

设有函数依赖W→A，若存在XW，有X→A成立，那么称W→A是局部依赖，否则就称W→A是完全函数依赖。

在分析是否为第2范式时，应首先确定候选键，然后把关系模式中的非主属性与键的依赖关系进行考察，是否都为完全函数依赖，如是，则此关系模式为2NF。

如果数据库模式中每个关系模式都是2NF的，则此数据库模式属于2NF的数据库模式。

3NF：

第三范式。

如果关系模式R是第二范式，且每个非主属性都不传递依赖于R的候选键，则称R为第三范式的模式。

这里首先要了解传递依赖的含义：

在关系模式中，如果Y→X，X→A，且X不决定Y和A不属于X，那么Y→A是传递依赖。

注意的是，这里要求非主属性都不传递依赖于候选键。

BCNF：

这个范式和第三范式有联系，它是3NF的改进形式。

若关系模式R是第一范式，且每个属性都不传递依赖于R的候选键。

这种关系模式就是BCNF模式。

纵观四种范式，可以发现它们之间存在如下关系：

BCNF3NF2NF1NF

1NF

↓消去非主属性对键的部分函数依赖

2NF

↓消去非主属性对键的传递函数依赖

3NF

↓消去主属性对键的传递函数依赖

BCNF

2、多值依赖。

简单了解一下。

第六章数据库设计

与上一章不同，本章的实用性较强，详细讲述了数据库应用系统设计的全过程。

重点是概念设计中ER模型的设计方法，逻辑设计中ER模型向关系模型的转换方法。

一、数据库设计概述（识记）

1、软件生存期：

是指从软件的规划、研制、实现、投入运行后的维护、直到它被新的软件所取代而停止使用的整个期间。

它包括六个阶段：

（规需设编试运维）

（1）规划阶段

（2）需求分析阶段

（3）设计阶段

（4）程序编制阶段

（5）调试阶段

（6）运行维护阶段

2、数据库系统生存期

数据库应用系统的开发也是一项软件工程，称为数据库工程，数据库应用系统也有生存期的概念，通常包括七个阶段：

（1）规划阶段

（2）需求分析阶段

（3）概念设计阶段

（4）逻辑设计阶段

（5）物理设计阶段

（6）实现阶段