第1章可编程逻辑器件概述

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1、第第1章章 数据库基础数据库基础第1章 数据库基础1.1 概 述1.2 数据模型1.3 关系模型1.4 关系数据库1.5 关系数据库的设计1.6 关系数据库规范化1.7 小结 1.3关系模型关系模型在关系模型中，现实世界中的实体以及实体间的各种联系均可用关系来表示。与其他的数据模型相同，关系模型也是由数据结构、数据数据结构、数据操作和完整性约束操作和完整性约束三要素组成，下面就关系模型的三要素作简要介绍。表表1-2 关系模型的数据结构关系模型的数据结构1.3.1数据结构1.直观意义下理解关系模型的数据结构直观意义下理解关系模型的数据结构 研究对象的数据结构就是研究对象的数据结构就是二维表二维表

2、。 确定一个二维表的结构就是要确定以下两个内容。确定一个二维表的结构就是要确定以下两个内容。（1 1）列的组成列的组成以及以及每一列的数据类型每一列的数据类型；（2 2）能）能唯一确定行唯一确定行的一个列或组合列（的一个列或组合列（候选码或称键）这些列值能唯一确定表中的一行。这些列值能唯一确定表中的一行。候选码的唯一性。候选码的唯一性。去掉任何一个列，剩下的列的列值不能唯一确定表中去掉任何一个列，剩下的列的列值不能唯一确定表中一行。一行。候选码的最小性。候选码的最小性。1.3.1数据结构2.数学上的严格定义的关系模型数据结构（1）域 一组具有相同数据类型一组具有相同数据类型的值的集合。（2）笛

3、卡儿积 两个或两个以上域进行的一种运算，运算结果仍为一个集合，具体定义为： 给定一组域D1，D2，Dn，这些域的笛卡儿积为集合：（d1，d2，dn）diDi，1in，记为D1D2Dn。 参与笛卡儿积运算的各个域中值的每一个组合都是笛卡儿积的成员，组合的全体构成笛卡儿积。 若笛卡儿积中各个域的元素均可数，分别为M1，M2，Mn，则笛卡儿积的元素个数为M1M2Mn。 一般讲，在具体的应用问题中，有具体含义具体含义的域的笛卡儿积是没有意义的， 如两个域姓名D1李小亮，王丽娟， 性别D2男，女， 则D1D2李小亮，男，李小亮，女，王丽娟，男，王丽娟，女，没有任何意义， 子集李小亮，男，王丽娟，女，反映

4、了姓名D1和性别D2的关系。1.3.1数据结构（3）关系 一个关系就是一张二维表二维表，通常将一个没有重复行、没有重复行、重复列的二维表重复列的二维表看成一个关系，每个关系都有一个关系名关系名。 一般表示形式： 关系名（属性1，属性2，属性n）（4）属性 二维表的每一列在关系中称为属性(Attribute)，每个属性都有一个属性名，各个属性的取值称为属性值。每个属性有一定的取值范围，称为值域。学生登记表学生登记表属性属性(列列)和属性名和属性名码值域（值域（15=年龄年龄=30）关系模型示例关系模型示例（5）元组 二维表的每一行在关系中称为元组(Tuple)。 一行描述了现实世界中的一个实体，

5、或者描述了不同实体间的一种联系。关系元组(行)关系名学生关系模式(行定义)关系模型示例元组与关系因此，关系模型的数据结构，从最直观的角度理解就是二维表，从数学角度理解就是笛卡儿积的一个子集笛卡儿积的一个子集。从其反映的内容来看，其本质是表达了各个域的取值关系，所以也称为关系。1.3.2.数据操作关系数据模型的操作的特点在于：操作对象和操作结果都是关系，即关系模型中的操作是集合操作。它是若干元组的集合，而不像非关系模型中那样是单记录的操作方式，这种操作的方式称为一次一集合的方式。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(

6、Union)、交(Intersection)、差(Difference)等查询(Query) 操作和增加(Insert)、删除(Delete)、修改(Update)操作。1.3.3.完整性约束完整性约束是一组完整的数据约束规则，它规定了数据模型中的数据必须符合的条件，对数据作任何操作时都必须保证制。关系的完整性约束条件包括三大类： 实体完整性、 参照完整性、 用户定义的完整性。1.1.避免出现重复行避免出现重复行实体完整性实体完整性在具体的RDBMS中，实体完整性应变为： 任一关系候选码之中的属性不能为空。用户在创建关系模式中说明了主关键字，系统才会自动进行这项检查，否则它是不强制的。2.2.

7、表之间的数据一致性表之间的数据一致性参照完整性参照完整性参照完整性约束就是不同关系之间或同一关系的不同元组必须满足的约束。它要求关系的外部关键字和被引用关系的主关键字之间遵循参照完整性约束：设关系R有一外部关键字FK，它引用关系S的主关键字PK，则R中任一元组在外部关键字FK上的分量必须满足以下两种情况：(1)等于S中某一元组在主关键字PK上的分量；(2)取空值（FK中的每一个属性的分量都是空值）。学生（主表）成绩（从表）主键外键两表的关联主表与从表主表与从表3.3.表中数据的合理性和有效性表中数据的合理性和有效性用户自定义完整用户自定义完整性性对某一具体关系数据库的约束条件，它反映了某一具体

8、应用所涉及的数据必须满足的语义要求。例如在职教师年龄不能大于60岁，成绩只能在0100之间等。这些约束条件需要用户自己来定义，故称为用户自定义完整性约束。第1章 数据库基础1.1 概 述1.2 数据模型1.3 关系模型1.4 关系数据库1.5 关系数据库的设计1.6 关系数据库规范化1.7 小结 1.4关系数据库关系数据库关系数据库，是建立在关系数据库模型基础上的数据库，一些相关的二维表和其他数据库对象的集合。即：l关系数据库中的所有信息都存储在二维表格中；l 一个关系数据库可能包含多个表；l 关系数据库还包含一些其他对象，如视图等。1.4.1关系模式关系的描述称为关系模式（Relation

9、Schema）。包括关系的关系名及其全部的属性名的集合，属性向域的映像，属性间数据依赖关系的集合等。因此，完整的关系模式应当是一个5元组，它的数学定义为：R（U、D、dom、F）其中：R为关系模式名，U为组成该关系的属性名的集合，D为属性组U中属性所来自的域的集合，dom为属性向域映像的集合，F为属性间函数依赖关系的集合。1.4.2关系数据库在关系模型中，实体以及实体间的联系都是用关系来表示的，例如：教师实体、学生实体，教师任课，学生选课之间的多对多的联系都可以分别用一个关系来表示。以医院信息管理系统数据库为例，就包含下面几个关系：科室（科名，科地址，科电话）病房（病房号，床位号，科室名）医生

10、（工作证号，姓名，职称，科室名，年龄）病人（病历号，姓名，性别，诊治，主管医生，病房号）第1章 数据库基础1.1 概 述1.2 数据模型1.3 关系模型1.4 关系数据库1.5 关系数据库的设计1.6 关系数据库规范化1.7 小结 1.5关系数据库的设计关系数据库的设计数据库设计，是指根据一个组织的信息需求、处理需求和相应的数据库支撑环境（主要是数据库管理系统DBMS），设计出数据库，包括概念结构、逻辑结构和物理结构。其成果主要是数据库，不包括应用系统。 1.5.1数据库设计概述数据库的设计按规范化设计方法，划分为五个阶段(图1-13)，每个阶段有相应的成果：需求分析概念结构设计逻辑结构设计物

11、理结构设计实施和维护1.5.1数据库设计概述需求分析概念结构设计逻辑结构设计物理结构设计实施和维护需求说明概念模型逻辑模型物理模式数据库图1-13数据库设计步骤设计阶段段设计描述描述数据数据处理理需求分析需求分析数据字典、数据数据字典、数据项、数据流、数据流、数据存数据存储的描述的描述数据流数据流图和判定和判定树、数据字、数据字典中典中处理理过程的描述程的描述概念概念结构构设计概念模型概念模型( (E-RE-R图) )、数据字典、数据字典系系统说明明书 ( (系系统要求、方要求、方案、概案、概图、数据流、数据流图) )逻辑结构构设计某种数据模型某种数据模型( (如关系如关系) )系系统结构构图

12、( (模模块结构构) )物理物理设计存存储安排、方法安排、方法选择、存取、存取路径建立路径建立模模块设计实施施阶段段编写模式、装入数据、数据写模式、装入数据、数据库试运行运行程序程序编码、编译联结、测试运行运行维护性能性能监测、转储/ /恢复、数据恢复、数据库重重组和重构和重构新旧系新旧系统转换、运行、运行、维护1.5.2 概念模型向关系模型转换概念模型向关系数据模型的转化就是将用将用E-R图表示的实图表示的实体、实体属性和实体联系转化为关系模式体、实体属性和实体联系转化为关系模式。 具体而言就是转化为选定的DBMS支持的数据库对象。E-R模型向关系模型的转换规则如下：（1）一个实体型转换为一

13、个关系模式， 实体的属性就是关系的属性， 实体的码就是关系的码。 例：例如对于图2-3所示的学生实体，应将其转化为关系： 学生(学号,姓名,民族,籍贯)其中下划线标注的属性表示关键字。学学 号号民民 族族籍籍 贯贯姓姓 名名学学 生生图图1-14 学生实体的学生实体的E-R图图（2）1:1联系到关系模型的转化 各自增加对方的关键字作为外部关键字11经经 理理公公 司司领领 导导姓姓 名名住住 址址出生年出生年月月电电 话话民民 族族名名 称称电电 话话类类 型型注册地注册地图图1-15 1:1 联系到关系模型的转化联系到关系模型的转化对图1-15模型转化为关系模型：经理(姓名姓名,民族,住址,

14、出生年月,电话,名称)公司(名称名称,注册地,类型,电话,姓名)其中名称和姓名分别是“公司”和“经理”两个关系模式的关键字，在“经理”和“公司”两个关系中，为了表明两者间的联系，各自增加了对方的关键字作为外部关键字，当两个表中出现下面的元组时，表明了张小辉是京广实业公司的经理。(张小辉,汉,北京前门大街156号,48,68705633,京广实业公司)(京广实业公司,北京复兴门外大街278号,有限责任,65783265,张小辉)（3）1:n联系到关系模型的转化要转化1:n联系，需要在n方(即1对多关系的多方)实体表中增加一个属性，将对方的关键字作为外部关键字处理即可。1n学学 生生班班 级级属属

15、 于于姓姓 名名学学 号号民民 族族出生年出生年月月名名 称称班班 号号系系年年 级级专专 业业图图1-16 1:n关系到关系模型的转化关系到关系模型的转化如图1-16所示，“班级”与“学生”的联系是1:n的联系，学生方是n方，对图1-16进行转化，得到关系模型：学生(学号,姓名,民族,出生年月,班号)班级(班号,名称,年级,系,专业)在学生表中增加“班级”中的关键字“班号”作为外部关键字。（4）m:n联系到关系模型的转化一个m:n联系要单独建立一个关系模式，分别用两个实体的关键字作为外部关键字。学学 习习mn学学 生生学学 号号姓姓 名名出生年出生年月月民民 族族课程号课程号课程名课程名学时

16、数学时数课程课程成绩成绩图图1-17 m:n关系到关系模型的转化关系到关系模型的转化 图1-17描述的学生与课程的联系是m:n联系，将E-R图转化为3个关系：学生(学号，姓名，民族，出生年月)课程(课程号，课程名，学时数)学习(学号，课程号，成绩)（5）3个以上实体间的一个多元联系可以转换为一个独立的关系模式，与该联系相连的各实体的码及联系本身的属性均转换为关系的属性，而关系的码为各实体码的组合。第1章 数据库基础1.1 概 述1.2 数据模型1.3 关系模型1.4 关系数据库1.5 关系数据库的设计1.6 关系数据库规范化1.7 小结 1.6关系数据库规范化关系数据库规范化规范化是规范化是降

17、低和消除数据库中冗余数据降低和消除数据库中冗余数据的过程。的过程。冗余度低的数据库容易维护数据的完整性，并且可以解决数冗余度低的数据库容易维护数据的完整性，并且可以解决数据的插入、更新、删除异常。据的插入、更新、删除异常。u引例：表1-9关系模型存在如下4方面的问题。插入异常:删除异常:数据冗余与更新异常表表表表 1-9 1-9 一个不好的关系模式一个不好的关系模式一个不好的关系模式一个不好的关系模式学号学号姓名姓名性别性别出生日期出生日期课程名课程名教师姓名教师姓名成绩成绩教师部门教师部门200712110101陈琛军陈琛军男男1986-7-19大学语文大学语文李小亮李小亮45中文系中文系2

18、00712110101陈琛军陈琛军男男1986-7-19计算机专业英语计算机专业英语韩晓丽韩晓丽68外国语系外国语系200712110101陈琛军陈琛军男男1986-7-19Delphi应用程序设计应用程序设计蒋秀英蒋秀英63计算机科学系计算机科学系200712110101陈琛军陈琛军男男1986-7-19操作系统操作系统吕加国吕加国78计算机科学系计算机科学系200712110101陈琛军陈琛军男男1986-7-19编译原理编译原理迟庆云迟庆云60计算机科学系计算机科学系200712110101陈琛军陈琛军男男1986-7-19马克思主义基本原理马克思主义基本原理张丽英张丽英80政治与历史系

19、政治与历史系200712110145韩小林小林男男1989-7-18中国近中国近现代史代史纲要要王王丽娟娟60政治与政治与历史系史系将教学管理关系分解为三个关系模式来表示：学生基本信息、教师任课信息、学生成绩，分解后的部分数据:学号姓名性别出生日期200712110101陈琛军男1986-7-19200712110103崔衍丽女1987-7-11200712110104冬晓超男1986-12-2200712110105甘明男1986-7-13200712110106葛瑞真男1988-5-14200712110145韩小林男1989-7-18表表1-10 学生信息学生信息表表1-11 教师任课信

20、息教师任课信息课程名教师姓名教师部门大学语文李小亮中文系计算机专业英语韩晓丽外国语系Delphi应用程序设计蒋秀英计算机科学技术系操作系统吕加国计算机科学技术系编译原理迟庆云计算机科学技术系马克思主义基本原理张丽英政治与历史系中国近现代史纲要王丽娟政治与历史系学号学号课程名课程名成绩成绩200712110101大学语文大学语文45200712110101计算机专业英语计算机专业英语68200712110101Delphi应用程序设计应用程序设计63200712110101操作系统操作系统78200712110145马克思主克思主义基本原理基本原理81200712110145中国近中国近现代史代

21、史纲要要60表1-12 学生成绩一、函数依赖的基本概念定定义义1 设R(U)是一个关系模式，U是R的属性集合，X和Y是U的子集。对于R(U)的任意一个可能的关系r， X X的每一个值的每一个值，都有Y Y的唯一值的唯一值与之相对应，则称：X函数决定函数决定Y，或Y函数依赖X。记作XYXY。 否则，记作XY称为X不能函数决定不能函数决定Y。当XY成立时，则称X为决定因素（Determinant），称Y为依赖因素（Dependent）。如果XY，且YX，则记其为XY。例: Student(Sno, Sname, Ssex, Sage, Sdept) 假设不允许重名，则有:Sno Ssex， Sno

22、 Sage , Sno Sdept， Sno Sname, Sname Ssex， Sname SageSname Sdept但Ssex Sage定义2 R，X，Y如定义1所设，如果XY成立，但对X的任意真子集X1，都有X1Y不成立，称Y完全函数依赖于X，记为X f Y否则，称Y部分函数依赖于X。记为X pYu例例: : 在关系在关系SC(Sno, Cno, Grade)SC(Sno, Cno, Grade)中，中， 由于：由于：Sno GradeSno Grade，Cno GradeCno Grade， 因此：因此：(Sno, Cno) (Sno, Cno) f GradeGrade Sno

23、 Sno p GradeGradeu例: 在关系Std(Sno, Sdept, Mname)中，有：Sno Sdept，Sdept Mname Mname传递函数依赖于Sno定义3 设X，Y，Z是关系模式R的不同属性集，若XY(并且YX不成立)，YZ，称X传递决定Z，或称Z传递函数依赖于X。记为X 传递传递 Z二、关系的规范化 关系模式的规范化设计要解决的问题：什么样的关系模式才不会出现数据的异常现象？满足一定规范化程度的关系模式才是合理需要的关系模式。v候选键和主键候选键和主键设K是关系模式R（U，F）中的属性或属性组。若K f U，则K为R的候选键（Candidate Key）若候选键多于

24、一个，则选其中的一个为主键为主键（Primary Key）v外键：外键：设有两个关系R和S，X是R的属性或属性组，并且X不是R的键，但X是S的键（或与S的键意义相同），则称X是R的外部键（Foreign Key），简称外键或外码。1. 主属性与非主属性主属性与非主属性2、范式定义范式（范式（NFNF）是）是符合某一种级别的关系模式的集合符合某一种级别的关系模式的集合。5NF5NF 4NF4NF BCNFBCNF 3NF3NF 2NF2NF 1NF1NF若若R(UR(U，F)F)符合符合x x范式的要求，则称范式的要求，则称R R为为x x范式，记作：范式，记作：R R xNFxNF1NF 2N

25、F 3NF4NFBCNF5NF3、 第第1范式范式定义定义定义定义4 4 当关系模式R的所有属性都不能分解为更基本的数据单位时，称R是满足第1范式的，简记为R 1NF不满足不满足1NF的数据库模式的数据库模式不能不能称为称为关系数据库关系数据库满足满足1NF的数据库的数据库并不一定并不一定是一个是一个好的关系模好的关系模式式第1范式例：SLC (Sno，Sdept，Sloc，Cno，Grade) 1NF，表示学生(学号,系名,住处,课号,分数) ，Sloc为学生住处，假设每个系的学生住在同一个地方。但存在下列问题：插入异常：若学生没有选课，则他的个人信息及所在系的信息就无法插入删除异常：若删除

26、学生的选课信息，则有关他的个人信息及所在系的信息也随之删除了更新异常：如果学生转系，若他选修了k门课，则需要修改k条记录数据冗余：如果一个学生选修了k门课，则有关他的所在系的信息重复。4. 第第2范式范式消除部分函数依赖消除部分函数依赖 定义定义5 如果关系模式R满足第满足第1范式范式，并且R的所有非主属性都完全依赖于R的每一个候选关键属性，称R满足第2范式，简记为2NF。例：将属于第一范式的SLC进行投影分解，消除其中的部分函数依赖，就可达到第二范式。 SC(Sno, Cno, Grade) 2NF SL(Sno, Sdept, Sloc) 2NFSLC (Sno，Sdept，Sloc，Cn

27、o，Grade) 1NF2NF的SL（Sno,Sdept,Sloc）仍存在问题： （1）插入异常：如果某个系统刚成立，目前没有在校学生，则无法插入这个系的信息。 （2）删除异常：如果某个系的学生全毕业了，删除学生的同时，将系的信息也删掉了。 （3）数据冗余大：每个系的学生住在同一个地方，关于系的住处的信息被重复存放。 问题所在： SnoSdept， Sdept Sloc ， 则： SnoSloc SL中的Sloc传递函数依赖Sno。 5. 第第3范式范式消除传递依赖消除传递依赖定义定义6 设R是一个满足第1范式条件的关系模式，X是R的任意属性集，如果X非传递依赖于R的任意一个候选关键字，称R满

28、足第3范式，简记为3NF。定理定理 若关系模式R符合3NF条件，则R一定符合2NF条件。例：将属于第二范式的例：将属于第二范式的SLSL进行投影分解，消除其中进行投影分解，消除其中的传递函数依赖的传递函数依赖, , 就可达到第三范式。就可达到第三范式。 SD(Sno, Sdept) 3NFSD(Sno, Sdept) 3NF DL(Sdept, Sloc) 3NF DL(Sdept, Sloc) 3NF6. Boyce-Codd范式范式定义7 设R是一个关系模式，若R的每一个函数依赖关系的左每一个函数依赖关系的左部部都是R的一个候选关键字候选关键字，称R满足Boyce-Codd范式，简记为BC

29、NF。可以证明，BCNF是比3NF更强的规范(证明略)，即符合BCNF条件的关系模式一定符合3NF条件，但反过来却不成立。 BCNF是对3NF的改进，但是在具体实现时有时是有问题的。这里不再就这个问题展开进一步的讨论，有兴趣的读者可以参考有关书籍。 （1）规范化的目的）规范化的目的 解决解决 数据冗余、插入异常、删除异常、修改困难数据冗余、插入异常、删除异常、修改困难 等问题等问题7、范式小结、范式小结（2）规范化的基本思想）规范化的基本思想 逐步逐步消除不合适的数据依赖消除不合适的数据依赖， 让一个关系描述一个概念、一个实体或实体间的一种联让一个关系描述一个概念、一个实体或实体间的一种联系。

30、即系。即“一事一地一事一地”的模式设计原则。的模式设计原则。1、数据库设计的任务和目标、数据库设计的任务和目标 一个成功的管理系统一个成功的管理系统 =%50的业务的业务+%50的软件的软件%50的成功软件的成功软件=%25的数据库设计的数据库设计+%25的程序的程序数据库设计的任务数据库设计的任务 狭义上讲，就是对狭义上讲，就是对某个给定的应用领域，设计优化的数据某个给定的应用领域，设计优化的数据库逻辑结构和物理结构，并建立数据库库逻辑结构和物理结构，并建立数据库 。 广义上讲数据库设计包括广义上讲数据库设计包括数据库结构的设计数据库结构的设计和和行为设计行为设计。 三、三、 数据库的设计方

31、法数据库的设计方法数据库设计的目标数据库设计的目标 创建一个完整的、尽可能规范化的和完全集成的概念、创建一个完整的、尽可能规范化的和完全集成的概念、逻辑和物理数据库模型。具体要达到以下要求：逻辑和物理数据库模型。具体要达到以下要求： 减少有害的数据冗余，提高共享程序；减少有害的数据冗余，提高共享程序； 消除异常插入、删除；消除异常插入、删除； 保存数据的独立性，可修改，可扩充；保存数据的独立性，可修改，可扩充； 访问数据库的时间要短；访问数据库的时间要短； 数据库的存储空间要小；数据库的存储空间要小； 要保证数据的安全性和保密性；要保证数据的安全性和保密性； 易于维护。易于维护。数据库设计的特

32、点数据库设计的特点 三分技术三分技术,七分管理七分管理,十二分数据十二分数据 数据库的建设中不仅涉及数据库的设计和开发等数据库的建设中不仅涉及数据库的设计和开发等技术技术， 也涉及也涉及管理管理问题。包括项目管理、与该项目关联的企业的问题。包括项目管理、与该项目关联的企业的业务管理。业务管理。 基础数据的基础数据的收集、整理收集、整理是非常繁琐吃力的事是非常繁琐吃力的事 。第1章 数据库基础1.1 概 述1.2 数据模型1.3 关系模型1.4 关系数据库1.5 关系数据库的设计1.6 关系数据库规范化1.7 小结 1.7小结小结本章概述数据库的基本概念，并通过对数据管理技术发展的三个阶段的介绍

33、，阐述了数据库技术产生和发展的背景，也说明了数据库系统的优点。（1）数据模型是数据库系统的核心和基础。本章介绍了组成数据模型的三个要素和概念模型。概念模型也称信息模型，用于信息世界的建模，E-R模型是这类模型的典型代表。在E-R模型图中，实体用矩形框表示，实体的属性用椭圆表示，它们之间的联系用菱形框表示，在实体和联系之间用无向边连接起来，无向边带有“1”、“N”或“M”等值，用来表示联系的性质，即表示实体之间的联系是一对一、一对多或多对多等关系。1.7小结小结（2）数据模型的发展经历了非关系化模型（层次模型、网状模型）、关系模型，正在走向面向对象模型。关系数据模型的数据结构是二维表，基本概念包括：关系、关系模式、属性、域、元组、分量、关键字、候选关键字和外部关键字等。关系可以用二维表来表示，但在关系中，元组之间是没有先后次序的，属性之间也没有前后次序。（3）在关系数据库的设计中，不是随便一种关系模式设计方案都“合适”，更不是任何一种关系模式都可以投入应用的。规范化就是确定表中各个属性之间的数据依赖，并逐一进行分析，考察是否存在部分函数依赖、传递函数依赖、多值依赖等，确定属于哪种范式。根据需求分析的处理要求，分析是否合适从而进行分解。