數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基礎：初級篇（第5版）

第一部分 引言與概念建模
第1章　數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫用戶　2
1.1　引言　2
1.2　一個示例　4
1.3　數(shù)據(jù)庫方法的特征　6
1.3.1　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的自描述性　7
1.3.2　程序與數(shù)據(jù)分離和數(shù)據(jù)抽象　7
1.3.3　支持數(shù)據(jù)的多視圖　9
1.3.4　數(shù)據(jù)共享和多用戶事務處理　9
1.4　幕前角色　10
1.4.1　數(shù)據(jù)庫管理員　10
1.4.2　數(shù)據(jù)庫設計者　10
1.4.3　最終用戶　10
1.4.4　系統(tǒng)分析員和應用程序員(軟件工程師)　11
1.5　幕后工作者　11
1.6　使用DBMS方法的優(yōu)勢　12
1.6.1　控制冗余　12
1.6.2　限制非授權(quán)的訪問　12
1.6.3　為程序?qū)ο筇峁┏志眯源鎯Α?3
1.6.4　提供高效查詢處理的存儲結(jié)構(gòu)　13
1.6.5　提供備份與恢復　14
1.6.6　提供多用戶界面　14
1.6.7　表示數(shù)據(jù)間復雜聯(lián)系　14
1.6.8　確保完整性約束　14
1.6.9　允許使用規(guī)則進行推理和動作　15
1.6.10　使用數(shù)據(jù)庫方法的其他含義　15
1.7　數(shù)據(jù)庫應用簡史　16
1.7.1　使用分層和網(wǎng)狀系統(tǒng)的早期數(shù)據(jù)庫應用　16
1.7.2　關系數(shù)據(jù)庫提供應用靈活性　16
1.7.3　面向?qū)ο蟮膽煤蛯Ω鼜碗s數(shù)據(jù)庫的需求　16
1.7.4　在Web上交換數(shù)據(jù)實現(xiàn)電子商務　17
1.7.5　為新應用擴展數(shù)據(jù)庫功能　17
1.7.6　數(shù)據(jù)庫與信息檢索　17
1.8　什么時候不應該使用DBMS　18
1.9　小結(jié)　18
復習題　　18
練習題　　19
選讀文獻　19
第2章　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的概念和體系結(jié)構(gòu)　20
2.1　數(shù)據(jù)模型、模式和實例　20
2.1.1　數(shù)據(jù)模型的分類　21
2.1.2　模式、實例和數(shù)據(jù)庫狀態(tài)　21
2.2　三層模式體系結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)獨立性　23
2.2.1　三層模式體系結(jié)構(gòu)　23
2.2.2　數(shù)據(jù)獨立性　24
2.3　數(shù)據(jù)庫語言和界面　25
2.3.1　DBMS的語言　25
2.3.2　DBMS界面　26
2.4　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的環(huán)境　27
2.4.1　DBMS的組成模塊　27
2.4.2　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實用工具　29
2.4.3　工具、應用環(huán)境和通信軟件　29
2.5　DBMS的集中式和客戶/服務器體系結(jié)構(gòu)　30
2.5.1　集中式DBMS體系結(jié)構(gòu)　30
2.5.2　基本的客戶/服務器體系結(jié)構(gòu)　31
2.5.3　DBMS兩層客戶/服務器體系結(jié)構(gòu)　32
2.5.4　面向Web應用的三層和n層體系結(jié)構(gòu)　32
2.6　數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的分類　33
2.7　小結(jié)　35
復習題　　36
練習題　　36
選讀文獻　37
第3章　使用實體-聯(lián)系(ER)模型的數(shù)據(jù)建?！?8
3.1　使用高級概念數(shù)據(jù)模型進行數(shù)據(jù)庫設計　39
3.2　一個數(shù)據(jù)庫應用示例　40
3.3　實體類型、實體集、屬性和碼　40
3.3.1　實體和屬性　41
3.3.2　實體類型、實體集、碼和值集　43
3.3.3　COMPANY數(shù)據(jù)庫的初步概念設計　45
3.4　聯(lián)系類型、聯(lián)系集、角色和結(jié)構(gòu)約束　46
3.4.1　聯(lián)系類型、聯(lián)系集和聯(lián)系實例　47
3.4.2　聯(lián)系度、角色名稱和遞歸聯(lián)系　48
3.4.3　聯(lián)系類型的約束　49
3.4.4　聯(lián)系類型的屬性　50
3.5　弱實體類型　51
3.6　COMPANY數(shù)據(jù)庫ER設計的改進　52
3.7　ER圖、命名約定和設計問題　53
3.7.1　ER圖表示法小結(jié)　53
3.7.2　模式結(jié)構(gòu)的正確命名　53
3.7.3　ER概念設計的設計選擇　54
3.7.4　ER圖的候選表示法　55
3.8　其他表示法示例：UML類圖　55
3.9　高于2度的聯(lián)系類型　57
3.9.1　對二元和三元(或高度)聯(lián)系的選擇　57
3.9.2　三元(或高度)聯(lián)系上的約束　60
3.10　小結(jié)　60
復習題　　61
練習題　　61
實驗題　　66
選讀文獻　66
第4章　增強的實體-聯(lián)系(EER)建?！?8
4.1　子類、超類和繼承　68
4.2　特化和泛化　69
4.2.1　特化　69
4.2.2　泛化　71
4.3　特化和泛化層次的約束和特征　71
4.3.1　特化與泛化的約束　72
4.3.2　特化和泛化的層次和格　73
4.3.3　利用特化與泛化改進概念模型　75
4.4　采用類別的并類型建?！?6
4.5　示例UNIVERSITY的EER模式設計選擇和形式化定義　78
4.5.1　UNIVERSITY數(shù)據(jù)庫示例　78
4.5.2　特化/泛化的設計選擇　79
*4.5.3　EER模型概念的形式化定義　80
4.6　其他表示法的示例：UML類圖中的特化/泛化　81
4.7　數(shù)據(jù)抽象、知識表示和本體論概念　82
4.7.1　分類和實例化　82
4.7.2　標識　83
4.7.3　特化和泛化　83
4.7.4　聚集和關聯(lián)　83
4.7.5　本體論和語義網(wǎng)　85
4.8　小結(jié)　86
復習題　　86
練習題　　86
實驗題　　91
選讀文獻　93
第二部分　關系模型：概念、約束、語言、設計和編程
第5章　關系數(shù)據(jù)模型和關系數(shù)據(jù)庫約束　96
5.1　關系模型概念　96
5.1.1　域、屬性、元組和關系　97
5.1.2　關系的特性　99
5.1.3　關系模型表示法　101
5.2　關系模型約束和關系數(shù)據(jù)庫模式　101
5.2.1　域約束　102
5.2.2　碼約束和NULL值約束　102
5.2.3　關系數(shù)據(jù)庫和關系數(shù)據(jù)庫模式　103
5.2.4　實體完整性、參照完整性和外碼　104
5.2.5　其他類型的約束　106
5.3　更新操作、事務和處理違例約束　107
5.3.1　插入操作　107
5.3.2　刪除操作　108
5.3.3　更新操作　109
5.3.4　事務的概念　109
5.4　小結(jié)　109
復習題　　110
練習題　　110
選讀文獻　113
第6章　關系代數(shù)和關系演算　114
6.1　一元關系操作：SELECT和PROJECT　115
6.1.1　SELECT操作　115
6.1.2　PROJECT操作　116
6.1.3　操作序列和RENAME操作　117
6.2　基于集合論的關系代數(shù)操作　118
6.2.1　UNION、INTERSECTION和MINUS操作　118
6.2.2　笛卡兒積(或叉積)操作　120
6.3　二元關系操作：JOIN和DIVISION　121
6.3.1　JOIN操作　121
6.3.2　JOIN的變體EQUIJOIN和NATURAL JOIN　122
6.3.3　關系代數(shù)操作的完備集　124
6.3.4　DIVISION操作　124
6.3.5　查詢樹表示法　126
6.4　其他關系操作　127
6.4.1　廣義投影　127
6.4.2　聚集函數(shù)和分組　127
6.4.3　遞歸閉包操作　128
6.4.4　OUTER JOIN操作　130
6.4.5　OUTER UNION操作　130
6.5　關系代數(shù)中的查詢示例　131
6.6　元組關系演算　133
6.6.1　元組變量和值域關系　133
6.6.2　元組關系演算中的表達式與公式　134
6.6.3　存在量詞與全稱量詞　134
6.6.4　使用存在量詞的查詢示例　135
6.6.5　查詢圖表示法　136
6.6.6　全稱量詞與存在量詞的轉(zhuǎn)換　137
6.6.7　使用全稱量詞　137
6.6.8　安全表達式　138
6.7　域關系演算　139
6.8　小結(jié)　140
復習題　　141
練習題　　141
實驗題　　144
選讀文獻　146
第7章　使用ER到關系的映射和EER到關系的映射進行關系數(shù)據(jù)庫設計　147
7.1　使用ER到關系的映射進行關系數(shù)據(jù)庫設計　147
7.1.1　ER到關系的映射算法　147
7.1.2　ER模型構(gòu)造映射的討論和總結(jié)　151
7.2　EER模型構(gòu)造到關系的映射　152
7.2.1　特化或泛化的映射　153
7.2.2　共享子類(多重繼承)的映射　154
7.2.3　類別的映射(并類型)　155
7.3　小結(jié)　156
復習題　　156
練習題　　156
實驗題　　157
選讀文獻　157
第8章　SQL-99：模式定義、約束、查詢和視圖　158
8.1　SQL數(shù)據(jù)定義和數(shù)據(jù)類型　159
8.1.1　SQL2中模式和目錄的概念　159
8.1.2　SQL的CREATE TABLE命令　160
8.1.3　SQL中的屬性數(shù)據(jù)類型和域　161
8.2　在SQL中定義約束　162
8.2.1　指定屬性約束和屬性默認值　162
8.2.2　指定碼和參照完整性約束　163
8.2.3　為約束命名　164
8.2.4　使用CHECK指定元組約束　164
8.3　SQL中的模式更改語句　165
8.3.1　DROP命令　165
8.3.2　ALTER命令　165
8.4　SQL中的基本查詢　166
8.4.1　基本SQL查詢的SELECT-FROM- WHERE結(jié)構(gòu)　166
8.4.2　多義屬性名、別名和元組變量　168
8.4.3　未指定WHERE子句的查詢語句和星號(*)的用法　170
8.4.4　SQL中作為集合的表　170
8.4.5　子串樣式匹配和算術操作符　172
8.4.6　查詢結(jié)果排序　173
8.5　更復雜的SQL查詢　173
8.5.1　包含NULL和三值邏輯的比較　173
8.5.2　嵌套查詢、元組與集/多集比較　174
8.5.3　關聯(lián)嵌套查詢　176
8.5.4　SQL中的EXISTS和UNIQUE函數(shù)　177
8.5.5　SQL中的顯式集合和屬性重新命名　178
8.5.6　SQL中的連接表和外連接　179
8.5.7　SQL中的聚集函數(shù)　180
8.5.8　分組：GROUP BY和HAVING子句　181
8.5.9　SQL查詢的討論與小結(jié)　183
8.6　SQL中的插入、刪除和更新語句　184
8.6.1　INSERT命令　184
8.6.2　DELETE命令　185
8.6.3　UPDATE命令　186
8.7　指定約束作為斷言和觸發(fā)器　186
8.8　SQL中的視圖(虛表)　187
8.8.1　SQL中視圖的概念　187
8.8.2　SQL中的視圖規(guī)范　188
8.8.3　視圖的實現(xiàn)和更新　188
8.9　SQL的其他特性　190
8.10　小結(jié)　190
復習題　192
練習題　192
實驗題　194
選讀文獻　195
第9章　SQL程序設計技術簡介　197
9.1　數(shù)據(jù)庫程序設計：問題與技術　197
9.1.1　數(shù)據(jù)庫程序設計方法　198
9.1.2　阻抗失配　198
9.1.3　數(shù)據(jù)庫程序設計中的典型交互序列　199
9.2　嵌入式SQL、動態(tài)SQL和SQLJ　199
9.2.1　用嵌入式SQL檢索單個元組　199
9.2.2　在嵌入式SQL中使用游標檢索多個元組　202
9.2.3　使用動態(tài)SQL在運行時指定查詢　203
9.2.4　SQLJ：Java中嵌入SQL命令　204
9.2.5　SQLJ中使用迭代器檢索多個元組　206
9.3　使用函數(shù)調(diào)用的數(shù)據(jù)庫程序設計：SQL/CLI和JDBC　207
9.3.1　以C語言為宿主語言，使用SQL/CLI進行數(shù)據(jù)庫程序設計　208
9.3.2　JDBC：面向Java程序設計的SQL函數(shù)調(diào)用　211
9.4　數(shù)據(jù)庫存儲過程與SQL/PSM　214
9.4.1　數(shù)據(jù)庫存儲過程和函數(shù)　214
9.4.2　SQL/PSM: 擴展SQL以指定持久存儲模塊　215
9.5　小結(jié)　216
復習題　　216
練習題　　216
實驗題　　217
選讀文獻　218
第三部分　數(shù)據(jù)庫設計理論和方法學
第10章　函數(shù)依賴和關系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化　220
10.1　關系模式的非形式化設計準則　221
10.1.1　給予關系中的屬性以清晰的語義　221
10.1.2　元組中的冗余信息和更新異?！?23
10.1.3　元組中的NULL值　225
10.1.4　生成寄生元組　226
10.1.5　總結(jié)和討論設計準則　227
10.2　函數(shù)依賴　228
10.2.1　函數(shù)依賴的定義　228
10.2.2　函數(shù)依賴的推理規(guī)則　229
10.2.3　函數(shù)依賴集的等價　232
10.2.4　最小函數(shù)依賴集　232
10.3　基于主碼的范式　233
10.3.1　關系的規(guī)范化　233
10.3.2　范式的實際使用　234
10.3.3　碼的定義和參與碼的屬性　234
10.3.4　第一范式　235
10.3.5　第二范式　238
10.3.6　第三范式　239
10.4　第二范式和第三范式的通用定義　239
10.4.1　第二范式的通用定義　240
10.4.2　第三范式的通用定義　241
10.4.3　解釋第三范式的通用定義　241
10.5　Boyce-Codd范式　241
10.6　小結(jié)　243
復習題　244
練習題　244
實驗題　247
選讀文獻　248
第11章　關系數(shù)據(jù)庫設計算法和其他依賴　249
11.1　關系分解的性質(zhì)　250
11.1.1　關系分解和范式的不足　250
11.1.2　分解的依賴保持性質(zhì)　250
11.1.3　分解的非加性(無損)連接性質(zhì)　251
11.1.4　檢驗二元分解的非加性連接性質(zhì)　253
11.1.5　連續(xù)非加性連接分解　254
11.2　關系數(shù)據(jù)庫模式設計算法　254
11.2.1　依賴保持分解成3NF模式　254
11.2.2　非加性連接分解成BCNF模式　255
11.2.3　依賴保持和非加性(無損)連接分解成3NF模式　256
11.2.4　NULL值和懸掛元組問題　258
11.2.5　規(guī)范化算法的討論　258
11.3　多值依賴和第四范式　261
11.3.1　多值依賴的形式化定義　261
11.3.2　函數(shù)依賴和多值依賴的推理規(guī)則　263
11.3.3　第四范式　263
11.3.4　非加性連接分解成4NF關系　264
11.4　連接依賴和第五范式　265
11.5　包含依賴　266
11.6　其他依賴和范式　267
11.6.1　模板依賴　267
11.6.2　域-碼范式　268
11.7　小結(jié)　268
復習題　268
練習題　269
實驗題　270
選讀文獻　270
第12章　實際數(shù)據(jù)庫設計方法學和UML圖的使用　271
12.1　組織中信息系統(tǒng)的角色　271
12.1.1　使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組織環(huán)境　271
12.1.2　信息系統(tǒng)的生命周期　273
12.1.3　數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)的生命周期　274
12.2　數(shù)據(jù)庫設計與實現(xiàn)過程　275
12.2.1　第1階段：需求匯集和分析　276
12.2.2　第2階段：概念數(shù)據(jù)庫設計　277
12.2.3　第3階段：DBMS的選擇　284
12.2.4　第4階段：數(shù)據(jù)模型映射(邏輯數(shù)據(jù)庫設計)　285
12.2.5　第5階段：物理數(shù)據(jù)庫設計　286
12.2.6　第6階段：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實現(xiàn)和調(diào)優(yōu)　286
12.3　使用UML圖作為數(shù)據(jù)庫設計規(guī)范說明的輔助工具　287
12.3.1　UML作為設計規(guī)范說明的標準　287
12.3.2　將UML用于數(shù)據(jù)庫應用設計　287
12.3.3　各種UML圖　288
12.3.4　建模和設計的示例：UNIVERSITY數(shù)據(jù)庫　291
12.4　基于UML的設計工具：Rational Rose　293
12.4.1　面向數(shù)據(jù)庫設計的RationalRose　293
12.4.2　Rational Rose Data Modeler　293
12.4.3　使用Rational Rose Data Modeler的數(shù)據(jù)建?！?94
12.5　自動化數(shù)據(jù)庫設計工具　297
12.6　小結(jié)　299
復習題　299
選讀文獻　300
第四部分　數(shù)據(jù)存儲、索引、查詢處理和物理設計
第13章　磁盤存儲、基本文件結(jié)構(gòu)和散列　304
13.1　概述　304
13.1.1　存儲層次和存儲設備　304
13.1.2　數(shù)據(jù)庫的存儲　305
13.2　二級存儲設備　306
13.2.1　磁盤設備的硬件描述　306
13.2.2　磁帶存儲設備　310
13.3　塊緩沖　311
13.4　把文件記錄保存在磁盤上　312
13.4.1　記錄和記錄類型　312
13.4.2　文件、定長記錄和變長記錄　313
13.4.3　記錄塊、跨塊記錄與非跨塊記錄　314
13.4.4　在磁盤上分配文件塊　315
13.4.5　文件首部　315
13.5　文件操作　315
13.6　無序記錄文件(堆文件)　317
13.7　有序記錄文件(排序文件)　318
13.8　散列技術　320
13.8.1　內(nèi)部散列　321
13.8.2　磁盤文件的外部散列法　323
13.8.3　允許動態(tài)文件擴展的散列技術　324
13.9　其他主文件組織　327
13.9.1　混合記錄文件　327
13.9.2　B樹和其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為主組織　327
13.10　使用RAID技術的并行磁盤訪問　327
13.10.1　用RAID增強可靠性　328
13.10.2　用RAID改善性能　329
13.10.3　RAID組織體系和級別　329
13.11　新的存儲系統(tǒng)　331
13.11.1　存儲局域網(wǎng)　331
13.11.2　網(wǎng)絡連接存儲　331
13.12　小結(jié)　332
復習題　332
練習題　333
選讀文獻　335
第14章　文件的索引結(jié)構(gòu)　336
14.1　單級有序索引的類型　336
14.1.1　主索引　337
14.1.2　聚簇索引　339
14.1.3　輔助索引　339
14.1.4　小結(jié)　344
14.2　多級索引　344
14.3　使用B樹與B+樹的動態(tài)多級索引　346
14.3.1　搜索樹和B樹　347
14.3.2　B+樹　350
14.4　多碼上的索引　357
14.4.1　多屬性上的有序索引　357
14.4.2　分區(qū)散列法　357
14.4.3　網(wǎng)格文件　358
14.5　其他類型的索引　358
14.5.1　使用散列和其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為索引　358
14.5.2　邏輯索引與物理索引　359
14.5.3　討論　359
14.6　小結(jié)　359
復習題　360
練習題　360
選讀文獻　362
第15章　查詢處理和優(yōu)化的算法　363
15.1　把SQL查詢轉(zhuǎn)換成關系代數(shù)　364
15.2　外排序算法　365
15.3　SELECT與JOIN操作的算法　366
15.3.1　SELECT操作的實現(xiàn)　366
15.3.2　JOIN操作的實現(xiàn)　369
15.4　PROJECT和集合操作的算法　374
15.5　聚集操作和外連接的實現(xiàn)　375
15.5.1　聚集操作的實現(xiàn)　375
15.5.2　外連接的實現(xiàn)　375
15.6　用流水線組合操作　376
15.7　在查詢優(yōu)化中使用啟發(fā)式規(guī)則　376
15.7.1　查詢樹和查詢圖的表示法　377
15.7.2　查詢樹的啟發(fā)式優(yōu)化　378
15.7.3　將查詢樹轉(zhuǎn)換為查詢執(zhí)行計劃　383
15.8　利用選擇性和代價估算進行查詢優(yōu)化　383
15.8.1　查詢執(zhí)行的代價成分　383
15.8.2　代價函數(shù)中使用的目錄信息　384
15.8.3　SELECT操作的代價函數(shù)示例　384
15.8.4　JOIN的代價函數(shù)示例　386
15.8.5　多關系查詢和連接順序　387
15.8.6　說明基于代價的查詢優(yōu)化的示例　388
15.9　Oracle中的查詢優(yōu)化概述　390
15.10　語義查詢優(yōu)化　390
15.11　小結(jié)　391
復習題　391
練習題　391
選讀文獻　392
第16章　物理數(shù)據(jù)庫設計和調(diào)優(yōu)　393
16.1　關系數(shù)據(jù)庫中的物理數(shù)據(jù)庫設計　393
16.1.1　影響物理數(shù)據(jù)庫設計的因素　393
16.1.2　物理數(shù)據(jù)庫設計決策　394
16.2　關系系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫調(diào)優(yōu)概述　396
16.2.1　索引的調(diào)優(yōu)　396
16.2.2　數(shù)據(jù)庫設計的調(diào)優(yōu)　397
16.2.3　查詢的調(diào)優(yōu)　398
16.2.4　其他的查詢調(diào)優(yōu)原則　399
16.3　小結(jié)　400
復習題　400
選讀文獻　400
附錄A　ER模型的可選圖形表示法　401
附錄B　磁盤參數(shù)　403
附錄C　QBE語言概述　405