数据库原理10-第5章.ppt

管理学院 信息管理系 肖 洁,数据库原理及应用,第5章 数据库设计,本章要点,数据库设计的步骤 实体联系方法 E-R模型的设计 E-R模型向关系模型的转换,一、数据库设计概述,数据库设计是指对于一个给定的应用环境，构造（设 计）优化的数据库逻辑模式和物理结构，并据此建立数据库 及其应用系统，使之能够有效地存储和管理数据，满足各种 用户的应用需求，包括信息管理要求和数据操作要求。 信息管理要求：是指在数据库中应该存储和管理哪些 数据对象。 数据操作要求：是指对数据对象需要进行哪些操作， 如查询、增、删、改、统计等操作。,（一）数据库的设计特点 1、数据库建设的基本规律 “三分技术，七分管理，十二分基础数据” 2、结构（数据）设计和行为（处理）设计相结合,（二）数据库的设计方法 1、新奥尔良（New Orleans）方法 2、基于E-R模型的数据库设计方法 3、3NF（第三范式）的设计方法 4、对象定义语言（ODL）方法,（三）选定参加设计的人员 1、 数据库分析设计人员 数据库设计的核心人员 自始至终参与数据库设计 其水平决定了数据库系统的质量,2、 用户 在数据库设计中也是举足轻重的 主要参加需求分析和数据库的运行维护 用户积极参与带来的好处 加速数据库设计 提高数据库设计的质量,3、程序员 在系统实施阶段参与进来，负责编制程序 4、 操作员 在系统实施阶段参与进来，准备软硬件环境,（四）数据库设计步骤(六个阶段) 1、需求分析阶段 准确了解与分析用户需求（包括数据与处理） 是整个设计过程的基础，是最困难、最耗费时间的一步 2、概念结构设计阶段 是整个数据库设计的关键 通过对用户需求进行综合、归纳与抽象，形成一个独立于具体DBMS的概念模型,3、逻辑结构设计阶段 将概念结构转换为某个DBMS所支持的数据模型 对其进行优化 4、物理结构设计阶段 为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构（包括存储结构和存取方法）。,5、数据库实施阶段 运用DBMS提供的数据语言、工具及宿主语言，根据逻 辑设计和物理设计的结果： 建立数据库 编制与调试应用程序 组织数据入库 并进行试运行 6、数据库运行和维护阶段 数据库应用系统经过试运行后即可投入正式运行。 在数据库系统运行过程中必须不断地对其进行评价、调整与修改。,（五）数据库各级模式的形成过程 1、需求分析阶段 综合各个用户的应用需求 2、概念结构设计阶段 形成独立于机器特点，独立于各个DBMS产品的概念模式 (E-R图) 3、逻辑结构设计阶段 首先将E-R图转换成具体的数据库产品支持的数据模型，如关系模型，形成数据库逻辑模式。 然后根据用户处理的要求、安全性的考虑，在基本表的基础上再建立必要的视图(View)，形成数据库外模式。 4、物理结构设计阶段 根据DBMS特点和处理的需要，进行物理存储安排，建立索引，形成数据库内模式。,1、需求分析的任务 通过详细调查现实世界要处理的对象（组织、部门、企业等），充分了解原系统（手工系统或计算机系统）工作概况，明确用户的各种需求； 在此基础上确定新系统的功能。新系统必须充分考虑今后可能的扩充和改变，不能仅仅按当前应用需求来设计数据库； 需求分析的重点是调查、收集与分析用户在数据管理中的信息要求、处理要求、安全性与完整性要求。,二、需求分析,2、需求分析的方法 调查清楚用户的实际需求并进行初步分析 与用户达成共识 进一步分析与表达这些需求,3、常用的调查方法 跟班作业 通过亲身参加业务工作了解业务活动的情况 能比较准确地理解用户的需求，但比较耗时 开调查会 通过与用户座谈来了解业务活动情况及用户需求 请专人介绍 询问 对某些调查中的问题，可以找专人询问 设计调查表请用户填写 如果调查表设计合理，则很有效，且易于为用户接受 查阅记录 查阅与原系统有关的数据记录,4、分析和表达用户的需求的常用方法 自顶向下的结构化分析方法（Structured Analysis，简称SA方法） SA方法从最上层的系统组织机构入手，采用逐层分解的方式分析系统，并用数据流图和数据字典描述系统。,实例：高校管理信息系统 教学管理子系统 工资及福利管理子系统 教材管理子系统 办公管理子系统,教学管理子系统的信息需求,该子系统主要管理的对象： 学生：包括学号、姓名、性别和年龄等信息。 班级：包括班级号、班级名、人数等信息。 教师：包括教师号、姓名、性别、职称、电话 号码、E-mail地址和家庭住址等信息。 课程：包括课程号、课程名、学分、周学时等 信息。 系：包括系号、系名等信息。 学院：包括学院号、学院名等信息。,教学管理子系统的信息需求,各对象间的联系如下： 每个学生都属于一个班级，而一个班级可以有多个学生。 每个班级属于一个系，一个系可以有多个班级。 每个系属于一个学院，一个学院可以有多个系。 一个教师属于一个系，一个系可以有多个教师。 每个教师可以讲授多门课程，一门课程可以有不同的教师讲授。 每个学生可以修读若干门课程，每门课程可以有多个学生修读。 某个具体的学生参加了某门课程的学习，应该有一个固定的教师。,工资管理子系统的信息需求,该子系统主要管理的对象： 教师：包括教师编号、姓名、性别、工龄、职 称、基本工资、公积金、医疗保险等信息。 课程：包括课程号、课程名、总课时等信息。 职称：包括职称号、职称名、岗位津贴等信息。,工资管理子系统的信息需求,各对象间的联系如下： 每个教师当前被聘任的职称是惟一的，而不同的教师可以被聘同一职称。 每个教师可以讲授多门课程，同一门课程可以有不同的教师讲授，并假设教师在每个学期末都要接受学生的评估，而教师的课时奖金与评教等级有关。,（一）重要性、设计策略及步骤 1、概念结构设计的重要性 2、概念结构设计的策略 自顶向下 自底向上 逐步扩张 混合策略 3、概念结构设计的主要步骤 进行数据抽象，设计局部概念模式 将局部概念模式综合成全局概念模式 评审,三、概念结构设计,现实世界问题,事物及其联系,概念模型,实体及其联系,数据模型,数据及其联系,人脑的认识抽象,转换,现实世界,信息世界,数据世界,1、信息的三个世界,（二）概念模型,2、概念模型的基本概念 （1）实体（Entity） （2）实体集（Entity Set） （3）实体型和实体值 （4）属性（Attribute） 简单属性和复合属性 单值属性和多值属性 NULL属性 派生属性 （5）键（Key） （6）联系（Relationship） 一对一联系 一对多联系 多对多联系,（三）实体-联系方法 E-R图（实体-联系模型）： 1、实体：用带有实体名的矩形框表示。 2、属性：用带有属性名的椭圆形框表示。 3、实体集之间的联系：用带有联系名的菱形框表示。,学生,实体,学号,属性,选修,联系,课程,（a）课程实体集及其属性,课程号,课程名,学分,周学时,键,实体,属性,教师,（b）教师实体集及其属性,教师号,姓名,性别,职称,电话号码,E-mail,家庭住址,城市,区,街道,邮政编码,多值属性,复合属性,(c)学生实体集及其属性,多值属性存在大量冗余及操作异常，必须进行转换。转换的方法可以有两种，一种方法是将多值属性变换成为多个单值属性，如图(d)所示；另一种方法是将多值属性转化成实体进行联系，如图(e)所示。,(d) 多值属性变换成为多个单值属性,(e) 多值属性转化成实体,系主任,系,领导,1,1,学生,班级,属于,n,1,学生,课程,选修,m,n,（f）实体之间的联系,（g）班级和学生实体集之间的一对多联系,学生,学号,姓名,性别,年龄,班级号,班级名,人数,属于,班级,1,n,派生属性,3.10 考试联系的属性,（h）考试联系的属性,（四）E-R模型的设计问题 1、确定实体集和属性 两条原则： 除了复合属性，其他属性都不能具有需要描述的特性。 属性不能与其他实体发生联系。,课程,课程号,课程名,学分,周学时,课程类型,课程,课程号,课程名,学分,周学时,分类,课程类型,类型号,类型名,周数,n,1,2、确定实体集间的联系,课程,课程号,课程名,学分,周学时,教师,教师号,姓名,性别,职称,教授,城市,区,街道,家庭住址,电话,E-mail,邮政编码,时间,教室号,学生,学号,姓名,性别,年龄,m,p,n,课程、教师和学生实体集及其相互间的联系,上课,考试,m,n,成绩,m,n,（五）概念结构设计 任务：将需求分析得到的用户需求抽象为反映用户 观点的概念模型。 1、局部E-R模型的设计,确定局部结 构的范围,定义局部结 构的联系,确定局部结 构的实体,定义局部结 构的属性,还有局部结 构要设计么？,需求分析结果,全局E-R模型的设计,设计局部E-R模型,有,无,教学管理子系统的E-R模型,教师,讲授,学生,m,p,n,上课,m,n,m,n,班级,系,学院,课程,组成,包括,考试,属于,工作,学号,姓名,性别,年龄,教师号,姓名,性别,职称,家庭住址,电话,E-mail,城市,区,街道,邮政编码,课程号,课程名,学分,周学时,系号,系名,班级号,班级名,人数,学院号,学院名,n,1,n,1,n,1,1,n,成绩,时间,教室号,工资管理子系统的E-R模型,教师,聘任,职称,教师编号,公积金,医疗保险,姓名,性别,工龄,基本工资,讲授,课程,课程号,课程名,总课时,时间,评教等级,职称号,职称名,岗位津贴,1,n,n,m,2、全局E-R模型的设计,合并 两个 局部 E-R 模型,检查 并消 除冲 突,还有 冲突吗？,局部E-R模型,逻辑结构设计,无,还有未 合并的局部 E-R模型吗？,检查 并消 除冗 余,还有 冗余吗？,有,无,无,有,有,高校管理系统的全局E-R模型,教师,讲授,学生,m,p,n,上课,m,n,m,n,班级,系,学院,课程,组成,包括,考试,属于,工作,学号,姓名,性别,年龄,教师号,姓名,性别,职称,家庭住址,电话,E-mail,城市,区,街道,邮政编码,课程号,课程名,学分,周学时,系号,系名,班级号,班级名,人数,学院号,学院名,n,1,n,1,n,1,1,n,成绩,时间,教室号,评教等级,职称,职称号,职称名,岗位津贴,聘任,n,1,公积金,医疗保险,工龄,基本工资,（1）检查并消除局部E-R模型间的冲突 属性冲突 属性域冲突 属性取值单位冲突 命名冲突 同名异义 异名同义 结构冲突 同一对象在不同应用中具有不同的抽象 同一实体在不同局部E-R模型中所包含的属性不完全相同，或者属性的排列次序不完全相同。 实体之间的联系在不同局部E-R模型中具有不同的类型。,协商解决,（2）检查并消除冗余数据和冗余联系,可由其他联系导出的联系,可由其他数据导出的数据,E-R模型设计实例,某企业为加强信息化管理，准备设计与开发一个管理信息系统。通过调查分析得出，该管理系统涉及到三个部门的业务：人事处管理职工的基本信息、职称职务信息和所在部门信息；财务处管理职工的工资情况；科研处管理科研项目和职工参加项目的情况。 职工的基本信息主要包括职工的职工号、姓名、性别、年龄等；职称职务信息主要包括代号、名称、津贴、住房面积等； 部门信息主要包括部门号、部门名、电话、负责人等；职工的工资情况主要包括工资号、补贴、保险、基本工资、实发工资等； 科研项目信息主要包括项目号、项目名称、起始日期、鉴定日期等。,根据以上信息需求分析的结果，按照E-R模型 设计的步骤，首先第一步是要确定局部应用范围， 设计局部ER模型。 （1）确定局部应用范围 （2）定义实体集及其属性 （3）确定实体集间的联系集 （4）根据上面的分析，画出局部E-R模型,E-R模型设计实例-步骤1,E-R模型设计实例-步骤1,人事管理子系统的E-R模型,E-R模型设计实例-步骤1,工资管理子系统的E-R模型,E-R模型设计实例-步骤1,项目管理子系统的E-R模型,接下来第二步是要将上面的局部E-R模型合并， 形成全局初步的E-R模型。 （1）确定公共实体类型 （2）局部E-R模型的合并 （3）消除冲突,E-R模型设计实例-步骤2,全局E-R模型,第三步是对全局ER模型进行优化，消除冗余。 通过分析可以得知，职工的实发工资可以通过基本 工资、保险、补贴、纳税等属性计算得出，因此工 资实体的实发工资属性属于派生属性，是冗余数据， 按全局E-R模型的优化原则，应该去掉该属性。但是 在实际应用中，职工的实发工资是工资表中最必不可 少的一项，因此，可保留此冗余数据，以更符合实际 应用需求，提高工作效率。,E-R模型设计实例-步骤3,任务：根据E-R模型和需求分析所产生的文档，并综合考虑所选择的具体DBMS的特点，设计出整个数据库的逻辑结构。,设计 初始 关系 模型,关系模式 的规范化,取出一 关系模式， 并对其 进行评价,关系模型的 反规范化,还有未 被评价的模 式吗？,需求分析文档、全局E-R模型、具体DBMS的特性,有,无,模式 合理吗？,否,是,四、逻辑结构设计,全局E-R模型转换成初始关系模型的规则：,1、一个实体集转换为一个关系模式 关系的属性：实体集的属性。 关系的键：实体集的键。 例： 学生（学号，姓名，性别，年龄） 2、一个1:1联系转换为一个关系模式 关系的属性：与该联系相连的各实体的键以及联系本 身的属性。 关系的键：各实体集的键均可。,3、一个1:n联系转换为一个关系模式 关系的属性：与该联系相连的各实体的键以及联系本 身的属性。 关系的键：n端实体的键。 例： 聘任（教师号，职称号） 4、一个m:n联系转换为一个关系模式 关系的属性：与该联系相连的各实体的键以及联系本 身的属性。 关系的键：各实体键的组合。 例：考试（学号，课程号，成绩）,5、三个或三个以上实体间的一个多元联系转换为一个关系 模式 关系的属性：与该联系相连的各实体的键以及联系 本身的属性 关系的键：各实体键的组合。 例： 上课（教师号，课程号，学号） 6、具有相同键的关系模式可合并 例： 班级（班级号，班级名，人数） 包括（班级号，专业号） 合并后： 班级（班级号，班级名，人数，专业号）,ER模型实例分析 1、人事管理信息系统的ER模型 某电器有限公司设计了一个人事管理信息系统，其中涉及 到职工、部门、岗位、技能、培训课程、奖惩记录等信息。 实体及其属性描述如下： 职工：职工号，姓名，性别，年龄，学历 部门：部门号，部门名称，职能 岗位：岗位编号，岗位名称，岗位等级 技能：技能编号，技能名称，技能等级 奖惩：序号，奖惩标志，项目，奖惩金额 培训课程：课程号，课程名，教材，学时 工资（弱实体）：基本工资，级别工资，养老保险，失业保险，公积金，纳税,人事管理信息系统ER模型,培训课程,职工,技能,选课,考核,部门,岗位,设置,工资,奖惩,享有,接受,属于,聘任,1,1,n,m,奖惩时间,n,m,培训时间,成绩,n,m,地点,级别,考核时间,人数,聘用时间,聘期,ER模型转换成关系模式 （1）实体集转换为关系模式 职工（职工号，姓名，性别，年龄，学历） 部门（部门号，部门名称，职能） 岗位（岗位编号，岗位名称，岗位等级） 技能（技能编号，技能名称，技能等级） 奖惩（序号，奖惩标志，项目，奖惩金额） 培训课程（课程号，课程名，教材，学时 ） 工资（职工号，基本工资，级别工资，养老保险， 失业保险，公积金，纳税）,（2）联系转换为关系模式 接受（职工号，序号，奖惩时间） 选课（课程号，职工号，培训时间，成绩） 考核（职工号，技能编号，考核时间，地点， 级 别） 属于（职工号，部门号） 聘任（职工号，岗位编号，聘用时间，聘期） 设置（部门号，岗位编号，人数）,（3）根据实际情况，将具有相同键的关系模式合并 职工（职工号，姓名，性别，年龄，学历） 属于（职工号，部门号） 聘任（职工号，岗位编号，聘用时间，聘期） 合并： 职工（职工号，姓名，性别，年龄，学历， 部门号，岗位编号，聘用时间，聘期）,（4）ER模型总共转换出如下11个关系模式 ： 职工（职工号，姓名，性别，年龄，学历，部门号， 岗位编号，聘用时间，聘期） 部门（部门号，部门名称，职能） 岗位（岗位编号，岗位名称，岗位等级） 技能（技能编号，技能名称，技能等级） 奖惩（序号，奖惩标志，项目，奖惩金额） 培训课程（课程号，课程名，教材，学时 ） 工资（职工号，基本工资，级别工资，养老保险， 失业保险，公积金，纳税） 接受（职工号，序号，奖惩时间） 选课（课程号，职工号，培训时间，成绩） 考核（职工号，技能编号，考核时间，地点，级 别） 设置（部门号，岗位编号，人数）,ER模型实例分析 2、车队信息系统的ER模型 某公司设计了车队信息管理系统，对车辆、司机、维修、 保险、报销等信息和业务活动进行管理。 实体及其属性描述如下： 部门：部门号，部门名，负责人 车队：车队号，车队名 司机：司机号，姓名，执照号，电话，工资 车辆：车牌号，车型，颜色，载重 保险公司：保险公司号，公司名，地址 维修公司：维修公司号，公司名，地址