《信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)》第4章：數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)模型-438課件

1、信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)第4章：數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)模型第1頁(yè)，共33頁(yè)。第4章 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)模型【學(xué)習(xí)目標(biāo)】通過(guò)本章學(xué)習(xí)，你將能夠：理解文件組織技術(shù)分析數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的意義理解數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的抽象層次掌握數(shù)據(jù)模型建立的一般步驟第2頁(yè)，共33頁(yè)。24.1 引 言在信息時(shí)代，信息是一種資源。信息的原料是數(shù)據(jù)，只有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效組織，才能加工出有價(jià)值的信息。許多組織由于缺乏關(guān)于企業(yè)內(nèi)部運(yùn)作和外部環(huán)境的有效數(shù)據(jù)，而導(dǎo)致在競(jìng)爭(zhēng)中失敗。因此，企業(yè)必須應(yīng)用信息技術(shù)和管理工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理，而數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)正是為解決數(shù)據(jù)管理問(wèn)題而提出的。有效應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的前提是必須首先對(duì)企業(yè)的運(yùn)作進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，并理解

2、數(shù)據(jù)的邏輯模式和物理模式的關(guān)系。第3頁(yè)，共33頁(yè)。34.2 傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)4.2.1 文件的概念如圖4-1所示是一個(gè)基于紙質(zhì)的文件記錄。而在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中往往是以最基本的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)：二進(jìn)制數(shù)(又稱位或比特)。 第4頁(yè)，共33頁(yè)。44.2.1 文件的概念由位構(gòu)成字節(jié)，由字節(jié)構(gòu)成數(shù)據(jù)項(xiàng)，由數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成記錄，由記錄構(gòu)成文件，如圖4-2所示。一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)或域，是由字符組成的邏輯集合。一個(gè)記錄是若干數(shù)據(jù)項(xiàng)按一定邏輯關(guān)系組合在一起的集合，同一類型的記錄組成一個(gè)文件。第5頁(yè)，共33頁(yè)。54.2.2 文件的結(jié)構(gòu)文件的結(jié)構(gòu)是指在磁盤上存儲(chǔ)記錄的方式。通常包括以下方面的文件結(jié)構(gòu)。1) 順序文件結(jié)構(gòu)2) 直接文件結(jié)構(gòu)3

3、) 索引文件結(jié)構(gòu)第6頁(yè)，共33頁(yè)。64.2.3 文件系統(tǒng)每個(gè)文件中的記錄往往被設(shè)計(jì)成只適合某個(gè)應(yīng)用程序，從而不能被其他應(yīng)用程序讀取。顯然，這給程序設(shè)計(jì)以及修改造成了很大的障礙。如圖4-4所示，某公司運(yùn)行了一個(gè)給員工發(fā)放薪水的程序，這個(gè)程序使用一個(gè)薪水主文件來(lái)存儲(chǔ)員工個(gè)人數(shù)據(jù)。 第7頁(yè)，共33頁(yè)。74.2.3 文件系統(tǒng)這種設(shè)計(jì)模式所存在的主要問(wèn)題有以下方面。1) 數(shù)據(jù)的獨(dú)立性2) 數(shù)據(jù)的冗余性3) 數(shù)據(jù)的一致性第8頁(yè)，共33頁(yè)。84.3 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)4.3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的概念在數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)不再僅僅是服務(wù)于某個(gè)應(yīng)用程序或用戶，而成為一個(gè)組織甚至組織之間的共享資源，由數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

4、統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)與程序的真正獨(dú)立，并且最大限度地降低了數(shù)據(jù)冗余，充分做到了數(shù)據(jù)為多個(gè)用戶共享，提高了數(shù)據(jù)的一致性，并且允許多個(gè)用戶同時(shí)訪問(wèn)某一數(shù)據(jù)，也就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并發(fā)使用，對(duì)數(shù)據(jù)的安全保密和完整性也有了保證措施，如圖4-5所示。第9頁(yè)，共33頁(yè)。94.3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的抽象層次如圖4-6所示，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)被描述為三級(jí)抽象：概念模式、物理模式和外模式。 第10頁(yè)，共33頁(yè)。104.3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)勢(shì)由前面的論述可知，使用數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)勢(shì)包括以下方面。1) 減少數(shù)據(jù)冗余2) 保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性3) 數(shù)據(jù)和程序可以保持獨(dú)立4) 面向用戶或者用戶程序提供邏輯視圖5) 應(yīng)用程序的開發(fā)能

5、力得到提高6) 安全措施易于執(zhí)行第11頁(yè)，共33頁(yè)。114.3.4 數(shù)據(jù)庫(kù)的劣勢(shì)雖然數(shù)據(jù)庫(kù)的使用日益普遍，但是也存在局限性。1) 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)需要花費(fèi)更多的時(shí)間和成本2) 需要考慮數(shù)據(jù)庫(kù)硬件和軟件的成本3) 數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)比直接的文件訪問(wèn)速度要慢第12頁(yè)，共33頁(yè)。124.4 數(shù)據(jù)庫(kù)模型數(shù)據(jù)庫(kù)模型反映了數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)關(guān)于數(shù)據(jù)組織的邏輯思路。先后出現(xiàn)了三種數(shù)據(jù)模型：層次模型、網(wǎng)狀模型及關(guān)系模型。 文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的主要區(qū)別之一就在于前者僅僅是相同類型記錄的一個(gè)簡(jiǎn)單集合，而后者則包括：不同類型的記錄集合；各記錄集合間的關(guān)系。第13頁(yè)，共33頁(yè)。134.4.1 層次數(shù)據(jù)模型層次模型是早期數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

6、中常用的一種模型。層次模型沒有關(guān)于多個(gè)對(duì)象之間直接關(guān)系的表示。 圖4-7描述了某所大學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的部分層次結(jié)構(gòu)。 第14頁(yè)，共33頁(yè)。144.4.2 網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型是層次數(shù)據(jù)模型的變形。 圖4-9中的學(xué)生與課程之間的關(guān)系就是典型的多對(duì)多的關(guān)系，一個(gè)學(xué)生可選修多門課程，而一門課程可有多個(gè)學(xué)生選修。 同層次模型類似，網(wǎng)狀模型一般也只在較老的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中使用，如今一般不選擇這種數(shù)據(jù)庫(kù)模型。 第15頁(yè)，共33頁(yè)。154.5 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模型的發(fā)展在很大程度上得益于E.F.Codd在20世紀(jì)70年代的理論探討。關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)相對(duì)網(wǎng)狀和層次模型有著固有的優(yōu)勢(shì)，是目前開發(fā)信息系統(tǒng)

7、使用的主流數(shù)據(jù)庫(kù)模型。第16頁(yè)，共33頁(yè)。164.5.1 關(guān)系一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)可以看作是由一系列相互關(guān)聯(lián)的二維表的集合，如圖4-10所示。網(wǎng)狀模型和層次模型通過(guò)聯(lián)接來(lái)表示各種各樣的關(guān)系，關(guān)系模型通過(guò)關(guān)系或者表來(lái)表示各個(gè)對(duì)象之間的聯(lián)系。 第17頁(yè)，共33頁(yè)。174.5.2 關(guān)系的鍵1) 主鍵和候選鍵 2) 組合鍵3) 外鍵第18頁(yè)，共33頁(yè)。184.5.3 關(guān)系的完整性規(guī)則關(guān)系的完整性規(guī)則是對(duì)關(guān)系的某種約束。一般包括兩個(gè)方面實(shí)體完整性規(guī)則和參照完整性規(guī)則。1) 實(shí)體完整性規(guī)則2) 參照完整性規(guī)則總之，完整性規(guī)則是定義關(guān)系模式時(shí)的約束條件，過(guò)濾不合法的數(shù)據(jù)，只允許合法的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。 第19頁(yè)

8、，共33頁(yè)。194.5.4 關(guān)系的規(guī)范化1) 函數(shù)依賴2) 關(guān)系的規(guī)范化具體來(lái)講，關(guān)系規(guī)范化步驟如下。(1) 確認(rèn)關(guān)系的所有候選鍵。(2) 確認(rèn)關(guān)系中的函數(shù)依賴關(guān)系。(3) 檢查函數(shù)依賴關(guān)系的決定因子。如果任何一個(gè)決定因子都不是候選鍵，則關(guān)系就存在規(guī)范化問(wèn)題。 (4) 根據(jù)需要，多次重復(fù)步驟，直至每個(gè)關(guān)系的決定因子都是候選鍵。第20頁(yè)，共33頁(yè)。204.6 創(chuàng)建自己的關(guān)系數(shù)據(jù)模型具體的創(chuàng)建過(guò)程可以參照下面的步驟。(1) 定義實(shí)體類和主鍵。(2) 定義每個(gè)實(shí)體類之間的關(guān)聯(lián)。(3) 為每個(gè)關(guān)系定義字段(信息)。(4) 用數(shù)據(jù)描述語(yǔ)言創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)。第21頁(yè)，共33頁(yè)。214.6.1 定義實(shí)體類和主鍵所

9、謂實(shí)體，就是系統(tǒng)用戶希望跟蹤的對(duì)象。 實(shí)體集反映了相同類型的實(shí)體實(shí)例的集合，如圖4-13所示。第22頁(yè)，共33頁(yè)。224.6.2 定義每個(gè)實(shí)體類之間的關(guān)聯(lián)實(shí)體之間必須建立關(guān)聯(lián)，我們用實(shí)體-關(guān)聯(lián)圖(Entity_Relationship Diagram，E-R圖)來(lái)反映實(shí)體間的關(guān)聯(lián)。E-R模型可以有多種形式或變體。如圖4-14所示是傳統(tǒng)的E-R圖的符號(hào)組成，所有的數(shù)據(jù)庫(kù)專業(yè)人員都理解傳統(tǒng)的E-R模型。 第23頁(yè)，共33頁(yè)。234.6.3 為每個(gè)關(guān)系定義字段關(guān)系中的字段是我們所關(guān)心的該實(shí)體的某方面的信息。 在設(shè)計(jì)字段時(shí)，應(yīng)該時(shí)刻注意關(guān)系的規(guī)范化原則，即確保關(guān)系中每個(gè)字段都只依賴于主鍵。另外為了盡量

10、減少冗余，要確保關(guān)系中沒有衍生字段。第24頁(yè)，共33頁(yè)。244.7 分布式數(shù)據(jù)庫(kù)4.7.1 分布式處理分布式處理可以定義為：計(jì)算機(jī)設(shè)備和數(shù)據(jù)在一個(gè)以上的地點(diǎn)出現(xiàn)，應(yīng)用程序在一個(gè)以上的地點(diǎn)的系統(tǒng)上運(yùn)行。 如圖4-20所示是一個(gè)輪胎制造商為在全國(guó)范圍內(nèi)購(gòu)買原材料并銷售產(chǎn)品而建立的分布式處理系統(tǒng)。 第25頁(yè)，共33頁(yè)。254.7.1 分布式處理總結(jié)以上，我們可以看出，采用分布式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括以下方面。1) 系統(tǒng)發(fā)展的靈活性增強(qiáng)2) 較低的通信費(fèi)用3) 容錯(cuò)能力4) 跨國(guó)界數(shù)據(jù)流動(dòng)5) 減少反應(yīng)時(shí)間6) 用戶滿意度提高第26頁(yè)，共33頁(yè)。264.7.2 有效的分布式處理系統(tǒng)有效的分布式處理系統(tǒng)應(yīng)該是容

11、易使用的。 另外，有效的分布式處理系統(tǒng)也應(yīng)該避免數(shù)據(jù)的不一致性。軟件和程序應(yīng)該能提供自動(dòng)的全系統(tǒng)范圍內(nèi)的修改。 組織的性質(zhì)是規(guī)劃分布式處理時(shí)要考慮的一個(gè)問(wèn)題。以分布式處理的形式組織信息系統(tǒng)對(duì)于在其他方面也較分散的組織來(lái)說(shuō)可能會(huì)很有效。 第27頁(yè)，共33頁(yè)。274.7.3 分布式數(shù)據(jù)庫(kù)1. 數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)制和分解2. 分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)1) C/S結(jié)構(gòu)2) B/S結(jié)構(gòu)3) C/S結(jié)構(gòu)與B/S結(jié)構(gòu)的分析比較第28頁(yè)，共33頁(yè)。284.8 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的分類桌面數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)主要是在單機(jī)環(huán)境下運(yùn)行的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，無(wú)須網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的支持，如Foxpro、Access等，這類系統(tǒng)主要作為支持一般

12、事務(wù)處理需要的數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境，是為滿足日常小型辦公的需要，強(qiáng)調(diào)使用的方便性和操作的簡(jiǎn)便性。由于桌面數(shù)據(jù)庫(kù)側(cè)重于可操作性、易開發(fā)和簡(jiǎn)單管理等方面，所以提供的是較弱的數(shù)據(jù)庫(kù)管理和較強(qiáng)的前端開發(fā)工具，同時(shí)充當(dāng)了應(yīng)用開發(fā)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的角色，圖4-25所示。 第29頁(yè)，共33頁(yè)。294.9 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)人們對(duì)面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)具有強(qiáng)烈需求的原因在于：將來(lái)的數(shù)據(jù)庫(kù)不再僅需要用來(lái)存儲(chǔ)字符，而且要存儲(chǔ)圖形、聲音、視頻等非文本數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)這些處理。 關(guān)系模型將信息理解為：實(shí)體、屬性和各個(gè)實(shí)體之間的關(guān)系。在關(guān)系模型中，對(duì)那些數(shù)據(jù)的處理是隱含的。面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)的倡導(dǎo)者認(rèn)為，關(guān)系模型將數(shù)據(jù)和

13、處理分開將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在缺陷。 具備相同屬性及方法的對(duì)象被稱為一個(gè)類。 第30頁(yè)，共33頁(yè)。304.10 小 結(jié)信息的原料是數(shù)據(jù)，只有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效組織，才能加工出有價(jià)值的信息。 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的概念正是針對(duì)以上問(wèn)題而提出的。 數(shù)據(jù)據(jù)管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)被描述為三級(jí)抽象：概念模式、物理模式和外模式。其中概念模式是全局的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)的描述，外模式是每個(gè)用戶的局部描述，物理模式則是數(shù)據(jù)在物理存儲(chǔ)介質(zhì)上實(shí)際的組織形式和結(jié)構(gòu)。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)將數(shù)據(jù)組織成二維表的形式。一個(gè)關(guān)系就是一個(gè)二維表格。關(guān)系之間通過(guò)外鍵建立關(guān)聯(lián)。關(guān)系的完整性規(guī)則是對(duì)關(guān)系的某種約束。一般包括兩個(gè)方面：實(shí)體完整性規(guī)則和參照完整性規(guī)則。第31頁(yè)，共33頁(yè)。314.10 小 結(jié)關(guān)系的規(guī)范化是對(duì)所建立的關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程。在創(chuàng)建關(guān)系時(shí)一般遵循下面的步驟：(1) 定義實(shí)體類和主鍵；(2) 定義每個(gè)實(shí)體類之間的關(guān)聯(lián)；(3) 為每個(gè)關(guān)系定義字段(信息)；(4) 用數(shù)據(jù)描述語(yǔ)言創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)。我們把分散放置數(shù)據(jù)庫(kù)的系統(tǒng)稱為分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理的主要方式包括復(fù)制和分解。目前，分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的體系