第一讲

基本内容

1. 为什么要学习数据库系统?
2. 什么是数据库?
3. 什么是数据库系统?
4. 什么是数据库管理系统？
5. 本课程学什么以及学到什么程度?

重点难点

• 一组概念的区分：数据库、数据库系统和数据库管理系统
• 熟悉表 的相关要素及术语
• 熟悉数据库系统的构成(工作环境)
• 了解数据库管理系统的功能:从用户角度和从系统角度

为什么要学习数据库系统？

传统社会：业务工作
信息社会：业务工作+计算机

什么是数据库？

数据库是电子化信息的集合。将信息规范化并使之电子化，形成电子信息“库”，以便利用计算机对这些信息进行快速有效的存储、检索、统计与管理

• 数据库:Database
• 数据库管理系统：Database Management System
• 数据库应用:DataBase Application
• 数据库管理员:DataBase Administrator
• 计算机基本系统

什么是数据库管理系统

管理数据库的叫做数据库管理系统。数据库管理系统包含的功能有哪些？
从用户来看:

• 数据库定义:定义数据库中Table的名称，标题(内涵的属性名称及对该属性值的计算)等
• 数据库操纵:向数据库的Table中增加/删除/更新数据对数据进行查询、检索、统计等
• 数据库控制：控制数据库中数据的使用—哪些用户可以使用，哪些不可以使用
• 数据库各种擦组偶的执行

从系统角度来看：

1. 语言编译器
2. 查询优化与实现程序
3. 存储与索引程序
4. 事务处理程序
5. 各种控制程序

本课程学什么及学到什么程度

1. 数据库系统基本概念(2讲4学时)：理解后续内容的基础
   ----基本概念、课程内容及作用、数据库管理系统的标准结构、数据库技术的发展史与发展趋势。

2. 关系模型与关系运算(3讲6学时)：理解数据库语言的基础、正确实现数据库操作，尤其是检索操作的基础,抽象能力训练、集合思维与逻辑思维能力训练
   —关系模型、关系运算：关系代数运算、关系元组演算、关系域演算

3. 交互式SQL语言及其应用(含课堂训练,3讲6学时)：标准数据库语言的语法及其交互式应用训练
   —SQL的各种操作语句：重点是SQL的查询与统计语句，(子模式)视图的应用语句

4. 数据库应用程序开发(2讲4学时)：嵌入式数据库语言的应用语法及其应用训练；数据库应用程序开发
   ----嵌入式SQL语句，及其与高级语言语句的结合，变量传递、结果处理、错误陷阱处理等

5. 数据建模与数据库设计(含课堂训练，3讲6学时):理解如何对应用系统进行需求分析和抽象，设计出正确的数据库模式
   ----数据库设计的基本概念；E-R图/IDEF1X图的基本思想及其设计结果的表达方法；数据库设计训练；数据库设计过程

6. 数据库设计理论(3讲6学时)::理解数据库设计的基本理论，掌握数据库正确性分析方法
   ------数据库设计理论：数据依赖、关系范式与模式分解.

7. 数据库存储与索引技术(2讲4学时):掌握DMBS相关的实现技术I–数据库的基本存储与索引技术
   ----磁盘空间的管理与分配，数据组织方法、数据索引方法；

8. 数据库基本操作的实现算法（2讲4学时）：掌握DBMS相关的实现技术II—数据库的基本实现算法
   —数据库基本操作的实现算法，包括多路归并排序算法、并/交/差/积/选择/投影/连接等的实现算法、一趟算法、二趟算法、基于排序的算法、基于散列的算法等

9. 数据库查询优化与查询实现(1讲2学时):掌握DBMS相关的实现技术III–数据库查询实现与查询优化算法
   —数据库查询语句处理，数据库查询的语法优化，数据库查询的执行优化等

10. 数据库事务处理(2讲2学时):掌握DBMS相关的实现技术IV–事务与并发控制，故障恢复
    —数据库事务的概念，可串行性，并发控制;数据库备份、运行工日志与故障恢复

11. 课程总结（1讲2学时）
    —梳理课程的知识脉络，回顾课程中的重点概念和知识.

数据库抽象与演变

基本内容

1. 数据库系统的标准结构？
2. 数据模型？
3. 数据库系统的演变与发展？

重点与难点

• 一组概念的区分：三级模式两层映像，物理独立性和逻辑独立性
• 一组概念的区分：数据-》模式-》数据模型
• 几种数据模型的差异：网状/层次模型–>关系模型–>OO数据模型

DBMS管理数据的三个层次

1. 局部模式：某一用户能够看到与处理的数据，全局数据中的某一部分
2. 逻辑概念层次：从全局角度理解/管理的数据含相互关联的数据
3. 内部层次：存储在介质上的数据，含存储路径、存储方式、索引方式

三级模式

• 外模式：某一用户能够看到与处理的数据的结构的描述
• 概念模式：从全局角度理解/管理数据的结构描述，含相应的关联约束
• 内模式：存储在介质上的数据的结构描述，含存储路径，存储方式，索引方式等

两层映像

• E-C 外模式映射概念模式，从而支持实现数据概念视图向外部视图的转换，便于用户观察和使用
• C-I Mapping 将概念映射为内模式，从而支持实现数据概念视图向内部视图的转换，便于计算机进行存储和处理。

两个独立性

• 逻辑数据独立性：当概念模式变化时，可以不改变外部模式(只需要改变E-C Mapping)，从而无需改变应用程序
• 物理数据独立性：当内部模式变化时，可以不改变概念模式(只需改变C-I Mapping),从而不改变外部模式

什么是数据模型？

数据模型是对模式本身结构的抽象，模式是对数据本身形式的抽象。
比如：
关系模型：所有的模式都可为抽象表(Table)的形式[数据结构],而每一个具体的模式都是拥有不同列名的具体的表。对这种表形式的数据有哪些[操作]和[约束]

三大经典数据模型

• 关系模型：表
• 层次模型：树
• 网状模型：图

简要发展史

1. 第一个阶段：数据库技术探索阶段(59-67) Database
2. 第二阶段：数据库技术确立阶段(65-75) 商用网状
3. 第三阶段:数据库技术成熟阶段(76-80s) 标准化数据库系统结构模型
4. 第四阶段：数据库技术深化发展阶段（85年以来）

由文件系统到数据库

优点：用户不必考虑文件存储的物理细节，解脱了对物理设备存取复杂性处理的负担
不足：数据与程序紧密结合，数据的组织及语义紧密依赖于处理该文件的应用程序，数据结构发生改变则更正修改应用程序，文件之间无练习，文件的记录之间无联系，共享性差，冗余度大，不一致高。

层次模型数据库、网状模型数据库到关系数据库

层次模型与网状模型数据库：

• 数据之间的关联关系由复杂的指针系统来维系，结构描述复杂
• 数据检索操作依赖于由指针系统指示的路径
• 逐一记录的操作，不能有效支持记录集合的操作。

由关系数据库到对象关系数据库，面向对象数据库

关系数据库：

• 按行按列形式组织数据：关系的第1范式
• 数据项的不可再分特性
• 关系运算：关系代数、元组演算、域演算—》标准SQL
• 关系数据库设计理论

对象-关系数据库：

• 可有效支持不满足关系第一范式的数据项
• 以对象来封装需分解的数据项
• 行对象与列对象：聚集对象与结构对象

面向对象数据库

• 面向对象技术(O-O)与集合/聚集操作技术(SQL)的结合
• 支持复杂的数据类型，数据封装与抽象数据结构
• 支持面向对象的一些特性：类、继承、封装、多态

XML数据库

• 是数据库的另一种形式，被称为半结构化数据库
• 数据与数据的语义 合并在一起进行存储和处理
• 面向数据交换而提出，在互联网世界得到广泛应用

回顾本讲学习了什么

第三讲 关系模型之基本概念

基本内容

1. 关系模型概述？
2. 什么是关系？
3. 关系模型中的完整性约束

重点与难点

• 一组概念的区分：围绕关系的相关概念，如域，笛卡尔积，关系，关系模式，关键字/键/码,外码/外键,主码/主键,主属性/非主属性
• 三个完整性：实体完整性，参照完整性和用户自定义的完整性

关系模型的三要素

• 基本结构
• 基本操作（并、差、广义积、选择、投影、交、连接、除）
• 完整性约束:实体完整性、参照完整性和用户自定义的完整性

关系模式与关系

• 同一关系模式下，可有很多的关系
• 关系模式是关系的结构，关系是关系模式在某一时刻的数据
• 关系模式是稳定的，而关系是某一时刻的值，是随时间可能变化的

关系的特性

• 列是同质：即每一列中的分量来自同一域，是同一类型的数据
• 不同的列可来自同一个域，称其中的每一列为一个属性，不同的属性要给予不同的属性名。

外码

• 关系R中的一个属性组，它不是R的候选码，但它与另一个关系S的候选码相对应，则称这个属性组为R的外码或外键

参照完整性

如果关系R1的外码Fk与关系R2的主码Pk相对应，则R1中的每一个元组的Fk值或者等于R2中某个元组的Pk值,或者为空值

DBMS对关系完整性的支持

• 它使用户可以自行定义有关的完整性约束条件
• 当有更新操作发生时，DBMS将自动按照完整性约束条件检验更新操作的正确性，即是否符合永辉自定义的完整性。

本讲回顾

第四讲：关系代数

基本内容

1. 关系代数之基本操作
2. 关系代数之扩展操作
3. 关系代数之组合与应用训练
4. 关系代数之复杂扩展操作(选学)

重点与难点

• 关系代数基本操作：并、差、积、选择、投影
• 关系代数扩展操作：交、$\theta -$连接、自然连接
• 关系代数复杂扩展操作：除、外连接
• 书写关系代数的基本思维训练：一个集合，施加
  一个操作得到一个集合，依次施加关系代数操作，进而得到所需结果“以集合为中心”
  .

集合操作

纯关系操作

并

• 定义：假设关系R和关系S是并相容的，则关系R与关系S的并运算结果是一个关系，记作：R$\cup$S,它由或者出现在关系R中，或者出现S中的构成。

差

• 定义：假设关系R和关系S是并相容的，则关系R与关系S的差运算结果也是一个关系，记作：R-S，它由出现在关系R中但不出现在关系S中的元组构成。

• 汉语中的“是…但不含…”通常意义是差运算的要求
• 首先要准确理解汉语的查询要求，然后再找到正确的操作

广义笛卡尔积

• 关系R(<$a_1,a_2,....,a_n$>)与关系S(<$b_1,b_2,...,b_m$>)的广义笛卡尔积(简称广义积，或积或笛卡尔积运算结果也是一个关系，记作：R$\times$,它由关系R中的元组与关系S的元组进行所有可能的拼接（或串接）构成…

选择

• 定义：给定一个关系R，同时给定一个选择的条件condition(简记con),选择运算结果也是一个关系，记作${\sigma }_{con}(R)$，它从关系R中选择出满足给定条件condition的元组构成

投影

• 定义：给定一个关系R，投影运算结果也是一个关系，记作${\Pi }_{A}R$,它从关系R中选出属性包含在A中的列构成.
• 投影操作从给定关系中选出某些列组成新的关系，而选择的操作是从给定关系中选出某些行组成新的关系
  

第五讲–关系代数之扩展操作

交

• 假设关系R和关系S是并相容的，则关系R与关系S的交运算结果也是一个关系，记作：R$\cap S$,它由同时出现在关系R和关系S中的元组构成。

$\theta -连接$

• 投影与选择操作只是对单个关系(表)进行操作，而实际应用中往往涉及多个表之间的操作，这既需要$\theta -连接$
• 定义：给定关系R和关系S，R与S的$\theta$连接运算结果也是一个关系，记作R${\bowtie }_{A\theta B}S$，它由关系R和关系S的笛卡尔积中，选取R中属性A与S中属性B之间满足$\theta$条件的元构成。

自然连接

• 定义：给定关系R和关系S，R与S的自然连接运算结果也是一个关系，记作R$\bowtie$,它由关系R和关系S的笛卡尔积中选取相同属性组B上值相等的元组所构成。

小结

关系代数操作之组合与应用训练

例1：查询学习课程号为002的学生学号和成绩

$${\Pi }_{S\#,Score}({\sigma }_{C\#="002"(SC)})$$

例2：查询学习课程号为001的学生学号、姓名

$${\Pi }_{S\#,Sname}({\sigma }_{C\#="001"(Student\bowtie SC)})$$

例3 查询学习课程名称为数据结构的学生学号、姓名和这门课程的成绩.

$${\Pi }_{S\#,Sname}({\sigma }_{Cname="数据结构"}(Student\bowtie SC\bowtie Course))$$

外连接

• 两个关系R与S进行连接时，如果关系R(或S)中的元组在S（或R）中找不到相匹配的元组，则为了避免该元组信息丢失，从而将该元组与S(或R)中假定存在的全为空值的元组形成连接，放置在结果关系中，这种连接称之为外连接.

小结

• Select: $\Pi$
• From:$\sigma$
• Where:$\times$

第五讲–关系模型之关系演算

基本内容

• 关系演算之关系元组演算
• 关系演算之关系域演算
• 关系演算之安全性
• 关于三种关系运算的一些观点

重点与难点

• 关系元组演算公式的递归定义；关系域演算公式的递归定义
• 关系元组演算公式：与$\wedge$,或$\vee$,$\neg$非，存在量词$\exists$,全称量词$\forall$
• 用关系元组演算公式表达查询的思维训练
• 用QBE语言表达查询的思维训练
• 关系元组演算、域演算和关系代数在表达查询方面的思维差异

关系演算公式之与、或、非运算符

1.检索出年龄小于20岁并且是男同学的所有学生。

{ t ∣ t ∈ S t u d e n t ∧ t [ S a g e ] < 20 ∧ t [ S e x ] = ′ 男 ′ } \{t|t\in{Student}\land{t[Sage]<20}\land{t[Sex]='男'}\} {t∣t∈Student∧t[Sage]<20∧t[Sex]=′男′}

2、检索出年龄小于20岁或者03系的所有男生

{ t ∣ t ∈ S t u d e n t ∧ ( t [ S a g e ] < 20 ∨ t [ D # ] = ′ 0 3 ′ ) ∧ t [ S e x ] = ′ 男 ′ } \{t|t\in{Student}\land({t[Sage]<20}\vee{t[D\#]='03'})\land{t[Sex]='男'}\} {t∣t∈Student∧(t[Sage]<20∨t[D#]=′03′)∧t[Sex]=′男′}

3、检索出不是03系的所有学生

{ t ∣ t ∈ S t u d e n t ∧ ¬ ( t [ S a g e ] < 20 ∧ t [ S e x ] = ′ 男 ′ ) } \{t|t\in{Student}\land{\neg{(t[Sage]<20\land{t[Sex]='男'})}}\} {t∣t∈Student∧¬(t[Sage]<20∧t[Sex]=′男′)}

4.检索计算机系的所有同学

{ t ∣ t ∈ S t u d e n t ∧ ∃ ( u ∈ D e p t ) ( t [ D # ] = u [ D # ] ∧ u [ D n a m e ] = ′ 计算 机 ′ ) } \{t|t\in{Student}\land{\exists(u\in{Dept)(t[D\#]=u[D\#]\land{u[Dname]='计算机'})}}\} {t∣t∈Student∧∃(u∈Dept)(t[D#]=u[D#]∧u[Dname]=′计算机′)}

5. 求没学过李明讲授任一门课程的学生姓名(全没学过)

${\pi }_{Sname}(Student)-{\pi }_{Sname}({\sigma }_{Tname{=}^{\prime }李{明}^{\prime }}(Student\bowtie Sc\bowtie Course))$

6.求至少学过一门李明老师讲授课程的学生姓名(至少学过一门)

${\pi }_{Sname}({\sigma }_{Tname{=}^{\prime }李{明}^{\prime }}(Student\bowtie Sc\bowtie Course))$

关系元组演算之应用训练将关系代数转换为元组演算

关系域演算公式

关系域演算公式的基本形式： { < x 1 , x 2 , . . . . , x n > ∣ P ( x 1 , x 2 , . . . , x n ) } \{<x_1,x_2,....,x_n>|P(x_1,x_2,...,x_n)\} {<x1​,x2​,....,xn​>∣P(x1​,x2​,...,xn​)}。其中，$x_i$代表域变量或常量,P为以$x_i$为变量的公式.公式P可以递归地进行构造:

• 如果P是公式，那么$\neg P$也是公式
• 如果P1,P2是公式,则$P_1\wedge P_2,P_1\vee P_2$
• 如果P是公式,x是域变量，则$\exists (x)(P(x))$和$\forall (x)(P(x))$也是公式.
• 需要时可加括弧
• 上述运算符的优先次序自高至低为:

关系域演算与关系元组演算的比较

元组演算的基本形式:{t|P(t)}
域演算的基本形式:{$<x_1,x_2,...,x_n>|P(x_1,x_2,...,x_n)$}

• 元组演算是以元组为变量，以元组为基本处理单位，先找到元组，然后找到元组分量，进行谓词判断；域演算是以域变量为基本处理单位，先有域变量，然后再判断由这些域变量组成的元组是否存在或是否满足谓词判断。
• 公式的运算符($\wedge (与)、\vee (或)、\neg (非)、\exists (全称量词)和\forall (存在量词)$)是相同的，只是其中的变量不同
• 元组演算和域演算可以等价互换。

基于关系域演算的QBE语言

关系域演算语言QBE

域演算语言QBE

• QBE：Query By Example
• 1975年由M.M.Zloof提出,1978年在IBM370上实现
• 特点:操作独特,基于屏幕表格的查询语言,不用书写复杂的公式，只需将条件填在表格中即可。
• 是一种高度非过程化的查询语言
• 特别适合终端用户的使用

QBE操作框架由四个部分构成

• 关系名区:用于书写欲

第n讲

基本内容

1. SQL语言概述？
2. SQL语言之DDL-定义数据库
3. SQL语言之DML-操纵数据库

重点与难点

1. SQL-DDL的基本语句：CREATE DATABASE,CREATE TABLE
2. SQL-DML的基本语句：INSERT,DELETE,UPDATE,SELECT
3. SQL-SELECT语句的训练：正确表达各种查询需求

SQL语言提出和发展

1974年，有Boycel和Chamber提出
1975-1979年,由IBM的San Jose研究室在System R上首次实现，称为Sequel --》SQL
1986年由ANSI/ISO推出SQL标准:SQL-86
1992年ANSI/ISO推出SQL标准:SQL-89
1992年进一步推出了SQL标准:SQL-92,又称为SQL2
     是SQL-89的超集
     增加了新特性，如新数据雷兴国，更丰富数据操作，更强完整性支持等
     原SQL-89被称为entry-SQL,扩展的被称为Intermediate和Full级

理解查询需求

利用SQL语言建立数据库

学生选课数据库SCT
学生表Student

Create Table Student(S# char(8) not null,Sname char(10),Sex char(2),
Sage integer,D# char(2),Sclass char(6));