第1章 數(shù)據(jù)庫與SQL基礎(chǔ)

目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如SQL Server、Oracle、DB2等。關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是通過SQL對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢和更新的。本章主要介紹一些有關(guān)數(shù)據(jù)庫和SQL的基礎(chǔ)知識，為后面章節(jié)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

1.1 數(shù)據(jù)庫的基本概念

“數(shù)據(jù)庫”一詞起源于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時美國為了戰(zhàn)爭的需要，把各種情報收集在一起，存儲在計(jì)算機(jī)里，稱為Data Base（簡稱為DB）。

數(shù)據(jù)庫的出現(xiàn)，使得計(jì)算機(jī)應(yīng)用滲透到各個領(lǐng)域及各行各業(yè)，事務(wù)處理系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)等都是使用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。可以這樣說，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)和主要組成部分。

1.1.1 數(shù)據(jù)庫的由來

數(shù)據(jù)庫主要用于數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理是對各種形式的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲、加工和傳播的一系列活動的集合。在使用計(jì)算機(jī)之后，數(shù)據(jù)處理速度及規(guī)模都有了巨大提高。隨著數(shù)據(jù)處理量的不斷增加，數(shù)據(jù)管理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其演變過程隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展，大體經(jīng)歷了以下3個階段。

1.人工管理階段

20世紀(jì)50年代中期之前，計(jì)算機(jī)的軟硬件均不完善。由于這個階段還沒有軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，程序員在程序中不僅要規(guī)定數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，還要設(shè)計(jì)其物理結(jié)構(gòu)，包括存儲結(jié)構(gòu)、存取方法、輸入/輸出方式等。當(dāng)數(shù)據(jù)的物理組織或存儲設(shè)備改變時，用戶程序就必須重新編寫。不同的計(jì)算機(jī)程序之間不能共享數(shù)據(jù)，導(dǎo)致不同的應(yīng)用之間存在大量的重復(fù)數(shù)據(jù)，很難保證應(yīng)用程序之間數(shù)據(jù)的一致性。人工管理階段程序與數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖1-1所示。

2.文件系統(tǒng)階段

20世紀(jì)50年代中期至60年代中期，操作系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著數(shù)據(jù)管理進(jìn)入了一個新階段。數(shù)據(jù)以文件為單位，與計(jì)算機(jī)程序脫離，由操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理。用戶的程序與數(shù)據(jù)可分別存放在外存儲器上，各個應(yīng)用程序可以共享一組數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了以文件為單位的共享。

但是，因?yàn)閿?shù)據(jù)的組織仍然是面向程序的，所以存在大量的數(shù)據(jù)冗余，并且數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)不能方便地修改和擴(kuò)充；同時，文件之間是相互孤立的，不能反映現(xiàn)實(shí)世界中事務(wù)之間的聯(lián)系。文件系統(tǒng)階段程序與數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖1-2所示。

3.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段

20世紀(jì)60年代以后，隨著計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，用戶對數(shù)據(jù)管理技術(shù)提出了更高的要求，包括希望減少數(shù)據(jù)的冗余，提供更高的共享能力；要求程序和數(shù)據(jù)具有較高的獨(dú)立性，當(dāng)數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)改變時，不涉及數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)，也不影響應(yīng)用程序，以降低應(yīng)用程序研制與維護(hù)費(fèi)用。數(shù)據(jù)庫技術(shù)正是在這樣一個需求的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它具有如下特點(diǎn)。

? 以數(shù)據(jù)為中心，通過組織數(shù)據(jù)形成綜合性的數(shù)據(jù)庫，為各應(yīng)用共享。

?數(shù)據(jù)冗余小，易修改、易擴(kuò)充。不同的應(yīng)用程序根據(jù)自己的需求，從數(shù)據(jù)庫中獲取需要的數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)的重復(fù)存儲，同時也便于增加新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

? 采用一定的數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)模型不僅描述數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn)，而且描述了數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。

?程序和數(shù)據(jù)具有較高的獨(dú)立性。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過映像使數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)獨(dú)立于全局邏輯結(jié)構(gòu)，也使全局邏輯結(jié)構(gòu)獨(dú)立于應(yīng)用程序。

? 具有良好的用戶接口，用戶可以方便地開發(fā)和使用數(shù)據(jù)庫。

? 對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制，保證了數(shù)據(jù)的安全性、完整性。

在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段，程序與數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖1-3所示。

1.1.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的概念

實(shí)際上，數(shù)據(jù)庫只不過是一些信息的聚集。通常意義下，“數(shù)據(jù)庫”這個術(shù)語是指由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DataBase Management System，簡稱DBMS）管理的數(shù)據(jù)集。一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)該具有以下4種特性。

（1）允許使用數(shù)據(jù)定義語言（Data Definition Language），建立新的數(shù)據(jù)庫，指定它們的模式（schema）。

（2）能夠查詢數(shù)據(jù)和更新數(shù)據(jù)，所使用的語言通常稱為“查詢語言”或“數(shù)據(jù)操作語言”。

（3）支持存儲大量的數(shù)據(jù)，并且經(jīng)過很長一段時間以后仍保證安全，使其免遭意外或非授權(quán)的使用，同時允許對數(shù)據(jù)庫查詢和更新的有效訪問。

（4）控制多用戶的同時訪問，使一個用戶的訪問不影響其他用戶，保證同時訪問不會損壞數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成及工作流程

前面我們介紹了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念，本節(jié)將介紹數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成以及工作流程。

1.2.1 數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)庫的一個總的框架。盡管實(shí)際的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件產(chǎn)品多種多樣、支持不同的數(shù)據(jù)模型、使用不同的數(shù)據(jù)庫語言、建立在不同的操作系統(tǒng)之上，但絕大多數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在總的體系結(jié)構(gòu)上，都具有三級模式的結(jié)構(gòu)特性。

從另一個角度來講，同一意義下的數(shù)據(jù)（如學(xué)生記錄），從計(jì)算機(jī)中處理的二進(jìn)制表示到用戶處理的學(xué)生姓名等概念的數(shù)據(jù)之間，存在著許多層次的抽象和轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）就是通過這三級模式來實(shí)現(xiàn)上述的轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)的三級模式為：外模式、概念模式和內(nèi)模式，如圖1-4所示。

1.內(nèi)模式

內(nèi)模式又稱存儲模式，是對數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)和存儲方式的描述。例如，數(shù)據(jù)記錄如何存儲，是順序存儲還是按照索引存儲，索引以什么方式組織等。內(nèi)模式是由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)定義語言定義的。

2.概念模式

概念模式又叫作數(shù)據(jù)庫模式（簡稱模式），是數(shù)據(jù)庫中全部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)的描述。概念模式以某種數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，并用模式定義語言定義這些內(nèi)容，它可以看作是現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體在具體數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。概念模式與具體的應(yīng)用程序無關(guān)，同時也不涉及數(shù)據(jù)的存儲細(xì)節(jié)和硬件環(huán)境。

3.外模式

外模式又稱為用戶模式或子模式，通常由概念模式導(dǎo)出，是概念模式的子集，其主要功能是定義允許用戶操作的數(shù)據(jù)。我們可以將外模式理解為用戶看到的數(shù)據(jù)視圖，即與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。不同用戶的需求不同，使用的數(shù)據(jù)內(nèi)容不同，對數(shù)據(jù)的保密要求不同，因此不同數(shù)據(jù)的外模式是不同的。

4.內(nèi)模式/概念模式映像

內(nèi)模式到概念模式之間的映像保證了數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性。當(dāng)數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，如對數(shù)據(jù)增加索引、改變數(shù)據(jù)的存儲位置、改變存儲設(shè)備等，不影響數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)。當(dāng)數(shù)據(jù)庫管理員根據(jù)應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)的存取要求對數(shù)據(jù)的物理組織進(jìn)行優(yōu)化后，并不需要對概念模式和外模式進(jìn)行重新定義，也不需要修改應(yīng)用程序。

5.概念模式/外模式映像

概念模式到外模式之間的映像保證了數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性。當(dāng)數(shù)據(jù)的整體邏輯結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，如在概念模式中增加新的數(shù)據(jù)類型、在原有的記錄類型間增加新的聯(lián)系等，可以通過修改概念模式到外模式之間的映像而外模式不受影響。

數(shù)據(jù)庫的這種多層次的體系結(jié)構(gòu)，保證了高度的數(shù)據(jù)獨(dú)立性，其中數(shù)據(jù)庫的全局邏輯描述是獨(dú)立于其他所有結(jié)構(gòu)的。在定義數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)時，我們應(yīng)首先定義概念模式。內(nèi)模式是將概念模式中定義的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)亟M織并加以存儲，達(dá)到較好的運(yùn)行效率。

1.2.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成

一個完整的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、軟件支持系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理員及相關(guān)人員5部分組成。

1.數(shù)據(jù)庫

這里所說的數(shù)據(jù)庫指的是物理數(shù)據(jù)庫，是按照一定的數(shù)據(jù)模型組織并存放在外存儲設(shè)備上的數(shù)據(jù)集合。例如，在學(xué)生選課信息管理系統(tǒng)中，應(yīng)用程序獲取的數(shù)據(jù)來自選課管理數(shù)據(jù)庫，這個數(shù)據(jù)庫中可能存放著學(xué)生信息、課程信息、教師信息等。

除了用戶直接使用的數(shù)據(jù)外，還有另一類數(shù)據(jù)，它們是有關(guān)數(shù)據(jù)庫的定義信息，如用戶表及權(quán)限、數(shù)據(jù)庫表的定義等。這些信息通常存放在數(shù)據(jù)字典中，用戶一般不能改動數(shù)據(jù)字典的內(nèi)容。

2.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)—DBMS（DataBase Management System）

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的軟件系統(tǒng)，是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心軟件。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的一切操作，如創(chuàng)建表、視圖、索引，向表中插入數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索、修改、刪除等，都是通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。

一般而言，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要提供了數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)庫管理等功能。

3.軟件支持系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的軟件除了DBMS之外，還需要一個軟件支撐環(huán)境，包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具、各種宿主語言以及實(shí)用程序等。

4.硬件支持系統(tǒng)

硬件支持系統(tǒng)主要是指計(jì)算機(jī)。對于分布式數(shù)據(jù)庫而言，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也是基礎(chǔ)環(huán)境。

5.數(shù)據(jù)庫管理員及相關(guān)人員

數(shù)據(jù)庫有關(guān)人員主要包括數(shù)據(jù)管理員（DBA）、系統(tǒng)分析員、應(yīng)用程序員和普通用戶。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，不同人員可操控不同級別的數(shù)據(jù)，如圖1-5所示。

1.2.3 數(shù)據(jù)庫的工作流程

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如圖1-6所示。

下面我們以用戶查詢數(shù)據(jù)庫中的一組數(shù)據(jù)為例，說明數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的工作流程。數(shù)據(jù)庫的工作流程圖如圖1-7所示。

（1）DBMS首先對數(shù)據(jù)查詢語句進(jìn)行語法檢查，然后從數(shù)據(jù)字典中找到該用戶對應(yīng)的外模式，同時進(jìn)行權(quán)限檢查；若發(fā)現(xiàn)錯誤，則將錯誤信息返回給用戶。

（2）DBMS根據(jù)找到的外模式，利用概念模式/外模式映像，將其映像到概念模式，確定概念模式應(yīng)該讀入哪些數(shù)據(jù)。

（3）DBMS利用內(nèi)模式/概念模式映像，將概念模式映像到內(nèi)模式，確定數(shù)據(jù)庫應(yīng)讀入哪些物理記錄及其具體的地址。

（4）DBMS根據(jù)地址信息向操作系統(tǒng)發(fā)出讀取記錄的命令。

（5）操作系統(tǒng)執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)的命令，并將數(shù)據(jù)從硬盤讀入系統(tǒng)緩沖區(qū)，將執(zhí)行結(jié)果通知DBMS。

（6）DBMS根據(jù)查詢語句及數(shù)據(jù)字典定義的信息，將系統(tǒng)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成用戶所需的記錄格式。

（7）DBMS將數(shù)據(jù)記錄從系統(tǒng)緩沖區(qū)傳送到用戶工作區(qū)。

由此可見，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，即DBMS處于中心地位。

1.3 關(guān)系數(shù)據(jù)庫

目前廣泛使用的數(shù)據(jù)庫軟件都是基于關(guān)系模型的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。關(guān)系模型是現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品最廣泛實(shí)現(xiàn)的模型，正是關(guān)系模型構(gòu)成了SQL的基礎(chǔ)。采用關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫稱為關(guān)系數(shù)據(jù)庫，而關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS）就是管理關(guān)系數(shù)據(jù)庫的計(jì)算機(jī)軟件。

1.3.1 關(guān)系模型

關(guān)系模型把世界看作是由實(shí)體（Entity）和聯(lián)系（Relationship）構(gòu)成的。所謂實(shí)體就是指現(xiàn)實(shí)世界中具有區(qū)分于其他事物的特征或?qū)傩裕峙c其他實(shí)體有聯(lián)系的對象。在關(guān)系模型中，實(shí)體通常是以表的形式來表現(xiàn)的。表的每一行描述實(shí)體的一個實(shí)例，表的每一列描述實(shí)體的一個特征或?qū)傩浴?/p>

關(guān)系是關(guān)系模型的核心，是匯集在表結(jié)構(gòu)中的行和列的集合。每個關(guān)系由一個或多個屬性（列）組成，屬性將類型相似的數(shù)據(jù)歸納在一起。屬性與關(guān)系直接的關(guān)聯(lián)如圖1-8所示。

圖1-8所示的關(guān)系是由NO、NAME、SEX、DEPARTMENT 4個屬性組成的。數(shù)據(jù)以數(shù)組（行）的方式存儲在關(guān)系中，每個數(shù)組代表相關(guān)數(shù)據(jù)的一個記錄。

所謂聯(lián)系就是指實(shí)體之間的關(guān)系，即實(shí)體之間的對應(yīng)關(guān)系。聯(lián)系可以分為以下3種。

? 一對一的聯(lián)系：第一個關(guān)系中的某個數(shù)組只能與第二個關(guān)系中的一個數(shù)組有關(guān)；同樣，第二個關(guān)系中的某個數(shù)組只能與第一個關(guān)系中的一個數(shù)組有關(guān)。例如，NO關(guān)系和NAME關(guān)系之間是一對一的聯(lián)系，對應(yīng)于第一個關(guān)系列出的每個學(xué)號，第二個關(guān)系只能列出一個姓名，反之亦然。

? 一對多的聯(lián)系：第一個關(guān)系中的某個數(shù)組可以與第二個關(guān)系中的一個或多個數(shù)組有關(guān)，但是第二個關(guān)系中的某個數(shù)組只能與第一個關(guān)系中的一個數(shù)組有關(guān)。例如，SEX關(guān)系和NO關(guān)系就是一對多的聯(lián)系，反之，NO關(guān)系和SEX關(guān)系就是多對一的聯(lián)系。

? 多對多的聯(lián)系：在這種聯(lián)系中，第一個關(guān)系中的某個數(shù)組可以與第二個關(guān)系中的一個或者多個數(shù)組有關(guān)，并且第二個關(guān)系中的某個數(shù)組也可以與第一個關(guān)系中的一個或者多個數(shù)組有關(guān)。例如，SEX關(guān)系和DEPARTMENT關(guān)系就是多對多的聯(lián)系。

1.3.2 Codd十二法則

關(guān)系數(shù)據(jù)庫是由E.F.Codd博士于1970年在一篇名為“一種存儲大型共享數(shù)據(jù)的關(guān)系模型”的論文中提出的。一個完美的、完全符合數(shù)據(jù)庫技術(shù)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，需要滿足Codd博士提出的十二條法則。

? 信息法則：關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的所有信息都被清楚地表示成表中的數(shù)據(jù)，即表行中的列值。

? 授權(quán)存儲法則：保證關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的每一個數(shù)據(jù)項(xiàng)，都可以通過“表名+主鍵+列名”的組合來訪問。

? NULL值的系統(tǒng)處理：DBMS對NULL值（未知或不可使用的數(shù)據(jù)）應(yīng)提供系統(tǒng)支持。NULL值并不是零，也不是空白的字符串。

? 一個活躍的、在線數(shù)據(jù)字典應(yīng)作為關(guān)系型表來儲存：在邏輯上，數(shù)據(jù)庫的描述及其內(nèi)容都被表示為表的形式，并能用數(shù)據(jù)庫語言進(jìn)行查詢。

? 必須提供數(shù)據(jù)存取語言進(jìn)行存取訪問：至少有一種具有嚴(yán)格、統(tǒng)一語法的語言，該語言必須支持?jǐn)?shù)據(jù)定義、視圖定義、數(shù)據(jù)操作、安全性、完整性約束規(guī)則、授權(quán)和事務(wù)處理。

? 視圖更新法則：所有理論上能被更新的視圖應(yīng)當(dāng)是可被系統(tǒng)更新的。

? 集合級的插入、更新和刪除：DBMS不僅支持集合級上的檢索，還應(yīng)支持集合級的插入、更新和刪除操作。

? 數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性：應(yīng)用不依賴于物理結(jié)構(gòu)，當(dāng)數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)或者物理存取方法改變時，應(yīng)用程序在邏輯上應(yīng)不受影響。

? 數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性：如果一個表被分成兩個部分，則可應(yīng)用視圖連接在一起，以便不會對應(yīng)用產(chǎn)生影響。

? 數(shù)據(jù)完整性的獨(dú)立性：數(shù)據(jù)庫語言必須能夠定義完整性規(guī)則，這些完整性規(guī)則應(yīng)該儲存在數(shù)據(jù)字典中。

? 分布獨(dú)立性：一個數(shù)據(jù)庫即使被分布，也應(yīng)該能工作。

? 非破壞性原則：如果允許采用低級語言存取數(shù)據(jù)，則該低級語言一定不能繞過用數(shù)據(jù)庫語言定義的安全性和完整性原則。

1.3.3 范式

構(gòu)造數(shù)據(jù)庫必須遵循一定的規(guī)則，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，這種規(guī)則就是范式。范式是符合某一種級別的關(guān)系模式的集合。關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系必須滿足一定的要求，即滿足不同的范式。目前關(guān)系數(shù)據(jù)庫有6種范式：第一范式（1NF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）、第四范式（4NF）、第五范式（5NF）和第六范式（6NF）。滿足最低要求的范式是第一范式（1NF）。在第一范式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步滿足更多要求的稱為第二范式（2NF），其余范式以此類推。一般說來，數(shù)據(jù)庫只需滿足第三范式（3NF）就可以了。下面舉例介紹第一范式（1NF）、第二范式（2NF）和第三范式（3NF）。

1.第一范式（1NF）

在任何關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，第一范式（1NF）是對關(guān)系模式的基本要求，不滿足第一范式（1NF）的數(shù)據(jù)庫就不是關(guān)系數(shù)據(jù)庫。第一范式主要包括以下指導(dǎo)原則。

? 數(shù)據(jù)庫表的每一列都是不可分割的基本數(shù)據(jù)項(xiàng)，同一列中不能有多個值，即實(shí)體中的某個屬性不能有多個值或重復(fù)的屬性。如果出現(xiàn)重復(fù)的屬性，數(shù)據(jù)庫就可能需要定義一個新的實(shí)體，新的實(shí)體由重復(fù)的屬性構(gòu)成，新實(shí)體與原實(shí)體之間為一對多關(guān)系。

? 表的每一行只包含一個實(shí)例的信息。

例如圖1-9所示的員工信息表，不能將員工信息都放在一列中顯示，也不能將其中的兩列或多列在一列中顯示；員工信息表的每一行只表示一個員工的信息，一個員工的信息在表中只出現(xiàn)一次。簡而言之，第一范式就是無重復(fù)的列。

2.第二范式（2NF）

第二范式（2NF）是在第一范式（1NF）的基礎(chǔ)上建立起來的，即滿足第二范式（2NF）必須先滿足第一范式（1NF）。

第二范式（2NF）要求數(shù)據(jù)庫表中的每個實(shí)例或行必須是唯一的。為實(shí)現(xiàn)區(qū)分，我們通常需要為表加上一個列，以存儲各個實(shí)例的唯一標(biāo)識。如員工信息表中加上了員工編號EMP_ID列，每個員工的編號是唯一的，因此每個員工可以被唯一區(qū)分。這個唯一屬性列被稱為主關(guān)鍵字或主鍵、主碼。

第二范式（2NF）要求實(shí)體的屬性完全依賴于主關(guān)鍵字。所謂完全依賴是指不能存在僅依賴主關(guān)鍵字一部分的屬性。如果存在，那么這個屬性和主關(guān)鍵字的這一部分應(yīng)該分離出來形成一個新的實(shí)體，新實(shí)體與原實(shí)體之間是一對多的關(guān)系。為實(shí)現(xiàn)區(qū)分，我們通常需要為表加上一個列，以存儲各個實(shí)例的唯一標(biāo)識。簡而言之，第二范式就是非主屬性非部分依賴于主關(guān)鍵字。

3.第三范式（3NF）

滿足第三范式（3NF）必須先滿足第二范式（2NF）。簡而言之，第三范式（3NF）要求一個數(shù)據(jù)庫表中不包含已在其他表中包含的非主關(guān)鍵字信息。例如一個部門信息表，其中每個部門有部門編號DEPT_ID、部門名稱、部門簡介等信息。那么我們在員工信息表中列出部門編號DEPT_ID后，就不能再將部門名稱、部門簡介等與部門有關(guān)的信息加入員工信息表中。如果不存在部門信息表，則根據(jù)第三范式（3NF）也應(yīng)該構(gòu)建它，否則就會有大量的數(shù)據(jù)冗余。

1.4 SQL語言基礎(chǔ)

SQL全稱是“結(jié)構(gòu)化查詢語言（Structured Query Language）”，最早是IBM公司的圣約瑟研究實(shí)驗(yàn)室為其關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SYSTEMR開發(fā)的一種查詢語言。它的前身是SQUARE語言。

SQL語言結(jié)構(gòu)簡潔，功能強(qiáng)大，簡單易學(xué)，因此自從IBM公司1981年推出以來，SQL語言得到了廣泛的應(yīng)用。如今無論是Oracle、SQL Server這些大型的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，還是Access這些常用的數(shù)據(jù)庫開發(fā)系統(tǒng)，都支持SQL語言作為查詢語言。

1.4.1 SQL的歷史

在20世紀(jì)70年代初，E.E.Codd博士首先提出了關(guān)系模型。70年代中期，IBM公司在研制SYSTEM R關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中研制了SQL語言，最早的SQL語言（SEQUEL2）是在1976年11月的IBM Journal of R&D上公布的。

1979年，Oracle公司首先提供商用的SQL，IBM公司在DB2和SQL/DS數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中也實(shí)現(xiàn)了SQL。

1986年10月，美國ANSI采用SQL作為關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語言（ANSI X3.135-1986），后來被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）采納為國際標(biāo)準(zhǔn)。

1989年，美國ANSI采納在ANSI X3.135-1989報告中定義的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的SQL標(biāo)準(zhǔn)語言，稱為ANSI SQL 89，替代了ANSI X3.135-1986版本。該標(biāo)準(zhǔn)為下列組織所采納。

? 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO），為ISO 9075-1989報告——“Database Language SQL With Integrity Enhancement”。

? 美國聯(lián)邦政府，發(fā)布在The Federal Information Processing Standard Publication（FIPS PUB）127。

1992年，SQL又出現(xiàn)了新版本SQL-92，或簡稱SQL2。SQL-92代表了SQL的主要版本，擴(kuò)展并改進(jìn)了早期版本的功能特性。7年之后，即1999年，SQL標(biāo)準(zhǔn)的最新版本SQL:1999發(fā)布，對SQL-92版本又新增了一些特性，標(biāo)志著SQL在滿足用戶需求方面又前進(jìn)了一大步。

1.4.2 SQL語言的組成

SQL可以創(chuàng)建、維護(hù)、保護(hù)數(shù)據(jù)庫對象，并且可以操作對象中的數(shù)據(jù)，因此SQL被認(rèn)為是一種完整的語言。依據(jù)SQL語言的執(zhí)行功能，可以將SQL分為以下幾部分。

? 數(shù)據(jù)定義語言（DDL，Data Definition Language）：主要用于創(chuàng)建、修改或刪除數(shù)據(jù)庫對象，如表、視圖、模式、觸發(fā)器和存儲過程等，與其相關(guān)的主要SQL關(guān)鍵字包括CREAT、ALTER和DROP。

? 數(shù)據(jù)查詢語言（DQL，Data Query Language）：主要用于數(shù)據(jù)的檢索查詢，與其相關(guān)的主要SQL關(guān)鍵字為SELECT。

? 數(shù)據(jù)操縱語言（DML，Data Manipulation Language）：主要用于添加、修改或刪除存儲在數(shù)據(jù)庫對象中的數(shù)據(jù)，與其相關(guān)的主要SQL關(guān)鍵字包括INSERT、UNPDATE和DELECT。

? 數(shù)據(jù)控制語言（DCL，Data Control Language）：可以控制訪問數(shù)據(jù)庫中特定對象的用戶，還可以控制用戶對數(shù)據(jù)庫的訪問類型，與其相關(guān)的主要SQL關(guān)鍵字包括GRANT、DENY和REVOKE。

? 其他語言要素（Additional Language Elements）：SQL除了包括上述4種功能語言外，還包括如事務(wù)控制、程序化語言等其他語言要素。

SQL語句數(shù)目種類較多，其主體大約由40條語句組成，如表1-1所示。

1.4.3 SQL語句的結(jié)構(gòu)

所有的SQL語句均有自己的格式，如圖1-10所示。

每條SQL語句均由一個謂詞開始，該謂詞描述這條語句要產(chǎn)生的動作，如SELECT關(guān)鍵字。謂詞后緊接著一個或多個子句（Clause），子句中給出了被謂詞作用的數(shù)據(jù)或提供謂詞動作的詳細(xì)信息。每一條子句由一個關(guān)鍵字開始，如WHERE。

1.4.4 SQL的優(yōu)點(diǎn)

1.非過程化語言

SQL是一個非過程化的語言，因?yàn)樗淮翁幚硪粋€記錄，對數(shù)據(jù)提供自動導(dǎo)航。SQL允許用戶在高層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上工作，而不對單個記錄進(jìn)行操作，可操作記錄集。所有SQL語句接受集合作為輸入，返回集合作為輸出。SQL的集合特性允許一條SQL語句的結(jié)果作為另一條SQL語句的輸入。SQL不要求用戶指定對數(shù)據(jù)的存放方法。

這種特性使用戶更易集中精力于要得到的結(jié)果。所有SQL語句都使用查詢優(yōu)化器，它是關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS）的一部分，由它決定對指定數(shù)據(jù)最快速度存取的手段。查詢優(yōu)化器知道存在什么索引，在哪兒使用合適，而用戶從不需要知道表是否有索引，表有什么類型的索引。

2.統(tǒng)一的語言

SQL可用于所有用戶的數(shù)據(jù)庫活動模型，包括系統(tǒng)管理員、數(shù)據(jù)庫管理員、應(yīng)用程序員、決策支持系統(tǒng)人員及許多其他類型的終端用戶。基本的SQL命令只需很少時間就能學(xué)會，最高級的命令在幾天內(nèi)也可掌握。SQL為許多任務(wù)提供了以下命令。

? 查詢數(shù)據(jù)

? 在表中插入、修改和刪除記錄

? 建立、修改和刪除數(shù)據(jù)對象

? 控制對數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)對象的存取

? 保證數(shù)據(jù)庫一致性和完整性

以前的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為上述各類操作提供單獨(dú)的語言，而SQL將全部任務(wù)統(tǒng)一在一種語言中。

3.是所有關(guān)系數(shù)據(jù)庫的公共語言

由于所有主要的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)都支持SQL語言，用戶可將使用SQL的技能從一個RDBMS轉(zhuǎn)到另一個。所有用SQL編寫的程序都是可以移植的。

1.4.5 SQL的執(zhí)行

除了定義如何使用語言外，SQL:1999標(biāo)準(zhǔn)還詳細(xì)說明了如何執(zhí)行SQL語句——共用4種執(zhí)行方法。

? 直接調(diào)用：利用這種方法，可以從前端應(yīng)用程序，如SQL Server中的Query Analyzer（查詢分析器）、Oracle中的SQL*Plus Worksheet，直接與SQL服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信。我們只要把查詢輸入到應(yīng)用程序窗口，然后執(zhí)行SQL語句，就可以獲取查詢結(jié)果。這種方法可以迅速檢查數(shù)據(jù)、驗(yàn)證連接和觀察數(shù)據(jù)庫對象。

? 嵌入式SQL：在這種方法中，SQL語句直接編碼（嵌入）在主機(jī)編程語言中。例如，我們可以將SQL語句嵌入C應(yīng)用程序代碼中。在編譯代碼之前，預(yù)處理器將分析SQL語句，并把這些語句從C代碼中分離出來。SQL代碼被轉(zhuǎn)換成一種能為RDMS理解的格式，其余的C代碼則按照正常的方式進(jìn)行編譯。

? 模塊綁定：這種方法可以創(chuàng)建和主機(jī)編程語言相分離的SQL語句代碼塊，即模塊。模塊在創(chuàng)建后就被組合到應(yīng)用程序中。

? CLI（調(diào)用層接口）：通過把作為參數(shù)值的SQL語句傳遞到子例程，CLI可以通過接口調(diào)用SQL語句。這些語句在嵌入式SQL和模塊綁定中，并不進(jìn)行預(yù)編譯，RDMS將直接執(zhí)行這些語句。

雖然直接調(diào)用不是最通用的方法，但是因?yàn)樗苯訉⒉樵兲峤唤o數(shù)據(jù)庫，并且可以立即生成結(jié)果，所以本書采用了這種方法。在實(shí)際應(yīng)用中，嵌入式SQL是最常用的方法。本書的第19章將對嵌入式SQL、模塊綁定、CLI進(jìn)行詳細(xì)討論。

1.5 SQL環(huán)境

SQL環(huán)境實(shí)際上可以理解為一個框架，數(shù)據(jù)在其中可以存在，而數(shù)據(jù)的SQL操作在其中可以執(zhí)行。

1.5.1 環(huán)境

實(shí)際上，可以把SQL環(huán)境看作是運(yùn)行在某個設(shè)備上的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。SQL環(huán)境由很多組件構(gòu)成，各組件協(xié)同工作，以支持SQL操作，如創(chuàng)建和修改對象、存儲和查詢數(shù)據(jù)，修改和刪除數(shù)據(jù)等。這些組件加起來構(gòu)成一個模型，RDBMS以該模型為基礎(chǔ)。

基本的數(shù)據(jù)庫元素，比如基本表、視圖，都是在SQL環(huán)境中定義的。這些元素組成了層次結(jié)構(gòu)，每個元素起著不同的作用。SQL環(huán)境中元素的體系結(jié)構(gòu)如圖1-11所示。

1.5.2 SQL的層次結(jié)構(gòu)

目錄是SQL環(huán)境的重要組分，是模式的集合。這里我們可以把目錄看作是一個繼承結(jié)構(gòu)，繼承結(jié)構(gòu)的頂部是SQL環(huán)境，目錄是父對象，模式是子對象，如圖1-12所示。

1.模式對象

模式對象位于目錄的底層，是包含在模式中的相關(guān)組件的集合。SQL數(shù)據(jù)就存儲在這一層。通過使用SQL，我們就可以定義SQL對象，修改、存儲和操作對象中的數(shù)據(jù)。實(shí)際上，本書所做的大部分工作都直接影響到模式對象。

SQL:1999定義了基本表、視圖、域、約束、觸發(fā)器等11種類型的模式對象，這些對象構(gòu)成了SQL環(huán)境的基礎(chǔ)。

2.模式（Schema）

這里的模式是指數(shù)據(jù)庫模式，而不是關(guān)系模式，是表、視圖、域等數(shù)據(jù)庫模式對象的聚集。模式是整個SQL環(huán)境體系結(jié)構(gòu)的基本單位。SQL中，模式的創(chuàng)建采用CREATE SCHEMA語句，其語法如下。

    CREATE SCHEMA <模式名> <模式元素>

比如創(chuàng)建一個學(xué)生模式，包括學(xué)生、課程和學(xué)生選課等3個關(guān)系以及計(jì)算機(jī)系學(xué)生視圖，其說明簡要描述如下。

    CREATE SCHEMA StudentSchema
    CREATE TABLE Student
    CREATE TABLE Course
    CREATE TABLE StudentCourse
    CREATE VIEW ComputerDeptStud

如果要把學(xué)生模式作為當(dāng)前模式，可如下設(shè)置。

    SET SCHEMA StudentSchema

于是，隨后定義的表、視圖等模式元素均屬于學(xué)生模式。

3.目錄（Catalog）

目錄是模式的聚集，即每個目錄都有一個或多個模式。在一個目錄中，模式的名字必須是唯一的。每個目錄都包含INFORMATION-SCHEMA（信息模式）特殊模式，該模式包含該目錄中所有模式的信息。

在目錄中建立模式類似于在模式中建立表或視圖之類的模式元素。可以用如下語句建立學(xué)生目錄。

    CREATE CATALOG StudentCatalog

它后面跟著屬于學(xué)生目錄的模式及模式的說明。可以用SET CATALOG（設(shè)置目錄）語句設(shè)置當(dāng)前目錄。例如，要把學(xué)生目錄作為當(dāng)前目錄，可如下設(shè)置。

    SET CATALOG StudentCatalog;

于是，隨后定義的模式將屬于學(xué)生目錄。

1.5.3 客戶程序和服務(wù)程序系統(tǒng)

服務(wù)程序一般運(yùn)行在存有數(shù)據(jù)庫的大型主機(jī)上，而客戶程序一般運(yùn)行在另一臺主機(jī)上。當(dāng)然，有時客戶程序和服務(wù)程序也會運(yùn)行在同一臺主機(jī)上。SQL的客戶程序和服務(wù)程序與連接、會話和模塊這3個概念緊密地聯(lián)系在一起。SQL的客戶程序和服務(wù)程序的相互作用如圖1-13所示。

1.連接

連接把客戶程序和服務(wù)程序連接起來。可用如下的SQL連接語句，在客戶程序和服務(wù)程序之間打開連接。

    CONNECT TO <服務(wù)程序名>
    AS <連接名>

我們一般把服務(wù)器名作為服務(wù)程序名。

2.會話

當(dāng)連接激活時，所執(zhí)行的SQL操作將在客戶程序和服務(wù)程序之間形成請求——響應(yīng)式的交往，這種操作序列被稱為會話（Session）。

會話與建立它的連接處于同一狀態(tài)。當(dāng)連接處于待用狀態(tài)時，會話也處于待用狀態(tài)，當(dāng)連接被激活時，會話也被激活。每個會話都有當(dāng)前目錄和該目錄中的當(dāng)前模式。

3.模塊

SQL2標(biāo)準(zhǔn)建議SQL實(shí)現(xiàn)至少為用戶提供以下3種類型的應(yīng)用程序（稱為模塊，Module）之一。

? 通用SQL接口

? 嵌入式SQL

? 實(shí)際模塊

模塊的執(zhí)行稱為SQL代理，圖1-13給出了一個模塊和一個SQL代理，并且把二者作為一個整體，調(diào)用SQL客戶程序來建立連接。

1.5.4 SQL環(huán)境中對象的命名規(guī)則

在研究SQL之前，我們有必要介紹一下SQL對象標(biāo)識符。標(biāo)識符為SQL對象賦予名稱，最多可以達(dá)到128個字符，且必須遵守一定的規(guī)則。SQL語句創(chuàng)建的任何對象，如表、列、視圖或模式等，都必須有名字，也就是標(biāo)識符。

SQL:1999標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種類型的標(biāo)識符，即正則標(biāo)識符和定界標(biāo)識符，二者具有不同的約定。實(shí)際應(yīng)用中，采用最多的是正則標(biāo)識符規(guī)則，因此這里只介紹正則標(biāo)識符規(guī)則，簡述如下。

? 標(biāo)識符名稱不區(qū)分大小寫，即大小寫是等效的，如StudentName等同于STUDENTNAME和studentname。

? 標(biāo)識符只允許使用字母、數(shù)據(jù)和下劃線，可以創(chuàng)建如First_Name，Table1之類的標(biāo)識符。

? 不允許使用SQL保留關(guān)鍵字。

一個完整的模式對象標(biāo)識符應(yīng)包括目錄的名稱、模式的名稱和模式對象的名稱，各個名稱之間以點(diǎn)（.）隔開。如Student表在StudentSchema模式中，而這個模式又在StudentCatalog目錄中，那么該表完全合格的名稱就是StudentCatalog.StudentSchema.Student。