《数据库基础》PPT课件.ppt

2007-8-21第四章 数据库设计基础2第四章第四章 数据库设计基础数据库设计基础2007-8-21第四章 数据库设计基础34.1 数据库系统的基本概念数据库系统的基本概念 1、数据、数据库、数据管理系统、数据、数据库、数据管理系统数据数据：实际上就是描述事物的符号记录。：实际上就是描述事物的符号记录。数据的特点：有一定的结构，数据的特点：有一定的结构，有型与值之分有型与值之分。数据。数据的型给出了数据表示的类型，如整型、实型、字符的型给出了数据表示的类型，如整型、实型、字符型等。而数据的值给出了符合给定型的值，如整型型等。而数据的值给出了符合给定型的值，如整型（int）值）值15。数据库（数据库（DB）：）：是数据的集合，具有统一的结构形是数据的集合，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。集成，并可被各个应用程序所共享。数据库存放数据是按数据所提供的数据模式存放的，数据库存放数据是按数据所提供的数据模式存放的，具有集成与共享的特点具有集成与共享的特点。2007-8-21第四章 数据库设计基础44.1 数据库系统的基本概念数据库系统的基本概念 数据库管理系统（数据库管理系统（DBMS）：一种系统软件，负责）：一种系统软件，负责数据库中的数据组织、数据操纵、数据维护、控制数据库中的数据组织、数据操纵、数据维护、控制及保护和数据服务等，是及保护和数据服务等，是数据库的核心数据库的核心。 数据库管理系统功能：（1）数据模式定义，即为数据库构建其数据框架。）数据模式定义，即为数据库构建其数据框架。（2）数据存取的物理构建：为数据模式的物理存取与构建）数据存取的物理构建：为数据模式的物理存取与构建提供有效的存取方法与手段。提供有效的存取方法与手段。（3）数据操纵：为用户使用数据库的数据提供方便，如查）数据操纵：为用户使用数据库的数据提供方便，如查询、插入、修改、删除等以及简单的算术运算及统计。询、插入、修改、删除等以及简单的算术运算及统计。（4）数据的完整性、安生性定义与检查。）数据的完整性、安生性定义与检查。（5）数据库的并发控制与故障恢复。）数据库的并发控制与故障恢复。（6）数据的服务，如数据拷贝、转存、重组、性能监测、）数据的服务，如数据拷贝、转存、重组、性能监测、分析等。分析等。 2007-8-21第四章 数据库设计基础54.1 数据库系统的基本概念数据库系统的基本概念 为完成以上六个功能，数据库管理系统提供以下的为完成以上六个功能，数据库管理系统提供以下的数据语言：数据语言：（1）数据定义语言）数据定义语言：负责数据的模式定义与数据的物理负责数据的模式定义与数据的物理存取构建。存取构建。（2）数据操纵语言）数据操纵语言：负责数据的操纵，包括查询及增、负责数据的操纵，包括查询及增、删、改等操作。删、改等操作。（3）数据控制语言）数据控制语言：负责数据完整性、安全性的定义与负责数据完整性、安全性的定义与检查以及并发控制、故障恢复等功能。检查以及并发控制、故障恢复等功能。数据语言按其使用方式具有以下两种结构形式数据语言按其使用方式具有以下两种结构形式：（1）交互式命令）交互式命令(又称自含型或自主型语言又称自含型或自主型语言)：它的语言：它的语言简单，能在终端上即时操作。简单，能在终端上即时操作。（2）宿主型语言）宿主型语言：它一般可嵌入某些宿主语言中，如它一般可嵌入某些宿主语言中，如C，C+等高级过程语言中。等高级过程语言中。2007-8-21第四章 数据库设计基础64.1 数据库系统的基本概念数据库系统的基本概念数据库管理员（数据库管理员（DBA）：）：对数据库进行规划、设对数据库进行规划、设计、维护、监视等的专业管理人员。计、维护、监视等的专业管理人员。数据库系统（数据库系统（DBS）：）：由由数据库（数据）、数据库数据库（数据）、数据库管理系统（软件）、数据库管理员（人员）、硬管理系统（软件）、数据库管理员（人员）、硬件平台（硬件）、软件平台（软件）件平台（硬件）、软件平台（软件）五个部分构五个部分构成的运行实体。成的运行实体。数据库应用系统数据库应用系统：由：由数据库系统数据库系统、应用软件应用软件及及应用应用界面界面三者组成。三者组成。数据库技术的根本目标数据库技术的根本目标是解决数据的是解决数据的共享问题共享问题。2007-8-21第四章 数据库设计基础74.1 数据库系统的基本概念数据库系统的基本概念2、数据库系统的发展、数据库系统的发展数据库管理发展至今已经历了三个阶段：数据库管理发展至今已经历了三个阶段：人工管理阶段人工管理阶段文件系统阶段文件系统阶段数据库系统阶段数据库系统阶段3、数据库系统的基本特点、数据库系统的基本特点（1）数据的集成性。）数据的集成性。 （2）数据的高共享性与低冗余性。）数据的高共享性与低冗余性。（3）数据独立性。）数据独立性。（4）数据统一管理与控制）数据统一管理与控制 数据库系统可以数据库系统可以减少数据冗余减少数据冗余，但无法避免一切冗余。但无法避免一切冗余。2007-8-21第四章 数据库设计基础8（3）数据独立性）数据独立性数据独立性是数据与程序间的互不依赖性，即数据库中数据数据独立性是数据与程序间的互不依赖性，即数据库中数据独立于应用程序而不依赖于应用程序。也就是说，数据的独立于应用程序而不依赖于应用程序。也就是说，数据的逻辑结构、存储结构与存取方式的改变不会影响应用程序。逻辑结构、存储结构与存取方式的改变不会影响应用程序。数据独立性数据独立性一般分为一般分为物理独立性物理独立性与与逻辑独立性逻辑独立性两级。两级。物理独立性物理独立性：物理独立性即是数据的物理结构（包括存储结：物理独立性即是数据的物理结构（包括存储结构，存取方式等）的改变，如存储设备的更换、物理存储构，存取方式等）的改变，如存储设备的更换、物理存储的更换、存取方式改变等都不影响数据库的逻辑结构，从的更换、存取方式改变等都不影响数据库的逻辑结构，从而不致引起应用程序的变化。而不致引起应用程序的变化。逻辑独立性逻辑独立性：数据库总体逻辑结构的改变，如修改数据模式、：数据库总体逻辑结构的改变，如修改数据模式、增加新的数据类型、改变数据间联系等，不需要相应修改增加新的数据类型、改变数据间联系等，不需要相应修改应用程序，这就是数据的逻辑独立性。应用程序，这就是数据的逻辑独立性。2007-8-21第四章 数据库设计基础9 （4）数据统一管理与控制）数据统一管理与控制数据统一管理与控制主要包含以下三个方面：数据统一管理与控制主要包含以下三个方面：1）数据的完整性检查数据的完整性检查：检查数据库中数据的正确性：检查数据库中数据的正确性以保证数据的正确。以保证数据的正确。2）数据的安全性保护数据的安全性保护：检查数据库访问者以防止非：检查数据库访问者以防止非法访问。法访问。3）并发控制并发控制：控制多个应用的并发访问所产生的相：控制多个应用的并发访问所产生的相互干扰以保证其正确性。互干扰以保证其正确性。2007-8-21第四章 数据库设计基础10 4、数据库系统的内部结构体系、数据库系统的内部结构体系数据库系统的数据库系统的三级模式三级模式：（1）概念模式）概念模式：数据库系统中全局数据逻辑结构：数据库系统中全局数据逻辑结构的描述，是全体用户（应用）公共数据视图。的描述，是全体用户（应用）公共数据视图。（2）外模式）外模式：也称子模式或用户模式，它是用户：也称子模式或用户模式，它是用户的数据视图，也就是用户所见到的数据模式，它的数据视图，也就是用户所见到的数据模式，它由概念模式推导而出。由概念模式推导而出。（3）内模式）内模式：又称物理模式，它给出了数据库物：又称物理模式，它给出了数据库物理存储结构与物理存取方法。内模式的物理性主理存储结构与物理存取方法。内模式的物理性主要体现在操作系统及文件级上，它还未深入到设要体现在操作系统及文件级上，它还未深入到设备级上（如磁盘及磁盘操作）。内模式对一般用备级上（如磁盘及磁盘操作）。内模式对一般用户是透明的，但它的设计直接影响数据库的性能。户是透明的，但它的设计直接影响数据库的性能。2007-8-21第四章 数据库设计基础11 4、数据库系统的内部结构体系、数据库系统的内部结构体系数据库系统的两级映射数据库系统的两级映射：（1）概念模式到内模式的映射；）概念模式到内模式的映射；（2）外模式到概念模式的映射。）外模式到概念模式的映射。概念模式到内模式的映射保证数据的物理独立性，概念模式到内模式的映射保证数据的物理独立性，外模式到概念模式的映射保证数据的逻辑独立性。外模式到概念模式的映射保证数据的逻辑独立性。2007-8-21第四章 数据库设计基础12 4.2 数据模型数据模型 1、数据模型、数据模型数据模型的概念：是数据特征的抽象，它从抽象层次上描述数据模型的概念：是数据特征的抽象，它从抽象层次上描述了系统的静态特征、动态行为和约束条件，为数据库系统了系统的静态特征、动态行为和约束条件，为数据库系统的信息表示与操作提供一个抽象的框架。数据模型所描述的信息表示与操作提供一个抽象的框架。数据模型所描述的内容有三个部分，它们是数据结构、数据操作与数据约的内容有三个部分，它们是数据结构、数据操作与数据约束。束。数据模型分为数据模型分为概念模型概念模型、逻辑数据模型逻辑数据模型和和物理模型物理模型三类三类。2、实体联系模型及、实体联系模型及E-R图图E-R模型的基本概念：模型的基本概念：（1）实体：实体：现实世界中的事物。现实世界中的事物。（2）属性：属性：事物的特性。事物的特性。（3）联系：联系：现实世界中事物间的关系。实体集的关系有现实世界中事物间的关系。实体集的关系有一对一、一对多、多对多的联系。一对一、一对多、多对多的联系。 2007-8-21第四章 数据库设计基础13 4.2 数据模型数据模型 E-R模型三个基本概念之间的联接关系：模型三个基本概念之间的联接关系：1）实体集（联系）与属性间的联接关系；）实体集（联系）与属性间的联接关系；2）实体（集）与联系。）实体（集）与联系。E-R模型的模型的图示法图示法：实体集实体集：用：用矩形矩形表示。表示。属性属性：用：用椭圆形椭圆形表示。表示。联系联系：用：用菱形菱形表示。表示。实体集与属性间的联接关系：用无向线段表示。实体集与属性间的联接关系：用无向线段表示。实体集与联系间的联接关系：用无向线段表示。实体集与联系间的联接关系：用无向线段表示。学生课程选课MN学号姓名性别出生年月系课号课程名学分成绩选修时间2007-8-21第四章 数据库设计基础14 4.2 数据模型数据模型 层次模型层次模型的基本结构是树形结构，具有以下特点：的基本结构是树形结构，具有以下特点：（1）每棵树有且仅有一个无双亲结点，称为）每棵树有且仅有一个无双亲结点，称为根根；（2）树中除根外所有结点有且仅有一个）树中除根外所有结点有且仅有一个双亲双亲。管理部门销售员工商品2007-8-21第四章 数据库设计基础15 4.2 数据模型数据模型 网状模型网状模型是层次模型的一个特例，从图论上看，网是层次模型的一个特例，从图论上看，网状模型是一个不加任何条件限制的无向图。状模型是一个不加任何条件限制的无向图。 设备工人使用维护(b)工作与设备(a)教学关系E-R图领导学校领导教师班组教学管理学生2007-8-21第四章 数据库设计基础16 4.2 数据模型数据模型 关系模型关系模型采用采用二维表二维表来表示，简称表，由表框架及来表示，简称表，由表框架及表的元组组成。表的元组组成。一个二维表就是一个一个二维表就是一个关系关系。学号姓名性别出生年月籍贯20054102张洁然张洁然男男07-07-87上海上海20054103李一明男05-01-86安徽合肥20069301王文燕王文燕女女11-06-88山东青岛山东青岛20069302刘 宏男10-17-87江苏南京2007-8-21第四章 数据库设计基础17 4.2 数据模型数据模型 关系模型关系模型采用采用二维表二维表来表示，简称表，由表框架及表的元组来表示，简称表，由表框架及表的元组组成。组成。一个二维表就是一个一个二维表就是一个关系关系。二维表的表框架由二维表的表框架由n个命名的属性组成个命名的属性组成，n称为属性元数。每称为属性元数。每个属性有一个取值范围称为值域。表框架对应了关系的模个属性有一个取值范围称为值域。表框架对应了关系的模式，即类型的概念。在表框架中按行可以存放数据，式，即类型的概念。在表框架中按行可以存放数据，每行每行数据称为元组数据称为元组，实际上，一个元组是由，实际上，一个元组是由n个元组分量所组个元组分量所组成，每个元组分量是表框架中每个属性的投影值。成，每个元组分量是表框架中每个属性的投影值。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江苏南京2007-8-21第四章 数据库设计基础18 4.2 数据模型数据模型 在二维表中凡能唯一标识元组的最小属性称为在二维表中凡能唯一标识元组的最小属性称为键或码键或码。从所有。从所有候选健中选取一个作为用户使用的键称候选健中选取一个作为用户使用的键称主键主键。例如：表。例如：表A中中的某属性是某表的某属性是某表B的键，则称该属性集为的键，则称该属性集为A的外键或外码。的外键或外码。关系中的数据约束：关系中的数据约束：（1）实体完整性约束实体完整性约束：约束关系的主键中属性值不能为空：约束关系的主键中属性值不能为空值。值。（2）参照完整性约束参照完整性约束：是关系之间的基本约束。：是关系之间的基本约束。（3）用户定义的完整性约束用户定义的完整性约束：它反映了具体应用中数据的：它反映了具体应用中数据的语义要求。语义要求。3、从、从E-R图导出关系数据模型图导出关系数据模型数据库的逻辑设计的主要工作是将数据库的逻辑设计的主要工作是将E-R图转换成指定图转换成指定RDBMS（关系数据库管理系统）中的关系模式。首先，从（关系数据库管理系统）中的关系模式。首先，从E-R图到图到关系模式的转换是比较直接的，实体与联系都可以表示成关关系模式的转换是比较直接的，实体与联系都可以表示成关系，系，E-R图中属性也可以转换成关系的属性。实体集也可以图中属性也可以转换成关系的属性。实体集也可以转换成关系。转换成关系。2007-8-21第四章 数据库设计基础19 4.3 关系代数关系代数1、关系的数据结构、关系的数据结构关系是由若干个不同的元组所组成，因此关系可视为关系是由若干个不同的元组所组成，因此关系可视为元组的集合。元组的集合。n元关系是一个元关系是一个n元有序组的集合。元有序组的集合。关系模型的基本运算：关系模型的基本运算：（1）插入插入；（2）删除删除；（3）修改修改；（4）查询查询（包括投影、选择、笛卡尔积运算）。（包括投影、选择、笛卡尔积运算）。2007-8-21第四章 数据库设计基础20 4.3 关系代数关系代数2、集合运算及选择、投影、连接运算、集合运算及选择、投影、连接运算（1）并（并（）：）：关系关系R和和S具有相同的关系模式，具有相同的关系模式，R和和S的并是由属于的并是由属于R或属于或属于S的元组构成的集合。的元组构成的集合。RABCa1b1c1a1b2c2a2b2c1SABCa1b2c2a1b3c2a2b2c1R SABCa1b1c1a1b2c2a2b2c1a1b3c22007-8-21第四章 数据库设计基础21 4.3 关系代数关系代数2、集合运算及选择、投影、连接运算、集合运算及选择、投影、连接运算（2）差（）：差（）：关系关系R和和S具有相同的关系模式，具有相同的关系模式，R和和S的差是由属于的差是由属于R但不属于但不属于S的元组构成的集合。的元组构成的集合。RABCa1b1c1a1b2c2a2b2c1SABCa1b2c2a1b3c2a2b2c1RSABCa1b1c12007-8-21第四章 数据库设计基础22 4.3 关系代数关系代数2、集合运算及选择、投影、连接运算、集合运算及选择、投影、连接运算（3）交（交（）：）：关系关系R和和S具有相同的关系模式，具有相同的关系模式，R和和S的交是由属于的交是由属于R且属于且属于S的元组构成的集合。的元组构成的集合。RABCa1b1c1a1b2c2a2b2c1SABCa1b2c2a1b3c2a2b2c1R SABCa1b2c2a2b2c12007-8-21第四章 数据库设计基础23 4.3 关系代数关系代数2、集合运算及选择、投影、连接运算、集合运算及选择、投影、连接运算（4）广义笛卡尔积（广义笛卡尔积（）：）：设关系设关系R和和S的属性个数的属性个数分别为分别为n、m，则，则R和和S的广义笛卡尔积是一个有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）列的元组的集合。每个元组的前n列来自列来自R的一个元组，后的一个元组，后m列来自列来自S的一个元组，记为的一个元组，记为RS。根据根据笛卡尔积笛卡尔积的定义：的定义：有有n元关系元关系R及及m元关系元关系S，它们，它们分别有分别有p、q个元组，则关系个元组，则关系R与与S经笛卡尔积记为经笛卡尔积记为RS，该关系是一个，该关系是一个n+m元关系，元组个数是元关系，元组个数是pq，由由R与与S的有序组组合而成。的有序组组合而成。 2007-8-21第四章 数据库设计基础24 4.3 关系代数关系代数（4）广义笛卡尔积（广义笛卡尔积（）RABCa1b1c1a1b2c2a2b2c1SABCa1b2c2a1b3c2a2b2c1R SR_AR_BR_CS_AS_BS_Ca1b1c1a1b2c2a1b1c1a1b3c2a1b1c1a2b2c1a1b2c2a1b2c2a1b2c2a1b3c2a1b2c2a2b2c1a2b2c1a1b2c2a2b2c1a1b3c2a2b2c1a2b2c12007-8-21第四章 数据库设计基础25 4.3 关系代数关系代数在关系型数据库管理系统中，基本的关系运算有选择、在关系型数据库管理系统中，基本的关系运算有选择、投影与联接三种操作：投影与联接三种操作：（1）选择选择：选择指的是从二维关系表的全部记录中，：选择指的是从二维关系表的全部记录中，把那些符合指定条件的记录挑出来。把那些符合指定条件的记录挑出来。（2）投影投影：投影是从所有字段中选取一部分字段及其：投影是从所有字段中选取一部分字段及其值进行操作，它是一种纵向操作。值进行操作，它是一种纵向操作。（3）联接联接：联接将两个关系模式拼接成一个更宽的关：联接将两个关系模式拼接成一个更宽的关系模式，生成的新关系中包含满足联接条件的元组。系模式，生成的新关系中包含满足联接条件的元组。2022-8-42007-8-21第四章 数据库设计基础26 4.4 数据库设计方法和步骤数据库设计方法和步骤数据库设计阶段包括：数据库设计阶段包括：需求分析需求分析、概念分析概念分析、逻辑设计逻辑设计、物理设计物理设计。数据库设计的每个阶段都有各自的任务：数据库设计的每个阶段都有各自的任务：（1）需求分析阶段需求分析阶段：这是数据库设计的第一个阶段，任务主要：这是数据库设计的第一个阶段，任务主要是收集和分析数据，这一阶段收集到的基础数据和数据流图是收集和分析数据，这一阶段收集到的基础数据和数据流图是下一步设计概念结构的基础。是下一步设计概念结构的基础。（2）概念设计阶段概念设计阶段：分析数据间内在语义关联，在此基础上建：分析数据间内在语义关联，在此基础上建立一个数据的抽象模型，即形成立一个数据的抽象模型，即形成E-R图。图。数据库概念设计的过程包括选择局部应用、视图设计和视图集数据库概念设计的过程包括选择局部应用、视图设计和视图集成。成。（3）逻辑设计阶段逻辑设计阶段：将：将E-R图转换成指定图转换成指定RDBMS中的关系模中的关系模式。式。（4）物理设计阶段物理设计阶段：对数据库内部物理结构作调整并选择合理：对数据库内部物理结构作调整并选择合理的存取路径，以提高数据库访问速度及有效利用存储空间。的存取路径，以提高数据库访问速度及有效利用存储空间。2007-8-21第四章 数据库设计基础27Endthanks