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LOGO第2章关系模型与关系数据库数据库系统及其应用2022/12/52第2章关系模型与关系数据库关系数据模型2.1关系操作与关系查询语言2.2SQL语言2.3应用关系数据库2.42022/12/532.1关系数据模型2.1.1关系模型基础2.1.2关系模型的约束及其表达2.1

.3关系数据库2022/12/542.1.1关系模型基础关系（表）关系模型将数据库表示为一组“关系(relation)”的集合。每个关系好比一个具有多个行(row)和多个列(column)的二维值表(table)。每个关系含两部分信

息：关系模式(relationschema)和关系实例(relationinstance)。在正式的关系模型术语中•表行：被称为记录(record)或元组(tuple)•表列标题：被称为属性(attribute)或字段(field)。2022/12/55一个简单关系表的关系模式和关系实例示例(图

2.1)2022/12/56其它几个重要的关系模型概念（1）属性域在关系模型中，必须为每个属性指定一个域(domain)。关系模式(relationschema)指一个关系的基本模式结构定义。形式上，名为R的关系模式可表示为:•R(A1[:dom(A1)],…

,An[:dom(An)])关系实例（关系状态）关系的每个数据行称为一个元组，可形式表示为•t=<v1,v2,…,vn>，关系的实例（状态）是一个元组集或记录集，可形式表示为:•r(R)={t1,t2,…,tn}2022/12/57其它几个重要的关系模型概念（2）关系数

据库模式(Schema,S)指由一个关系模式集{R1,R2,…,Rn}和一个关系约束集ICs构成的定义集；S={R1,R2,…,Rn}+ICs。关系数据库状态指特定时刻DB中所有关系状态的集合，即DB={r1,r2,…,rn}，其中，ri是关系Ri

的状态。关系数据库关系数据库(RDB)，是采用关系模型来表示数据的数据库。RDB的一个状态也称为一个RDB实例。2022/12/582.1.2关系模型的约束及其表达完整性约束(IntegrityConstraints,ICs)D

BMS必须能强制实施与DB模式有关的所有约束，以限制允许存储到DB的数据，确保DB中只有满足约束的合法数据。ICs的主要类型包括域约束、主键约束和外键约束，它们常被统称为基于模式的约束。键约束超键(superkey,SK)的概念•能唯一标识关系R中

每个元组的一个属性子集•超键中可能会有冗余属性候选键(CandidateKey)•没有冗余属性的超键2022/12/59引用完整性约束引用完整性约束(referentialintegrityconstraint)指要在两不同关系之间指定，用来维护两关系元组间一致性的一种关系模型约束。该约

束指定：当某关系元组引用另一个关系中元组时，只能引用已经存在的元组。外键(ForeignKey,FK)定义外键条件指定了两个关系模式R1和R2之间的一个引用完整性约束，或简称为外键约束。2022/12/

510约束指定－－应用实例2022/12/5112.2关系操作与关系查询语言2.2.1关系代数2.2.2关系演算本章查询表达说明用例模式（“水手值勤服务”）Sailors(sid:integer,sname:string,rating:integer,age:integer);Boats

(bid:integer,bname:string,color:string);Reserves(sid:integer,bid:integer,day:date);关系查询语言的两种属性引用方法：(1)属性名(2)属性在关系

模式中的位置或顺序号关系模型中除了引入描述DB结构和约束的概念外，还引用了一组可操纵DB的操作----通过基于模型的专门语言，来表达模型操作。本节介绍：基于关系模型的两种模型语言--关系代数/关系演算。下节介绍：以这两种形式语言为基础的关系模型标准化语言(SQL)2022/12/512“水

手值勤服务”的一个简单模式实例2022/12/5132.2.1关系代数关系代数由一组操作符构成。每个操作符接受1或2个关系实例作为参数，返回一个关系实例作为结果。以下三个方面因素，可突显关系代数在RDBMS中的重要性和地位：它为关系模型操作提供了一个形式化的基础；是RDBMS查询实

现和优化的基础；SQL结合并保留了很多关系代数的基本概念关系代数操作符的两种主要类型：基于集合论的操作，包括并、交、差和叉积等，这些操作的适用性源于“关系”本质上是元组集合；另一类操作则是专门为RDBMS开发的操作，包括选择、投影、连接，以及为聚合运算引入的相关操作

。2022/12/5141.并、交、差运算并、交、差这三个运算操作都可对应到集合论操作，它们都属于二元操作符，要求有两个被操作对象，且要求这两个关系是相容的。并（R∪S）:R∪S={t|t∊Rt∊S}

交（R∩S）:R∩S={t|t∊R∧t∊S}差（R－S）:R－S={t|t∊R∧t∉S}2022/12/5152.叉积操作叉积，也称为笛卡儿积(cartesianproduct)，操作符用表示，属于二元关系操作符，代数表达式为RS。2022/12/5163.选择操作

与投影操作选择操作符表示为σc(R)，其中，c为条件表达式。投影操作符表示为πL(R)，其中，L为投影输出的属性子集列表A1’,…,Am’。2022/12/5174.重命名操作在许多场合，输出列名可以直接使用输入关系的属性名。但当输出列为表达式，或二元操作两个输入

关系中含同名属性，或希望改善原属性名的可读性等，都需要重命名机制。关系代数中引入了一个重命名操作符(ρ)，其代数表达形式为：ρ(R’(A1A1’,…,AiAi’,…),E)例2.6基于图2.4(d)的S1×R1，写出表达式ρ(R’(1sid1,5sid2),S1×R1)返回的

R’模式。2022/12/5185.连接操作连接操作（⋈c），用来合并两个关系中的信息――将两关系中相关的“元组对”合并成一个元组输出。虽然在概念上，R⋈cS=L(σc(RS))；但按这种方法实现连接操作的效率很低。在RDBMS中

，连接操作通常以独立于叉积结果的方法实现。2022/12/5196.消除重复与排序运算消除重复运算的表达式为（RB），其操作对象可以是包型关系或集合型关系。消除重复是一个代价较大的操作，故在很多实际系统中，默认情况下的投影输出都不自动消除重复。排序操作的代

数符号表达式为TL(R)。该操作用来将关系R的所有元组，按L所指定方式排序输出。L是一个属性表达列表，具有形如A1[asc|desc],A2[asc|desc],…的形式2022/12/5207.分组与聚合操作分组(grou

ping)与聚合(aggregating)操作的代数表达式为γL(R)，该操作将关系R的所有元组按L指定方式进行分组。L是一个列表表达式。聚合关系与原关系R一般具有不同的模式结构。聚合关系中的属性，必须或者是出现L中的属性，或是一个

聚合函数表达式。很多DB书籍或文献中，都将aggregating运算译为聚集。本书中，考虑到已将clustering译为聚簇、聚集。为避免混淆，同时也考虑到合计汇总运算这个语义，故采用‘聚合’这个译法。2022/12

/5212.2.2关系演算(relationalcalculus)关系演算为关系DB查询提供了一种高级描述性表示法。它是一种形式化语言，其基础是被称为谓词(predicate)演算的数理逻辑分支――一阶谓词逻辑(FirstOrderL

ogic,FOL)。在演算表达式中，不需给出如何应获取结果的操作次序指示信息，只描述了结果中应当包括的信息。关系演算表达式描述了一个新的关系，这个新关系以变量形式来指定，变量取值范围可是是新关系中的元组（元组演算），或是新关系中

的属性域（域演算）。元组演算对商业化关系查询语言SQL发展有重要影响；域演算则是QBE(Query-By-Example语言)的基础。2022/12/522元组关系演算(TupleRelationalCalculus,TRC)元组变量是取值范围限为特定关系元组的变量。TRC查询的基本表

达形式{t|p(t)}，•t代表一个元组变量，而p(t)则是t应当满足的逻辑公式。查询结果是能使逻辑公式p(t)为真值的所有元组t集合。构造TRC查询表达的核心任务是给出逻辑公式p(t),本质上

TRC逻辑公式是FOL公式的一个子集。应用举例要检索职级超过7的水手，•TRC表达为：{S|S∊Sailors∧S.rating>7}2022/12/523TRC原子公式，是下面形式之一：R∊Rel是最基本原子公式，表达元组变量R的取值。R.aopS.b或R.a

opconst或constopR.a是比较型原子公式，表达R在其指定属性上的取值限定。任何TRC公式可由如下任一方法递归地构造产生：任何一个原子公式。┐p(取反),p∧q(‘与’连接构造),p∨q(‘或’连接构造),p⇒q(蕴涵:若p为真,q必为真)。∃R(p(R))，R是元组变

量。∀R(p(R))，R是元组变量。TRC查询的语法与语义令Rel是关系名；逻辑操作符op∊{<,>,=,≤,≥,≠}；R和S是元组变量，a与b分别是R与S的一个属性；p和q是一个TRC公式。通常一个公式p(R)中会包含一个R∊Rel条件，以及一些关于R的量词限定表达。为简洁起见，常用∃R

∊Rel(p(R))替代∃R(R∊Rel∧p(R))常用∀R∊Rel(p(R))替代∀R(R∊Rel⇒p(R)2022/12/524域关系演算(DomainRelationalCalculus,DRC)DRC公式可按类似TRC公式的方式进行形式定义。这两类公

式定义的主要差别是变量的取值范围。令X和Y是域变量。DRC原子公式是下面形式之一：<x1,x2,…,xn>∊RelRel是含有n个属性的关系名，每个xi,1≤i≤n，或是一个变量，或是一个常数。XopY或Xopconsta

nt或constantopX任何DRC公式可由如下任一方法递归地构造产生。任何一个DRC原子公式；┐p(取反),p∧q(与连接构造),p∨q(或连接构造),p⇒q(蕴涵:若p为真,q必为真)∃X(p(X))，X是<x1,x2,…,xn>。∀X(p(X)

)，X是<x1,x2,…,xn>。2022/12/525DRC查询示例(Q3)查询被指派到103号船值勤的水手名{<N>|∃I,T,A(<I,N,T,A>∊Sailors∧∃Ir,Br,D(<Ir,Br,

D>∊Reserves∧Ir=I∧Br=103))}若引入简记法，也可改写为：{<N>|∃I,T,A(<I,N,T,A>∊Sailors∧∃<Ir,Br,D>∊Reserves(Ir=I∧Br=103))}该式还可用如下更简洁的写法：•{<N>|∃I,T,

A(<I,N,T,A>∊Sailors∧∃D(<I,103,D>∊Reserves))}(Q4)查询曾在一个红船上值勤过的所有水手名字{<N>|∃I,T,A(<I,N,T,A>∊Sailors∧∃<I,Br,

D>∊Reserves∧∃<Br,Bn,’red’>∊Boats}2022/12/5262.3SQL语言2.3.1用DDL定义数据库2.3.2用DML操纵数据库2.3.3视图2022/12/527SQL语言简介SQ

L是结构化查询语言(StructuredQueryLanguage)的缩写。SQL发展简史最初由IBM研究院设计实现，并作为IBM早期数据库系统SYSTEMR的接口。第一个SQL标准是1986由美国国家标准署(ANSI)推出的SQL1，也称SQL-86。在SQ

L-86基础上，ANSI还推出了一个改进版SQL-89。1992年，ANSI与国际标准化组织(ISO)合作，对原有版本进行了较大的修订和扩充，共同推出了一个更完整的SQL新标准，称为SQL-92(也称SQL2)。最新也最终版本是1

999年ANSI/ISO推出的SQL-99(也称SQL3)。SQL现已成为商业化DBMS的标准语言。2022/12/5282.3.1用DDL定义数据库（1）定义DB模式与DB编目DB模式，也称SQL模式(SQLschema)最早由SQL-92引入，旨在将同属于一个DB应用的表和其它构造组

织在一起。SQL-92中，创建模式的SQL语句为：CREATESCHEMAsailorMDBAUTHORIZATIONJsmith[PASSWORD123]（2）定义关系模式建表命令(CREATETABLE)用来创建或定义关系表。2022/12/529创建表示例－－创建“水手”小

模式2022/12/5302.3.1用DDL定义数据库（1）定义DB模式与DB编目（2）定义关系模式（3）更改SQL模式定义DROP命令：是CREATE命令的逆命令。用来删除命名的模式或模式元素，如表、域、约束、视图，…等。命令的基本格式为：•DROP<对象类型名><对象名

>[<RESTRICT[默认]|CASCADE>]•例1DROPSCHEMA<模式名>RESTRICT•例2DROPTABLE<表名>CASCADEALTER命令：用来更改表或其它模型元素定义。2022/12/5312.3.2用DML操纵

数据库一、SQL基本查询（一）SQL查询的基本形式SELECT[DISTINCT]select_listFROMfrom-list[WHERE<condition>]（二）SQL基本查询的语义（概念赋值策略）计算出现在from-list中关系表的叉积；删除叉积结果中不满足WHERE中条件

的元组；删除未出现在select-list中的列；如果指定了DISTINCT，删除重复元组。(与实际DBMS中的查询赋值策略相比，概念赋值策略通常不考虑效率，更强调概念性和易理解性)2022/12/532SQL基本查询应用举例（1）2022/12/533

SQL基本查询应用举例（2）2022/12/5342.3.2用DML操纵数据库一、SQL基本查询二、在SQL命令中使用表达式和字符串select-list中的每个项，除了可以是相关表的属性名外，还允许是形如<expr>AS输出列名这种更一般的表达。WHERE语句中的条件项，也允许含一般

表达式。三、集合运算SQL提供了并(UNION)、交(INTERSECT)、差(EXCEPT)等三种集合操作，以扩展基本查询。2022/12/535在SQL中使用表达式和字符串－举例2022/12/536集合运算应用举例显然，对前面的Q8

、Q9这两查询，利用集合操作符，我们可得到更清晰、更好理解的表达。2022/12/5372.3.2用DML操纵数据库一、SQL基本查询二、在SQL命令中使用表达式和字符串三、集合运算四、嵌入查询允许在条件项中引用“基于另一表

的即时计算值”，是SQL的一个强有力特性，可有效提高查询表达能力。为获得即时引用值，可通过在条件项中嵌入另一个SQL查询来实现。内嵌的查询称为子查询，含子查询的查询称为嵌入查询。2022/12/538嵌入查询应用举例可用嵌入查询来重新表达Q3、Q42022/

12/5392.3.2用DML操纵数据库一、SQL基本查询二、在SQL命令中使用表达式和字符串三、集合运算四、嵌入查询五、聚合操作除了简单存取数据，查询也经常需要执行一些汇总(summarization)

计算，或分组合计。标准SQL支持以下五种基本聚合操作：•COUNT([DISTINCT]A):计算属性A上(不同)值的个数•SUM([DISTINCT]A):计算属性A上(不同)值的合计值•AVG([DISTINCT]A):计算属性A上(不同)值的平均值•MAX(A):计算

属性A上的最大值；•MIN(A):计算属性A上的最小值；除count外，其它四个操作都要求属性A的域为数值型。2022/12/540五、聚合操作（一）在查询表达中简单应用聚合函数(Q15)查职级=2的所有水手平均/最大/最小

年龄/总人数SELECTAVG(S.age)ASavg_age,MAX(S.age)ASmax_age,COUNT(*)ASnumFROMSailorsSWHERES.rating=2(Q16)查比‘职级为2的最大年龄水手’年龄更大的水手

SELECTS.snameFROMSailorsSWHERES.age>(SELECTMAX(S2.age)FROMSailorsS2WHERES2.rating=2)（二）分组计算聚合值2022/12/541五、聚合操作（一）在查询表达中简单应用聚合函数(Q15、Q16)都

是针对关系中被选择的所有元组进行聚合计算，这相当于只有一个分组(组中包含了所有被选择元组)。（二）分组计算聚合值SQL也支持针对关系中被选择的元组进行分组，并针对每个分组进行聚合计算。增加分组聚合的扩展SQL语句基本形式

为：SELECT[DISTINCT]select_listFROMfrom-listWHEREselect-conditonGROUPBYgrouping-attribute-list[A1,A2,…]HAVINGgrouping-select-condi

ton分组聚合扩展查询语句表达的赋值策略2022/12/5422.3.2用DML操纵数据库一、SQL基本查询二、在SQL命令中使用表达式和字符串三、集合运算四、嵌入查询五、聚合操作六、外连接操作是连接操作的一类重要变体，其结果实例中通常会有大量NULL值，可能产生比条件连接更多的结果元组外

连接又分“左外连接”、“右外连接”和“左右外连接”2022/12/543六、外连接操作(outerjoins)左外连接(leftouterjoin)左表中那些不匹配的元组也会被加入到结果中。左表的每个不匹配元组与右表空元组(所有列都取NULL值)拼接产生一个结果元组。

右外连接(rightouterjoin)右表中那些不匹配的元组也会被加入到结果中。全外连接(fullouterjoin)两个表中不匹配元组都会分别与另一表的空元组组合，加入到连接结果集中。查询示例：SELECTS.sid,R.bid

,R.dayFROMSailorsSNATURALLEFTOUTERJOINReservesR2022/12/5442.3.2用DML操纵数据库一、SQL基本查询二、在SQL命令中使用表达式和字符串三、集合运算四、嵌入查询五、聚合操作六、外连接操作七、修改数据库更新或修改

DB主要包括三种基本操作：插入（insert）、删除(delete)和修改（update）。2022/12/545修改数据库操作的基本语法说明INSERTINTO表名模式名.(列名)，VALUES(expr)，子查询DELETEFROM表名

模式名.WHERE子句UPDATE表名SET模式名.WHERE子句列名=expr子查询(列名)，=(子查询)，2022/12/546修改数据库操作－－应用示例2022/12/5472.3.3视图让用户看都DB中所

有数据是不合适的。首先，从安全的角度考虑，我们可能更希望各用户只看到与其有关的哪些数据。其次，不同用户，可能需要以特有的个性化视角来观察所感兴趣的数据子集。在DB中，通过引入视图(view)这一概念来解决以上问题。原则上，基于一组给定

的实关系，我们能创建一组任意大小视图集。视图定义的基本形式为：CREATEVIEW<视图名>AS<查询表达>2022/12/5482.4应用关系数据库2.4.1DB存储过程与SQL/PSM2.4.2在通用编程语言中嵌入SQL语

言2.4.3基于API接口访问数据库:ODBC与JDBC作为一种非过程化的、声明性语言，SQL为用户使用、操纵RDBMS带来了极大的方便。允许用户基于关系模型的概念层次来表达操作请求。用户不必关心数据在DB中的物理存储布局，以及具体查询实现过程。本

节将集中讨论：过程化编程方式中使用RDBMS的几种方法。2022/12/5492.4.1DB存储过程与SQL/PSMDB存储过程是SQL的过程化扩展。存储过程的主要作用，在以下情况下很有用：对一些同

时为多个应用所需，且没有交互工作界面的DB处理过程，如果用PSM实现并存储在DB服务器上供相关应用共享调用，将有助于减少重复工作，并增强软件的模块化特性。PSM直接在服务端执行，有助于减少客户机与服务器之间的数据传输和通讯代价。通过为DB用户提供更复杂的导出数据，PSM

过程可增强DB视图的建模能力。DB触发器也需要借助PSM过程实现。2022/12/5502.4.1DB存储过程与SQL/PSMDB存储过程是SQL的过程化扩展。存储过程的作用。SQL/PSM对DB模型和语言进行了必要扩充

。2022/12/5512.4.2在通用编程语言中嵌入SQL语言PSM只是SQL的简单过程化扩充，语义表达能力不及通用程序编程语言，如C、Java、Ada、Pascal等。当需要更大灵活性，或需要达一些复杂查询，或需要更友好用户界面时，我们可能需要借助通用编程语言，来构建高级DB应

用。DB与通用编程语言结合的两种主要方案直接嵌入SQL命令到通用程序编程语言；应用通过存取DB关口的API函数库（如ODBC或JDBC）来操纵数据库。2022/12/5522.4.3基于API接口访问数据库:ODBC与JDBC嵌入SQ

L只是在源代码级实现与宿主语言集成，在未重新编译情况下是无法更改的，是一种静态DB应用程序设计法。ODBC/JDBC则是以标准化的应用编程接口(API)，向编程者提供DB能力。相对于嵌入SQL，使用API接口访问DB则是一种动态的DB程

序设计方法。它是在执行级实现与宿主语言集成，只有一个语境（访问DB只是特定API函数调用），没有不同类型系统转换问题。2022/12/553基于ODBC/JDBC方法的应用体系结构