数据库设计 - 概念和逻辑结构设计

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1、第10讲 数据库设计概念和逻辑结构设计浙江大学宁波理工学院计算机系 肖 辉 数据库设计过程数据库设计各阶段描述10.1 概念结构设计n1976年P.P.S.Chen提出在逻辑结构 设计之前先设计一个概念模型，并提出了数据库设计的实体-联系方法Entity-Relationship Approachn目前成为数据库设计中通用的工具E-R模型设计工具nSybase公司的PowerDesigner DataArchitectn微软公司Microsoft InfoModeler (VisioModeler)nERWin10.2 概念结构设计的方法与步骤n设计概念结构的四类方法q自顶向下n 首先定义全局

2、概念结构的框架，然后逐步细化q自底向上n 首先定义各局部应用的概念结构，然后将它们 集成起来，得到全局概念结构设计概念结构的四类方法q逐步扩张n 首先定义最重要的核心概念结构，然后向外扩 充，以滚雪球的方式逐步生成其他概念结构，直 至总体概念结构q混合策略n 将自顶向下和自底向上相结合，用自顶向下策 略设计一个全局概念结构的框架，以它为骨架集 成由自底向上策略中设计的各局部概念结构。自顶向下自底向上逐步扩张概念结构设计的方法与步骤（续）n常用策略（P211图7.8）q自顶向下地进行需求分析q自底向上地设计概念结构n自底向上设计概念结构的步骤（P211图7.9） q第1步：抽象数据并设计局部视图

3、q第2步：集成局部视图，得到全局概念结构10.3 E-R图n基本符号实体的表示：用长方形 联系的表示：用菱形，1:1、1:n (m:1)、(m:n) 属性的表示：用椭圆形10.4 E-R图设计n在数据分析的基础上，就可以着手设 计概念结构。nE-R图设计的步骤：1. 选择局部应用，设计局部分ER图 2. 综合各局部E-R图，形成总的E-R图，消除冲突和 冗余，得到基本ER图10.4.1 设计局部分E-R图n需求分析阶段，已用多层数据流图和数据字典描述了 整个系统。n设计分E-R图首先需要根据系统的具体情况，在多层的数据流图中选择一个适当层次的数据流图，让这组 图中每一部分对应一个局部应用，然后

4、以这一层次的 数据流图为出发点，设计分E-R图。 10.4.1 设计局部分E-R图n任务q标定局部应用中的实体、属性、码，实体间的联 系n将各局部应用涉及的数据分别从数据字典中抽 取出来，参照数据流图，标定各局部应用中的 实体、实体的属性、标识实体的码，确定实体 之间的联系及其类型（1:1，1:n，m:n）设计局部分E-R图（2）n如何抽象实体和属性q实体：现实世界中一组具有某些共同特性和行为的 对象就可以抽象为一个实体。对象和实体之间是“is member of“的关系。例：在学校环境中，可把张三、李四等对象抽象为学 生实体。设计局部分E-R图（3）q属性：对象类型的组成成分可以抽象为实体的

5、属 性。组成成分与对象类型之间是“is part of“的关系。例：学号、姓名、专业、年级等可以抽象为学生实体的属性。其中学号为标识学生实体的码。设计局部分E-R图（4）n如何区分实体和属性q实体与属性是相对而言的。同一事物，在一种应用 环境中作为“属性”，在另一种应用环境中就必须作 为“实体”。例：学校中的系，在某种应用环境中，它只是作为“ 学生”实体的一个属性，表明一个学生属于哪个系； 而在另一种环境中，由于需要考虑一个系的系主 任、教师人数、学生人数、办公地点等，这时它就 需要作为实体了。设计局部分E-R图（4）n确定实体与属性的原则q属性不能再具有需要描述的性质。即属性必须是不 可分的

6、数据项，不能再由另一些属性组成。q属性不能与其他实体具有联系。联系只发生在实体 之间。q凡能够作为属性对待的，应尽量作为属性分E-R图设计实例实例：P214 分E-R图设计实例1n例1：一个机械制造厂的简单管理系统。n首先按工厂技术部门和工厂供应部门设计两个 局部E-R图。q工厂技术部门关心的是产品的性能参数，及由哪些 零件组成，零件的材料和耗用量等；q工厂供应部门关心的是产品的价格，使用材料的价 格及库存量等。分E-R图设计实例2n实例：P214 10.4.2 局部视图集成n各个局部视图即分E-R图建立好后，还需要对它们进行合并，集成为一个整体的数据概念结构即总E-R图。视图的集成方式n视图

7、集成的两种方式q一次集成n一次集成多个分E-R图n通常用于局部视图比较简单时q逐步累积式n首先集成两个局部视图（通常是比较关键的两个 局部视图）n以后每次将一个新的局部视图集成进来视图的集成过程一、合并分E-R图，生成初步E-R图n各分图存在冲突q各个局部应用所面向的问题不同 由不同的设计人员进行设计各个分E-R图之间必定会存在许多不一致的地方q合并分E-R图的主要工作与关键所在：合理消除各 分E-R图的冲突合并分E-R图，生成初步E-R图（续）n冲突的种类q属性冲突q命名冲突q结构冲突 属性冲突n两类属性冲突q属性域冲突：属性值的类型、取值范围或取值集 合不同。q属性取值单位冲突。 命名冲突

8、n两类命名冲突q同名异义：不同意义的对象在不同的局部应用中具 有相同的名字q异名同义：同一意义的对象在不同的局部应用中具 有不同的名字n命名冲突可能发生在属性级、实体级、联系级 上。其中属性的命名冲突更为常见。 结构冲突n三类结构冲突q同一对象在不同应用中具有不同的抽象例，“课程”在某一局部应用中被当作实体在另一局部应用中则被当作属性n解决方法：通常是把属性变换为实体或把实体变 换为属性，使同一对象具有相同的抽象。变换时 要遵循两个准则。结构冲突（续）q同一实体在不同局部视图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。n产生原因：不同的局部应用关心的是该实体的不 同侧面。n解决方

9、法：使该实体的属性取各分E-R图中属性的并集，再适当设计属性的次序。结构冲突（续）q实体之间的联系在不同局部视图中呈现不同的类型 例1， 实体E1与E2在局部应用A中是多对多联系， 而在局部应用B中是一对多联系例2， 在局部应用X中E1与E2发生联系，而在局部 应用Y中E1、E2、E3三者之间有联系。n解决方法：根据应用语义对实体联系的类型进 行综合或调整。初步ER图集成示例二、修改与重构n基本任务q消除不必要的冗余，设计生成基本E-R图合并初步E-R图分E-R图可能存在冗余的数据 和冗余的实体间联系基本E-R图消除不必要的冗余修改与重构（续）1什么是冗余2消除冗余的方法1冗余n冗余的数据是指

10、可由基本数据导出的数据， 冗余的联系是指可由其他联系导出的联系。 n冗余数据和冗余联系容易破坏数据库的完整性，给数 据库维护增加困难n并不是所有的冗余数据与冗余联系都必须加以消除， 有时为了提高某些应用的效率，不得不以冗余信息作 为代价。 冗余（续）n设计数据库概念结构时，哪些冗余信息必须消除，哪 些冗余信息允许存在，需要根据用户的整体需求来确 定。n消除不必要的冗余后的初步E-R图称为基本E-R图。2消除冗余的方法n分析方法q以数据字典和数据流图为依据，根据数据字典中关于数据项之间逻辑关系的说明来消除冗余。消除冗余的方法(续)例，教师工资单中包括该教师的基本工资、各种补 贴、应扣除的房租水电

11、费以及实发工资。由于实发工资可以由前面各项推算出来，因此可以去掉，在需要查询实发工资时根据基本工资、各种补贴、应扣除的房租水电费数据临时生成。消除冗余的方法（续）q如果是为了提高效率，人为地保留了一些冗余数据，则应把数据字典中数据关联的说明作为完整性约束条件。q一种更好的方法是把冗余数据定义在视图中消除冗余的方法（续）n规范化理论 1.确定分E-R图实体之间的数据依赖FL 。实体之间一对 一、一对多、多对多的联系可以用实体码之间的函数依 赖来表示。2. 求FL的最小覆盖GL ，差集为D = FL-GL。逐一考察D中的函数依赖，确定是否是冗余的联系，若 是，就把它去掉。三、验证整体概念结构n视图

12、集成后形成一个整体的数据库概念结构，对该整 体概念结构还必须进行进一步验证，确保它能够满足 下列条件：q整体概念结构内部必须具有一致性，不存在互相矛 盾的表达。q整体概念结构能准确地反映原来的每个视图结构， 包括属性、实体及实体间的联系。q整体概念结构能满足需要分析阶段所确定的所有要 求。验证整体概念结构（续）n整体概念结构最终还应该提交给用户，征求用户和有关人员的意见，进行评审、修改和优化，然后把它确定下来，作为数据库的概念结构，作为进一步设计数据库的依据。基本ER图示例概念结构设计小结n1. 根据局部应用，设计分E-R图（确定实体和 属性的原则）n2. 将局部分E-R图集成，形成总的初步E

13、-R图n3. 消除数据和联系的冗余，设计基本E-R图10.5 逻辑结构设计n逻辑结构设计的任务q概念结构是各种数据模型的共同基础q为了能够用某一DBMS实现用户需求，还必须将概念结构进一步转化为相应的数据模型，这正是数据库逻辑结构设计所要完成的任务。逻辑结构设计转化为 一般数 据模型转化为特 定DBMS 支持下的 据模型优化模 型 概念结 构设计数据库 物理设计基本E-R图 转换规 则特定 DBMS的 特点与限 制优化方法 如规范化 理论逻辑 模型10.5 逻辑结构设计10.5.1 E-R图向关系模型的转换10.5.2 向特定DBMS规定的模型进行转换10.5.3 数据模型的优化10.5.4

14、设计用户子模式10.5.1 E-R图向关系模型的转换n转换内容n转换原则E-R图向关系模型的转换（续）n转换内容qE-R图由实体、实体的属性和实体之间的联系三个要素组成q关系模型的逻辑结构是一组关系模式的集合q将E-R图转换为关系模型：将实体、实体的属性和实体之间的联系转化为关系模式。E-R图向关系模型的转换（续）n转换原则 一个实体型转换为一个关系模式。q关系的属性：实体型的属性q关系的码：实体型的码学生学号出生 日期年级所在系 平均 成绩姓名例，学生实体可以转换为如下关系模式：学生（学号，姓名，出生日期，所在系，年级，平均成 绩）性别、宿舍、班级、档案材料、教师、课程、教室、 教科书都分别

15、转换为一个关系模式。E-R图向关系模型的转换（续） 一个m:n联系转换为一个关系模式。q关系的属性：与该联系相连的各实体的码以及联系 本身的属性q关系的码：各实体码的组合例，“选修”联系是一个m:n联系，可以将它转换为如 下关系模式，其中学号与课程号为关系的组合码：选修（学号，课程号，成绩）E-R图向关系模型的转换（续） 一个1:n联系可以转换为一个独立的关系模式 ，也可以与n端对应的关系模式合并。q1) 转换为一个独立的关系模式n关系的属性：与该联系相连的各实体的码以及联 系本身的属性n关系的码：n端实体的码E-R图向关系模型的转换（续）2) 与n端对应的关系模式合并n合并后关系的属性：在n

16、端关系中加入1端关系的 码和联系本身的属性n合并后关系的码：不变q可以减少系统中的关系个数，一般情况下更倾向于 采用这种方法E-R图向关系模型的转换（续）例，“组成”联系为1:n联系。 将其转换为关系模式的两种方法：1)使其成为一个独立的关系模式：组成（学号，班级号）2)将其学生关系模式合并： 学生（学号，姓名，出生日期，所在系，年级，班级号，平均成绩）E-R图向关系模型的转换（续） 一个1:1联系可以转换为一个独立的关系模式，也 可以与任意一端对应的关系模式合并。q1) 转换为一个独立的关系模式n关系的属性：与该联系相连的各实体的码以及 联系本身的属性n关系的候选码：每个实体的码均是该关系的候 选码E-R图向关系模型的转换（续）q2) 与某一端对应的关系模式合并n合并后关系的属性：加入对应关系的码和联系本 身的属性n合并后关系的码：不变E-R图向关系模型的转换（续）例，“管理”联系为1:1联系，可以有三种转