数据库三大范式、ER图与实体类、外键约束与级联操作

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正文开始 ----------

1. 数据库三大范式🙊

1）范式

• 必须保证数据库设计的合理性

  • 数据库设计关系整个系统的架构，关系到后续开发效率和运行效率
  • 数据库的设计主要包含了设计表结构和表之间的联系

• 什么是合理的数据库 ？

  • 结构合理
  • 冗余较小
  • 尽量避免插入删除时修改异常

如何才能保证数据库设计水平

​ 遵循一定的规则

​ 在关系型数据库中这种规则就称为 范式。

• 什么是范式（NF= NormalForm）

​ 范式是符合某一种设计要求的总结。

​ 要想设计一个结构合理的关系型数据库，必须满足一定的范式。

2）范式分类

• 第一范式

  • 第二范式

  • 第三范式

  ​ • 各个范式是依次嵌套包含的

  ​ • 范式越高，设计质量越高，在现实设计中也越难实现

  ​ • 一般数据库设计，只要达到第三范式，即可避免异常的出现

3）第一范式

• 要求

  • 最基本的范式
  • 第一范式要求数据库表的每一列都是不可分割的基本数据项，同一列中不能有多个值
  • 简单来说就是要确保数据的原子性。
  • 第一范式的合理遵循需要根据系统的实际需求来定

  • 示例

  • 用户表（用户名，家庭地址）
  • 用户表（用户名，省，城市，详细地址）
  • 系（系名称，系主任，系高级职 称人数）
  • 系（系名称，系主任，系教授人数，系副教授人数）

• 比方说学生信息：

  字段名	值	字段名	值	字段名	值	字段名	值
  姓名	张三	性别	男	民族	汉	出生日期	2000年x月x日

  又比方说用户地址栏，一般情况下我们用一个varchar列来表示，其中值如下

  字段名	值
  家庭住址	湖北省武汉市武昌区某某街某某号

  如果有相应的业务要求，这个字段就可以按第一范式进行拆分，这样在针对地址进行检索时更加精确方便

  字段名	值	字段名	值	字段名	值	字段名	值
  省份	湖北省	地市	武汉市	区名	武昌区	街道名	某某街道

• 若某一列有多个值，可以将该列单独拆分成一个实体，新实体和原实体间是一对多的关系。

  比如：学生选课

  张三选了计算机、高数、英语三门课。使用一个字段存放，这就违反了范式。

  字段名	值	字段名	值
  姓名	张三	成绩	计算机80，英语90，高数70

  应该设计学生选课表，并对学生信息表产生1对多的关联

  字段名	值	字段名	值
  学生编号	123	学生姓名	张三

  字段名	值	字段名	值
  学科编号	s1	学科名称	计算机
  学科编号	s2	学科名称	英语
  学科编号	s3	学科名称	高数

  字段名	值	字段名	值	字段名
  学生编号	123	学科编号	s1	成绩	80
  学生编号	123	学科编号	s2	成绩	90
  学生编号	123	学科编号	s3	成绩	70

• 在任何一个关系数据库中，第一范式（1NF）是对关系模式的基本要求，不满足第一范式（1NF）的数据库就不是关系数据库。

4）第二范式

• 要求
  • 第二范式需要确保数据库表中的每一列都和主键相关，而不能只有一部分和主键相关（主要针对联合主键而言）。
  • 即在一个数据库表中只能保存一种数据，不可以把多种数据保存到同一张表中。
• 实例
  • 学号和课程编号作为联合主键
  • 课程名称只依赖于课程编号，而和学号没有关系

解决

• 提取出学生表
• 提取成课程表
• 提取选课表，存放选课记录

​ 学生表 选课表 课程表

5）第三范式

• 要求

  • 第三范式确保数据表中的每一列数据都与主键相关，而不能间接相关。

  • 属性不依赖其他非主属性.

示例1：学生班级表

完善之后的方案：

​ 示例2: 订单明细表

完善之后的方案：分割成图书表和订单表两种表

6）范式的优缺点

优点

• 结构合理
• 冗余较小
• 尽量避免插入删除修改异常

• 缺点

• 性能降低
• 多表查询比单表查询速度慢
• 数据库的设计应该根据当前情况和需求做出灵活的处理。
• 在实际设计中，要整体遵循范式理论。
• 如果在某些特定的情况下还死死遵循范式也是不可取的，因为可能降低数据库的效率，此时可以适当增加冗余而提高性能。

• 示例：

​ 比如经常购物车条目的中除了条目编号，商品编号，商品数量外，可以增加经常使用的商品名称，商品价格等

图书表

订单表中增加冗余列图书名称、价格，以空间换时间。

7）总结

• 范式是指导数据库设计的规范化原则，可以保证数据库的设计质量。
• 第一范式 ： 字段不能再分。
• 第二范式 ： 不存在局部依赖（要和主键相关）。
• 第三范式： 不包含传递依赖（间接依赖）。
• 使用范式可以减少冗余，但是会降低性能。
• 特定的表可以违反第三范式，但是可以增加其性能。

2. ER图与实体🍢

ER图是我们建立概念数据模型的工具
​ 数据模型是现实世界中数据特征的抽象。数据模型应该满足三个方面的要求：
​ 01 能够比较真实地模拟现实世界
​ 02 容易为人所理解
​ 03 便于计算机实现

​ 概念数据模型也称信息模型，它以实体－联系(Entity-RelationShip,简称E-R)理论为基础，并对这一理论进行了扩充。它从用户的观点出发对信息进行建模，主要用于数据库的概念级设计。

ER图图例

​ ER图分为实体、属性、关系三个核心部分。实体是长方形体现，而属性则是椭圆形，关系为菱形。

​ ER图的**实体（entity）**即数据模型中的数据对象，例如人、学生、音乐都可以作为一个数据对象，用长方体来表示，每个实体都有自己的实体成员（entity member）或者说实体对象（entity instance），例如学生实体里包括张三、李四等，实体成员（entity member）/实体实例（entity instance） 不需要出现在ER图中。

​ ER图的**属性（attribute）**即数据对象所具有的属性，例如学生具有姓名、学号、年级等属性，属性分为唯一属性（ unique attribute）和非唯一属性，唯一属性指的是唯一可用来标识该实体实例或者成员的属性，用下划线表示，一般来讲实体都至少有一个唯一属性。

​ ER图的**关系（relationship）**用来表现数据对象与数据对象之间的联系，例如学生的实体和成绩表的实体之间有一定的联系，每个学生都有自己的成绩表，这就是一种关系。

​ ER图中关联关系有三种：

​ 1对1（1:1） ：1对1关系是指对于实体集A与实体集B，A中的每一个实体至多与B中一个实体有关系；反之，在实体集B中的每个实体至多与实体集A中一个实体有关系。

​ 1对多（1:N） ：1对多关系是指实体集A与实体集B中至少有N(N>0)个实体有关系；并且实体集B中每一个实体至多与实体集A中一个实体有关系。

​ 多对多（M:N） ：多对多关系是指实体集A中的每一个实体与实体集B中至少有M(M>0)个实体有关系，并且实体集B中的每一个实体与实体集A中的至少N（N>0）个实体有关系。

ER的实 实体还会细分为弱实体和强实体：

​ 弱实体：一个实体必须依赖于另一个实体存在，那么前者是弱实体，后者是强实体，弱实体必须依赖强实体存在，例如上图的学生实体和成绩单实体，成绩单依赖于学生实体而存在，因此学生是强实体，而成绩单是弱实体。

​ 弱实体和强实体的联系必然只有1：N或者1：1，这是由于弱实体完全依赖于强实体，强实体不存在，那么弱实体就不存在，所以弱实体是完全参与联系的，因此弱实体与联系之间的联系也是用的双线菱形。

​ **复合实体：**复合实体也称联合实体或桥接实体，常常用于实现两个或多个实体间的M：N联系，它由每个关联实体的主玛组成，用长方体内加一个菱形来表示。

​ 下图就是一个典型的复合实体，因为只是举例，相对粗糙，用户和商品两个实体是M：N的关系，中间又订单这个实体联系，因此订单这个实体是一个复合实体，同时如果用户 实体不存在，就没有订单实体的存在，因此对于用户实体来讲订单是弱实体，同理商品实体如果不存在，同样不存在订单实体，因此对商品实体而言订单是弱实体，具体如图：

ER物理模型与数据建模

​ 上面说的原生ER图，主要用于模型分析，实际上我们更常用的ER图的物理模型。

​ 这里是一个在线免费ER图绘制网站，https://www.freedgo.com/erd-index.html，我们用这个工具来讲解一下ER图的分析绘制、及导出成SQL的过程。

​ 进入页面，可以点击“格式”按钮，展现图例菜单。

​ 我们可以选择实体关系/MySQL下的图标来完成学生班级课程模型模型。

建立学生表模型

​ 表名：student

点击对应的表图标，将之拖入到主体图纸上。

双击表头“MySQL Table”，可以编辑表名。

在字段上点击右键，选“列修改”，可以设置列属性。

改成以下样子

点击"应用"。

编辑完成后

在其上点击右键，选择“选中sql”，可以看到弹出窗口自动生成建表语句

CREATE TABLE IF NOT EXISTS student (	s_id INT UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
	s_name VARCHAR(20) NOT NULL default  ‘’,
	s_code VARCHAR(20) NOT NULL default  ‘’
);
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建立学生辅助信息表模型

表名：studentAdd

仿照上面流程，完成此表的模型。

然后点击“1对1关系”图标。

将两个端点分别拖动到student.s_id和studentAdd.s_id上去。

点击 数据库 -> MySQL -> 全部SQL 就可以看到完整的sql建表语句。

CREATE TABLE IF NOT EXISTS student (	s_id INT UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
	s_name VARCHAR(20) NOT NULL default  ‘’,
	s_code VARCHAR(20) NOT NULL default  ‘’
);
CREATE TABLE IF NOT EXISTS studentAdd (	a_id INT UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
	s_id INT(10) UNSIGNED NOT NULL default  0,
	s_address VARCHAR(60) NOT NULL default  ‘’
);
alter table studentAdd add constraint studentAdd_s_id_fk0  foreign key (s_id) references student (s_id);

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在这里针对1对1关系，建立了外键关联。

建立班级信息表模型

表名：class

表名：classStudent

仿照上面流程，完成此表的模型。

并建立class.c_id 与 classStudent.c_id 的1对多关联，及student.s_id 与 classStudent.s_id的关联

再看完整的建表sql

CREATE TABLE IF NOT EXISTS student (	s_id INT UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
	s_name VARCHAR(20) NOT NULL default  ‘’,
	s_code VARCHAR(20) NOT NULL default  ‘’
);
CREATE TABLE IF NOT EXISTS studentAdd (	a_id INT UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
	s_id INT(10) UNSIGNED NOT NULL default  0,
	s_address VARCHAR(60) NOT NULL default  ‘’
);
alter table studentAdd add constraint studentAdd_s_id_fk0  foreign key (s_id) references student (s_id);
CREATE TABLE IF NOT EXISTS class (	c_id INT UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
	c_name VARCHAR(20) NOT NULL default  ''
);
CREATE TABLE IF NOT EXISTS classStudent (	cs_id INT UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
	c_id INT(10) NOT NULL,
	s_id INT(10) NOT NULL
);
alter table classStudent add constraint classStudent_c_id_fk0  foreign key (c_id) references class (c_id);
alter table classStudent add constraint classStudent_s_id_fk0  foreign key (s_id) references student (s_id);
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建立课程班级信息表模型

表名：course

表名：courseClass

仿照上面流程，完成此表的模型。

并建立course.co_id 与 courseClass.co_id 的1对多关联，及class.c_id 与 courseClass.c_id的关联。

导出完整建表sql

CREATE TABLE IF NOT EXISTS student (	s_id INT UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
	s_name VARCHAR(20) NOT NULL default  ‘’,
	s_code VARCHAR(20) NOT NULL default  ‘’
);
CREATE TABLE IF NOT EXISTS studentAdd (	a_id INT UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
	s_id INT(10) UNSIGNED NOT NULL default  0,
	s_address VARCHAR(60) NOT NULL default  ‘’
);
alter table studentAdd add constraint studcentAdd_s_id_fk0  foreign key (s_id) references student (s_id);
CREATE TABLE IF NOT EXISTS class (	c_id INT UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
	c_name VARCHAR(20) NOT NULL default  ''
);
CREATE TABLE IF NOT EXISTS classStudent (	cs_id INT UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
	c_id INT(10) UNSIGNED NOT NULL,
	s_id INT(10) UNSIGNED NOT NULL
);
alter table classStudent add constraint classStudent_c_id_fk0  foreign key (c_id) references class (c_id);
alter table classStudent add constraint classStudent_s_id_fk0  foreign key (s_id) references student (s_id);
CREATE TABLE IF NOT EXISTS course (	co_id INT UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
	co_name VARCHAR(20) NOT NULL default  ''
);
CREATE TABLE IF NOT EXISTS courseClass (	cc_id INT UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
	co_id INT(20) UNSIGNED NOT NULL default  '',
	c_id INT(20) UNSIGNED NOT NULL default  ''
);
alter table courseClass add constraint courseClass_co_id_fk0  foreign key (co_id) references course (co_id);
alter table courseClass add constraint courseClass_c_id_fk0  foreign key (c_id) references class (c_id);
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3. 外键约束与级联操作🍒

外键约束（FOREIGN KEY）用来在两个表的数据之间建立连接，它可以是一列或者多列，一个表可以有一个或者多个外键。

​ **外键是表的一个字段，不是本表的主键，但对应另一个表的主键。**定义外键后，不允许删除另一个表中具有关联关系的行。

​ 外键对应的是参照完整性，一个表的外键可以为空值，若不为空值，则每一个外键的值必须等于另一个表中主键的某个值。

​ 外键的主要作用是保持数据的一致性、完整性。

​ 例如，部门表 tb_dept 的主键是 id，在员工表 tb_emp5 中有一个键 deptId 与这个 id 关联。

• 主表（父表）： 对于两个具有关联关系的表而言，相关联中字段中的主键所在的表就是主表。

• 从表（子表）： 对于两个具有关联关系的表而言，相关联字段中的外键所在的表就是子表。

  

设置MySQL外键结束的约束

​ 定义MySQL外键的时候，需要遵守一下规则：

• 主表必须已经存在数据库中，或者是当前正在创建的表。如果是后一种情况，则主表与从表是同一个表，这样的表称为自参表（顾名思义，就是自我参照的意思），这种结构称为自参完整性。
• MySQL支持外键的存储引擎只有InnoDB，这里和主键有区别，注意区分。在创建外键的时候，要求主表必须有对应的索引。从表在创建外键的时候也会自动创建对应的索引。
• 必须为主表定义主键。
• 主键不能包含空值，但是允许在外键中出现空值。也就是说，只要外键的每个非空值出现在指定的主键中，这个外键的内容就是正确的。
• 在主表的表名后面指定列名或列名的组合。这个列或列的组合必须是主表的主键或候选键（唯一键、复合主键）。
• 外键中列的数目必须和主表的主键中列的数目相同。
• 外键中列的数据类型必须和主表主键中对应列的数据类型相同。

在创建表时指定外键约束

在数据表中创建外键使用 FOREIGN KEY 关键字，具体的语法规则如下：

[CONSTRAINT <外键名>] FOREIGN KEY 字段名 [，字段名2，…]
REFERENCES <主表名> 主键列1 [，主键列2，…]
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其中：外键名为定义的外键约束的名称，一个表中不能有相同名称的外键；字段名表示子表需要添加外健约束的字段列；主表名即被子表外键所依赖的表的名称；主键列表示主表中定义的主键列或者列组合。

drop table 成绩;
drop table 学生;
drop table 科目;
CREATE TABLE IF NOT EXISTS 学生 (	id int PRIMARY KEY,
	name varchar(10),
);
CREATE TABLE IF NOT EXISTS 科目 (	id int PRIMARY KEY,
	name varchar(10)
);
CREATE TABLE IF NOT EXISTS 成绩 (	id int PRIMARY KEY,
	学生ID INT(10),
	科目ID INT(10),
	成绩 DECIMAL(10,2),
	CONSTRAINT fk_c_s FOREIGN KEY(学生ID) REFERENCES 学生(id),
	CONSTRAINT fk_c_k FOREIGN KEY(科目ID) REFERENCES 科目(id)
);

show indexes from 成绩;
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提示：关联指的是关系数据库中，相关表之间的联系。它是通过相同的属性或属性组来表示的。子表的外键必须关联父表的主键，且关联字段的数据类型必须匹配，如果类型不一样，则创建子表时会出现错误

ERROR 3780 (HY000): Referencing column '学生ID' and referenced column 'id' in foreign key constraint 's' are incompatible.
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建立外键以后产生的影响

在向从表中插入数据时：

insert into 成绩 values(1, null, null, 12.3);
insert into 成绩(id, 成绩) values (2, 12.3);
insert into 成绩 values(3, 2, 3, 12.3);
Cannot add or update a child row: a foreign key constraint fails (`test`.`成绩`, CONSTRAINT `fk_c_s` FOREIGN KEY (`学生ID`) REFERENCES `学生` (`id`))

insert into 学生 values(2, 'aaa');
insert into 科目 values(3, 'bbb');
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​ 如果外键字段插入的值，在不为null时，必须在关联的主表字段中存在，才能插入成功，否则报错。

​ 在向从表中更新数据时：

update 成绩 set 学生ID=3 where id=3;
 Cannot add or update a child row: a foreign key constraint fails (`test`.`成绩`, CONSTRAINT `fk_c_s` FOREIGN KEY (`学生ID`) REFERENCES `学生` (`id`))
 update 成绩 set 学生ID=null where id=3;
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​ 如果外键字段更新后的值，在不为null时，必须在关联的主表字段中存在时，才能更新成功，否则报错。

​

​ 在向主表中更新存在已关联从表的字段数据时：

update 学生 set id=3 where id=2;
delete from 学生 where id=2;
Cannot delete or update a parent row: a foreign key constraint fails (`test`.`成绩`, CONSTRAINT `fk_c_s` FOREIGN KEY (`学生ID`) REFERENCES `学生` (`id`))
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​ 无法更新主表中，存在已关联到从表的字段数据，只能更无关联的数据。

​ 在主表删除存在已关联从表的字段数据时：

delete from 学生 where id=2;
Cannot delete or update a parent row: a foreign key constraint fails (`test`.`成绩`, CONSTRAINT `fk_c_s` FOREIGN KEY (`学生ID`) REFERENCES `学生` (`id`))
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​ 如果存在关联到将被删除的主表记录，的从表记录时，无法删除。必须先删除从表中对应记录后，才能删除主表记录。

​ 在删除从表记录时：

​ 无影响

​ 在删除主表时：

drop table 学生;
 Cannot drop table '学生' referenced by a foreign key constraint 'fk_c_s' on table '成绩'.
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​ 当外键关系还存在时，不能删除主表。必须先删除外键后，才能删除主表。

​ 在删除从表时：无影响

在修改表时添加外键约束

在修改数据表时添加外键约束的语法规则为：

ALTER TABLE <数据表名> ADD CONSTRAINT <索引名> FOREIGN KEY(<列名>) REFERENCES <主表名> (<列名>);
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我们还是来看看学生成绩表的例子。

drop table 成绩;
drop table 学生;
drop table 科目;
CREATE TABLE IF NOT EXISTS 学生 (	id int PRIMARY KEY,
	name varchar(10)
);
CREATE TABLE IF NOT EXISTS 科目 (	id int PRIMARY KEY,
	name varchar(10)
);
CREATE TABLE IF NOT EXISTS 成绩 (	id int PRIMARY KEY,
	学生ID INT(10),
	科目ID INT(10),
	成绩 DECIMAL(10,2)
);
alter table 成绩 add constraint 成绩_学生ID_fk0  foreign key (学生ID) references 学生 (id);
alter table 成绩 add constraint 成绩_科目ID_fk0  foreign key (科目ID) references 科目 (id);
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删除外键约束

对于数据库中定义的外键，如果不再需要，可以将其删除。外键一旦删除，就会解除主表和从表间的关联关系，MySQL 中删除外键的语法格式如下：

ALTER TABLE <表名> DROP FOREIGN KEY <外键约束名>;
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去除外键约束后，对应创建在从表上的索引，还继续存在，除非直接drop相关索引。

级联操作

​ 在创建外键的时候，可以指定在删除、更新父表时，对子表进行的相应操作，包括RESTRICT、NO ACTION、SET NULL和CASCADE。

​ 其中RESTRICT和NO ACTION相同，是指在子表有关联记录的情况下父表不能更新；CASCADE表示父表在更新或者删除时，更新或者删除子表对应记录；SET NULL则是表示父表在更新或者删除的时候，子表的对应字段被SET NULL。

不允许级联操作

CREATE TABLE IF NOT EXISTS 成绩 (	id int PRIMARY KEY,
	学生ID INT(10),
	科目ID INT(10),
	成绩 DECIMAL(10,2),
	CONSTRAINT fk_c_s FOREIGN KEY(学生ID) REFERENCES 学生(id) ON DELETE RESTRICT ON UPDATE RESTRICT,
	CONSTRAINT fk_c_k FOREIGN KEY(科目ID) REFERENCES 科目(id)
);
--或者如下
CREATE TABLE IF NOT EXISTS 成绩 (	id int PRIMARY KEY,
	学生ID INT(10),
	科目ID INT(10),
	成绩 DECIMAL(10,2),
	CONSTRAINT fk_c_s FOREIGN KEY(学生ID) REFERENCES 学生(id) ON DELETE NO ACTION ON UPDATE NO ACTION,
	CONSTRAINT fk_c_k FOREIGN KEY(科目ID) REFERENCES 科目(id)
);
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进行no action设置之后，与未设置级联操作一致（no action实际是默认模式），删除和更新会报错。

级联更新

CREATE TABLE IF NOT EXISTS 成绩 (	id int PRIMARY KEY,
	学生ID INT(10),
	科目ID INT(10),
	成绩 DECIMAL(10,2),
	CONSTRAINT fk_c_s FOREIGN KEY(学生ID) REFERENCES 学生(id) ON UPDATE CASCADE,
	CONSTRAINT fk_c_k FOREIGN KEY(科目ID) REFERENCES 科目(id)
);
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进行了on update cascade设置之后，update操作主表，将主表数据和从表中关联的数据字段都一并更新。

 update 学生 set id=3 where id=2;
 select * from 学生;
 select * from 成绩;
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级联删除

CREATE TABLE IF NOT EXISTS 成绩 (	id int PRIMARY KEY,
	学生ID INT(10),
	科目ID INT(10),
	成绩 DECIMAL(10,2),
	CONSTRAINT fk_c_s FOREIGN KEY(学生ID) REFERENCES 学生(id) ON delete CASCADE,
	CONSTRAINT fk_c_k FOREIGN KEY(科目ID) REFERENCES 科目(id)
);
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进行了on delete cascade设置之后，delete操作主表，将主表数据和从表中关联的数据都一并删除。

 delete from 学生 where id=2;
 select * from 学生;
 select * from 成绩;
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on update cascade 与 on delete cascade 可以连起来写。

级联设置为null

CREATE TABLE IF NOT EXISTS 成绩 (	id int PRIMARY KEY,
	学生ID INT(10),
	科目ID INT(10),
	成绩 DECIMAL(10,2),
	CONSTRAINT fk_c_s FOREIGN KEY(学生ID) REFERENCES 学生(id) ON delete set null,
	CONSTRAINT fk_c_k FOREIGN KEY(科目ID) REFERENCES 科目(id)
);
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进行了on delete set null 或 on update set null 设置之后，delete 或 update 操作主表，将主表数据和从表中关联的数据字段都一并设为null。

 delete from 学生 where id=2;
 select * from 学生;
 select * from 成绩;
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