數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用

第2章實體聯(lián)系數(shù)據(jù)模型學(xué)習(xí)目的和要求：數(shù)據(jù)模型的來源及評價數(shù)據(jù)模型層次性及內(nèi)容（靜態(tài)結(jié)構(gòu)與完整性約束）實體聯(lián)系數(shù)據(jù)模型ERM中的基本概念擴(kuò)展ERM中的基本概念12/16/20221DesignedbyTaoHongcai§2.1數(shù)據(jù)模型綜述

回答如下問題：1.為什么需要數(shù)據(jù)模型？2.如何描述數(shù)據(jù)模型，即數(shù)據(jù)模型含有哪些內(nèi)容？3.如何評價數(shù)據(jù)模型？4.數(shù)據(jù)模型為什么有層次性？5.數(shù)據(jù)模型的未來？

6.實體聯(lián)系數(shù)據(jù)模型的地位與作用？12/16/20222DesignedbyTaoHongcai1.為什么需要數(shù)據(jù)模型？

由于數(shù)據(jù)的定義與操作從應(yīng)用程序中剝離出來，交由DBMS來定義和管理。于是DBMS需要采用某種“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”來定義、存儲所要管理的數(shù)據(jù)。這種狹義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類似于DBMS的數(shù)據(jù)模型。

現(xiàn)實系統(tǒng)→計算機(jī)系統(tǒng)：數(shù)據(jù)模型起到將所關(guān)心、管理的數(shù)據(jù)抽取出來并組織起來的作用。12/16/20223DesignedbyTaoHongcai

數(shù)據(jù)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)的動態(tài)操作（增刪改查詢）。

數(shù)據(jù)的完整性約束。綜合說來，應(yīng)描述數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)之間聯(lián)系、數(shù)據(jù)語義及完整性限制。

2.數(shù)據(jù)模型含有哪些內(nèi)容？12/16/20224DesignedbyTaoHongcai3.如何評價數(shù)據(jù)模型？真實地描述現(xiàn)實系統(tǒng)。易于為一般用戶所理解。易于計算機(jī)實現(xiàn)。

以上3個要求是由數(shù)據(jù)模型所處的地位、擔(dān)負(fù)的角色所決定的。數(shù)據(jù)模型既在現(xiàn)實系統(tǒng)與計算機(jī)化的系統(tǒng)之間起著重要的紐帶作用，又在DBMS的實現(xiàn)方面擔(dān)負(fù)基石的責(zé)任。12/16/20225DesignedbyTaoHongcai4.數(shù)據(jù)模型為什么有層次性？從與數(shù)據(jù)抽象的關(guān)系看：數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫設(shè)計時數(shù)據(jù)抽象的工具。從評價指標(biāo)（第二、三項）的互斥性看：無法在數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)時，從設(shè)計到實現(xiàn)只使用一個數(shù)據(jù)模型（ERM→DBMS支持的數(shù)據(jù)模型）。12/16/20226DesignedbyTaoHongcai5.數(shù)據(jù)模型的未來？設(shè)計、開發(fā)與實現(xiàn)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型。層次共存，自動轉(zhuǎn)換。各種用戶只用一種高級模型，而其他工作由計算機(jī)及其編譯環(huán)境負(fù)責(zé)（類似高級語言編譯器）。12/16/20227DesignedbyTaoHongcai6.實體聯(lián)系數(shù)據(jù)模型的地位與作用？傳統(tǒng)三種數(shù)據(jù)模型的特點：

能較好地滿足第一和第三項評價要求。三種數(shù)據(jù)模型的不足：

不易被業(yè)務(wù)用戶理解。這是提出語義數(shù)據(jù)模型(SemanticDataModel)的基礎(chǔ)。實體聯(lián)系模型(EntityRelationshipModel,ERM)是用得最多且最成熟的語義數(shù)據(jù)模型。屬于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容。從數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計角度看，E-R模型主要用于DB概念設(shè)計，是DB概念設(shè)計較常用的設(shè)計工具。12/16/20228DesignedbyTaoHongcai§2.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計綜述對照數(shù)據(jù)庫抽象層次，數(shù)據(jù)庫設(shè)計按如下步驟進(jìn)行12/16/20229DesignedbyTaoHongcai1.需求分析（RequirementsAnalysis）

了解：數(shù)據(jù)信息需求、業(yè)務(wù)需求、性能需求等。

方法：調(diào)查、討論、座談、收集、DFD等。

對應(yīng)：抽象層次的現(xiàn)實系統(tǒng)描述。

12/16/202210DesignedbyTaoHongcai2.概念數(shù)據(jù)庫設(shè)計(ConceptualDBDesign)

任務(wù)：將收集的信息變成數(shù)據(jù)高級描述以及對數(shù)據(jù)的約束限制。工具：E-R圖。結(jié)果：概念DB設(shè)計。對應(yīng)：現(xiàn)實系統(tǒng)到外模式的視圖抽象，以及外模式到概念模式的概念抽象。

12/16/202211DesignedbyTaoHongcai3.邏輯數(shù)據(jù)庫設(shè)計（LogicalDBDesign）任務(wù)：選擇一RDBMS，將概念DB設(shè)計變成RDM對應(yīng)的模式(Schema)。結(jié)果：為概念模式或邏輯模式。對應(yīng)：數(shù)據(jù)庫抽象層次的物理抽象及內(nèi)模式。

12/16/202212DesignedbyTaoHongcai4.模式優(yōu)化（SchemaRefinement）任務(wù)：解決潛在問題，利用規(guī)范化(Normalization)理論進(jìn)行優(yōu)化。對應(yīng)：數(shù)據(jù)庫抽象層次的物理抽象及內(nèi)模式。

12/16/202213DesignedbyTaoHongcai5.物理數(shù)據(jù)庫設(shè)計（PhysicalDBDesign）考慮：負(fù)載、性能要求，設(shè)計并選擇物理存取方式等。對應(yīng)：數(shù)據(jù)庫抽象層次的物理抽象。12/16/202214DesignedbyTaoHongcai6.安全設(shè)計（SecurityDesign）

任務(wù)：哪些用戶(組)可/不可訪問哪些數(shù)據(jù)。需說明的幾點問題：以上各步可能需不斷重復(fù)，直到滿意為止。這里忽略了DB設(shè)計的實現(xiàn)，即運(yùn)行于DBMS之上的應(yīng)用層。數(shù)據(jù)抽象的過程實際上是一個數(shù)據(jù)建模的過程。

12/16/202215DesignedbyTaoHongcai§2.3實體聯(lián)系模型ERM

1.實體、實體型及屬性

(1)實體(Entity)

概念：現(xiàn)實世界（或客觀世界）中有別于其他對象的對象。注意：可以是具體的，也可以是抽象的。

示例：某某學(xué)生、某某老師；某門課程。12/16/202216DesignedbyTaoHongcai(2)實體型(EntitySet)概念：同類實體的集合。在不混淆的情況下，簡稱實體。示例：學(xué)生、教師、課程。提示：正在從事的建模或數(shù)據(jù)抽象工作，即是將現(xiàn)實世界（問題空間）中的事物轉(zhuǎn)換成計算機(jī)世界（解空間）中的對象。既然是建模，就必然要考慮如何描述問題空間中的事物或概念。

12/16/202217DesignedbyTaoHongcai(3)屬性(Attribute)

概念：實體的特征或性質(zhì)，即實體用屬性描述。示例：學(xué)生的學(xué)號、姓名、生日、年齡、性別、住址等；課程的課程號、課程名、學(xué)時、學(xué)分、開課學(xué)院等。分類(按結(jié)構(gòu))：簡單屬性(不可再分)、復(fù)合屬性和子屬性。示例：復(fù)合—姓名(現(xiàn)用名、曾用名、英文名—子屬性)；住址(省、市、區(qū)、街道、門牌號、郵政編碼—子屬性)。

域(Domain)：屬性的取值范圍。分類(按取值)：單值、多值、導(dǎo)出和空值(NULL)等屬性。示例：多值—學(xué)位值(學(xué)士、碩士、博士)；導(dǎo)出—生日導(dǎo)出年齡。注意：實體用屬性描述，實體型中的所有實體具有相同的屬性。12/16/202218DesignedbyTaoHongcai(4)鍵(Key)

概念：具有惟一標(biāo)識特性的一個或一組屬性，用于惟一標(biāo)識集合中的實體。示例：學(xué)生的學(xué)號；課程的課程號分類(按屬性個數(shù))：簡單鍵、復(fù)合鍵。候選鍵(CandidateKey)：最小屬性集合的鍵。主鍵(PrimaryKey)：當(dāng)存在多個候選鍵時，需選定一個作為實體的主鍵。是描述實體的惟一標(biāo)識。示例：學(xué)生的指紋、眼波、學(xué)號等。

注：

E-R模型可圖示。實體型用長方形；屬性用橢圓；主鍵用下劃線。12/16/202219DesignedbyTaoHongcai示例：12/16/202220DesignedbyTaoHongcai2.聯(lián)系及聯(lián)系型

(1)聯(lián)系(Relationship)概念：二個或多個實體間的關(guān)聯(lián)(Association)。示例：選課是學(xué)生與課程之間的聯(lián)系；門市零售可以是客戶、售貨員與商品之間的聯(lián)系。聯(lián)系的描述屬性：聯(lián)系也可有描述屬性(DescriptionAttribute)，用于記錄聯(lián)系的信息而非實體的信息。示例：“成績”和“修課學(xué)期”是“選課”的描述屬性。聯(lián)系的識別：聯(lián)系由所參與實體的鍵共同惟一確定。示例：選課(學(xué)號、課程號)；零售(售貨員號、客戶號、商品條碼、日期)。

12/16/202221DesignedbyTaoHongcai(2)聯(lián)系型(RelationshipSet)

概念：相似的一組聯(lián)系。聯(lián)系型的實例(Instance)是聯(lián)系的集合。在不混淆的情況下，簡稱聯(lián)系。聯(lián)系型的階：一個聯(lián)系型所關(guān)聯(lián)的實體型的數(shù)量。階為n的聯(lián)系型稱為n元聯(lián)系型。示例：選課(二元聯(lián)系)；零售(三元聯(lián)系)。

注：聯(lián)系型用菱形圖示。

12/16/202222DesignedbyTaoHongcai示例：12/16/202223DesignedbyTaoHongcai(3)聯(lián)系型存在的各種情況

二元(兩個實體型之間的)聯(lián)系(BinaryRelationship)；三元(兩個以上實體型之間的)聯(lián)系(TernaryRelationship)；兩個實體型之間可能有多個不同的聯(lián)系；有時一個聯(lián)系型所關(guān)聯(lián)的是同一個實體型中的兩個實體。12/16/202224DesignedbyTaoHongcai

示例：12/16/202225DesignedbyTaoHongcai3.IntegrityConstraintsofERM

(1)聯(lián)系型分類

一對一聯(lián)系（one-to-one，1:1）一對多聯(lián)系（one-to-many，1:N）多對多聯(lián)系（many-to-many，M:N）定義：設(shè)聯(lián)系型R關(guān)聯(lián)實體型A和B。如果對應(yīng)A中的每個實體，B中有且僅有一個實體與之關(guān)聯(lián)，則稱R是一對一聯(lián)系型，簡記作1：1聯(lián)系。如果對應(yīng)A中的每個實體，B中有n個實體(n≥0)與之關(guān)聯(lián)，則稱R是一對多聯(lián)系型，簡記作1：N聯(lián)系。如果對應(yīng)A中的每個實體，B中有n個實體(n≥0)與之關(guān)聯(lián)，如果對應(yīng)B中的每個實體，A中有m個實體(m≥0)與之關(guān)聯(lián)，則稱R是多對多聯(lián)系型，簡記作M：N聯(lián)系。提示：用這種方式（約束）來說明現(xiàn)實系統(tǒng)中的某種規(guī)定12/16/202226DesignedbyTaoHongcai示例：如果規(guī)定：一個部門只有一個經(jīng)理，而一個經(jīng)理只能管理一個部門，則該管理聯(lián)系為1:1聯(lián)系。一個員工可以是多個部門的經(jīng)理，而一個部門最多只能有一個經(jīng)理，則該管理聯(lián)系為1:N聯(lián)系。一個員工可以在多個部門工作，而一個部門有多個員工，則該工作聯(lián)系為M:N聯(lián)系。12/16/202227DesignedbyTaoHongcai(2)鍵約束或限制(KeyConstraints)說明：前面所述聯(lián)系型中所關(guān)聯(lián)實體間的三種對應(yīng)關(guān)系，實際上指的是一些約束，分別為：一對一約束、一對多約束和多對多約束。概念：鍵約束指的是，如果在一個聯(lián)系R的實例中，其中一個關(guān)聯(lián)的實體A最多只能出現(xiàn)在一個聯(lián)系實例中。與“實體對應(yīng)約束”同義。注意：只有1:1約束和1:N約束才存在鍵約束。圖示：鍵約束可用箭頭表示（對于1:N約束，箭頭應(yīng)標(biāo)在1:n的n方,表明給定一個該實體即可惟一確定其間的聯(lián)系）。12/16/202228DesignedbyTaoHongcai示例：對于圖中的1:1管理聯(lián)系，說明：給定一個部門實體，即可惟一地確定一個管理聯(lián)系的實例。這時，管理聯(lián)系可用部門的鍵（部門號）惟一確定，這也是使用“鍵約束”的原因。對于圖中的1:N工作聯(lián)系，說明：給定一個員工實體，即可惟一地確定一個工作聯(lián)系的實例。這時，工作聯(lián)系可用員工的鍵（員工號）惟一確定。12/16/202229DesignedbyTaoHongcai

鍵約束的好處：前面曾經(jīng)指出，聯(lián)系由其所關(guān)聯(lián)實體惟一確定。但對存在鍵約束的聯(lián)系，只需用一個關(guān)聯(lián)的實體即可惟一地確定該聯(lián)系。這也是為什么叫“實體對應(yīng)約束”的原因。

擴(kuò)展：多個實體間的聯(lián)系也存在有鍵約束的情況。

示例：每個員工最多在一個部門工作，并且在一個地點。12/16/202230DesignedbyTaoHongcai(3)參與約束(ParticipationConstraints)概念：是實體與聯(lián)系之間的約束，即實體如何參與到聯(lián)系中。與“實體關(guān)聯(lián)約束”同義。

分類：完全參與（TotalParticipation）和部分參與（PartialParticipation）。完全參與即“全域?qū)嶓w關(guān)聯(lián)約束”，部分參與即“部分關(guān)聯(lián)約束”。圖示：用粗線表示完全參與。

12/16/202231DesignedbyTaoHongcai示例：管理中的員工實體集的參與為部分參與，因為不是每個員工都會去管理一個部門。而部門為完全參與，因為每個部門都會被某個員工管理。工作中的員工與部門均為完全參與，因為每個員工都必須在某個部門工作，而每個部門都會有員工在其中工作。12/16/202232DesignedbyTaoHongcai4.聯(lián)系型屬性的移動處理

在某些情況下(1:1和1:N聯(lián)系型的屬性)，可以將聯(lián)系型的屬性移動到所關(guān)聯(lián)的某個實體型中，作為其屬性。具體移動方法如下：

a.如果一個聯(lián)系型R是關(guān)聯(lián)實體型A和B的1:1聯(lián)系型，則R的屬性既可以移動到A，也可以移動到B；示例：如果員工與部門間的管理聯(lián)系為1:1的，則可將管理的”任期”屬性移到員工實體或部門實體中。

b.如果是1:N聯(lián)系型，則若移動R的屬性，最好移到與N對應(yīng)的實體型B，如果把R的屬性移動到A，這些屬性將成為A的多值屬性，為以后的處理帶來麻煩。示例：如果員工與部門間的管理聯(lián)系為1:N的（即一個員工可以是多個部門的經(jīng)理），則可將管理的”任期”屬性移到部門實體中。試想：如果移到員工實體中結(jié)果會如何？12/16/202233DesignedbyTaoHongcai注意：如果是M:N聯(lián)系型，則其屬性最好不要移動到實體型中，以免產(chǎn)生多值屬性。一個聯(lián)系型的屬性是否作為相關(guān)實體型的屬性以及作為哪一個實體型的屬性，需要由數(shù)據(jù)庫設(shè)計者決定。12/16/202234DesignedbyTaoHongcai5.弱實體(WeakEntities)

前面所涉及的實體型，均基于這種假設(shè)：總有一個屬性是鍵。然而，實際情況中，并不總是如此。概念：沒有鍵屬性的實體。識別實體型(IdentifyingOwner)與識別聯(lián)系(IdentifyingRelationship)：由于弱實體型的不同實體的屬性值可能完全相同，難以區(qū)別。為此，弱實體型需要與一般的實體型相關(guān)聯(lián)。假如聯(lián)系型R關(guān)聯(lián)弱實體型A和一般實體型B，弱實體型A的不同實體可以通過與B的有關(guān)實體相結(jié)合來加以區(qū)別，則B稱為弱實體型A的識別實體型，R稱為弱實體型A的識別聯(lián)系。12/16/202235DesignedbyTaoHongcai示例：限制或約束：

(1)識別實體與弱實體必須參與的是1:n聯(lián)系，該聯(lián)系即為該弱實體的識別聯(lián)系。

(2)弱實體型必須完全參與識別聯(lián)系。部分鍵（PartialKey）：弱實體型必須具有一個或多個屬性，使得這些屬性可以與識別實體型的鍵結(jié)合形成相應(yīng)弱實體型的鍵。這樣的弱實體屬性稱為弱實體型的部分鍵。圖示：弱實體和識別聯(lián)系用粗線條，部分鍵加虛下劃線。

12/16/202236DesignedbyTaoHongcai§2.4擴(kuò)展實體聯(lián)系模型EERM擴(kuò)展ERM（ExtendedERM）是對ER模型的擴(kuò)展，它包括ERM的所有概念，同時引出擴(kuò)展的概念。12/16/202237DesignedbyTaoHongcai1.類層次（ClassHierarchies）

(1)子類(Subclass)概念：有時，需要將實體型中的實體分成子類。分類后體現(xiàn)為一種層次關(guān)系，最上層為超類（Superclass），下層即為子類。示例：小時工和合同工是員工的子類。表示：小時工ISA（isa）員工、合同工ISA員工。ISA為這種類層次的聯(lián)系。子類屬性：除可繼承超類屬性外還可有自己獨(dú)特的屬性。12/16/202238DesignedbyTaoHongcai圖示：

注意：實體有時還可按其他標(biāo)準(zhǔn)（Criterion）分類，可根據(jù)管理的需要來定。示例：員工分資深員工（SeniorEmployee）與非資深（Junior）員工。12/16/202239DesignedbyTaoHongcai(2)為什么要引入子類?a.較獨(dú)特的屬性描述，它們只在子類實體中才有意義；示例：小時工的計時工資，對合同工無任何意義。b.確定某個聯(lián)系所參與的實體型。示例：對于“管理”聯(lián)系，為了保證只有資深員工才能當(dāng)經(jīng)理，這樣“管理”關(guān)聯(lián)的實體是“資深員工”和“部門”。12/16/202240DesignedbyTaoHongcai2.演繹與歸納

演繹（Specialization）和歸納（Generalization）是類層次的二種處理方法。12/16/202241DesignedbyTaoHongcai(1)演繹（Specialization）概念：是識別超類實體型子類的處理過程。

方法：先定義超類，再定義子類，然后加入特定子類屬性和聯(lián)系型。即：由一般到特殊。示例：員工（按工作性質(zhì)分類）──管理人員（職務(wù)級別—特定屬性）、技術(shù)人員（技術(shù)職稱）、銷售人員（銷售業(yè)績）。12/16/202242DesignedbyTaoHongcai(2)歸納（Generalization）概念：歸納出實體型集合的共同特征，并形成由這些共同特征構(gòu)成的新實體型。方法：先定義子類，再定義超類，然后定義涉及超類的聯(lián)系。即：由特殊到一般。示例：博士生、碩士生、本科生、?？粕㈩A(yù)科生、碩博連讀生、本碩博連讀生──學(xué)生。

12/16/202243DesignedbyTaoHongcai3.演繹的約束條件

為避免演繹的隨意性和盲目性，在演繹過程中，一般應(yīng)遵循如下二個約束條件：重疊(Overlap)約束包容(Covering)約束12/16/202244DesignedbyTaoHongcai(1)重疊(Overlap)約束概念：是演繹過程中的一個約束，要求演繹出的子類實體不能有重疊或交叉，又名“正交約束”。相交約束：與正交約束相反，它允許一個超類的演繹子類可以重疊。默認(rèn)：正交（重疊）約束。12/16/202245DesignedbyTaoHongcai(2)包容(Covering)約束概念：它是演繹過程中的另一個約束，要求超類中的每個實體必須屬于某一個子類。也就是說，子類的所有實體構(gòu)成超類中的所有實體。又名“完全性約束”。12/16/202246DesignedbyTaoHongcai4.聚集（Aggregation）

一般，聯(lián)系是實體間的關(guān)聯(lián)，但有時會有實體和聯(lián)系之間的聯(lián)系。于是，引入“聚集”概念。概念：通過把聯(lián)系以及該聯(lián)系所關(guān)聯(lián)的實體一起作為一個“高層”實體來對待的抽象處理方法。然后，將高層實體看作一般的實體，與其他實體一起建立新的聯(lián)系。12/16/202247DesignedbyTaoHongcai

圖示：12/16/202248DesignedbyTaoHongcai§2.5利用ER模型的概念數(shù)據(jù)庫設(shè)計利用ER圖的概念DB設(shè)計，關(guān)鍵是確定:一個概念是用實體還是屬性表示；(2)一個概念是用實體還是聯(lián)系表示；(3)是用兩個實體之間的聯(lián)系，還是用兩個以上實體間的聯(lián)系；(4)是否要用聚集。

12/16/202249DesignedbyTaoHongcai1.實體與屬性的取舍

一般情況下，一個概念是用實體描述還是用屬性描述是比較明確的。只是在少數(shù)情況下，較難取舍。

(1)用屬性表示示例：“地址”，如果每個員工只需記錄一個地址，則將其作為員工實體的屬性是合適的。(2)用實體而非屬性a.需記錄多個值示例：員工在同一部門的不同“地點”工作。b.需表達(dá)其結(jié)構(gòu)或作細(xì)分查詢示例：“地址”分成國家、省、市、區(qū)、街道等。12/16/202250DesignedbyTaoHongcai2.屬性在實體與聯(lián)系間的取舍少數(shù)情況下，實體與屬性較難取舍。實體與聯(lián)系也一樣。(1)用作實體的屬性示例：部門經(jīng)理與所管理部門間的“管理”聯(lián)系，如果假定某個部門經(jīng)理可能會同時管理多個部門，且其可支配的經(jīng)費(fèi)是所有管理部門經(jīng)費(fèi)之和。12/16/202251DesignedbyTaoHongcai(2)用作聯(lián)系的屬性

示例：部門經(jīng)理與所管理部門間的“管理”聯(lián)系，如果假定某個部門經(jīng)理可能會同時管理多個部門，且要求各部門經(jīng)費(fèi)必須分開管理時。12/16/202252DesignedbyTaoHongcai3.Binaryvs.TernaryRelationship

(1)用一個三元聯(lián)系示例：客戶、產(chǎn)品及供應(yīng)商三個實體之間，一個客戶可購買多種產(chǎn)品、一種產(chǎn)品可以由多個供應(yīng)商提供。要求表達(dá)：某客戶從