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1、第1部分 数据库系统基础第2章 关系模型与关系数据库,高级数据库系统及其应用,2018/10/28,2,第2章 关系模型与关系数据库,关系数据模型,2.1,关系操作与关系查询语言,2.2,SQL语言,2.3,应用关系数据库,2.4,2018/10/28,3,2.1 关系数据模型,2.1.1 关系模型基础,2.1.2 关系模型的约束及其表达,2.1.3 关系数据库,2018/10/28,4,2.1.1 关系模型基础,关系（表） 关系模型将数据库表示为一组“关系(relation)”的集合。每个关系好比一个具有多个行(row)和多个列(column)的二维值表(table)。 每个关系含两部分信息
2、：关系模式(relation schema)和关系实例(relation instance)。 在正式的关系模型术语中 表行：被称为记录(record)或元组(tuple) 表列标题：被称为属性(attribute)或字段(field) 。,2018/10/28,5,一个简单关系表的关系模式和关系实例示例(图2.1),2018/10/28,6,其它几个重要的关系模型概念（1）,属性域 在关系模型中，必须为每个属性指定一个域(domain)。 关系模式(relation schema) 指一个关系的基本模式结构定义。 形式上，名为R的关系模式可表示为: R(A1:dom(A1),An:dom(A
3、n) 关系实例（关系状态） 关系的每个数据行称为一个元组，可形式表示为 t =， 关系的实例（状态）是一个元组集或记录集，可形式表示为: r(R)=t1, t2, , tn,2018/10/28,7,其它几个重要的关系模型概念（2）,关系数据库模式 (Schema, S) 指由一个关系模式集R1,R2,Rn和一个关系约束集ICs构成的定义集； S=R1,R2,Rn+ICs。 关系数据库状态 指特定时刻DB中所有关系状态的集合，即DB=r1,r2,rn，其中，ri是关系Ri的状态。 关系数据库 关系数据库(RDB)，是采用关系模型来表示数据的数据库。RDB的一个状态也称为一个RDB实例。,201
4、8/10/28,8,2.1.2 关系模型的约束及其表达,完整性约束(Integrity Constraints, ICs) DBMS必须能强制实施与DB模式有关的所有约束，以限制允许存储到DB的数据，确保DB中只有满足约束的合法数据。 ICs的主要类型包括域约束、主键约束和外键约束，它们常被统称为基于模式的约束。 键约束 超键(superkey,SK)的概念 能唯一标识关系R中每个元组的一个属性子集 超键中可能会有冗余属性 候选键(Candidate Key) 没有冗余属性的超键,2018/10/28,9,引用完整性约束,引用完整性约束(referential integrity constr
5、aint) 指要在两不同关系之间指定，用来维护两关系元组间一致性的一种关系模型约束。 该约束指定：当某关系元组引用另一个关系中元组时，只能引用已经存在的元组。 外键(Foreign Key,FK)定义 外键条件指定了两个关系模式R1和R2之间的一个引用完整性约束，或简称为外键约束。,2018/10/28,10,约束指定应用实例,2018/10/28,11,2.2 关系操作与关系查询语言,2.2.1 关系代数,2.2.2 关系演算,本章查询表达说明用例模式（ “水手值勤服务”） Sailors(sid:integer, sname:string, rating:integer, age:inte
6、ger); Boats(bid:integer, bname:string, color:string); Reserves(sid:integer, bid:integer, day:date);,关系查询语言的两种属性引用方法： (1) 属性名 (2) 属性在关系模式中的位置或顺序号,2018/10/28,12,“水手值勤服务”的一个简单模式实例,2018/10/28,13,2.2.1 关系代数,关系代数由一组操作符构成。每个操作符接受1或2个关系实例作为参数，返回一个关系实例作为结果。以下三个方面因素，可突显关系代数在RDBMS中的重要性和地位： 它为关系模型操作提供了一个形式化的基础；
7、 是RDBMS查询实现和优化的基础； SQL结合并保留了很多关系代数的基本概念 关系代数操作符的两种主要类型： 基于集合论的操作，包括并、交、差和叉积等，这些操作的适用性源于“关系”本质上是元组集合； 另一类操作则是专门为RDBMS开发的操作，包括选择、投影、连接，以及为聚合运算引入的相关操作。,2018/10/28,14,1. 并、交、差运算,并、交、差这三个运算操作都可对应到集合论操作，它们都属于二元操作符，要求有两个被操作对象，且要求这两个关系是相容的。 并（RS）: RS=t | tR tS 交（RS）: RS=t | tR tS 差（RS）: RS=t | tR tS ,2018/1
8、0/28,15,2. 叉积操作,叉积，也称为笛卡儿积(cartesian product)，操作符用表示，属于二元关系操作符，代数表达式为RS。,2018/10/28,16,3. 选择操作与投影操作,选择操作符表示为c(R) ，其中，c为条件表达式。 投影操作符表示为 L(R) ，其中，L为投影输出的属性子集列表A1,Am。,2018/10/28,17,4. 重命名操作,在许多场合，输出列名可以直接使用输入关系的属性名。但当输出列为表达式，或二元操作两个输入关系中含同名属性，或希望改善原属性名的可读性等，都需要重命名机制。 关系代数中引入了一个重命名操作符()，其代数表达形式为： ( R(A1
9、A1, , AiAi,), E ) 例2.6 基于图2.4(d) 的S1R1，写出表达式 ( R(1sid1, 5sid2), S1R1) 返回的R模式。,2018/10/28,18,5. 连接操作,连接操作（c），用来合并两个关系中的信息将两关系中相关的“元组对”合并成一个元组输出。 虽然在概念上，RcS = L(c(RS)；但按这种方法实现连接操作的效率很低。在RDBMS中，连接操作通常以独立于叉积结果的方法实现。,2018/10/28,19,6. 消除重复与排序运算,消除重复运算的表达式为 （RB），其操作对象可以是包型关系或集合型关系。 消除重复是一个代价较大的操作，故在很多实际系统中
10、，默认情况下的投影输出都不自动消除重复。 排序操作的代数符号表达式为T L(R)。该操作用来将关系R的所有元组，按L所指定方式排序输出。 L是一个属性表达列表，具有形如A1 asc|desc, A2 asc|desc, 的形式,2018/10/28,20,7. 分组与聚合操作,分组(grouping)与聚合(aggregating)操作的代数表达式为L(R)，该操作将关系R的所有元组按L指定方式进行分组。 L是一个列表表达式。 聚合关系与原关系R一般具有不同的模式结构。 聚合关系中的属性，必须或者是出现L中的属性，或是一个聚合函数表达式。 很多DB书籍或文献中，都将aggregating运算译
11、为聚集。本书中，考虑到已将clustering译为聚簇、聚集。为避免混淆，同时也考虑到合计汇总运算这个语义，故采用聚合这个译法。,2018/10/28,21,2.2.2 关系演算(relational calculus),关系演算为关系DB查询提供了一种高级描述性表示法。 它是一种形式化语言，其基础是被称为谓词(predicate)演算的数理逻辑分支一阶谓词逻辑(First Order Logic, FOL)。 在演算表达式中，不需给出如何应获取结果的操作次序指示信息，只描述了结果中应当包括的信息。 关系演算表达式描述了一个新的关系，这个新关系以变量形式来指定，变量取值范围可是是新关系中的元组
12、（元组演算），或是新关系中的属性域（域演算）。 元组演算对商业化关系查询语言SQL发展有重要影响； 域演算则是QBE (Query-By-Example语言)的基础。,2018/10/28,22,元组关系演算(Tuple Relational Calculus,TRC),元组变量 是取值范围限为特定关系元组的变量。 TRC查询的基本表达形式 t | p(t)， t 代表一个元组变量，而p(t)则是t应当满足的逻辑公式。 查询结果是能使逻辑公式p(t)为真值的所有元组t集合。 构造TRC查询表达的核心任务是给出逻辑公式p(t), 本质上TRC逻辑公式是FOL公式的一个子集。 应用举例 要检索职级
13、超过7的水手， TRC表达为：S |SSailors S.rating 7,2018/10/28,23,TRC原子公式，是下面形式之一： R Rel 是最基本原子公式，表达元组变量R的取值。 R.a op S.b 或 R.a op const 或 const op R.a 是比较型原子公式，表达R在其指定属性上的取值限定。 任何TRC公式可由如下任一方法递归地构造产生： 任何一个原子公式。 p(取反), p q (与连接构造), p q (或连接构造), pq(蕴涵: 若p为真,q必为真)。 R(p(R)，R是元组变量。 R(p(R)，R是元组变量。,TRC查询的语法与语义,令Rel是关系名；
14、 逻辑操作符op , =,；R和S是元组变量，a与b分别是R与S的一个属性；p和q是一个TRC公式。,该表达语义是：对p(R)中的每个自由变量（包括R），至少存在一个能使公式p(R)为真的元组赋值。（绑定到变量R的存在量词）,通常一个公式p(R)中会包含一个RRel条件，以及一些关于R的量词限定表达。为简洁起见， 常用RRel(p(R) 替代R(RRelp(R)常用RRel(p(R) 替代R(RRelp(R),2018/10/28,24,域关系演算(Domain Relational Calculus, DRC),DRC公式可按类似TRC公式的方式进行形式定义。这两类公式定义的主要差别是变量的
15、取值范围。令X和Y是域变量。 DRC原子公式是下面形式之一：Rel Rel是含有n个属性的关系名，每个xi , 1in，或是一个变量，或是一个常数。 X op Y 或 X op constant 或 constant op X 任何DRC公式可由如下任一方法递归地构造产生。 任何一个DRC原子公式； p(取反), p q (与连接构造), p q (或连接构造), pq(蕴涵: 若p为真,q必为真) X(p(X)，X是 。 X(p(X)，X是 。,2018/10/28,25,DRC查询示例,(Q3) 查询被指派到103号船值勤的水手名 | I,T,A(Sailors Ir ,Br ,D ( Reserves Ir = I Br=103) 若引入简记法，也可改写为： | I,T,A(Sailors Reserves(Ir = I Br=103) 该式还可用如下更简洁的写法： | I,T,A(Sailors D( Reserves) ) (Q4) 查询曾在一个红船上值勤过的所有水手名字 | I,T,A(Sailors Reserves Boats ,2018/10/28,26,2.3 SQL语言,2.3.1 用DDL定义数据库,2.3.2 用DML操纵数据库,2.3.3 视图,2018/10/28,27,SQL语言简介,
