数据库系统教程——施伯乐第三版PPT5.ppt

1 第5章数据库设计与ER模型 2 DBD 在具备了DBMS OS 系统软件和硬件环境时 对数据库应用开发人员来说 就是如何使用这个环境表达用户的要求 构造最优的数据模型 然后据此建立数据库及其应用系统 这个过程称为数据库设计 DatabaseDesign 简记为DBD 3 第5章数据库设计与ER模型 5 1数据库系统生存期5 2ER模型的基本概念5 3ER模型到关系模型的转换5 4ER模型实例分析5 5增强的ER模型5 6小结 4 5 1数据库系统生存期 1 5 1 1规划阶段5 1 2需求分析阶段5 1 3概念设计阶段5 1 4逻辑设计阶段5 1 5物理设计阶段5 1 6数据库的实现5 1 7数据库的运行与维护 5 5 1数据库系统生存期 2 为了解决 软件危机 在1968年首次提出 软件工程 的概念 软件工程中把软件开发和运营的全过程称为 软件生存期 LifeCycle 软件生存期是软件工程的一个重要概念 软件生存期是指从软件的规划 研制 实现 投入运行后的维护 直到它被新的软件所取代而停止使用的整个期间 以数据库为基础的信息系统通常称为数据库应用系统 它一般具有信息的采集 组织 加工 抽取 综合和传播等功能 数据库应用系统的开发是一项软件工程 但又有自己特有的特点 所以特称为 数据库工程 6 5 1数据库系统生存期 3 仿照软件生存期 可以得到数据库系统生存期概念 定义5 1我们把数据库应用系统从开始规划 设计 实现 维护到最后被新的系统取代而停止使用的整个期间 称为数据库系统生存期 这个生存期一般可划分成下面七个阶段 规划 需求分析 概念设计 逻辑设计 物理设计 实现 运行维护 7 5 1 1规划阶段 规划阶段具体可分成三个步骤 1 系统调查 对应用单位作全面的调查 发现其存在的主要问题 并画出组织层次图 以了解企业的组织机构 2 可行性分析 从技术 经济 效益 法律等诸方面对建立数据库的可行性进行分析 然后写出可行性分析报告 组织专家进行讨论其可行性 3 确定数据库系统的总目标 并对应用单位的工作流程进行优化和制订项目开发计划 在得到决策部门批准后 就正式进入数据库系统的开发工作 8 5 1 2需求分析阶段 这一阶段是计算机人员 系统分析员 和用户双方共同收集数据库所需要的信息内容和用户对处理的需求 并以需求说明书的形式确定下来 作为以后系统开发的指南和系统验证的依据 需求分析的工作主要由下面四步组成 1 分析用户活动 产生业务流程图2 确定系统范围 产生系统关联图3 分析用户活动涉及的数据 产生数据流图4 分析系统数据 产生数据字典需求分析阶段的有关内容在 软件工程 课程中有详细的介绍 这里不再详述 9 5 1 3概念设计阶段 1 概念设计的目标是产生反映用户单位信息需求的数据库概念结构 即概念模型 概念模型具有硬件独立 软件独立的特点 10 5 1 3概念设计阶段 2 1 概念设计的重要性在早期的DBD中 概念设计并不是一个独立的设计阶段 设计依赖于具体DBMS的逻辑模型 当外界环境发生变化时 设计结果就难以适应这个变化 将概念设计从设计过程中独立开来 可以使DBD各阶段的任务相对单一化 得以有效控制设计的复杂程度 便于组织管理 概念模型能充分反映现实世界中实体间的联系 又是各种基本数据模型的共同基础 同时也容易向现在普遍使用的关系模型转换 11 5 1 3概念设计阶段 3 2 概念设计的主要步骤概念设计的任务一般可分为三步来完成 进行数据抽象 设计局部概念模型 将局部概念模型综合成全局概念模型 评审 1 进行数据抽象 设计局部概念模型设计概念结构时 常用的数据抽象方法是 聚集 和 概括 聚集是将若干对象和它们之间的联系组合成一个新的对象 概括是将一组具有某些共同特性的对象抽象成更高一层意义上的对象 12 5 1 3概念设计阶段 4 2 将局部概念模型综合成全局概念模型综合各局部概念结构就可得到反映所有用户需求的全局概念结构 在综合过程中 主要处理各局部模式对各种对象定义的不一致问题 3 评审消除了所有冲突后 就可把全局结构提交评审 评审分为用户评审与DBA及应用开发人员评审两部分 概念设计中最著名的方法就是实体联系方法 ER方法 建立ER模型 用ER图表示概念结构 得到数据库的概念模型 13 5 1 4逻辑设计阶段 1 概念设计的结果是得到一个与DBMS无关的概念模型 而逻辑设计的目的是把概念设计阶段设计好的概念模型转换成与选用的具体机器上的DBMS所支持的数据模型相符合的逻辑结构 包括数据库逻辑模型和外模型 对于逻辑设计而言 应首先选择DBMS 但往往数据库设计人员没有挑选的余地 都是在指定的DBMS上进行逻辑结构的设计 14 5 1 4逻辑设计阶段 2 逻辑设计的主要步骤有五步 1 把概念模型转换成逻辑模型2 设计外模型3 设计应用程序与数据库的接口4 评价模型5 修正模型 15 5 1 5物理设计阶段 对于给定的基本数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构的过程 称为物理设计 物理设计可分五步完成 前三步涉及到物理结构设计 后两步涉及到约束和具体的程序设计 存储记录结构设计 确定数据存放位置 存取方法的设计 完整性和安全性考虑 程序设计 16 5 1 6数据库的实现 1 数据库实现主要包括以下工作 1 定义数据库结构 确定了数据库的逻辑结构与物理结构后 就可以用所选用的DBMS提供的数据定义语言 DDL 来严格描述数据库结构 2 数据装载 1 对于数据量不是很大的小型系统 可以用人工方法完成数据的入库 2 对于大中型系统 由于数据量极大 用人工方式组织数据入库将会耗费大量人力物力 而且很难保证数据的正确性 因此应该设计一个数据输入子系统 由计算机辅助数据的入库工作 17 5 1 6数据库的实现 2 对于给定的基本数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构的过程 称为物理设计 物理设计可分五步完成 前三步涉及到物理结构设计 后两步涉及到约束和具体的程序设计 存储记录结构设计 确定数据存放位置 存取方法的设计 完整性和安全性考虑 程序设计 18 5 1 7数据库的运行与维护 对数据库经常性的维护工作主要是由DBA完成的 它包括以下内容 1 数据库的转储和恢复2 数据库安全性 完整性控制3 数据库性能的监督 分析和改进4 数据库的重组织和重构造 若应用变化太大 已无法通过重构数据库来满足新的需求 或重构数据库的代价太大 则表明现有数据库应用系统的生命周期已经结束 应该重新设计新的数据库系统 开始新数据库应用系统的生命周期了 19 5 2ER模型的基本概念 由ProfessorPeterChen于1976年提出的 5 2 1ER模型的基本元素5 2 2属性的分类5 2 3联系的设计5 2 4ER模型的操作5 2 5采用ER模型的概念设计步骤 20 5 2 1ER模型的基本元素 1 1 实体定义5 2实体 实体集 实体类型的定义如下 实体 Entity 是一个数据对象 指应用中可以区别的客观存在的事物 实体集 EntitySet 是指同一类实体构成的集合 实体类型 EntityType 是对实体集中实体的定义 由于实体 实体集 实体类型等概念的区分在转换成数据库的逻辑设计时才要考虑 因此在不引起混淆的情况下 我们一般将实体 实体集 实体类型等概念统称为实体 由此可见 ER模型中提到的实体往往是指实体集 21 5 2 1ER模型的基本元素 2 2 联系定义5 3联系 联系集 联系类型的定义如下 联系 Relationship 表示一个或多个实体之间的关联关系 联系集 RelationshipSet 是指同一类联系构成的集合 联系类型 RelationshipType 是对联系集中联系的定义 同实体一样 我们一般将联系 联系集 联系类型等统称为联系 22 5 2 1ER模型的基本元素 3 3 属性定义5 4实体的某一特性称为属性 Attribute 在一个实体中 能够惟一标识实体的属性或属性集称为 实体标识符 但一个实体只有一个标识符 没有候选标识符的概念 实体标识符有时也称为实体的主键 在ER图中 属性用椭圆形框表示 加下划线的属性为标识符 实体若干属性的一组特定值 确定了一个特定的实体 实体的属性值是数据库中存储的主要数据 联系也会有属性 用于描述联系的特征 如参加工作时间 入库数量等 但联系本身没有标识符 23 5 2 2属性的分类 1 1 简单属性和复合属性 24 5 2 2属性的分类 2 2 单值属性和多值属性 25 5 2 2属性的分类 3 对多值属性进行变换 通常有下列两种变换方法 方法一 把多值属性转换成多个单值属性 26 5 2 2属性的分类 4 方法二 把多值属性转换成一个弱实体 图5 5多值属性的变换 2 27 5 2 2属性的分类 5 图5 6派生属性的表示 工号 学生 姓名 基本工资 实发工资 奖金 房租 3 存储属性和派生属性 28 5 2 2属性的分类 6 4 允许为空值的属性当实体在某个属性上没有值时应使用空值 NullValue 譬如某个员工在配偶值处填上空值 Null 实际上至少有以下三种情况 该员工尚未婚配 即配偶值无意义 这种空值 称为 占位空值 该员工已婚配 但配偶名尚不知 这种空值 称为 未知空值 该员工是否婚配 还不能得知 在数据库中 空值是很难处理的一种值 29 5 2 3联系的设计 1 1 联系的元数定义5 5一个联系涉及到的实体集个数 称为该联系的元数或度数 Degree 通常 同一个实体集内部实体之间的联系 称为一元联系 也称为递归联系 两个不同实体集 实体之间的联系 称为二元联系 三个不同实体集实体之间的联系 称为三元联系 以此类推 30 5 2 3联系的设计 2 2 联系类型的约束联系类型的约束限制了参与联系的实体的数目 有两类联系约束 基数约束和参与约束 1 基数约束下面先定义二元联系的映射基数 MappingCardinalities 定义5 6实体集E1和E2之间有二元联系 则参与一个联系中的实体数目称为映射基数 对于二元联系类型 可能的映射基数有1 1 1 N M N M 1等四种 由于M 1是1 N的反面 因此通常就不再提及 1 1 1 N和M N的定义已在第1章给出 31 5 2 3联系的设计 3 例5 2二元联系 32 5 2 3联系的设计 4 33 5 2 3联系的设计 5 34 5 2 3联系的设计 6 例5 4三元联系 35 5 2 3联系的设计 7 在具体实现时 有时我们对映射基数还要作出更精确的描述 即对参与联系的实体数目指明相关的最小映射基数min和最大映射基数max 用范围 min max 的方式表示 譬如 1 表示参与联系的实体至少为1个 上界没有限制 即 表示 36 5 2 3联系的设计 8 2 参与约束定义5 7如果实体集E中的每个实体都参与联系集R的至少一个联系中 我们称实体集E 完全参与 联系集R 如果实体集E中只有部分实体参与联系集R的联系中 我们称实体集E 部分参与 联系集R 在ER图中表示时 完全参与用双线边表示 部分参与用单线边表示 例5 6在图5 14中 教师与课程是1 N联系 教师是部分参与 用单线边表示 课程是完全参与 用双线边表示 在图5 15中 学生与课程是M N联系 学生是完全参与 用双线边表示 课程是部分参与 用单线边表示 37 5 2 4ER模型的操作 1 1 实体类型的分裂 垂直分裂 水平分裂 2 实体类型的合并 垂直合并 水平合并 3 联系类型的分裂4 联系类型的合并 38 5 2 4ER模型的操作 2 39 5 2 4ER模型的操作 3 40 5 2 4ER模型的操作 4 41 5 2 4ER模型的操作 5 42 5 2 5采用ER模型的概念设计 1 采用ER模型进行数据库的概念设计 可以分成三步进行 1 首先设计局部ER模型 2 然后把各局部ER模型综合成一个全局ER模型 3 最后对全局ER模型进行优化 得到最终的ER模型 即概念模型 43 5 2 5采用ER模型的概念设计 2 1 设计局部ER模型根据需求分析结果 为每一个应用设计局部ER模型的步骤如下 确定局部结构范围 定义实体 定义联系 分配属性 44 5 2 5采用ER模型的概念设计 3 2 设计全局ER模型所有局部ER模型都设计好后 接下来就是把它们综合成单一的全局概念结构 综合成全局ER模型的步骤如下 确定公共实体类型合并局部ER模型消除冲突 45 5 2 5采用ER模型的概念设计 4 3 全局ER模型的优化全局ER模型的优化原则 合并实体类型消除冗余属性消除冗余联系 46 5 2 5采用ER模型的概念设计 5 47 5 2 5采用ER模型的概念设计 6 48 5 2 5采用ER模型的概念设计 7 图5 21教师管理子系统的局部E R图 49 5 2 5采用ER模型的概念设计 8 图5 22合并后的教学管理全局E R图 N N P M 50 5 3ER模型向关系模型的转换 5 3 1ER图转换成关系模式集的规则5 3 2采用ER模型的逻辑设计步骤 51 5 3 1转换成关系模式集的算法 1 算法5 1把ER图中实体类型和联系类型转换成关系模式的算法 步骤1 实体类型的转换 将每个实体类型转换成一个关系模式 实体的属性即为关系模式的属性 实体标识符即为关系模式的键 步骤2 联系类型的转换 根据不同的情况做不同的处理 52 5 3 1转换成关系模式集的算法 2 步骤2 1 二元联系类型的转换 若实体间联系是1 1 可以在两个实体类型转换成的两个关系模式中任意一个关系模式的属性中加入另一个关系模式的键和联系类型的属性 若实体间联系是1 N 则在N端实体类型转换成的关系模式中加入1端实体类型的键和联系类型的属性 若实体间联系是M N 则将联系类型也转换成关系模式 其属性为两端实体类型的键加上联系类型的属性 而键为两端实体键的组合 步骤2 2 一元联系类型的转换 和二元联系类型的转换 步骤2 1 类似 53 5 3 1转换成关系模式集的算法 3 步骤2 3 三元联系类型的转换 若实体间联系是1 1 1 可以在转换成的三个关系模式中任意一个关系模式的属性中加入另两个关系模式的键 作为外键 和联系类型的属性 若实体间联系是1 1 N 则在N端实体类型转换成的关系模式中加入两个1端实体类型的键 作为外键 和联系类型的属性 若实体间联系是1 M N 则将联系类型也转换成关系模式 其属性为M端和N端实体类型的键加上联系类型的属性 而键为M端和N端实体键的组合 若实体间联系是M N P 则将联系类型也转换成关系模式 其属性为三端实体类型的键加上联系类型的属性 而键为三端实体键的组合 54 5 3 1转换成关系模式集的算法 4 例5 9图5 23是教学管理的一个可能设计的ER图 图中 有三个实体类型 系 教师和课程 有四个联系类型 主管 聘用 开设和任教 55 5 3 1转换成关系模式集的算法 5 第一步 把三个实体类型转换成三个模式 系 系编号 系名 电话 教师 教工号 姓名 性别 职称 课程 课程号 课程名 学分 第二步 对于1 1联系和1 N联系 可以采取填外键的形式 这样第一步得到的三个模式成如下形式 系 系编号 系名 电话 主管人的教工号 教师 教工号 姓名 性别 职称 系编号 聘期 课程 课程号 课程名 学分 系编号 56 5 3 1转换成关系模式集的算法 6 第三步 对于M N联系 任教 则生成一个新的关系模式 任教 教工号 课程号 教材 这样 转换成的四个关系模式如下 系 系编号 系名 电话 主管人的教工号 教师 教工号 姓名 性别 职称 系编号 聘期 课程 课程号 课程名 学分 系编号 任教 教工号 课程号 教材 57 5 3 1转换成关系模式集的算法 7 例5 10对于例5 3的一元联系类型的ER图结构 可使用算法步骤1和步骤2 2来转换成关系模式集 1 1联系 图5 10 可转换成如下的关系模式 运动员 编号 姓名 性别 名次 上一名次编号 1 N联系 图5 11 可转换成如下的关系模式 职工 工号 姓名 年龄 性别 经理工号 M N联系 图5 12 可转换成如下两个关系模式 零件 零件号 零件名 规格 组成 零件号 子零件号 数量 58 5 3 1转换成关系模式集的算法 8 例5 11对于例5 4的三元联系的ER图结构 图5 13 可使用算法步骤1和步骤5 3来转换成以下四个关系模式 仓库 仓库号 仓库名 地址 商店 商店号 商店名 商品 商品号 商品名 进货 商店号 商品名 仓库号 日期 数量 在联系转换成的关系模式 进货 中 把日期也加入到主键中 以记录某个商店可从某仓库多次进某种商品 59 5 3 2采用ER模型的逻辑设计步骤 关系数据库的逻辑设计步骤有以下五步 1 导出初始关系模式集2 规范化处理逐一考察关系模式 判断它们是否满足规范要求 3 模式评价4 模式修正5 设计子模式 60 5 4ER模型实例分析 5 4 1库存销售信息管理系统的ER模型及转换5 3 2采用ER模型的逻辑设计步骤5 4 2公司车队信息系统的ER模型5 4 3人事管理信息系统的ER模型5 4 4旅游管理信息系统的ER模型 61 5 4 1库存销售系统的ER模型 1 图5 24库存管理信息系统的ER图 62 5 4 1库存销售系统的ER模型 2 该ER图有7个实体类型 其结构如下 货物 货物代码 型号 名称 形态 最低库存量 最高库存量 采购员 采购员号 姓名 性别 业绩 供应商 供应商号 名称 地址 销售员 销售员号 姓名 性别 业绩 客户 客户号 名称 地址 账号 税号 联系人 仓位 仓位号 名称 地址 负责人 报损单 报损号 数量 日期 经手人 实体间联系类型有6个 其中1个1 N联系 1个M N联系 4个M N P联系 其中联系的属性如下 入库 入库单号 日期 数量 经手人 出库 出库单号 日期 数量 经手人 存储 存储量 日期 定单 定单号 数量 价格 日期 63 5 4 1库存销售系统的ER模型 3 根据转换算法 可转换成12个关系模式 具体如下 货物 货物代码 型号 名称 形态 最低库存量 最高库存量 采购员 采购员号 姓名 性别 业绩 供应商 供应商号 名称 地址 销售员 销售员号 姓名 性别 业绩 客户 客户号 名称 地址 账号 税号 联系人 仓位 仓位号 名称 地址 负责人 报损单 报损号 数量 日期 经手人 货物代码 入库 入库单号 日期 数量 经手人 供应商号 货物代码 仓位号 出库 出库单号 日期 数量 经手人 客户号 货物代码 仓位号 存储 货物代码 仓位号 日期 存储量 定单 定单号 数量 价格 日期 客户号 货物代码 销售员号 采购 采购单号 数量 价格 日期 供应商号 货物代码 采购员号 64 5 4 2公司车队系统的ER模型 1 图5 25公司车队信息系统的ER模型 65 5 4 2公司车队系统的ER模型 2 该ER图有7个实体类型 其结构如下 部门 部门号 名称 负责人 车队 车队号 名称 地址 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 名称 地址 维修公司 维修公司号 名称 地址 开销 顺序号 费用类型 费用 日期 经手人 制造商 制造商编号 名称 地址 实体之间有9个联系 其中7个是1 N联系 2个是M N联系 其中联系的属性如下 调用 出车编号 出车日期 车程 费用 车辆数目 保险1 投保日期 保险种类 费用 保险2 投保日期 保险种类 费用 出车 派工单号 起点 终点 日期 辅助人员 66 5 4 2公司车队系统的ER模型 3 根据ER模型转换成关系模型的规则 8个实体类型转换成8个关系模式 2个M N联系转换成2个关系模式 共10个如下 部门 部门号 名称 负责人 车队 车队号 名称 地址 司机 司机号 姓名 执照号 电话 工资 车队号 保险公司号 投保日期 保险种类 费用 车辆 车牌号 车型 颜色 载重 车队号 维修公司号 保险公司号 制造商编号 投保日期 保险种类 费用 保险公司 保险公司号 名称 地址 维修公司 维修公司号 名称 地址 开销 顺序号 车牌号 费用类型 费用 日期 经手人 制造商 制造商编号 名称 地址 调用 出车编号 车队号 部门号 出车日期 车程 费用 车辆数目 出车 派工单号 司机号 车牌号 起点 终点 日期 辅助人员 67 5 4 3人事管理系统的ER模型 1 图5 26人事管理信息系统的ER模型 68 5 4 3人事管理系统的ER模型 2 这个ER图有7个实体类型 其属性如下 职工 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 工号 基本工资 级别工资 养老金 失业金 公积金 纳税 这个ER图有7个联系类型 其中1个1 1联系 2个1 N联系 4个M N联系 联系类型的属性如下 选课 时间 成绩 设置 人数 考核 时间 地点 级别 接受 奖惩时间 69 5 4 3人事管理系统的ER模型 3 70 5 4 4旅游管理系统的ER模型 1 图5 27旅游管理信息系统的ER模型 71 5 4 4旅游管理系统的ER模型 2 这个ER图有8个实体类型 其属性如下 旅游线路 路线号 起点 终点 天数 主要景点 旅游班次 班次号 出发日期 回程日期 旅游标准 报价 旅游团 团号 团名 人数 联系人 地址 电话 游客 游客编号 姓名 性别 年龄 身份证号码 住址 电话 导游 导游编号 姓名 性别 年龄 身份证号码 住址 电话 语种 等级 业绩 交通工具 旅游班次号 出发工具 出发日期 出发班次 出发时间 回程工具 回程日期 回程班次 回程时间 宾馆 宾馆编号 宾馆名 城市 星级 标准房价 联系人 职务 地址 电话 传真 保险单 保险单编号 保险费 投保日期 这个ER图有7个联系类型 其中2个1 1联系 3个1 N联系 2个M N联系 72 5 4 4旅游管理系统的ER模型 3 根据ER模型转换成关系模型的规则 8个实体类型转换成8个关系模式 2个M N联系转换成2个关系模式 共10个如下 旅游线路 路线号 起点 终点 天数 主要景点 旅游班次 班次号 出发日期 回程日期 旅游标准 报价 路线号 旅游团 团号 团名 人数 联系人 地址 电话 班次号 保险单编号 游客 游客编号 姓名 性别 年龄 身份证号码 住址 电话 团号 导游 导游编号 姓名 性别 年龄 身份证号码 住址 电话 语种 等级 业绩 交通工具 旅游班次号 出发工具 出发日期 出发班次 出发时间 回程工具 回程日期 回程班次 回程时间 宾馆 宾馆编号 宾馆名 城市 星级 标准房价 联系人 职务 地址 电话 传真 保险单 保险单编号 保险费 投保日期 食宿 班次号 宾馆编号 陪同 班次号 导游编号 73 5 5增强的ER模型 5 5 1弱实体与强实体5 5 2子类实体与超类实体 74 5 5 1弱实体与强实体 1 定义5 8一个实体对于另一个实体 称为强实体 具有很强的依赖联系 而且该实体主键的一部分或全部从其强实体中获得 则称该实体为弱实体 在ER模型中 弱实体用双线矩形框表示 与弱实体联系的联系 用双线菱形框表示 应该注意 强实体与弱实体的联系只能是1 1或1 N 弱实体参与联系时应该是 完全参与 因此弱实体与联系间的联系也画成双线边 75 5 5 1弱实体与强实体 2 76 5 5 2子类实体与超类实体 1 定义5 9当较低层上实体类型表达了与之联系的较高层上的实体类型的特殊情况时 就称较高层上实体类型为超类型 SuperType 较低层上实体类型为子类型 SubType 子类与超类有两个性质 子类与超类之间具有继承性特点 即子类实体继承超类实体的所有属性 但子类实体本身还可以包含比超类实体更多的属性 这种继承性是通过子类实体和超类实体有相同的实体标识符实现的 77 5 5 2子类实体与