《数据库技术与应用》课件-项目1：数据库设计基础

数据库设计的基本步骤及数据库设计的需求分析课程简介2通过本课程的学习，掌握数据库设计的基本步骤以及数据库设计的需求分析。

主要学习内容：一．数据库的形成二．数据库设计的基本步骤三．数据库的需求分析四．数据库需求分析实例数据库的形成3如图所示，处理数据并形成数据库要经过3个阶段：数据库的形成41.将现实世界的事物及其特征抽象化描述成信息世界的实体及其属性。2.信息世界的实体及其属性，是通过E-R图来表示其概念模型的。3.概念化的实体及其属性进入机器世界后，一般以二维表为数据模型进行存储，形成二维表中记录及列（字段）。数据库设计的基本步骤5设计数据库的目的就是确定一个合适的数据模型，并满足以下3个要求：1.符合用户的需求，既能包含用户所需要处理的所有数据，又支持用户提出的所有处理功能的实现。2.能被现有的某个数据库管理系统所接受，如SQLServer、Oracle和DB2等。3.结构合理、使用方便、便于维护等。数据库设计的基本步骤6设计数据库分为以下6个步骤，如图所示：数据库设计的基本步骤7其中：（1）需求分析：数据库设计人员调查用户的各种需求，包括数据库应用方向，然后对用户的各种数据和信息进行分析，达成需求的一致性，并将需求转化成用户和数据库设计人员均可接受的文档。（2）概念结构设计：在需求分析基础上，依照需求，对用户信息加以分类、聚集、概括，按照特定的方法把它们抽象为一个不依赖于任何具体机器的的概念模型，通常采用E-R图表示。数据库设计的基本步骤8（3）逻辑结构设计：在E-R图基础上，导出某个数据库管理系统所支持的数据模型。（4）物理结构设计：根据数据库数据库管理系统的特点和处理的需要，为数据模型选择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：数据库设计人员运用数据库管理系统，根据逻辑结构设计和物理结构设计的结果建立数据库，组织数据入库，编制与调试应用程序，并进行试运行数据库设计的基本步骤9（6）数据库运行维护：试运行成功后，进入正式运行，在此阶段，设计人员需要收集和记录数据库运行的情况，并根据系统运行中产生的问题及用户的新需求不断完善系统功能和提高系统的性能。数据库的需求分析101.需求分析的任务对现实世界要处理的对象进行详细调查和分析；收集支持系统目标的基础数据和处理方法；明确用户对数据库的具体要求。在此基础上确定数据库系统的功能。2.常用的需求分析调查方法跟班作业、开调查会、请专人介绍、询问、设计调查表请用户填写、查阅记录。数据库的需求分析113.编写需求分析说明书，并附带：分析过程中得到的数据流图、数据字典、功能模块图及系统软硬件的支持情况。数据库需求分析实例12某学校需要一个图书管理信息系统，实现管理员管理维护图书信息及用户借阅图书的功能，现对此图书管理数据库进行需求分析。1.该系统的功能需求，包含：

图书书架管理：管理员实现对图书书架管理维护。图书管理：管理员实现图书信息管理与维护。图书入库出库管理：实现对图书的入库出库登记维护。图书类型管理：实现对图书类型的管理维护。数据库需求分析实例13借阅管理：当用户借阅就会产生借阅记录，管理员可以实现对用户图书借阅信息的维护。用户系别管理：实现对用户系别的管理与维护。用户年级管理：实现用户年级的管理与维护。留言管理：用户留言产生留言记录，管理员可以对用户留言信息进行回复。数据库需求分析实例14通知管理：管理员可以实现对通知信息进行维护。图书出版社管理：实现对图书出版社信息进行管理和维护。用户管理：实现对用户信息进行管理维护。用户类型管理：实现对用户类型管理维护。数据库需求分析实例152.该系统的主要信息数据处理需求（数据字典），具体内容如下，包含：

管理员=管理员编号+账号+密码+名称图书书架=图书书架编号+图书书架名称图书=图书编号+图书编码+图书名称+图书类型编号+图书书架编号+图书作者+图书价格+图书总数量+图书出版社编号+备注数据库需求分析实例16图书入库出库=图书入库出库编号+图书编号+入库出库数量+添加时间+入库出库类型图书类型=图书类型编号+图书类型名称借阅=借阅编号+图书编号+借阅时间+归还时间+用户编号+是否归还+归还天数+罚款金额用户系别=用户系别编号+用户系别名称用户年级=用户年级编号+用户年级名称数据库需求分析实例17留言=留言编号+用户编号+留言内容+留言时间+回复内容+回复时间通知=通知编号+标题+内容图书出版社=图书出版社编号+图书出版社名称用户=用户编号+用户名称+用户密码+用户编码+用户性别+用户电话+用户邮箱+备注+是否使用+总金额+用户类型编号+用户系别编号+用户年级编号用户类型=用户类型编号+用户类型名称+可借阅天数数据库的概念结构设计课程简介19通过本课程的学习，掌握数据库概念结构设计的基本任务、概念模型的基本元素，以及概念结构设计的一般步骤。

主要学习内容：一．概念结构设计的基本任务二．E-R图的基本元素三．E-R图基本元素的表示方法四．概念结构设计的步骤五．概念结构设计实例概念结构设计的基本任务20概念结构设计的基本任务就是信息数据在需求分析的结果上，通过特定的方法抽象化成概念模型。概念模型通常利用实体—联系模型来描述，简称为E-R图。E-R图所描述的现实世界事物的信息结构称为E-R模型。E-R模型中包括了实体、实体属性和实体间联系方法这三种基本元素。E-R图的基本元素211.实体现实世界中的客观存在的并可区分识别的事物称为实体，例如：图书。

2.（实体）属性每个实体具有一定的特征，通过这些特征就可区分出一个个实体。例：可使用哪些属性来描述图书特征？图书可使用“图书编号,图书编码,图书名称,图书类型编号,图书书架编号,图书作者,图书价格,图书总数量,图书出版社编号,备注”等属性来描述图书特征。E-R图的基本元素223.实体间的联系⑴一对一联系（1:1）如果两个实体集A、B中的任意一个实体至多与另一个实体集中的一个实体对应联系，则称A、B为一对一联系，记为“1－1”联系。比如：一个学校只有一个正校长，而一个校长只在一个学校中任职，则学校与校长之间具有一对一联系。E-R图的基本元素23⑵一对多联系（1:m）设有两个实体集Ａ和Ｂ，如果Ａ中每个实体与Ｂ中任意个实体（包括零个）有联系，而Ｂ中的每个实体至多与Ａ中的一个实体有联系，则称该联系为＂从Ａ到Ｂ的1对多联系＂，记为＂1－ｍ＂联系。比如：一个专业中有若干名学生，而每个学生只在一个专业中学习，则专业与学生之间具有一对多联系。E-R图的基本元素24⑶多对多联系（m:n）如果两个实体集Ａ、Ｂ中的每个实体都与另一个实体集中的任意个实体（包括零个实体）有联系，则称这两个实体集是多对多联系，记为“ｍ－ｎ”联系。比如：一个学生可以学多门课程，而每门课程可以有多个学生来学。E-R图基本元素的表示方法25E-R图基本元素的表示方法,如图所示:实体：用矩形表示，矩形框内写明实体名。属性：用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来。联系：用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边分别与有关实体连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1:1，1:n或m:n）。

概念结构设计的步骤261.设计局部概念模型（1）确定数据库所需的实体。（2）确定各实体的属性以及实体的联系，画出局部的E-R图。

2.合并E-R图先将两个重要的局部E-R图合并，然后依次将一个新的局部E-R图合并进去，最终合并成一个全局E-R图。概念结构设计实例27对图书管理数据库进行概念结构设计：1.在需求分析的基础，确定图书管理数据库的实体及其属性，分别是：管理员（Admin）：负责系统的管理员。图书书架（BookCase）：图书的书架信息。图书（BookInfo）：系统的图书信息。图书入库出库（BookInOutOrder）：图书入库出库登记记录。图书类型（BookType）：系统的图书类型。概念结构设计实例28借阅（Borrow）：用户借阅产生的借阅记录。用户系别（Dept）：用户的系别信息。用户年级（Grade）：用户的年级信息。留言（Message）：用户的留言信息与管理员的回复信息。通知（Notice）：系统的通知信息。图书出版社（Publishing）：图书出版社信息。用户（Users）：系统用户信息。用户类型（UserType）：用户类型信息。概念结构设计实例292.确定各实体的属性以及实体的联系，画出局部E-R图：(1)图书与图书类型之间的联系E-R图,，如图所示：概念结构设计实例30(2)图书与图书书架之间的联系E-R图，如图所示：概念结构设计实例31(3)图书与出版社之间的联系E-R图，如图所示：概念结构设计实例32(4)图书与借阅之间的联系E-R图，如图所示：概念结构设计实例33(5)用户与借阅之间的联系E-R图，如图所示：概念结构设计实例34(6)用户与用户系别之间的联系E-R图，如图所示：概念结构设计实例35（7）用户与用户年级之间的联系E-R图，如图所示：概念结构设计实例36（8）用户与用户类型之间的联系E-R图，如图所示：概念结构设计实例373.合并E-R图如下图所示，最后合并成整个图书管理数据库的合并E-R图（因展示篇幅有限，此处采用的是变形的E-R图）：概念结构设计实例38数据库的逻辑结构设计课程简介40通过本课程的学习，掌握数据库逻辑结构设计的基本任务、关系模型、E-R模型到关系模型的转化、数据模型优化。

主要学习内容：一．逻辑结构设计的基本任务二．关系模型三．E-R模型到关系模型的转化四．数据模型优化五．逻辑结构设计实例逻辑结构设计的基本任务41逻辑结构设计的基本任务就是将概念模型转化为数据模型。通常步骤如下：1）概念模型转化为一般的关系、网状、层次模型（这三种即是重要的数据模型）。2）将转换来的关系、网状、层次模型向指定数据库管理系统支持的数据模型转换。3）对数据模型进行优化（通常采用规范化理论），以提高数据库应用系统的性能。关系模型42关系模型为非格式化的结构，用单一的二维表（关系）的结构表示实体及实体之间的联系。满足一定条件的二维表，称为一个关系。一个关系就是由行和列组成的一张二维表，关系中的行称为元组（或行记录），关系中的列称为属性（或（列）字段）。SQLServer2008是关系型数据库管理系统，其支持关系模型。关系模型431.关系的二维表具有如下特点：1）关系中的每一属性都是原子属性，即属性不可再分2）关系中的每一属性取值都是表示同类信息3）关系中的属性没有先后顺序4）关系中的记录没有先后顺序5）关系中不能有相同的记录关系模型442.关系的描述称为关系模型，通常关系的描述简记为

R（A1，A2，A3，A4，…，An）其中：R：为关系名A1，A2，A3，A4，…，An：均为属性（名）带下划线的A1：表示该属性为主属性(主关键字）E-R模型到关系模型的转化45E-R模型转换为关系模型的任务包括独立实体转化及实体间的联系的转化，其中，实体间的联系转化也是将实体和实体间的联系转化为二维表。E-R模型到关系模型的转化规则如下所示：

独立实体(E)转化：一个独立实体转化为关系，其属性转化关系模型的属性。1：1联系转化为关系模型：只要将两个实体的关系各自增加一个外部属性(外部关键字)。E-R模型到关系模型的转化46

1：n联系转化为关系模型：只需将n方的关系增加一个外部属性(外部关键字)，即对方的主属性（主关键字）。m：n联系转化为关系模型：必须成立一个新的关系模式，类似转化成两个1：n的关系模式。新关系的主属性（主关键字）有双方的主属性（主关键字）联合构成。E-R模型到关系模型的转化471.独立实体转化【例】将所示的用户E-R图，转化为关系模式。E-R模型到关系模型的转化48(1)“用户”实体E-R图，如下图：E-R模型到关系模型的转化49（2）按“一个独立实体转化为一个关系表，其属性转化关系模型的属性”的规则，用户E-R图转化后的关系模式如下所示：用户(用户编号,用户名称,用户密码,用户编码,用户性别,用户电话,用户邮箱,备注,是否使用,总金额,用户类型编号,用户系别编号,用户年级编号)其中“用户”为关系名，（）内的所有内容均为属性，而“用户编号”为主关键字属性。E-R模型到关系模型的转化502.

1：1联系转化为关系模型【例】将所示的总经理与公司的联系的E-R图转化为关系模式。(1)总经理与公司联系的E-R图，如下图：E-R模型到关系模型的转化51（2）按“只要将两个实体的关系各自增加与对方实体关联的一个外部关键字属性”的转化规则，总经理与公司联系的E-R图转化后的关系模式如下所示：总经理（姓名，民族，电话，出生年月，住址，公司名称）公司（公司名称，电话，类型，注册地，姓名）其中“总经理”为关系名,（）内的所有内容均为属性，而（带下划线）“姓名”为主属性(主关键字），（加粗）“公司名称”是新增加的与“公司”关系关联的外部关键字属性。E-R模型到关系模型的转化52其中“公司”为关系名,（）内的所有内容均为属性，而（带下划线）“公司名称”为主属性(主关键字），（加粗）“姓名”是新增加的与“总经理”关系关联的外部关键字属性。E-R模型到关系模型的转化533.1：n联系转化为关系模型【例】将所示的用户与借阅联系的E-R图转化为关系模式。E-R模型到关系模型的转化54(1)用户与借阅联系的E-R图，如下图：E-R模型到关系模型的转化55（2）按“只需将n方的关系增加一个外部关键字属性（即1方的主关键字属性）”的转化规则，用户与借阅联系的E-R图转化后的关系模式如下：1方：用户(用户编号,用户名称,用户密码,用户编码,用户性别,用户电话,用户邮箱,备注,是否使用,总金额,用户类型编号,用户系别编号,用户年级编号)n方：借阅(借阅编号,图书编号,借阅时间,归还时间,用户编号,是否归还,归还天数,罚款金额)E-R模型到关系模型的转化56其中1方“用户”为关系名,“用户编号”为主关键字属性。其中n方“借阅”为关系名,“借阅编号”为主关键字属性，“用户编号”是增加的与“用户”关系关联的外部关键字属性。数据模型优化57数据模型的优化就是对数据库进行适当的修改、调整数据模型的结构，进一步提高数据库的性能，可分为以下几个方面的操作：1、关系模式的分解：是将原关系中冗余的属性分解出来，优化出新关系，解决数据的冗余。2、实施规范化处理在数据库设计过程中数据库结构必须要满足一定的规范化要求，才能确保数据的准确性和可靠性。这些规范化即范式。数据模型优化58（1）第一范式(1NF)关系模式中每个属性是不可再分的数据项，不存在数据的冗余，则该关系满足第一范式。（2）第二范式(2NF)在已满足1NF的前提下，关系中的每个非主关键字属性的数值都依赖于该关系中的主关键字属性，则该关系满足满足第二范式。

数据模型优化59（3）第三范式(3NF)在已满足2NF的前提下，关系中的非主关键字属性的数值不但能唯一地被主关键字属性所标识，而且它们之间还必须相互独立，不存在其他的函数关系，则该关系满足第三范式。数据模型优化603、建立数据完整性约束，以保证数据的完整性和一致性实体完整性：为确保数据库中所有实体的唯一性，不使用完全相同的数据记录。域完整性：要求关系（表）中的列的数据类型、格式和取值范围位于某一个特定的允许范围内。参照完整性：用来维护相关关系（表）之间数据一致性用户定义完整性：由用户自己按照实际的需要定义的约束关系。逻辑结构设计实例61基于逻辑结构设计的操作步骤，现对图书管理数据库进行逻辑结构设计，即将E-R图转化为关系模型，具体如下所示：逻辑结构设计实例62逻辑结构设计实例63数据库的物理结构设计及最终的实施、运行、维护课程简介65通过本课程的学习，掌握数据库物理结构设计的基本任务、步骤及数据库的实施、运行和维护。

主要学习内容：一．物理结构设计的基本任务二．物理结构设计的步骤三．数据库的实施四．数据库运行和维护物理结构设计的基本任务66物理结构设计要结合特定的数据库管理系统，不同的数据库管理系统对于文件物理存储方式也是不同的。物理结构设计的任务就是完成以下两个内容：1、确定数据库的物理结构（存储结构、存储位置、存取方法）。2、对物理结构进行评价，评价的重点为时间和空间效率。如果评价结果满足设计要求便可进入实施阶段。物理结构设计的基本任务67确定数据的物理结构主要是确定数据的存储结构、存储位置和存取方法。用户在设计关系（表）结构时，应特别注意以下内容：

1、每一个表对应一个关系模式，确定数据表字段名称及其数据类型2、确定哪些字段允许空值(NULL)3、确定主关键字（主属性）4、确定是否使用约束、默认值、规则等5、确定是否使用外部关键字6、是否使用索引物理结构设计的步骤68【例】在SQLServer2008中，基于前述逻辑结构设计思想，对图书管理数据库（BookManageDB）进行物理结构设计。设计步骤如下：（1）选择SQLServer2008数据库管理系统（2）确定数据库和数据表（关系）：图书管理数据库（BookManageDB）；库中有管理员表、图书书架表、图书表、图书入库出库表、图书类型表、借阅表、用户系别表、用户年级表、留言表、通知表、图书出版社表、用户表以及用户类型表。物理结构设计的步骤69（3）确定各个数据表的字段，数据类型和长度等，各数据表的具体结构分别如下所示：Admin管理员表列名数据类型宽度为空性说明AdminIDint

管理员编号，关键字Accountvarchar50

账号Passwordvarchar50

密码PowerNamevarchar50√名称物理结构设计的步骤70BookCase图书书架表列名数据类型宽度为空性说明BookCaseIDint

图书书架编号，主关键字BookCaseNamevarchar80

图书书架名称物理结构设计的步骤71BookInfo图书表列名数据类型宽度为空性说明BookIDint

图书编号，关键字BookBarCodevarchar256

图书SN编码BookNamevarchar256

图书名称BookTypeIDint

图书类型编号，作为外键与图书类型表进行关联BookCaseIDint

图书书架编号，作为外键与图书书架表进行关联BookAuthorvarchar256√图书作者BookPricemoney

√图书价格TotalSumint

√图书总数量PublishingIDint

出版社编号，作为外键与出版社表进行关联Contenttext

√备注物理结构设计的步骤72BookInOutOrder图书入库出库表列名数据类型宽度为空性说明BookStockIDint

图书入库出库编号，关键字BookIDint

√图书编号，作为外键与图书表进行关联BookNumint

√入库出库数量AddTimeDatetime

√添加时间Typeint

√入库出库类型物理结构设计的步骤73BookType图书类型表列名数据类型宽度为空性说明BookTypeIDint

图书类型编号，主关键字BookTypeNamevarchar50

图书类型名称物理结构设计的步骤74Borrow借阅表列名数据类型宽度为空性说明BorrowIDint

借阅编号，主关键字BookIDint

图书编号，作为外键与图书表关联BorrowTimeDatetime

√借阅时间ReturnTimeDatetime

√归还时间[UserID]Int

用户编号，作为外键与用户表进行关联IsReturnBit

√是否归还ReturnDaysFloat

√归还时间FineMoneyFloat

√罚款金额物理结构设计的步骤75Dept用户系别表列名数据类型宽度为空性说明DeptIDint

用户系别编号，主关键字DeptNamevarchar200√用户系别名称物理结构设计的步骤76Grade用户年级表列名数据类型宽度为空性说明GradeIDint

年级编号，主关键字GradeNamevarchar200√年级名称物理结构设计的步骤77Message留言表列名数据类型宽度为空性说明MessageIDint

留言编号，主关键字UserIDint

用户编号，作为外键与用户表关联Contentvarchar2000√留言内容AddTimeDatetime

√留言时间ReplyContentvarchar2000√回复内容ReplyTimeDatetime

√回复时间物理结构设计的步骤78Notice通知表列名数据类型宽度为空性说明NoticeIDint

通知编号，主关键字Titlevarchar200

通知标题Conten