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1、第4章 数据库设计基础1内容提要 数据库的基本概念：数据库，数据库管理 系统，数据库系统。 数据模型，实体联系模型及E-R图，从E- R图导出关系数据模型。 关系代数运算，包括集合运算及选择、投 影、连接运算。 数据库设计方法和步骤：需求分析、概念 设计、逻辑设计和物理设计的相关策略。24.1 数据库系统的基本概念34.1.1 数据、数据库、数据库管 理系统(续) 1数据 数据 描述事物的符号记录，用物理符号记录下来的可以鉴别的信 息 物理符号：数字、文字、图形、图像声音及其他特殊符号。 多种表现形式：数字化 计算机中数据分为两部分： 临时性数据 持久性数据 数据有型（Type）与值（Valu
2、e）之分 型：数据表示的类型，如整型、实型、字符型等 值：给出了符合给定型的值 44.1.1 数据、数据库、数据库管 理系统(续) 2数据库 数据库Database，简称DB 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 程序所共享 按数据所提供的数据模式存放的 特点： 较小的冗余度 较高的数据独立性 易扩展性 为多个用户所共享54.1.1 数据、数据库、数据库管 理系统(续) 3数据库管理系统 数据库管理系统Database Management System ，简称DBMS 数据库的管理机构，职能是有效地组织、存储、获取 和管理数据，接受及
3、完成用户提出的访问数据的各种 请求 数据库系统的核心 DBMS的功能 数据模式定义 数据存取的物理构建 数据操纵。 数据的完整性、安全性定义与检查 数据库的并发控制与故障恢复 数据的服务64.1.1 数据、数据库、数据库管 理系统(续) 3数据库管理系统 数据库语言 数据定义语言DDL 数据操纵语言DML 数据控制语言DCL 数据语言的使用 交互式命令语言 宿主型语言 常见的DBMS ORACLE、Sybase的PowerBuilder、IBM的DB2、微软的 SQL Server 微软的Visual FoxPro、Access，功能简单74.1.1 数据、数据库、数据库管 理系统(续) 4数
4、据库管理员 数据库管理员Database Administrator， 简称DBA 对数据库的规划、设计、维护、监视等的人 员 其主要工作有： 数据库设计 数据库维护 改善系统性能，提高系统效率84.1.1 数据、数据库、数据库管 理系统(续) 5数据库系统 数据库系统Database System，简称DBS 拥有数据库技术支持的计算机系统 实现有组织地、动态地存储大量相关数据，提供数据 处理和资源共享服务 组成： 数据库（数据） 数据库管理系统（软件） 数据库管理员（人员） 用户94.1.1 数据、数据库、数据库管 理系统(续) 6数据库应用系统 数据库应用系统Database Appli
5、cation System， 简称DBAS 组成：数据库系统+应用软件+应用界面104.1.2 数据库系统的发展 人工管理阶段114.1.2 数据库系统的发展 文件系统阶段124.1.2 数据库系统的发展 数据库系统阶段 134.1.3 数据库系统的基本特点 数据的集成性 数据的高共享性与低冗余性 数据独立性 物理独立性 逻辑独立性 数据统一管理与控制 数据的完整性检查： 数据的安全性保护 并发控制144.1.4 数据库系统的内部结构体 系 三级模式 概念级模式 内部级模式 外部级摸式 二级映射 概念级到内部级的映 射 外部级到概念级的映 射154.1.4 数据库系统的内部结构体 系 l数据库
6、系统的三级模式 概念级模式 数据库中全体数据逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据 视图 一个数据库只有一个概念模式 内部级模式 又称物理模式 数据库物理存储结构与物理存取方法 对一般用户是透明的，直接影响数据库的性能 一个数据库只有一个内模式。 外部级摸式 也称子模式或用户模式 数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述 用户的数据视图 一个数据库可以有多个外模式164.1.4 数据库系统的内部结构体 系 2数据库系统的两级映射 概念模式内模式的映射 存在于概念级和内部级之间 实现了概念模式到内模式之间的相互转换 保证数据具有很高的物理独立性 外模式概念模式的映射： 存在于
7、外部级和概念级之间 实现了外模式到概念模式之间的相互转换 保证数据具有较高的逻辑独立性174.2 数据模型184.2.1 数据模型的基本概念 数据模型，是对现实世界中数据的模拟和抽象 。 数据模型的分类 概念模型：现实世界在人脑中的反映； 逻辑模型：按计算机系统的观点对数据建模； 物理模型：反映数据的存储结构。 数据模型的组成要素 数据结构：所研究的对象类型的集合； 数据操作：对数据库中各种对象的值允许执行操作的 集合； 数据的约束条件：一组完整性规则的集合。194.2.2 E-R模型 1.基本概念 实体 属性 联系 一对一（1：1） 一对多（1：M或M：1） 多对多（M：N） 2.三个基本概
8、念之间的联接关系 实体集与属性间的联接关系 实体与联系204.2.2 E-R模型 3E-R型的图示法 实体集：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，实体集与属性间的联接关 系：用无向线段表示214.2.3 层次模型 一种树形结构 数据结构比较简单，操 作简单 对于实体间联系是固定 的、且预先定义好的应 用系统，有较高的性能 可以提供良好的完整性 支持 不适合表示非层次性的 联系，对于插入和删除 操作的限制比较多224.2.4 网状模型 一个不加任何条件限制 的无向图 优于层次模型 使用时设计系统内部的 物理因素较多，用户
9、操 作不方便，其数据模式 与系统实现不甚理想234.2.5 关系模型 1关系的数据结构学号姓名性别出生年月籍贯 20054102张洁然男07-07-87上海 20054103李一明男05-01-86安徽合肥 20069301王文燕女11-06-88山东青 岛 20069302刘 宏男10-17-87江苏南京属性元组表框架 244.2.5 关系模型 主要术语 关系：一个关系就是一张二维表 元组：表中的一行 属性：表中的一个列 属性域：属性的取值范围 分量：元组中的一个属性值 主码：唯一地标识表中一个元组，主码属性不能取空值 外部关键字：与另一个关系的关键字相对应的属性组 关系模式：对一个关系的结
10、构描述 关系名( 属性1, 属性2, . , 属性n )254.2.5 关系模型 关系的性质 元组个数有限性 元组的惟一性 元组的次序无关性 元组分量的原子性 属性名惟一性 属性的次序无关性 分量值域的同一性264.2.5 关系模型 2关系操纵 数据查询 数据删除 数据插入 数据修改274.2.5 关系模型 3数据完整性约束 实体完整性约束 主键中属性值不能为空值 参照完整性约束 实体及实体间的联系 用户定义的完整性约束 具体应用要求来定义的约束条件284.3 关系代数294.3 关系代数 1.关系模型的基本操作 四种基本操作 插入、删除、修改和查询 进一步分解成六种基本操作 关系的属性指定
11、关系的元组的选择 两个关系的合并 关系的查询 关系元组的插入 关系元组的删除304.3 关系代数 2传统的集合运算 关系代数是以对关系的集合运算为基础，分 为传统的集合运算和专门的关系运算，其运 算对象是关系，运算结果也是关系。 传统的集合运算包括并、交、差、广义笛卡 尔积四种运算。其中并、交、差要求参与运 算的两个关系的属性个数相同，且相应的属 性出自同一个域；广义笛卡尔积则无此限制 。314.3 关系代数 （1）并（Union） 关系R和S具有相同的关系模式，R和S的并是 由属于R或属于S的元组构成的集合。可表示 为： （2）差（Difference） 关系R和S具有相同的关系模式，R和S
12、的差是 由属于R但不属于S的元组构成的集合。可表 示为：324.3 关系代数 （3）交（Intersection） 关系R和S具有相同的关系模式，R和S的交是由属于 R且属于S的元组构成的集合。可表示为： （4）广义笛卡尔积 设关系R和S的属性个数分别为n、m，则R和S的广 义笛卡尔积是一个有（n+m）列的元组的集合。每个 元组的前n列来自R的一个元组，后m列来自S的一个 元组，记为RS。334.3 关系代数 例：有两个关系R和S，分别进行并、差、交和 广义笛卡尔积运算。344.3 关系代数 3专门的关系运算 （1）选择（Selection） 在关系中选择满足某些条件的元组，即消去某些 行，可
13、表示为： （2）投影（Projection） 在关系中选择某些属性列，即消去某些列，可表 示为：354.3 关系代数 例：在学生关系中 查询1980年以后出生的学生名单，表达式为 ： 查询所有学生的“姓名”、“性别”，表达式为：364.3 关系代数 （3）连接（Join） 当一个查询需要来自两个或多个关系的数据时就要用连接操作 。连接是从两个关系的笛卡尔积中选取属性间满足一定条件的 元组。可表示为： 其含义是，从关系R和S的广义笛卡尔积RS中选取R关系在A属 性组上的值与S关系在B属性组上的值满足比较关系的元组。 1）等值连接：当连接条件中的比较运算符为“=” 。可表示为： 2）自然连接：要求
14、连接时两个关系中进行相等比较的分量必须 是相同属性组，且在结果中将相同的属性列去掉。即若关系R和 S具有相同属性组B，则自然连接可记作： 374.3 关系代数 例如，有两个关系R和S 关系T：条件为“R.学号S.学号”的连接运算 关系U：条件为“R.学号=S.学号”的等值连接 关系V：进行自然连接 384.3 关系代数394.3 关系代数 （4）除（Division） 笛卡尔乘积的逆运算404.4 数据库设计与管理414.4.1 数据库设计概述 设计一个能满足用户要求，性能良好的数据库 基本任务：根据用户对象的信息需求、处理需 求和数据库的支持环境设计出数据模式 两种方法： 以信息需求为主，兼
15、顾处理需求（面向数据的方法） 以处理需求为主，兼顾信息需求（面向过程的方法） 面向数据的设计方法已成为主流方法424.4.1 数据库设计概述 一般采用生命周期法， 分若干阶段 需求分析阶段 概念设计阶段 逻辑设计阶段 物理设计阶段 编码阶段 测试阶段 运行阶段 进一步修改阶段 在数据库设计中采用前 四个阶段，并且重点以 数据结构与模型的设计 为主线434.4.2 数据库设计的需求分析 任务：通过详细调查现实世界要处理的对象， 充分了解原系统的工作概况，明确用户的各种 需求，然后在此基础上确定新系统的功能 重点：是“数据”和“处理” 方法：结构化分析方法、和面向对象的方法 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 数据字典是在需求分析阶段建立，在数据库设 计
