第2章关系数据库基础
数据库基础知识2
生产副厂长
技术副厂长
经营副厂长
车间主任
处长
部门经理
层次模型具有层次分明、结构清晰的优点。 层次模型具有层次分明、结构清晰的优点。但只能反映实体 一对多”的联系。 间“一对多”的联系。
网状模型用 图结构” 网状模型用“图结构”来表示数据之间的联 系
网状数据模型反映现实世界较为复杂的事物间的联系。特点是: 网状数据模型反映现实世界较为复杂的事物间的联系。特点是: （1）可以有两个以上的根结点。 可以有两个以上的根结点。 一个父结点可以有多个子结点, （2 ） 一个父结点可以有多个子结点, 一个子结点也可以有多个父 结点。 结点。 专业系
2.1 数据模型概述
2.1.2 数据模型的组成三要素
1、数据结构——用于描述现实世界数据(系统)的静态特性 数据结构——用于描述现实世界数据(系统) ——用于描述现实世界数据 规定数据的存储和表示方式。 规定数据的存储和表示方式。 2、数据操作—用于描述现实世界数据(系统)的动态特性 数据操作—用于描述现实世界数据(系统) 是数据库中各种数据的操作集合以及相应的操作规则。 是数据库中各种数据的操作集合以及相应的操作规则。 如：创建、插入、替换、删除、查询、统计等操作。 创建、插入、替换、删除、查询、统计等操作。 3、数据的约束条件—一组完整性规则的集合 数据的约束条件— 是给定的数据模型中的数据及其联系所具有的制约和依存关 系，用以保证数据的正确、有效、相容。 用以保证数据的正确、有效、相容。 如：有效性规则，参照完整性，触发器等。 有效性规则，参照完整性，触发器等。
层次模型用 树结构” 层次模型用“树结构”来表示数据之间的联系
把客观问题抽象为一个严格的自上而下的层次关系。 把客观问题抽象为一个严格的自上而下的层次关系。 其特点是：(1)只有一个根结点. 其特点是：(1)只有一个根结点. 只有一个根结点 (2) 一 个 父 结 点 可 以 有 多 个 子 结 点 , 但 每 个 子 结点只能有一个父结点。 结点只能有一个父结点。
数据库系统概论教案
数据库系统概论教案第一章：数据库基础知识1.1 数据库概念介绍数据库的定义、发展历程和分类解释数据、信息、知识与数据之间的关系1.2 数据模型介绍实体-联系模型、关系模型、层次模型和网状模型等解释数据模型的概念和作用1.3 数据库系统的结构介绍数据库系统的三级模式结构：外模式、模式和内模式解释数据库管理系统(DBMS)的概念和功能第二章：关系数据库理论2.1 关系模型介绍关系模型的基本概念：关系、属性、元组和域解释关系代数和元组关系演算的概念2.2 关系的完整性约束介绍实体完整性、参照完整性和用户定义完整性解释完整性约束的作用和意义2.3 数据库设计介绍需求分析、概念设计、逻辑设计和物理设计等阶段解释数据库设计的方法和步骤第三章：SQL语言3.1 SQL概述介绍SQL语言的概念、特点和应用范围解释SQL语言的基本语法和操作3.2 数据定义语言介绍创建表、修改表和删除表的SQL语句解释数据类型、主键、外键和索引的概念3.3 数据操纵语言介绍插入、删除、更新和查询数据的SQL语句解释聚合函数、分组和排序等概念第四章：数据库查询优化4.1 查询优化概述介绍查询优化的目的和重要性解释查询优化的方法和策略4.2 查询优化技术介绍基于规则的优化和基于成本的优化等方法解释查询优化中的代价估算和执行计划等概念4.3 索引和查询优化介绍索引的概念、分类和作用解释索引的创建、维护和优化策略第五章：事务管理5.1 事务概念介绍事务的定义、属性（ACID）和类型解释事务的作用和意义5.2 事务管理机制介绍并发控制和一致性维护的机制解释锁定、死锁和事务隔离级别等概念5.3 事务编程介绍使用编程语言实现事务的方法解释事务的提交、回滚和恢复等操作第六章：数据库安全与保护6.1 数据库安全概述介绍数据库安全的重要性解释数据库安全策略和威胁类型6.2 访问控制介绍自主访问控制（DAC）和强制访问控制（MAC）解释角色Based 访问控制（RBAC）和属性基访问控制（ABAC）6.3 加密技术介绍对称加密和非对称加密的概念解释哈希函数和数字签名在数据库安全中的应用第七章：数据库备份与恢复7.1 备份策略介绍完全备份、差异备份和增量备份等备份策略解释备份的频率和时间点选择7.2 恢复机制介绍恢复基点和恢复策略解释使用备份文件进行数据恢复的步骤和注意事项7.3 灾难恢复介绍灾难恢复计划和数据中心的地理位置选择解释镜像站点和负载均衡在灾难恢复中的应用第八章：数据库性能调优8.1 性能调优概述介绍性能调优的目标和重要性解释性能调优的方法和策略8.2 查询优化介绍查询优化的方法和工具解释如何使用查询分析器分析查询执行计划8.3 系统参数调优介绍数据库系统参数的概念和作用解释如何调整系统参数以提高数据库性能第九章：分布式数据库系统9.1 分布式数据库概念介绍分布式数据库的定义和特点解释分布式数据库系统的架构和组件9.2 数据分布策略介绍垂直分区和水平分区的概念解释数据本地化和数据复制在分布式数据库中的应用9.3 分布式查询处理介绍分布式查询处理的挑战和解决方案解释分布式查询优化和数据一致性维护的策略第十章：数据库新技术与发展趋势10.1 云计算与数据库介绍云计算的概念和数据库在云计算中的应用解释云数据库服务的特点和优势10.2 大数据与数据库介绍大数据的概念和数据库在大数据处理中的应用解释NoSQL数据库和NewSQL数据库的特点和优势10.3 与数据库介绍的概念和数据库在中的应用解释数据库智能化和自动化查询推荐的概念重点和难点解析重点环节一：关系模型的基本概念和关系代数、元组关系演算补充和说明：关系模型是数据库理论的核心，掌握关系模型的基本概念是理解数据库操作的基础。
02 关系数据库的基本理论
2.2.4 关系系统
2．关系系统的分类 按照E.F.Codd的思想，可以把关系系统分 类如下： （1）最小关系系统 （2）关系上完备的系统 （3）全关系系统
2.2.4 关系系统
3．全关系系统的12条基本准则 【准则2-0】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2-1】信息准则。 【准则2-2】保证访问准则。 【准则2-3】空值的系统化处理。 【准则2-4】基于关系模型的动态的联机数据字典。 【准则2-5】统一的数据子语言准则。
第2章 关系数据库的基本理论
关系数据库系统具有独特的风格，概括起 来有以下五个特点。
（1）简单明了的数据模型。 （2）具有严谨的理论基础。 （3）实体表示方法和实体之间联系的表示 方法一致。 （4）处理多对多的联系方便。 （5）使用的关系数据语言功能强大。
2.1 关系模型概述
关系模型是关系数据库的基础。关系模型由数据 结构、关系操作集合和完整性约束三部分组成。 2.1.1 关系数据结构
其中，姓名、职称、X称为域名，姓名域和职称域各有4个值， X域有2个值，一般称它们的基数分别为4、4、2。
2.2.1 数学定义
【 定 义 2-2】 给 定 一 组 域 D1,D2,…,Dn ， 则 D1×D2×…×Dn ＝ ｛ (d1,d2,…,dn) ｜ d1∈Di ， i ＝ 1,2,…,n ｝ 称 为 D1,D2,…,Dn 的 笛卡尔积。其中每个(d1,d2,…,dn)叫做一个n元组，元组中的 每个di是Di域中的一个值，称为一个分量。
表达（或描述）关系操作的关系数据语言 可以分为三类，具体分类情况如下：
2.1.2 关系操作
（1）关系代数 关系代数是用对关系的运算来表达查询要
求的方式。 （2）关系演算
数据库基础及其应用第二章课后作业
第二章关系运算1.关系数据模型包括(关系数据结构)、(关系完整性规则)和(关系运算)三个方面。
2.在一个关系中，不同的列可以对应同一个(域)，但必须具有不同的(列名)。
3.顾客购物的订单和订单明细之间是(1)对(多)的联系。
4.主码是一种(候选)码，主码中的(属性)个数没有限制。
5.若一个关系为R(学生号，姓名，性别，年龄)，则(学生号)可以作为该关系的主码，姓名、性别和年龄为该关系的(非主)属性。
6.关系完整性包括(实体)完整性、(参照)完整性和(用户定义)的完整性三个方面。
7.在参照和被参照的关系中，每个外码值或者为(空值)，或者等于某个(主码)值。
8.传统的集合运算包括(并)、(交)、(差)和(笛卡尔积)四种。
9.设一个关系A具有a1个属性和a2个元组，关系B具有b1个属性和b2个元组，则关系AxB具有(a1+b1)个属性和(a2xb2)个元组。
10.设一个关系模式为R(A,B,C)，对应的关系内容为R={{1,10,50}, {2,10,60}, {3,20,72}, {4,30,60}}，则δB>15(R)属于(选择)运算，运算结果中包含有(2)个元组。
11.设一个关系模式为R(A,B,C)，对应的关系内容为R={{1,10,50}, {2,10,60}, {3,20,72}, {4,30,60}}，则的运算结果中包含有(4)个元组，每个元组包含有(3)个分量。
12.设一个学生关系为S(学生号，姓名)，课程关系为C(课程号，课程名)，选课关系为X(学生号，课程号，成绩)，则选修了课程名为’程序设计’课程的全部学生信息所对应的运算(C))））。
表达式为(Π学生号(X(δ课程名=’程序设计’13.设一个学生关系为S(学生号，姓名)，课程关系为C(课程号，课程名)，选课关系为X(学(X))生号，课程号，成绩)，则求出所有选修课程信息的运算表达式为(Π课程号与(C)的自然连接。
14.设D1、D2、和D3域的基数分别为2、3、4，则D1*D2*D3的元组数为（24），每个元组有（3）个分量。
数据库第2章2.1-2.3
候选码主码Fra bibliotek有意义的关系及其值：
导师 专业 研究生姓名 研究生学号 1001 1002 1003
张清玫 信息专业 李 勇 张清玫 信息专业 刘 晨 刘 逸 信息专业 王 敏
关系（续）
2) 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）。
表 2.2 SAP 关系
SUPERVISOR 张清玫 张清玫 刘逸 SPECIALITY 信息专业 信息专业 信息专业 POSTGRADUATE 李勇 刘晨 王敏
是 型
是值 关系模式是对关系的描述
数据库系统型与值的概念
5) 基本关系的性质
① 同列同质性，不同列可同域，不同名 ② 主码唯一性 ③ 行列无序性 ④ 分量原子性
2.1 关系数据结构
2.1.1 关系
2.1.2 关系模式 2.1.3 关系数据库
2.1.2 关系模式
1．什么是关系模式 2．定义关系模式
3. 关系模式与关系
1．什么是关系模式
关系模式 关系
第二章 关系数据库
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 关系数据结构及形式化定义 关系操作 关系的完整性 关系代数 小结
第二章 关系数据库
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 关系数据结构及形式化定义 关系操作 关系的完整性 关系代数 小结
2.1 关系数据结构
关系数据库系统是支持关系模型 的数据库系统 关系模型的三大组成部分 关系数据结构 关系操作集合 关系完整性约束
4）对关系的几点说明
笛卡尔积不满足交换律，即
(d1，d2，…，dn )≠(d2，d1，…，dn ) 但关系附加的属性名使得关系满足交换律， （d1，d2, …，di，dj ,…，dn）= （d1, d2, …，dj，di ，…，dn） （ i ， j = 1 ， 2 ， …， n ） 例如 : （学号，姓名，性别，年龄）＝ （学号，姓名，年龄，性别）
第2章 数据库基础知识
转换
机器世界 DBMS 支持的数据模型
图2-5 现实世界中客观对象的抽象过程
2.5.1 数据模型的三要素
数据模型是模型中的一种，是对现实世 界数据特征的抽象，它描述了系统的３ 个方面：静态特性、动态特性和完整性 约束条件。因此数据模型一般由数据结 构、数据操作和数据完整性约束３部分 组成，是严格定义的一组概念的集合。
2.3.2 两级模式映射及数据独立性
2. 模式／内模式映射 数据库中只有一个模式，也只有一个内模式， 所以模式／内模式映像只有一个，它定义数据 的全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。 例如，说明逻辑记录和字段在内部是如何表示 的．该映像定义通常包含在模式描述部分。 当数据库的存储结构改变了（例如选用了另一 种存储结构），由数据库管理员对模式/内模 式映象作相应改变，可以使模式保持不变，从 而应用程序也不必改变。保证了数据与程序的 物理独立性，简称数据的物理独立性。
2.5.2 概念模型
多对多联系（m:n）
如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中 有n个实体（n>=0）与之联系，反之, 对于实体 集B中的每一个实体，实体集A中也有m（m>=0） 个实体与之联系。则称实体集A和实体集B具有 多对多联系，记为m：n。 例如，有如学生与课程、商品与顾客等都是多对 多联系。
2.5.4 层次模型
层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型， 它用树形结构表示各类实体以及实体间的联系。 层次模型数据库系统的典型代表是IBM公司的IMS （Information Management System）数据库管理 系统，这是一个曾经广泛使用的数据库管理系统。 层次模型用树形结构来表示各类实体以及实体间 的联系。现实世界中许多实体之间的联系本来就 呈现出一种很自然的层次关系，如行政关系、家 族关系等。
《数据库原理及应用》教学课件 第二章关系数据库基础
01
列是同质的，即每一列中的分量必须来自同一个域且必须是同 一类型的数据。
02
不同的属性可来自同一个域，但不同的属性有不同的名字。
03
列的顺序可以任意交换，但交换时应连同属性名一起交换，否则 将得到不同的关系。
13
2.1 关系模型
04 05 06
2.1.3 关系的性质
元组的顺序可任意交换。在关系数据库中，可以按照各种排序 要求对元组的次序重新排列。
关系中不允许出现相同的元组。关系中的一个元组表示现实世界 中的一个实体或一个实体间的联系，如果元组重复则表示实体或 实体间的联系重复，这样不仅会造成数据库中数据的冗余，也可 能造成数据查询与统计的结果出现错误。
关系中的每一个分量必须是不可再分的数据项，即所有属性值都 是一个单独的值，而不是值的集合。
例如，在没有重名学生的情况下，学生关系中的属性“学号”与“姓名” 都是学生关系的候选码。如果选定属性“学号”作为数据操作的依据，则属 性“学号”为主码；如果选定属性“姓名”作为数据操作的依据，则属性 “姓名”为主码。
22
2.2 关系模型的完整性约束
2.2.1 关系的码
03 主属性与非主属性
包含在任一候选码中的属性称为主属性，不包含在任一候选码中的属性称为非主属性。 例如，在没有重名学生的情况下，学生关系的属性“学号”与“姓名”都是学生关系的候选码， 则它们都是学生关系的主属性。而属性“性别”与“系别”不包含在任一候选码中，则它们都是学 生关系的非主属性。 在最简单的情况下，关系的候选码只包含一个属性；在最极端的情况下，关系的候选码是所有 属性的组合，这时称为全码。 例如，设有关系演出（演奏者编号，乐器编号，演播室编号），其中的3个属性分别为演奏者 关系、乐器关系及演播室关系的主码，它们共同唯一标识了一个演出，则演出关系的主码为它们的 组合，即为全码。
关系数据库与应用(第02章关系模型与关系代数)
接条件。 连接操作可以基于一个或多个条件，用于将两个
03
关系的元组组合在一起。 连接操作可以产生新的关系，包含两个关系的所
04
有元组。
除法操作
除法操作是用来处理具有除 法语义的关系运算。
除法操作可以用于处理具有除法 语义的问题，例如找出在某些条 件下的共同元素。
ABCD
除法操作的表示方法是在两 个关系的名称之间放置一个 斜线（/）。
优化前
优化后
PA R T. 0 5
单击此处添加标题
关系代数与SQL的关系
SQL与关系代数的联系
数据操作语言
关系代数和SQL都用于对关系数据库中的数据进 行操作。
查询语言
关系代数和SQL都提供了查询数据的方法。
集合操作
关系代数和SQL都使用集合操作，如并、交、差 等。
SQL与关系代数的差异
语法
01
低系统的负载和成本。
提高用户体验
快速、高效的查询响应可 以提升用户的使用体验，
提高系统的满意度。
关系代数优化的方法
选择运算的优化
通过减少选择条件的数量、使用索引等方法， 减少选择运算的开销。
投影运算的优化
合理安排投影列的顺序，减少数据传输量，提 高投影运算的效率。
Байду номын сангаас
连接运算的优化
采用合适的连接策略，如嵌套循环连接、哈希 连接等，以降低连接运算的复杂度。
SQL的语法更直观，更接近自然语言，而关系代数的语法
更抽象。
功能
02
SQL除了数据操作外，还支持数据定义和数据控制等功能，
而关系代数主要关注数据操作。
应用领域
03
SQL广泛应用于实际的关系数据库管理系统，而关系代数
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第2章关系数据库基础
2.1 关系数据库的基本概念
2.1.1 关系数据结构的形式化定义
在关系模型中，无论是实体还是实体之间的联系均 由单一的结构类型即关系(表)来表示。
姓名
王平 李伟 旺达 李静 上元 下下 微微 哈哈
性别
男 男 女 女 男 男 女 女
年龄
19 20 19 20 19 20 19 20
第2章关系数据库基础
第2章 关系数据库基础
学习目标
第2章关系数据库基础
n 掌握关系数据库的一些基本概念； n 掌握常用的关系代数运算符及其形式化表示； n 能够利用用关系代数表达式表达一般的查询请求； n 了解关系代数表达式的效率及查询优化的一般方法。
第2章关系数据库基础
第2章 关系数据库基础
2.1 关系数据库的基本概念 2.2 关系代数 2.3 高效的关系代数表达式与查询优化
n 若一个关系有多个候选码，则选定其中一个有代表 性的用来标识关系，称其为主码(Primary Key)。
第2章关系数据库基础
2.1 关系数据库的基本概念
2.1.1 关系数据结构的形式化定义
⑥ 关系数据库
定义：某一应用领域中，所有实体集及实体之间 联系所形成关系的集合就构成了一个关系数据库。 n 关系数据库的型: 即关系数据库模式
分量必须取原子值，即每一个分量都必须是不可分的数据项。
第2章关系数据库基础
2.1 关系数据库的基本概念
2.1.1 关系数据结构的形式化定义
④ 关系模式
n 关系模式是关系的型，是对关系的描述, 是静态的、 稳定的
n 关系是关系模式的值,是关系模式在某一时刻的状 态或内容,是动态的、随时间不断变化的
第2章关系数据库基础
第2章关系数据库基础
2.1 关系数据库的基本概念
2.1.1 关系数据结构的形式化定义
③ 关系（Relation） 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
例如： 从D1×D2×D3中取出有用的元组，所构造的学 生关系如表所示
姓名 王平 李丽
性别 男 女
年龄 20 20
第2章关系数据库基础
第2章关系数据库基础
2.1 关系数据库的基本概念
2.1.1 关系数据结构的形式化定义
② 笛卡儿积（Cartesian Product）
例如给出三个域：D1 = 姓名 = {王平，李丽}； 女}； D3 = 年龄 = {19，20}. 则D1，D2，D3的笛卡儿积为D1×D2×D3
姓名
性别
D2 = 性别 = {男，
第2章关系数据库基础
2.1 关系数据库的基本概念
2.1.1 关系数据结构的形式化定义
① 域（ Domain ）
域是一组具有相同数据类型的值的集合。域中所包含的值的个 数称为域的基数 。
例如： Ø 性别域：{‘男’，‘女’}，基数为2 Ø 姓名域：{王平，李丽，张晓刚}； Ø 成绩域：【0-100】
2.1 关系数据库的本概念
2.1.1 关系数据结构的形式化定义
④ 关系模式
关系模式的定义:
形式化地表示为：R（U，D，Dom，F） 其中：R为关系名，它是关系的形式化表示；U为组成该关系的 属性集合；D为属性组U中属性所来自的域；Dom为属性向域的 映象的集合；F为属性间数据的依赖关系集合。 关系模式通常可以简单记为： R（U）或 R（A1，A2，…，An）. 其中：R为关系名，A1，A2，…，An为属性名。
第2章关系数据库基础
2.1 关系数据库的基本概念
2.1.1 关系数据结构的形式化定义
② 笛卡儿积（Cartesian Product）
给定一组域D1，D2，…，Dn，这些域中可以有相同 的部分，则笛卡儿积表示为：
D1×D2×…×Dn = {（d1，d2，…dn）｜di ∈Di，i＝1，2，…，n}.
年龄
王平
男
19
王平
男
20
王平
女
19
王平
女
20
李丽
男
19
李丽
男
20
李丽
女
19
李丽
女
20
第2章关系数据库基础
2.1 关系数据库的基本概念
2.1.1 关系数据结构的形式化定义
② 笛卡儿积（Cartesian Product）
n 元组（Tuple）
u 笛卡尔积中每一行叫作一个n元组（n-tuple）或简称元组 (Tuple)
D1 ×D2 ×…×Dn的子集称作在域D1，D2，…，Dn上的关 系，表示为：
R（D1，D2，…，Dn）. 这里：R表示关系的名字，n是关系的目或度，即属性的个数。
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）
u (王平，男，20)、(王平，女，20)等都是元组
n 分量（Component）
u 笛卡尔积元组（d1，d2，…，dn）中的每一个值di叫作一个 分量
u 王平、男、 20 、李丽等都是分量
第2章关系数据库基础
2.1 关系数据库的基本概念
2.1.1 关系数据结构的形式化定义
③ 关系（Relation）
2.1 关系数据库的基本概念
2.1.1 关系数据结构的形式化定义
③ 关系（Relation）
基本关系具有以下六条性质： • 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。 • 不同的列可出自同一个域，其中每一列称为一个属性，不同的属性要 给予不同的属性名。 • 列的顺序无所谓，即列的次序可以任意交换。 • 任意两个元组不能完全相同，在关系中能唯一地标识一个元组的属性 或属性组称为关系的码（Key）。 • 行的顺序无所谓，即行的次序可以任意交换。
第2章关系数据库基础
第2章 关系数据库基础
2.1 关系数据库的基本概念 2.2 关系代数 2.3 高效的关系代数表达式与查询优化
2.1 关系数据库第的2章基关系数本据库概基础念
n 关系数据库采用关系模型作为数据的组织方式，关 系简单来看，就是一张表格。
n 关系数据库的理论基础为：集合论 。 n 关系模型的三要素：关系数据结构、关系操作集合
第2章关系数据库基础
2.1 关系数据库的基本概念
2.1.1 关系数据结构的形式化定义
⑤ 关系的码（Key）
n 在关系模式中能唯一标识一个元组的属性或属性组 称为关系的超码(Super Key)。
n 在关系模式中能唯一标识一个元组的最小属性或属 性组称为关系的候选码(Candidate Key)，即候选码是 最小的超码，其任何真子集无法唯一标识元组。