数据库系统概论第二章关系数据库

本思维导图为数据库系统概论第二章关系数据库，内容十分详细，有图有重点，对掌握数据库基础知识点，建立思维框架十分有帮助，也是耗时很久所整理，希望多多支持！

关系数据库

• 关系数据结构及形式化定义
  • 关系
    • 单一的数据结构----关系 现实世界的实体以及实体间的各种联系均用关系来表示 逻辑结构----二维表 从用户角度，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表 建立在集合代数的基础上
      • 域
        • 域是一组具有相同数据类型的值的集合
      • 笛卡儿积
        • 笛卡尔积 给定一组域D1，D2，…，Dn，允许其中某些域是相同的。 D1，D2，…，Dn的笛卡尔积为： D1×D2×…×Dn ＝ ｛（d1，d2，…，dn）｜diDi，i＝1，2，…，n｝ 所有域的所有取值的一个组合 不能重复
          • 元组
            • 笛卡尔积中每一个元素（d1，d2，…，dn）叫作一个n元组（n-tuple）或简称元组 (张清玫，计算机专业，李勇)、 (张清玫，计算机专业，刘晨) 等 都是元组
          • 分量
            • 笛卡尔积元素（d1，d2，…，dn）中的每一个值di 叫作一个分量 张清玫、计算机专业、李勇、刘晨等都是分量
          • 基数
            • • 若Di（i＝1，2，…，n）为有限集，其基数为mi（i＝1，2，…，n），则D1×D2×…×Dn的基数M为：
          • 笛卡儿积的表示方式
            • 笛卡尔积可表示为一张二维表 表中的每行对应一个元组，表中的每列对应一个域
      • 关系
        • 关系
          • D1×D2×…×Dn的子集叫作在域D1，D2，…，Dn上的 关系，表示为 R（D1，D2，…，Dn） R：关系名 n：关系的目或度（Degree）
        • 元组
          • 关系中的每个元素是关系中的元组，通常用t表示。
        • 单元关系与二元关系
          • 当n=1时，称该关系为单元关系（Unary relation） 或一元关系 当n=2时，称该关系为二元关系（Binary relation）
        • 关系的表示
          • 关系也是一个二维表，表的每行对应一个元组，表的每 列对应一个域
        • 属性
          • 关系中不同列可以对应相同的域 为了加以区分，必须对每列起一个名字，称为属性（Attribute） n目关系必有n个属性
        • 码
          • 候选码
            • 若关系中的某一最小属性组的值能唯一地标识一个元组，则称该属性组为候选码 简单的情况：候选码只包含一个属性
          • 全码
            • 最极端的情况：关系模式的所有属性组是这个关系模式的候选码，称为全码（All-key）
          • 主码
            • 若一个关系有多个候选码，则选定其中一个为主码
          • 主属性
            • 候选码的诸属性称为主属性（Prime attribute） 不包含在任何侯选码中的属性称为非主属性（Non-Prime attribute）或非码属性（Non-key attribute）
        • 三类关系
          • 基本关系（基本表或基表）
            • 实际存在的表，是实际存储数据的逻辑表示
          • 查询表
            • 查询结果对应的表
          • 视图表
            • 由基本表或其他视图表导出的表，是虚表，不对 应实际存储的数据
        • 基本关系的性质
          • 列是同质的（Homogeneous），每一列中的分量是同一类型的数据，来自同一个域
          • 不同的列可出自同一个域 其中的每一列称为一个属性 不同的属性要给予不同的属性名
          • 列无序
          • 任意两个元组的候选码不能取相同的值
          • 行无序
          • 分量必须取原子值，每一个分量都必须是不可分的数据项 不允许“表中有表”
  • 关系模式
    • • 关系模式（Relation Schema）是型 关系是值 关系模式是对关系的描述 元组集合的结构 属性构成 属性来自的域 属性与域之间的映象关系 完整性约束条件
      • 关系模式可以形式化地表示为： R（U，D，DOM，F） R 关系名 U 组成该关系的属性名集合 D U中属性所来自的域 DOM 属性向域的映象集合 F 属性间数据的依赖关系的集合
      • 关系模式通常可以简记为 R (U) 或 R (A1，A2，…，An) R: 关系名 A1，A2，…，An : 属性名 注：域名及属性向域的映象常常直接说明为 属性的类型、长度
      • 关系模式 对关系的描述 静态的、稳定的 关系 关系模式在某一时刻的状态或内容 动态的、随时间不断变化的 关系模式和关系往往笼统称为关系 通过上下文加以区别
  • 关系数据库
    • 关系数据库 在一个给定的应用领域中，所有关系的集合构成一个关系数据库
    • 关系数据库的型与值 关系数据库的型: 关系数据库模式，是对关系数据库的描述 关系数据库的值: 关系模式在某一时刻对应的关系的集合，通常称为关系数据库
  • 关系模型的存储结构
    • 关系数据库的物理组织 有的关系数据库管理系统中一个表对应一个操作系统文件，将物理数据组织交给操作系统完成 有的关系数据库管理系统从操作系统那里申请若干个大的文件，自己划分文件空间，组织表、索引等存储结构，并进行存储管理
• 关系操作
  • 关系操作的特点
    • 集合操作方式：操作的对象和结果都是集合，一次一集合的方式
  • 基本的关系操作
    • 查询
      • 选择
      • 投影
      • 并
      • 差
      • 笛卡儿积
      • 5种基本操作
      • 除
      • 交
    • 数据更新
      • 插入
      • 删除
      • 修改
  • 关系数据语言的分类
    • 关系代数语言
      • 用对关系的运算来表达查询要求 代表：ISBL
    • 关系演算语言：用谓词来表达查询要求
      • 元组关系演算语言
        • 谓词变元的基本对象是元组变量 代表：APLHA, QUEL
      • 域关系演算语言
        • 谓词变元的基本对象是域变量 代表：QBE
    • 具有关系代数和关系演算双重特点的语言
      • 代表：结构化查询语言 SQL（Structured Query Language）
• 关系的完整性
  • 实体完整性
    • 规则2.1 实体完整性规则（Entity Integrity） 若属性A是基本关系R的主属性，则属性A不能取空值
    • 实体完整性规则说明
      • （1）实体完整性规则是针对基本关系而言的。 一个基本表通常对应现实世界的一个实体集。 （2）现实世界中的实体是可区分的，即它们具有某种唯 一性标识。 （3）关系模型中以主码作为唯一性标识。 （4）主码中的属性即主属性不能取空值。 主属性取空值，就说明存在某个不可标识的实体，即存在不可区分的实体，这与第（2）点相矛盾，因此这个规则称为实体完整性
  • 参照完整性：定义外码与主码之间的引用关系
    • 关系间的引用
      • 在关系模型中实体及实体间的联系都是用关系来描述的，自然存在着关系与关系间的引用。
    • 外码
      • 设F是基本关系R的一个或一组属性，但不是关系R的码。如果F与基本关系S的主码Ks相对应，则称F是R的外码 基本关系R称为参照关系（Referencing Relation） 基本关系S称为被参照关系（Referenced Relation） 或目标关系（Target Relation）
      • 关系R和S不一定是不同的关系 目标关系S的主码Ks 和参照关系的外码F必须定义在同一个（或一组）域上 外码并不一定要与相应的主码同名 当外码与相应的主码属于不同关系时，往往取相同的名字，以便于 识别
    • 参照完整性规则说明
      • 若属性（或属性组）F是基本关系R的外码它与基本关系S的主码Ks相对应（基本关系R和S不一定是不同的关系），则对于R中每个元组在F上的值必须为： 或者取空值（F的每个属性值均为空值）若F也是关系R上的主码则不能为空 或者等于S中某个元组的主码值
  • 是关系模型必须满足的完整性约束条件，被称为是关系的两个不变性
  • 用户定义的完整性
    • 针对某一具体关系数据库的约束条件，反映某一具体应用所涉及的数据必须满足的语义要求 关系模型应提供定义和检验这类完整性的机制，以便用统一的系统的方法处理它们，而不需由应用程序承担这一功能
• 关系代数
  • 定义：
    • 一种抽象的查询语言，它用对关系的运算来表达查询
  • 运算的三大要素
    • 运算对象
      • 关系代数的运算对象是关系
    • 运算符
    • 运算结果
      • 。。。关系
  • 按运算符的不同，分为两类
    • 传统的集合运算（行）
      • 并：R∪S={t|t∈R∨t∈S} 自动去重
      • 差：R-S={t|tϵR∧t∉S}
      • 交：R∩S={t|t∈R∧t∈S}
      • 笛卡儿积：R×S={trts|tr∈R∧ts∈S} 不去重
        • 严格地讲应该是广义的笛卡尔积（Extended Cartesian Product） R: n目关系，k1个元组 S: m目关系，k2个元组 R×S 列：（n+m）列元组的集合 元组的前n列是关系R的一个元组 后m列是关系S的一个元组 行：k1×k2个元组
    • 专门的关系运算（行、列）
      • 选择（select）（行）
        • 选择又称为限制（Restriction） 选择运算符的含义 在关系R中选择满足给定条件的诸元组 σF(R) = {t|tR∧F(t)= '真'} F：选择条件，是一个逻辑表达式，取值为“真”或“假” 基本形式为：X1θY1 θ表示比较运算符，它可以是＞，≥，＜，≤，＝或<> 选择运算是从关系R中选取使逻辑表达式F为真的元组，是从行的角度进行的运算
      • 投影（projection）（列，自动去重行）
        • 从R中选择出若干属性列组成新的关系 πA(R) = { t[A] | t R } A：R中的属性列 投影操作主要是从列的角度进行运算 投影之后不仅取消了原关系中的某些列，而且还可能取消某些元组（避免重复行）
      • 连接（join）
        • 等值连接（行）
        • 自然连接（行、列，取消重复列）
        • 悬浮元组（Dangling tuple） 两个关系R和S在做自然连接时，关系R中某些元组有可能在S中不存在公共属性上值相等的元组，从而造成R中这些元组在操作时被舍弃了，这些被舍弃的元组称为悬浮元组。
          • 外连接（Outer Join） 如果把悬浮元组也保存在结果关系中，而在其他属性上填空值(Null)，就叫做外连接 左外连接(LEFT OUTER JOIN或LEFT JOIN) 只保留左边关系R中的悬浮元组 右外连接(RIGHT OUTER JOIN或RIGHT JOIN) 只保留右边关系S中的悬浮元组
      • 除运算（division）（行、列）
        • 给定关系R (X，Y) 和S (Y，Z)，其中X，Y，Z为属性组。 R中的Y与S中的Y可以有不同的属性名，但必须出自相同的 域集。 R与S的除运算得到一个新的关系P(X)， P是R中满足下列条件的元组在 X 属性列上的投影： 元组在X上分量值x的象集Yx包含S在Y上投影的集合，记作： R÷S={tr[X]|tr∈R∧πY(S)≤Yx} Yx：x在R中的象集，x = tr[X]
          • 除操作是同时从行和列角度进行运算
    • 象集
      • 给定一个关系R（X，Z），X和Z为属性组。 当t[X]=x时，x在R中的象集（Images Set）为： Zx={t[Z]|t R，t[X]=x} 它表示R中属性组X上值为x的诸元组在Z上分量的集合
• 关系演算
  • 元组关系演算语言ALPHA（没有实现）
    • 六条语句
      • get
      • put
      • hold
      • update
      • delete
      • drop
    • 基本格式
      • 操作语句 工作空间名 （表达式);操作条件
    • ALPHA的用法
      • 检索操作
        • 用GET语句实现
          • 11种（P57）
      • 更新操作
        • 修改操作（用update语句实现）
          • 首先用hold语句将要修改的元组从数据库中读到工作空间中；
          • 然后用宿主语言修改工作空间中元组的属性
          • 最后用update语句将修改后的元组送回数据库中
        • 插入操作（用put语句实现）
          • 首先用宿主语言在工作空间中建立新元组
          • 然后用put语句把该语句存入指定的关系中
        • 删除操作（用delete语句实现）
          • 用hold语句把要删除的元组从数据库中读到工作空间中
          • 用delete语句删除该元组
  • 元组关系演算
    • 定义：
      • 在关系演算系统中，称{t|Φ(t)}为元组演算表达式
    • 原子公式种类
    • 五种基本运算
  • 域关系演算语言QBE
    • 定义：
      • 一种高度非过程化的基于屏幕表格的查询语言
    • QBE的用法
      • 检索操作
        • 简单查询
        • 条件查询
        • 聚焦函数
        • 对查询结果排序
      • 更新操作
        • 修改操作
        • 插入操作
        • 删除操作
• 主题