数据库系统（上）：模型与语言：候选键和外键引介

# 1. 引言

## 1.1 数据库系统概述

数据库是计算机系统中存储和管理数据的关键组件之一。它可以被看作是一个大型的电子文件柜，用于存储和组织各种数据，如文本、图像、音视频等。数据库系统不仅提供了数据的持久化存储能力，还可以通过各种查询和操作方式来实现对数据的高效管理和使用。

数据库系统由数据库管理系统（DBMS）和数据库组成。数据库管理系统是指一些用于管理和操作数据库的软件集合，它负责处理各种数据库操作，如数据的增删改查，以及数据完整性、安全性和并发控制等方面的问题。

常见的数据库模型包括关系型模型、层次模型、网状模型和面向对象模型等，其中关系型模型是应用最广泛的一种。关系型数据库使用表来组织数据，每个表由多个行和列组成，通过表之间的关系（如主键、外键）来建立数据之间的联系。

数据库系统还提供了一种特定的语言用于数据库的定义、查询和操作，称为数据库语言。其中，数据定义语言（Data Definition Language，DDL）用于定义数据库的结构和模式；数据查询语言（Data Query Language，DQL）用于查询和检索数据；数据操作语言（Data Manipulation Language，DML）用于插入、更新和删除数据。

在接下来的章节中，我们将深入了解数据库设计的基础知识，包括实体-关系模型、候选键和外键引介的概念及其应用。

# 2. 数据库设计基础

数据库设计是数据库系统中非常重要的一个环节，它关乎数据的组织结构和存储方式，直接影响到后续数据库操作和应用的效率和质量。在数据库设计中，实体-关系模型是一种常用的建模工具，候选键和外键引介则是设计中重要的概念和技术。下面将分别介绍实体-关系模型、候选键和外键引介的基础知识。

### 2.1 实体-关系模型简述

实体-关系（ER）模型是由彼得·钱（Peter Pin-Shan Chen）在1976年提出的，用于描述现实世界中的概念和实体之间的关系。在ER模型中，实体表示现实世界中的对象或事物，关系表示实体之间的联系。通过对实体和关系的抽象和建模，设计者可以更好地理解和规划数据库系统中的数据结构。

### 2.2 候选键的概念和作用

在关系数据库中，候选键是能唯一标识关系中元组的属性集合。换句话说，候选键是关系中能确保元组唯一性的最小属性集合。候选键的作用在于确保数据的唯一性和完整性，同时也为数据库的性能优化提供了可能。

### 2.3 外键引介的概念和作用

外键引介是一种约束，用于实现关系数据库系统中表与表之间的引用完整性。它用来确保一个表中的数据引用另一个表中必须存在的数据。外键引介能够帮助维护数据的一致性，并且在数据操作和查询中发挥重要作用。

在接下来的章节中，将分别对候选键和外键引介展开更为详细的解释，并结合实际案例分析它们在数据库设计中的应用和意义。

# 3. 候选键的定义和应用

在数据库设计中，候选键（Candidate Key）是用来唯一标识实体的属性或属性组合。候选键的选择和定义对于数据库的性能和数据完整性起着至关重要的作用。本章将详细介绍候选键的定义、特性、选择原则以及实际应用案例分析。

### 3.1 候选键的定义与特性

候选键是用于唯一标识关系模型中的实体的属性或属性组合，它具有以下特性：

1. 唯一性：候选键的值在整个数据库中是唯一的，每个实体都可以通过候选键的属性值来确定唯一的实体。
2. 最小性：候选键是最小的属性子集，无法再删除任何一个属性而保持唯一性。
3. 不可重复性：候选键的属性值不能重复出现在其他实体中。
4. 稳定性：候选键的属性值在整个实体生命周期中是稳定不变的。

### 3.2 候选键的选择原则

在确定候选键时，需要遵循以下原则：

1. 唯一性：候选键的属性或属性组合必须能够唯一标识实体，不存在重复的情况。
2. 最小性：选择最小的属性子集作为候选键，不包含冗余属性。
3. 稳定性：候选键的属性值在实体生命周期中应该是不变的，不随时间、条件的变化而改变。

选择合适的候选键可以提高数据库的查询性能、数据完整性和数据一致性。

### 3.3 候选键的实际应用案例分析

假设我们要设计一个学生信息管理系统的数据库，包含学生表和课程表。在学生表中，我们可以选择学号（StudentID）作为候选键，因为学号是唯一的且不会改变。在课程表中，我们可以选择课程编号（CourseID）作为候选键。

# 学生表的候选键示例代码

class Student:
    def __init__(self, student_id, name, age):
        self.student_id = student_id
        self.name = name
        self.age = age
    # 省略其他属性和方法

# 创建学生对象
student1 = Student("2021001", "张三", 18)