《數(shù)據(jù)庫原理（微課版）》第六章數(shù)據(jù)庫設(shè)計

《數(shù)據(jù)庫原理》第六章

數(shù)據(jù)庫設(shè)計本章簡介本章內(nèi)容：數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述介紹數(shù)據(jù)庫設(shè)計的方法、分類、步驟等內(nèi)容數(shù)據(jù)庫需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、邏輯設(shè)計、物理設(shè)計、數(shù)據(jù)庫的實施與維護等步驟的工作內(nèi)容及所使用的具體設(shè)計方法。學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本概念，包括數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法、分類、步驟等。熟練掌握數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟，以及各設(shè)計步驟的工作內(nèi)容。熟練掌握使用E-R模型進行數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法與步驟。熟練掌握E-R圖轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型、關(guān)系模型的優(yōu)化方法。了解數(shù)據(jù)庫設(shè)計物理設(shè)計、實施與維護的工作內(nèi)容與方法本章目錄6.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述6.2需求分析6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.4數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計6.5數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計6.6數(shù)據(jù)庫實施與維護6.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述6.1.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法6.1.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計分類6.1.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計步驟6.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述6.1.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法1．直觀設(shè)計法依靠設(shè)計者的經(jīng)驗和水平來設(shè)計數(shù)據(jù)庫的開發(fā)模式。2．規(guī)范設(shè)計法數(shù)據(jù)庫設(shè)計規(guī)范：不斷迭代，逐步求精。這種方法將數(shù)據(jù)庫設(shè)計分為幾個階段，規(guī)定了各階段的任務(wù)，依據(jù)數(shù)據(jù)庫理論最終完成對整個數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。典型方法有新奧爾良方法、基于E-R模型的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法、3NF（第三范式）的設(shè)計方法、統(tǒng)一建模語言（UML）方法等。6.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述6.1.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法3．計算機輔助設(shè)計法注，近年出現(xiàn)較多國產(chǎn)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計軟件，例如chiner、DatablauDataModeler、FreedgoDesign、EdrawMax等，這說明我國更多優(yōu)秀的軟件開發(fā)人才正在進入數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及相關(guān)軟件研發(fā)領(lǐng)域，這方面的技術(shù)發(fā)展，值得期待。這些工具支持概念模型、數(shù)據(jù)庫邏輯模型設(shè)計，包括PowerDesigner、ERWin、ERStudio等。數(shù)據(jù)庫需求分析與設(shè)計工具這類工具軟件一般是繪圖軟件功能的延伸，提供E-R圖繪制組件，可畫圖完成E-R圖、數(shù)據(jù)庫邏輯模型圖的設(shè)計，包括MicrosoftVisio、smartDraw等。數(shù)據(jù)庫繪圖工具這類工具一般是由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)開發(fā)商提供的，例如SQLServer、Oracle等系統(tǒng)的管理工具都具有類似功能。DBMS逆向工具6.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述6.1.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法4．自動化設(shè)計法自動化設(shè)計法是指利用數(shù)據(jù)庫自動化工具來完成設(shè)計數(shù)據(jù)庫。自動化設(shè)計優(yōu)勢：提升設(shè)計效率顯著提升數(shù)據(jù)庫設(shè)計的效率，減少設(shè)計時間和工作量。提高設(shè)計質(zhì)量幫助設(shè)計者生成結(jié)構(gòu)良好、符合規(guī)范化理論的數(shù)據(jù)庫，提高設(shè)計質(zhì)量。降低出錯概率減少設(shè)計錯誤，提高設(shè)計的準(zhǔn)確性和可靠性。6.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述6.1.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法4．自動化設(shè)計法舉例：程序員可借助編程框架實現(xiàn)從單個軟件生成其所使用數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，從數(shù)據(jù)庫生成簡單訪問代碼的功能。例如，Java程序員可使用諸如Hibernate、MyBaits（及其變種）等對象關(guān)系映射框架（Object-RelationalMapping，ORM）來實現(xiàn)由程序中的對象生成關(guān)系數(shù)據(jù)庫、由關(guān)系數(shù)據(jù)庫生成程序中對象及其創(chuàng)建、刪除、修改等操作代碼的功能?，F(xiàn)狀：需要設(shè)計者提供正確的輸入和參數(shù)，否則可能導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果錯誤或不符合需求；只能處理基本、常規(guī)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計任務(wù)，對于特殊需求可能無法滿足，無法自動生成滿足關(guān)系數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論的、結(jié)構(gòu)良好的關(guān)系數(shù)據(jù)庫。另外，數(shù)據(jù)庫設(shè)計是一項復(fù)雜的工程，目前還沒有自動化工具可生成可供多個軟件共同使用的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫。6.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述6.1.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計分類1．單個軟件使用的數(shù)據(jù)庫面向單個軟件的數(shù)據(jù)管理需求，數(shù)據(jù)需求相對統(tǒng)一?！鞍痹谑褂盟能浖校溥\行維護與軟件的運行維護同步。若在運行維護過程中，軟件的需求發(fā)生變化，數(shù)據(jù)庫有可能需要改變模式以適應(yīng)變化的數(shù)據(jù)管理需求。若軟件退役，數(shù)據(jù)庫也就終止運行了。數(shù)據(jù)庫設(shè)計時，一般需要從軟件的需求分析中抽取數(shù)據(jù)需求，依據(jù)數(shù)據(jù)需求進行數(shù)據(jù)庫設(shè)計。也有少數(shù)情況下，由于軟件改版等原因，可以在已有數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，依據(jù)新的需求進行調(diào)整改造。此類數(shù)據(jù)庫設(shè)計側(cè)重于滿足軟件數(shù)據(jù)管理需求及數(shù)據(jù)庫的規(guī)范性。6.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述6.1.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計分類2．多個應(yīng)用程序共享的數(shù)據(jù)庫一般是面向企事業(yè)單位的多方面的數(shù)據(jù)管理需求，數(shù)據(jù)需求在各部門之間往往存在分歧甚至矛盾。它一般長期運行，數(shù)據(jù)庫模式幾乎不變，不會因為個別軟件的需求改變而修改。數(shù)據(jù)庫運行過程中不斷會有舊的軟件退役、有新的軟件投入使用，因此，它需要一些設(shè)計余量，以滿足未來一段時間內(nèi)應(yīng)用可能會產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需求?？赡苌婕岸囝愋蛿?shù)據(jù)的管理，可能有些會超出關(guān)系數(shù)據(jù)庫范圍，例如視頻、圖像、音頻、地圖、CAD文件、表格等多種類型數(shù)據(jù)。因此，需要以大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)中心建設(shè)的思想開展工作。數(shù)據(jù)庫設(shè)計復(fù)雜，首先需要明確當(dāng)前需要使用數(shù)據(jù)庫的每個軟件的數(shù)據(jù)管理需求。但在此基礎(chǔ)上，還需要花較多精力協(xié)調(diào)多個應(yīng)用的數(shù)據(jù)定義中屬性、實體、聯(lián)系等多種沖突。供多個應(yīng)用程序共享的數(shù)據(jù)庫的設(shè)計一般是在已有多個數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上進行，也有少量開始于有多個軟件的明確的數(shù)據(jù)需求時。6.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述6.1.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計步驟需求分析：數(shù)據(jù)庫設(shè)計的起點。需要分析用戶的數(shù)據(jù)需求，明確需要數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的功能。該步驟需要數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員與用戶合作來實現(xiàn)。2.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計將需求分析轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫概念模型的過程。3.邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計將設(shè)計好的概念模型轉(zhuǎn)化為與某個特定數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)支持的數(shù)據(jù)模型所對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，并對其進行優(yōu)化。4.物理結(jié)構(gòu)設(shè)計為已經(jīng)確定的邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)選取一個適合應(yīng)用環(huán)境的物理結(jié)構(gòu)5.數(shù)據(jù)庫實施與維護建立數(shù)據(jù)庫、編制與調(diào)試應(yīng)用程序、組織數(shù)據(jù)入庫進行試運行。維護階段的任務(wù)是對數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)存和恢復(fù)，維護數(shù)據(jù)庫的安全性與完整性。本章目錄6.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述6.2需求分析6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.4數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計6.5數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計6.6數(shù)據(jù)庫實施與維護6.2需求分析6.2.1需求分析任務(wù)和方法6.2.2需求分析的實例6.2需求分析6.2.1需求分析任務(wù)和方法需求分析是設(shè)計數(shù)據(jù)庫的第一步，也是設(shè)計數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)，會影響到后面數(shù)據(jù)庫設(shè)計的質(zhì)量。任務(wù)方法明確用戶對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求，收集支持系統(tǒng)目標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及其數(shù)據(jù)處理方法。是軟件需求分析的一部分，需要詳細(xì)分析業(yè)務(wù)對象的組織結(jié)構(gòu)、用戶的業(yè)務(wù)過程、每個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)上需要軟件提供的功能及可能的擴充和改變。6.2需求分析6.2.1需求分析任務(wù)和方法需求分析調(diào)查的內(nèi)容(1)數(shù)據(jù)存儲需求。明確數(shù)據(jù)庫中所有數(shù)據(jù)，例如輸入、輸出、存儲數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)間的聯(lián)系及約束。(2)數(shù)據(jù)處理需求。明確用戶需要完成的數(shù)據(jù)處理功能，包括數(shù)據(jù)處理的方式、數(shù)據(jù)處理的優(yōu)先級、數(shù)據(jù)處理發(fā)生的頻度、操作的執(zhí)行頻率和場合、數(shù)據(jù)量大小、數(shù)據(jù)處理響應(yīng)速度等。(3)數(shù)據(jù)信息安全性和完整性要求。包括數(shù)據(jù)處理的安全保密要求、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)視圖的訪問權(quán)限、數(shù)據(jù)庫的安全認(rèn)證機制、數(shù)據(jù)的完整性約束條件等，以確保數(shù)據(jù)安全，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)泄露、篡改和濫用狀況。另外明確數(shù)據(jù)的完整性要求，可利用各種技術(shù)手段保障數(shù)據(jù)的正確性、一致性。6.2需求分析6.2.1需求分析任務(wù)和方法需求分析調(diào)查的步驟：(1)調(diào)查組織機構(gòu)。為了分析數(shù)據(jù)的流向，需要了解用戶所屬企業(yè)的規(guī)模、組織架構(gòu)等。比如用戶所屬的組織機構(gòu)各部門的規(guī)模和職責(zé)、各部門之間的聯(lián)系、需要使用待開發(fā)系統(tǒng)的用戶類型及各類用戶的業(yè)務(wù)和操作權(quán)限等信息。(2)熟悉業(yè)務(wù)活動。對各個部門的業(yè)務(wù)情況進行了解，主要了解各部門的數(shù)據(jù)使用的情況，例如，各部門輸入輸出數(shù)據(jù)的內(nèi)容與格式，各部門的數(shù)據(jù)操作處理等。(3)明確數(shù)據(jù)要求。在熟悉用戶所屬企業(yè)的情況和業(yè)務(wù)內(nèi)容后，需要明確用戶對數(shù)據(jù)庫設(shè)計所必須滿足的要求。包括數(shù)據(jù)內(nèi)容要求、功能處理要求、數(shù)據(jù)信息安全性與完整性要求等。(4)確定數(shù)據(jù)庫功能。在以上調(diào)查結(jié)果的基礎(chǔ)上分析，確定數(shù)據(jù)庫的管理邊界，即具體數(shù)據(jù)的管理功能、數(shù)據(jù)來源及接口等。6.2需求分析6.2.1需求分析任務(wù)和方法需求分析調(diào)查的步驟：數(shù)據(jù)需求分析報告數(shù)據(jù)需求分析報告內(nèi)容包括：系統(tǒng)概括、數(shù)據(jù)需求分析技術(shù)、數(shù)據(jù)字典、數(shù)據(jù)流圖等。在數(shù)據(jù)需求分析報告撰寫之后，需要組織設(shè)計方和用戶方進行需求確認(rèn)和評審，重點檢查數(shù)據(jù)需求分析報告是否完全、準(zhǔn)確、無歧義地描述了用戶的每一項數(shù)據(jù)需求。若需求確認(rèn)和評審有問題，重復(fù)上述步驟修正數(shù)據(jù)需求成果，直至雙方一致認(rèn)可，得到正式數(shù)據(jù)需求分析報告，可才進入下一階段工作。數(shù)據(jù)需求分析報告可以是獨立的報告，也可以是軟件需求規(guī)格說明書的重要組成部分。6.2需求分析6.2.1需求分析任務(wù)和方法需求分析調(diào)查的步驟：6.2需求分析6.2.1需求分析任務(wù)和方法調(diào)查用戶需求的方法：(1)專家訪談與集體會議?？梢酝ㄟ^對業(yè)務(wù)熟練的專家用戶進行一對一的訪談，請他們對業(yè)務(wù)情況進行詳細(xì)說明，以便數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員對業(yè)務(wù)需求有進一步的了解；也可以組織一場需求調(diào)查會議，讓各個部門業(yè)務(wù)人員聚集在一起，談本部門的工作業(yè)務(wù)，從而提煉出涉及到的數(shù)據(jù)及處理需求。在會議和訪談之前，設(shè)計人員也可以提前準(zhǔn)備對需求的問題，使設(shè)計人員對需求細(xì)節(jié)有更深的理解和認(rèn)識。(2)觀察工作流程。可以選擇典型業(yè)務(wù)對用戶工作流程跟班作業(yè)，目的是對相關(guān)工作部門的業(yè)務(wù)活動、組成情況、工作職能、使用或處理的數(shù)據(jù)情況進行熟悉了解。(3)使用調(diào)查問卷來確定需求。根據(jù)用戶業(yè)務(wù)活動需求的差異，設(shè)計數(shù)據(jù)需求問題，例如，數(shù)據(jù)處理方式、是否有涉密數(shù)據(jù)等。將這份調(diào)查表發(fā)給相關(guān)業(yè)務(wù)活動的用戶，以便了解各部門用戶的需求情況。(4)查閱業(yè)務(wù)資料。查閱與業(yè)務(wù)流程相關(guān)的單據(jù)、報告、工作記錄等資料。6.2需求分析6.2.1需求分析任務(wù)和方法需求分析的方法：結(jié)構(gòu)化分析方法（StructureAnalysis,SA）數(shù)據(jù)流圖（DataFlowDiagram,DFD）數(shù)據(jù)字典（DataDictionary,DD）方法面向?qū)ο蠓治龇椒ǎ∣bject-orientAnalysis,OA）......6.2需求分析6.2.2需求分析實例1.軟件需求描述軟件需求規(guī)格說明書是一份嚴(yán)謹(jǐn)復(fù)雜的文檔且具有一定的法律效力。例如對大學(xué)教學(xué)活動來講，用戶角色至少包括教務(wù)員、教師、學(xué)生三類。教務(wù)員的工作：下達教學(xué)任務(wù)、排課、查看全學(xué)院教學(xué)任務(wù)、查看選課學(xué)生列表、查看開課教師列表等。教師的工作：查看教學(xué)任務(wù)、查看課表、打印點名冊、錄入學(xué)生成績、打印成績單等。其中打印成績單包括打印教學(xué)班成績單、打印班級成績單、打印試卷分析等三種不同的打印任務(wù)。對班級成績單和教學(xué)班成績單，可打印歷史成績單，也可打歷史課表。學(xué)生的工作：選課、查看課表、查看選修成績、查看總成績單（入學(xué)以來所有選修課程及成績）等。6.2.2需求分析實例圖6-3教務(wù)管理系統(tǒng)的USECASE總圖6.2.2需求分析實例圖6-4課表樣例6.2需求分析6.2.2需求分析實例2.數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)字典是軟件需求規(guī)格說明書或數(shù)據(jù)需求說明書的重要組成部分，用于定義、描述整個軟件所使用數(shù)據(jù)元素。對每個數(shù)據(jù)，描述其名稱、結(jié)構(gòu)組成、存儲、處理邏輯等內(nèi)容。其最小描述單位是數(shù)據(jù)項，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)項組成。本實例數(shù)據(jù)字典內(nèi)容：學(xué)院、教師、學(xué)生、課程、教學(xué)任務(wù)、選課（學(xué)生選課）、選修成績列表、總成績單、點名冊、成績單（包括教學(xué)班成績單、班級成績單、試卷分析3類）、全學(xué)院教學(xué)任務(wù)、選課學(xué)生列表、開課教師列表等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)較多時，一般會對數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)項進行編號，方便描述。6.2需求分析6.2.2需求分析實例2.數(shù)據(jù)字典圖6-4-課表是一項數(shù)據(jù)：課表=學(xué)年+學(xué)期+姓名+角色+上課時間（包括周幾、第幾節(jié)課）+課程名稱+上課周范圍+上課地點學(xué)年：年號，整數(shù)，范圍1950-3000學(xué)期：兩個取值：春、秋姓名：由漢字、字母、數(shù)字組成的字符串，長度50角色：兩個取值：教師、學(xué)生上課時間：取值包括周幾、第幾節(jié)課，周取值包括星期一到星期日共7個，第幾節(jié)課取值包括：第1-2節(jié)至第11-13節(jié)共6個。具體上課下課時間可參看學(xué)校校歷。課程名稱：由漢字、字母、數(shù)字組成的字符串，長度50上課周范圍:示例中“1-12周”指第1-12周，“5-12周”指第5-12周。具體第幾周是哪一天可查看學(xué)校校歷。上課地點：由教學(xué)樓、教室號組成。例如“教3-304”中教3是教學(xué)樓，304是房間號。本章目錄6.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述6.2需求分析6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.4數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計6.5數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計6.6數(shù)據(jù)庫實施與維護6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.1概念模型及其結(jié)構(gòu)6.3.2數(shù)據(jù)抽象6.3.3E-R模型6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.1概念模型及其結(jié)構(gòu)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計是將用戶需求抽象為信息世界概念模型的過程。概念模型是從數(shù)據(jù)的應(yīng)用語義的角度來抽取模型，并按用戶的觀點對數(shù)據(jù)和信息進行建模，是現(xiàn)實世界到信息世界的中間層次，是數(shù)據(jù)庫設(shè)計階段的關(guān)鍵所在。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.1概念模型及其結(jié)構(gòu)1．概念結(jié)構(gòu)主要特點數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計的關(guān)鍵，是各種數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)。概念結(jié)構(gòu)通過對用戶需求進行綜合，歸納與抽象，設(shè)計合適的概念模型（例如，E-R圖）。該模型具有以下特點：(1)概念模型不僅要滿足用戶對數(shù)據(jù)的具體處理要求，還要保證能夠真實、全面、充分的反映現(xiàn)實世界中事物與事物之間的聯(lián)系。概念模型是反映現(xiàn)實世界的模型。(2)概念模型是易于用戶理解的，確保能夠讓每一個用戶都能夠參與數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。(3)概念模型要求易于修改擴充。(4)概念模型要易于轉(zhuǎn)換邏輯結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)模型。概念模型最終要向關(guān)系、網(wǎng)狀、層次等各種數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換。在設(shè)計概念模型時需要注意，能夠方便快捷進行特定的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.1概念模型及其結(jié)構(gòu)2．概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法與步驟設(shè)計概念結(jié)構(gòu)通常包括四種方法：自頂向下的設(shè)計方法、自底向上的設(shè)計方法、逐步擴張的設(shè)計方法、混合策略設(shè)計的方法等。(1)自頂向下的設(shè)計方法。要求根據(jù)具體需求定義全局概念結(jié)構(gòu)的框架，逐步細(xì)化為不同的子概念，最后形成完整的全局概念結(jié)構(gòu)，該方法是最常用的設(shè)計方法，如圖6-5所示。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.1概念模型及其結(jié)構(gòu)2．概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法與步驟(2)自底向上的設(shè)計方法。要求根據(jù)不同的子需求定義各局部應(yīng)用的概念結(jié)構(gòu)，集成后形成完整的全局概念結(jié)構(gòu)，如圖6-6所示。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.1概念模型及其結(jié)構(gòu)2．概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法與步驟(3)逐步擴張的設(shè)計方法。要求先定義最重要的核心概念結(jié)構(gòu)，向外擴充，生成其他概念結(jié)構(gòu)，直至完成總體概念結(jié)構(gòu)。(4)混合策略設(shè)計的方法。采用自頂向下與自底向上相結(jié)合的設(shè)計方法。首先用自頂向下策略設(shè)計一個全局概念結(jié)構(gòu)的框架，再引入自底向上策略設(shè)計的各局部概念結(jié)構(gòu)。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.2數(shù)據(jù)抽象概念模型是對現(xiàn)實世界中事物及其相互關(guān)系的一種抽象。抽象就是對實際的人、物、事和概念進行人為的處理，抽取現(xiàn)實世界存在的共同特性，精確描述這些概念，并且不忽略其本質(zhì)的細(xì)節(jié)，最后形成某種模型。通常，數(shù)據(jù)抽象包括分類、聚集和概括3種基本方法。(1)

分類（Classification）。分類是面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法中常用的一種抽象，指定義某一類概念作為現(xiàn)實世界中一組對象的類型，這些對象具有某些共同的特性和行為。分類抽象了對象值和型之間的“成員”的語義。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.2數(shù)據(jù)抽象數(shù)據(jù)抽象包括分類、聚集和概括3種基本方法。(2)聚集（Aggregation）。聚集可簡單理解為定義某一類型的組成部分。它抽象了對象內(nèi)部類型和對象內(nèi)部“組成部分”的語義。在E-R模型中，若干屬性的聚集組成了實體型。例如，學(xué)號（id）、名字（name）、所在學(xué)院（college_name）、專業(yè)（major）、性別（gender）、出生日期（birthday）都可抽象為學(xué)生實體的屬性。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.2數(shù)據(jù)抽象，數(shù)據(jù)抽象包括分類、聚集和概括3種基本方法。(3)概括（Generalization）。概括定義了類型之間的一種子集聯(lián)系。它抽象了類型之間“所屬”的語義。例如，學(xué)生是個實體集，班長、學(xué)習(xí)委員也是實體集，班長、學(xué)習(xí)委員均是學(xué)生的子集?？砂褜W(xué)生稱為超類（Superclass），班長、學(xué)習(xí)委員稱為職工的子類（Subclass）。繼承性指子類繼承超類中定義的所有抽象。子類可以添加某些特殊屬性6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型E-R模型（Entity-Relationshipmodel）是由美籍華裔計算機科學(xué)家陳品山1976年提出來的，也被稱作實體-聯(lián)系模型。E-R模型是概念數(shù)據(jù)模型最常用的數(shù)據(jù)模型或模式圖，是數(shù)據(jù)庫設(shè)計的理論基礎(chǔ)。E-R模型可以使用圖形化的方法表示，稱為E-R圖。E-R圖提供實體型、屬性和聯(lián)系的圖形化的方法，可以形象直觀地表示一個E-R模型。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型1．E-R模型的基本元素E-R模型的基本元素成分是實體、屬性和聯(lián)系。(1)實體（Entity）實體是客觀存在并且可以相互區(qū)別的事物。實體可以是具體的人、事和物，也可以是抽象的概念或聯(lián)系。例如，一個學(xué)生、一場比賽、一個班級、一所學(xué)校等。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型1．E-R模型的基本元素E-R模型的基本元素成分是實體、屬性和聯(lián)系。(1)實體（Entity）由于具有相同屬性的實體擁共同特征和性質(zhì)，因此使用實體名及其屬性集合來抽象和刻畫同類實體，稱之為“實體型”。同一類型的實體構(gòu)成的集合稱為“實體集”。一般將實體、實體型和實體集等三個概念統(tǒng)稱為“實體”。在E-R模型當(dāng)中所提到的實體通常是指實體集。實體實例是實體的具體值。一個實體集應(yīng)該擁有一個以上的實例。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型1．E-R模型的基本元素E-R模型的基本元素成分是實體、屬性和聯(lián)系。(1)實體（Entity）。在E-R圖中，用矩形來表示實體，內(nèi)部寫明實體的名稱（用名詞表示）。為了方便工作人員與用戶之間的交流，需求分析階段通常使用中文表示實體名，在設(shè)計階段再根據(jù)需要轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的英文。英文實體名通常使用首字母大寫，且具有實際意義的英文表示。屬性和聯(lián)系的名稱也采用類似的方法。E-R圖中，用矩形來表示實體女孩男孩學(xué)生人類6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型1．E-R模型的基本元素(2)屬性（Attribute）屬性是指實體或聯(lián)系所具有的性質(zhì)或特征。一般來說，一個實體都是通過許多個屬性來共同描述。“碼”是可以唯一標(biāo)識實體的屬性或?qū)傩越M。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型1．E-R模型的基本元素(2)屬性（Attribute）屬性的取值范圍稱為該屬性的域，也稱為屬性的值域。例如，在學(xué)生實體中的“性別”屬性取值只能為“男”或者“女”。同一個實體集中，不同實體的同一個屬性的屬性域是相同的，但可能取不同的值。為了確認(rèn)某個特別指定的實體，可以通過該實體屬性的一組的特定值來進行確定。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計E-R圖中的屬性可以分為簡單屬性、復(fù)合屬性；單值屬性、多值屬性、派生屬性等。簡單屬性：實體與聯(lián)系的最基本屬性，是不能再進行分割的最小單位；復(fù)合屬性：由多個簡單屬性組成，是能夠再分割為更小部分的屬性；單值屬性：一個屬性只有一個值；多值屬性：一個屬性可能對應(yīng)一組值，用雙線橢圓形表示；派生屬性：由其他屬性計算得出的屬性，使用虛線橢圓形表示。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型1．E-R模型的基本元素(2)屬性（Attribute）一般來說，實體和屬性之間的差異并沒有直截的界限劃分。但是，在現(xiàn)實世界中具體的應(yīng)用環(huán)境對實體和屬性做了自然劃分。實體還是屬性？設(shè)計原則：原則1：現(xiàn)實世界的事物能作為屬性對待的盡量作為屬性對待。原則2：“屬性”不能再具有需要描述的性質(zhì)，“屬性”必須是不可分割的數(shù)據(jù)項，不能包含其他屬性原則3：“屬性”不能與其他實體具有聯(lián)系6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型1．E-R模型的基本元素(3)聯(lián)系（Relationship）不同實體之間的相互關(guān)系。在現(xiàn)實世界中，不同類型的事物之間以及相同類型的事物之間都是有聯(lián)系的。這些現(xiàn)實世界中的聯(lián)系反映在信息世界當(dāng)中就是不同實體集之間以及同一實體集內(nèi)部不同實體之間的聯(lián)系。實體之間聯(lián)系類型的不同會直接導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫不同的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計，并影響到用戶功能的實現(xiàn)。所以區(qū)分聯(lián)系類型是一項非常重要的工作。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型1．E-R模型的基本元素(3)聯(lián)系（Relationship）聯(lián)系的元數(shù)是指和聯(lián)系所關(guān)聯(lián)的實體集的個數(shù)，它由現(xiàn)實中參與聯(lián)系的實體集個數(shù)決定。例如，聯(lián)系通常會有一元聯(lián)系、二元聯(lián)系、和三元聯(lián)系，少數(shù)情況下會存在四元或更多元的聯(lián)系。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型1．E-R模型的基本元素(3)聯(lián)系（Relationship）一元聯(lián)系是一個實體集內(nèi)部一些實體與另一個實體之間的聯(lián)系，例如學(xué)生中有些學(xué)生是班長，他管理他們班的其它學(xué)生，所以學(xué)生實體集中有一個聯(lián)系，聯(lián)系的一方是班長、另一方是班級成員。同樣，課程中有些課程是另外一些課程的先行課程，課程實體集上也有一個一元聯(lián)系，聯(lián)系的一方是課程、另一方是它的選行課程。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型1．E-R模型的基本元素(3)聯(lián)系（Relationship）二元聯(lián)系是兩個實體集之間的聯(lián)系，例如學(xué)院和學(xué)生之間有從屬聯(lián)系，一個學(xué)院有多個學(xué)生，而每個學(xué)生僅屬于一個學(xué)院。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型1．E-R模型的基本元素(3)聯(lián)系（Relationship）三元聯(lián)系是有三個實體集參與的聯(lián)系，例如學(xué)生、教師和課程之間有一個選修聯(lián)系，學(xué)生選修一門課程，就意味著他選修由某教師教授這一門課程，教師講授一門課，其受眾一定是學(xué)生，而課程開出一定是某位教師講授、一些學(xué)生來學(xué)習(xí)才能成立的。因此，教師、學(xué)生、課程之間存在一個叫作選修的三元的聯(lián)系。圖6-10學(xué)院、學(xué)生、課程、教師之間的聯(lián)系6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型1．E-R模型的基本元素二元聯(lián)系的類型：①一對一聯(lián)系（1:1）：如果對于實體集A中的每一個實體，實體集B中至多有1個實體與之聯(lián)系，反之亦然，則稱A與B具有一對一聯(lián)系，記為1∶1例如，學(xué)院和院長之間是一對一的聯(lián)系。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型1．E-R模型的基本元素二元聯(lián)系的類型：②一對多聯(lián)系（1:n）：如果對于實體集A中的每一個實體，實體集B中有n個實體（n≥0）與之聯(lián)系，反之，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中至多只有一個實體與之聯(lián)系，則稱實體集A與實體集B有一對多聯(lián)系，記為1:n。例如，一個學(xué)院有多名學(xué)生、而一個學(xué)生在一個時刻只能屬于一個學(xué)院，因此，學(xué)院和學(xué)生之間是一對多的聯(lián)系，其中學(xué)院是1方，學(xué)生是多方。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型1．E-R模型的基本元素二元聯(lián)系的類型：③多對多聯(lián)系（m:n）：如果對于實體集A中的每一個實體，實體集B中有n個實體（n≥0）與之聯(lián)系，反之，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中也有m個實體（m≥0）與之聯(lián)系，則稱實體集A與實體集B具有多對多聯(lián)系，記為m:n。例如，若只考慮學(xué)生和課程之間的聯(lián)系，則它是一個二元多對多的聯(lián)系，因為一名學(xué)生可以選修多門課程，一門課程也可以被多個學(xué)生所選修。圖6-11二元聯(lián)系的類型6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型1．E-R模型的基本元素(3)聯(lián)系（Relationship）聯(lián)系也可以用屬性描述。例如學(xué)生屬于學(xué)院，可添加起始時間、終止時間，選修可以添加選修學(xué)年、選修學(xué)期、上課教室等屬性來更加詳細(xì)地描述。與實體的碼類似，一般也有可以唯一標(biāo)識一個聯(lián)系的屬性或?qū)傩越M，稱為聯(lián)系的碼。聯(lián)系的碼是參與聯(lián)系的各實體碼的集合的子集。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型2．E-R圖的設(shè)計步驟：(1)分E-R圖設(shè)計(2)E-R圖的集成(3)修改和重構(gòu)6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型2．E-R圖的設(shè)計(1)分E-R圖設(shè)計根據(jù)某個系統(tǒng)的具體情況，將系統(tǒng)分解為若干個局部應(yīng)用。對每個局部應(yīng)用，在多層數(shù)據(jù)流圖中選擇一個中層數(shù)據(jù)流圖，作為設(shè)計分E-R圖的出發(fā)點。根據(jù)局部應(yīng)用的數(shù)據(jù)流程圖中標(biāo)定的實體集、屬性和主碼，并結(jié)合數(shù)據(jù)字典中的相關(guān)描述內(nèi)容，確定E-R圖中的實體、實體之間的聯(lián)系。6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型2．E-R圖的設(shè)計(1)E-R圖的集成分一次集成和逐步集成兩種方式。主要是消除沖突的操作，來解決各分E-R圖之間的沖突問題。主要的沖突分屬性沖突、命名沖突和結(jié)構(gòu)沖突三類屬性沖突：

身高：180cm1.8m,年齡與生日等

命名沖突：同名異意：課程所屬學(xué)院---學(xué)生所屬學(xué)院

；異名同意：生日---出生日期

結(jié)構(gòu)沖突：

某個分ER中的實體是另一個分ER中的屬性，

某個分ER中的實體是另一個分ER中的聯(lián)系。姓名---姓、中間名、名6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.3.3E-R模型2．E-R圖的設(shè)計(3)修改和重構(gòu)消除冗余數(shù)據(jù)和冗余實體間聯(lián)系。方法：（1）分析法消除冗余數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)字典和數(shù)據(jù)流圖為依據(jù)，按照數(shù)據(jù)字典中關(guān)于數(shù)據(jù)項之間邏輯關(guān)系的說明來消除冗余。（2）關(guān)系規(guī)范化理論來消除冗余聯(lián)系。對每個局部應(yīng)用，在多層數(shù)據(jù)流圖中選擇一個中層數(shù)據(jù)流圖，作為設(shè)計分E-R圖的出發(fā)點?！纠?-1】某高校教學(xué)管理系統(tǒng)的E-R圖例【6-2】畫出某高校學(xué)生管理的E-R圖。圖6-14

學(xué)生學(xué)籍管理子系統(tǒng)局部E-R圖圖6-15

教學(xué)管理子系統(tǒng)局部E-R圖圖6-16初步E-R圖圖6-17

全局E-R圖對開課的不同理解本章目錄6.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述6.2需求分析6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.4數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計6.5數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計6.6數(shù)據(jù)庫實施與維護6.4數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計6.4.1E-R模型向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換6.4.2關(guān)系模型的優(yōu)化6.4.3數(shù)據(jù)庫的外模式設(shè)計6.4數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計6.4.1E-R模型向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換原則：(1)

一個實體轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。實體屬性就是關(guān)系屬性，標(biāo)識符即為關(guān)系模式的碼。(2)

兩個實體間1:1聯(lián)系，則可以在兩個實體轉(zhuǎn)換成的兩個關(guān)系模式中任意一個關(guān)系模式屬性中加入另一個關(guān)系模式的碼和聯(lián)系類型屬性。圖6-19班級與班長的概念模式關(guān)系模式：班級(班級號，人數(shù)，班長學(xué)號)班長(學(xué)號，姓名，聯(lián)系電話)或班級(班級號，人數(shù))班長(學(xué)號，姓名，聯(lián)系電話，班級號)6.4數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計6.4.1E-R模型向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換原則：(3)兩個實體間1:n聯(lián)系，則在n端實體轉(zhuǎn)換成關(guān)系模式中加入1端實體的碼和聯(lián)系類型屬性。關(guān)系模式:學(xué)院(學(xué)院編號，學(xué)院名稱，聯(lián)系電話，地址)學(xué)生(學(xué)號，姓名，生日，性別，專業(yè)，學(xué)院編號)6.4數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計6.4.1E-R模型向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換原則：(4)一個實體間m:n聯(lián)系，則將聯(lián)系類型也轉(zhuǎn)換成關(guān)系模式，其屬性為兩端實體的碼加上聯(lián)系類型屬性，而鍵為兩端實體的碼的組合。關(guān)系模式:教師(工號，姓名，專業(yè)，性別，生日，職稱)學(xué)生（學(xué)號，姓名，生日，性別，專業(yè)）授課（工號，學(xué)號，學(xué)年，學(xué)期，課程編號、課程名稱）6.4數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計6.4.2關(guān)系模型的優(yōu)化基于規(guī)范化理論的關(guān)系模型優(yōu)化方法：(1)確定數(shù)據(jù)依賴。按需求分析階段所得到的語義，分別寫出每個關(guān)系模式內(nèi)部各屬性之間的數(shù)據(jù)依賴以及不同關(guān)系模式屬性之間的數(shù)據(jù)依賴。(2)對于各個關(guān)系模式之間數(shù)據(jù)依賴進行極小化處理，消除冗余聯(lián)系。(3)按照數(shù)據(jù)依賴?yán)碚搶﹃P(guān)系模式逐一進行分析，考察是否存在部分函數(shù)依賴、傳遞函數(shù)依賴、多值依賴等，確定各關(guān)系模式分別屬于第幾范式。(4)按照需求分析階段得到的處理要求，分析這些模式對于應(yīng)用環(huán)境是否合適，確定是否需要對某些模式進行分解。對關(guān)系模式進行必要分解，提高數(shù)據(jù)操作效率和存儲空間利用率6.4數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計6.4.2關(guān)系模型的優(yōu)化例6-3College(college_name,college_telephone,college_address,college_desc)Course(course_id,title,college_name,credits,hours)Instructor(ID,name,college_name,gender,birthday,title)Student(ID,name,college_name,major,gender,birthday)Section(course_id,sec_id,semester,year,building,room_number,time_slot_id)Classroom(building,room_number,capacity,classroom_type)Timeslot(time_slot_id,start_week,end_week,day,start_hr,start_min,end_hr,end_min)takes(

ID,course_id,sec_id,semester,year,grade)teaches(

ID,course_id,sec_id,semester,year)prereq(

course_id,prereq_id)6.4數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計6.4.2關(guān)系模型的優(yōu)化【例6-4】請給出例6-2中E-R模型的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計College(college_id,college_name,college_telephone,college_address)Class(class_id,class_name,instructor_id)Student(student_id,name,class_id,major,gender,birthday)Course(course_id,course_name,college_id,credits)Instructor(instructor_id,name,major,gender,birthday,title,phone,college_id)teaches(instructor_id,course_id,semester,year)takes(student_id,course_id,grade)prereq(

course_id,prereq_id)6.4數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計6.4.2關(guān)系模型的優(yōu)化【例6-4】請給出例6-2中E-R模型的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計College(college_id,college_name,college_telephone,college_address)Class(class_id,class_name,instructor_id)Student(student_id,name,class_id,major,gender,birthday)Course(course_id,course_name,college_id,credits)Instructor(instructor_id,name,major,gender,birthday,title,phone,college_id)teaches(instructor_id,course_id,semester,year)takes(student_id,course_id,grade)prereq(

course_id,prereq_id)6.4數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計6.4.3數(shù)據(jù)庫的外模式設(shè)計數(shù)據(jù)庫的外模式，即用戶子模式。關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中提供的視圖是根據(jù)用戶子模式設(shè)計的。這一階段任務(wù)是根據(jù)系統(tǒng)需求，設(shè)計相應(yīng)用戶視圖。設(shè)計用戶視圖時，只考慮用戶對數(shù)據(jù)的使用要求、習(xí)慣及安全性要求，不用考慮系統(tǒng)的時間效率、空間效率和維護等問題。設(shè)計中盡量使用符合用戶習(xí)慣的別名，對不同權(quán)限用戶設(shè)計不同視圖，以保證系統(tǒng)安全。除此之外，將應(yīng)用系統(tǒng)中經(jīng)常使用的一些復(fù)雜查詢設(shè)計成視圖，方便用戶使用。6.4數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計6.4.3數(shù)據(jù)庫的外模式設(shè)計【例6-5】創(chuàng)建視圖顯示當(dāng)前學(xué)期所有學(xué)生選修的課程及成績。CREATEVIEWcurrent_transcriptAS

SELECTstudent.id,name,takes.course_id,title,takes.semester,takes.year,gradeFROM(studentnaturaljointakes)JOINcourseONtakes.course_id=course.course_idWHEREyear=YEAR(CURRENT_DATE)andsemester=IF(MONTH(CURRENT_DATE)>2ANDMONTH(CURRENT_DATE)<9,'Spring','Fall')ORDERBYstudent.id,takes.course_id;CREATEVIEWview_testASSELECTID,name,majorFROMstudent;本章目錄6.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述6.2需求分析6.3數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計6.4數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計6.5數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計6.6數(shù)據(jù)庫實施與維護6.5數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計6.5.1物理結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容6.5.2評價物理結(jié)構(gòu)6.5數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計6.5.1物理結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容1．關(guān)系模式存取方法的選擇確定關(guān)系模式的存取方法即建立存取路徑。數(shù)據(jù)庫是多用戶共享的系統(tǒng)，對同一關(guān)系要建立多條存取路徑才能滿足多用戶的多種應(yīng)用要求。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)常用存取方法有B+樹索引存取方法、Hash索引存取方法和聚簇存取方法。(1)

B+樹索引存取方法(2)

Hash索引存取方法的選擇(3)

聚簇存取方法的選擇6.5數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計6.5.1物理結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容2.設(shè)計數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)需要考慮存取時間、