第4章 關聯式資料庫模型 關聯式資料模式的特點、優缺點、關係連結法 4-1 關聯式資料庫模型的基礎 關聯式資料模型的組成元素 4-2 關聯式資料庫模型的資料結構 關聯表綱要、關聯表實例、關聯表、屬性、值組、維度、基數、主鍵、定義域、關聯表的特性、關聯表的種類 4-3 關聯式資料庫模型的完整性限制條件 鍵限制條件：超鍵、候選鍵、主鍵、替代鍵、外來鍵、候選鍵中挑選主鍵的原則、外來鍵的特性 定義域限制條件 實體完整性：主鍵的更新規則 參考完整性：外來鍵參考圖、外來鍵參考鏈、外來鍵參考鏈環、外來鍵使用規則、參考完整性處理方式 其他完整性限制條件：語意完整性 關聯式資料模式的特點、優缺點、關係連結法 4-5 關聯式資料庫 範例 資料庫(DB) ch04

4-1 關聯式資料庫模型的基礎 關聯式資料庫模型（Relational Database Model）： 1969年E. F. Codd博士在IBM公司的研究成果 關聯式資料模型的組成元素： 資料結構（Data Structures）： 資料的組成方式 關聯式資料模型來說，就是欄和列組成表格的關聯表（Relations） 資料操作或運算（Data Manipulation或Operations）： 資料相關操作的關聯式代數和計算 完整性限制條件（Integrity Constraints）： 維護資料完整性條件，目的是確保儲存資料是合法資料 資料庫(DB) ch04

4-2 關聯式資料庫模型的資料結構-說明 關聯式資料庫： 關聯表： 一組關聯表（Relations）的集合 關聯式資料庫模型的資料結構（Data Structure） 使用二維表格組織資料： 關聯表綱要（Relation Schema）： 包含關聯表名稱、屬性名稱和其定義域 關聯表實例（Relation Instance）： 指某個時間點儲存在關聯表的資料 因為儲存的資料可能隨時改變 可視為一個二維表格，儲存的每一筆記錄是一個值組（Tuples） 資料庫(DB) ch04

4-2 關聯式資料庫模型的資料結構-圖例 string 資料庫(DB) ch04

4-2-1 關聯表綱要-相關術語1 資料庫(DB) ch04

4-2-1 關聯表綱要-相關術語2 關聯表（Relations）： 屬性（Attributes）： 值組（Tuples）： 相當於一個二維表格 但不同於表格，不用考慮各列和各欄資料的順序 每一個關聯表需要指定關聯表名稱 屬性（Attributes）： 關聯表的所有屬性是一個屬性集合（Attribute Set） 因為是集合，關聯表的屬性不能重複 值組（Tuples）： 關聯表的一列，也就是一筆記錄 這是一組目前屬性值的集合 資料庫(DB) ch04

4-2-1 關聯表綱要-相關術語3 維度（Degree）： 基數（Cardinality）： 主鍵（Primary Key）： 關聯表的屬性數目 基數（Cardinality）： 關聯表的值組數目 主鍵（Primary Key）： 關聯表需選擇一個或多個屬性的屬性子集（Attribute Subset）作為主鍵 用來識別值組是唯一的 資料庫(DB) ch04

4-2-1 關聯表綱要-相關術語3 資料庫(DB) ch04

4-2-1 關聯表綱要-表示法(語法) 關聯表綱要表示法的語法： relation_name (attribute1, attribute2, attribute3, … , attributeN) 說明： relation_name：關聯表名稱 attribute1, attribute2, attribute3, …. , attributeN： 括號中是屬性清單 通常省略屬性的定義域 屬性加上底線表示主鍵 外來鍵使用虛線底線或其他表示方法 資料庫(DB) ch04

4-2-1 關聯表綱要-表示法(範例) 例：關聯表Students的關聯表綱要： Students (sid, name, address, tel, birthday) 主鍵是sid 關聯表綱要亦可標示定義域的int、char和datetime： Students (sid(int), name(char), address(varchar), tel(char), birthday(datetime)) 資料庫(DB) ch04

4-2-2 關聯表實例-說明 關聯表實例（Relation Instance）： 一個有限個數的集合 集合內容是關聯表的值組（Tuples） 關聯表資料可能隨時更改 關聯表實例是指某一時間點的值組集 資料庫(DB) ch04

4-2-2 關聯表實例-定義域(說明) 定義域（Domains）： 一組可接受值的集合 這些值是不可分割的單元值（Atomic），不可是另一個集合 對比程式語言來說： 定義域相當於變數的資料型態 值組的屬性值相當於是變數值，滿足資料型態的定義域範圍 資料庫(DB) ch04

4-2-2 關聯表實例-定義域(種類) 定義域分為兩種： Birthday = Month + Day + Year 簡單屬性（Simple Attributes）： 簡單屬性是一種不可再分割的屬性 定義域是相同型態的單元值（Atomic）集合 複合屬性（Composite Attributes）： 複合屬性是由簡單屬性所組成的屬性，可形成一個階層架構 例如： 地址屬性可由數個簡單屬性所組成： Address = City + Street + Number 生日屬性： Birthday = Month + Day + Year 資料庫(DB) ch04

4-2-2 關聯表實例-屬性值(說明1) 屬性值（Attribute Values）： 關聯表實際儲存資料的最小單位 屬性集合的每一個屬性都擁有一組可接受的值，即屬性的定義域 例如：學生Students關聯表 關聯表實例的屬性值集合（Attribute Value Set）： 指目前關聯表實例各屬性所包含的值： city屬性值 ={'中和巿', '桃園巿', '台中巿', '高雄市' } age屬性值 = 21~30 GPA屬性值= 1~4.0 資料庫(DB) ch04

4-2-2 關聯表實例-屬性值(特點) 單元值（Atomic）： 指定定義域： 可能為空值(null)： 屬性值是不可分割的單元值 屬性值一定要指定定義域，且只有一個定義域 屬性值屬於指定的定義域，但並不表示所有的定義域值都會出現 屬性值集合可能只是定義域的部分集合 可能為空值(null)： 屬性值可能空值 資料庫(DB) ch04

4-2-2 關聯表實例-空值(說明) 空值（Null Values）： 空值分成3種： 關聯表的屬性值可能是一個未知或無值的空值 空值是一個特殊符號，不是0，也不是空字串 所有定義域都會包含空值 空值並沒有意義，不能作為真偽的比較運算 空值分成3種： 未知值（Unknown） 完全未知（Total Unknown） 不適性（Not Applicable） 資料庫(DB) ch04

4-2-2 關聯表實例-空值(意義1) 未知值（Unknown）： 找不到（Missing）： 屬性值存在但找不到 例如： 不知道學生【陳大安】的地址 address屬性值一定存在只是找不到，是一個找不到的空值 資料庫(DB) ch04

4-2-2 關聯表實例-空值(意義2) 完全未知（Total Unknown）： 不知道屬性值是否存在 例如： 不知道張先生是否有配偶 配偶欄spouse是完全未知的空值 資料庫(DB) ch04

4-2-2 關聯表實例-空值(意義3) 不適性（Not Applicable）： 沒有適合的屬性值 例如： 公司員工劉先生沒有手機 cellphone 屬性值的手機號碼是一個不適性的空值 資料庫(DB) ch04

4-2-3 關聯表的特性-說明 關聯表的5個特性： 名稱唯一性: 沒有重複的值組(不可有重複的記錄): 關聯表的名稱是唯一的 同一資料庫不能有兩個關聯表擁有相同名稱 同一個關聯表的屬性名稱也是唯一 不同關聯表允許擁有相同名稱的屬性 沒有重複的值組(不可有重複的記錄): 關聯表是數學集合，集合中不可有重複元素 隱含的意義是關聯表的主鍵 主鍵是值組的識別，沒有2個值組是完全相同的 值組是沒有順序(記錄沒有分先後順序): 關聯表的值組是集合，沒有順序分別 重新排列關聯表的值組，也不會產生新的關聯表 屬性也沒有順序(欄位沒有分先後順序): 大部分資料庫管理系統並不支援此特性 資料庫管理系統提供的資料庫存取函式庫，可取得屬性的原始順序，且允許使用順序存取屬性值 所有的屬性值都是單元值（Atomic） 二維表格中的每一個儲存格的值都是單一值 資料庫(DB) ch04

4-2-4 關聯表的種類 具名關聯表（Named Relations）： 基底關聯表（Base Relations）： 使用CREATE TABLE/VIEW和SNAPSHOT指令建立的關聯表 基底關聯表（Base Relations）： 一種具名關聯表，也稱為真實關聯表（Real Relations） 導出關聯表（Derived Relations）： 由其他具名關聯表，經過運算而得的關聯表 視界（Views）： 定義在其他基底關聯表之上的一種虛擬關聯表（Virtual Relations） 快照關聯表（Snapshots）： 具名的導出關聯表 一個時間點的關聯表內容，它有真正的儲存資料，屬於一種唯讀關聯表 查詢結果（Query Results）： 一種沒有具名的導出關聯表 中間結果（Intermediate Results）： 沒有具名的導出關聯表，是JOIN合併查詢指令中子查詢的查詢結果 暫存關聯表（Temporary Relations）： 一種具名關聯表，儲存的是資料庫管理系統暫時所需的資料 儲存型關聯表（Stored Relations）： 實際儲存在儲存裝置的關聯表，是真正可儲存資料的關聯表 資料庫(DB) ch04

4-3 關聯式資料模型的完整性限制條件-說明 關聯式資料庫模型的完整性限制條件（Integrity Constraints）： 資料庫設計的一部分 目的： 檢查資料庫儲存的資料和保障資料的正確性 可防止授權使用者將不合法的資料存入資料庫 能夠避免關聯表之間的資料不一致 資料庫(DB) ch04

4-3 關聯式資料模型的完整性限制條件-種類 鍵限制條件（Key Constraints）： 關聯表一定擁有一個唯一和最小的主鍵（Primary Key） 定義域限制條件（Domain Constraints）： 關聯表的屬性值一定是屬於定義域的單元值 實體完整性（Entity Integrity）： 關聯表的主鍵不可以是空值 定義關聯表內部的限制條件 參考完整性（Referential Integrity）： 關聯表的所有外來鍵值，都必須能參考到另一關聯表的主鍵值（或同一個關聯表的主鍵） 定義關聯表彼此之間的限制條件 資料庫(DB) ch04

完整性限制種類（補充） 值域限制（domain constraint）： 又稱 區域完整性 (Domain Integrity)，確保資料在允許的範圍 Allowable values for an attribute. （屬性的容許值）﹐請參閱p 5-8 表5-1 值域包含右列元件：值域名稱、意義、資料型態、大小（長度）、及可允許的值或範圍 實體完整性（Entity integrity）： No primary key attribute may be null. 任何主鍵屬性都不可為null All primary key fields MUST have data. 所有的主鍵欄位都必須有資料 規範關聯表內部的限制條件 確保關聯表中的記錄是 “唯一” 參考完整性（referential integrity）： 規範關聯表與關聯表之間的限制條件 確保相關連的關聯表間資料一致, 避免因一個關聯表的記錄改變, 造成另一個關聯表的內容變成無效的值 行動主張（action assertion）： 業務法則﹐請回顧第4章 又稱使用者定義的完整性 (User-defined Integrity) ，由使用者自行定義 資料庫(DB) ch04

4-3-1 鍵限制條件-說明 關聯表的鍵（Keys）： 關聯表綱要單一屬性或一組屬性的集合 候選鍵為超鍵的子集 主鍵和替代鍵為候選鍵的子集，也是超鍵的子集 主鍵和替代鍵為外來鍵的部分集合 資料庫(DB) ch04

4-3-1 鍵限制條件-超鍵 超鍵（Superkeys）： 超鍵是關聯表綱要的單一屬性或一組屬性的集合 超鍵需要滿足唯一性： 唯一性（Uniqueness）： 在關聯表絕不會有2個值組擁有相同值 只需透過超鍵的識別，就可在關聯表存取指定的值組 資料庫(DB) ch04

4-3-1 鍵限制條件-候選鍵 候選鍵（Candidate Keys）： 每一個關聯表至少擁有一個候選鍵 候選鍵是一個超鍵 候選鍵不只滿足超鍵的唯一性，還需滿足最小性： 最小性（Minimality）： 最小屬性數的超鍵，在超鍵中沒有一個屬性可以刪除，否則將違反唯一性 關聯表的候選鍵需要同時滿足唯一性和最小性 候選鍵是最小屬性數的超鍵 所以，單一屬性的超鍵一定是候選鍵 資料庫(DB) ch04

4-3-1 鍵限制條件-主鍵、替代鍵、外來鍵 主鍵（Primary Key , PK ）： 關聯表各候選鍵(Candidate Keys)的其中之一，且只有一個 替代鍵（Alternate Keys）: 候選鍵中不是主鍵的其他候選鍵稱為替代鍵 這些可用來替代主鍵的侯選鍵 外來鍵（Foreign Keys , FK ）： 關聯表的單一屬性或一組屬性的集合 值是參考其他關聯表的主鍵，也可能參考同一個關聯表的主鍵 外來鍵和其他關聯表的主鍵是對應的，扮演連結關聯表膠水功能 次要鍵（ Secondary Key ）:（補充） 又稱 nonunique key（非唯一鍵） 對於此欄位, 多筆記錄資料會有相同值 主要的功能是提供資料索引 主鍵是唯一的識別值，可用做索引 可設定其他欄位用作資料索引 主鍵索引 索引類型： 叢集: 叢集索引將資料表或檢視中的資料列依其索引鍵值排序與儲存  資料列本身只能以一種順序排序，所以每個資料表只能有一個叢集索引 只有當資料表包含叢集索引時，資料表的資料列才會以排序順序儲存  當資料表有叢集索引時，資料表又稱為叢集資料表 非叢集: 非叢集索引有一個與資料列完全分開的結構 非叢集索引包含非叢集索引鍵值，而每個索引鍵值項目都有一個指標，指向包含索引鍵值的資料列 從非叢集索引中的索引列指向資料列的指標被稱為資料列定位器 若是堆積，資料列定位器是指向資料列的指標 若是叢集資料表，資料列定位器就是叢集索引鍵 索引鍵的限制: 900 個位元組和 16 個索引鍵資料行 叢集與非叢集索引 參考備忘稿 資料庫(DB) ch04 除了主鍵索引外, 其他欄位的索引

4-3-1 鍵限制條件-主鍵(原則) 候選鍵中挑選主鍵的原則： 絕對不是空值（Not Null）： 候選鍵的屬性值不能是空值 如果是複合鍵，所有屬性都保證不會是空值 永遠不會改變（Never Change）： 候選鍵的屬性值永遠不會改變 本身不是識別值（Nonidentifying Value）： 候選鍵的屬性值本身沒有其他意義 亦即，不是智能型識別子 (如﹐包含可能異動的位置或人員) 例如：若一個產品編號的候選鍵，產品編號含產品庫存的倉庫編號，則萬一此產品不再放在該倉庫，則勢必要更改該產品編號，但是產品編號是候選鍵，不可被更動的 簡短且簡單的值（Brevity and Simplicity）： 儘可能選擇單一屬性的候選鍵 以新的單一鍵來代替冗長的複合鍵 資料庫(DB) ch04

4-3-1 鍵限制條件-外來鍵(圖例) 資料庫(DB) ch04

4-3-1 鍵限制條件-外來鍵(特性) 外來鍵的特性 ： 外來鍵參考其他關聯表的主鍵，也可能參考同一個關聯表的主鍵 是兩個關聯表間的連結 authors 外來鍵在關聯表內不一定是主鍵 Books a_no 和 publisher 是外來建 外來鍵和參考的主鍵屬於相同定義域，不過屬性名稱可以不同 publishers 外來鍵和參考主鍵: 主鍵是單一屬性，外來鍵就是單一屬性 主鍵是屬性集合，外來鍵一樣也是屬性集合 外來鍵可以是空值NULL 外來鍵可參考同一個關聯表的主鍵 Employees ( sid , name , address , phone , manager_id ) 資料庫(DB) ch04

4-3-2 定義域限制條件 定義域限制條件（Domain Constraints）： 在關聯表的屬性值一定是定義域的單元值（Atomic） 例如：屬性age的定義域是int 屬性值可為5，但不可是4.5 就是一種強調（勢）型態（Strongly Typed）程式語言 強型別 ( Strong Type ) ： 一種觀念，指盡量使用具有型別的方式開發 可讓開發人員在編譯時期(Compile-Time)就能夠發現錯誤 減少執行時期(Runtime)發生錯誤的機會 資料庫(DB) ch04

4-3-3 實體完整性-說明 實體完整性（Entity Integrity）： 指在基底關聯表主鍵的任何部分都不可以是空值 規則如下： 若主鍵是多個屬性的集合，任何一個屬性不可是空值 例如：(ename, cname)是主鍵 ename屬性不可為空值，cname屬性也不可是空值 關聯表只有主鍵不可是空值，替代鍵並不適用 實體完整性是針對基底關聯表，其導出的關聯表並不用遵守 資料庫(DB) ch04

4-3-3 實體完整性-主鍵的使用規則 主鍵的使用規則（Rule）： 關聯式資料庫管理系統都支援實體完整性: 以敘述方式說明發生的原因和將會有什麼影響 資料庫系統所定義的完整性限制條件執行的規則 關聯式資料庫管理系統都支援實體完整性: 定義主鍵的更新規則（Update Rule）： 基底關聯表的一個值組更新主鍵或新增值組時 如果主鍵是空值就違反實體完整性，資料庫管理系統必須拒絕這項操作 資料庫(DB) ch04

4-3-4 參考完整性-說明 參考完整性（Referential Integrity）： 當關聯表存在外來鍵時 外來鍵的值一定是來自參考主鍵或空值 外來鍵的屬性值集合即是參考主鍵的屬性值集合 定義域 資料庫(DB) ch04

4-3-4 參考完整性-範例 例如： 員工關聯表Employees都會參與公司的專案關聯表Projects 沒問題：Leader屬性不是主鍵 有問題：違反參考完整性 沒問題：Leader屬性不是主鍵 資料庫(DB) ch04

4-3-4 參考完整性-規則 關聯表不可包含無法參考的外來鍵 若外來鍵不是關聯表的主鍵，屬性值可為空值 例如： 員工李四的project欄位外來鍵值根本不存在 參考主鍵pid，表示此值組違反參考完整性 因為沒有父親的pid，怎麼會有兒子project 若外來鍵不是關聯表的主鍵，屬性值可為空值 Projects關聯表硬體授權的leader外來鍵是空值 可能尚未指定專案領導者，所以並沒有違反參考完整性 資料庫(DB) ch04

4-3-4 參考完整性-外來鍵參考圖 外來鍵參考圖（Referential Diagram）： 建立資料庫綱要時使用圖形標示關聯表間的外來鍵關係 Employees ( sid , name , address , phone ) Departments ( did , name , manager ) WorksOn ( pid , employee, hour ) Projects ( pid , name , department , leader ) 資料庫(DB) ch04

外來鍵參考圖 Employees ( sid , name , address , phone ) Departments ( did , name , manager ) WorksOn ( pid , employee, hour ) Projects ( pid , name , department , leader ) 資料庫(DB) ch04

4-3-4 參考完整性-外來鍵參考鏈 外來鍵參考鏈（Referential Chain）： 關聯表的外來鍵是參考其他關聯表的主鍵 在參考的關聯表也可能擁有其他的外來鍵，然後再參考其他關聯表 將這些外來鍵的參考關係依序繪出，就可建立外來鍵參考鏈： Projects → Departments → Employees 資料庫(DB) ch04

4-3-4 參考完整性-外來鍵參考環 外來鍵參考環（Referential Cycle）： 外來鍵參考最後回到原關聯表 例如： 關聯表R1的參考鏈最後又回到R1，外來鍵參考環如下： R1 → R2 → R3 → …. → Rn → R1 資料庫(DB) ch04

4-3-4 參考完整性-外來鍵使用規則 外來鍵的更新規則（Update Rule）： 外來鍵的刪除規則（Delete Rule）： 若一個值組擁有外來鍵 當合法使用者試圖在更新或新增值組時 更改外來鍵的值，資料庫管理系統會有如何處理？ 外來鍵的刪除規則（Delete Rule）： 當合法使用者試圖刪除參考的主鍵時 資料庫管理系統會怎麼處理？ 資料庫(DB) ch04

4-3-4 參考完整性-處理方式 參考完整性處理方式： 限制性處理方式（Restricted）： 拒絕刪除或更新操作 連鎖性處理方式（Cascades）： 當更新或刪除時，需要作用在所有影響的外來鍵，否則拒絕此操作 空值化處理方式（Nullifies）： 將所有可能的外來鍵都設為空值，否則拒絕此操作 資料庫(DB) ch04

4-3-5 其他完整性限制條件-說明 自訂額外檢查條件： 資料庫管理師依照需求在基底關聯表的屬性 新增額外的完整性限制條件 所有導出關聯表也會繼承在基底關聯表設定的完整性條件 額外條件: 關聯表新增、刪除和更新資料，觸發的一些額外檢查條件 資料庫(DB) ch04

4-3-5 其他完整性限制條件-語意完整性 語意完整性（Semantic Integrity）： 特定資料庫管理系統支援的完整性條件 屬性內容的一些限制條件 可檢查關聯表值組的屬性是否為合法資料 主要限制條件如下： 空值限制條件（Null Constraint）： 限制屬性值不可為空值 這個屬性一定要輸入資料 預設值（Default Value）： 若沒有輸入指定的屬性值 值組的屬性預設會填入指定的資料 主要的目的是避免屬性為空值 檢查限制條件（Check Constraint）： 布林值的邏輯運算式 輸入的屬性值一定需要滿足運算式，即邏輯運算式為真（true） 資料庫(DB) ch04

關聯式資料模式的特點 以數學的集合論作為理論基礎 資料結構以 關聯表(Tables) 呈現 關聯表(Relations) 為處理的單位(集合) 不是以單一筆的記錄做為處理單位 表格看成是由記錄(Records) 所構成的集合 提供關聯式代數/關聯式計算相同表達能力的查詢介面 關聯表運算具有封閉性(Closure) 如：整數對加法及減法有封閉性 “一次處理一個集合”(Set-at-a-Time) 使用資料值(Data Values) 隱含地連接關聯表 在邏輯上，資料是以表格方式呈現 實際儲存在磁碟卻可能是: 循序檔案、磁碟索引結構(如：B-trees, B+-trees)、雜湊表(如：Extendible Hashing, Linear Hashing)、指標串列(Pointer Chain) 或是經過壓縮儲存 資料庫(DB) ch04

關聯式資料模式的優缺點 優點： 缺點： 完全地資料和結構的獨立（Data and structural independence） 查詢能力（Query capability，如：SQL） 缺點： 關聯式資料庫邏輯模型（relational DB logical model ） 比其他階層式及網路式簡單 但，DBMS的設計會較複雜且處理速度慢 資料庫(DB) ch04

關聯式資料模式－關係連結法 關聯式資料關係連結法： 資料間關係以資料值(Data Value) 連結 階層式資料模式與網路式資料模式 以指標(Pointer) 作為連結資料間的關係 資料間的關係以合併運算（Join）完成 資料庫(DB) ch04

關聯式資料模式 －關聯表以資料值表示資料間的關係 員工employees 工作關係Work_in 部門department eid name did 7 Frank 5 Finance eid did 資料庫(DB) ch04

4-5 關聯式資料庫-說明 關聯式資料庫（Relational Database）： 使用關聯式資料模型的資料庫 由多個已正規化的關聯表所組成 關聯表間使用外來鍵與參考主鍵的資料值來建立連結 實作一對一、一對多和多對多的關聯性 關聯式資料庫綱要（Relational Database Schema）： 一組關聯表綱要和各綱要附屬的完整性限制條件 注意： 只擁有一個關聯表，也是一種合法的關聯式資料庫 資料庫(DB) ch04

4-5 關聯式資料庫-關聯表綱要 Student ( sid, name, birthday, GPA, tel ) 例如： 學校選課與排課系統資料庫擁有4個關聯表，各關聯表綱要，如下： Student ( sid, name, birthday, GPA, tel ) Instructors ( eid, name, rank, department ) Courses ( c_no, title, credits ) Classes ( eid, sid, c_no, time, room ) 修課資料表 資料庫(DB) ch04

4-5 關聯式資料庫-關聯表圖例 限制性處理方式（Restricted） 連鎖性處理方式（Cascades） 空值化處理方式（Nullifies） 資料庫(DB) ch04

4-5 關聯式資料庫-外來鍵參考圖範例一 資料庫(DB) ch04

外來鍵參考圖範例二 限制性處理方式（Restricted） 連鎖性處理方式（Cascades） 空值化處理方式（Nullifies） 資料庫(DB) ch04