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第一部分 数据库模型与访问方法2

第1章 数据库导论2

1.1　数据库系统的动机2

目录2

1.2　数据库系统的定义4

1.3　数据库模型概述6

1.3.1　关系数据库模型6

1.3.2　面向对象数据库模型6

1.3.3　演绎数据库模型6

1.3.4　层次数据库模型7

1.3.5　网状数据库模型8

1.3.6　其他方面的比较8

1.4　数据库系统的组成9

1.4.2　概念层10

1.4.1　物理层10

1.4.3　外层11

1.4.4　数据库管理员11

1.5　一个连续的例子12

小结12

第2章 关系数据库14

2.1　关系数据库的一个非正式的描述14

2.2　关系术语16

2.3　二元联系20

2.3.1　一对多联系21

2.3.2　多对多联系23

2.3.3　分解多对多联系25

2.3.4　一对一联系27

2.4　高阶联系29

2.5　递归联系32

2.5.1　一对多递归联系32

2.5.2　多对多递归联系32

2.6　约束34

2.6.1　关键字约束35

2.6.2　函数依赖约束36

2.6.3　实体和参照完整性37

2.7　基本的实体-联系图38

2.7.1　ER图中的实体及其属性38

2.7.2　ER图中的二元联系39

2.7.3　ER图中的联系属性41

2.7.4　ER图中的高阶联系42

2.7.5　ER图中的递归联系44

2.8　模式规范45

2.9　元数据和系统目录46

小结48

练习49

第3章 关系代数53

3.1 重命名和集合运算53

3.2　选择、投影和连接运算55

3.2.1　一元运算：选择和投影55

3.2.2　笛卡儿乘积56

3.2.3 自然连接58

3.2.4　有关连接的其他变种60

3.3　存在型查询62

3.3.1　连接到锚元组的较长路径63

3.3.2　存在型查询的一种解决方案64

3.4　全称查询65

3.4.1　除法运算67

3.4.2　全称查询的一种解决方案68

3.4.3　商关系的大小69

3.4.4　广义除法70

3.5　聚集和划分72

3.5.1　聚集运算的语法变种72

3.5.2　聚集查询进一步的例子73

3.5.3　聚集中的算术运算74

3.6　关系代数表达能力的限制75

3.7　初步的查询优化76

小结78

练习79

第4章 关系演算83

4.1　谓词演算的回顾83

4.2　通过谓词进行选择86

4.3　存在型查询89

4.4　全称查询90

4.5　聚集与划分93

4.5.1　等价类和商集94

4.5.2　多划分95

4.6　域关系演算96

4.6.1　存在型查询97

4.6.2　全称查询98

小结99

练习99

第5章 基本SQL103

5.1　简单检索查询的概念模型103

5.1.1　从单一的表中进行查询103

5.1.3　从多个表中进行查询106

5.1.2　名称限定和别名106

5.1.4　使用表的多个副本进行查询109

5.2　子查询111

5.3　存在型查询115

5.4　全称查询117

5.4.1　集合包含解决方案117

5.4.2　双重否定结构118

5.4.3　较长的全称路径束119

5.4.4　混合式全称和存在查询120

5.5　聚集和划分121

5.5.1　orderby子句121

5.5.2　groupby子句122

5.5.3　orderby和groupby之间的区别123

5.6　抑制划分125

5.5.4　划分组中出现重复表示元组的情况125

5.7　完整的select语法127

5.7.1　将SQL操作可视化的一种思维模型127

5.7.2　从SQL到关系代数128

5.7.3　几个语法上的细节130

5.8　数据编辑操作131

5.8.1　SQL插入131

5.8.2　SQL删除133

5.8.3　SQL修改134

5.9　嵌入式SQL135

5.9.1　立即执行135

5.9.2　结束和错误反馈136

5.9.3　准备SQL语句137

5.9.4　SQL游标138

5.9.5　输入和输出描述符141

小结143

练习143

第6章 高级SQL148

6.1 视图148

6.1.1　from子句中表的表达148

6.1.2　视图作为虚表149

6.1.3　通过视图更新元组151

6.1.4　视图的check选项154

6.2　空值154

6.2.1　空值操作155

6.2.2　聚集函数中的空值操作和SQL谓词157

6.2.3　match谓词和引用完整性158

6.2.4　具有any和all的谓词160

6.3　外操作161

6.3.1　外连接162

6.3.2　外并164

6.4　约束166

6.4.1　SQL约束的目的和格式166

6.4.2　域约束167

6.4.3　表约束：主关键字、外关键字和check约束169

6.4.4　列约束：主关键字、引用和check约束170

6.4.5　全局约束170

6.5　触发器171

6.6　关系数据库的扩展定义173

6.7　关系模型的缺陷174

小结176

练习178

7.1 面向对象数据库的非正式介绍181

第7章 面向对象数据库181

7.1.1　属性值可以是其他对象182

7.1.2　从对象中抽取查询解决方案183

7.1.3　通过逻辑包含表示联系186

7.2　面向对象术语187

7.2.1　使用信号的对象通信187

7.2.2　属性信号188

7.2.3　类和方法189

7.2.4　类层次和继承190

7.2.5　常用类的内置类层次191

7.2.6　方法的放置和多态192

7.2.7　信号优先级：一元、二元、关键字195

7.3　面向对象数据库定义196

7.3.1　将应用类放置在内置层次中197

7.3.2　属性方法和错误捕获199

7.3.3　创建应用对象200

7.4　联系200

7.4.1　二元联系200

7.4.2　高阶联系201

7.4.3　递归联系205

7.5　约束206

7.5.1 一般性约束：域、键、实体完整性和引用完整性206

7.5.2　函数依赖约束206

7.5.3　触发器：用于更一般性的约束207

7.5.4　进一步讨论约束209

7.5.5　使用读属性信号可能破坏对象封装210

7.6　面向对象与关系数据库的比较211

小结214

练习215

第8章 面向对象查询218

8.1　简单数据检索的概念模型218

8.1.1　涉及单个类的查询218

8.1.2　涉及多个类的查询221

8.1.3　等价于SQL子查询的信号表达式223

8.1.4　其他一些说明中间对象的计算的例子224

8.2　存在型查询225

8.2.1　直接检测属性对象225

8.2.2　使用数据库路径的简化语法226

8.3　全称查询230

8.3.1 模仿SQL中的集合包含解决方案230

8.3.2　使用双重否定模仿SQL解决方案231

8.3.3　进一步的例子232

8.4　聚集和划分233

8.4.1　模仿SQL的orderby子句233

8.4.2　模仿SQL的groupby子句234

8.5　递归查询236

8.5.1　一对多的递归联系236

8.5.2　多对多的递归联系237

8.6　数据编辑操作238

8.6.1　插入新对象238

8.6.2　删除对象239

8.6.3　更新对象240

8.7　从SQL到信号表达式240

8.7.1　对特定SQL形式的限制转换241

8.7.2　将关系表转换成类241

8.7.4　转换算法的概括形式243

8.7.3　转换select-project-join查询的一般形式243

8.7.5　最初转换形式的另一种转换245

8.7.6　将算法扩展到子查询246

8.7.7　将算法扩展到划分和聚集247

8.8　对象查询语言（Object Query Language,OQL）248

8.8.1　OQL符号248

8.8.2　OQL举例249

小结249

练习251

第9章 演绎数据库255

9.1　数据库环境下的逻辑程序设计255

9.1.1　数据库与算术谓词255

9.1.2　演绎规则与导出谓词256

9.1.3　可能世界与演绎规则模型258

9.1.4　最小模型260

9.1.5　逻辑程序261

9.2　演绎数据库的非正式介绍261

9.2.1 查询语法261

9.2.2　持久演绎规则和源于查询的逻辑程序263

9.3　演绎数据库的定义265

9.3.1　公理的表示265

9.3.2　对联系、约束和隐含事实的演绎规则267

9.3.3　无环演绎数据库和惟一最小模型268

9.4　作为满足的目标的查询解271

9.4.1　无否定自由变量的查询解算法271

9.4.2　消除否定自由变量273

9.4.3　从首选最小模型提交解的算法274

9.5　联系275

9.5.1　二元联系276

9.5.2　高阶联系277

9.5.3　递归联系278

9.6　约束279

9.6.1　用演绎规则设置结构性约束280

9.6.2　函数依赖约束282

9.6.3　聚集谓词和相关约束283

小结285

练习287

第10章 演绎查询290

10.1　存在型查询290

10.1.1　包括一个应用对象的查询290

10.1.2　包括多个应用对象的查询292

10.2　全称查询293

10.3　聚集和划分295

10.4　逻辑程序与关系代数298

10.4.1　关系和数据库谓词的对应298

10.4.2　从关系代数到演绎规则299

10.4.3　综合转换的例子303

10.4.4　反向过程：从导出谓词到关系代数303

10.5　超出无环演绎数据库305

10.5.1　Horn（霍恩）子句系统305

10.5.2　在依赖图中存在受限环的系统306

10.6　递归查询309

小结313

练习314

第11章 网状数据库319

11.1　对网状数据库的非正式介绍319

11.2.1 网状记录类型323

11.2　网状数据库定义323

11.2.2　系325

11.2.3　Insertion和retention子句327

11.2.4　完整性考虑：set-selection和check子句328

11.3　网状数据操纵语言（DML）330

11.3.1　当前指针330

1 1.3.2　在记录中导航331

1 1.3.3　记录的插入、修改和删除334

11.3.4　记录到系的连接336

11.4　联系338

11.4.1　高阶联系338

11.4.2　一对多的递归联系340

11.4.3　多对多递归联系342

11.5　约束345

11.6.1　存在型查询347

11.6　网状查询347

11.6.2　全称查询349

11.6.3　聚集查询350

11.7　网状数据库和以前模型的比较350

小结351

练习352

第12章 层次数据库355

12.1　层次数据库的非正式介绍355

12.1.1　实体和其实例的树结构355

12.1.2　通过逻辑邻接来表示联系358

12.1.3　在相关记录中导航360

12.1.4　针对层次数据库的查询形式概览362

12.2　联系364

12.2.1　线性化层次之外的虚孩子365

12.2.2　高阶联系367

12.3　层次定义和数据操纵368

12.3.1　层次模式368

12.3.2　使用get命令定位记录369

12.3.3　插入记录371

12.3.4　删除和修改记录372

12.4　约束373

12.5　层次查询374

12.5.1　存在型查询374

12.5.2　全称查询375

12.5.3　聚集查询376

小结376

练习377

13.1　模型的相似之处381

第13章 数据库模型之间的比较381

13.2　各个模型的优点和缺点383

13.2.1　层次和网状模型383

13.2.2　关系模型385

13.2.3　面向对象模型385

13.2.4　演绎模型386

第二部分　磁盘存储管理388

第14章 文件结构388

14.1　磁盘存储单元的物理组织388

14.2　块定位模式391

14.3　索引顺序文件394

14.4　散列文件397

14.4.1　选择散列函数398

14.4.2　计算记录在桶中的分布399

14.4.3　单次随机检索需要的平均磁盘探测次数402

14.4.4　对α〉1.0展开分析403

14.4.5　散列非数字值405

14.5　动态文件结构406

14.5.1　动态索引顺序文件406

14.5.2　通过模数加倍进行动态散列407

14.5.3　通过目录加倍进行动态散列411

14.5.4　其他散列模式414

小结415

练习416

第15章 索引418

15.1　稀疏层次索引418

15.1.1 无重复关键字的稀疏索引418

15.1.2　有重复关键字的稀疏索引422

15.1.3　在删除期间维护稀疏层次索引423

15.1.4　在插入期间维护稀疏层次索引426

15.2　稠密索引429

15.3　B树432

15.3.1　查找范围433

15.3.2　定义B+树的特性434

15.3.3　在插入期间维护B+树的平衡435

15.3.4　在删除期间维持B+树的平衡441

15.3.5　B+树的性能统计443

15.3.6　B树家族的其他成员446

小结447

练习448

第16章 数据库模型的文件结构451

16.1　关系模型451

16.2　网状模型454

16.3　层次模型459

16.4　面向对象模型462

16.5　演绎模型465

小结465

练习466

第三部分　数据库设计470

第17章 应用设计描述470

17.1　实体联系模型470

17.2　类层次和继承471

17.2.1　类的特化和概化472

17.2.2　重叠子类和多继承474

17.3　从ER图到数据库模式的映射477

17.3.1 映射为关系模式477

17.3.2　映射为网状模式486

17.3.3　映射为层次模式489

17.3.4　映射为面向对象模式492

17.3.5　映射为演绎模式494

17.4　对象建模技术（OMT）496

小结500

练习501

第18章 函数依赖分析503

18.1　函数依赖约束的起源503

18.1.1　泛关系和它的投影503

18.1.2　函数依赖集的闭包506

18.1.3　Armstrong公理507

18.2　最小覆盖集509

18.2.1　一个判断闭包成员的算法509

18.2.2　确定关键字和超关键字510

18.2.3　确定最小覆盖集511

18.2.4　计算最小覆盖集的算法512

18.2.5　一个综合的例子515

18.2.6　水族馆数据库约束的最小覆盖集517

18.3　无损连接分解517

18.4　Boyce-Codd范式（BCNF）519

18.4.1　使用函数依赖减少冗余519

18.4.2　通过分解删除违反BCNF的约束520

18.4.3　分解水族馆数据库为BCNF522

18.4.4　一个BCNF分解的算法523

18.5　保持函数依赖524

18.5.1　一个检查保持函数依赖的算法525

18.6　前三种范式527

18.6.1　第一范式527

18.6.2　第二范式528

18.6.3　第三范式529

18.6.4　一个3NF、无损连接、保持函数依赖的分解算法532

18.7　FD分析的有限性和扩展534

小结536

练习537

第19章 连接依赖分析540

19.1　多值依赖540

19.1.1 由MVD引起的冗余542

19.2　多值依赖和函数依赖的相互作用543

19.2.1 函数依赖和多值依赖集合的闭包544

19.2.2　函数依赖可以强制某些多值依赖进入闭包544

19.2.3　函数依赖和多值依赖能够强制新的函数依赖进入闭包545

19.2.4　补充律与增补律546

19.2.5　FD-MVD推理规则546

19.3.1　集合群的最小基549

19.2.6　属性决定因素的必要条件549

19.3　依赖基549

19.3.2　决定因素的依赖基551

19.3.3　FD-MVD推理规则的完备性555

19.3.4　存在MVD时无损连接的一个新准则555

19.4　第四范式558

19.4.1　由MVD引入的冗余558

19.4.2　利用分解消除违反4NF的情况558

19.4.3　4NF关系集合严格地被包含在BCNF关系集合中561

19.4.4　在水族馆数据库语境中的MVD562

19.4.5　左部为空的MVD约束562

19.5　普通的连接依赖563

19.5.1 由多分量连接产生的元组563

19.5.2　由普通连接依赖引入的冗余564

19.5.3　从已有的JD推出新的JD565

19.5.4　允许JD没有冗余的条件565

19.5.5　由FD和MVD强制的JD567

19.5.6　一个JD允许没有冗余当且仅当它由某些FD所蕴含568

19.5.7　嵌入的连接依赖569

19.5.8　一个引入冗余的JD的例子570

19.6　第5范式572

19.6.1 5NF包含4NF574

19.6.2　一个满足4NF却不满足5NF的实例574

19.6.3　确定JD在闭包中的追赶算法575

19.6.4　单关键字提供的简化577

19.7　连接依赖以外的话题578

19.7.1　模板约束579

小结580

19.7.2　域关键字范式580

练习582

第四部分　后记586

第20章 性能586

20.1　并发586

20.1.1 事务587

20.1.2　可串行化调度588

20.1.3　通过锁实现可串行化589

20.1.4　死锁和事务依赖图590

20.1.5　脏读、不可重复读和幻像591

20.1.6　隔离级别594

20.1.7　通过时间戳实现可串行化595

20.2　恢复599

20.2.1 日志文件在事务回滚和故障恢复中的作用599

20.2.2　利用检查点来限制大范围的日志文件搜索602

20.2.3　从数据库备份中恢复603

20.2.4　对重启长事务的特殊防范603

20.3　安全性606

20.3.1　权限描述符606

20.3.2　权限收回和失控权限问题610

20.4　查询优化611

20.4.1 在关系代数表达式树中记录操作612

20.4.2　转换计算树的启发信息613

20.4.3　一个综合的例子614

20.4.4　估计连接操作的代价：写输出616

20.4.5　估计连接操作的代价：组织输入流617

小结619

参考文献621

术语表625