第18章数据库设计基础(讲稿)

第十八章数据库设计基础本章重要知识点1.数据库系统概述：（1）数据和数据库（2）数据库管理系统（3）数据库发展历史2.数据模型。3.关系数据库：（1）关系数据库术语（2）关系的特点（3）关系模型（4）关系运算4.数据库系统的体系结构5．数据库设计步骤知识点详解与经典例题解析18.1数据库系统概述知识点1数据和数据库数据库是计算机软件的一个重要分支，从本质上讲数据库是数据的集中存储。（1）数据（Data）描述事物的符号记录称为数据。（2）数据库（DataBase，简称DB）数据库是存放数据的仓库，它是储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据的集合。数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和储存，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享。知识点2数据库系统数据库系统是对数据进行存储、管理、处理和维护的计算机软件系统。数据库系统由数据库、数据库管理系统、数据库管理员、计算机硬件系统等几部分组成。知识点3数据库管理系统数据库管理系统是一种在操作系统支持下的系统软件，负责数据库中的数据组织、数据操纵、数据维护、控制及保护和数据服务等。数据库管理系统是数据库系统的核心。数据库管理系统功能：（1）数据模式定义：即为数据库构建其数据框架；（2）资料存取的物理构建：为数据模式的物理存取与构建提供有效的存取方法与手段；（3）资料操纵：为用户使用数据库的数据提供方便，如查询、插入、修改、删除等以及简单的算术运算及统计；（4）数据的完整性、安全性定义与检查；（5）数据库的并发控制与故障恢复；（6）数据的服务：如拷贝、转存、重组、性能监测、分析等。为完成以上六个功能，数据库管理系统提供以下的数据语言：（1）数据定义语言：负责数据的模式定义与数据的物理存取构建；（2）数据操纵语言：负责数据的操纵，如查询与增、删、改等；（3）数据控制语言：负责数据完整性、安全性的定义与检查以及并发控制、故障恢复等。知识点4数据库发展历史数据库系统发展的三个阶段包括：（1）文件系统阶段：提供了简单的数据共享与数据管理能力，但是它无法提供完整的、统一的、管理和数据共享的能力。（2）层次数据库与网状数据库系统阶段：为统一与共享数据提供了有力支撑。（3）关系数据库系统阶段【经典题解】1．数据库管理系统中负责数据模式定义的语言是_________。A)数据定义语言B)数据管理语言C)数据操纵语言D)数据控制语言【答案】A【解析】此题主要考查知识点3中数据库管理系统提供的数据语言。数据定义语言：负责数据的模式定义与数据的物理存取构建，所以本题答案为A。2．数据库管理系统是_________。A）操作系统的一部分B)在操作系统支持下的系统软件C)一种编译系统D)一种操作系统【答案】B【解析】此题主要考查知识点3中数据库管理系统的定义。数据库管理系统是一种系统软件，在操作系统支持下的系统软件。3．数据库系统的核心是_________。【答案】数据库管理系统【解析】此题主要考查知识点3中数据库管理系统的定义。数据库管理系统是数据库系统的核心。18.2数据模型数据模型是数据特征的抽象，它从抽象层次上描述了系统的静态特征、动态特征和约束条件，为数据库系统的信息表示与操作提供了一个抽象的框架。数据模型所描述的内容有三个部分：数据结构、数据操作与数据约束。知识点5数据模型分类根据数据之间的联系方式，数据模型分为：层次模型、网状模型和关系模型。【经典题解】1．层次型、网状型和关系型数据库划分原则是_________。A）记录长度B）文件的大小C）联系的复杂程度D）数据之间的联系方式【答案】D【解析】此题主要考查关系模型分类。数据库划分原则是数据之间的联系方式，所以本题答案为D。18.3关系数据库知识点6关系数据库术语（1）元组。一个关系对应一张二维表，二维表格中的一行称为一个元组或一条记录。（2）属性。二维表格中一列的字段名称为一个属性。（3）分量。关系中每一个具体的元数值。（4）域。属性的取值范围称为域。（5）关键词。可唯一标识元组的属性或属性集称为关键词，又称为主码或候选键。候选码中包含的属性称为主属性。（6）广义笛卡儿积设R和S是两个关系，如果R是m元关系，有k个元组，S是n元关系，有q个元组，则广义笛卡尔积R×S是一个m+n元关系，有k×q个元组，广义笛卡尔积可以记为：图18-1示意了集合的广义笛卡儿积运算。图18-1广义笛卡尔积运算图知识点7关系的特点关系可以看作是二维表，但并不是所有的二维表都是关系。关系数据库对关系是有一些限定的，归纳起来关系具有以下特点：（1）关系中不允许出现相同的元组。（2）关系中元组的顺序可任意。（3）关系中属性的顺序可任意。（4）同一属性名下的各个属性值必须来自同一个域，必须是同一类型的数据。（5）关系中各个属性名不能重名。（6）关系必须规范化，即关系中每一分量必须是不可分的数据项，而不是值的集合。例如表18-1将其规范化，如表18-2所示。表18-1非规范化关系姓名籍贯省市/县张华吉林长春陈明湖北武汉表18-2规范化关系姓名省市/县张华吉林长春陈明湖北武汉知识点8关系模型与层次模型、网状模型比较，关系数据模型是一种最重要的数据模型。关系数据模型包括三个部分：数据结构、关系操作和关系模型的完整性。关系的描述称为关系模式，它包括关系名、组成该关系的属性名及属性与域之间的映像,例如：学生情况（学号，姓名，性别，系别，班级）常用的关系操作有两类：关系代数和关系演算。关系模型的完整性包括：（1）实体完整性实体完整性是指关键词（或主键）的值不能为空或部分为空。如果主键值为空或部分为空，不能唯一标识元组及其相对应的实体。例如，学生情况关系中的属性“学号”可以唯一标识一个元组，即唯一标识一个学生实体。因此，主键“学号”不能为空；教师任课情况表中的主键“姓名+任课名称”不能为空，也不能部分为空。（2）参照完整性如果关系R2的外键X与关系R1的主键相符，则X中的每个值或者等于R1中主键的某一个值，或者取空值。表18-3系别表系别地址计算机系1号楼管理系2号楼电子商务系3号楼英语系4号楼例如，学生情况表中的“系别”在自己表中不是逐主键但在表18-3系别表中是主键，所以“系别”为学生情况表的外键，按照实体完整性规则，学生情况表中某个学生的“系别”取值，必须存在于被参照关系（即系别表）中或者为空。（3）用户定义完整性实体完整性和参照完整性适用于任何关系数据库。除此之外，不同的关系数据库系统根据其应用环境的不同，往往还需要一些特殊的约束条件，用户定义完整性规则就是针对某一具体应用所涉及的数据必须满足的语义要求而提出的。例如，将学生情况表的“性别”的取值定义为“男”或“女”。知识点9关系运算关系运算可以分为传统的集合操作与扩充的关系操作。传统的集合操作包括并、差、交运算；扩充的关系操作包括投影、选择、连接和除法等运算。（1）并（Union）设关系R和S具有相同的关系模式，R和S的并是由属于R或属于S的元组构成的集合，记为R∪S。形式定义如下：R∪S=｛t|t∈R∨t∈S｝，t是元组变数，R和S的元数相同。（2）差（Difference）设关系R和S具有相同的关系模式，R和S的差是由属于R但不属于S的元组构成的集合，记为R-S。形式定义如下：R-S=｛t|t∈R∧tS｝，t是元组变数，R和S的元数相同。（3）交（Intersection）R和S的交是由属于R又属于S的元组构成的集合，记为R∩S。形式定义如下：R∩S=｛t|t∈R∧t∈S｝，t是元组变数，R和S的元数相同。（4）投影（Projection）投影运算是对一个关系进行垂直分割，消去某些列，并重新安排列的顺序。形式定义如下：∏A(R)={t[A]|t∈R}∏为投影运算符，A是关系R的属性列。例如，∏1,3（R）表示关系R中取第1列、第3列，组成新的关系。（5）选择(Selection)选择运算是根据某些条件对关系做水平分割，即取符合条件的元组，形式定义如下：F(R)={t|t∈R∧F(t)=true}为选择运算符，F(R)表示从R中挑选出满足公式F为真的元组所够成的关系。如有两个关系R和S，图18-2(c)、图18-2（d）和18-2（e）分别表示R∪S、R-S和R∩S，图18-2（f）表示∏AC,(R),即∏1,3(R)图18-2（g）表示''bB(R)a(关系R)b(关系S)(c)R∪S(d)R-S(e)R∩S(f)∏1,3(R)(g)''bB(R)图18-2并、交、差、投影和选择运算（6）连接(Join)连接运算是二目运算，是从两个关系的笛卡尔积中选取满足连接条件的元组，组成新的关系。①连接设有两个关系R和S，连接属性集XR,YS，且X与Y中属性列数目相等，关系R和S在连接属性X和Y上的连接，就是在RS笛卡尔积中，选取在连接属性X、Y属性列上满足比较条件的子集组成新的关系。连接形式定义如下：R∞S={tr⌒ts|tr∈R∧ts∈S∧tr[X]ts[Y]为真}XY其中，∞是连接运算符，为算数比较运算符，也称连接，其中：为“=”时，称为等值连接；为“”时，称为小于连接；为“”时，称为大于连接。②自然连接(NationalJoin)自然连接就是在等值连接的情况下，当连接属性X与Y具有相同属性组时，把连接结果中重复的属性列去掉。如果R与S具有相同的属性组Y，则自然连接可记为：R*S={tr⌒ts|tr∈R∧ts∈S∧tr[Y]=ts[Y]}如有两个关系R和S，图18-3(c)是R∞S的值，图18-3(d)是R*S的值。BDBDABC123456789(a)关系R(b)关系S(c)R∞S???(d)R*SBDR∞SB.B图18-3小于连接与自然连接示意图【经典题解】1．在学生管理的关系数据库中，存取一个学生信息的数据单位是_________。A)文件B)数据库C)字段D)记录【答案】D【解析】此题主要考查知识点6中的记录或元组内容。在关系数据表中，行称为元组，对应存储文件中的记录；列称为属性，对应存储文件中的字段。所以本题答案为D。2．人员基本信息一般包括：身份证号，姓名，性别，年龄等。其中可以作为主关键词的是_________。【答案】身份证号【解析】此题主要考查知识点6中的关键词。身份证号可以标识人员基本信息的唯一性，即一个身份证号对应唯一一个人员基本信息内容。3．有一个学生选课的关系，其中学生的关系模式为：学生(学号，姓名，班级，年龄)，课程的关系模式为：课程(课号，课程名，学时)，其中两个关系模式的键分别是学号和课号，则关系模式选课可定义为：选课(学号，_________，成绩)。【答案】课号【解析】此题主要考查知识点8中的关系模式。选课关系是学生和课程之间的关系，应该由学号、课号和成绩组成。4．有三个关系R、S和T如下：RABCa12b21c31SADc42659AR.BCS.BD12359ABCD12364569TABCDc314则由关系R和S得到关系T的操作是_________。A）自然连接B）交C）投影D）并【答案】A【解析】此题主要考查知识点9中的自然连接。自然连接是一种最常用的连接，它满足下面的条件（1）两个关系有共同的域；（2）通过公共域的相等值进行连接，故本题答案为A。5．有两个关系R和T如下：RSABCa12b22c32d32则由关系R得到关系T的操作是则由关系R得到关系T的操作是_________。A)选择B)投影C)交D)并【答案】A【解析】此题主要考查知识点9中的选择运算。关系T中的两行和关系R中的最后两行一致，通过选择运算即可由R得到T，故本题的答案为A。6．有三个关系R，S和T如下：RSTABCa12b21c31其中关系T由关系R和S通过某种操作得到，该操作为_________。A）选择B）投影C）交D）并【答案】D【解析】此题主要考查知识点9中的并运算。R和S的并是由属于R或属于S的元组构成的集合，故本题的答案为D。7．有两个关系R，S，如下：RSABCa32b01c21ABCc33d22ABCa12b21