数据库原理配套幻灯片lesson-06

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1、数据库原理,孙大为 中国地质大学 信息工程学院,课程内容安排,数据库编程,数据库安全性,关系数据库标准语言SQL,数据库完整性,关系数据库,数据库设计,关系数据理论,绪 论,关系查询处理和查询优化,数据库恢复技术,并发控制,第六讲 关系数据理论,基于某个数据库管理系统设计数据库，如何基于数据库系统编程 第6章 关系数据理论 第7章 数据库设计 第8章 数据库编程,第二篇 设计与应用开发篇,本讲目标,6.1 问题的提出 6.2 规范化 6.3 数据依赖的公理系统 *6.4 模式的分解 6.5 小结,6.1 问题的提出,关系数据库逻辑设计 针对具体问题，如何构造一个适合于它的数据模式 数据库逻辑设

2、计的工具关系数据库的规范化理论,问题的提出（续）,关系模式由五部分组成，是一个五元组： R(U, D, DOM, F) 关系名R是符号化的元组语义 U为一组属性 D为属性组U中的属性所来自的域 DOM为属性到域的映射 F为属性组U上的一组数据依赖,问题的提出（续）,由于D、DOM与模式设计关系不大，因此在本章中把关系模式看作一个三元组：R 当且仅当U上的一个关系r满足F时，r称为关系模式R的一个关系 作为二维表，关系要符合一个最基本的条件：每个分量必须是不可分开的数据项。满足了这个条件的关系模式就属于第一范式（1NF）,问题的提出（续）,数据依赖 是一个关系内部属性与属性之间的一种约束关系 通

3、过属性间值的相等与否体现出来的数据间相互联系 是现实世界属性间相互联系的抽象 是数据内在的性质 是语义的体现,问题的提出（续）,数据依赖的主要类型 函数依赖（Functional Dependency，简记为FD） 多值依赖（Multi-Valued Dependency，简记为MVD）,问题的提出（续）,函数依赖普遍存在于现实生活中 描述一个学生关系，可以有学号、姓名、系名等属性。 一个学号只对应一个学生，一个学生只在一个系中学习 “学号”值确定后，学生的姓名及所在系的值就被唯一确定。 Sname=f(Sno)，Sdept=f(Sno) 即Sno函数决定Sname Sno函数决定Sdept

4、记作SnoSname，SnoSdept,问题的提出（续）,例6.1 建立一个描述学校教务的数据库。 涉及的对象包括： 学生的学号（Sno） 所在系（Sdept） 系主任姓名（Mname） 课程号（Cno） 成绩（Grade）,问题的提出（续）,假设学校教务的数据库模式用一个单一的关系模式Student来表示，则该关系模式的属性集合为： U Sno, Sdept, Mname, Cno, Grade 现实世界的已知事实（语义）： 一个系有若干学生， 但一个学生只属于一个系； 一个系只有一名（正职）负责人； 一个学生可以选修多门课程，每门课程有若干学生选修； 每个学生学习每一门课程有一个成绩。,问

5、题的提出（续）,由此可得到属性组U上的一组函数依赖F： F=SnoSdept, Sdept Mname, (Sno, Cno) Grade,问题的提出（续）,关系模式Student中存在的问题： （1）数据冗余 浪费大量的存储空间 每一个系主任的姓名重复出现，重复次数与该系所有学生的所有课程成绩出现次数相同。,问题的提出（续）,（2）更新异常（Update Anomalies） 数据冗余 ，更新数据时，维护数据完整性代价大。 某系更换系主任后，必须修改与该系学生有关的每一个元组。,问题的提出（续）,（3）插入异常（Insertion Anomalies） 如果一个系刚成立，尚无学生，则无法把这

6、个系及其系主任的信息存入数据库。,问题的提出（续）,（4）删除异常（Deletion Anomalies） 如果某个系的学生全部毕业了， 则在删除该系学生信息的同时，把这个系及其系主任的信息也丢掉了。,问题的提出（续）,结论 Student关系模式不是一个好的模式。 一个“好”的模式应当不会发生插入异常、删除异常和更新异常，数据冗余应尽可能少。 原因 由存在于模式中的某些数据依赖引起的。 解决方法 用规范化理论改造关系模式来消除其中不合适的数据依赖,问题的提出（续）,把这个单一的模式分成三个关系模式： S(Sno,Sdept,Sno Sdept); SC(Sno,Cno,Grade,(Sno,

7、Cno) Grade); DEPT(Sdept,Mname,Sdept Mname); 这三个模式都不会发生插入异常、删除异常的问题，数据的冗余也得到了控制。,第六章 关系数据理论,6.1 问题的提出 6.2 规范化 6.3 数据依赖的公理系统 *6.4 模式的分解 6.5 小结,6.2 规范化,6.2.1 函数依赖 6.2.2 码 6.2.3 范式 6.2.4 2NF 6.2.5 3NF 6.2.6 BCNF 6.2.7 多值依赖 6.2.8 4NF 6.2.9 规范化小结,6.2.1 函数依赖,1.函数依赖 2.平凡函数依赖与非平凡函数依赖 3.完全函数依赖与部分函数依赖 4.传递函数依赖

8、,1. 函数依赖,定义6.1 设R(U)是一个属性集U上的关系模式，X和Y是U的子集。若对于R(U)的任意一个可能的关系r，r 中不可能存在两个元组在X上的属性值相等， 而在Y上的属性值不等， 则称“X函数确定Y”或“Y函数依赖于X”，记作XY。,函数依赖（续）,例 Student(Sno, Sname, Ssex, Sage, Sdept), 假设不允许重名，则有: Sno Ssex， Sno Sage Sno Sdept， Sno Sname Sname Ssex， Sname Sage Sname Sdept 但Ssex Sage, Ssex Sdept,函数依赖（续）,违背了Sno S

9、name,函数依赖（续）,由下面的关系表, 能否得出Sno Sname,函数依赖不是指关系模式R的某个或某些关系实例满足的约束条件，而是指R的所有关系实例均要满足的约束条件。,函数依赖（续）,函数依赖是语义范畴的概念，只能根据数据的语义来确定一个函数依赖。 例如“姓名年龄”这个函数依赖只有在不允许有同名人的条件下成立,2. 平凡函数依赖与非平凡函数依赖,XY，但YX则称XY是非平凡的函数依赖。 XY，但YX 则称XY是平凡的函数依赖。,对于任一关系模式，平凡函数依赖都是必然成立的，它不反映新的语义。 若不特别声明， 我们总是讨论非平凡函数依赖。,平凡函数依赖与非平凡函数依赖（续）,若XY，则X

10、称为这个函数依赖的决定因素（Determinant）。 若XY，YX，则记作XY。 若Y不函数依赖于X，则记作XY。,3. 完全函数依赖与部分函数依赖,定义6.2 在R(U)中，如果XY，并且对于X的任何一个真子集X, 都有 X Y, 则称Y对X完全函数依赖，记作X Y。 若XY，但Y不完全函数依赖于X，则称Y对X部分函数依赖，记作X Y,F,P,完全函数依赖与部分函数依赖（续）,例 在关系SC(Sno, Cno, Grade)中，有： 由于：Sno Grade，Cno Grade， 因此：(Sno, Cno) Grade (Sno, Cno)Sno (Sno, Cno) Cno,F,P,P,

11、4. 传递函数依赖,定义6.3 在R(U)中，如果XY(YX)，YX，YZ，ZY, 则称Z对X传递函数依赖(transitive functional dependency)。记为：X Z。 注: 如果YX, 即XY，则Z直接依赖于X，而不是传递函数依赖。 例 在关系Std(Sno, Sdept, Mname)中，有： Sno Sdept，Sdept Mname， Mname传递函数依赖于Sno,传递,6.2 规范化,6.2.1 函数依赖 6.2.2 码 6.2.3 范式 6.2.4 2NF 6.2.5 3NF 6.2.6 BCNF 6.2.7 多值依赖 6.2.8 4NF 6.2.9 规范化

12、小结,6.2.2 码,定义6.4 设K为R中的属性或属性组合。若K U，则K称为R的一个候选码(Candidate Key)。 如果U部分函数依赖于K，即K U,则K称为超码 （Surpkey）。候选码是最小的超码，即K的任意一个真子集都不是候选码。 若关系模式R有多个候选码，则选定其中的一个做为主码(Primary key)。,F,P,码（续）,主属性与非主属性 包含在任何一个候选码中的属性 ，称为主属性 （Prime attribute） 不包含在任何码中的属性称为非主属性（Nonprime attribute）或非码属性（Non-key attribute） 全码：整个属性组是码，称为全

13、码（All-key）,码（续）,例6.2S(Sno, Sdept, Sage)，单个属性Sno是码 SC(Sno, Cno, Grade)中，(Sno, Cno)是码 例6.3 R(P,W,A) P：演奏者 W：作品 A：听众 一个演奏者可以演奏多个作品 某一作品可被多个演奏者演奏 听众可以欣赏不同演奏者的不同作品 码为(P,W,A)，即All-Key,码（续）,定义6.5 关系模式 R中属性或属性组X 并非 R的码，但 X 是另一个关系模式的码，则称 X 是R 的外部码（Foreign key）也称外码。 SC(Sno,Cno,Grade)中，Sno不是码 Sno是 S(Sno,Sdept,

14、Sage)的码，则Sno是SC的外码 主码与外部码一起提供了表示关系间联系的手段,6.2 规范化,6.2.1 函数依赖 6.2.2 码 6.2.3 范式 6.2.4 2NF 6.2.5 3NF 6.2.6 BCNF 6.2.7 多值依赖 6.2.8 4NF 6.2.9 规范化小结,6.2.3 范式,范式是符合某一种级别的关系模式的集合。 关系数据库中的关系必须满足一定的要求。满足 不同程度要求的为不同范式。 范式的种类：,范式（续）,各种范式之间存在联系： 某一关系模式R为第n范式，可简记为RnNF。,一个低一级范式的关系模式，通过模式分解（schema decomposition）可以转换为

15、若干个高一级范式的关系模式的集合，这种过程就叫规范化（normalization）。,6.2 规范化,6.2.1 函数依赖 6.2.2 码 6.2.3 范式 6.2.4 2NF 6.2.5 3NF 6.2.6 BCNF 6.2.7 多值依赖 6.2.8 4NF 6.2.9 规范化小结,6.2.4 2NF,定义6.6 若关系模式R1NF，并且每一个非主属性都完全函数依赖于任何一个候选码，则R2NF 例6.4 S-L-C(Sno,Sdept,Sloc,Cno,Grade)， Sloc为学生的住处，并且每个系的学生住在同一个地方。S-L-C的码为(Sno,Cno)。 函数依赖有 (Sno,Cno)G

16、rade SnoSdept, (Sno,Cno)Sdept SnoSloc, (Sno,Cno)Sloc SdeptSloc,F,P,P,2NF（续）,关系模式S-L-C不属于2NF,非主属性Sdept、Sloc并不完全依赖于码,2NF（续）,一个关系模式不属于2NF，会产生以下问题： 插入异常 如果插入一个新学生，但该生未选课，即该生无Cno，由于插入元组时，必须给定码值，因此插入失败。 删除异常 如果S4只选了一门课C3，现在他不再选这门课，则删除C3后，整个元组的其他信息也被删除了。 修改复杂 如果一个学生选了多门课，则Sdept，Sloc被存储了多次。如果该生转系，则需要修改所有相关的Sdept和Sloc，造成修改的复杂化。,2NF（续）,出现这种问题的原因