第5章數(shù)據(jù)庫設(shè)計

第5章數(shù)據(jù)庫設(shè)計數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述從小型的單項事務(wù)處理系統(tǒng)到大型復(fù)雜的信息系統(tǒng)大都用先進的數(shù)據(jù)庫技術(shù)來保持系統(tǒng)數(shù)據(jù)的整體性、完整性和共享性。數(shù)據(jù)庫設(shè)計是建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)，是信息系統(tǒng)開發(fā)和建設(shè)中的核心技術(shù)，數(shù)據(jù)庫設(shè)計是指對于一個給定的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)造最優(yōu)的數(shù)據(jù)庫模式，建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)，使之能夠有效地存儲數(shù)據(jù)，滿足各種用戶的應(yīng)用需求。數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法規(guī)范設(shè)計法中比較著名的有新奧爾良方法，它將數(shù)據(jù)庫設(shè)計分為四個階段：需求收集和分析（了解和歸納用戶要求）、概念設(shè)計（信息分析和定義）、邏輯設(shè)計（設(shè)計實現(xiàn)）和物理設(shè)計（物理數(shù)據(jù)庫設(shè)計）。數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟按照規(guī)范設(shè)計的方法，考慮數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)全過程，將數(shù)據(jù)庫設(shè)計分為以下六個階段：需求分析；概念結(jié)構(gòu)設(shè)計；邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計；物理結(jié)構(gòu)設(shè)計；數(shù)據(jù)庫實施；數(shù)據(jù)庫運行和維護。設(shè)計一個完善的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)是不可能一蹴而就的，它往往是上述六個階段的不斷反復(fù)。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計將收集和分析得到的用戶需求抽象為概念模型的過程就是概念結(jié)構(gòu)設(shè)計。它是整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計的關(guān)鍵。概念結(jié)構(gòu)的主要特點是：概念結(jié)構(gòu)是依據(jù)用戶信息建立的,完全獨立于實現(xiàn)細節(jié)，例如使用的DBMS、應(yīng)用程序、硬件平臺等。能真實、充分反映現(xiàn)實世界，包括事物和事物之間的聯(lián)系，能滿足用戶對數(shù)據(jù)的處理要求。是對現(xiàn)實世界的一個真實模型。易于理解，從而可以用它和不熟悉計算機的用戶交換意見，用戶的積極參與是數(shù)據(jù)庫的設(shè)計成功的關(guān)鍵。易于更改，當(dāng)應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用要求改變時，容易對概念模型修改和擴充。易于向關(guān)系、網(wǎng)狀、層次等各種數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法使用實體—聯(lián)系模型（Entity—Relationship,E—R模型）建立概念模型實體—聯(lián)系模型的主要元素有：實體屬性標識符聯(lián)系概念結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟確定實體確定實體的屬性確定實體的標識屬性（關(guān)鍵字）確定實體間的聯(lián)系和聯(lián)系類型畫出表示概念模型的E-R圖（利用相應(yīng)的建模工具）確定屬性間的依賴關(guān)系邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)就是把概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段設(shè)計好的基本E－R圖轉(zhuǎn)換為與選用DBMS產(chǎn)品所支持的數(shù)據(jù)模型相符合的邏輯結(jié)構(gòu)。

將概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為關(guān)系數(shù)據(jù)模型并進行優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計在物理上實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計包括：選用某一DBMS軟件，根據(jù)邏輯模型創(chuàng)建庫和表以及確定表的約束確定可獲得最佳性能的數(shù)據(jù)存貯結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)訪問方式為系統(tǒng)設(shè)計安全保護5.1實體—聯(lián)系模型的元素1.實體實體實例（實例）—客觀世界存在切可相互區(qū)別的某一人、物、事。實體—具有相同特征的可區(qū)別的實例的集合。實體——表實例——表中一行E—R圖中的表示：學(xué)生2.屬性用來描述實體的特征。實體的一個特征就稱為實體的一個屬性。屬性有屬性名，同一個實體的屬性名不能重復(fù)。實體中不同的實例具有不同的屬性值。

學(xué)號姓名性別年齡系部學(xué)生簡單屬性和組合屬性單值屬性和多值屬性3.標識符可以用來識別或標識實例的屬性或?qū)傩越M。每個實例在這些屬性上具有不同的值。（候選鍵）一個實體可能有多個標識符，選其中一個做為實體的標識符，并用下劃線表出。（主鍵）4.聯(lián)系表示實體間的關(guān)聯(lián)。它通常表示一個活動，如訂購、選課等。一個訂購活動表示了商品、顧客、銷售員實體間的關(guān)聯(lián)；一個選課活動表示了學(xué)生、課程實體間的關(guān)聯(lián)聯(lián)系也可以有屬性。如選課有選修時間、選修成績等。學(xué)生課程選修選修時間選修成績mn與聯(lián)系有關(guān)的幾個概念最大基數(shù)和最小基數(shù)參與者部分參與、全部參與聯(lián)系的元二元聯(lián)系的類型（1）一對一聯(lián)系（1：1）（2）一對多聯(lián)系（1：n）（3）多對多聯(lián)系(m:n)多元聯(lián)系兩個或兩個以上實體之間存在的聯(lián)系。遞歸聯(lián)系同一個實體內(nèi)部實例之間的聯(lián)系。也有三種類型數(shù)據(jù)庫設(shè)計的過程概念模型設(shè)計邏輯數(shù)據(jù)庫設(shè)計規(guī)范化理論的應(yīng)用物理數(shù)據(jù)庫設(shè)計概念模型設(shè)計確定實體確定實體的屬性確定實體的標識屬性（關(guān)鍵字）確定實體間的聯(lián)系和聯(lián)系類型畫出表示概念模型的E-R圖（利用相應(yīng)的建模工具）確定屬性間的依賴關(guān)系合并E-R圖表示相同事物的實體名和屬性名要統(tǒng)一要消除同名異義和同義異名在不同的局部E-R圖中同一實體包含的屬性可能有所區(qū)別，合并時要統(tǒng)一實體合并E-R圖局部E-R圖合并為全局E-R圖在進行E-R圖合并時，要注意消除不一致性和冗余。因此，要特別注意以下一些問題：表示相同事物的實體名和屬性名要統(tǒng)一相同的兩個實體在不同的E-R圖中可能存在著不同的聯(lián)系合并后得到全局E-R圖

整體概念模型內(nèi)部必須具有一致性，不能有相互矛盾的表述；整體概念模型必須能夠準確反映原來的每個局部模型的結(jié)構(gòu)，包括實體、屬性和聯(lián)系等；整體概念模型必須能夠滿足需求分析階段所確定的所有要求，這一條實際蘊涵了以上兩條。5.2E-R模型轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型E-R模型是根據(jù)用戶需求建立的概念模型。而數(shù)據(jù)庫的物理實現(xiàn)依據(jù)的是數(shù)據(jù)模型，關(guān)系數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)依據(jù)的是關(guān)系（數(shù)據(jù)）模型。所以，需要將E－R模型轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型。一個關(guān)系可用一個關(guān)系模式來表示，一個數(shù)據(jù)庫的所有關(guān)系模式就構(gòu)成這個數(shù)據(jù)庫的模式，即數(shù)據(jù)庫的關(guān)系模型（邏輯模型）。將E－R模型轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型實際上就是要將實體、實體的屬性和實體之間的聯(lián)系轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式。E-R圖轉(zhuǎn)換規(guī)則5.2.1實體的轉(zhuǎn)換一個實體轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系，實體的屬性就是關(guān)系的屬性，實體的標識符就是關(guān)系的主鍵。在關(guān)系模式中，用下劃線來表示主鍵，關(guān)系名極其屬性名可用對應(yīng)實體的實體名和屬性名。在實際應(yīng)用中，關(guān)系模式中的關(guān)系名和屬性名往往用英文或拼音表示，以方便程序的編寫。例5.1將圖5-7中的兩個實體轉(zhuǎn)換為兩個關(guān)系模式解：班主任（教工號，姓名，性別，職稱，出生日期）班級（班級編號，系別，專業(yè)）注意：①實體中如果有組合屬性，要將它分解成簡單屬性；②實體中如果有多值屬性，則把實體分解成兩個關(guān)系：一個是實體轉(zhuǎn)換得到的關(guān)系，其屬性是多值屬性之外的所有屬性；另一個實體的屬性是多值屬性和原實體標識符。例：圖5-2中的實體“教工”有多值屬性“家屬姓名”，則可轉(zhuǎn)換為以下兩個關(guān)系：教工（教工號，姓名，性別，出生日期，用戶名，域名）教工家屬（教工號，家屬姓名）5.2.2聯(lián)系的轉(zhuǎn)換1.二元聯(lián)系的轉(zhuǎn)換1：1聯(lián)系的轉(zhuǎn)換方法可以與任意一端對應(yīng)的關(guān)系模式合并，合并后的關(guān)系模式屬性為：實體A屬性+聯(lián)系屬性+實體B的標識符。實體B的標識符在關(guān)系模式B中為主鍵，在關(guān)系模式A中為外鍵。例5.3圖5-4a的關(guān)系模型學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，年齡，系別，借書證號）借書證（借書證號，發(fā)證日期，有效期）1:n聯(lián)系的轉(zhuǎn)換方法與n端對應(yīng)的關(guān)系模式合并。例5.4將圖5-4b轉(zhuǎn)換為相應(yīng)關(guān)系模型解：E-R圖中，1端為宿舍，N端為學(xué)生∴將聯(lián)系與學(xué)生關(guān)系模式合并學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，年齡，系別，

宿舍編號）宿舍（宿舍編號，宿舍名稱，宿舍地址）M:n聯(lián)系的轉(zhuǎn)換方法一個m:n聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式，這個關(guān)系模式的屬性為：實體A的標識符+實體B的標識符+聯(lián)系屬性。例5.5圖5-4c的關(guān)系模型學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，年齡，系別）課程（課程號，課程名，前修課程號，學(xué)分）選課（學(xué)號，課程號，成績）2.多元聯(lián)系的轉(zhuǎn)換3.遞歸聯(lián)系的轉(zhuǎn)換它的三種情況轉(zhuǎn)換與二元聯(lián)系轉(zhuǎn)換原則相同。為了容易理解，暫時將同一個實體看成兩個實體。先轉(zhuǎn)換成兩個相同關(guān)系：公民（身份證號）再根據(jù)1:1轉(zhuǎn)換原則，將實體B的標識符加到關(guān)系模式A的屬性中，為避免屬性名重復(fù)，將B的標識符名改為被贊助人身份證號?！嚓P(guān)系模式為公民（身份證號，被贊助人身份證號）公民公民贊助5.2.3弱實體與轉(zhuǎn)換1.弱實體——這種實體在數(shù)據(jù)庫中存在的情況依賴于其它實體的存在。2.強實體（實體）——不是弱實體的實體。例：職工和家屬兩個實體，家屬實體的存在依賴職工實體。當(dāng)職工調(diào)離，則該職工的家屬要刪除。弱實體在E-R圖中用雙線矩形框表示，與之的聯(lián)系用雙線菱形框表示。家屬職工擁有3.ID依賴型弱實體這種弱實體的物理存在依賴于實體。如，“宿舍樓”與“房間”這兩個實體。4.弱實體的轉(zhuǎn)換也可轉(zhuǎn)換為關(guān)系，但在關(guān)系中要加入強實體的標識符。弱實體轉(zhuǎn)換后得到的關(guān)系，其主鍵為強實體標識符加弱實體標識符組成。

如上圖轉(zhuǎn)換后的關(guān)系模式為：職工（職工號，姓名）家屬（職工號，家屬姓名，家屬關(guān)系）邏輯數(shù)據(jù)庫設(shè)計

將E-R圖中的實體和聯(lián)系轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式

確定各個關(guān)系模式的主關(guān)鍵字，考慮實體完整性確定各個關(guān)系模式的外部關(guān)鍵字，考慮參照完整性確定各個關(guān)系模式中屬性的約束、規(guī)則和默認值，考慮域完整性考慮特殊的用戶定義完整性根據(jù)用戶需求設(shè)計視圖考慮安全方案和用戶使用權(quán)限等

規(guī)范化理論的應(yīng)用對關(guān)系數(shù)據(jù)庫來說，邏輯數(shù)據(jù)庫設(shè)計的結(jié)果是一組關(guān)系模式。為了提高數(shù)據(jù)庫的設(shè)計質(zhì)量，需要應(yīng)用關(guān)系規(guī)范理論對這些關(guān)系模式進行規(guī)范化處理，即通過模式分解使關(guān)系達到較高的范式（至少達到第三范式）。物理數(shù)據(jù)庫設(shè)計估算數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲量安排數(shù)據(jù)庫的存儲設(shè)計索引設(shè)計備份策略其他在物理數(shù)據(jù)模型中可以定義的內(nèi)容指定目標數(shù)據(jù)庫定義表定義關(guān)鍵字定義視圖定義列定義域定義約束規(guī)則定義索引定義觸發(fā)器定義參照聯(lián)系定義擴展屬性數(shù)據(jù)庫設(shè)計工具PowerDesignerPowerDesigner簡介概念數(shù)據(jù)庫設(shè)計物理數(shù)據(jù)庫設(shè)計建立數(shù)據(jù)庫PowerDesigner簡介PowerDesigner的主要模塊概念數(shù)據(jù)模型（ConceptualDataModel）物理數(shù)據(jù)模型（PhysicalDataModel）面向?qū)ο竽Ｐ停∣bject-OrientedModel）業(yè)務(wù)處理模型（BusinessProcessModel）CDM和PDM可以完成的工作可以使用E-R圖建立概念數(shù)據(jù)模型（CDM）可以針對特定的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)生成物理數(shù)據(jù)模型（PDM）可以定制PDM，以適應(yīng)物理和性能上的考慮可以生成目標數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的建立數(shù)據(jù)庫的腳本可以生成參照完整性觸發(fā)器（如果目標數(shù)據(jù)庫支持）可以定制和打印模型的文檔報告可以對已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用實施逆向工程可以為PDM對象定義擴展屬性使用PowerDesigner設(shè)計數(shù)據(jù)庫的處理流程設(shè)計概念數(shù)據(jù)模型由概念數(shù)據(jù)模型（CDM）生成初步的物理數(shù)據(jù)模型（PDM）在生成的物理數(shù)據(jù)模型中完成物理數(shù)據(jù)庫設(shè)計生成創(chuàng)建目標數(shù)據(jù)庫的腳本甚至可以直接創(chuàng)建目標數(shù)據(jù)庫使用PowerDesigner完成逆向操作的處理流程連接到目標數(shù)據(jù)庫由目標數(shù)據(jù)庫生成物理數(shù)據(jù)模型由物理數(shù)據(jù)模型生成概念數(shù)據(jù)模型概念數(shù)據(jù)庫設(shè)計建立概念數(shù)據(jù)模型的常規(guī)操作包括：定義實體定義實體的屬性定義聯(lián)系概念數(shù)據(jù)模型設(shè)計界面中的工具板其中的命令按鈕大致可以分為三類：設(shè)計E-R圖的實體、聯(lián)系、繼承和屬性等概念數(shù)據(jù)模型中的要素點取、套取、抓取、放大、縮小、剪裁等編輯手段和工具文本、直線、矩形、橢圓形、圓角矩形、任意形狀、多邊形等輔助信息和符號一個簡單的概念數(shù)據(jù)模型疑問:在職工實體中沒有包含倉庫號屬性，在訂購單實體中沒有包含職工號和供應(yīng)商號屬性

這些1:n聯(lián)系使用的符號不完全一樣

多個實體之間的聯(lián)系物理數(shù)據(jù)庫設(shè)計一般根據(jù)概念數(shù)據(jù)模型生成物理數(shù)據(jù)模型，然后再進行一些必要的物理設(shè)計和補充。在生成物理數(shù)據(jù)模型時需要指定目標數(shù)據(jù)庫和PDM文件名。物理數(shù)據(jù)模型設(shè)計界面中的工具板其中的命令按鈕大致可以分為三類：表、視圖、參照、屬性等物理數(shù)據(jù)模型中的要素點取、套取、抓取、放大、縮小、剪裁等編輯手段和工具文本、直線、矩形、橢圓形、圓角矩形、任意形狀、多邊形等輔助信息和符號