第六章概念數(shù)據(jù)庫設(shè)計

第六章概念數(shù)據(jù)庫設(shè)計第一頁，共二十八頁，2022年，8月28日第一節(jié)概述概念數(shù)據(jù)庫設(shè)計的兩個任務(wù)及其目標(biāo)：1.事務(wù)設(shè)計:根據(jù)需求分析階段提出的數(shù)據(jù)庫操作任務(wù),作出數(shù)據(jù)庫事務(wù)的高級說明，其目標(biāo)是：在概念級定義事務(wù)的功能，說明事務(wù)的輸入輸出信息和基本功能，支持各種事務(wù)的運行。2.模式設(shè)計:根據(jù)需求分析階段識別的數(shù)據(jù)項和預(yù)測改變，使用高級數(shù)據(jù)模型，建立概念數(shù)據(jù)庫模式，其目標(biāo)是：(1)準(zhǔn)確描述信息模式，支持用戶應(yīng)用；(2)易理解,易轉(zhuǎn)換為邏輯數(shù)據(jù)庫模式。概念數(shù)據(jù)庫模式獨立于DBMS，不能直接用于數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。這種做法的好處是：1.不受特定DBMS局限，徹底地理解和描述應(yīng)用領(lǐng)域，有利于開發(fā)人員正確地和全面地理解應(yīng)用領(lǐng)域。2.不受邏輯設(shè)計、物理設(shè)計改變，甚至DBMS改變的影響。3.由于使用圖形描述方式直觀易懂，故有利于開發(fā)者和用戶的交流。

實體聯(lián)系模型(ER)或其加強(qiáng)模型(EER)是廣泛使用的高級數(shù)據(jù)模型.F1第二頁，共二十八頁，2022年，8月28日第二節(jié)實體聯(lián)系模型實體聯(lián)系模型(簡稱ER模型)產(chǎn)生于1976年。這個模型使用實體、聯(lián)系和屬性三個基本概念直接描述現(xiàn)實世界。實體聯(lián)系圖是表示ER模型的圖形工具，簡稱ER圖。它是概念數(shù)據(jù)庫設(shè)計的重要工具。一.實體和屬性二.實體型、鍵屬性和屬性的值域三.數(shù)據(jù)庫實例四.實體間的聯(lián)系五.弱實體六.實體聯(lián)系圖F2第三頁，共二十八頁，2022年，8月28日一.實體和屬性實體是客觀世界中各種事物的抽象，如教師、學(xué)生、課程等。屬性是實體的一組特征，如教師實體的屬性是姓名,證號,課程等。屬性可按結(jié)構(gòu)性質(zhì)分類為:簡單屬性:不可分割的簡單數(shù)據(jù)項，如姓名、性別和學(xué)號等。復(fù)合屬性:由若干個簡單屬性按層次結(jié)構(gòu)組成，例如，地址(省,市,區(qū),街,號)屬性可按賦值唯一性分類為:單值屬性:一個實體的單值屬性僅取一值，如編號,有效期等；多值屬性:一個實體的多值屬性可取多值，如學(xué)歷(年份,學(xué)位)導(dǎo)出屬性：這是一種特殊屬性，其值可由其它某些屬性的值導(dǎo)出。例如：年齡可由出生日期和現(xiàn)在日期導(dǎo)出，銷售額可由銷售價和銷售量計算得出。F21姓名證號宿舍任課教師棟號房號學(xué)歷復(fù)合屬性多值屬性一個實體例子第四頁，共二十八頁，2022年，8月28日二.實體型、鍵屬性和屬性的值域?qū)嶓w型是具相同屬性集的實體的集合，由名字和一組屬性來定義。實體型的定義稱為實體模式，它描述了一組實體的公共結(jié)構(gòu)。實體型表示的實體集合中任何一個實體稱為該實體型的實例。ER模型中的實體型用某個屬性子集(稱為鍵)區(qū)別實體，如果鍵包含的屬性只有一個，則稱之為簡單鍵，否則稱之為復(fù)合鍵。鍵是實體型的一個重要完整性約束，規(guī)定了不同實體有不同的鍵。簡單屬性的取值范圍叫做值域，例如年齡的值域可取為1..150.F22第五頁，共二十八頁，2022年，8月28日數(shù)據(jù)庫實例(大學(xué)數(shù)據(jù)庫)的五個實體型編號名稱屬性集合1系系名,編號,地點,主任2教研室名稱,編號,電話,所屬系教師姓名,性別,編號,所屬系,課程,地址,4學(xué)生姓名,性別,編號,所屬系,年級5課程名稱,編號,時數(shù),所屬系多值屬性復(fù)合屬性下劃線表示鍵三.數(shù)據(jù)庫實例該實例稱為‘大學(xué)數(shù)據(jù)庫’，本頁介紹組成它的五個實體型。有幾點說明：1.大學(xué)由多個系組成，每個系有系名、編號和主任，有多個地點。系名和編號都是唯一的。2.系有多個教研室，每個教研室有名稱、編號、所屬系和地點。編號是唯一的。F233.每個教師有姓名、性別、編號、地址、課程、所屬系。

編號是唯一的。4.每個學(xué)生有姓名、性別、編號、所屬系和年級。編號是唯一的。5.每門課程有名稱、編號、所屬系、學(xué)時數(shù)。編號唯一。第六頁，共二十八頁，2022年，8月28日四.實體間的聯(lián)系在一個數(shù)據(jù)庫中，不同實體型的實體之間可能存在著聯(lián)系。例如，大學(xué)數(shù)據(jù)庫中教研室實體型的每個實體，即每個教研室，必和系實體型的某個實體，即系，存在‘某教研室屬于某系’的聯(lián)系。又如，學(xué)生實體型的實體(即學(xué)生)、教師實體型的實體(即教師)以及課程實體型的實體(課程)存在著‘某學(xué)生選修某教師講授的某課程’的聯(lián)系。實體間的聯(lián)系是根據(jù)需求分析的結(jié)果決定的。1.聯(lián)系型和聯(lián)系實例2.聯(lián)系型的結(jié)構(gòu)約束3.聯(lián)系型的屬性

F24第七頁，共二十八頁，2022年，8月28日

1.聯(lián)系型和聯(lián)系實例[定義]實體型A和實體型B之間的聯(lián)系型R定義為RAB，稱A、B為聯(lián)系型R所關(guān)聯(lián)的實體型。聯(lián)系型R的元素(a,b)稱為聯(lián)系型R的實例，它取自AB集合,即aA,bB，選取方法由應(yīng)用領(lǐng)域決定，a、b稱為聯(lián)系實例(a,b)所關(guān)聯(lián)的實體。例如：教研室和系之間的聯(lián)系型B_T={(j,d)|教研室j屬于系d}學(xué)生和系之間的聯(lián)系型S_D={(s,d)|學(xué)生s屬于系d}教師和系之間的聯(lián)系型1:T_D1={(t,d)|教師t屬于系d}教師和系之間的聯(lián)系型2:T_D2={(t,d)|教師t是系d的主任}學(xué)生、教師和課程之間的聯(lián)系型:S_T_C={(s,t,c)|學(xué)生s選修教師t講授的課程c}聯(lián)系型所關(guān)聯(lián)的實體型數(shù)目稱為階。實體之間的聯(lián)系既可以如上例那樣使用聯(lián)系型定義，也可以通過實體屬性的取值來表示，例如，在教研室的屬性‘所屬系’取值即可實現(xiàn)教研室和系的聯(lián)系。類似地可把上述定義推廣為多個實體型之間的聯(lián)系型。F24a第八頁，共二十八頁，2022年，8月28日2.聯(lián)系型的結(jié)構(gòu)約束(實體對應(yīng)約束和實體關(guān)聯(lián)約束)實體對應(yīng)約束：這是聯(lián)系型所關(guān)聯(lián)的各實體型之間的約束，有三種實體對應(yīng)約束即1對1約束、1對多約束、多對多約束。[定義]設(shè)A和B是聯(lián)系型R所關(guān)聯(lián)的實體型，若aA,唯一的bB與之關(guān)聯(lián),則稱R是1對1聯(lián)系型,記為1:1聯(lián)系.若aA,有n(0)個bB與之關(guān)聯(lián);bB,有m(1)個aA與之關(guān)聯(lián),則稱R是一對多聯(lián)系型，記為1:n聯(lián)系；若aA,有n(0)個bB與之關(guān)聯(lián);bB,有m(0)個aA與之關(guān)聯(lián)，則稱R是多對多聯(lián)系型，記為m:n聯(lián)系。例如，若假定大學(xué)數(shù)據(jù)庫還有主任實體型，規(guī)定一個系只有一個主任，一個主任只負(fù)責(zé)一個系工作。于是系實體型和主任實體型存在1:1聯(lián)系；

由于一個系有多個教研室，而一個教研室只屬于一個系，故教研室實體型和系實體型之間的聯(lián)系型B_T是1:n聯(lián)系；若規(guī)定一門課由多個教師講授，而一個教師可講授多門課，則課程實體型和教師實體型之間存在一個m:n聯(lián)系。F24b接下頁第九頁，共二十八頁，2022年，8月28日實體關(guān)聯(lián)約束：這是聯(lián)系型和它所關(guān)聯(lián)的實體型之間的約束，有兩種實體關(guān)聯(lián)約束，即全域關(guān)聯(lián)約束和部分關(guān)聯(lián)約束。[定義]設(shè)A是聯(lián)系型R所關(guān)聯(lián)的一個實體型，若規(guī)定A的各實體必須出現(xiàn)在R的某個聯(lián)系實例中，則稱這種規(guī)定為實體型A關(guān)于聯(lián)系型R的全域約束。若規(guī)定A的實體可以不出現(xiàn)在任何聯(lián)系實例中，則稱這種規(guī)定為實體型A關(guān)于聯(lián)系型R的部分約束。例如，在大學(xué)數(shù)據(jù)庫中，

若規(guī)定每位教師必屬于某個系，則這種規(guī)定就是教師實體型關(guān)于聯(lián)系型(T_D1)的全域關(guān)聯(lián)約束。

由于并非所有教師都是主任，故這情況就是教師實體型關(guān)于聯(lián)系型(T_D2)的部分關(guān)聯(lián)約束。F24b1聯(lián)系型的結(jié)構(gòu)約束實體關(guān)聯(lián)約束實體對應(yīng)約束1:1約束1:n約束m:n約束全域關(guān)聯(lián)約束部分關(guān)聯(lián)約束第十頁，共二十八頁，2022年，8月28日3.聯(lián)系型的屬性聯(lián)系型可以具有屬性，例如，為了表示教師講授課程的周學(xué)時數(shù)，在教師實體型和課程實體型之間的聯(lián)系型T_C={(t,c)|教師t講授課程c}中設(shè)置一個屬性周學(xué)時。聯(lián)系型的屬性怎樣設(shè)置呢？若聯(lián)系型是1:n類型，則可以把該屬性設(shè)置在所關(guān)聯(lián)的n方實體型中。若聯(lián)系型是1:1類型，則設(shè)置在兩個實體型當(dāng)中任一個均可以。例如，聯(lián)系型S_D={(s,d)|學(xué)生s屬于系d}屬于n:1類型，因系向?qū)W生提供宿舍，故宿舍房號是聯(lián)系型的屬性，可將此屬性設(shè)置在n方實體型即學(xué)生實體型內(nèi)。注意，若把聯(lián)系型屬性設(shè)置在1方實體型內(nèi)，則會成為多值屬性，給以后的許多處理帶來麻煩。F24c第十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日識別實體型B弱實體型A五.弱實體應(yīng)用領(lǐng)域中有些實體型沒有普通意義的鍵，我們稱之為弱實體型，它的實體稱為弱實體。不同的弱實體可以有完全相同的屬性值。識別弱實體的方法是關(guān)聯(lián)另一個普通的實體型(稱為識別實體型)。在弱實體型中挑選這樣的屬性子集，使得可以和識別實體型的鍵結(jié)合成弱實體型的鍵，弱實體型的這個屬性子集稱為部分鍵。設(shè)聯(lián)系型R關(guān)聯(lián)弱實體型A和對應(yīng)的識別實體型，則稱R為A的識別聯(lián)系型。為了能識別每個弱實體，識別聯(lián)系型R對于弱實體型A必須具有全域關(guān)聯(lián)約束。一個弱實體型可以具有多個識別實體型和識別聯(lián)系型，這意味著弱實體可以有多種識別方法。父親孩子(身份證號,姓名)(父身份證號,姓名,性別,生日)部分鍵標(biāo)識孩子的一個方法：孩子姓名-父親身份證號F25識別聯(lián)系型全域關(guān)聯(lián)約束第十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日六.實體聯(lián)系圖實體聯(lián)系圖是表示ER模型的圖形工具，簡稱ER圖。ER圖用來表示實體型和聯(lián)系型。下邊列出表示實體聯(lián)系模型各種成分的ER圖素。實體型屬性聯(lián)系型F26弱實體型識別聯(lián)系型鍵屬性多值屬性導(dǎo)出屬性復(fù)合屬性BAR聯(lián)系型R對于實體型B具有全域關(guān)聯(lián)約束BAR11BAR1nBARmn1:1聯(lián)系型1:n聯(lián)系型m:n聯(lián)系型大學(xué)數(shù)據(jù)庫的ER圖接下頁第十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日課程學(xué)生教師系教研室名稱學(xué)時數(shù)編號所屬系姓名編號所屬系年級系名編號地點系主任姓名編號性別地址課程所屬系名稱編號電話所屬系T_S_CT_DS_DBD市區(qū)郵政單位學(xué)校信箱大學(xué)數(shù)據(jù)庫的ER圖F26a第十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日F3第三節(jié)擴(kuò)展的實體聯(lián)系模型擴(kuò)展的實體聯(lián)系模型就是實體聯(lián)系模型的擴(kuò)充，即在實體聯(lián)系模型的基礎(chǔ)上，增加了一些新概念，如子類、超類、演繹、歸納、范疇、層性層次等。下面分小節(jié)討論這些概念。一.子類、超類、演繹和歸納二.演繹和歸納的性質(zhì)三.范疇、EER圖第十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日一.子類、超類、演繹和歸納把實體型R的實體按需要劃分為幾個子集合R1,、R2、.，這個過程稱為演繹。R稱為(演繹)超類，各Ri都是實體型，稱為(演繹)子類。子類除繼承超類的所有屬性之外，還附加用于區(qū)別其它子類的特殊屬性。不要求超類成員必須屬于某個子類。一個實體型可按不同需要進(jìn)行多種不同的演繹，即不同的分類。歸納是演繹的逆過程。把多個實體型Ri的共同屬性抽取出來，形成一個實體型，這就是(歸納)超類。演繹和歸納都是聯(lián)系型。分別稱為演繹聯(lián)系型和歸納聯(lián)系型.教師文科教師理科教師外語教師d運輸工具火車飛機(jī)汽車d演繹歸納[例]由教師實體型按專業(yè)演繹出三個子類[例]由三個實體型歸納出超類‘運輸工具’超類子類超類子類雙線表示超類實體必屬于某子類單線表示超類實體不必屬于某子類F31第十六頁，共二十八頁，2022年，8月28日二.演繹和歸納的性質(zhì)1兩種定義演繹的方法：1)由屬性謂詞定義的演繹2)用戶定義的演繹2.演繹和歸納的約束條件1)重迭性約束2)完全性約束3.多層演繹與共享子類F32第十七頁，共二十八頁，2022年，8月28日1兩種定義演繹的方法：1)由屬性謂詞定義的演繹這類演繹方法通過超類屬性上的某一個謂詞來說明每個實體所屬的子類。例如在超類教師設(shè)置屬性‘所屬學(xué)科’，即可把教師分為文、理、外三個種類。2)用戶定義的演繹即上述方法之外的演繹。超類實體所屬的子類由用戶逐個說明。F32a第十八頁，共二十八頁，2022年，8月28日重迭性約束完全性約束全域約束：規(guī)定超類實體必屬某子類。例如歸納超類運輸工具必屬于火車、飛機(jī)或汽車。部分約束：規(guī)定超類實體不必屬于某子類。例如某教師都不屬于文科、理科、外語科。正交約束：規(guī)定子類交集為空。例如火車、飛機(jī)和汽車三個子類是互相獨立的。相交演繹：規(guī)定子類可以相交。例如某課程既是一系課程又是二系課程。例子2.演繹和歸納的約束條件F32b第十九頁，共二十八頁，2022年，8月28日教師文科教師理科教師外語教師d運輸工具火車飛機(jī)汽車d超類子類超類子類雙線表示全域約束：超類每個實體必屬于某子類單線表示部分約束：超類實體不必屬于某子類正交約束，子類不相交一系課程二系課程o課程超類子類一系課程二系課程o課程超類子類相交約束，允許子類相交全校只有兩個系除兩個系外，還有別的系F32b例允許有教師不屬于文理外三科運輸工具僅火車飛機(jī)和汽車演繹歸納約束條件的例子完全性重迭性第二十頁，共二十八頁，2022年，8月28日實體型博士導(dǎo)師具有多個超類稱為共享子類F32c教師教授講師助教文科教授理科教授外語教授博士導(dǎo)師dd其他其他其他ddd3.多層演繹和共享子類對子類進(jìn)行演繹即可產(chǎn)生演繹層次結(jié)構(gòu)。例如，實體型教師可以劃分為子類教授、講師和助教。子類教授可以進(jìn)一步分為文科教授、理科教授和外語教授三個子類。在多層演繹中子類繼承所有前輩超類屬性。若實體型是多個超類的子類，則稱為共享子類。第二十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日教師工人干部住戶uF33三范疇若超類/子類聯(lián)系具有多個超類，則其子類稱為范疇，它是多個超類實體型的并集的子類。范疇的每個實體僅繼承包含該實體的超類實體型的屬性。例如，三個不同實體型教師、工人和干部，在住房分配數(shù)據(jù)庫中需要建立包含這三類住戶的類，這就是范疇住戶。四.EER圖EER圖是ER圖的擴(kuò)張。EER圖是在ER圖的基礎(chǔ)上，增加了表示EER模型新概念的圖形。第二十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日第四節(jié)概念設(shè)計的方法與策略概念數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟是：確定實體型及其屬性和鍵；確定實體型之間的聯(lián)系和約束；用演繹或歸納確定實體型之間的超子聯(lián)系及其約束；確定范疇聯(lián)系及其約束；形成EER圖。一概念設(shè)計方法1集中式：先由設(shè)計者合并需求報告各項需求，然后設(shè)計概念模式。由于在概念設(shè)計前用人工方法處理各需求間的差異矛盾,故難度大.2視圖綜合式：為需求報告的每個應(yīng)用設(shè)計概念模式，即視圖，然后合并。用戶或應(yīng)用程序員按自己需求設(shè)計局部概念模式，視圖合成有設(shè)計方法學(xué)和輔助工具的幫助。F41第二十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日概念設(shè)計的策略多數(shù)策略遵循逐步求精的原則，從一個滿足部分需求的模式開始，逐步加以改善，最后形成滿足所有需求的概念模式。1自頂向下的策略；從抽象結(jié)構(gòu)模式出發(fā)，逐步求精具體化，最終得到概念數(shù)據(jù)庫模式。例如通過演繹把高級的實體型分解為幾個低級實體型。2自底向上的策略：從基礎(chǔ)概念結(jié)構(gòu)模式出發(fā)，逐步組合結(jié)構(gòu)，最終得到概念數(shù)據(jù)庫模式。例如，對屬性集合先說明，再分組，形成實體型和聯(lián)系型。由子類歸納出超類就是一種自底向上的策略。3混合策略：首先把總體需求分解為幾個需求子集合；然后對每個需求子集合用自底向上的策略建立局部模式；最后把各局部模式綜合為概念模式。F42例第二十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日F42例自頂向下策略實例：一個實體型分為兩個實體型和一個聯(lián)系型課程名學(xué)時數(shù)課程號教師名教學(xué)計劃課程名學(xué)時數(shù)課程號教師名課程教師講授

教師學(xué)生教師學(xué)生任教班任

自下向上策略實例：在兩個實體型之間增加兩個聯(lián)系型第二十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日第五節(jié)視圖綜合設(shè)計方法第一步，設(shè)計局部概念模式；第二步，綜合局部概念模式為總體概念模式一