数据库技术与应用.pptx

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1、1学习要点1.了解数据库设计的特点、内容和步骤；2.了解数据库需求分析的基本方法和常用工具；3.掌握概念模型设计的E-R方法；4.掌握关系规范化的基本方法。第1页/共73页2 数据库设计对于一个给定的应用环境，构造（设计）优化的数据库逻辑模式和物理结构，并据此建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储和管理数据，满足各种用户的应用需求（信息要求和处理要求）。4.1 数据库设计概念第2页/共73页31.数据库设计的特点数据库设计是一种反复探寻，逐步求精的过程；数据库设计分为两个方面逻辑设计和物理设计；逻辑设计的任务：创建数据库模式并使其能支持所有用户的数据处理，能从模式中导出子模式供应用程序使用

2、；物理设计的任务：选择存储结构，实现数据存取。第3页/共73页4第4页/共73页52.数据库设计的内容数据库设计包括结构特性设计和行为特性设计两方面内容。结构设计：设计各级数据库模式，决定数据库系统的信息内容；行为设计：决定数据库系统的功能，包括设计应用程序、事务处理等。第5页/共73页63.数据库设计的步骤 需求分析 需求收集和分析，结果得到数据字典描述的数据需求和数据流图描述的处理需求。概念结构设计通过对用户需求进行综合、归纳与抽象，形成一个独立于具体DBMS的概念模型，可以用E-R图表示。第6页/共73页7 逻辑结构设计 将概念结构转换为某个DBMS所支持的数据模型（例如关系模型），并对

3、其进行优化。物理结构设计为逻辑数据模型选取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）。第7页/共73页8 数据库实施运用DBMS提供的数据语言（例如SQL）及其宿主语言（例如C），根据逻辑设计和物理设计的结果建立数据库，编制与调试应用程序，组织数据入库，并进行试运行。数据库运行和维护 数据库应用系统经过试运行后即可投入正式运行。在数据库系统运行过程中必须不断地对其进行评价、调整与修改。第8页/共73页9第4章 数据库设计 4.1 数据库设计概念 4.2 需求分析 4.3 概念结构设计 4.4 逻辑结构设计 4.5 物理设计及实施第9页/共73页104.2 需求分析1.需求分析的任务

4、 详细调查现实系统要处理的对象（组织、部门、企业等）；充分了解原系统（手工系统或计算机系统）；明确用户的各种需求；确定新系统的功能；充分考虑今后可能的扩充和改变。第10页/共73页11需求分析的难点 确定用户最终需求用户缺少计算机知识设计人员缺少用户的专业知识 解决方法设计人员必须不断深入地与用户进行交流第11页/共73页12调查的重点是数据和处理信息要求：定义目标系统使用的所有信息，弄清用户将向数据库输入什么样的信息数据，从数据库中要求获得什么样的信息内容。即在数据库中需要存储哪些数据、对这些数据将作何处理。处理要求：指用户要完成什么处理功能，对处理的响应时间有什么要求，处理方式是批处理还是

5、联机处理。同时也要弄清安全性和完整性的约束。第12页/共73页132.数据流图与数据字典数据流图是从数据和处理两方面来表达数据处理过程的一种图形化的表示方法。PM处理DN数据存储数据流源点终点数据流数据字典存储有关数据的来源、说明、与其他数据的关系、用途和格式等信息，存储关于数据项的数据。第13页/共73页143.需求分析的基本步骤 需求的收集：信息需求、处理需求、安全性和完整性要求；需求的分析整理：数据流程分析、数据分析结果描述、数据分析统计、分析围绕数据的各种业务处理功能，并以带说明的系统功能结构图形式给出；阶段成果。第14页/共73页15第4章 数据库设计 4.1 数据库设计概念 4.2

6、 需求分析 4.3 概念结构设计 4.4 逻辑结构设计 4.5 物理设计及实施第15页/共73页161.概念结构表达概念结构设计结果的工具称为概念结构模型。概念结构模型应具备：丰富的语义表达能力；易于交流和理解；易于变动；易于向各种数据模型转换，易于从概念模型导出与DBMS有关的逻辑模型。4.3 概念结构设计 第16页/共73页17 概念结构设计主要有以下几种：自顶而下 自底向上 由里向外 混合策略第17页/共73页18 E-R方法的基本术语实体：客观存在并可互相区分的事物；属性：用以描述实体的某一特征；联系：指实体之间存在的对应关系（它也可以具有属性）。一般可分为：一对一的联系（1：1）、一

7、对多的联系（1：n）、多对多的联系（m：n）。2.E-R方法 第18页/共73页19实体与属性是相对而言的。一般说来，在给定的应用环境中：属性不能再具有需要描述的性质，即属性必须是不可分的数据项；属性不能与其他实体具有联系，联系只发生在实体之间。第19页/共73页20货物货号货名型号规格价格存放仓库仓库地点容量负责人仓库名仓库号第20页/共73页21G 一对一联系（1：1）如果实体集E1中每个实体至多和实体集E2中的一个实体有联系，反之亦然，那么实体集E1和实体集E2的联系称为一对一联系，记为1：1。第21页/共73页22A 一对多联系（1：n）如果实体集E1中每个实体与实体集E2中任意个（零

8、个或多个）实体间有联系，而E2中每个实体至多和E1中一个实体有联系，那么称E1和E2的联系是一对多联系，记为1：n。第22页/共73页23B 多对多联系（m：n）如果实体集E1中每个实体可以与实体集E2中任意个（零个或多个）实体间有联系，反之亦然，那么称E1和E2的联系是多对多联系，记为m：n。第23页/共73页24 E-R图中的表示用长方形表示实体；用椭圆形表示属性；用菱形表示联系；在图形内标识它们的名字，它们之间用无向线相连，表示联系时在线上标明是哪种对应关系的联系。第24页/共73页25在概念结构设计过程中使用E-R方法的基本步骤包括：设计局部E-R图；E-R图的合并；初步E-R图的优化

9、。第25页/共73页26一、设计局部E-R图 任务：根据需求分析的结果（数据流图、数据字典等）对现实世界的数据进行抽象，设计各个局部视图即局部E-R图。设计步骤需求分析说明书确定局部结构范围定义属性定义实体定义联系属性分配完否？YN进入全局E-R模型设计第26页/共73页27【例4-1】E-R图实例（学籍管理）第一步：参照数据流图，确定局部应用中的实体；学籍管理局部应用中主要涉及的实体包括学生、宿舍、档案材料、班级、教室、班主任。第二步：确定实体之间的联系及其类型；宿舍与学生之间是1:n的联系。班级与学生之间是1:n的联系。教室与班级之间是m:n的联系。班主任与学生之间是1:n的联系。而学生和

10、他自己的档案材料之间，班级与班主任之间都是1:1的联系。第27页/共73页28第三步：确定实体的属性；学生：学号，姓名，出生日期，档案材料：档案号，班级：班级号，学生人数班主任：职工号，姓名，性别，是否为优秀班主任宿舍：宿舍编号，地址，人数教室：教室编号，地址，容量第四步：确定联系的属性；第五步：画出E-R图。第28页/共73页29班主任班级教室宿舍学生档案材料管理指导组成上课住宿归档1n11mn111nn1学籍管理局部应用的分E-R图第29页/共73页30同样方法，我们可以得到课程管理局部应用的分E-R图：教室课程学生教科书教师开设教学讲授选修11nmnm1nn课程管理局部应用的分E-R图成

11、绩第30页/共73页31各实体的属性分别为：学生：姓名，学号，性别，年龄，所在系，年级，平均成绩 课程：课程号，课程名，学分 教师：职工号，姓名，性别，职称 教科书：书号，书名，价钱 教室：教室编号，地址，容量 第31页/共73页32二、E-R图的合并 合并局部E-R图时都需要两步：第一步：局部E-R图的合并；第二步：消除冲突。Q各分E-R图之间的冲突主要有三类：属性冲突；命名冲突；结构冲突。第32页/共73页33 属性冲突属性值的类型、取值范围、取值单位的冲突。结构冲突 同一对象在不同应用中具有不同的抽象。命名冲突同名异义；异名同义。第33页/共73页34异名同义教师：职工号，姓名，性别，职

12、称，是否为优秀班主任将班主任改为教师后，教师与学生之间的联系在两个局部视图中呈现两种不同的类型，由于指导联系实际上可以包含在教学联系之中，因此可以将这两种联系综合为教学联系。在两个局部E-R图中，学生实体属性组成及次序都存在差异，应将所有属性综合，并重新调整次序。学生：学号，姓名，出生日期，年龄，所在系，年级，平均成绩 第34页/共73页35三、初步E-R图的优化合并初步E-R图分E-R图可能存在冗余的数据和实体间冗余的联系基本E-R图消除不必要的冗余第35页/共73页36班主任班级教室宿舍学生档案材料管理指导组成上课住宿归档1n11mn111nn1教室课程学生教科书教师开设教学讲授选修11n

13、mnm1nn成绩年龄出生日期平均成绩第36页/共73页37学生管理子系统基本E-R图教师班级教室宿舍学生档案材料管理教学组成选修住宿归档1n11mn1m1nn1课程教科书讲授开设1n1n成绩1第37页/共73页38第4章 数据库设计 4.1 数据库设计概念 4.2 需求分析 4.3 概念结构设计 4.4 逻辑结构设计 4.5 物理设计及实施第38页/共73页39 逻辑结构设计的任务把概念结构设计阶段设计好的基本E-R图转换为与选用DBMS产品所支持的数据模型的过程。逻辑结构设计的步骤1.将概念结构转换为一般的关系、网状、层次模型；将转换来的关系、网状、层次模型向特定DBMS支持下的数据模型转换

14、；对数据模型进行优化。第39页/共73页40关系数据库设计理论：指导产生一个具有确定的、好的数据库模式的理论体系。1.关系数据库的异常问题 例 建立一个描述学校教务的数据库：学生的学号(Sno)、所在系(Sdept)、系主任姓名(Mname)、课程号(Cno)、成绩(Grade)第一种关系模式：Student(Sno,Sdept,Mname,Cno,Grade)4.4.1 关系数据库逻辑结构设计第40页/共73页41 数据冗余太大D浪费大量的存储空间。例：每一个系主任的姓名重复出现 更新异常D由于数据冗余，更新数据时，维护数据完整性代价大。例：某系更换系主任后，系统必须修改与该系学生有关的每一

15、个元组第41页/共73页42 插入异常D该插入的数据无法存入数据库 例：如果一个系刚成立，尚无学生，无法把这个系及其系主任的信息存入数据库。删除异常D不该删除的数据不得不删 例：如果某个系的学生全部毕业了，在删除该系学生信息的同时，把这个系及其系主任的信息也丢掉了。第42页/共73页43 结论Student关系模式不是一个好的模式。好的模式：不会发生插入、删除、更新异常以及数据冗余应尽可能少。原因由于关系模式中存在函数依赖引起。解决方法通过分解关系模式来消除其中不合适的函数依赖。第43页/共73页44第二种关系模式:S(Sno,Sdept)SG(Sno,Cno,Grade)DEPT(Sdept

16、,Mname)s关系数据库设计理论的内容数据依赖；范式；关系模式设计方法。第44页/共73页45s关系数据库逻辑结构设计的步骤导出初始的关系模式；规范化处理；模式评价；优化模式；形成逻辑设计说明书。第45页/共73页46 函数依赖的定义 设R(U)是属性集U上的关系模式，X和Y是U的子集，若对于R(U)的任一个关系f中的任意两个元组t和s，只要tX=sX，就必有tY=sY，则称X函数决定Y或Y函数依赖于X，记作XY，并称X为决定因素。M1.函数依赖不是指关系模式R的某个或某些关系满足的约束条件，而是指R的一切关系均要满足的约束条件。4.4.2 关系模式的函数依赖第46页/共73页472.函数依

17、赖是语义范畴的概念。只能根据数据的语义来确定函数依赖。例如姓名年龄这个函数依赖只有在不允许有同名人的条件下成立3.数据库设计者可以对现实世界作强制的规定。例如规定不允许同名人出现，函数依赖姓名年龄成立。所插入的元组必须满足规定的函数依赖，若发现有同名人存在，则拒绝插入该元组。第47页/共73页48 函数依赖的分类 平凡函数依赖和非平凡函数依赖若XY，但Y X，则称XY是非平凡的函数依赖。若XY，但Y X,则称XY是平凡的函数依赖。M一般总是讨论非平凡函数依赖。第48页/共73页49例：Student(Sno,Sname,Ssex,Sage,Sdept)假设不允许重名，则有：SnoSname,S

18、noSsex,SnoSage,SnoSdept,SnameSno,SnameSsex,SnameSage,SnameSdept第49页/共73页50 例：在关系SC(Sno,Cno,Grade)中 非平凡函数依赖:(Sno,Cno)Grade 平凡函数依赖：(Sno,Cno)Sno (Sno,Cno)Cno第50页/共73页51 完全函数依赖和部分函数依赖在R(U)中，如果XY，并且对于任何XX，XY都不成立,则称Y完全函数依赖于X，记为X F Y；若X Y成立，则称Y对X部分函数依赖，记作：X P Y第51页/共73页52例：在关系Student(Sno,Sdept,Mname,Cno,Gr

19、ade)中，由于：Sno Grade,Cno Grade 因此：(Sno,Cno)F Grade (Sno,Cno)P Sdept第52页/共73页53 传递函数依赖在关系模式R(A,B,C)中，如有两个函数依赖AB和B C，若AC也成立，则称C传递函数依赖于A，记为：A 传递C。例：在关系Std(Sno,Sdept,Mname)中Sno Sdept，Sdept Mname Sno 传递 Mname第53页/共73页544.4.3 关系的规范化 1、1NF如果关系模式R的每一个属性都是不可分解的，则R1NF。第一范式是对关系模式的最起码的要求。不满足第一范式的数据库模式不能称为关系数据库。但是

20、满足第一范式的关系模式并不一定是一个好的关系模式。第54页/共73页55例：关系模式 SLC(Sno,Sdept,Sloc,Cno,Grade)主码为(Sno,Cno)SLC1NF SLC不是一个好的关系模式1.插入异常2.删除异常3.数据冗余大4.修改复杂第55页/共73页56函数依赖包括：(Sno,Cno)F Grade,(Sno,Cno)P Sdept,Sno Sdept,(Sno,Cno)P Sloc,Sno Sloc,Sdept Sloc第56页/共73页57 原因Sdept、Sloc部分函数依赖于码。解决方法将SLC分解为两个关系模式，以消除这些部分函数依赖 SC(Sno,Cno,

21、Grade)SL(Sno,Sdept,Sloc)第57页/共73页582、2NF如果关系模式R1NF，并且每一个非主属性都完全函数依赖于R的码，则R2NF。SLC(Sno,Sdept,Sloc,Cno,Grade)1NF SC(Sno,Cno,Grade)2NF不存在插入、删除异常 SL(Sno,Sdept,Sloc)2NF存在插入、删除异常第58页/共73页593、3NF关系模式R2NF，且没有一个非主属性是传递函数依赖候选码，则称R3NF。即若R3NF，则R的每一个非主属性既不部分函数依赖于码也不传递函数依赖于码。第59页/共73页60例：2NF关系模式SL(Sno,Sdept,Sloc)

22、中函数依赖：SnoSdept SdeptSno SdeptSloc可得：Sno 传递 Sloc，即SL中存在非主属性对码的传递函数依赖，SL3NF。第60页/共73页61C 解决方法采用投影分解法，把SL分解为两个关系模式，以消除传递函数依赖：SD(Sno，Sdept)DL(Sdept，Sloc)SD的码为Sno，DL的码为Sdept第61页/共73页624、扩充第三范式如果关系模式R3NF，且没有一个主属性是部分函数依赖或传递函数依赖于码，则称RBCNF。即关系模式R 中，若每一个决定因素都包含码，那么RBCNF。第62页/共73页63四种范式之间的关系1NF2NF3NFBCNF消除非主属性

23、对码的部分函数依赖消除非主属性对码的传递函数依赖消除主属性对码的部分和传递函数依赖第63页/共73页644.4.4 E-R图向关系模型的转化规则1.一个实体转换为一个关系模式，实体的属性就是关系的属性，实体的码就是关系的码。2.一个1:1联系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。每个实体的码都是关系的候选码。第64页/共73页653.一个1:n联系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。n端实体的码是关系的码。4.一个m:n联系转换为一个关系模式。与该联系相连的各实体的码以及联系本身的属性都转换为关系的属性，而关系的码为各实体码的组合。5.具有相同码的

24、关系模式可以合并。第65页/共73页66学校（校名，地址，电话，校长名，任职年月）校长（姓名，性别，年龄，职称）第66页/共73页67系（系号，系名，电话）教师（工号，姓名，性别，年龄，系号，聘期）第67页/共73页68 学生（学号，姓名，年龄，性别）选课（学号，课程号，成绩）课程（课程号，课程名，教师名）第68页/共73页69第4章 数据库设计 4.1 数据库设计概念 4.2 需求分析 4.3 概念结构设计 4.4 逻辑结构设计 4.5 物理设计及实施第69页/共73页701、物理设计的步骤（1）存储记录的格式设计（2）存储方法设计（3）访问方法设计（4）完整性和安全性考虑（5）应用设计（6）形成物理设计说明书4.5.1 关系数据库的物理设计第70页/共73页711、数据库的实现（1）建立实际的数据库结构。（2）装入试验数据对应用程序进行测试，以确认其功能和性能是否满足设计要求，并检查其空间的占有情况。（3）装入实际数据，即数据库加载，建立起实际的数据库。4.5.2 关系数据库的实施第71页/共73页722、运行与维护（1）维护数据库的安全性和完整性；（2）监测并改善数据库性能；（3）增加新的功能；（4）修改错误。第72页/共73页73谢谢您的观看！第73页/共73页