一、数据库的基本概念

1、四个基本概念

数据（data）
数据库（database DB）：长期存储在计算机内、有组织、可共享的大量的数据集合。
数据库管理系统（DBMS）：位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件
数据库系统(DSB)

2、数据库系统特点

数据结构化、数据共享性高，冗余度低且容易扩充、数据独立性高、数据由数据库管理系统统一管理和控制

3、概念模型

3.1信息世界中的基本概念

（1）实体：客观存在并可相互区别的事物称为实体。可以是具体的人、事、物或抽象的概念。比如：学生
（2）属性：实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。比如：姓名
（3）码：唯一标识实体的属性集称为码。比如：学号
（4）实体型：用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体称为实体型。比如：整个下图
（5）实体集：同一类型的实体的集合称为实体集。比如：所有的学生
（6）联系：包括实体型内部的联系和实体型之间的联系。内部的联系是指组成实体的各属性之间的联系。实体之间的联系指不同实体集之间的联系，有一对一、一对多和多对多等。

3.2、表示方法（E-R）图

3.2.2例

4、逻辑模型（由概念模型转化而来）

组成要素：
（1）数据结构：描述数据库的组成对象以及对象之间的联系
（2）数据操作：对数据库中各种对象的实例允许执行的操作的集合，包括操作及有关的操作规则
（3）数据库的完整性约束条件：一组完整性规则，给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则

4.1层次模型

4.1.1条件

有且只有一个结点没有双亲结点，这个节点为根节点。根以外的其他结点有且只有一个双亲结点

4.1.2特点

结点的双亲是唯一的；只能处理一对多的实体联系；任何记录只有按其路径查看才能显出全部意义；没有一个子女记录能脱离双亲记录而独立存在。

4.1.3完整性约束条件

无相应的双亲结点值就不能插入子女结点值；如果删除双亲节点值，则相应的子女结点值也被同时删除。

4.1.4例：

4.1.5优缺点

优点：层次模型的数据结构比较简单清晰。
缺点：结点之间的多对多联系表示不自然;对插入和删除操作的限制多，应用程序的编写比较复杂;查询子女结点必须通过双亲结点。

4.2网状模型

4.2.1条件

1.允许一个以上的结点无双亲;2.一个结点可以有多于一个的双亲。

4.2.2优缺点

优点：能够更为直接地描述现实世界，如一个结点可以有多个双亲;良好的性能,存取效率较高。
缺点：结构比较复杂,而且随着应用环境的扩大，数据库的结构就变得越来越复杂,不利于最终用户掌握;DDL、DML语言复杂,用户不容易使用。

4.2.3例

4.3关系模型

4.3.1相关术语

关系：一个关系对应通常说的一张表。
元组：表中的一行即为一个元组。
属性：表中的一列即为一个属性,给每一个属性起一个名称即属性名。
码：表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组。
域：—组具有相同数据类型的值的集合。属性的取值范围来自某个域。
分量：元组中的一个属性值。

4.3.2优缺点

优点：建立在严格的数学概念的基础上:集合代数。关系模型的概念单一:关系。关系模型的存取路径对用户隐藏:更好的安全保密性。
缺点：存取路径对用户隐藏，查询效率往往不如格式化数据模型。为了提高性能，数据库管理系统必须对用户的查询请求进行优化，因此增加了开发数据库管理系统的难度。

4.3.3例

5、数据库体系结构

从数据库开发人员角度，通常采用**三级模式结构，**是数据库系统内部的系统结构。从数据库最终用户角度看,数据库系统的结构分为:客户/服务器结构(Client/Server)、浏览器/服务器结构(Browser/Server)和分布式结构

5.1数据库系统的三级模式结构

5.1.1.模式

也称逻辑模式，数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述,所有用户的公共数据视图。一个数据库只有一个模式。

地位：是数据库系统模式结构的中间层。与数据的物理存储细节和硬件环境无关。与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关。
定义模式：定义数据的逻辑结构(数据项的名字、类型、取值范围等)。定义数据之间的联系。定义数据有关的安全性、完整性要求。

5.1.2外模式

也称子模式或用户模式,数据库用户(包括应用程序员和最终用户)能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述,数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。

地位:介于模式与应用之间。

模式与外模式的关系:一对多。外模式通常是模式的子集。一个数据库可以有多个外模式。

5.1.3内模式

也称存储模式，一个数据库只有一个内模式。是数据物理结构和存储方式的描述,是数据在数据库内部的表示方式。

作用：记录的存储方式(顺序存储,按照B树结构存储，按hash方法存储);索引的组织方式;数据是否压缩存储;数据是否加密;数据存储记录结构的规定。

5.2两级映像

5.2.1外模式/模式映像

概念：
定义外模式与模式之间的对应关系。每一个外模式都对应一个外模式╱模式映象。映象定义通常包含在各自外模式的描述中。

功能：保证数据的逻辑独立性
当模式改变时,数据库管理员修改有关的外模式╱模式映象,使外模式保持不变;

应用程序是依据数据的外模式编写的,从而应用程序不必修改,保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。

5.2.2模式/内模式映像

概念：
模式╱内模式映象定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。数据库中模式╱内模式映象是唯一的。
该映象定义通常包含在模式描述中。

功能：保证数据的物理独立性
当数据库的存储结构改变了(例如选用了另一种存储结构)，数据库管理员修改模式╱内模式映象,使模式保持不变;

应用程序不受影响,保证了数据与程序的物理独立性,简称数据的物理独立性。

5.3客户/服务器结构

数据库服务器：存放数据,提供数据访问服务。
客户端：运行应用程序,·处理业务逻辑。

5.4浏览器/服务器结构

数据库服务器：存放数据,提供数据访问服务。
WEB服务器：运行应用程序，处理业务逻辑。
客户端：浏览器

5.5分布式结构

6、总结

二、关系数据库

1、相关定义

1.1域：是一组具有相同数据类型的值的集合。

1.2笛卡尔积：给定一组域D1、D2、…、Dn,这些域中可以有相同的。D1、D5、 …Dn的笛卡尔积为：D1×D2×…×Dn={(d1,d2,…dn)di∈Di,i=1,2,…n}。其中每一个元素( d,d,…,d,）叫作一个n元组或简称元组,元素中的每一个值d叫作一个分量。
1.2.1笛卡尔积可表示为一个二维表。表中的每行对应一个元组，表中的每列对应一个域。
1.2.2例：

1.3、超码：若关系中的某一个或多个属性的集合能唯一地标识一个元组，则称该属性或属性组
1.4、候选码：如果构成超码属性组的任意真子集都不能成为超码，这样的最小超码
1.5、主码：若一个关系有多个候选码，则选定其中一个为主码。

例：

超码只要包含学号即可

2、基本关系具有的性质

（1）列是同质的，每一列中的分量是同一类型的数据,来自同一个域。
（2）不同的列可出自同一个域,其中的每一列称为一个属性，不同的属性要给予不同的属性名。
（3）列的顺序无所谓，列的次序可以任意交换。
（4）任意两个元组的候选码不能相同。
（5）行的顺序无所谓，行的次序可以任意交换。
（6）分量必须取原子值，每一个分量都必须是不可分的数据项。

3、关系模式

3.1、定义：

关系的描述称为关系模式。

它可以形式化地表示为:R (U,D,DOM,F)
其中，R为关系名，U为组成该关系的属性名集合，D为属性组U中属性所来自的域，DOM为属性向域的映象集合，F为属性间数据的依赖关系集合。

3.2、简写

关系模式简记为：R(U）或R(A，A，…，A,)其中R为关系名，A1，A2，…，An,为属性名。

3.3、关系模式与关系的区别

（1）关系模式是型，关系是值。

（2）关系是关系模式在某一时刻的状态或内容。
（3）关系模式是静态的、稳定的。关系是动态的、随时间变化的。

4、关系操作

5、关系的完整性

5.1、概念

（1）数据库的完整性是指数据的正确性和有效性。是指数据是符合现实世界语义、反映当前实际状况的。
（2）通过对关系(二维表)中取值的约束,可以保证数据库的完整性,保证数据的正确性。

5.2、分类

实体完整性、参照完整性、用户定义的完整性

5.2.1实体完整性

实体完整性规则：若属性A是基本关系R的主属性，则属性A不能取空值。空值表示:不知道、不存在、无意义。
注意：实体完整性规则规定基本关系的所有主属性都不能取空值。

说明
(1)实体完整性规则是针对基本关系而言的。
(2）现实世界中的实体是可区分的，即它们具有某种唯一性标识。
(3）相应地，关系模型中以主码作为唯一性标识。
(4）主码中的属性即主属性不能取空值。

5.2.2参照完整性

外码：设F是基本关系R的一个或一组属性，但不是关系R的主码。如果F与基本关系S的主码Ks相对应，则称F是基本关系R的外码。

参照完整性规则：若属性F是基本关系R的外码，它与基本关系S的主码K相对应，则对于R中每个元组在F上的值必须为：或者取空值或者等于s中某个元组的主码值。

5.2.3用户定义完整性

用户定义的完整性是针对某一具体关系数据库的约束条件，反映某一具体应用所涉及的数据必须满足的语义要求。
用户定义的完整性没有统一的规则，由数据库设计人员根据具体应用中数据的语义要求来创建。

6、关系代数

6.1、定义

一种抽象的查询语言；用对关系的运算来表达查询。

6.2、关系代数运算的三个要素

运算对象:关系
运算结果:关系
运算符:四类

6.3、关系运算符

6.3.1分类
（1）集合运算符(∩ — U ×)（交差并广义笛卡尔积）
将关系看成元组的集合;
运算是从关系的“水平”方向即行的角度来进行。

（选择、投影、连接、除）
（3）比较运算符(< > ≥ ≤ = ≠)
辅助专门的关系运算符进行操作。

6.4、关系代数运算分类

传统的集合运算：并、差、交、广义笛卡尔积
专门的关系运算：选择、投影、连接、除

6.4.1并差交

条件：具有相同的目n(即两个关系都有n个属性)，相应的属性取自同一个域。
并—RUS：仍为n目关系，由属于R或属于s的元组组成。
差—R-S：仍为n目关系，由属于R而不属于s的所有元组组成。
交—RnS：仍为n目关系，由既属于R又属于s的元组组成。

6.4.2广义笛卡尔积

R:n目关系，k1个元组
s: m目关系，k2个元组

R×S
列: (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

行:k1×k2个元组

6.4.3选择（行角度）

选择操作是在关系R中选择满足给定条件的诸元组

[例2]查询年龄小于20岁的男同学的信息。

6.4.4投影（列角度）

从关系R中选择出若干属性列组成新的关系。

6.4.5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。

等值连接

自然连接（一种特殊的等值连接）
自然连接比等值连接的特殊之处
·首先，要求两个关系进行比较的分量必须是同名属性组;
·最后，在等值连接的结果中去掉重复的属性列。

外连接

悬浮元组：把两个关系在做自然连接时被舍弃的元组称为悬浮元组。

外连接：如果把悬浮元组也保存在R和S自然连接(RXS)的结果关系中，而在其它属性上填空值，那么这种连接就叫做外连接(outer join) 。
左外连：如果只保留左边关系R中的悬浮元组就叫做左外连(left outer join) 。
右外连：如果只保留右边关系S中的悬浮元组就叫做右外连(right outer join) 。

6.4.6除

除法运算是二目运算
设有关系R(X，Y)与关系S(Y，z)，其中X，Y，Z为属性集合。R中的Y与S中的Y可以有不同的属性名，但对应属性必须出自相同的域。

R与S的除法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×属性列上的投影:元组在X上分量值x的象集Y,包含S在Y上投影的集合，记作:

分析：
在关系R中，A可以取四个值{a1，a2，a3，a4}
a1的象集为{(b1，c2)，(b2，c3)，(b2，C1)}
a2的象集为{(b3，c7)，(b2，c3)}
a3的象集为{(b4，c6)}
a4的象集为{(b6，c6)}
(象集：当A取a1时对应的BC值)
S在(B，C)上的投影为
{(b1，c2)，(b2，c1)，(b2，c3)}
只有a,的象集包含了S在(B，C)属性组上的投影所以R÷S={a1}

7、总结

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