第二章 数据库设计和ER模型.ppt

1、第2章 数据库设计与ER模型,主要内容,数据库设计的优劣直接影响信息系统的质量和运行效果 数据库设计概念P29 主要内容 2.1 数据库系统生存期 2.2 ER模型的基本概念 2.3 关系模型的基本概念 2.4 ER模型到关系模型的转换 2.5 ER模型实例分析 2.6 增强的ER模型,2.1 数据库系统生存期,软件危机及其表现 P29 “软件工程”概念的提出 软件开发和运营的全过程称为 “软件生存期” 以数据库为基础的信息系统为数据库应用系统 具有信息的采集、组织、加工、抽取、综合、传播功能 其开发是有自己特点的软件工程：数据库工程 数据库系统生存期（依照软件生存期）P29,2.1 数据库系

2、统生存期,规划阶段 需求分析阶段 概念设计阶段 逻辑设计阶段 物理设计阶段 实现阶段 运行和维护阶段,2.1.1规划阶段,规划阶段的三个步骤 P30 系统调查 可行性分析 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定项目开发计划,2.1.2需求分析阶段,计算机人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 收集基础数据及其处理要求 确定新系统的功能 目标 把用户的信息要求和处理要求写成用户的数据库设计者都能理解和接受的文档，作为系统开发的依据。,2.1.2需求分析阶段,需求分析的四个步骤 分析用户活动，产生业务流程图 确定系统范围，产生系统关联图：确定人机界面

3、分系统户活动涉及的数据，产生数据流图 分析系统数据，产生数据字典 进行数据收集和数据分析所获得的主要成果 包括数据项、数据结构、数据流、数据存储和处理过程,2.1.2需求分析阶段,需求分析阶段的输入输出,（2）需求分析阶段,1）收集需求信息 调查目的 了解组织结构的设置、主要业务活动和职能 各个部门的工作流程和任务划分范围 调查内容 组织机构：了解机构划分，数据处理现状和存在的问题。 业务现状：包括信息的种类，信息流程，信息处理方式；各种业务工作过程和各种票据等。 外部要求：信息的响应时间、频度，数据发生的规则，安全性和完整性要求等。,（2）需求分析阶段,1）收集需求信息 调查方式 开座谈会

4、跟班作业 请调查对象填写调查表 查看业务记录、票据 个别交谈,（2）需求分析阶段,1）收集需求信息 调查对象 高层负责人 中层管理人员 基层操作人员,（2）需求分析阶段,2）整理需求信息 整理的目的 把原始的需求信息转化为下一步（系统分析）的依据，并且用明确的方式表示出来。 整理的任务 对系统业务流程、数据流程和数据联系进行分析总结，并通过具体方法进行描述和表达。,2.1.2需求分析阶段,需求分析的结构化技术 结构化分析方法是一种面向数据流进行需求分析的方法，它用抽象模型的概念，按照软件内部数据传递、变换的关系定义系统需求。 结构化需求分析大多数采用自顶向下的策略，逐层分解系统需求，直到每一个

5、基本处理都非常明确为止。,2.1.2需求分析阶段,结构化需求分析一般包括如下工具 数据流图 数据字典 结构化英语（或结构化语言） 判定表 判定树 以及状态转移图等,2.1.2需求分析阶段,数据流图从数据传递和加工的角度，以图形的方式刻画数据流从输入到输出的移动变换过程，以便帮助人们理解问题，对问题进行分析。 数据流图的基本图形元素 表示数据流，箭头的始点和终点分别代表数据流的源和目标。 表示数据源或数据终点。 表示对数据的加工（处理）。 （或 ）表示数据存储。,数据流图的例子,数据字典,数据字典的概念 数据字典是关于数据信息的集合。在数据字典中给出数据流图中所有元素的严格定义。 数据字典的作用

6、 在数据流图中出现的图形元素在数据字典中作为一个词条加以定义，使得每一个图形元素都有一个确切的解释。,数据字典,数据字典中的条目种类 数据流 数据加工 数据存储 数据元素（是数据流和数据存储的组成部分） 其它信息,2.1.3概念设计阶段,目标是产生反映用户单位信息需求的数据库概念结构：概念模型 1、概念设计的重要性 仅从用户角度看待数据、处理需求和约束 任务相对单一化，可有效控制复杂程度，便于管理 2、概念设计的步骤 - ER模型 进行数据抽象，设计局部概念模型：聚集和概括 P31 将局部概念模型综合成全局概念模型 评审,2.1.4逻辑设计阶段,目的是把概念模型转化为逻辑结构（逻辑模型、外模型

7、） 逻辑设计的步骤 - 关系模型 把概念模型转换成逻辑模型 设计外模型 设计应用程序与数据库的接口 评价模型 修正模型,2.1.5物理设计阶段,物理设计是根据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 物理结构指存储记录格式、存储记录安排和存取方法 物理设计完全依赖于硬件环境和数据库产品 物理设计步骤 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,2.1.6数据库的实现,对物理设计初步评价完成后开始建立数据库 数据库实现包括以下工作 用DDL定义数据库结构 组织数据入库 小型系统使用人工方法完成 大型系统应设计数据输入子系统 编制与调试应用程序

8、 数据库试运行：联合调试 P34 功能调试 性能调试,2.1.7运行和维护阶段,数据库投入运行的标志开发任务的基本完成和维护工作的开始，但设计工作仍将继续。P35 运行阶段，有DBA完成维护工作 数据库的转储和恢复 数据库安全性、完整性控制 数据库性能的监督、分析和改进 数据库的重组织和重构造,数据库设计实例：刊物管理系统 有一个小型的、独立的学术刊物，需要设计一个新的用于管理其投稿、审稿和订阅等信息的数据库系统。目前，这个刊物管理这些信息的方法是使用电子数据表格、字处理软件以及手工绘制的图表进行管理。 这个刊物每个月出版一次。每刊有10到15篇文章，每篇文章由一个或多个作者所写。这些文章的作

9、者是没有稿酬的，但是他们可以享受一年的免费订阅该月刊的优惠，以表示感谢他们的劳动成果。,刊物有一个编辑部负责接收来稿。此外，该月刊还有一个由顾问组成的编委会。编辑部收到来稿之后，会按照来稿的内容转发给相关的编委去评审。编委会负责对提交上来的文章进行审查，而且还向主编建议将来刊物的主题栏目，并提出一份应当联系的人员名单，这些人能够写出关于这些领域的文章，以便编辑去约稿。编委可以任职1至3年。新增编委或编委退出最终都由编委会统一讨论决定，并且把每一次编委变动结果及时报告给编辑部。,编委也是没有报酬的，他们在任编委期间，同样享受免费赠阅。有些编委也可能是作者，这样的话就要求不要把编委的投稿送给它自己

10、去评审。 刊物的销售是以订阅为基础的。该刊物有一个订阅服务部，专门负责处理用户的订阅和刊物的发送。大多数的订阅都是一年期的；不过出版商所确认的订阅期可以长于或短于一年，他只需要将年订阅价格摊派到各个月上就可以了。目前只有几千个订户，大多数是订户是公司或团体，但也有一些是个人。,大多数的订户都只订一份该杂志，但对于大公司或团体来说，往往会订阅多份该杂志。对于订阅多份该杂志的客户（公司或团体），它们有的要求把所订阅的多份杂志送到一个收件人那里，有的却要求把所订阅的多份杂志分送到个人手中。这就要求系统能够跟踪集团订户以及与之所对应的所有要发送刊物的地址。,系统规划阶段,系统初步调查 “刊物管理系统”

11、中的组织机构：编辑部、编委会、订阅服务部。现状：人工管理数据。 “刊物管理系统”初步调查结果的描述： 上述文字描述可以看作是用自然语言描述的系统初步调查的结果。,系统规划阶段,系统开发的必要性分析 “刊物管理系统”的必要性分析： 1、使用电子数据表格、字处理软件等方式管理数据，数据分散，管理混乱。 2、统计汇总工作困难，易出错。 3、数据处理周期长，往往造成文章发表和报刊发行工作的延误。 所以，有必要开发一个数据库系统，管理相应数据。,“刊物管理系统”的可行性分析 (1)管理可行性 目前，工作人员的记录、查询和统计数据的工作繁重，积极支持开发新系统。 (2)技术可行性 硬件方面只需要一台PC机

12、，此外无需更多硬件。开发者具有实际开发经验，曾开发过多个数据库应用系统。 (3)经济可行性 目前编辑部已有多台PC机。无须购置新的硬件设备。 只要支付软件开发和维护费用，以及人员培训费用。 系统投入运行后，会极大提高刊物的数据管理效率。,系统规划阶段,系统开发目标 确定系统要达到的基本要求 “刊物管理系统”的开发目标： 1、建立一个数据库应用系统，用于管理刊物的投稿、审稿和订阅等信息。系统为C/S结构。 2、用户界面友好，操作方便。,需求分析阶段,（1）业务流程图,刊物信息管理业务流程图,需求分析阶段,（2）数据流图（Data Flow Diagram DFD） DFD表达数据和处理过程的关系

13、。 DFD用来描述数据流动和处理，不表示程序控制结构 通常采用自顶向下，逐层分解的方法，由系统外部至系统内部、由总体到局部、由抽象到具体地描述信息系统的逻辑模型。,（2）数据流图（DFD）,1）系统关联图 根据业务情况，划分系统边界，确定外部项。即确定数据的来源和去处，把系统作为一个加工环节。,（2）数据流图（DFD）,例：学术刊物管理系统关联图 F1：稿件F2：送审信息F3：评审结果F4：订阅信息,（2）数据流图（DFD）,2）顶层数据流图 确定系统的主要信息处理功能，并明确各功能之间的关系，绘制顶层数据流图,顶层数据流图,（2）数据流图（DFD）,3）据流图的分解 顶层数据流图结构简单，描

14、述的数据处理和存储过于抽象，还需进一步细化。 对每个加工（处理）进一步分解，得到下一层数据流图。,第一层数据流图,（3）数据字典,对数据流图进行说明。 包括： 数据项描述（名，含义，类型，长度，取值，与其它项逻辑关系等）； 数据结构描述（名，含义，组成）； 数据流（名，含义，组成，流出过程，流入过程）； 数据存储（名，含义，组成，数据量，存取方式）；,数据字典举例,在上述ER图中，数据流F1是作者提交稿件。稿件信息有数据项稿件编号，描述如下 数据项名：稿件编号 说明：标识用户提交的稿件 类型：int 长度：16 别名：无 取值范围：132767,数据字典举例,在上述ER图中，数据流F1是作者提

15、交稿件。稿件信息有数据项稿件编号，描述如下 数据项名：稿件编号 说明：标识用户提交的稿件 类型：int 长度：16 别名：无 取值范围：132767,2.2 ER模型的基本概念,提出：Peter Chen于1976年在论文“实体联系模型：将来的数据模型”中提出 本节内容 2.2.1 ER模型的基本元素 2.2.2 属性的分类 2.2.3 联系的设计 2.2.4 ER模型的操作 2.2.5 采用ER模型的数据库概念设计步骤,2.2.1 ER模型的基本元素,实体、联系、属性 1、实体 P36 实体、实体集、实体类型：统称为实体 ER模型中提到的实体为实体集 实体用有实体命名（名词）的方框表示 2、

16、联系 联系、联系集、联系类型：统称为联系 ER模型中的联系为联系集 联系用有联系命名（动名词）菱形框表示，并用线段连接相关实体 同一实体在不同的联系中有不同的角色 P37,2.2.1 ER模型的基本元素,3、属性 P38 实体的某一特性为属性，用椭圆表示 实体标示符（主键）：唯一表示实体的属性或属性集 一个实体只有一个标示符，带下划线 属性域（值域）是属性的可能取值范围 实体若干属性的一组特定值确定一个实体 实体属性值是数据库的主要数据,2.2.2 属性的分类,1、简单属性和复合属性：根据属性类别 P38 2、单值属性和多值属性：根据属性取值特点 多值属性用双椭圆表示 P39 多值属性会造成数

17、据异常、数据不一致和完整性缺陷 （1）将原来的多值属性用多个新的单值属性表示 （2）原来的多值属性转换为一个新的实体（弱实体）P39 3、存储属性和派生属性 P39 4、允许为空值的属性,2.2.3 联系的设计三,1、联系的元数 P40 一元联系（递归联系）、二元联系、三元联系 2、联系类型的约束：限制参与联系的实体数目 （1）基数约束 P41 参与一个联系中的实体数目为映射基数 二元联系中映射基数有：1:1、1:N、M:N、M:1四种 P41 （2）参与约束：完全参与、部分参与 P45 完全参与用双线便表示，部分参与用单线边表示 为了简化，都用单线边表示联系,2.2.4 ER模型的操作,ER

18、模型的操作是对ER图进行变化 ER模型的操作包括实体类型、联系类型和属性的分裂、合并、增删等等。 属性分裂方式：水平分裂、垂直分裂 P45 联系分裂：P46 合并是分裂操作的逆过程 合并的联系类型必须是定义在相同实体类型组合中,2.2.5 采用ER模型的概念设计步骤,1、设计局部ER模型 目标：分而治之，更好的模拟现实世界 步骤 确定局部结构范围 依据用户自然划分、按用户需要的服务分类划分 需要考虑的因素 P47 定义实体 确定实体的属性和键 实体、属性、联系无截然的区分界线 ，划分依据：P47 定义联系：避免冗余 P47 分配属性 任务：确定属性并分派到实体和联系中 确定属性的原则 P48,

19、2.2.5 采用ER模型的概念设计步骤,2、设计全局ER模型 任务：将局部ER模型综合成完整、一致的全局概念结构 综合ER模型的步骤 P48 确定公共实体类型：合并的基础 合并局部ER模型：合并原则 消除冲突（属性冲突、结构冲突、命名冲突）,2.2.5 采用ER模型的概念设计步骤,3、全局ER模型优化 好的全局ER模型的判别条件 全局ER模型的优化原则 P49 合并实体类型 消除冗余属性 消除冗余联系,2.3 关系模型的基本概念,2.3.1关系模型的基本术语 2.3.2关系的定义和性质 2.3.3三类完整性规则,2.3 关系模型的基本概念,2.3.1关系模型的基本术语,用二维表表示实体集，用关

20、键码表示实体之间联系的数据模型为关系模型(Relational Model)。 二维表格 P52 基本术语：字段、字段值、记录、元数、基数 术语的对照关系P52 关键码（键）有一个或多个属性组成P52 超键 候选键 主键 外键,2.3.2关系的定义和性质,关系是一个属性数目相同的元组的集合。 有限关系和无限关系 P53 关系与二维表格、传统数据文件区别 关系中每一个属性值都不可分解 关系中不允许出现重复元组 关系是一个集合，不考虑元组间的顺序，即没有行序 元组中的属性是无序的，按习惯考虑列的顺序,2.3.3三类完整性规则,为了维护数据库中数据与现实世界的一致性，关系模型提供了数据的语义限制：完

21、整性规则 三类完整性规则 P53 1、实体完整性规则 主属性不能为空 2、参照完整性规则 “不引用不存在的实体”，即外部健所引用的实体存在 具体使用时的变通 3、用户定义完整性规则 用户定义的针对某一个具体数据的约束条件 完整性规则的形式定义,2.4 ER模型到关系模型的转换,2.4.1 ER图转换成关系模式集的算法 2.4.2 采用ER模型的逻辑设计步骤,2.4.1 ER图转换成关系模式集的算法,将实体类型、联系类型转换成关系模式 实体类型的转换 每个实体类型转换为一个关系模式 实体的属性就是关系模式的属性 实体标识符就是关系模式的键 联系类型的转换：分情况处理 二元联系类型的转换 一元联系

22、类型的转换 三元联系类型的转换,2.4.1 ER图转换成关系模式集的算法,二元联系类型的转换 （1）实体之间的联系是1:1的 先将两个实体分别转换成关系模式 可以在两个实体类型转换成的关系模式中的任意一个关系模式加入另一了关系模式的键和联系的属性作为联系类型的属性,转换成关系模式 校长（姓名，年龄，电话，任职年月，学校名） 学校（学校名，地址）,2.4.1 ER图转换成关系模式集的算法,二元联系类型的转换 （2）实体之间的联系是1:n的 先将两个实体分别转换成关系模式 在n端实体的关系模式中加入1端实体的主键以及联系类型的属性 （3）实体之间的联系是m:n的 先将两个实体分别转换成关系模式 联系也转换称关系模式，其属性为两端实体类型的键加上联系类型的属性,2.4.1 ER图转换成关系模式集的算法,二元联系类型的转换 关系模式1：作者（作者姓名，作者地址） 关系模式2：稿件（稿件编号，稿件名称） 关系模式3：投稿（作者姓名，稿件编号，投稿日期） 关系模式4：编委（编委姓名，联系方式） 关系模式5：审稿（编委姓名，稿件编号，投稿日期）,2.4.1 ER图转换成