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数据库设计基础 周雪敏 shafa0899_ 数据库设计基础 本章内容 v4.1 数据库的基本概念 v4.2 数据模型 v4.3 关系代数 v4.4 数据库设计与管理 4.1 数据库系统的基本概念 v1.数据(data)：实际上就是描述事物的符号 记录。 数据的特点：有一定的结构，有型与值 之分，如整型、实型、字符型等。而数据的 值给出了符合定型的值，如整型值15。 v2.数据库(db)：是数据的集合，具有统一的 结构形式并存放于统一的存储介质内，是多 种应用数据的集成，并可被各个应用程序共 享。 数据库存放数据是按数据所提供的数据 模式存放的，具有集成与共享的特点。 概念概念 对象指具体事物。 对象属性标识对象性质、特征和行为。 事件由对象识别和响应的某些操作，是一些 特定的预定义活动，可由用户或系统启动。 对象方法指对象可执行的动作。 类是对一种对象的归纳和抽象。 子类是以其他类定义为起点而某一对象所建立的新类。 封装是用于说明包含和隐藏对象信息的 4.1 数据库系统的基本概念 3、数据库管理系统(dbms)：一种系统软件，负 责数据库中的数据组织、数据操纵、数据维护 、控制及保护和数据服务等，是数据库系统的 核心。 数据库管理系统功能： （1）数据模式定义： （2）数据存取的物理构建： （3）数据操纵： （4）数据的完整性、安生性定义与检查； （5）数据库的并发控制与故障恢复； （6）数据的服务： 4.1 数据库系统的基本概念 v数据库管理系统提供以下的数据语言： （1）数据定义语言： （2）数据操纵语言： （3）数据控制语言： v数据语言使用的两种方式： 交互式命令(又称自含型或自主型语言)、 宿主型语言（嵌入某些宿主语言中）。 v目前流行的dbms均为关系数据库系统，比如 oracle、sybase的powerbuilder及ibm的db2、微 软的sqlserver等，它们均为严格意义上的dbms系 统。 v另外一些小型数据库管理系统，如：visual foxpro及access等，不是严格意义上的dbms. 4.1 数据库系统的基本概念 4.数据库管理员(dba)：对数据库 进行规划、设计、维护、监视等 的专业管理人员。 5.数据库系统(dbs)：由数据库（ 数据）、数据库管理系统（软件 ）、数据库管理员（人员）、硬 件平台（硬件）、软件平台（软 件）五个部分构成的运行实体 ,dbms是核心。 6、数据库应用系统：由数据库系 统(dbms)、应用软件及应用界面 三者组成。 4.1 数据库的基本概念 7.数据管理的发展:人工管理阶段（40-50年代）;文件系统阶 段（50-60年代）;数据库系统阶段（60年代末-现在） 4.1 数据库的基本概念 v8.数据库系统的发展 v文件系统阶段 v层次数据库与网状数据库系统阶段 v关系数据库系统阶段 4.1 数据库的基本概念 v9.数据库系统的基本特点(标记p89) 数据的集成性 数据的高共享性与低冗余性(数据不一致性) 数据独立性（物理独立性与逻辑独立性） 数据统一管理与控制(完整性/安全性/并发控制 ) 4.1 数据库的基本概念 v10.数据库系统的三级模式(p90图4.3) （1）概念模式：数据库系统中全局数据逻 辑结构的描述，全体用户公共数据视图； （2）外模式：也称子模式与用户模式。是 用户的数据视图，也就是用户所见到的数据 模式； （3）内模式：又称物理模式，它给出了数 据库物理存储结构与物理存取方法。(索引 等) v数据库系统的两级映射： （1）概念模式到内模式的映射；(物理独立 ) （2）外模式到概念模式的映射。(逻辑独立 ) 三 级 模 型 、 两 种 映 射 关 系 图 局部到 整体 逻辑到 物理 4.2 数据模型 1、数据模型的基本概念 是数据特征的抽象，从抽象层次上描述了 系统的静态特征、动态行为和约束条件 ，为数据库系统的信息表与操作提供一 个抽象的框架。描述了数据结构、数据 操作及数据约束。 数据模型根据应用层次分为：概念模型（e-r模型）、逻辑 模型（层次、网状、关系等）、物理模型 4.2 数据模型 2、实体联系模型（e-r模型图） e-r模型是概念模型。 e-r模型的三个要素： 实体：现实世界中的事物。 在e-r图中用矩形框表 示。 属性：事物的特性； 在e-r图中用椭圆表示。 联系：现实世界中事物间的关系。在e-r图中用菱形 框表示。联系类型有3种：1对1，1对多，多对多。 实体名属性名 联系名 4.2 数据模型 ve-r模型三个基本概念之间的联接关系： 实体是概念世界中的基本单位， 属性有属性域，每个实体可取属性域内的值。一 个实体的所有属性值叫元组。 (1)实体与属性的联接表示； (2)实体与联系的联接表示。 见书93-95图 studentcouress#snsa 实体 属性 sc 联系 实例：（学生、课程） 4.2 数据模型 3、基本逻辑模型有三种： 1）层次模型：层次模型的基本结构是树形结构，具 有以下特点： 每棵树有且仅有一个无双亲结点，称为根； 树中除根外所有结点有且仅有一个双亲。 2）网状模型：从图论上看，网状模型是一个不加任 何条件限制的无向图。 3）关系模型：关系模型采用二维表来表示，简称表 ，由表框架（关系模式）及表的元组组成。满足一 定条件的二维表就是一个关系。 实例：层次模型 简化 实例：网状模型 实例：关系模型 4.2 数据模型 v4、关系的七条基本性质（了解） 元组有限性、唯一性、次序无关性、分量 原子性、属性名唯一性、属性次序无关性、值域 同一性。 v5、在二维表中凡能唯一标识元组的最小属性称为 键或码。从所有侯选健中选取一个作为用户使用 的键称主键。表a中的某属性是某表b的键，则称 该属性集为a的外键或外码。 v6、主键不允许出现空值。 4.2 数据模型 7、关系操纵 包括：插入、查询、更新和删除数据（增查改删） 。 8、关系中的数据约束： （1）实体完整性约束：约束关系的主键中属性值不能为空 值； （2）参照完全性约束：是关系之间的基本约束，外键必须 存在于另一个关系中； （3）用户定义的完整性约束：它反映了具体应用中数据的 语义要求。（例如：在学生表中年龄不能出现小于0的 情况） 4.3 关系代数 v关系数据库系统的特点之一是它建立在数据理论 的基础之上，有很多数据理论可以表示关系模型 的数据操作，其中最为著名的是关系代数与关系 演算。 v关系模型的基本运算： （增查改删） （1）插入 （2）删除 (3)修改 （4）查询（包括投影、选 择、笛卡尔积运算） 关系模型的扩充运算：并交差、连接 对相 关域 的列 的操 作 满足 条件 的元 组 系部编 号 姓名性别 1王彬男 2李珊女 3张扬张扬女 关系r 系部编 号 课程成绩 1c195 2b380 1c290 关系s 1、对关系r中系部编号、姓名两 列做投影：系部编号,姓名 (r) 2、选择出关系s中系部编号 系部编号=1的元组：系部编 号=1(s) 系部编 号 姓名 1王彬 2李珊 3张扬张扬 系部编 号 课程成绩 1c195 1c290 查 询 实 例 3、关系r和s的笛卡儿积(rs)： 系部编 号 姓名 性别 系部编 号 课程 成绩 1王彬 男1c195 1王彬 男2b380 1王彬 男1c290 2李珊 女1c195 2李珊 女2b380 2李珊 女1c290 3张扬张扬 女1c195 3张扬张扬 女2b380 3张扬张扬 女1c290 查 询 实 例 n+m 元的 关系 ； 元组 个数 pxq 系部编 号 姓名性别 1王彬男 2李珊女 3张扬张扬女 关系r 系部编 号 姓名性别 1王彬男 4李倩女 5张扬张扬女 关系s 4、关系rs5、关系rs 系部 编号 姓名性别 1王彬男 系部编号 姓名性别 1王彬男 2李珊女 3张扬张扬女 4李倩女 5张扬张扬女 关系模型的扩充运算：并交差 系部 编号 姓名性别 1王彬男 2李珊女 3张扬张扬女 关系r 系部 编号 姓名性别 1王彬男 4李倩女 5张扬张扬女 关系s 6、关系r-s7、关系s-r 系部 编号 姓名性别 4李倩女 5张扬张扬女 系部 编号 姓名性别 2李珊女 3张扬张扬女 关系模型的扩充运算：并交差 abcd 1234 7856 7834 1256 1242 关系r cd 34 56 关系s ab 12 78 关系t=rs 是笛卡尔积的逆运算：理解“在被除的关系中找出满足除数关系中的所 有条件的元组”；在实际操作中可用笛卡儿积验算 除法：见书上p101-102 另举例：p101例4.2 连接可分为三种：内连接、外连接和交叉 连接。内连接又分为等值连接、自然连接 和不等值连接三种。外连接分为左外连接 (left outer join或left join)、右外连 接(right outer join或right join)和全 外连接。 自然连接是一种特殊的等值连接，相连接 的表之间存在相同的属性。（见书102） 连接“|” ：见书上p101-103 r ixi s ij =（r x s） ij “=”等值连接 “”小于连接 “”大于连接 r ixi s 自然连接 条件：有相同的域且对相同的域等值连接 实例1连接“|” ：见书上p101-103 实例2连接“|” ：见书上p101-103 条件：有相同的域且相同的域等值连接 4.4 数据库设计与管理 v数据库设计是数据库应用的核心。 v数据库设计的两种方法： v（1）面向数据：以信息需求为主，兼顾处理需求 ； v（2）面向过程：以处理需求为主，兼顾信息需求 。 v数据库的生命周期：需求分析阶段、概念设计阶 段、逻辑设计阶段、物理设计阶段、编码阶段、 测试阶段、运行阶段、进一步修改阶段。 数据库设计四个阶段 需求分析 概念设计 逻辑设计 物理设计 需求说明书 概念数据模 型(e-r模型 ) 逻辑数据模型 (关系模型) 数据库内模式 4.4.2数据库需求分析 v需求分析常用结构析方法和面向对象的方法。结 构化分析（简称sa）方法用自顶向下、逐层分解 的方式分析系统。用数据流图表达数据和处理过 程的关系。对数据库设计来讲，数据字典是进行 详细的数据收集和数据分析所获得的主要结果。 v数据字典是各类数据描述的集合，包括5个部分： 数据项、数据结构、数据流（可以是数据项，也 可以是数据结构）、数据存储、处理过程。p105 4.4.3数据库概念设计 v数据库概念设计的目的是分析数据内在语义 关系。设计的方法有两种 v（1）集中式模式设计法（适用于小型或并 不复杂的单位或部门）； v（2）视图集成设计法。 v设计方法：e-r模型与视图集成。 v视图设计一般有三种设计次序：自顶向下、 由底向上、由内向外。 v视图集成的几种冲突：命名冲突、概念冲突 、域冲突、约束冲突。 v视图集成分两步：消除冲突、消除冗余。 4.4.3数据库概念设计实例1 4.4.3数据库概念设计实例2 4.4.3数据库概念设计实例3 4.4.4 数据库逻辑设计 v数据库的逻辑设计： 1.e-r图向关系模式转换 2.规范化调整 3.关系视图设计：关系视图的设计又称外模式设 计。 关系视图的主要作用： （1）提供数据逻辑独立性； （2）能适应用户对数据的不同需求； （3）有一定数据保密功能。 4.4.4 数据库逻辑设计（实例） 学号姓名选学课程 s001010章子怡语文 s001010章子