数据库原理编程与性能.pdf

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1、下载第1章数据库概论本章介绍本书的主要思想和定义。我们描述了数据库的基本概念及数据库系统的典型用户，然后概述与数据库管理系统相关的概念和特性。1.1 基本的数据库概念数据库管理系统简称为数据库系统或D B M S是一种软件产品，它把一个企业的数据以记录的形式在计算机中保存起来。举例来说，批发商往往会用一个数据库管理系统保存销售记录（交易的操作数据）；大学可以用数据库管理系统保存学生的记录（学费、成绩等）；大部分大型图书馆利用数据库系统保存藏书清单和出借记录，提供主题、作者和题目等多种类型的索引；所有的航空公司都利用数据库系统管理航班和提供订票服务；州机动车管理部门利用数据库系统管理驾驶员执照、

2、登记车辆。To w e r唱片公司用数据库系统来管理库存，打印所有的磁带和 C D，并为顾客提供查询唱片的功能。像这样为一个共同的目的而保存起来的所有数据的集合称为数据库。数据库中的记录通常保存在磁盘上（一种在断电时不丢失保存信息的低速存取介质），一般只在访问时才把记录从磁盘载入内存。一个数据库管理系统能同时管理多个数据库。举例来说，一所大学可能拥有一个登记学生的数据库和一个图书馆数据库。两个数据库之间没有共享的数据（虽然可能有一部分重复信息，因为一部分读者是学生）。不同的用户可以通过同一个数据库管理系统访问这两个数据库。1.数据库的历史为了访问数据库中的信息，已经开发出许多方法。回顾历史，有

3、两个产品为组织信息提供了两种截然不同的数据模型：1 9 6 8年I B M发布的I M S和2 0世纪7 0年代Cullinet Software 的I D M S。I M S提出了不同类型的记录通过层次结构相互联系的层次数据模型。例如，一个银行数据库系统可以把公司实体记录和诸如总部地址、电话号码这样的信息放在层次结构的顶部；接下来是银行的各个业务部门；在每个部门分支下，是该部门的出纳员和其他职员的记录。当要查询某个出纳员时，程序就会沿着各个分层导航。另一方面，在C O D A S Y L委员会数据库任务组 1 9 7 1年发表的报告的基础上诞生的 I D M S，被称为网状模型。网状模型是层

4、次模型的一个推广，某一级的一个记录集合在上一级中可能对应两个不同的包含层次（containing hierarchy）。当然，I M S和I D M S还有许多我们没有提到的特性。简单地说，层次模型把数据组织成一棵根在上、叶在下的有向树。网状模型把数据组织成无环有向图，使得网状模型更容易表达现实世界中的数据结构。这些产品的主要缺点是对数据的查询很难执行，一般需要熟悉复杂的数据导航结构的专业程序员编写相应程序。今天，仍然有相当多的公司在使用这两种数据库。I M S仍然是I B M重要的利润来源。但是，这些使用中的 I M S和I D M S已经是“遗产系统”了，而且，很难把这些系统转化成现代的数

5、据模型。虽然某些公司用原有的系统已经足够，但任何想安装新系统的公司都会选择一个支持更新的数据模型的数据库管理系统。2使用数据库原理、编程与性能下载2.关系模型和对象-关系模型最近1 8年来，数据库系统产品使用最广泛的数据模型是关系模型。关系模型使用灵活，即使用户不是程序员，也可以快捷轻易地写出一般的查询语句。一个利用关系模型的数据库管理系统称为关系数据库管理系统（R D B M S）。最近几年，一种更新的数据模型对象-关系模型在许多产品中正逐渐取代关系模型。利用对象-关系模型的数据库管理系统称为对象-关系数据库管理系统（O R D B M S）。因为对象-关系模型实际上是关系模型的扩展，对象-

6、关系数据库管理系统也支持关系数据库管理系统中的数据。因此有些作者将这种产品作为R D B M S/O R D B M S类型，如果我们不愿区分它们，可笼统地称之为数据库管理系统。在本书中，我们将学习一整套在数据库管理系统中建立、维护和使用数据库的概念和方法。虽然R D B M S和O R D B M S之间存在很大差异，本书全面介绍了几乎所有的相关技术。因为关系数据库是最流行的数据库，所以我们把重点放在这里。只在第 4章中独立介绍了对象-关系数据库，而关系数据库的概念遍及本书的其余部分。两种模型中绝大多数的新概念都用相当多的不同种类的商业数据库管理系统产品和标准中的具体命令加以说明。很多针对复

7、杂的O R D B M S特性的命令语法随系统的差异各不相同，但基本的 R D B M S的功能是相同的。3.涉及的数据库系统为了扩展知识覆盖面，本文涉及的商业数据库系统有：ORACLE Server，记作O R A C L E。运行在几乎所有的U N I X、Windows NT和一些较早的操作系统上。读者可访问w w w.o r a c l e.c o m获取相关信息。DB2 Universal Database，记作DB2 UDB。运行在大多数U N I X、Windows NT、O S/2和O S/3 9 0上。相关站点：w w w.i b m.c o m/d b 2。Informix

8、 Dynamic Server 2000，记作I N F O R M I X，运行在大多数U N I X、Windows NT上。相关站点：w w w.i n f o r m i x.c o m。DB2 for OS/390，记作D B 2，特指I B M主机上的D B 2系统。运行在O S/3 9 0上。相关站点：w w w.i b m.c o m/d b 2。4.一个关系数据库的例子现在我们开始介绍一些基本的概念。图 1-1 a显示了一个关系数据库的例子，它的内容是大学里每个学生的注册记录。为了阐明概念，这个例子大大简化了。实际上，这样一个数据库会有好几万条记录，每条记录又包含很多字段。关

9、系数据库中，所有的信息被保存在带名字的表中，每个表又由若干条具有名字的列组成。拿上面的例子来说，名为 s t u d e n t s的表包含以下各列：s i d代表每个学生唯一的标识号；l n a m e和f n a m e代表学生的姓和名；c l a s s代表年级，从 1到4分别表示一年级到四年级；t e l e p h o n e是学生的住宅电话号码。在一个完整的数据库中，还应包括学生的家庭地址、学费、G PA等内容。s t u d e n t s表中的每一行代表一个学生的记录。举例来说，第一行（列名下面的那一行）表示一个名为 J o n e s的二年级学生，他的学号为1，电话号码为5

10、5 5-1 2 3 4。虽然很多数据库专家强调表与磁盘文件间的重大区别，我们还是可以把一张表描述为一个由记录（每条记录代表一行）组成的磁盘文件。为了更直观地表述问题，以下的术语可互换使用：磁盘文件和表，行和记录，列和字段。图1-1 a中的c o u r s e s表列出了所开的课程的集合。其中，c n o给出课程号，c n a m e给出课程名称，c r o o m给出上课地点，t i m e给出上课日期和时间。其中 t i m e列的值是编码：M W 2表示星期一、星期三的第二节有课。e n r o l l m e n t表只有三列：s i d代表学号，c n o代表课程号，m a j o

11、r代表这门课是否是这个学生的主修课。例如，学号为 1的学生有一门主修课是数学，学号为3的学生主修一门现代语言。图 1-1 a的三张表一起组成一个关系数据库。注意此处表和列的名字都是小写的，在很多其他的文章里则用大写。图1-1a 关系模式下的学生注册数据库很多以表的形式表述数据的概念将在第 2章中介绍，但这里我们先提一个概念：第一范式规则。在关系模型里，表的每一列只有一个单一的非结构化的值。非结构化约束意味着，举例来说，我们不能把姓和名这两个可分别设置和检索的值放到同一列；也就是说，我们不能创建一个类似C中的结构或J AVA中的类的列（例如，n a m e列由n a m e.l n a m e和

12、n a m e.f n a m e组成）。当然，我们可以创建一个只包含字符串类型值的 n a m e列，并用分隔符连接姓和名，例如A l l a n.J o n e s，但这是另一回事了。规则要求每一列包含单一类型的值，我们就不能把e n r o l l m e n t表当作s t u d e n t s表中的一个列，否则表的每一行包含一个（c n o，m a j o r）对的集合，而e n r o l l m e n t表变得多余。这样的列的例子如图 1-1 b所示，这在关系数据库中是不允许的，但可以作为对象-关系数据库系统中的一个学生注册数据库。5.一个对象-关系数据库的例子在对象-关系数

13、据库中，信息仍然被表达成由带名字的列组成的带名字的表的形式。但此时，列值不再受第一范式规则的约束。在图1-1 b中，我们给出了一个与图1-1 a中的关系数据库等价的对象-关系数据库。关系模型有时被称做是“形式完整”、“位置与值一一对应”的模型。在对象-关系模型中，则没有“一一对应”约束。在图1-1 b中，s t u d e n t s表中的n a m e列用一种新的结构类型来包含多个可分别设置和检索的成分:n a m e.l n a m e和n a m e.f n a m e，两者作为n a m e列的两个成分都出现在父列 n a m e下。对象-关系数据库还没有一个统一的标准，所以不同的对象

14、-关系数据库产品支持不同的特性和命名规则。在O R A C L E中，n a m e列的结构类型称为对象类型，在I N F O R M I X中称为行类型，在DB2 UDB(和新的ANSI SQL-99标准)中称为用户定义类型(U D T)。第1章数据库概论使用3下载图1-1b 对象-关系模式下的学生注册数据库图1-1 b中s t u d e n t s表的每一行的e n r o l l m e n t列值是行类型值的汇集。现在来看学生1(Allan Jones)所在的行，J o n e s选了两门课:非主修课程1 0 1(在J o n e s的m a j o r字段中为N o)和主修课程1

15、0 8(在J o n e s的m a j o r字段中为Y e s)。同样，在不同的产品中，像 e n r o l l m e n t这样包含多个结构化数据的列有不同的名称。在S Q L-9 9中，这样的列称做是汇集类型的。由于s t u d e n t s表中的e n r o l l m e n t列包含了图1-1 a中e n r o l l m e n t表的所有信息，所以在图 1-1 b中就不再需要e n r o l l m e n t表。1.2 数据库用户D B M S的一个重要特性是缺乏经验的用户可以从数据库中检索数据，这种类型的用户称为“最终用户”。他们用键盘输入查询语句，要求数据

16、库把答案输出到显示器或打印出来。例如，在To w e r唱片公司，用户希望通过一系列交互式的菜单查询选项，找到需要的唱片。最后，唱片列表输出到显示屏上，同时打印机也输出相关内容来帮助用户找到所需唱片。在最终用户可以方便地访问数据库的数据之前，专业人员还需做大量的工作。与其他的软件不同，数据库系统在计算机平台上运行后，并不能马上投入使用，相关的数据库还需要设计和载入数据(以后还要不断地更新数据)，然后必须编写应用程序为没有经验的最终用户提供简单的菜单界面。做这些工作的专业人员也可以被认为是数据库系统的用户。只有了解不同类型的用户，才能设计出界面友好的数据库管理系统。专家级用户有责任为高级用户提供

17、一个良好的环境。不管哪类用户都希望有一个便于使用的界面。下面是对各种类型用户的描述:4使用数据库原理、编程与性能下载 最终用户交互式用户。临时用户用S Q L访问D B M S的用户。初级用户通过菜单访问D B M S的用户。应用程序员编写菜单程序的程序员。数据库管理员管理D B M S的专家。最终用户临时用户应该懂得关系数据库标准查询语言 S Q L的使用机制。在以后的章节中我们会提到，要学会使用 S Q L不是一件简单的事。这里的“临时”是指用户经常从一个会话到下一个会话改变查询的要求，此时为每个这样的使用编写基于菜单的应用程序是不经济的。在实现一些急迫的需求时配制的查询称为交互式查询或即

18、席查询(ad hoc query)。（拉丁文ad hoc意为“为了特殊的目的”。）初级用户通过菜单使用数据库，而不必编写 S Q L语句。银行和航空公司订票系统的职员就是这种初级用户。这里用“初级”可能会产生误解。即使是精通S Q L的数据库系统的实现者，在维护软件的时候，也会利用菜单功能以多种形式输出出错记录。这使程序员能集中精力处理真正的工作，而不必花费时间编写 S Q L语句。应用程序员这类用户直接与数据库管理系统打交道，为初级用户编写菜单程序。这种程序必须充分预见到客户的需求，在执行期间提交相应的 S Q L语句从数据库中检索所需的信息。程序员在处理复杂的概念和困难的语法问题方面经验丰

19、富，把初级用户的要求转化为确切的查询语句是他们的职责所在。为了更便于使用，程序必须确保在查询中没有任何细微的错误。我们将会看到，越是复杂的 S Q L查询，在构造即席模式时出错的风险也越大。数据库管理员D B M S的最后一类用户是数据库管理员（D B A）。D B A是负责设计和维护数据库的计算机专家。一般 D B A决定如何把数据分解到各个表中、如何创建数据库以及如何载入表，为了实现访问和更新数据时的各种策略，D B A还要做大量的幕后工作。这些策略包括安全性控制（例如用户访问数据的权限）和完整性约束（例如储蓄账户结余账目不得少于0元）。另外，D B A还要负责设计数据库在辅存（磁盘）中的

20、物理实现和有效的索引结构来获得最好的性能。在本书中，我们的目标是给出成为一个资深临时用户、一个好的应用程序员或者一个D B A所必须掌握的基本的技术基础。一位使用 S Q L的资深最终用户不一定要知道如何编程，但他可以从本书的其他许多内容中受益。一位顶级的应用程序员应该懂得所有 D B A要用到的技术，这样才能设计出高效的程序，才能反馈适当的信息供 D B A调试系统。有关数据库管理员职责的内容几乎贯穿全书，是下面要介绍的各章的主题。D B A处理一些D B M S中最高级的特性。他必须精通前台用户的的需求，最好还能了解应用程序的技术细节。D B A所做的决定会在很多方面影响这些程序，包括 S

21、 Q L语句的格式和程序的性能。注意还有一种与数据库有密切联系的专业人员，称为数据库系统的实现者。他们是编写实现系统核心功能程序的系统程序员。D B M S正是通过这些程序提供各种特性。一些高级数据库教科书着重介绍数据库的内核。由于数据库是一个很大的领域，本书着重介绍一个数据库系统是如何使用的，这是着手实现一个系统前关键的步骤。在任何情况下，一位优秀的 D B A都要深入了解D B M S的工作细节。我们会看到，这样的细节在调试系统性能的时候是必不可少的。1.3 关系数据库管理系统和对象-关系数据库管理系统概述到现在为止，我们只讨论了关系数据库管理系统的一个主要特性提交查询语句以便从第1章数据

22、库概论使用5下载6使用数据库原理、编程与性能下载数据库中检索信息。通常还有很多其他的特性，其中有些专业性很强，如果没有一定的使用经验，要评价它们的价值是很困难的。尽管如此，在这里我们还是试图给出这些特性的一些思想以及它们的重要意义。这使读者在以后学习细节内容时有一个全局的观念。下面，我们按顺序对每个主题给出简短的说明。读者会发现那些为个人电脑设计的廉价的小型数据库管理系统并不具备所有的特性。例如，P C数据库系统因为只有一个用户访问，所以通常不是多用户系统。1.第2章：关系模型第2章一开始，介绍多年来支配数据表达方式的关系模型的概念和规则。一份更详细的定义有助于用户弄清楚哪些特性是用户所期望的

23、，什么时候一个商业产品提供的特性不属于标准模型。我们已经说过，有一条规则规定表中的值不能是多值的。这样，s t u d e n t s表的h o b b y列在同一行中不允许有几个值（如 c h e s s、h i k i n g、skeet shooting）。这样的多值列在早期的数据模型中是允许的，称做“重复字段”，但在关系模型中是禁止的。我们已经知道这样的多值列在对象-关系模型中又变得合法了，这看来是下一步的发展方向。关系规则的一个重要作用是为早期关系模型的不同产品提供了统一的标准，这使所有的数据库设计变得一致。即使如此，在没有重大损害的情况下，有些规则经常被打破（不过在对象-关系模型之

24、前，第一范式规则从没有被打破过）。接下来，我们从关系代数固有的查询能力方面介绍关系模型的特性。关系代数包含一个基于表的操作集合，用这些操作可以产生新的表（就像实数的乘和加运算产生新的实数一样）。关系代数的概念在后面几章中有重要的价值，因为许多数据库的查询要求可以表示为关系代数表达式但在关系模型中，查询总以表的形式出现。商业 D B M S产品用S Q L语言而不是关系代数产生计算机化的查询。但是与 S Q L相比，关系代数有一个好处：它的运算少，而且这些运算描述简单透彻。任何可用的查询语言，例如 S Q L，都必须包含所有的关系代数的运算。学习关系代数的运算是很有意义的，因为你可以通过它理解查

25、询操作，而且它的形式比S Q L简单。遗憾的是，至今还没有类似的对象-关系代数。2.第3章：基本S Q L查询语言第3章深入介绍了工业标准关系查询语言 S Q L。因为工业标准S Q L，Core SQL-99，还没有被所有的数据库产品采用。我们用“基本 S Q L”语法介绍被所有主要关系数据库产品普遍采用的特性，用“高级 S Q L”介绍还未普遍采用的特性。我们推迟到第 4章介绍对象-关系模型。第3章中的所有语法只跟关系模型有关。图 1-2是对图1-1 a学生记录数据库进行关系 S Q L查询的例子，同时还以表的形式给出了查询结果。通过察看图1-1 a的s t u d e n t s表中c

26、l a s s列值等于2的学生姓名和学号可以验证图 1-2中的结果。图1-3展示了一个更复杂的查询。看图 1-1 a，为了得到查询结果，我们同时需要来自s t u d e n t s和e n r o l l m e n t表的信息。如果单看s t u d e n t s表，我们不知道学生上什么课；如果单看e n r o l l m e n t表，就不知道学生姓名。我们先从e n r o l l m e n t表中查出c n o等于1 0 1的s i d，然后依据这个s i d值在s t u d e n t s表中查出学生姓名。图1-3中的SQL语句表示了这种查询方法。图1-2和图1-3的结果一

27、样并不能说明这两个查询的含义相同。没有理由相信上 F r e n c h 1(课程号为1 0 1)的所有学生恰好等于学校里所有大二(c l a s s=2)的学生，这仅仅是个巧合，只说明对这个例子来说，两个查询的结果恰好相等。对于另一个 e n r o l l m e n t表，这两个查询很可能产生不同的结果。这说明了一个重要的概念:列由创建数据库的人设计，以后不再更改;而第1章数据库概论使用7下载对应于表中的数据记录的行希望经常更改而不产生警告。两个查询语义相同当且仅当对于表中所有可能的相关行值，查询结果都相同。图1-2 学生记录数据库中的一个SQL查询图1-3 学生记录数据库中的另一个SQ

28、L查询S Q L语言还包括向表中插入新行的语句、删除现存行的语句、更新现存行的某些列值的语句。(参见图1-4)。把S Q L语言简单地称为查询语言以及在S Q L语句是实际的U p d a t e、I n s e r t、D e l e t e语句时将S Q L语句统称为查询可能不准确，但术语“查询”的这种广义用法已经约定俗成。(有些作者把S Q L更确切地称为数据操作语言或数据库语言。)为了方便起见，在不影响理解的情况下，本书把SQL Update、I n s e r t、和D e l e t e语句合称为更新语句，只有它们之间的区别特别重要时才单独指出。图1-4 SQL中删除、插入和更新操

29、作3.第4章：对象-关系模型第4章中，我们详细介绍了对象-关系模型的特性。首先介绍用户自定义类型，这使用户可以创建如图1-1 b中含有结构化和汇集值的表。如果用第3章介绍的S Q L语言从这样的表中检索数据，要做若干语法扩充，我们在这里要介绍扩展的对象-关系S Q L（O R S Q L）。不幸的是，我们所学习的数据库产品O R A C L E、I N F O M I X和DB2 UDB中，扩展S Q L的语法不一样。所以我们不检索所有大二学生的sid和lname。检索上101号课的学生的sid和lname。在students 表中删除大三学生的记录。把courses表中房间号2-113 改为

30、2-121。在students 表中插入一行(6,Green,John,1,555-1133)。得不把教材分成两个部分，分别介绍前两个产品。经过几年的修改，于1 9 9 9年发布的产业S Q L标准S Q L-9 9在语法特性上确立了规范，我们希望不同产品的各种O R S Q L最终会统一到这个标准上来。但对于我们这样的教材来说，事情发展得太快了。我们只能努力介绍有实用价值的语法。读者可以访问本教材的主页h t t p:/w w w.c s.u m b.e d u/p o n e i l/d b p p p.h t m l来获取最新的发展情况。如果图1-1 b中对象-关系表包含的列与关系表中的

31、列相同，那么不用奇怪，对该表的查询与第3章中的S Q L查询一样。例如，图1-2中的关系S Q L查询语句，由于姓现在是 n a m e列的一部分而不是单独的一列，所以只需把 l n a m e改为n a m e.l n a m e就变成O R S Q L语句了。但是图1-3中的查询，用到了关系S Q L中的连接（与e n r o l l m e n t表）。而e n r o l l m e n t表在对象-关系数据库中变成s t u d e n t s表的一个列，这时变化就很大了（参见图 1-5）。图1-5 学生记录数据库中的一个ORSQL查询在图1-5中，括号中的S e l e c t子句

32、利用e n r o l l m e n t汇集，把每个学生所上的所有课程的c n o收集到一个行集合中，然后where 101 in语句检查1 0 1是否在某个学生的c n o集合中，如果在此集合中，则返回T R U E给顶层S e l e c t语句，打印这个学生的s i d和n a m e.l n a m e。O R S Q L同样产生插入、删除和更新操作。看图 1-6的例子，这个简单的例子把汇集类型的数据当作一个整体处理，我们也可以遍历汇集，对其中每一行进行操作。图1-6 删除、插入和更新的ORSQL语句在第4章的最后几节中，我们学习怎样通过书写任意复杂的用户自定义函数（U D F）来增

33、强对象-关系S Q L的能力，U D F可以用到非过程S Q L语句中实现任何程序化的操作。4.第5章：访问数据库的程序在第4章的例子中(最后一节除外)，我们集中介绍了这样一个环境：用户交互地把 S Q L查8使用数据库原理、编程与性能下载检索上101号课的学生的sid和lname。在students表中插入学生John Green 的记录。删除所有只上101号课，且101号课不是主课的学生记录。修改1号学生的enrollnmetnt 属性，使他上105 号非主修课和107号主修课询语句输入数据库系统（一个查询接口），然后系统把结果以表的形式输出到用户显示屏上。这的确是获得查询结果的一种方法，

34、但不是唯一的一种。我们在第 5章中将讨论，实际上大多数的查询都是通过一个应用程序界面提交的。这里，应用程序员用诸如 C、J a v a等高级语言或D B M S提供的特殊的过程性S Q L语言编写程序。程序执行时，一般以菜单的形式与监视器用户交互（可能有多个用户同时执行该程序）。用户选择菜单选项，然后程序可以通过完成一个或多个S Q L查询来执行由用户的菜单选择提交的任务。所有的行为都由监视器用户操纵相关菜单的选项控制实际上任何时候，监视器用户都不直接创建S Q L查询。在图1-7中，我们给出菜单交互的例子。在图1-7中，用户想查询Isaac Asimov写的所有关于“机器人学”(r o b

35、o t i c s)的书。为了使用方便，可以使用 S Q L语言提供的各种通配符。例如，在用户不清楚拼写的时候，可以用“A s i m%”代替“A s i m o v”或“A s i m o ff”。在S u b j e c t栏的关键字的选择可能以字母表的次序列出。这对于程序来说是额外的工作，但不这样用户就不清楚是使用“r o b o t i c”还是“r o b o t”，亦或“r o b o t s”。在这里要注意：虽然 S Q L查询（或其他的S Q L语句）可以在程序内部执行，但 C、J a v a等大多数高级语言不支持 S Q L查询，所以要用一种特殊的标记（如图 1-8的C程序代

36、码中开头的exec sql）指出S Q L语句。程序通过预处理器运行，这些特殊的格式被转化为对数据库函数库中C函数的合法调用，然后由编译程序产生一个可执行程序。图1-8 一段(简化的)用于数据库访问的程序把S Q L语句放到高级语言程序中的做法称为嵌入式S Q L编程。如果你有过这样的编程经历：把C结构写入磁盘文件，然后再读出；那么你会发现用 S Q L做这些事是多么的简单。特别是，嵌入式 S Q L使得程序员遇到的最困难的任务之一完成起来比较容易。我们会看到，D B M S利用很多基于磁盘的数据结构来有效地访问数据，但程序逻辑中不必知道这些结构，第1章数据库概论使用9下载图1-7 一个菜单交

37、互式数据库查询的例子其中仅引用表的结构和表中包含的列值。程序逻辑中也不必了解访问模式、文件中的位置、记录结构等，所有这些细节都由 D B M S处理，这种特性称为程序-数据独立性。表的结构随着时间的流逝而发生变化时，程序-数据独立性的重要性就日益明显。表中可能会增加一些列，而行数的增加可能使原有的单个磁盘不能容纳整个表，从而分割存储到几个磁盘中，这些变化引起对新的数据结构的需求，以加快根据列值访问行（类似通过卡片目录查找图书馆中的书）的速度。在一个设计合理的数据库里，所有这些需求都不会影响应用程序的逻辑结构。程序-数据独立性非常重要，我们为它给出本节唯一一个正式定义：定义1.3.1程序-数据独

38、立性是具有良好构造的数据库的一种特性，它使应用程序逻辑的存储结构和存取方法免于修改。5.第6章：数据库设计数据库管理员（D B A）要处理数据库从创建开始的整个生存周期里各个方面的工作。一开始，D B A深入研究要用关系数据库来表示的企业。D B A研究现实世界中组成企业的数据对象的基本属性和相互关系，并为之建模。这样做的目的是为了提供一种把这样的对象表示成关系表中列的准确方法。作为这种表示法的一部分，D B A还制定规则，即完整性约束，来限制对数据可能的更新。D B A工作的前期阶段称为数据库逻辑设计，简称为数据库设计。数据库设计是一个极其复杂的研究领域，在这个领域中要求 D B A识别各种

39、反映现实世界的数据关系，是一种以实用为目的，但又类似抽象的哲学方法的数据分类学。在本书中，我们要学习两种基本的数据库设计方法。一种方法是凭直觉识别现实世界中的数据分类，称为实体-关系模型（E-R模型）；另一种方法，作为前一种的补充，称为 数据库规范化(d a t a b a s en o r m a l i z a t i o n)。这些方法将在第6章中具体介绍。分析一个诸如一所大学这种大型的对象时，我们要识别将在关系表中表示为列名的为数众多的各部分数据。很明显，我们需要一些指导规则决定如何把这些列名联系起来，哪些应放在同一个表中，哪些应放在不同的表中。这是逻辑设计的基本问题。首先，我们把对象

40、区分为实体，有时称为实体集或实体类型，是一类真实存在、彼此之间可区分的对象。作为一个例子，我们考虑某所大学的全体学生组成的集合，并将其命名为实体 S t u d e n t s。与每个实体相连的是描述和区别这些对象的属性集合。在图1-1 a中，我们把S t u d e n t s实体具体化为一个关系表（命名为 s t u d e n t s），它包含一组描述学生的列名（属性）：s i d，l n a m e，f n a m e，c l a s s和t e l e p h o n e。在大学里必须保存的另一类对象是 C o u r s e s实体。在图1-1 a中有一个c o u r s e s

41、表，包含描述不同课程的属性：c n o，c n a m e，c r o o m和t i m e。图1-1 a中的第三个表e n r o l l m e n t表示的并不是一个实体，而是实体间的联系，在图1-9的实体-联系图中，以动词形式命名为 e n r o l l s _ i n。每个学生要上多门课，每门课有多个学生上。在图1-9的E-R图中，矩形表示实体，椭圆表示属性，菱形表示实体间的联系，实体与相关属性以及实体与联系之间用线段连结。在为一个大企业设计新的数据库时，实体-关系观点使数据库设计者对在设计过程中要遇到的数据项汇集产生一个大致的印象。当每个实体都被识别出来后，就能清楚地看到很多数

42、据项仅能作为描述某个实体的属性，这样一个关系表和很多列就被识别出来。随着D B A深入研究这个实体，很多原本不清楚的属性也被识别出来。因为我们还没有介绍联系的很多重要属性，设计表示联系的关系表会更复杂一些。其实，有些联系并不转化为一个单独的表，而是表示为实体表的一个列，称为“外键”(foreign key)。在第6章中，我们再详细介绍利用E-R图设计数据库。10使用数据库原理、编程与性能下载第1章数据库概论使用11下载图1-9 学生记录数据库的E-R表6.第7章:完整性、视图、安全和目录D B A完成数据库的逻辑设计以后，还有很多物理层面的工作要做：把逻辑设计转换成用户可以访问的计算机化的表示

43、法。我们首先说明许多 D B A用来创建数据库表的 S Q L命令和其他的数据库实用程序，再把数据从操作系统输入文件中载入表，最后在不断变化的环境下维护数据库。大部分的命令都是很直观的。你可能希望一开始就能掌握一些简单的创建表的命令，以便练习S Q L查询；然而，一开始创建的表都是简单的缺省模式，缺少后面几章介绍的诸如完整性约束、数据视图、安全性约束等性质，也没有支持高性能访问的索引结构。在下面的几节中，我们简单介绍某些性质的价值，具体内容在第 7章中展开。(1)完整性约束在逻辑设计过程中，D B A已经确定了很多数据完整性约束，这些都是数据库在任何时候都必须遵守的重要规则。例如，有规则规定：

44、c o u r s e s表的每一行都有唯一的 c o n值（一个课程号不能被两门不同的课程共用）。另一个例子是 e n r o l l m e n t表中s i d列的每一个值在s t u d e n t s表中都有对应的行（引用完整性约束），或s a v i n g s _ a c c o u n t s表中b a l a n c e列的值不能少于$2 5.0 0（最少结余）。很明显，如果一个表最初遵守完整性约束，后来却出错，那么，这只可能是由某个S Q L更新操作造成的例如，某个 S Q L操作把一行插入到c o u r s e s表中，新插入的行与原表中的某一行有相同的 c n o值。

45、如果我们不允许即席的 S Q L更新，那么，通过在应用程序逻辑中添加周全的强制性检查规则，就可以保证所有这些完整性规则（“在插入新的 c o u r s e s行时，程序员总得检查c n o是否重复”）。然而，把强制检查的工作留给应用程序员的做法并不是关系数据库管理系统采用的方式。相反，D B A创建完整性约束就像创建不同的实体，这种约束由 D B M S自动执行，所以对于任何约束都不可能出现无意间被打破的情况。采用这种方式的好处是：即使是即席更新或由无经验的程序员编写的拙劣的应用程序逻辑也不会损害数据的合法性。图1-1 0显示了O R A C L E数据库中的一个例子：用S Q L语言创建完

46、整性约束的语法。图1-10 在ORACLE中创建新的完整性约束的命令(2)数据和数据库安全的集中控制注意把信息放在两个不同的数据库中会产生严重的后果：一个查询不能同时从两个数据为students 表增加完整性约束，确保class 列的值只能在1和4 之间。注意这是ORACLE 数据库中合法的SQL 语句。12使用数据库原理、编程与性能下载库中取出数据。例如，前面提到的学生记录数据库和大学图书馆数据库。如果一个学生所借的书超期，对于图书馆而言打印催书信和邮寄标签的程序就不能使用学生记录数据库中的学生住址。这意味着大学图书馆数据库必须保持一份学生住址的自己的备份。这被称为数据冗余(data red

47、undancy)（数据重复可能是不必要的）。这不是一个很好的选择，因为当学生记录数据库里登记的学生地址被更改时，会造成图书馆数据库里的学生地址过期。可以采用另一种方法来获得最新的地址：频繁地给邮局写信询问地址的变化情况，然后由职员根据新的地址更新数据库中的记录。这样做的结果是大大增加了注册办公室的费用，而这都是由于在一个分离的数据库中构建表造成的。这种讨论指出这样一个优势：D B A可以利用相关信息把数据库结合起来，集中控制数据以减少数据冗余。数据的集中控制是著名的数据库原理，但是，集中也有它的缺点。例如，我们也许不希望学生图书管理员能够更新(甚至是察看)学生记录中有关评分、学费和病史等内容。

48、D B A可以利用一套安全性命令实现这些约束，并在创建视图时使用安全性约束。安全性命令的执行方式类似完整性约束，由D B M S在底层自动执行，这使用户不能利用S Q L语句访问或更新某些表或表中的某些字段，除非用户明确地获得D B A的授权。安全性在S Q L中统一用G r a n t语句声明，几乎所有的关系数据库产品都提供这个功能。G r a n t语句有完备和灵活的特性。举例来说，可能允许一组用户对一个表做读访问，但不允许更新。图 1-11显示了一个用标准的S Q L语法设置完整性约束的例子。图1-11 标准SQL Grant语句(3)数据库视图集中控制存在一个隐含问题是连接带有相关信息

49、的数据库时的逻辑复杂性。例如，一个简单地验证大学生保险金的应用程序可能要处理几十个表来获取需要的列信息，而其中很多表的名字和用途可能完全与健康保险无关。这使得培训程序员的工作变得很困难。而且，在一个大的机构里，一开始就把所有相关的数据库结合起来也是不可能的我们应该允许数据库的分阶段实施。在这个过程中，集中控制的好处是在将新数据库结合起来的过程中逐步增长的。为了消除冗余，当加入新表时，我们不得不重写应用程序，用对新列的访问代替对旧列的访问。我们希望有一种方法能够确保表的数目的增加不会导致培训程序员的问题，并且能够保证在为消除数据冗余而重新安排旧表时不必重写原来的应用程序。使人惊奇的是，这些问题都

50、可以通过称为数据库视图的D B M S特征来解决。视图命令允许我们创建一个假想的或虚拟的视图表，视图表中的行是利用S Q L中的S e l e c t语句作用于其他表来定义的。产生视图的表中也可以是视图表，但视图表中的行最终都基于以文件形式存储在磁盘上的基本表。在图1-1 2中，我们提供了一个用标准S Q L语法创建视图表的例子。视图的巨大功用（在理论上）源于这样一个事实：S Q L中的S e l e c t语句可以访问一个视图表，就像访问一个真正的表。这样，DBA 就可以把几个（新）表中的相关字段组成一个（旧）表的虚拟拷贝，供原有的应用程序频繁访问。在数据库中，D B A通过创建仅与特定应用