计算机软件技术基础:第五讲-数据库技术.docx
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1、第五章 数据库设计基础5.1数据库系统的基本概念1.数据、数据库、数据库管理系统 数据数据(Data)实际上就是描述事物的符号记录。计算机中的数据一般分为两部分:一部 分与程序有短时间交互关系,随着程序结束而消失,它们称为临时性数据。另一部分数据则对 系统起着长期持久的作用,它们称为持久性数据。数据库系统处理的就是持久性数据。软件中数据有一定结构:数据有型(类型Type)和值。如整型、实型是指数据的类型; 如15为值。随着应用的扩大,数据的型也扩大,如多种相关数据以一定结构方式组合构成数据 框架,也称为数据结构。对于数据库中的数据称为数据模式。过去的软件系统中是以程序为主体,数据从属于程序。而
2、近十年来,数据在软件系统中 的地位发生了变化,在数据库系统及数据库应用系统中,数据占有主体地位,而程序变为附属 地位。在数据库系统中需要对数据进行集中、统一管理,以达到数据被多个应用程序共享的目 标。 数据库数据库(DataBase简称为DE)是数据的集合,它具有统一的结构形式并存放于计算机存 储介质内,是多种应用数据的集成,并可以被各个应用程序所共享。数据库存放的数据是按数据所提供的模式存放的,它可构造复杂的数据结构以建立数据 间内在联系与复杂的关系,从而构成数据的全局结构模式。数据库中的数据具有“集成”、“共 享”的特点。 数据库管理系统图7-4学校与学生联系的简单E-R图在现实中,网状模
3、型将网络结构分成一些基本结构。一般采用分解方法将一个网络分解 成若干个二级树,即只有两个层次的树,这种树由一个根及若干个叶子组成。一般规定根结点 与任一叶子间的联系是一对多的联系(包含一对一联系)。在网状模型标准中,基本结构简单二级树叫系(set),系的基本数据单位是记录(Record), 它相当于E-R模型中的实体(集);记录又可由若干数据项(data item)组成,它相当于E-R模 型中的属性。一个系由一个根和若干个叶子组成,它们之间的联系是一对多联系(可以是一对 一联系)。在网状数据库管理系统中,一般提供DDL语言,它可以构造系。网状模型中的基本操作 是简单的二级树操作,它包括查询、增
4、加I、删除、修改等操作。5.关系模型 关系的数据结构关系模型采用二维表来表示,简称表。二维表由表框架及表的元组组成。表框架由n个 命名的属性组成,n称为属性元数。每个属性有一个取值范围称为值域。表框架对应了关系的 框,即关系模型,如表4-11。在表框架中可以按行存储数据,每行数据称为元组。一个元组实际上由n个元组分量组成,每个元组分量是表框架中每个属性的投影值。一个表框架可以存放m个元组,m称为表的 基数。表7-6二维表示例学号姓名性别年龄专业2005001张浩然男19自动化2005002李明男18自动化2005003王伟男19自动化2005001赵俏女18自动化一个n元表框架及框架内m个元组
5、构成了一个完整的二维表。二维表一般满足如下性质:今 二维表中元组个数有限(元组个数有限性)令 二维表中元组均不相同(元组的唯一性)令 二维表中元组的次序可以任意交换(元组次序无关性)令 二维表中元组的分量是不可分割的基本数据项(分量的原子性)令 二维表中属性名各不相同(属性名唯一性)令二维表中属性与次序无关,可任意交换(属性次序无关性)令二维表中属性分量具有与该属性相同的值域(分量值域同一性)满足以上7个性质的二维表称为关系。以二维表为基本结构建立的模型称为关系模型。二维表中有键(key)或码的概念。键具有标识元组、建立元组间联系等重要作用。二维表中可能有若干个键,它们称为该表的候选码或候选键
6、。从二维表的所有候选键中 选取一个作为用户使用的键称为主键或主码,也称为键或码。主键只有一个。如果A表中某属 性集是某表B的键,则称该属性集为A的外键或外码。在关系元组的分量中允许出现空值(NULL)以表示信息的空缺。但关系的主键中不允许 出现空值,因为主键为空值则失去了其元组标识的作用。关系框架与关系元组构成了一个关系,而关系模式的集合构成一个关系数据库。关系的 框架称为关系模式,而关系模式集合构成了关系数据库模式。 关系操纵关系操纵是建立在数据操纵上。一般有查询、增加、删除及修改操作。令 数据查询:对一个关系内查询的基本单位是元组分量,基本操作是先定位后操作。 将定位的数据从关系数据库中取
7、出并放入指定的内存。对多个关系间的数据查询可分为三步:第一步将多个关系合并成一个关系; 第二步对合并后的一个关系定位;第三步操作对多个关系的合并,可分解成两个 关系的逐步合并,如三个关系RI, R2, R3,先将R1与R2合并成R4,然后再将R4与 R3合并成R5。令 数据删除:数据删除的基本单位是一个关系内的元组,它的功能是将指定关系内 的指定元组删除,也就是先定位后删除。令 数据插入:数据插入仅对一个关系而言,在指定关系中插入一个或多个元组。今数据修改:数据修改是在一个关系中修改指定的元组与属性。 关系中数据约束关系中有三种约束:令 实体完整性约束:该约束要求关系的主键中属性值不能为空,这
8、是数据库完整性 的最基本要求,因为主键是唯一决定元组的,如为空值其唯一性成为不可能了。令 参照完整性约束:该约束是关系之间相关联的基本约束,它不允许引用不存在的 元组:即在关系中的外键要么是所关联关系中实际存在的元组,要么就为空值。令用户定义完整性约束:这是针对具体数据环境与应用环境由用户具体设置的约束, 它反映了具体应用中数据的语义要求。5.3关系代数关系数据库系统的特点之一是它建立在数学理论之上,有很多数学理论可以表示关系模 型的数据操作,其中最著名的是关系代数与关系演算。这里主要介绍关系代数。1 .关系模型中的基本操作关系是由若干个不同的元组所组成,因此关系可视为元组成集合。n元关系是一
9、个n元 有序组的集合。关系模型有插入、删除、修改和查询四种操作,它们又可以分为六种基本操 作: 关系的属性指定:指定关系内的某些属性,用它确定二维表中的列。 关系的元组选择:用一个逻辑表达式给出关系中所满足表达式的元组,用它确定二维表 的行。 两个关系的合并:将两个关系合并成一个关系。 关系的查询:在一个关系或多个关系间查询,查询结果也为关系。 关系元组的插入:在关系中添加一些元组。 关系元组的删除:在关系中删除一些元组。2 .关系模型的基本运算关系是有序组的集合,可将关系操作看成是集合的运算。 插入:设有关系R需要插入若干元组,要插入的元组组成关系R,则插入可用集合运 算表示为:RUR,删除
10、:设有关系R需要删除若干元组,要删除的元组组成关系R,则删除可用集合运 算表示为:R-R 修改:修改关系R内的元组内容可用下面方法实现。一是:设需修改的元组构成关系R, 则先做删除:R-R。二是:设修改后的元组构成关系R,此时将其插入即得到结 果:(R-R ) UR 查询:查询可用下面运算:令 投影运算:投影运算是一个一元运算,一个关系通过投影运算后仍为一个关系R。 R是这样一个关系,它是R中投影运算所指出的那些域的列所组成的关系。令 选择运算:选择运算是一个一元运算,关系R通过选择运算后仍为一个关系。这 个关系是由R中那些满足逻辑条件的元组所组成。令 笛卡尔积运算:两个关系的合并操作可用笛卡
11、尔积表示。设有n元关系R及m元 关系R,它们分别有p, q个元组,则R与S的笛卡尔积为RXS,该关系是一个n+m 元关系,元组个数是pXq。3 .关系代数中的扩充运算交运算:交运算是求两个关系中的共有元组。表示为:Rns除运算:将一个关系中的元组去除另一个关系中的元组。表示:T/S连接与自然连接运算:A)连接运算又称为。-连接运算:通过它可以将两个关系合并成一个大关系。设两个关系为 R和S, i是R中域,j是S中域。0-连接表示为:R| X |So也可表示为:R | X |S= o i 0 j (RXS)在。连接中,i与j需具有相同域。9为“二”为等值连接,否则为不等值连接;0为 为小于连接;
12、9为为大于连接。B)自然连接满足两个条件:两个关系有公共域;通过公共域的相等值进行连接。设两个关 系为R和S, R域的Al, A2,An; S域有Bl, B2,Bm。自然连接表示为:R| X |So 也可用下式表赤:R| X |S= Ji Al, A2, -An, Bj, -Bm (oAil= BP Ai2 二二 Bj (RXS)5.4数据库设计与管理1 .数据库设计概述在数据库系统中一个核心问题是设计一个能满足要求、性能良好的数据库,这就是数据 库设计。数据库设计的基本任务是根据用户对象的信息要求、处理需求和数据库的支持环境设 计出数据模式。在数据库设计中有两种方法,一种是以信息需求为主,兼
13、顾处理需求,称为面向数据方 法;另一种方法是以处理需求为主,兼顾信息需求,称为面向过程方法。数据库设计目前一般采用生命周期法,即将整个数据库应用系统的开发分解成目标独立 的若干阶段。它们是:需求分析阶段、概念设计阶段、逻辑设计阶段、物理设计阶段、编码阶 段、测试阶段、运行阶段、进一步修改阶段。数据库设计中采用上面的前四个阶段,并重点以 数据结构与模型的设计为主线。2 .数据库设计的需求分析需求收集和分析是数据库设计的第一阶段,这一阶段的基础数据和一组数据流图是下一 步设计概念结构的基础。需求分析的任务是通过详细调查现实世界要处理的对象,充分了解原系统的工作概况,明确用户的各种需求,然后在此基础
14、上确定新系统的功能。通过调查要从中获得每个用户对数据库的如下要求:令 信息要求:指用户要从数据库中获得信息的内容和性质,由信息要求可以导出数 据要求。令 处理要求:指用户要完成什么处理功能,对处理的响应时间有何要求等。令安全性和完整性的要求。为了很好完成调查的任务,设计人员必须不断地与用户交流,与用户达成共识,以便逐 步确定用户实际的需求,然后分析和表达用户的需求。分析和表达用户的需求,经常采用结构化分析方法和面向对象的方法。结构化方法用自 顶向下、逐层分解方式分析系统,一般采用数据流图表达数据和处理过程的关系。数据字典是各类数据描述的集合。它包括5个部分,即数据项、数据结构、数据流、数 据存
15、储、处理过程。3 .数据库概念设计数据库概念设计概述数据库概念设计的目的是分析数据间内在的语义联系,在此基础上建立一个数据的抽象 模型。数据库概念设计方法有两种:令 集中式模式设计法令视图集成设计法数据库概念设计的过程使用E-R模型与视图集成法设计时,需要按如下步骤进行:首先选择局部应用、再进行 局部视图设计、最后对局部视图进行集成得到概念模式。令选择局部应用令视图设计:设计次序有三种:自顶向下、由底向上、由内向外。令视图集成。4 .数据库的逻辑设计从E-R图向关系模式转换数据库的逻辑设计主要工作是将E-R图转换成指定DBMS (数据库管理系统)中的关系模 式。逻辑模式规范化及调整、实现在逻辑
16、设计中要对关系进行规范化验证,对逻辑模式进行调整以满足RDBMS的性能、存 储空间等要求,同时对模式做适应RDBMS限制条件的修改,它们包括如下内容:调整性能以减 少连接运算;调整关系大小;尽量采用快照。关系视图设计逻辑设计的另一个内容是关系视图设计,关系视图是在关系模式基础上所设计的直接面 向操作用户的视图,它可以根据用户需求随时创建。5 .数据库的物理设计数据库物理设计的主要目的是对数据库内部物理结构调整并选择合理的存取路径,以提 高数据库访问速度及有效利用存储空间。6 .数据库管理数据库是一种共享资源,它需耍维护与管理,这种工作称为数据库管理。数据库管理包 括如下内容:令数据库的建立令数
17、据库的调整令数据库的重组令 数据库的安全性控制与完整性控制令数据库的故障校复令数据库监控数据库管理系统(Database Management System,简称为DBMS)是系统软件,负责对数 据库的数据组织、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,其主要功能见表5-1。表5-1数据库管理系统的功能功能名称功能说明数据模式定义为数据库构建其数据框架数据存取的物理构建为数据模式存取及构建提供有效的存取方法和手段数据操纵为用户使用数据库中的数据提供方便,它提供查询、插入、修改 以及删除数据功能,另外不定期的计算及统计功能。数据的完整性、安全 性定义与检查数
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- 计算机软件 技术 基础 第五 数据库技术
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