數(shù)據(jù)庫技術及應用第二章.ppt

李雁翎 編著 高等教育出版社,數(shù)據(jù)庫技術及應用 Visual FoxPro,第2章 數(shù)據(jù)庫設計,本章要點,掌握數(shù)據(jù)庫設計的任務、方法與步驟，掌握需求分析階段任務，掌握概念結(jié)構(gòu)設計方法，掌握實體-聯(lián)系模型設計方法，掌握邏輯結(jié)構(gòu)設計方法，掌握關系數(shù)據(jù)庫庫最常用的術語和基本概念，了解物理結(jié)構(gòu)設計內(nèi)容，了解數(shù)據(jù)庫實施內(nèi)容。,2.1 數(shù)據(jù)庫設計概述,2.1.1 數(shù)據(jù)庫設計的任務,2.1 數(shù)據(jù)庫設計概述,2.1.1 數(shù)據(jù)庫設計的任務,數(shù)據(jù)庫設計的任務主要就是設計數(shù)據(jù)庫模式，既設計數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中三級模式的模式結(jié)構(gòu)，它能夠概括具體的數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫全局的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它能夠反映使用本系統(tǒng)所有用戶的數(shù)據(jù)視圖。一個良好的數(shù)據(jù)庫模式應具有最小的數(shù)據(jù)冗余，在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享特性。數(shù)據(jù)庫模式一經(jīng)設計完成，通常情況下是不輕易改動的，它不僅作為應用程序存取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)參照，還要成為實現(xiàn)數(shù)據(jù)物理存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義的依據(jù),2.1.2 數(shù)據(jù)庫設計的步驟,2.1 數(shù)據(jù)庫設計概述,2.1.2 數(shù)據(jù)庫設計的步驟,數(shù)據(jù)庫設計是綜合運用計算機軟、硬件技術，結(jié)合應用系統(tǒng)領域的知識和管理技術的系統(tǒng)工程。 數(shù)據(jù)庫設計歸納為如下幾個階段： 1.需求分析階段 2.概念結(jié)構(gòu)設計階段 3.邏輯結(jié)構(gòu)設計階段 4.物理結(jié)構(gòu)設計階段 5.實施階段 6.使用與維護階段,2.2 需求分析,2.2 需求分析,1.需求分析的任務 （1）信息要求：了解用戶將從數(shù)據(jù)庫中獲得信息的內(nèi)容、性質(zhì)，數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)用到的所有基礎信息類型及其聯(lián)系，了解用戶希望從數(shù)據(jù)庫中獲得哪些類型的信息，數(shù)據(jù)庫中需要存儲哪些數(shù)據(jù)。 （2）處理要求：了解用戶希望數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行什么處理，對各種數(shù)據(jù)處理的響應時間的要求，對各種數(shù)據(jù)處理的頻率的要求，對數(shù)據(jù)處理方式的要求是批處理還是聯(lián)機處理等。 （3）安全性要求：了解用戶對數(shù)據(jù)庫中存放的信息的安全保密要求，哪些信息是需要保密的，哪些信息是不需要保密的。 （4）完整性要求：了解用戶對數(shù)據(jù)庫中存放的信息應滿足什么樣的約束條件，什么樣的信息在數(shù)據(jù)庫中才是正確的數(shù)據(jù)。,2.2 需求分析,2.需求分析具體做法 （1）調(diào)查數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)所涉及的用戶的各部門的組成情況，各部門的職責，各部門的業(yè)務及其流程。確定系統(tǒng)功能范圍，明確哪些業(yè)務活動的工作由計算機完成，哪些由人工來做。 （2）了解用戶對數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)的各種要求，包括信息要求、處理要求、安全性和完整性要求。如各個部門輸入和使用什么數(shù)據(jù)，如何加工處理這些數(shù)據(jù)，處理后的數(shù)據(jù)的輸出內(nèi)容、格式及發(fā)布的對象等。 （3）深入分析用戶的各種需求，并用數(shù)據(jù)流圖描述整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向和對數(shù)據(jù)進行處理的過程，描述數(shù)據(jù)與處理之間的聯(lián)系。 （4）分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)字典描述數(shù)據(jù)流圖中涉及的各數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)存儲和處理過程。,2.3 概念結(jié)構(gòu)設計,2.3.1 實體-聯(lián)系模型,2.3 概念結(jié)構(gòu)設計,2.3.1 實體-聯(lián)系模型,實體-聯(lián)系模型（Entity Relationship Model）簡稱E-R模型。 1.實體(Entity)：客觀存在并相互區(qū)別的“事物”。 2.屬性(Attribute)：實體有若干個特性，每一個特性稱為實體一個屬性。 3.實體型(Entity Type)：用實體名和屬性名稱集來描述同類實體，稱為實體型。 4.實體集(Entity Set)：實體集是若干個同類實體的集合。 5. 碼(Key)：如果某個屬性或某個屬性集的值能夠唯一地標識出實體集中的某一個實體，該屬性或?qū)傩约涂煞Q為碼（關鍵字）。作為碼的屬性或?qū)傩约址Q為主屬性，反之為非主屬性。 6.聯(lián)系(Relationship)：聯(lián)系是兩個或兩個以上的實體集間的關聯(lián)關系的描述。,2.3.2 實體-聯(lián)系圖,2.3 概念結(jié)構(gòu)設計,2.3.2 實體-聯(lián)系圖,E-R模型是用E-R圖來描述的，即通過圖形描述實體集、實體屬性和實體集之間聯(lián)系的圖形。 在E-R模型中，數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)被表示為“實體-聯(lián)系”圖（E-R圖），圖中有3個主要的元素，即實體集、屬性和聯(lián)系。 其中： （1）“矩形”框用于表示實體集； （2）“橢圓形”框用于表示實體集中實體的公共屬性； （3）“菱形”框用于表示實體集之間的聯(lián)系。,2.3.3 實體集聯(lián)系類型,2.3 概念結(jié)構(gòu)設計,2.3.3 實體集聯(lián)系類型,實體集的聯(lián)系類型有如下3種類型： 1.一對一聯(lián)系 設有實體集A與實體集B，如果A中的一個實體，至多與B中的一個實體關聯(lián)，反過來，B中的一個實體，至多與A中的一個實體關聯(lián)，稱A與B是“一對一”聯(lián)系類型，記作(1:1)。 2.一對多聯(lián)系 設有實體集A與實體集B，如果A中的一個實體，與B中可以有多個實體關聯(lián)，反過來，B中的一個實體，至多與A中的一個實體關聯(lián)，稱A與B是“一對多”聯(lián)系類型，記作(1n)。 3.多對多聯(lián)系 設有實體集A與實體集B，如果A中的一個實體，與B中可以有多個實體關聯(lián)，反過來，B中的一個實體，與A中可以有多個實體關聯(lián)，稱A與B是多對多聯(lián)系類型，記作(mn)。,例:教學管理系統(tǒng)E-R圖設計。某學校的教學管理系統(tǒng)經(jīng)分析應包括以下內(nèi)容： （1）學生：學號、姓名、性別、年齡。 （2）班級：班級號、班級名。 （3）教師：教師號、姓名、性別、職稱、電話號碼和家庭地址。 （4）課程：課程號、課程名、學分、學時。 （5）專業(yè)：專業(yè)號、專業(yè)名。 （6）系：系號、系名。,2.3.4 E-R模型的設計實例,每個實體及其屬性如圖所示,教學管理系統(tǒng)各實體間的聯(lián)系：,圖3-7,2.3.4 E-R模型的設計實例,2.3 概念結(jié)構(gòu)設計,E-R模型的設計實例,“人才檔案管理系統(tǒng)”是一個包含人才檔案信息管理、人才需求信息管理和求職期望的綜合信息管理系統(tǒng)。 設計這樣一個綜合系統(tǒng)E-R模型，由于實體集個數(shù)較多，實體集中實體公共屬性較多，實體集之間的相互關聯(lián)關系復雜，繪制一個E-R模型圖相對復雜，通常采用的設計思想是：“化全局”為“局部”，再做“局部集成”。 “人才檔案管理系統(tǒng)”E-R模型具體設計步驟如下： （1）繪制“人才檔案管理系統(tǒng)”總體功能框圖； （2）繪制“人才檔案管理系統(tǒng)”每個子系統(tǒng)的E-R模型圖； （3）繪制“人才檔案管理系統(tǒng)”幾個子系統(tǒng)的E-R模型圖的集成圖。,2.3.4 E-R模型的設計實例,2.3 概念結(jié)構(gòu)設計,（1） “人才檔案管理系統(tǒng)”總體功能框圖如下：,2.3.4 E-R模型的設計實例,2.3 概念結(jié)構(gòu)設計,（2） “人才檔案信息管理子系統(tǒng)” 系統(tǒng)的E-R圖如下：,2.3.4 E-R模型的設計實例,2.3 概念結(jié)構(gòu)設計,（3） “人才檔案管理系統(tǒng)”幾個子系統(tǒng)的E-R模型圖的集成圖如下：,2.4 邏輯結(jié)構(gòu)設計,2.4.1 關系模型,2.4 邏輯結(jié)構(gòu)設計,2.4.1 關系模型,數(shù)據(jù)模型由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和完整性約束3部分組成。 1.關系模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 用二維表形式表示實體集的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，稱之為關系（Relation）。 （1）在一個關系中，每一個數(shù)據(jù)都可看成獨立的分量(Component)。 （2）在一個關系中，每一橫行稱為一個元組(Tuple)。 （3）在一個關系中，每一豎列稱為一個屬性(Attribute)。 （4）在一個關系中，有一個關系名，同時每個屬性都有一個屬性名。通常把用于描述關系結(jié)構(gòu)的關系名和屬性名的集合稱為關系模式（Schema） （5）碼（鍵）是關系模型中的一個重要概念。 （6）由關系模型（二維表）建立的數(shù)據(jù)庫，稱為關系數(shù)據(jù)庫。,2.4.1 關系模型,2.4 邏輯結(jié)構(gòu)設計,2.關系模型的數(shù)據(jù)操作 關系模型的數(shù)據(jù)操作是集合操作性質(zhì)的，即數(shù)據(jù)操作的對象和操作結(jié)果均為若干個元組，或?qū)傩约?。關系模型的數(shù)據(jù)操作主要是查詢、插入、刪除和修改。 3.關系模型的完整性約束 （1）用戶自定義完整性：用戶自行定義的刪除約束、更新約束、插入約束。 （2）實體完整性：對關系中元組的唯一性約束，也就是對組成主鍵的屬性的約束，即關系(表) 中組成主鍵的屬性不能是空值(NULL)。 （3）參照完整性：是對關系數(shù)據(jù)庫中建立關聯(lián)關系的關系間數(shù)據(jù)參照引用的約束，也就是對組成外鍵的屬性的約束。準確地說，參照完整性是指關系中的外鍵必須是另一個關系的主鍵有效值，或者是NULL（空）值。,2.4.1 關系模型,2.4 邏輯結(jié)構(gòu)設計,4.關系模型的主要特點 （1）關系中每一分量不可再分，是最基本的數(shù)據(jù)單位。 （2）每一列的分量是同屬性的，列數(shù)根據(jù)需要而設，且各列的順序是任意的。 （3）每一行由一個實體的諸多屬性構(gòu)成，且各行的順序可以是任意的。 （4）一個關系是一張二維表，不允許有相同的屬性名，也不允許有相同的元組。,2.4.2 關系的規(guī)范化,2.4 邏輯結(jié)構(gòu)設計,2.4.2 關系的規(guī)范化,1.數(shù)據(jù)庫設計中的問題 如果一個關系沒有經(jīng)過規(guī)范化，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余大、數(shù)據(jù)更新造成不一致、數(shù)據(jù)插入異常和刪除異常。,2.4.2 關系的規(guī)范化,2.4 邏輯結(jié)構(gòu)設計,2.4.2 關系的規(guī)范化,2.函數(shù)依賴 函數(shù)依賴（Function Dependency）是關系規(guī)范化的主要概念，是描述了屬性之間的一種聯(lián)系。 （1）函數(shù)依賴定義 定義2.1：設R(U)是一個屬性集U上的關系模式，X和Y是U的子集。對于R(U)的任意一個可能的關系r，若有r的任意兩個元組，在X上的屬性值相同，則在Y上的屬性值也一定相同，則稱“X函數(shù)確定Y”或“Y函數(shù)依賴于X”，記作XY。,例： 求A、B、C的函數(shù)依賴關系,2.4.2 關系的規(guī)范化,2.4 邏輯結(jié)構(gòu)設計,（2）完全函數(shù)依賴和部分函數(shù)依賴定義 定義2.2：在關系模式R(U)中，如果XY，并且對于X的任何一個真子集X，都有XY，則稱Y部分函數(shù)依賴于X，記作 ， 否則稱Y完全函數(shù)依賴于X，記作 。 由定義2.2可知，當X是單屬性時，由于X不存在任何真子集，如果XY，則 。 （3）傳遞函數(shù)依賴定義 定義2.3：在關系模式R(U)中，如果XY，Y X，且Y X，YZ，則稱Z傳遞函數(shù)依賴于X。,2.4.2 關系的規(guī)范化,2.4 邏輯結(jié)構(gòu)設計,3.關系規(guī)范化 關系規(guī)范化理論認為，關系數(shù)據(jù)庫中的每一個關系都要滿足一定的規(guī)范。根據(jù)滿足規(guī)范的條件不同，可以化分為6個等級5個范式，分別稱為第一范式（1NF），第二范式（2NF），第三范式（3NF），修正的第三范式（BCNF），第四范式（4NF），第五范式（5NF），NF是（Normal Form）的縮寫。,2.4.2 關系的規(guī)范化,2.4 邏輯結(jié)構(gòu)設計,關系規(guī)范化的前三個范式原則如下： (1)第一范式：若一個關系模式R的所有屬性都是不可再分的基本數(shù)據(jù)項，則該關系模式屬于第一范式（1NF）。 (2)第二范式：若關系模式R屬于1NF，且每個非主屬性都完全函數(shù)依賴于碼，則該關系模式屬于2NF，2NF不允許關系模式中的非主屬性部分函數(shù)依賴于碼。 例子：SC(學號，姓名，年齡，課程號，課程名，學分，成績) S（學號，姓名，年齡） C（課程號，課程名，學分） G（學號，課程號，成績）,2.4.2 關系的規(guī)范化,2.4 邏輯結(jié)構(gòu)設計,(3)第三范式：若關系模式R屬于1NF，且每個非主屬性都不傳遞依賴于碼，則該關系模式屬于3NF。 例子：SD（學號，姓名，年齡，系號，系名，系主任） S（學號，姓名，年齡） D（系號，系名，系主任）,2.4.2 關系的規(guī)范化,2.4 邏輯結(jié)構(gòu)設計,4.模式分解 對關系模式進行分解，要符合“無損連接”和“保持依賴”的原則。 （1）無損連接：當對關系模式R進行分解時，R元組將分別在相應屬性集進行投影而產(chǎn)生新的關系。 （2）保持依賴：當對關系模式R進行分解時，R的函數(shù)依賴集也將按相應的模式進行分解，如果分解后的總的函數(shù)依賴集與原函數(shù)依賴集保持不變，則稱為保持函數(shù)依賴。,2.4.3 E-R模型與關系模型的轉(zhuǎn)換,2.4 邏輯結(jié)構(gòu)設計,2.4.3 E-R模型與關系模型的轉(zhuǎn)換,E-R模型轉(zhuǎn)換成關系模型，就是將實體型和實體型間的聯(lián)系轉(zhuǎn)換為關系模式，確定關系模式的屬性和碼，轉(zhuǎn)換過程中要做到不違背關系的完整性約束，盡量滿足規(guī)范化原則。 1.概念模型相關的定義與關系模型的定義對應關系如下表所示：,2.4.3 E-R模型與關系模型的轉(zhuǎn)換,2.4 邏輯結(jié)構(gòu)設計,2.概念模型轉(zhuǎn)換關系模型的規(guī)則 （1）一個實體型轉(zhuǎn)換為一個關系模式。 （2）實體的屬性就是關系的屬性，實體的碼就是關系的碼。 （3）一個1：1聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關系模式，也可以與任意一端對應的關系模式合并。如果轉(zhuǎn)換為一個獨立的關系模式，則與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關系的屬性，每個實體的碼均是該關系的候選碼。如果與某一端實體對應的關系模式合并，則需要在該關系模式的屬性中加入另一個關系模式的碼和聯(lián)系本身的屬性。 （4）一個1：n聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關系模式，也可以與n端對應的關系模式合并。如果轉(zhuǎn)換為一個獨立的關系模式，則與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關系的屬性，而關系的碼為n端實體的碼。 （5）一個m：n聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個關系模式。與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關系的屬性，而關系的碼為各實體碼的組合。 （6）三個或三個以上實體間的一個多元聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個關系模式。與該多元聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關系的屬性，而關系的碼為各實體碼的組合。 （7）具有相同碼的關系模式可合并。,Girl,Gname,Bage,Bname,Boy,In love,Gclass,Gage,Bclass,1,1,How Long,S,Sno,Dname,Dno,Dept,In,Sage,Sname,Dph,n,1,S,Sno,Cname,Cno,C,SC,Sage,Sname,Grade,Hour,m,n,2.4.3 E-R模型與關系模型的轉(zhuǎn)換,2.4 邏輯結(jié)構(gòu)設計,“人才檔案管理系統(tǒng)”E-R模型轉(zhuǎn)換成關系模型： 人才檔案（編號，姓名，性別，出生日期，學歷，政治面貌，民族，工資現(xiàn)狀，工作簡歷，照片） 成就成果（成果名稱，成果類別，成果出處，編號） 專業(yè)特長（專業(yè)，畢業(yè)學校，專業(yè)年限，職稱，語種，外語水平，編號） 聯(lián)系方式（編號，工作單位，宅電，手機，E-mail，郵編，通訊地址） 求職期望（編號，工作地區(qū)，崗位編號，工作類型，企業(yè)性質(zhì)，希望工資，其它要求） 人才需要（崗位編號，需求單