11.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述11.2關(guān)系數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)理論11.3關(guān)系數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論11.4關(guān)系數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)11.5創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫11.6查詢與SQL11.7網(wǎng)絡(luò)管理信息系統(tǒng)——基于ASP

技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理信息系統(tǒng)習(xí)題11第11章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其應(yīng)用11.1.1信息、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理

1．信息

基于計(jì)算機(jī)、通信和信息處理技術(shù)的信息技術(shù)近年來發(fā)展迅速，計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)也進(jìn)入千家萬戶，這一切都使得信息革命深入人心。世界范圍的信息革命激發(fā)了人類歷史上最活躍的生產(chǎn)力，人類在經(jīng)歷了農(nóng)業(yè)社會(huì)、工業(yè)社會(huì)后，已步入信息化社會(huì)。信息化水平的高低已成為衡量一個(gè)國家、一個(gè)地區(qū)現(xiàn)代化水平和綜合國力的重要標(biāo)志。各種信息化系統(tǒng)已成為國家基礎(chǔ)設(shè)施，它們支撐著電子政務(wù)、電子商務(wù)、電子金融、科學(xué)研究、網(wǎng)絡(luò)教育、能源、通信、交通和社會(huì)保障等方方面面，信息成為人類社會(huì)必需的重要資源。11.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述進(jìn)入20世紀(jì)中期以后，隨著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們開始探討信息的準(zhǔn)確含義。學(xué)術(shù)界公認(rèn)的，即把信息作為一種理論來認(rèn)識(shí)與描述的，當(dāng)推信息論的奠基人香農(nóng)(Shannon)于1948年在《通信的數(shù)學(xué)理論》中首次提出的經(jīng)典定義——“信息是用來消除不確定性的東西”。顯然，這是從通信的角度提出來的。

1988年，我國信息論專家鐘義信教授在《信息科學(xué)原理》一書中把信息定義為：“事物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和狀態(tài)變化的方式”，并通過引入約束條件推導(dǎo)了信息的概念體系，對信息進(jìn)行了完整和準(zhǔn)確的描述。

2．?dāng)?shù)據(jù)

信息只有依附于一定的物質(zhì)載體才能顯現(xiàn)出來。載體本身也不是信息，人類認(rèn)識(shí)主體時(shí)首先接觸的是載體，然后才逐漸感知載體中所承載的信息內(nèi)涵。根據(jù)載體本身的特征，我們可以把信息載體分為兩大部分：一部分是由人類認(rèn)識(shí)主體的感官表達(dá)的表意型載體，如語言、文字、符號、形體、表情等；另一部分是人的感官無法直接感知而存儲(chǔ)于物質(zhì)的物質(zhì)載體，無形的如聲波、電磁波、網(wǎng)絡(luò)等，有形的如石頭、絲綢、紙張、磁帶、光盤等。目前，信息已由最初的語言、文字等形態(tài)演變成數(shù)據(jù)、文本、聲音、圖像等復(fù)雜的形態(tài)。在這里，“數(shù)據(jù)”并非單純指“數(shù)字”。從信息科學(xué)的角度來考察，數(shù)據(jù)是指電子計(jì)算機(jī)能夠生成和處理的所有事件、數(shù)字、文字、符號等。當(dāng)文本、聲音、圖像在計(jì)算機(jī)里被簡化成“0”和“1”的原始單位時(shí)，它們便成了數(shù)據(jù)。人們儲(chǔ)存在“數(shù)據(jù)庫”里的信息，自然也不僅僅是一些“數(shù)字”。

需要指出的是，信息表現(xiàn)的形態(tài)不是一成不變的。也就是說，文本、數(shù)據(jù)、聲音、圖像能夠相互轉(zhuǎn)化。如語言可以通過紙張記錄下來，于是聲音變成了文字，而文字可在掃描后輸入計(jì)算機(jī)，最后經(jīng)計(jì)算機(jī)被輸出為圖像。

3．?dāng)?shù)據(jù)處理

信息與數(shù)據(jù)有著密切的聯(lián)系：數(shù)據(jù)是記錄客觀事物的性質(zhì)、形態(tài)、數(shù)量特征的抽象符號，而信息則是對數(shù)據(jù)加工的結(jié)果，使之成為反映事物客觀規(guī)律的一組數(shù)據(jù)。可見，信息來源于數(shù)據(jù)，但又對數(shù)據(jù)給予解釋，揭示了數(shù)據(jù)的內(nèi)涵。信息作為數(shù)據(jù)的載體，可以采用不同的形式傳播，但無論何種形式都不能改變其基本內(nèi)容。數(shù)據(jù)與信息兩者在概念上不盡相同，但通常并不嚴(yán)格去區(qū)分它們。所以，數(shù)據(jù)處理也可稱為信息處理。

數(shù)據(jù)處理是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信息的過程，包括對數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、加工、檢索、傳輸?shù)纫幌盗谢顒?dòng)。其目的是從大量的原始數(shù)據(jù)中抽取和推導(dǎo)出有價(jià)值的信息，作為決策的依據(jù)。數(shù)據(jù)處理的基本環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理的功能為：

(1)組織和保存數(shù)據(jù)功能，對收到的數(shù)據(jù)合理地分類組織，將其存儲(chǔ)在物理載體上，使數(shù)據(jù)能夠長期被保存；

(2)數(shù)據(jù)維護(hù)功能，根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行插入新數(shù)據(jù)、修改原數(shù)據(jù)和刪除失效數(shù)據(jù)的操作；

(3)數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，能快速地得到需要的正確數(shù)據(jù)，滿足各種使用要求；

(4)數(shù)據(jù)的安全和完整性控制功能，使保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

數(shù)據(jù)管理的目標(biāo)是：收集完整的信息，將信息用數(shù)據(jù)表示，按數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)合理科學(xué)地組織并保存數(shù)據(jù)；為各種使用快速地提供正確的數(shù)據(jù)，并保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性。11.1.2數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展

1．人工管理

20世紀(jì)50年代中期以前為人工管理階段，是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理的初級階段。這一階段的計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)計(jì)算，硬件中的外存只有卡片、紙帶、磁帶，沒有磁盤等直接存取設(shè)備；軟件只有匯編語言，沒有操作系統(tǒng)，更無統(tǒng)一的管理數(shù)據(jù)的軟件；對數(shù)據(jù)的管理完全在程序中進(jìn)行，數(shù)據(jù)處理的方式基本上是批處理。程序員編寫應(yīng)用程序時(shí)，要考慮具體的數(shù)據(jù)物理存儲(chǔ)細(xì)節(jié)，即每個(gè)應(yīng)用程序中都要包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、存取方法、輸入方式、地址分配等，如果數(shù)據(jù)的類型、格式或輸入輸出方式等邏輯結(jié)構(gòu)或物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，則必須對應(yīng)用程序做出相應(yīng)的修改。另外，數(shù)據(jù)是面向程序的，一組數(shù)據(jù)只能對應(yīng)一個(gè)程序，很難實(shí)現(xiàn)多個(gè)應(yīng)用程序共享數(shù)據(jù)資源，因此程序之間有大量的冗余數(shù)據(jù)。

2．文件系統(tǒng)

20世紀(jì)50年代后期至60年代中期，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了文件系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。這一階段，計(jì)算機(jī)已大量用于信息管理，硬件有了磁盤、磁鼓等直接存儲(chǔ)設(shè)備；在軟件方面，出現(xiàn)了高級語言和操作系統(tǒng)；操作系統(tǒng)中有了專門管理數(shù)據(jù)的軟件，一般稱為文件系統(tǒng)，用戶可以把相關(guān)數(shù)據(jù)組織成一個(gè)文件存放在計(jì)算機(jī)中，由文件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的存取進(jìn)行管理，處理方式有批處理，也有聯(lián)機(jī)處理。文件管理數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是：

(1)數(shù)據(jù)可以長期保存；

(2)有專門的數(shù)據(jù)管理軟件——文件系統(tǒng)；

(3)程序與數(shù)據(jù)間有一定的獨(dú)立性。隨著數(shù)據(jù)管理規(guī)模的擴(kuò)大，數(shù)據(jù)量急劇增加，文件系統(tǒng)顯露出如下一些缺陷：

(1)數(shù)據(jù)冗余度大。數(shù)據(jù)冗余度指同一數(shù)據(jù)重復(fù)存儲(chǔ)時(shí)的重復(fù)程度。文件系統(tǒng)階段各數(shù)據(jù)文件之間沒有有機(jī)的聯(lián)系，一個(gè)文件基本上對應(yīng)于一個(gè)應(yīng)用程序，數(shù)據(jù)不能共享，因此數(shù)據(jù)冗余度大。

(2)數(shù)據(jù)獨(dú)立性不高。文件系統(tǒng)中的文件是為某一特定應(yīng)用服務(wù)的，許多情況下不同的應(yīng)用程序使用的數(shù)據(jù)和程序相互依賴，系統(tǒng)不易擴(kuò)充。一旦改變數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，就必須修改相應(yīng)的應(yīng)用程序，而應(yīng)用程序發(fā)生變化，如改用另一種程序設(shè)計(jì)語言來編寫程序時(shí)，也需修改數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

(3)數(shù)據(jù)一致性差。由于相同數(shù)據(jù)的重復(fù)存儲(chǔ)、各自管理，在進(jìn)行更新操作時(shí)，容易造成數(shù)據(jù)的不一致性。

3．?dāng)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)

20世紀(jì)60年代后期，數(shù)據(jù)管理技術(shù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)克服了文件系統(tǒng)的缺陷，提供了對數(shù)據(jù)更高級、更有效的管理。這個(gè)階段的程序和數(shù)據(jù)的聯(lián)系通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段的數(shù)據(jù)管理具有以下特點(diǎn)：

(1)采用數(shù)據(jù)模型表示復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)模型不僅描述數(shù)據(jù)本身的特征，還要描述數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，這種聯(lián)系通過存取路徑實(shí)現(xiàn)。通過所有存取路徑表示自然的數(shù)據(jù)聯(lián)系是數(shù)據(jù)庫與傳統(tǒng)文件的根本區(qū)別。這樣，數(shù)據(jù)不再面向特定的某個(gè)或多個(gè)應(yīng)用，而是面向整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。數(shù)據(jù)冗余明顯減少，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。

(2)有較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性。數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)之間的差別可以很大。用戶以簡單的邏輯結(jié)構(gòu)操作數(shù)據(jù)而無需考慮數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)分成用戶的局部邏輯結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫的整體邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)三級。用戶(應(yīng)用程序或終端用戶)的數(shù)據(jù)和外存中的數(shù)據(jù)之間轉(zhuǎn)換由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

(3)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為用戶提供了方便的用戶接口。用戶可以使用查詢語言或終端命令操作數(shù)據(jù)庫，也可以用C++等程序方式操作數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供了以下數(shù)據(jù)控制功能：

●數(shù)據(jù)庫的并發(fā)控制：對程序的并發(fā)操作加以控制，防止數(shù)據(jù)庫被破壞，杜絕提供給用戶不正確的數(shù)據(jù)；

●數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)：在數(shù)據(jù)庫被破壞或數(shù)據(jù)不可靠時(shí)，系統(tǒng)有能力把數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到最近某個(gè)正確狀態(tài)；●數(shù)據(jù)完整性：保證數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)始終是正確的；

●數(shù)據(jù)安全性：保證數(shù)據(jù)的安全，防止數(shù)據(jù)的丟失、破壞；增加了系統(tǒng)的靈活性；對數(shù)據(jù)的操作不一定以記錄為單位，可以數(shù)據(jù)項(xiàng)為單位。

最后我們通過表11.1總結(jié)一下這三個(gè)階段的特點(diǎn)。11.1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DataBaseSystem，DBS)通常是指帶有數(shù)據(jù)庫的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，因此，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不僅包括數(shù)據(jù)庫本身，還包括相應(yīng)的硬件、軟件和各類人員。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一個(gè)包括使用人員和維護(hù)人員、加工設(shè)備和數(shù)據(jù)資源的完整計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

如圖11.1所示，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫和人員幾部分組成。圖11.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成

1．硬件平臺(tái)

常見的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)硬件平臺(tái)分為服務(wù)器端和客戶端兩大部分。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，它作為硬件的核心承擔(dān)了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的建立、存儲(chǔ)、查詢、操作、備份以及整個(gè)后臺(tái)應(yīng)用程序的運(yùn)行任務(wù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的處理能力、存儲(chǔ)能力、可靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。因此，對服務(wù)器端硬件資源提出了較高的要求，應(yīng)選用高可靠性、高可用性、高性價(jià)比的服務(wù)器。

2．軟件平臺(tái)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件平臺(tái)主要包括以下軟件：

1)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心，它主要有如下幾方面的功能：

(1)數(shù)據(jù)庫的定義功能。DBMS提供數(shù)據(jù)定義語言DDL(DataDefinitionLanguage)，定義數(shù)據(jù)的模式、外模式和內(nèi)模式三級模式結(jié)構(gòu)，定義模式/內(nèi)模式和外模式/模式二級映像，定義有關(guān)的約束條件。例如，為保證數(shù)據(jù)庫安全而定義的用戶口令和存取權(quán)限，為保證正確語義而定義的完整性規(guī)則。

(2)數(shù)據(jù)庫的操縱功能。DBMS提供數(shù)據(jù)操縱語言DML(DataManipulationLanguage)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的基本操作，包括查詢、創(chuàng)建、插入、修改、刪除等，SQL語言就是DML的一種。

(3)數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)管理功能。存儲(chǔ)管理器的主要作用是：檢查用戶訪問數(shù)據(jù)是否合法；事務(wù)管理；把各種DML語句轉(zhuǎn)換成OS的命令和參數(shù)，讓OS執(zhí)行相應(yīng)的I/O操作；管理系統(tǒng)緩沖區(qū)。

(4)數(shù)據(jù)庫的保護(hù)功能。DBMS對數(shù)據(jù)庫的保護(hù)措施主要有以下幾個(gè)方面：數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)，數(shù)據(jù)庫的完整性控制，數(shù)據(jù)庫的并發(fā)控制，數(shù)據(jù)的安全性控制。

(5)數(shù)據(jù)庫的維護(hù)功能。這一部分包括數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)載入、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)儲(chǔ)，數(shù)據(jù)庫的改組以及性能監(jiān)控等功能。

(6)數(shù)據(jù)字典。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中存放三級結(jié)構(gòu)定義的數(shù)據(jù)庫稱為數(shù)據(jù)字典(DD)。對數(shù)據(jù)庫的操作都要通過DD才能實(shí)現(xiàn)。DD中還存放數(shù)據(jù)庫運(yùn)行時(shí)的統(tǒng)計(jì)信息，例如記錄個(gè)數(shù)、訪問次數(shù)等。

為完成以上功能，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一般由兩大部分組成：查詢處理器和存儲(chǔ)管理器。前者包括DDL編譯器、DML編譯器、嵌入型DML預(yù)編譯器、查詢運(yùn)行核心程序。后者包括授權(quán)和完整性管理器、事務(wù)管理器、文件管理器、緩沖區(qū)管理器。

2)支持DBMS運(yùn)行的操作系統(tǒng)

通常DBMS運(yùn)行時(shí)都是基于某一種操作系統(tǒng)，并通過操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存取，許多DBMS可支持多種操作系統(tǒng)平臺(tái)，操作系統(tǒng)的選擇應(yīng)與DBMS配套。

3)應(yīng)用開發(fā)工具

應(yīng)用開發(fā)工具是系統(tǒng)為應(yīng)用開發(fā)人員及最終用戶提供的高效率、多功能的應(yīng)用生成器，為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用提供了有力的支持。當(dāng)前一些通用的開發(fā)工具已成為數(shù)據(jù)庫軟件的有機(jī)組成部分。常用的應(yīng)用開發(fā)工具有Delphi、PowerBuilder、VisualBasic、Developer2000、Java等。

4)為特定應(yīng)用開發(fā)的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用軟件

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為數(shù)據(jù)的定義、存儲(chǔ)、查詢和修改提供支持，而數(shù)據(jù)庫應(yīng)用軟件是對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和處理的軟件，面向特定應(yīng)用。例如，基于數(shù)據(jù)庫的各種管理軟件、管理信息系統(tǒng)(MIS)、決策支持系統(tǒng)(DSS)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、各級電子政務(wù)系統(tǒng)和各類電子商務(wù)系統(tǒng)等都屬于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用軟件。

3．?dāng)?shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)的集合，它具有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)形式并存放于統(tǒng)一的存儲(chǔ)介質(zhì)內(nèi)，是多種應(yīng)用數(shù)據(jù)的集成，并可被應(yīng)用所共享。

數(shù)據(jù)庫存放數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按所提供的數(shù)據(jù)模式存放，它能構(gòu)造復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以建立數(shù)據(jù)間內(nèi)在聯(lián)系與復(fù)雜關(guān)系，從而構(gòu)成數(shù)據(jù)的全局結(jié)構(gòu)模式。

數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)具有“集成”、“共享”之特點(diǎn)，亦即是數(shù)據(jù)庫集中了各種應(yīng)用的數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一的構(gòu)造與存儲(chǔ)，而它們可為不同的應(yīng)用提供服務(wù)。例如，教務(wù)處學(xué)籍管理數(shù)據(jù)庫中有組織地存放了學(xué)生基本情況、課程情況、學(xué)生選課情況、開課情況、教師情況等內(nèi)容，可供教務(wù)處、各系教學(xué)辦、班主任、任課教師、學(xué)生等共同使用。

4．人員

參與分析、設(shè)計(jì)、管理、維護(hù)和使用數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的人員都是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成部分，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和應(yīng)用中起著重要的作用。分析、設(shè)計(jì)、管理和使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的人員主要是數(shù)據(jù)庫管理員、系統(tǒng)分析員、應(yīng)用程序員和最終用戶。

1)數(shù)據(jù)庫管理員(DataBaseAdministrator，DBA)

數(shù)據(jù)庫是整個(gè)企業(yè)或者組織的數(shù)據(jù)資源，因此企業(yè)或組織設(shè)立了專門的數(shù)據(jù)資源管理機(jī)構(gòu)來管理數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫管理員則是這個(gè)機(jī)構(gòu)的一組人員，從事數(shù)據(jù)庫管理工作，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的管理、設(shè)計(jì)、維護(hù)和正常使用。其主要職責(zé)包括：參與數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的全過程，決定數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容；定義數(shù)據(jù)的安全性和完整性，負(fù)責(zé)分配用戶對數(shù)據(jù)庫的使用權(quán)限和口令管理，幫助最終用戶使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；監(jiān)督控制數(shù)據(jù)庫的使用和運(yùn)行，改進(jìn)和重新構(gòu)造數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，優(yōu)化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的性能；定期轉(zhuǎn)儲(chǔ)數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)庫受到破壞時(shí)，應(yīng)負(fù)責(zé)恢復(fù)數(shù)據(jù)庫，而當(dāng)數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)需要改變時(shí)，應(yīng)完成對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的修改。

2)系統(tǒng)分析員和應(yīng)用程序員(ApplicationProgrammer)

系統(tǒng)分析員負(fù)責(zé)整個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的規(guī)劃及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)應(yīng)用系統(tǒng)的需求分析與規(guī)范說明，需要從總體上了解、設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)分析員必須與用戶及數(shù)據(jù)庫管理員相結(jié)合，確定系統(tǒng)的軟硬件配置并參與數(shù)據(jù)庫各級模式的概要設(shè)計(jì)。

應(yīng)用程序員負(fù)責(zé)為終端用戶設(shè)計(jì)和編制數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序，以便終端用戶對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存取操作。

3)終端用戶(EndUser)

終端用戶主要是使用數(shù)據(jù)庫的各級管理人員、工程技術(shù)人員、科研人員，一般為非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員。11.1.4數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的一個(gè)總框架，可以從多種不同的角度考查數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。從數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的角度看，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常采用三級模式結(jié)構(gòu)，這是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內(nèi)部的體系結(jié)構(gòu)，如圖11.2所示。圖11.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)

1)模式

模式也稱邏輯模式，是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。它不涉及數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)細(xì)節(jié)和硬件環(huán)境，與應(yīng)用程序使用的開發(fā)工具及高級程序設(shè)計(jì)語言無關(guān)。一個(gè)數(shù)據(jù)庫只有一個(gè)模式。數(shù)據(jù)庫模式以某一種數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，統(tǒng)一、綜合地考慮了所有用戶的需求，并將這些需求有機(jī)地結(jié)合成一個(gè)邏輯整體。模式是數(shù)據(jù)庫中全部數(shù)據(jù)的一個(gè)邏輯表述，既要定義數(shù)據(jù)的名字、數(shù)據(jù)類型、大小，又要說明數(shù)據(jù)之間的關(guān)系及數(shù)據(jù)的安全性、完整性要求等。

2)外模式

外模式也稱子模式或用戶模式，是數(shù)據(jù)庫用戶看見和使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是數(shù)據(jù)庫用戶的數(shù)據(jù)視圖，是與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。外模式是保證數(shù)據(jù)庫安全性的一個(gè)有力措施。每個(gè)用戶只能看見和訪問所對應(yīng)的外模式中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫中的其余數(shù)據(jù)對他們來說是不可見的。比如，學(xué)生成績管理和學(xué)籍管理可以用不同的程序設(shè)計(jì)語言來建立，對同一個(gè)學(xué)生成績數(shù)據(jù)，老師可以寫，學(xué)生卻只能讀。因此，不同用戶的外模式的描述是不同的。

3)內(nèi)模式

內(nèi)模式也稱存儲(chǔ)模式，是數(shù)據(jù)物理結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的描述，是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的表示方式。例如，記錄的存儲(chǔ)方式是順序存儲(chǔ)、按照B樹結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)還是按Hash方法存儲(chǔ)；索引按照什么方式組織；數(shù)據(jù)是否壓縮存儲(chǔ)，是否加密；數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)記錄結(jié)構(gòu)有何規(guī)定等。一個(gè)數(shù)據(jù)庫只有一個(gè)內(nèi)模式。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式是對數(shù)據(jù)的三個(gè)抽象級別。它把數(shù)據(jù)的具體組織留給DBMS管理，使用戶能邏輯地抽象地處理數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的具體表示方式與存儲(chǔ)方式。為了能夠在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)這三個(gè)抽象層次的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在這三級模式之間提供了兩層映射：外模式/模式映射和模式/內(nèi)模式映射。正是這兩層映射保證了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)能夠具有較高的邏輯獨(dú)立性和物理獨(dú)立性。

4)外模式/模式映射

模式描述的是數(shù)據(jù)的全局邏輯結(jié)構(gòu)，外模式描述的是數(shù)據(jù)的局部邏輯結(jié)構(gòu)。對應(yīng)于同一個(gè)模式可以有任意多個(gè)外模式。對于每一個(gè)外模式，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都有一個(gè)外模式/模式映射，它定義了該外模式與模式之間的對應(yīng)關(guān)系。這些映射定義通常包含在各自外模式的描述中。當(dāng)模式改變(例如，增加新的數(shù)據(jù)類型、新的數(shù)據(jù)項(xiàng)、新的關(guān)系等)時(shí)，由數(shù)據(jù)庫管理員對各個(gè)外模式/模式的映射做出相應(yīng)改變，可以使外模式保持不變，從而不必修改應(yīng)用程序，保證了數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性。

5)外模式/模式映射

數(shù)據(jù)庫中只有一個(gè)模式，也只有一個(gè)內(nèi)模式，所以模式/內(nèi)模式映射是唯一的，它定義了數(shù)據(jù)全局邏輯結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系。例如，說明邏輯記錄和字段在內(nèi)部是如何表示的。該映射定義通常包含在模式描述中。當(dāng)數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變(例如，采用了更先進(jìn)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu))時(shí)，由數(shù)據(jù)庫管理員對模式/內(nèi)模式映射做相應(yīng)改變，可以使模式保持不變，從而保證了數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性。

在數(shù)據(jù)庫的三級模式結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)庫模式即全局邏輯結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)庫的中心與關(guān)鍵，它獨(dú)立于數(shù)據(jù)庫的其他層次。因此，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫模式結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)首先確定數(shù)據(jù)庫的邏輯模式。11.2關(guān)系數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)理論11.2.1數(shù)據(jù)描述現(xiàn)實(shí)世界是復(fù)雜的，要將復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界以數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，需要一個(gè)抽象的過程。抽象的過程分為三個(gè)階段，我們稱為三個(gè)世界，即現(xiàn)實(shí)世界、信息世界和計(jì)算機(jī)世界。

(1)現(xiàn)實(shí)世界：是獨(dú)立于人們意識(shí)之外的客觀世界，事物及其聯(lián)系就處在這個(gè)世界中?，F(xiàn)實(shí)世界里存在著萬物，比如教師、學(xué)生、課程和學(xué)校等。事物之間存在著聯(lián)系，而這些聯(lián)系是由事物本身的性質(zhì)所決定的。學(xué)生學(xué)習(xí)課程，教師教授課程……由此可以看出，這些人或事物之間存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，要處理的對象越多，事物之間的聯(lián)系就越復(fù)雜。如果把現(xiàn)實(shí)世界中的事物和事物之間的聯(lián)系進(jìn)行選擇、命名、分類等抽象處理，就進(jìn)入了信息世界。

(2)信息世界：是指現(xiàn)實(shí)世界在人腦中形成的概念。它又稱為概念世界，客觀事物在信息世界中稱為實(shí)體。將現(xiàn)實(shí)世界中的客觀事物及其錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系作分析，去粗取精，去偽存真，最后形成一些基本概念與基本關(guān)系，它們可以用所謂的信息模型來表示。在信息世界中所表示的模型都是較為抽象的，它們與具體數(shù)據(jù)庫、具體計(jì)算機(jī)平臺(tái)無關(guān)。

(3)計(jì)算機(jī)世界：將信息世界中的信息模型轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)物理結(jié)構(gòu)上的描述，從而形成的物理模型叫計(jì)算機(jī)世界?，F(xiàn)實(shí)世界的要求只有在計(jì)算機(jī)世界中才能得到真正的物理實(shí)現(xiàn)。

上面所述的三個(gè)世界中，現(xiàn)實(shí)世界是客觀存在，而其他二個(gè)世界則是人們抽象得到的，這種加工轉(zhuǎn)化的過程是一種逐步精化和提高的過程(如圖11.3所示)，它符合人類認(rèn)識(shí)客觀事物的規(guī)律。表示這三個(gè)世界術(shù)語的對應(yīng)關(guān)系如表11.2所示。圖11.3三個(gè)世界的轉(zhuǎn)化示意圖11.2.2數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)是現(xiàn)實(shí)世界的符號的抽象，而數(shù)據(jù)模型則是數(shù)據(jù)特征的抽象。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)模型是它的核心與基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)模型描述數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，定義在其上的操作以及約束條件。它從抽象層次上描述了系統(tǒng)的靜態(tài)特征、動(dòng)態(tài)行為和約束條件，為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的信息表示與操作提供了一個(gè)抽象框架。數(shù)據(jù)模型按不同的應(yīng)用層次分成信息模型和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型兩個(gè)層次。

信息模型也稱概念模型，它是一種面向客觀世界、面向用戶的模型，它與具體的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)無關(guān)，與具體的計(jì)算機(jī)平臺(tái)無關(guān)。信息模型著重于對客觀世界復(fù)雜事物的結(jié)構(gòu)描述及它們間的內(nèi)在聯(lián)系的刻畫，而與數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的物理存儲(chǔ)無關(guān)。目前，最常用的信息模型是實(shí)體-聯(lián)系模式(E-R模型)。結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型是一種面向數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的模型，該模型著重于在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一級的實(shí)現(xiàn)。它是客觀世界到計(jì)算機(jī)間的中介模型，具有承上啟下的功能。信息模型只有在轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)模型后才能在數(shù)據(jù)庫中得以表示。目前，數(shù)據(jù)模型很多，較為成熟并被人們所大量使用的有層次模型、網(wǎng)狀模型、關(guān)系模型、面向?qū)ο竽Ｐ偷?。結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型通常由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作與數(shù)據(jù)約束三個(gè)部分組成。

(1)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要描述數(shù)據(jù)類型、內(nèi)容、性質(zhì)的有關(guān)情況以及描述數(shù)據(jù)間的聯(lián)系的有關(guān)情況。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)操作與約束均建立在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上。不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有著不同的操作與約束。因此，一般數(shù)據(jù)模型的分類均以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同而分。

(2)數(shù)據(jù)操作：是指對數(shù)據(jù)庫中各種對象的實(shí)例允許執(zhí)行的操作的集合，包括操作和有關(guān)操作的規(guī)則。例如插入、刪除、修改、檢索、更新等操作，數(shù)據(jù)模型要定義這些操作的確切含義、操作符號、操作規(guī)則以及實(shí)現(xiàn)操作的語言等。

(3)數(shù)據(jù)約束：數(shù)據(jù)的約束條件是完整性規(guī)則的集合，用以限定符合數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，以保證數(shù)據(jù)的正確、有效和相容。數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)及其聯(lián)系都要遵循完整性規(guī)則的制約。例如，數(shù)據(jù)庫的主鍵不允許空值，人的年齡不能為負(fù)數(shù)等。

1．信息模型(實(shí)體-聯(lián)系模型)

實(shí)體-聯(lián)系模型(Entity-RelationshipModel)又稱E-R模型，它是P.P.Chen于1976年首先提出的，此后該模型不斷擴(kuò)展和完善，成為被廣泛采用的信息模型設(shè)計(jì)方法。這個(gè)模型直接從現(xiàn)實(shí)世界中抽象出實(shí)體類型及實(shí)體間聯(lián)系，然后用實(shí)體聯(lián)系圖(E-R圖)表示數(shù)據(jù)的抽象和數(shù)據(jù)的聯(lián)系。由于E-R圖簡單直觀，因此被廣泛使用。

1)概念

(1)實(shí)體：客觀存在的且又能相互區(qū)別的事物稱為實(shí)體，如一個(gè)學(xué)生、一門課。實(shí)體也可以是抽象的事件，如一次試驗(yàn)。實(shí)體是信息世界中的基本單位。

(2)實(shí)體集：具有相同特征的實(shí)體的集合稱為實(shí)體集。如數(shù)學(xué)課、英語課是實(shí)體，而所有課程則組成一個(gè)實(shí)體集。

(3)屬性：是實(shí)體所具有的特征。一個(gè)實(shí)體由若干個(gè)屬性描述，如學(xué)生的屬性可以有學(xué)號、姓名、班級、宿舍等。屬性可以有值，一個(gè)屬性的取值范圍稱為該屬性的域。實(shí)體有型與值之別，一個(gè)實(shí)體的所有屬性構(gòu)成了這個(gè)實(shí)體的型，如學(xué)生實(shí)體，它的型是學(xué)號、姓名、性別、年齡、班級、宿舍等，而實(shí)體中屬性值的集合(即元組)則構(gòu)成了這個(gè)實(shí)體的值。

(4)聯(lián)系：現(xiàn)實(shí)世界中事物間的關(guān)聯(lián)稱為聯(lián)系。在信息世界中，聯(lián)系反映了實(shí)體集間的一定關(guān)系，如學(xué)生與課程這兩個(gè)實(shí)體集間的選修關(guān)系，輔導(dǎo)員與學(xué)生這兩個(gè)實(shí)體集間的管理關(guān)系，教師與課程這兩個(gè)實(shí)體集間的授課關(guān)系。實(shí)體集間的聯(lián)系有多種，就實(shí)體集的個(gè)數(shù)而言有：

①兩個(gè)實(shí)體集間的聯(lián)系：兩個(gè)實(shí)體集間的聯(lián)系是一種最為常見的聯(lián)系，聯(lián)系概念中舉的例子均屬兩個(gè)實(shí)體集間的聯(lián)系。

②多個(gè)實(shí)體集間的聯(lián)系：這種聯(lián)系包括三個(gè)實(shí)體集間的聯(lián)系以及三個(gè)以上實(shí)體集間的聯(lián)系。如教師、課程、學(xué)生這三個(gè)實(shí)體集間存在著教師提供課程供學(xué)生選修的聯(lián)系。

③一個(gè)實(shí)體集內(nèi)部的聯(lián)系：一個(gè)實(shí)體集內(nèi)有若干個(gè)實(shí)體，它們間的聯(lián)系稱為實(shí)體集內(nèi)部的聯(lián)系。如學(xué)校教師這個(gè)實(shí)體集內(nèi)部可以有上下級聯(lián)系，某個(gè)教師(如教研室主任)既是院長的下級，又是教研室里教師的上級。實(shí)體集間聯(lián)系的個(gè)數(shù)可以是單個(gè)，也可以是多個(gè)。如院長和教師之間既有上下級聯(lián)系，也有同事間聯(lián)系，還可以有項(xiàng)目組的聯(lián)系等。

兩個(gè)實(shí)體集間的聯(lián)系實(shí)際上是實(shí)體集間的函數(shù)關(guān)系，這種函數(shù)關(guān)系可以有下面幾種：

(a)一對一聯(lián)系：對于實(shí)體集A中的每一實(shí)體，實(shí)體集B中至多有一個(gè)實(shí)體與之聯(lián)系，反之亦然。這種函數(shù)關(guān)系是常見的函數(shù)關(guān)系之一，它可以記為1∶1。如學(xué)校與校長間的聯(lián)系，一個(gè)學(xué)校與一個(gè)校長間相互一一對應(yīng)。

(b)一對多或多對一聯(lián)系：對于實(shí)體集A中的每一實(shí)體，實(shí)體集B中有n個(gè)實(shí)體(n≥0)與之聯(lián)系；反之，對于實(shí)體集B中每一實(shí)體，實(shí)體集A中至多只有一個(gè)實(shí)體與之聯(lián)系，它們可以記為l∶n或n∶1。如學(xué)生與其宿舍房間的聯(lián)系是多一對應(yīng)函數(shù)關(guān)系(反之，則為一多對應(yīng)函數(shù)關(guān)系)，即多個(gè)學(xué)生對應(yīng)一個(gè)房間。

(c)多對多聯(lián)系：對于實(shí)體集A中的每一實(shí)體，實(shí)體集B中有n個(gè)實(shí)體(n≥0)與之聯(lián)系，對于實(shí)體集B中的每一實(shí)體，實(shí)體集A中有m個(gè)實(shí)體(m≥0)與之聯(lián)系，可記為m∶n。如教師與學(xué)生這兩個(gè)實(shí)體集間的教與學(xué)的聯(lián)系是多多對應(yīng)函數(shù)關(guān)系，因?yàn)橐粋€(gè)教師可以教授多個(gè)學(xué)生，而一個(gè)學(xué)生又可以受教于多個(gè)教師。

圖11.4所示為實(shí)體之間的三種聯(lián)系。圖11.4實(shí)體之間的三種聯(lián)系

2)?E-R模型表示

E-R模型一個(gè)很好的優(yōu)點(diǎn)是它可以用一種非常直觀的圖來表示，這種圖稱為E-R圖。在E-R圖中，我們分別用下面的不同幾何圖形來表示E-R模型中的概念與聯(lián)接關(guān)系，它們是：

(1)實(shí)體：在E-R圖中用矩形框表示實(shí)體，矩形框內(nèi)注明實(shí)體名稱，例如學(xué)生、課程都是實(shí)體。

(2)屬性：在E-R圖中用橢圓框表示屬性，在橢圓框內(nèi)注明屬性名，屬性依附于實(shí)體。如學(xué)生Student實(shí)體有屬性學(xué)號、姓名、出生日期、性別、班級和高考成績等。

(3)聯(lián)系：在E-R圖中用菱形框表示實(shí)體之間的聯(lián)系，在菱形框內(nèi)給出聯(lián)系名稱，還應(yīng)當(dāng)標(biāo)出實(shí)體間的函數(shù)對應(yīng)關(guān)系，如1∶1，1∶n，n∶m等。顯然，學(xué)生與課程之間是多對多函數(shù)對應(yīng)關(guān)系。如果實(shí)體間是多對多聯(lián)系，那么聯(lián)系也具有屬性。

【例11-1】在學(xué)生選課系統(tǒng)中，有學(xué)生和課程實(shí)體，以及附屬于它們的屬性和實(shí)體之間的聯(lián)系，該系統(tǒng)的E-R圖可以用圖11.5表示。

我們?nèi)菀卓闯?，E-R模型有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：接近于人的思維，容易理解；與計(jì)算機(jī)無關(guān)，用戶容易接受。但是E-R模型只能說明實(shí)體間語義的聯(lián)系，還不能進(jìn)一步說明詳細(xì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在概念上，E-R模型中的實(shí)體、屬性與聯(lián)系是三個(gè)有明顯區(qū)別的不同概念，但是在分析客觀世界的具體事物時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生混淆，以致區(qū)別不清。這是構(gòu)造E-R模型最困難的一點(diǎn)。解決該困難主要靠經(jīng)驗(yàn)與積累，當(dāng)然也有一些規(guī)則可循，但關(guān)鍵是與應(yīng)用背景以及設(shè)計(jì)人員的理解有關(guān)。圖11.5學(xué)生選課系統(tǒng)的E-R圖

2．結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型

實(shí)體聯(lián)系模型反映了實(shí)體之間的聯(lián)系，是人們對現(xiàn)實(shí)世界客觀事物之間聯(lián)系的認(rèn)識(shí)。而結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型是實(shí)體聯(lián)系模型的數(shù)據(jù)化，實(shí)體聯(lián)系模型和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型是對現(xiàn)實(shí)世界中客觀事物及其聯(lián)系在信息世界和數(shù)據(jù)世界的兩級抽象描述。在建立了實(shí)體聯(lián)系模型之后，就可以著手建立數(shù)據(jù)模型。借助于數(shù)據(jù)模型，能夠更徹底、更精確地表達(dá)客觀事物的內(nèi)在關(guān)系。

數(shù)據(jù)模型的種類很多，用于不同的使用范圍。目前常用的數(shù)據(jù)模型有層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型三種。

1)層次模型

層次模型如圖11.6所示，其基本結(jié)構(gòu)是樹形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)方式在現(xiàn)實(shí)世界中很普遍，如家族結(jié)構(gòu)、行政組織機(jī)構(gòu)，它們自頂向下、層次分明。層次模型通常是用樹形結(jié)構(gòu)來表示各類實(shí)體及實(shí)體間的一對多聯(lián)系(包括一對一聯(lián)系)，每一個(gè)結(jié)點(diǎn)表示一個(gè)記錄類型，結(jié)點(diǎn)間的連線表示記錄類型間的聯(lián)系。圖11.6層次模型示意圖層次模型具有如下特征：

(1)有且只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)，無雙親結(jié)點(diǎn)，該結(jié)點(diǎn)稱之為根結(jié)點(diǎn)。

(2)根以外的其他結(jié)點(diǎn)有且只有一個(gè)雙親結(jié)點(diǎn)，這就使得層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)只能直接處理一對多的實(shí)體關(guān)系。

(3)任何一個(gè)給定的記錄值只有按其路徑查看時(shí)，才能顯出它的全部意義，沒有一個(gè)子女記錄能夠脫離雙親記錄值而獨(dú)立存在。在層次模型中，同一雙親的子女結(jié)點(diǎn)稱為兄弟結(jié)點(diǎn)，沒有子女的結(jié)點(diǎn)稱為葉子結(jié)點(diǎn)。

在層次模型中，每個(gè)結(jié)點(diǎn)描述一個(gè)實(shí)體型，稱為記錄型。一個(gè)記錄型可以有許多記錄值，簡稱記錄。結(jié)點(diǎn)之間的有向線段表示記錄之間的聯(lián)系。如果要存取某一記錄型的記錄，可以從根結(jié)點(diǎn)開始，按照有向樹層次逐層向下查找，查找路徑就是存取路徑。

2)網(wǎng)狀模型

網(wǎng)狀模型是一種較為通用的模型，從圖論觀點(diǎn)看，它是一個(gè)不加任何條件限制的無向圖。在圖論中，這種圖稱為網(wǎng)絡(luò)，因此這種模型就稱為網(wǎng)狀模型。

網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型是一種比層次模型更具普遍性的結(jié)構(gòu)，它可以更直接地描述現(xiàn)實(shí)世界。從下面的特征不難看出，層次結(jié)構(gòu)實(shí)際上是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的一個(gè)特例。網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的特征是：

(1)允許多個(gè)結(jié)點(diǎn)無雙親結(jié)點(diǎn)。

(2)允許結(jié)點(diǎn)有多個(gè)雙親結(jié)點(diǎn)。

(3)允許兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間有多種聯(lián)系。

與層次模型一樣，網(wǎng)狀模型中也是每個(gè)結(jié)點(diǎn)表示一個(gè)記錄類型，每個(gè)記錄類型可以包含若干項(xiàng)，結(jié)點(diǎn)間的連線表示記錄類型之間的父子關(guān)系，網(wǎng)狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以有很多種。

網(wǎng)狀模型能夠直接描述現(xiàn)實(shí)世界的多種復(fù)雜聯(lián)系，具有良好的性能，存取效率高，能取代任何層次結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，但其數(shù)據(jù)定義語言(DDL)復(fù)雜，數(shù)據(jù)獨(dú)立性較差。

3)關(guān)系模型

關(guān)系模型的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)是建立在集合代數(shù)上的，它是目前廣為應(yīng)用的一種重要的數(shù)據(jù)模型。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)組織、管理與檢索等都是基于數(shù)學(xué)理論的方法來處理數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)本身和數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。

關(guān)系模型的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是二維表，簡稱表。關(guān)系模型中的操作是建立在二維表上的操作，它包括對一張表及多張表間的查詢，對一張表的刪除、插入及修改操作。

IBM公司的E.F.Codd于1970年6月在一篇論文《大型共享數(shù)據(jù)庫的關(guān)系模型》(arelationalmodelforlargeshareddatabanks)中提出了關(guān)系模型與關(guān)系模型數(shù)據(jù)庫的概念與理論，并用數(shù)學(xué)理論作為該模型的基礎(chǔ)支撐。關(guān)系模型數(shù)據(jù)庫由于結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、理論成熟而引來了越來越多的用戶，20世紀(jì)80年代以后，它已成為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的主流模型。目前主要的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品有ORACLE、FoxPro、SQLServer、ACCESS等。關(guān)系模型由關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、關(guān)系操作及關(guān)系的完整性約束三部分組成。

(1)關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

①關(guān)系。一個(gè)關(guān)系對應(yīng)于一張二維表，每個(gè)關(guān)系有一個(gè)關(guān)系名。從縱向看，表中的一行稱為一個(gè)元組，每行數(shù)據(jù)也稱為一個(gè)記錄；關(guān)系在每個(gè)橫向上由若干個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)組成，稱為屬性或字段。表11.3給出了一個(gè)學(xué)生(Student)二維表的例子。

二維表具有的性質(zhì)有元組個(gè)數(shù)有限性、元組的唯一性、元組的次序無關(guān)性、屬性名唯一性、屬性的次序無關(guān)性。

②碼。碼是關(guān)系模型中的一個(gè)重要概念，它具有標(biāo)識(shí)元組、建立元組間聯(lián)系等重要作用。

●碼：在二維表中凡能唯一最小標(biāo)識(shí)元組的屬性集稱為該表的碼或稱關(guān)鍵字。

●候選碼：二維表中可能有若干個(gè)碼，它們稱為該表的候選碼或稱候選關(guān)鍵字。

●主碼：從二維表的所有候選碼中選取一個(gè)作為用戶使用的碼稱為主碼(或稱主關(guān)鍵字)，一般主碼也簡稱碼。

●外碼：若表A中的某屬性集是某表B的碼，則稱該屬性集為A的外碼(或稱外關(guān)鍵字)。③關(guān)系模式。關(guān)系的描述稱為關(guān)系模式，一個(gè)關(guān)系模式應(yīng)當(dāng)是一個(gè)五元組。關(guān)系模式可以形式化地表示為

R(U，D，DOM，F(xiàn))

其中，R為關(guān)系名，U為組成該關(guān)系的屬性名集合，D為屬性組U中屬性所來自的域，DOM為屬性向域的映射集合，F(xiàn)為屬性間數(shù)據(jù)的依賴關(guān)系集合。

關(guān)系模式通?？梢院営洖?/p>

R(A1，A2，…，An)

其中，R為關(guān)系名，A1，A2，…，An為屬性名。而域名及屬性向域的映射常常直接說明為屬性的類型、長度。

E-R模型可用關(guān)系模式表示。如圖11.5所示的E-R圖可用下面的關(guān)系模式表示：

學(xué)生Student(學(xué)號，姓名，出生日期，性別，班級，宿舍，高考成績)

選課Score(學(xué)號，課程號，成績)

課程Course(課程號，課程名，學(xué)分，教師)

表11.4給出了E-R模型與關(guān)系術(shù)語間的比較。④關(guān)系和關(guān)系模式的區(qū)別。關(guān)系實(shí)際上就是關(guān)系模式在某一時(shí)刻的狀態(tài)或內(nèi)容。也就是說，關(guān)系模式是型，關(guān)系是它的值。關(guān)系模式是靜態(tài)的、穩(wěn)定的，而關(guān)系是動(dòng)態(tài)的、隨時(shí)間不斷變化的，因?yàn)殛P(guān)系操作在不斷地更新著數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。但在實(shí)際應(yīng)用中，常把關(guān)系模式和關(guān)系統(tǒng)稱為關(guān)系。

(2)關(guān)系操作。

關(guān)系模型的數(shù)據(jù)操作即是建立在關(guān)系上的數(shù)據(jù)操作，一般有查詢、增加、刪除及修改四種操作。這四種操作的對象都是關(guān)系，而操作結(jié)果也是關(guān)系。這四種操作可以分解成六種基本操作：關(guān)系的屬性指定、關(guān)系的元組選擇、兩個(gè)關(guān)系合并、一個(gè)或多個(gè)關(guān)系的查詢、關(guān)系中元組的插入和關(guān)系中元組的刪除。

①關(guān)系的屬性指定：指定一個(gè)關(guān)系內(nèi)的某些屬性，用它確定關(guān)系這個(gè)二維表中的列。

②關(guān)系的元組選擇：用一個(gè)邏輯表達(dá)式給出關(guān)系中所滿足此表達(dá)式的元組，用它確定關(guān)系這個(gè)二維表的行。

利用前面兩種操作可確定一張二維表內(nèi)滿足一定行、列要求的數(shù)據(jù)。③兩個(gè)關(guān)系合并：將兩個(gè)關(guān)系合并成一個(gè)關(guān)系。用此操作可以不斷合并，從而可以將若干個(gè)關(guān)系合并成一個(gè)關(guān)系，以建立多個(gè)關(guān)系間操作。

④關(guān)系的查詢：在一個(gè)關(guān)系或多個(gè)關(guān)系間進(jìn)行查詢，查詢的結(jié)果也為關(guān)系。

⑤關(guān)系中元組的插入：在關(guān)系中增添一些元組。

⑥關(guān)系中元組的刪除：在關(guān)系中刪除一些元組。

(3)關(guān)系完整性約束。

關(guān)系模型的完整性規(guī)則是用來約束關(guān)系的，以保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的正確性和一致性。關(guān)系模型的完整性共有三類：實(shí)體完整性、參照完整性和用戶定義的完整性。

●實(shí)體完整性規(guī)則：要求表上的主關(guān)鍵字中屬性值不能為空值，這是數(shù)據(jù)庫完整性的最基本要求。因?yàn)橹麝P(guān)鍵字是唯一決定元組的，如為空值，則其唯一性就成為不可能的了?！駞⒄胀暾砸?guī)則：也是完整性中的基本規(guī)則，它要求不允許引用不存在的元組，亦即是說在表中的外關(guān)鍵字要么為空值，要么其關(guān)聯(lián)表中必存在元組。如在表Student(學(xué)號，姓名，出生日期，性別，班級，宿舍，高考成績)與Score(學(xué)號，課程編號，成績)中，Score中主關(guān)鍵字為(學(xué)號，課程編號)，而外關(guān)鍵字為學(xué)號，Score與Student通過學(xué)號相關(guān)聯(lián)，而參照完整性規(guī)則要求Score中的學(xué)號的值必在Student中有相應(yīng)元組值，如有Score(0502001，03003，60)則必在Student中存在Student(0502001,…,…,…)。

參照完整性規(guī)則給出了表之間相關(guān)聯(lián)的基本要求。

上述兩種規(guī)則是關(guān)系數(shù)據(jù)庫所必須遵守的規(guī)則，因此任何一個(gè)RDBMS必須由系統(tǒng)自動(dòng)支持?！裼脩舳x的完整性規(guī)則：是針對具體數(shù)據(jù)環(huán)境與應(yīng)用環(huán)境由用戶具體設(shè)置的規(guī)則，它反映了具體應(yīng)用中數(shù)據(jù)的語義要求。

在實(shí)際系統(tǒng)中，完整性規(guī)則一般應(yīng)在建立數(shù)據(jù)庫中的表時(shí)進(jìn)行定義，應(yīng)用編程人員不需再做考慮。如果某些約束條件沒有建立在表一級，則應(yīng)用編程人員應(yīng)在各模塊的具體編程中通過程序進(jìn)行檢驗(yàn)和控制。11.2.3關(guān)系代數(shù)

關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點(diǎn)之一是它建立在數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)之上。目前，很多數(shù)學(xué)理論可以表示關(guān)系模型，其中最為著名的是關(guān)系代數(shù)與關(guān)系演算。關(guān)系代數(shù)是用代數(shù)的方法表示關(guān)系模型，而關(guān)系演算則是用邏輯方法表示關(guān)系模型，我們這里只介紹關(guān)系代數(shù)。

1．關(guān)系的表示

關(guān)系是由若干個(gè)不同元組所組成的，因此關(guān)系可視為元組的集合。一個(gè)n元關(guān)系，它的元組可視為一個(gè)n元有序組，因此，我們說n元關(guān)系是一個(gè)(n元)有序組的集合。設(shè)有一n元關(guān)系R，它有n個(gè)域，分別是D1，D2，…，Dn，此時(shí)，它的笛卡爾乘積是

D1×D2×…×Dn

這個(gè)笛卡爾乘積給出了這樣一個(gè)集合，它的每個(gè)元素都是具有如下形式的n元有序組：

(d1，d2，…,dn)di∈Di?(i=1,2,…,n)

它與n元關(guān)系R有如下聯(lián)系：

R

D1×D2×…×Dn

因此我們說，n元關(guān)系R是n元有序組的集合，是它的域的笛卡爾乘積子集。

【例11-2】

表11.3所示的關(guān)系Student可用6個(gè)7元有序組所組成的集合表示。

Student＝{(0502001，張三，1986-1-1，男，電子061，3#101，600)，(0502002，趙明，1987-5-26，男，電子061，3#102，589)，(0502003，楊麗，1986-6-1，女，電子062，3#102，621)，(0501001，李四，1986-1-21，男，信息061，6#101，580)，(0501002，李紅，1987-10-16，女，信息061，6#101，611)，(0501003，王飛，1986-12-7，男，信息061，6#102，598)}

2．關(guān)系基本運(yùn)算

1)關(guān)系代數(shù)的運(yùn)算符

●集合運(yùn)算符：∪(并)、-(差)、∩(交)、×(笛卡爾乘積)

●專門的關(guān)系運(yùn)算符：

(選擇)、П(投影)、∞(連接)、÷(除)

●比較運(yùn)算符：

={>，≥，<，≤，=，≠}

●邏輯運(yùn)算符：∧(邏輯“與”and)、∨(邏輯“或”or)和

(n邏輯“非”not)。

2)傳統(tǒng)的集合運(yùn)算

傳統(tǒng)的集合運(yùn)算都是二元運(yùn)算，所謂二元運(yùn)算是指運(yùn)算的對象為兩個(gè)。傳統(tǒng)的集合運(yùn)算如圖11.7所示。圖11.7傳統(tǒng)的集合運(yùn)算

(1)并(Union)運(yùn)算：設(shè)關(guān)系R和關(guān)系S具有相同的目n(即兩個(gè)關(guān)系都有n個(gè)屬性)，且相應(yīng)的屬性取自同一個(gè)域，則關(guān)系R與關(guān)系S的并由屬于R或?qū)儆赟的元組組成。其結(jié)果關(guān)系仍為n目關(guān)系，記做：

R∪S={t|t∈R∨t∈S}

其中t代表元組。

【例11-3】

利用表11.5和表11.6中所示的數(shù)據(jù)做并運(yùn)算，得到的結(jié)果如表11.7所示。表11.5關(guān)系R表11.6關(guān)系S表11.7R∪S

(2)差(Difference)運(yùn)算：設(shè)關(guān)系R和關(guān)系S具有相同的目n，且相應(yīng)的屬性取自同一個(gè)域，則關(guān)系R與關(guān)系S的差由屬于R而不屬于S的所有元組組成。其結(jié)果關(guān)系仍為n目關(guān)系。記做：

R-S={t|t∈R∧t∈S}

【例11-4】

利用表11.5和表11.6中所示的數(shù)據(jù)做差運(yùn)算，得到的結(jié)果如表11.8所示。

(3)交(Intersection)運(yùn)算：設(shè)關(guān)系R和關(guān)系S具有相同的目n，且相應(yīng)的屬性取自同一個(gè)域，則關(guān)系R與關(guān)系S的交由既屬于R又屬于S的元組組成。其結(jié)果關(guān)系仍為n目關(guān)系。記做：

R∩S={t|t∈R∧t∈S}

【例11-5】利用表11.5和表11.6中所示的數(shù)據(jù)做交運(yùn)算，得到的結(jié)果如表11.9所示。表11.8R-S表11.9R∩S關(guān)系的交運(yùn)算可以用差運(yùn)算表示：

R∩S=R-(R-S)

(4)笛卡爾乘積(CartesianProduct)運(yùn)算：對于兩個(gè)關(guān)系的合并操作可以用笛卡爾乘積表示，設(shè)有關(guān)系R，S，它們分別為n、m元關(guān)系，分別有p、q個(gè)元組，此時(shí)，關(guān)系R與S經(jīng)笛卡爾乘積所得的關(guān)系T是一個(gè)n+m元關(guān)系，它的有序組個(gè)數(shù)是p×q，T的有序組是由R與S的有序組組合而成的。關(guān)系R與S的笛卡爾乘積可寫為

R?×?S

【例11-6】兩個(gè)關(guān)系R、S及它們的笛卡爾乘積T=R×S如表11.10所示。

3)專門的關(guān)系運(yùn)算

(1)投影(Projection)運(yùn)算：在關(guān)系內(nèi)選取若干個(gè)屬性的運(yùn)算叫投影運(yùn)算。投影運(yùn)算是一個(gè)一元運(yùn)算，一個(gè)關(guān)系通過投影運(yùn)算(并由該運(yùn)算給出所指定的屬性)后仍為一個(gè)關(guān)系R‘。R’是這樣一個(gè)關(guān)系，它是R中投影運(yùn)算所指出的那些屬性所組成的關(guān)系。設(shè)R有n個(gè)屬性：A1，A2,…,An,則在R上對屬性Ai1，Ai2,…,Aim(Aij∈{A1，A2,…,An})的投影可表示成下面的一元運(yùn)算：

∏Ai1,Ai2,…Aim(R)

【例11-7】對表11.3所示的關(guān)系Student在姓名和班級投影上可得到：

∏姓名.班級(Student)＝{(張三，電子061)，(趙明，電子061)，(楊麗，電子061)，(李四，信息061)，(李紅，信息061)，(王飛，信息061)}

(2)選擇(selection)運(yùn)算：選擇運(yùn)算是對關(guān)系內(nèi)的元組進(jìn)行選擇。選擇運(yùn)算也是一個(gè)一元運(yùn)算，關(guān)系R通過選擇運(yùn)算(并由該運(yùn)算給出所選擇的邏輯條件)后仍為一個(gè)關(guān)系，這個(gè)關(guān)系是由R中那些滿足邏輯條件的有序組所組成的。設(shè)關(guān)系的邏輯條件為F，則R滿足F的選擇運(yùn)算可寫為

σF(R)邏輯條件F是一個(gè)邏輯表達(dá)式，它由下面的規(guī)則組成：

①它可以具有

θ?b的形式，其中

、b是域(變量)或常量，但

、b又不能同為常量，θ是比較符，它可以是<、>、≤、≥、＝及≠。

θ?b叫基本邏輯條件。

②可由若干個(gè)基本邏輯條件經(jīng)邏輯運(yùn)算∧(與)、∨(或)構(gòu)成，稱為復(fù)合邏輯條件。

【例11-8】

在表11.3所示的關(guān)系Student中找出高考成績大于610分的所有元組：

σ(高考成績>610)(Student)={(0502003，楊麗，1986-6-1，女，電子062，3#102，621)，(0501002，李紅，1987-10-16，女，信息061，6#101，611)}

【例11-9】在關(guān)系Student中找出高考成績大于610分且在信息061班學(xué)習(xí)的學(xué)生，可以寫為

σ(高考成績>610)∧(班級=‘信息061’)(Student)={(0501002，李紅，1987-10-16，女，信息061，6#101，611)}

【例11-10】

在關(guān)系Student中查出所有高考成績大于610分的學(xué)生學(xué)號，可以寫為

∏學(xué)號σ高考成績>610(Student)＝{(0502003)，(0501002)}

(3)連接運(yùn)算：是將兩個(gè)關(guān)系連接起來，以滿足查詢?nèi)蝿?wù)的要求，連接運(yùn)算是二元運(yùn)算。實(shí)際上，我們前面所講的關(guān)系笛卡爾積運(yùn)算就是一種連接運(yùn)算，是兩個(gè)關(guān)系的最大連接。前面我們也提到笛卡爾積運(yùn)算的結(jié)果，產(chǎn)生了很多沒有實(shí)際意義的記錄，而連接運(yùn)算是將兩個(gè)關(guān)系連接起來，獲得與用戶查詢有關(guān)的新關(guān)系。關(guān)系的連接有兩類：條件連接和自然連接。

①條件連接。條件連接運(yùn)算的運(yùn)算符是“

F”，是將兩個(gè)關(guān)系有條件的連接起來。因此，連接運(yùn)算在某種意義上說是一種復(fù)合運(yùn)算，可以理解為先將兩個(gè)關(guān)系進(jìn)行笛卡爾積運(yùn)算，再對連接結(jié)果做選擇運(yùn)算。連接運(yùn)算記為

R

FS={t|t=(t1,t2)∧t1∈R∧t2∈S∧F(t)}

其中：F(t)=R(i)θS(j)。

上面對關(guān)系R、S的運(yùn)算等價(jià)于：

R

θS=δR(i)θS(j)(R×S)

即對關(guān)系R和關(guān)系S先進(jìn)行笛卡爾積運(yùn)算，然后對運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行選擇運(yùn)算，選擇滿足條件R(i)θS(j)的記錄。在條件R(i)θS(j)中，“θ”是條件運(yùn)算符，可以是≤、≥、<、=、>這幾個(gè)條件運(yùn)算符；R(i)表示關(guān)系R元組的第i個(gè)分量；S(j)表示關(guān)系S元組的第j個(gè)分量。

現(xiàn)在我們可以完整地說明條件連接運(yùn)算的定義：連接運(yùn)算是將兩個(gè)關(guān)系進(jìn)行笛卡爾積，再從笛卡爾積中選擇滿足一定條件記錄的運(yùn)算，選擇的條件可以是兩個(gè)關(guān)系的元組分量是否滿足某種條件，這類條件稱為“θ”條件，也可以是一個(gè)一般的條件，稱為“F”條件。F為一個(gè)一般的條件表達(dá)式。

②自然連接。自然連接的運(yùn)算符是“”，是一種特殊的條件連接，它要求進(jìn)行連接的兩個(gè)關(guān)系具有相同的屬性組，連接的條件就是兩個(gè)相同屬性組的分量相等，并且在連接的結(jié)果中把重復(fù)的屬性去掉。因此，自然連接可以理解為將兩個(gè)有相同屬性的關(guān)系按對應(yīng)屬性值相等的條件進(jìn)行連接，再對連接的結(jié)果進(jìn)行投影運(yùn)算。自然連接運(yùn)算記為

R

S=∏m1，m2，…，mn(σR.A1=S.A1∧R.A2=S.A2∧…∧R.AK=S.AK(R×S))

其中σ選擇的條件是關(guān)系R和關(guān)系S相同的屬性對應(yīng)相等。上式中，表示關(guān)系R和關(guān)系S有K個(gè)相同的屬性，連接的條件是這K個(gè)屬性對應(yīng)相等；投影的屬性m1，m2，…，mn是R的所有屬性和S屬性中除了S.A1，S.A2，…，S.AK之外的所有屬性。

自然連接是一種常用的關(guān)系運(yùn)算，當(dāng)查詢數(shù)據(jù)涉及兩個(gè)關(guān)系時(shí)，通常需將兩個(gè)關(guān)系進(jìn)行自然連接。自然連接比關(guān)系的笛卡爾積、條件連接運(yùn)算使用得多。

【例11-11】

兩個(gè)關(guān)系R和S，RS如表11.11所示。

11.3.1概述

規(guī)范化理論首先是由E.F.Codd于1971年提出的，目的是要設(shè)計(jì)“好的”關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式。規(guī)范化是在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中減少數(shù)據(jù)冗余的過程。為討論關(guān)系數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論，我們先看一個(gè)例子。假設(shè)需設(shè)計(jì)一個(gè)教學(xué)管理數(shù)據(jù)庫，它的屬性有：學(xué)號，姓名，性別，班級，課程號，名稱，學(xué)分，成績，由此構(gòu)造出如表11.12所示的關(guān)系。

11.3關(guān)系數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論

我們很容易看出這個(gè)關(guān)系有如下缺點(diǎn):

(1)數(shù)據(jù)冗余。在這個(gè)關(guān)系中，一個(gè)學(xué)生如選修n門課，則這個(gè)學(xué)生的信息就要重復(fù)n遍。如張三這個(gè)學(xué)生修讀八門課，在這個(gè)數(shù)據(jù)庫中有關(guān)他的所有信息就要重復(fù)八次，這就造成了數(shù)據(jù)的冗余。

(2)插入異常。在這個(gè)關(guān)系中，如果我們要插入一門將來要開設(shè)的課程的信息，但現(xiàn)在學(xué)生還沒有選修，則無法將其存入這個(gè)數(shù)據(jù)庫內(nèi)，這種現(xiàn)象就叫插入異常。

(3)刪除異常。關(guān)系中的0501002的李紅由于某種原因轉(zhuǎn)學(xué)，因而有關(guān)她的信息在數(shù)據(jù)庫中就要被刪除，但在刪除李紅信息時(shí)，連課程07101化學(xué)的相關(guān)信息也同時(shí)被刪除了(恰好在這個(gè)數(shù)據(jù)庫中，只有在李紅這個(gè)元組中記載有化學(xué)課程的有關(guān)信息)，這種現(xiàn)象就叫刪除異常。

是什么原因引起數(shù)據(jù)冗余及插入、刪除異?，F(xiàn)象的出現(xiàn)呢？這是因?yàn)槲覀兯獦?gòu)造的數(shù)據(jù)庫中的各屬性間是相互關(guān)聯(lián)的，它們之間互相依賴、互相制約，構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)嚴(yán)密的整體。因此，在構(gòu)造關(guān)系模式方案時(shí)，必須從語義上摸清這些關(guān)聯(lián)，將互相依賴的屬性構(gòu)成單獨(dú)的模式。每一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的每個(gè)關(guān)系模式的屬性間一定要滿足某種內(nèi)在聯(lián)系，而這種聯(lián)系又可將對關(guān)系的不同要求分為若干個(gè)等級，這就叫做關(guān)系的規(guī)范化(normalization)。規(guī)范化可根據(jù)不同的要求而分成若干個(gè)級別。

11.3.2規(guī)范化理論

關(guān)系數(shù)據(jù)庫中關(guān)系規(guī)范化的問題在1970年Codd提出關(guān)系模型時(shí)就同時(shí)被提出來，關(guān)系規(guī)范化可按屬性間不同的依賴程度分為第一范式、第二范式、第三范式、Boyce-Codd范式以及第四范式。人們對規(guī)范化的認(rèn)識(shí)是有一個(gè)過程的，在1970年就已發(fā)現(xiàn)屬性間的函數(shù)依賴關(guān)系，從而定義了與函數(shù)依賴關(guān)系有關(guān)的第一、第二、第三及Boyce-Codd范式。在1976～1978年間，F(xiàn)agin、Delobe及Zanjolo發(fā)現(xiàn)了多值依賴關(guān)系，從而定義了與多值依賴有關(guān)的第四范式。

1．函數(shù)依賴

函數(shù)依賴是關(guān)系模式內(nèi)屬性間最常見的一種依賴關(guān)系。例如在關(guān)系模式Student中，學(xué)號與宿舍間有一種依賴關(guān)系，即學(xué)號的值一經(jīng)確定后，宿舍的值也隨之唯一地確定了，此時(shí)即稱學(xué)號函數(shù)決定宿舍或稱宿舍函數(shù)依賴于學(xué)號，它可用下面的符號表示：

學(xué)號→宿舍

同樣，我們還可以有：

學(xué)號→班級

學(xué)號→高考成績關(guān)系模式成績中的學(xué)號與成績間則沒有函數(shù)依賴關(guān)系，這是因?yàn)橐粋€(gè)確定的學(xué)號可以允許有多個(gè)成績(它們分別對應(yīng)于不同的課程)，即成績并不能唯一地確定，但是(學(xué)號，課程號)與成績間則存在著函數(shù)依賴關(guān)系，即有：

(學(xué)號，課程號)→成績●函數(shù)依賴：設(shè)有關(guān)系模式R(A1，A2，…，An)，簡記為R(U)，其中U={A1，A2，…，An}。設(shè)X、Y是U的子集，r是R的任一具體關(guān)系，r的任意兩條記錄t1、t2，若t1[X]=t2[X]

(記錄t1、t2在X上的屬性值相等)，則t1[Y]=t2[Y](記錄t1、t2在Y上的屬性值相等)，則稱X函數(shù)決定Y，或Y函數(shù)依賴于X，記為X→Y。

●非平凡的函數(shù)依賴：一個(gè)函數(shù)依賴關(guān)系X→Y如滿足Y

X，則稱此函數(shù)依賴是非平凡的函數(shù)依賴。

●完全函數(shù)依賴：R(U)中如有X、Y

U，滿足X→Y且對任何X的真子集X'，都有X'→Y'，則稱Y完全函數(shù)依賴于X。●部分函數(shù)依賴：在關(guān)系模式R(U)中，如果X→Y，并且至少存在X的一個(gè)真子集X1，使得X1→Y成立，則稱Y部分依賴于X。

舉例：(學(xué)號，課程號)→姓名

●傳遞函數(shù)依賴：在關(guān)系模式R(U)中，如果X→Y，Y→Z，且Y

X，Y→X，則稱Z傳遞依賴于X。

舉例：學(xué)號→系地址(學(xué)號→系名稱，系名稱→系地址)●候選關(guān)鍵字：在關(guān)系模式R(U)中，K是U中的屬性或?qū)傩越M，如果K完全函數(shù)決定整個(gè)元組，則稱K為關(guān)系R(U)的一個(gè)候選關(guān)鍵字。如：學(xué)生關(guān)系中的(學(xué)號)，選課關(guān)系中的(學(xué)號，課程號)就是候選關(guān)鍵字。

●關(guān)鍵字：也稱主鍵，當(dāng)候選鍵多于一個(gè)時(shí)，可以選中其中的一個(gè)作為關(guān)鍵字。

●主屬性和非主屬性：包含在任意一個(gè)候選關(guān)鍵字中的屬性稱為主屬性，不包含在任意一個(gè)候選關(guān)鍵字中的屬性稱為非主屬性。如上例中的“學(xué)號”、“課程號”都為主屬性，而“成績”就是非主屬性?！裢怅P(guān)鍵字：外關(guān)鍵字的定義是，在關(guān)系模式R(U)中，若屬性或?qū)傩越MX不是關(guān)系R的關(guān)鍵字，但X是其客觀存在關(guān)系模式的關(guān)鍵字，則稱X為關(guān)系R(U)的外關(guān)鍵字。如選課關(guān)系中的“學(xué)號”不是該關(guān)系的關(guān)鍵字，但卻是學(xué)生關(guān)系的關(guān)鍵字，所以“學(xué)號”是選課關(guān)系的外關(guān)鍵字。

2．關(guān)系的范式

范式的定義與屬性間的依賴關(guān)系有密切關(guān)系，這里我們只介紹常用的幾個(gè)范式。一個(gè)較低范式的關(guān)系可以通過關(guān)系的無損分解轉(zhuǎn)換為若干較高級的范式關(guān)系的集合，這一過程就稱做關(guān)系規(guī)范化。

1)第一范式(1NF)

1NF：如果關(guān)系R的所有屬性都是不可再分的數(shù)據(jù)項(xiàng)，則稱該關(guān)系屬于第一范式。

1NF存在許多問題，如數(shù)據(jù)冗余大、修改麻煩、插入異常、刪除異常等。

1NF是從關(guān)系的基本特征要求而來的，任何關(guān)系必須遵守。1NF的實(shí)質(zhì)就是消除表中有表，使表中的每一個(gè)元組分量都不可再分。

2)第二范式(

2NF)

若關(guān)系模式R∈1NF，且每一個(gè)非主屬性完全函數(shù)依賴于關(guān)系R的某個(gè)候選鍵，則關(guān)系R為第二范式，記為R∈2NF。

2NF就是不允許關(guān)系模式的非主屬性與候選鍵之間的部分函數(shù)依賴，如關(guān)系模式R(教師號，教師姓名，電話，課程號，課程名)的候選鍵是(教師號，課程號)，即：

(教師號，課程號)→課程名

但課程號是(教師號，課程號)的子集，實(shí)際上，

課程號→課程名也就是說，在關(guān)系R中存在著非主屬性對候選鍵的部分依賴，因此，關(guān)系R不是第二范式?？蓪㈥P(guān)系R分解為

R1(教師號，教師姓名，聯(lián)系地址)

R2(教師號，課程號，課程名)

3)第三范式(3NF)

若關(guān)系模式R∈2NF，且每一個(gè)非主屬性都不傳遞依賴于某個(gè)候選鍵，則關(guān)系R屬于第三范式，記為：R∈3NF。

【例11-12】

我們來考察關(guān)系模式：S(S#，SNAME，AGE，DNO，DEAN)，其中：

S#：學(xué)號 SNAME：學(xué)生姓名

AGE：學(xué)生年齡 DNO：學(xué)生所在的系號

DEAN：學(xué)生所在系的系名

這個(gè)關(guān)系模式中存在的函數(shù)依賴集為

F={S#→NAME，s#→AGE，s#→DNO，DNO→DEAN}

在這個(gè)關(guān)系模式中，顯然S#→(S#，SNAME，AGE，DNO，DEAN)，即S#是關(guān)系模式的候選鍵，且是唯一的候選鍵，并且，非主屬性對候選鍵是完全函數(shù)依賴，不存在非主屬性對候選鍵的部分函數(shù)依賴。因此，關(guān)系模式S∈2NF，然而S#→DEAN是由S#→DNO，DNO→DEAN兩個(gè)函數(shù)依賴推出的，我們稱系名(DEAN)傳遞依賴于學(xué)號(S#)，因此S不屬于第三范式。

我們考察關(guān)系模式S的關(guān)系實(shí)例，很容易發(fā)現(xiàn)這種關(guān)系中同樣存在著前面提到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)操作的弊端。如果將上述關(guān)系分解成：

S1=(S#，SNAME，AGE，DNO)

S2=(DNO，DEAN)

則S1∈3NF，S2∈3NF，它們各自的關(guān)系實(shí)例克服了存儲(chǔ)上的數(shù)據(jù)冗余及操作上的更新異常、刪除異常、插入異常等問題。

4)?Boyce-Codd范式(BCNF)

通常認(rèn)為BCNF是修正的第三范式，比3NF又進(jìn)一步，即如果關(guān)系R∈3NF，且關(guān)系的每一個(gè)屬性都不傳遞依賴于R的任何候選鍵，則該關(guān)系就屬于BCNF。

3．總結(jié)

1)關(guān)系規(guī)范化的本質(zhì)

關(guān)系規(guī)范化的本質(zhì)就是對一個(gè)關(guān)系進(jìn)行一層一層的分解，逐步消除其中存在的部分依賴和傳遞依賴，達(dá)到較高的范式。

分解后的范式并不是越高越好，因?yàn)榉妒皆礁撸P(guān)系所表達(dá)的信息內(nèi)容越單純，關(guān)系互相之間需要查詢，這樣運(yùn)算速度就會(huì)降低。在實(shí)際應(yīng)用中，我們著重于查詢而很少用到插入、更新和刪除等操作，所以一般也愿意采用較低的范式，因?yàn)檫@樣可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

2)分解關(guān)系的基本原則

關(guān)系規(guī)范化的過程實(shí)質(zhì)就是對關(guān)系不斷分解的過程，通過分解可以使關(guān)系逐步達(dá)到較高一級的范式。分解的方法有很多，方法不同，其分解結(jié)果也不同，應(yīng)根據(jù)原則選擇最好的一種。分解關(guān)系的基本原則如下：

(1)分解必須是無損的(即分解后不應(yīng)丟失信息)，也就是分解后的兩個(gè)關(guān)系通過自然連接能夠恢復(fù)原來的面貌。

(2)分解后的關(guān)系要相互獨(dú)立(避免對一個(gè)關(guān)系的修改涉及到另一個(gè)關(guān)系)。

(3)合理選擇規(guī)范化程度。考慮到存取效率，低級模式造成的冗余度很大，既浪費(fèi)了存儲(chǔ)空間，又影響了數(shù)據(jù)的一致性，因此采用高級范式；若考慮到查詢效率，低級范式又比高級范式好，此時(shí)連接運(yùn)算的代價(jià)較小。這是一對矛盾，應(yīng)根據(jù)情況合理選擇規(guī)范化程度。

(4)正確性與可實(shí)現(xiàn)性原則。

關(guān)系規(guī)范化過程是對關(guān)系逐步分解的過程。每一次分解，都使關(guān)系從較低范式向高一級的范式變換，這種變換是根據(jù)函數(shù)依賴關(guān)系進(jìn)行的。各級范式之間是一種全包含關(guān)系。

3)關(guān)系規(guī)范化的過程

關(guān)系規(guī)范化的過程如圖11.8所示。其中：A指使每個(gè)屬性都不可再分，B指消除其中的部分依賴關(guān)系，C指消除其中的傳遞依賴關(guān)系。圖11.8關(guān)系規(guī)范化的過程11.4關(guān)系數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)中的一個(gè)核心問題就是設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足用戶要求、性能良好的數(shù)據(jù)庫,這就是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)(DatabaseDesign)。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是根據(jù)用戶對象的信息需求、處理需求和數(shù)據(jù)庫的支持環(huán)境(包括硬件、操作系統(tǒng)與DBMS)設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)模式。所謂信息需求，主要是指用戶對象的數(shù)據(jù)及其結(jié)構(gòu)，它反映了數(shù)據(jù)庫的靜態(tài)要求；所謂處理需求，表示用戶對象的數(shù)據(jù)及其結(jié)構(gòu)，它反映了數(shù)據(jù)庫的動(dòng)態(tài)要求。以此兩者為基礎(chǔ)作設(shè)計(jì)，最終的結(jié)果產(chǎn)物是數(shù)據(jù)模式。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中有一定的制約條件，它們即為系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，包括系統(tǒng)軟件、工具軟件以及設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等硬件。因此，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是指在一定平臺(tái)制約下,根據(jù)信息需求與處理需求設(shè)計(jì)出性能良好的數(shù)據(jù)模式。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)目前一般采用生命周期法，它是將整個(gè)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)分解成目標(biāo)獨(dú)立的若干階段。這些階段分別是：

(1)需求分析階段；

(2)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段；

(3)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段；

(4)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段；

(5)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)階段；

(6)數(shù)據(jù)庫運(yùn)行和維護(hù)階段。

下面詳細(xì)介紹數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)過程。11.4.1需求分析

需求分析階段的工作是充分調(diào)查研究，了解用戶需求；了解系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，制定將要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的功能；收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括輸入、處理和輸出數(shù)據(jù)。在這個(gè)過程中，要從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，既要調(diào)查數(shù)據(jù)，又要考慮數(shù)據(jù)處理，也就是數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。需求分析是整個(gè)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)過程中的第一步，也是最重要的一步。

(1)收集資料。收集資料工作是由數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員和用戶共同完成的任務(wù)。強(qiáng)調(diào)各級用戶的參與是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一。

(2)分析整理。分析的過程是對所收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象的過程。結(jié)構(gòu)化分析方法(SA)是常用的分析用戶需求的規(guī)范化的方法，表達(dá)用戶需求的是數(shù)據(jù)字典和數(shù)據(jù)流圖(DFD)。這些文檔成為下個(gè)階段的概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是將來系統(tǒng)維護(hù)的基礎(chǔ)。

(3)數(shù)據(jù)流圖。在系統(tǒng)分析中通常采用數(shù)據(jù)流圖來描述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向和對數(shù)據(jù)的處理功能。

數(shù)據(jù)流圖是描述系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳遞過程的工具，它將數(shù)據(jù)獨(dú)立抽象出來，通過圖形方式描述數(shù)據(jù)的來龍去脈和實(shí)際流向。數(shù)據(jù)流圖可以簡單而清楚地展示管理系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)，即使不是專業(yè)的計(jì)算機(jī)技術(shù)人員也能非常容易理解，它是一種很好的系統(tǒng)功能構(gòu)造的表示方法。

繪制數(shù)據(jù)流圖時(shí)，應(yīng)從已獲得的手工處理流程中去掉物理因素，只保留數(shù)據(jù)、信息處理部分，采用“先主后次，逐步細(xì)化”的方法，即抓住關(guān)鍵數(shù)據(jù)和關(guān)鍵處理。

(4)數(shù)據(jù)字典。除了一套DFD外，還要從原始的數(shù)據(jù)資料中分析整理出下述數(shù)據(jù)信息：數(shù)據(jù)元素的名稱、同義詞、性質(zhì)、取值范圍、提供者、使用者、控制權(quán)限、保密要求、使用頻率、數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)之間聯(lián)系的語義說明、各個(gè)部門對數(shù)據(jù)的要求及數(shù)據(jù)處理要求。

需求分析階段的成果要形成文檔資料，至少包括以下兩項(xiàng)：各項(xiàng)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流圖DFD及有關(guān)說明；對各類數(shù)據(jù)描述的集合，即數(shù)據(jù)字典(DataDictionary，DD)。

(5)用戶確認(rèn)。DFD圖集和DD的內(nèi)容必須返回給用戶，并用非專業(yè)術(shù)語與用戶交流。11.4.2概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

概念結(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的信息結(jié)構(gòu)，是現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)反映，它包括實(shí)體與實(shí)體之間的關(guān)系。概念結(jié)構(gòu)是獨(dú)立于各種數(shù)據(jù)模型的，它是各種數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)，易于向關(guān)系、網(wǎng)狀、層次模型轉(zhuǎn)換。

描述概念結(jié)構(gòu)的工具是E-R圖。在概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，使用E-R方法的基本步驟包括：設(shè)計(jì)局部E-R圖；綜合成初步E-R圖；優(yōu)化成基本E-R圖。

1)設(shè)計(jì)局部E-R圖

設(shè)計(jì)局部E-R圖的任務(wù)是根據(jù)需求分析階段產(chǎn)生的各個(gè)部門的數(shù)據(jù)流圖和數(shù)據(jù)字典中的相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出各項(xiàng)應(yīng)用的局部E-R圖。具體要做以下幾件事情：

●確定實(shí)體和屬性。

●確定聯(lián)系類型。依據(jù)需求分析結(jié)果，考查任意兩個(gè)實(shí)體類型之間是否存在聯(lián)系，若有聯(lián)系，要進(jìn)一步確定聯(lián)系的類型(1∶1，1∶m,n∶m)。在確定聯(lián)系時(shí)應(yīng)特別注意兩點(diǎn)：一是不要丟掉聯(lián)系的屬性；二是盡量取消冗余的聯(lián)系，即取消可以從其它聯(lián)系導(dǎo)出的聯(lián)系。

●畫出局部E-R圖。

2)綜合成初步E-R圖

●局部E-R圖的合并。為了減小合并工作的復(fù)雜性，先兩兩合并。合并從公共實(shí)體類型開始，最后再加入獨(dú)立的局部結(jié)構(gòu)。

●消除沖突。一般有三種類型的沖突：屬性沖突、命名沖突、結(jié)構(gòu)沖突。具體調(diào)整手段可以考慮以下幾種：?①?對同一個(gè)實(shí)體的屬性取各個(gè)分E-R圖相同實(shí)體屬性的并集；?②?根據(jù)綜合應(yīng)用的需要，把屬性轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)體，或者把實(shí)體變?yōu)閷傩?；③?shí)體聯(lián)系要根據(jù)應(yīng)用語義進(jìn)行綜合調(diào)整。

3)優(yōu)化成基本E-R圖

●消除冗余屬性。

●消除冗余聯(lián)系。

概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)過了局部視圖設(shè)計(jì)和視圖集成兩個(gè)步驟之后，其成果應(yīng)形成文檔資料，主要包括：整個(gè)組織的綜合E-R圖及有關(guān)說明；經(jīng)過修訂、充實(shí)的數(shù)據(jù)字典。11.4.3邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

這個(gè)階段的任務(wù)是將概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成與選用的DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型相符合的過程。一般情況下，應(yīng)該是向適合概念模型的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換，然后再挑選合適的軟件DBMS和機(jī)器。但實(shí)際情況往往不是這樣的，當(dāng)概念模型向數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換時(shí)，一個(gè)實(shí)體型轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系模式，而是實(shí)體的屬性就是關(guān)系的屬性，聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系模式。

E-R模型向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換：

E-R模型中的主要成分是實(shí)體類型和聯(lián)系類型。對實(shí)體類型，將每個(gè)實(shí)體類型轉(zhuǎn)換成一個(gè)關(guān)系模式，實(shí)體的屬性即為關(guān)系模式的屬性，實(shí)體標(biāo)識(shí)符即為關(guān)系模式的鍵。對聯(lián)系類型，視1∶1、1∶n、m∶n三種不同的情況做不同處理。①對1∶1,可在兩個(gè)實(shí)體類型轉(zhuǎn)換成的兩個(gè)關(guān)系模式中任意一個(gè)關(guān)系模式的屬性中加入另一個(gè)關(guān)系模式的鍵和聯(lián)系類型的屬性。②對1∶n，則在n端實(shí)體類型轉(zhuǎn)換成的關(guān)系模式中加入1端實(shí)體類型轉(zhuǎn)換成的關(guān)系模式的鍵和聯(lián)系類型的屬性。③對m∶n，則將聯(lián)系類型也轉(zhuǎn)換成關(guān)系模式，其屬性為兩端實(shí)體類型的鍵加上聯(lián)系類型的屬性，而鍵為兩端實(shí)體鍵的組合。數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計(jì)的結(jié)果不是唯一的，還要對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化是指適當(dāng)?shù)匦薷?、調(diào)整數(shù)模型的結(jié)構(gòu)，提高數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系