【数据库原理】关系-Relationship

概念准备.

在给出关系的定义之前，我们需要给出一些前导的概念。了解离散数学的人可能会对这些概念比较熟悉。

域.

在前面介绍关系模型时已经提到过了，域是属性的取值范围。

【域-Domain】是一组具有相同数据类型的值的集合，也称为值域。常见的实数集、整数集等都是域。

域中所包含的值的个数称为域的基数，也叫做势，用字母m来表示。举几个例子来说明：
D${}_1$={Tom,Sam,David}，m${}_1$=3;
D${}_2$={Male,Female},m${}_2$=2;
D${}_3$={18,21,22},m${}_3$=3;
我们给上面的三个域赋予实际的意义，认为它们分别表示教师关系中姓名域、性别域和年龄域的集合。由于域是一个集合，所以它也拥有集合的性质：互异并且无序。

笛卡尔积.

笛卡尔积(Cartesian Product)是离散数学课程中的一个重要概念，我们给定一组域D${}_1$，D${}_2$，…，D${}_n$，它们的笛卡尔积可以用下式来表示：

上式是笛卡尔积的定义式，不难看出，其结果亦是一个集合，其中的元素是一个n元组，n是参与运算的域的数量。当每一个参与运算的域都是有限集时，最终的笛卡尔积集合的基数是所有域的基数的累乘，也就是说：

以上面给出的三个域为例，我们进行笛卡尔积运算：

后续我们就可以引出【关系】的概念。

关系.

n个域的笛卡尔积结果的任一子集称为定义在域D${}_1$，D${}_2$，…，D${}_n$上的一个n元关系，可以用【R(D${}_1$，D${}_2$，…，D${}_n$)】来表示，其中R代表的是关系名，n是关系的度(degree)。看我们上面给出的D${}_1$与D${}_2$的笛卡尔积结果，结合我们一开始赋予它的意义，其某个子集可以构成一个教师关系T${}_1$：

这个被表示为二维表的关系，其框架是由进行笛卡尔积运算的域决定的，表的每一列都对应一个域。上表中，第一列是对应于D${}_1$的Name属性，第二列是对应于D${}_2$的Sex属性。具有相同关系框架的关系称为同类关系，上述关系的一个同类关系T${}_2$如下所示：

在离散数学中，关系可以是笛卡儿积集合的任意一个子集，但在实际应用中，关系是那些有着实际意义的子集。以我们这里的关系【教师(姓名，性别)】为例，当认为教师姓名不存在同名时，下面这样的关系是没有意义的，因为不会有一个老师同时有两个性别：

从关系模型的角度来看，我们可以对关系重新进行定义，跳过集合代数理论的笛卡尔积过程。一个定义在域D${}_1$，D${}_2$，…，D${}_n$(不要求它们都是不同的)上的关系由关系头(Heading)和关系体(Body)组成。
关系头由属性名A${}_1$，A${}_2$，…，A${}_n$的集合组成，每一个A${}_i$对应一个D${}_i$，关系头(关系框架)是关系的数据结构的描述，是固定不变的。关系体是指关系结构中的内容或数据，它是会随着用户进行插入、删除以及修改等操作而变化的。
尽管关系可以表示为二维表，看起来与传统的数据文件、表格等是非常类似的，但它们之间又有着很重要的区别。我们前面曾经说过，关系数据库是建立在数学理论的基础上的，关系是一种规范化的二维表中行的集合。关系有着如下的规范：

• 列是同质的。也就是说每一列中的分量必须来自于同一个域，必须是同一类型的数据，这也是进行笛卡尔积后应该有的结果。
• 不同的属性可以来自于同一个域，但不同属性必须有不同的属性名以示区分。列是可以交换顺序的，但必须连带着属性名一同交换。
• 由于关系本质上是一个集合，所以关系中的元组是无序的，互异的。
• 关系中的每一个分量必须是不可分的数据项，或者说每一个属性值都必须是原子的，是一个确定的值，而非值的集合。属性值可以为NULL，表示未知或不可用。满足这一条的关系称为规范化关系，一个非规范化关系的例子如下所示：
  
  其中的籍贯列含有省、市/县两项，出现了"表中有表"的现象，是非规范化的，应该将籍贯分为两列，规范化如下：
  

关系模式.

在DB中，关系模式是型Type，关系是值Value，前面说过关系实际上是n元组的集合。那么关系模式必须要指出这个元组集合的结构，即它是由哪些属性构成的，属性名是什么，属性来自于哪一个域以及属性与域之间的映像关系。关系模式的定义如下：

由定义可以看出，关系是关系模式在某一时刻的状态或内容，也就是说，关系模式是型，即前面说的关系头；而关系是值，即关系体。关系模式是关系的框架，是对关系结构的描述，它是静态的、稳定的；而关系是动态的、随时间不断变换的，它是关系模式在某一时刻的状态或内容。

关系的码.

下面所介绍的概念，在前面都有所涉及，这里只是给出更为细致的描述。

• 【候选码Candidaye Key】能够唯一标识关系中每一个元组的一个属性组合(也包括单个属性)称为候选码，其形式化的定义如下所示：
  
• 【主码Primary Key】当一个关系中有多个候选码时，从中选择一个作为查询、插入或删除元组的操作变量，该被选用的候选码称为主码。通常来说，我们会选择那个属性数量最少的候选码作为主码。
• 【主属性Prime Attribute与非主属性Non-Prime Attribute】包含在主码中的各个属性称为主属性，不包含在任何候选码中的属性称为非主属性。
• 【外码Foreign Key】若关系R${}_2$的一个属性组合X不是R${}_2$的主码，而是另一个关系R${}_1$的主码，那么我们将X称为R${}_2$的外码，并且称R${}_2$为参照关系(Referencing Relation)，R${}_1$为被参照关系(Referenced Relation).

关系完整性.

关系模型中有三类完整性约束，用于维护DB中的数据与现实世界的一致性，对于关系数据库的插入、删除以及修改操作都必须有一定的约束条件，它们是：

• 实体完整性Entity Integrity；
• 参照完整性Referential Integrity；
• 用户自定义完整性User-Defined Integrity.

实体完整性.

主码的值不能为NULL，因为关系模型中的一个元组对应着一个实体，而现实世界中的实体之间是可以区分的，即它们有着某种唯一的标识。关系模型中以主码来唯一标志元组，如果主码为NULL或部分为NULL，即主属性存在NULL，就导致无法唯一标识元组与其对应的实体，这就说明存在着不可区分的实体，与现实世界中实体是可以区分的这一事实矛盾。

参照完整性.

如果关系R${}_2$的外码X与关系R${}_1$的主码相符，则X的每个值只能等与R${}_1$中主码的某个值，或者为NULL. 我们以下图为例来描述这一约束：

S学生关系中的【Dept系别】属性与D系别关系中的【Dept系别】相符，并且我们发现【Dept系别】是S关系的外码，是D关系的主码，S关系参照关系，D关系是被参照关系。S关系中某个学生的【Dept系别】属性值，必须是D关系中的某个值，否则表示该学生在一个不存在的系别中，或者该属性值为NULL，表示该名学生还未被分配到某一个系别进行学习。