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1、关系数据库是采用关系模型作为数据组织方式的数据库。关系数据库是应用数学的方法来处理数据库中的数据，也就是说它是建立在严格的数学理论基础之上的。目前广泛使用的数据库软件基本上都是基于关系模型的关系数据库管理系统，例如SQL Server 2000/2005、Oracle、Sybase、Informix、DB2等，都是典型的关系数据库管理系统。 本章主要介绍关系数据库的基本概念、基本操作，关系的完整性、优化以及规范化，以及现在流行的关系数据库产品简介。,第3章 关系数据库,3.1 关系模型的基本概念 3.2 关系代数 3.3 规范化 3.4 关系数据库系统的查询优化 3.5 常用关系数据库管理系统
2、介绍,第3章 关系数据库,关系数据库是支持关系模型的数据库系统，应用数学的方法 来处理数据库中的数据。 关系模型由关系数据结构、关系操作集合和关系完整性约束 三部分组成。,3.1 关系模型的基本概念,3.1.1 关系的数学定义 【定义1】域（Domain）是一组具有相同数据类型的值的集合。 【定义2】设D1，D2，Dn为任意域，定义D1，D2，Dn的笛卡尔积（Cartesian Product）为： 【定义3】D1D2Dn的任意一个子集叫做D1D2Dn上的一个关系（Relation），用R(D1D2Dn)表示。这里R表示关系名，n表示关系的目或度（Degree）。,3.1 关系模型的基本概念,
3、关系具有以下性质： 1) 列是同质的，即每一列中的分量是同一类型的数据，来自同一个域。 2) 不同的列可以出自同一个域，每一列称为一个属性。在同一关系中，属性名不能相同。 3) 列的顺序无关紧要，即列的顺序可以任意转换。 4) 任意两个元组（行或记录）不能完全相同 5) 行的顺序也无关紧要，即行的顺序也可以任意转换。 6) 行列的交集称为分量，每个分量的取值必须是原子值，即分量不能再分。,3.1 关系模型的基本概念,3.1.2 关系模型 基于关系模型的关系数据库需要区分值和型，关系是值，关系模式是型。关系模型由三部分组成：关系数据结构、关系操作和关系的完整性。 1. 关系 在关系模型中主要涉及
4、的概念有码、关系模式、关系数据库。 (1) 码 码是指关系中某一属性组。 (2) 关系模式 关系的描述称为关系模式。 【定义4】关系的描述称为关系模式（Relation Schema）。它可以形式化地表示为：,3.1 关系模型的基本概念,(3) 关系数据库 在一个给定的领域中，实体以及实体之间的联系的集合构成 了一个关系数据库。对于关系数据库也要区分型和值的概念。 关系数据库的型是指对关系数据库的描述，它包括若干域的 定义，以及在这些域上定义的若干关系模式。关系数据库的 值是这些关系模式在某一时刻对应的关系的集合。,3.1 关系模型的基本概念,2. 关系操作 关系模型给出了关系操作的能力和特点
5、，但不对DBMS的语言给出具体的语法要求。关系操作采用集合操作方式，即操作的对象和结构都是集合。这种操作方式也称为一次一集合（set-at-time）的方式。 关系模型中常用的关系操作包括：选择（Select）、投影（Project）、连接（Join）、除（Divide）、并（Union）、交（Intersection）、差（Difference）等查询（Query）操作和增加（Insert）、删除（Delete）、修改（Update）操作。其中查询的表达能力是其最主要的部分。,3.1 关系模型的基本概念,3. 关系的完整性 关系模型提供了丰富的完整性控制机制，允许定义三类完整性约束：实体完整
6、性、参照完整性和用户定义的完整性。 (1) 实体完整性 【规则1】若属性（或属性组）A是基本关系R的主属性，则属性A不能取空值。 (2) 参照完整性 【规则2】若属性（或属性组）A不是基本关系R的主码，它与基本关系S的主码B相对应（基本关系R和关系S不一定是不同的关系），称A是关系S的外（部）码（Foreign Key）。则对于R中的每个元组在A上的值必须为：或者取空值，或者等于S的主码B的某个元组的主码值。 参照完整性是指一个关系中外码的码值必须是相应数据库中其他关系的主码值之一，或为空，即用来定义外码与主码之间引用规则的。 (3) 用户定义的完整性 不同的关系数据库系统根据其应用环境的不同
7、，往往还需要一些特殊的约束条件，而用户定义的完整性就是针对某一具体关系数据库的约束条件。,3.1 关系模型的基本概念,关系代数是关系操作的理论基础，是关系数据操作的传统方式。关系代 数是一种抽象的查询语言，是关系数据操作语言的一种传统表达方式， 它是用对关系的运算来表达查询的。 1. 关系代数的运算 (1) 传统的集合运算 (2) 专门的关系运算 2. 关系代数用到的运算符 关系代数的运算对象是关系（或表），运算结果也是关系（或表）。 关系代数用到的运算符有： 1) 集合运算符：（并），（差），（交），（广义笛卡尔积）。 2) 专门的关系运算符：（选择），（投影），（连接），（除）。 3) 算
8、术比较符：= ，=， 4) 逻辑运算符：(非)，（与），（或）,3.2 关系代数,3.2.1 传统的集合运算 传统的集合运算包括并、差、交、广义笛卡尔积四种运算。它们都是二目运算，即集合运算符两边都必须有运算对象。 1. 并（Union） 其结果仍为n目关系，由属于R或属于S的元组组成。 2. 差（Difference） 其结果关系仍为n目关系，由属于R而不属于S的所有元组组成。 3. 交（Intersection） 其结果关系仍为n目关系，由既属于R又属于S的元组组成。,3.2 关系代数,4. 广义笛卡尔积（Extended Cartesian Product） 两个分别为n目和m目的关系R
9、和S的广义笛卡尔积是一个（n+m）列的元组的集合。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。若R有k1个元组，S有k2个元组，则关系R和关系S的广义笛卡尔积有k1k2个元组。记作：,3.2 关系代数,3.2.2 专门的关系运算 1. 选择（Selection） 选择是在关系R中选择满足给定条件的诸元组，记作： 其中F表示选择条件，F中可以使用逻辑运算符，也可以使用比较运算符。选择运算实际上是从关系R中选取使逻辑表达式F为真的元组。这是从行（记录）的角度来进行的运算。 2. 投影（Projection) 关系R上的投影是从R中选择出若干属性列组成新的关系。记作： 其中A为R中的属
10、性列。投影操作是从列（属性）的角度进行的运算。投影操作是从列的角度进行的运算。,3.2 关系代数,3. 连接（Join） 连接从两个关系的笛卡尔积中选取属性间满足一定条件的元组。记作： 其中A和B分别为R和S上度数相等且可比的属性组。是比较运算符。连接运算从R和S的广义笛卡尔积RS中选取（R关系）在A属性组上的值与(S关系)在B属性组上值满足比较关系的元组。 4 除（Division) 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的象集包含S在Y上投影的集合。,3.2 关系代数,规范化是在关系（表）的逻辑结构设计过程中，要求尽可
11、能 地降低或消除数据库中冗余数据的过程。 范式的种类 所谓第几范式是指一个关系模式按照规范化理论设计，符合哪一级别的要求。 2. 范式的之间的关系及规范化,3.3 规范化,3.3.1 函数依赖 函数依赖（Functional DePendency）是关系模式中各个属性之间的一种依赖关系，是规范化理论中一个最重要最基本的概念。 【定义5】设R(U)是属性集U上的关系模式，X和Y均为U的子集。如果R(U)的任意一个可能的关系r都存在着，对于X的每一个具体值，Y都有惟一的具体值与之对应，则称X函数决定Y，或Y函数依赖于X，记为： X Y。称X为决定因素，Y是依赖因素。 【定义6】在R（U）中，如果X
12、Y，并且对于X的任何一个真子集X，都有XY，则称Y对X完全函数依赖，记作： X Y 【定义7】在R(U)中，如果XY，(Y不属于X)，Y X，YZ，则称Z对X传递函致依赖。,3.3 规范化,3.3.2 范式 1. 第一范式 第一范式是关系模式满足所要遵循的最基本的条件，是所有范式的基础，即关系中的每个属性必须是不可再分的原子项，不能是属性组合。 【定义8】如果关系模式R，其所有的属性均为简单属性，即每个属性都是不可再分的，则称R属于第一范式（First Normal Form），简称为1NF，记作REINF。不满足第一范式条件的关系模式称之为非规范化关系。,3.3 规范化,2. 第二范式 【定
13、义9】设有关系模式R是属于1NF的关系模式，如果它的所有非主属性都完全函数依赖于码，则称R是第二范式的关系模式，记为R2NF。 3. 第三范式 【定义10】关系模式R中若不存在这样的码X，属性组Y及非主属性Z（Z不是Y的子集），使得XY，(YX)YZ成立，则称R3NF。由定义可以证明，若R3NF，则每一个非主属性既不部分依赖于码也不传递依赖于码。 4. BCNF 【定义11】关系模式R是1NF，若XY，且Y不是X的子集时，X必含有码，那么称R是BCNF的模式。如果数据库模式中每个关系模式都属于BCNF，则称为BCNF的数据库模式。,3.3 规范化,5. 第四范式 【定义12】关系模式 ，如果对
14、于R的每个非平凡多值依赖 ，X都含有码，则称 。 关系规范化理论为数据库的逻辑结构设计提供了理论指南和 工具，但这些指南和工具在实际应用环境和现实世界具体实 施数据库设计时应灵活掌握，关系的规范化程度越高，意味 着关系的规范级别也越高，要求也越严格。,3.3 规范化,3.4.1 全关系系统的十二条基本准则 全关系型的系统应该完全地支持关系模型的所有特征，这是个原则。 【准则0】一个关系型的DBMS必须能完全通过它的关系能力来管理数据库。 【准则1】信息准则。关系型DBMS 的所有信息都应在逻辑一级上用一种方法即表中的值显式地表示。 【准则2】保证访问准则。依靠表名、主码和列名的组合保证能以逻辑
15、方式访问关系致据库中的每个数据项。 【准则3】空值的系统化处理。全关系型的DBMS应支持空值的概念，并用系统化的方式处理空值。 【准则4】基于关系模型的动态的联机数据字典。 【准则5】统一的数据子语言准则。,3.4 关系数据库系统的查询优化,【准则6】视图更新准则 【准则7】高级的插入、修改和删除操作关系系统的操作对象是单一的关系。 【准则8】数据物理独立性。 【准则9】数据逻辑独立性。 【准则10】数据完整性的独立性。 【准则11】分布独立性。 【准则12】无破坏准则。,3.4 关系数据库系统的查询优化,3.4.2 查询优化的准则 1) 选择运算尽早进行。 2) 合并笛卡尔乘积与其后的选择运
16、算为连接运算。 3) 把投影运算和选择运算同时进行。 4) 把投影运算与其后的其他运算同时进行，以避免重复多次扫描文件。 5) 事先处理文件。 6) 存储公用的子表达式。,3.4 关系数据库系统的查询优化,现今数据库用户使用的关系型数据库管理系统主要有：SQL Server、ORACLE、SYBASE、INFORMIX和DB2等。 由于现在绝大多数计算机上安装的是Windows操作系统， 而且普通的计算机用户日常接触的计算机也一般都是PC机， 所以本书主要讲解的DBMS是Microsoft的SQL Server 2005。由于Microsoft在操作系统和配套软件方面处于绝对 垄断地位，使的读者在学习数据库管理系统时便于使用，便 于开发。,3.5 常用关系数据库管理系统介绍,
