實體-同濟大學計算機基礎教研室

1、1,第3章 關系數據庫,本章主要介紹:關系數據庫設計步驟概念模型的設計(難點)邏輯模型的設計（難點）關系模式的規(guī)范化處理（難點）,,,,,2,3.1 數據庫設計概述,數據庫設計是指對一個給定的應用環(huán)境，構造最優(yōu)的數據庫模式，建立數據庫及其應用系統(tǒng)，使之能夠有效地存儲數據，滿足各種用戶的應用需求（包括信息要求和處理要求）。,3,3.1 數據庫設計概述,關系數據庫設計分為以下五個階段：1)    需求

2、分析2)    概念模式設計（E-R模型）3)    邏輯模式設計（RDBMS）4)   數據庫實施5)   數據庫運行和維護見下圖所示。,4,3.1 數據庫設計概述,5,3.2 概念模式設計,數據庫概念模式與計算機實現無關。它是對現實世界的第1層抽象。直接把現實世界事物及其聯(lián)系抽象為數據世界的數據模型

3、過于復雜，因此一般是先將現實世界的事物及其聯(lián)系抽象為信息世界實體及其聯(lián)系（概念模型），然后再將其轉換為計算機世界的數據模型（關系數據庫模式）。,6,3.2 概念模式設計,數據建模過程,7,實體-聯(lián)系模型(Entity-Relationship Model，簡稱為E-R模型)是1976年美籍華人P.S.Chen（陳平山）提出的。這個模型直接將現實世界中的事物及其之間的聯(lián)系抽象為實體類型和實體間聯(lián)系，然后用實體聯(lián)系圖表示數據模型。,3.2

4、.1 實體聯(lián)系模型,8,3.2.1 實體聯(lián)系模型 P39,E-R模型是用E-R圖表示的。E-R圖中有下面四個基本成分：①矩形框：表示實體型。②菱形框：表示聯(lián)系。③橢圓形框：表示實體或聯(lián)系類型的屬性。④直線：聯(lián)系類型與其所涉及的實體之間用直線連接，實體與實體之間用直線連接。,9,3.2.1 實體聯(lián)系模型,10,3.2.1 實體聯(lián)系模型,(1)實體（entity）：客觀存在并可相互區(qū)別的事物稱為實體。實體可以是具體可觸及到的對

5、象，如一個大學生、一輛汽車等；也可以是抽象的事件，如一場足球賽，一次借書等。 (2)屬性（attribute）：實體所具有的某一特征稱為實體的屬性。一個實體可由若干屬性來刻畫。例如，學生實體有學號、姓名、性別、年齡、班級等屬性。,11,3.2.1 實體聯(lián)系模型,(3)鍵（key）：也稱關鍵字或碼。唯一標識實體的最小的屬性集稱為實體的鍵。例如，學生（學號,姓名,年齡,性別,班級） 鍵是“學號”；課程(課號

6、,課名,學分,學時)，鍵是“課號”；選課(學號，課號，分數，學年)， 鍵是（學號,課號）足球賽（場次，日期，地點）則是全鍵。,12,3.2.1 實體聯(lián)系模型,(4)聯(lián)系（relationship）：現實世界的事物彼此是有聯(lián)系的，反映在信息世界就是實體之間的聯(lián)系。實體之間的聯(lián)系有兩類：一是不同實體集之間的聯(lián)系；另一種是同一實體集中不同個體之間的聯(lián)系。首先，考察兩個實體集之間的聯(lián)系，可以分為三類：,13,3.2.1

7、 實體聯(lián)系模型,①1:1聯(lián)系:已知實體集A和B，若其中每個實體集中任一實體至多與另一實體集中的一個實體有聯(lián)系，則稱A和B的聯(lián)系為“1對1聯(lián)系”，簡記為1:1聯(lián)系。,,14,3.2.1 實體聯(lián)系模型,②1:n聯(lián)系: 已知實體集A和B，若A中每個實體可與B中任意個實體有聯(lián)系，而B中每個實體至多與A中的一個實體有聯(lián)系，則稱A和B的聯(lián)系為“1對多聯(lián)系”，簡記為1:n聯(lián)系。,,15,3.2.1 實體聯(lián)系模型,③m:n聯(lián)系: 已知實體集A和B，若其

8、中每個實體集中任一實體可與另一實體集中的多個實體有聯(lián)系，則稱A和B的聯(lián)系為“多對多聯(lián)系”，簡記為m:n聯(lián)系。,16,3.2.1 實體聯(lián)系模型,類似地，我們可以定義多個實體集（三個或三個以上）之間的各種聯(lián)系，也可以定義同一實體集中不同個體之間的聯(lián)系。如下所示。,例如：有三個實體型：供應商、項目和零件。有如下聯(lián)系。,17,3.2.1 實體聯(lián)系模型,例如：同一實體集內各實體間聯(lián)系。如職工實體集內部具有領導與被領導的聯(lián)系。如下圖所示。,,,,,

9、,,,職工,,,領導,,,,18,3.2.2 子類的設計,子類：定義類型之間的一種子集關系。它抽象了類型之間的“is a”的語義聯(lián)系。例如：,19,3.2.3 E-R模型實例,例1：教學管理系統(tǒng)E-R圖如下所示。方法：1）確定實體類型。 系、學生、教師、研究生、課程2）確定實體間聯(lián)系類型。3）根據實體類型和聯(lián)系類型畫出E-R圖。4）確定實體類型和聯(lián)系類型的屬性。,20,3.2.3 E-R模型實例,21,3.3 邏輯模

10、式設計,E-R模型向關系模型轉換規(guī)則 規(guī)則1：每個實體型轉換為一個關系模式，實體的屬性就是關系的屬性，實體的鍵就是關系的鍵。鍵用下劃線標出。,規(guī)則2：若實體之間聯(lián)系是1:n (包括1:1)，在“n”端關系模式中加入“1”端實體的主鍵，作為其外鍵，“聯(lián)系”本身的屬性也進入“n”端關系模式。,22,3.3 邏輯模式設計,例如：,學生(學號,姓名,性別,年齡 ,入學時間, 系名)教師(工號,名字,性別,年齡,到系時間,系名) 系(

11、系名,負責人,聯(lián)系電話),23,3.3 E-R圖向關系模型的轉換,規(guī)則3：若實體的聯(lián)系是m:n，則將聯(lián)系轉換為一個關系模式?！奥?lián)系” 兩端實體的主鍵以及“聯(lián)系”本身的屬性轉換為該關系的屬性。該關系的主鍵為各實體鍵的組合。,選修(學號,課號,成績)學生(學號,姓名,性別,年齡 ,入學時間, 系名)課程(課號,課名,學分),24,3.3 E-R圖向關系模型的轉換,規(guī)則4：兩個以上實體之間的m:n聯(lián)系轉換為一個關系模式。其屬性為相連實體的

12、主鍵加上聯(lián)系自身的屬性構成, 其鍵由相連實體的鍵的組合. 例：,供應( 編號, 零件號, 工程號, 供應量 ),25,3.3 E-R圖向關系模型的轉換,規(guī)則5：“isa”聯(lián)系不用單獨轉換。具體處理見下例。,26,3.3 E-R圖向關系模型的轉換,學生(學號,姓名,性別,年齡 ,入學時間, 系名)本科生(學號 , 班級，班主任)研究生(學號，研究方向，導師),27,3.3 E-R圖向關系模型的轉換,例：教學管理系統(tǒng)E-R模型轉換為

13、關系模型。,28,3.3 E-R圖向關系模型的轉換,轉換為關系模型：學生(學號,姓名,性別,年齡 ,專業(yè)，入學日期, 編號)本科生(學號 , 班級，班主任)研究生(學號，研究方向，導師工號)選修(學號,課號,成績)課程(課號,課名,學分)教師(工號, 名字,年齡 ,職稱，進校日期, 編號)任課(工號,課號,時間，工作量)系(編號,名稱,辦公地點),29,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,關系模式的規(guī)范化處理主要研究關系模

14、式內各屬性之間的依賴關系（一種數據聯(lián)系），保持屬性間好的數據依賴關系，消除導致異常的依賴關系，使得關系模式由低一級的規(guī)范模式上升到高一級的規(guī)范模式的過程稱為規(guī)范化處理。,30,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,1. 問題的提出下面我們通過例子來考察數據庫模式設計的必要性。即為什么要設計關系數據庫模式，為什么有些關系模式是不好的，存在哪些方面的問題。,31,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,例：建立一個數據庫來描述學生的一些情況， 假

15、設需要了解這樣一些信息： 學生（Snum）、姓名(Sname)、 系（Sdept）、 系負責人(Mname)、 課程(Cname)、 成績（Grade）。,分析：為該數據庫建一個關系模式來描述所要信息。 S(Snum,Sname,Sdept,Mname,Cname,Grade）,32,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,這個關系模式存在的問題 ：插入異常：如果一個系剛成立，尚無學生或者雖然有了學生，但尚未安排課程，則我們

16、無法把這個系及其負責人的信息存入數據庫，從而，數據庫用戶也就無法從數據庫中查找到該系及其負責人的信息。這種現象叫插入異常。這是因為，該關系模式的主鍵為(Snum,Cname)，不能取空值，在學生未選課之前，相關信息無法插入。,33,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,(2)刪除異常：如果某系的學生全部畢業(yè)，我們在刪除該系學生的選課信息時，也把該系及其負責人信息也丟失了，這種現象稱為刪除異常。 (3)數據冗余大：每一個系負責人的信息要與

17、該系每個學生的每一門課程的成績出現次數一樣多，造成大量數據冗余。不僅浪費存儲，而且還會帶來下面問題。,34,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,(4) 更新異常(潛在的數據不一致性)。由于數據存儲冗余，當更新某些元組，如某系負責人更換，就可能一部分涉及的元組被修改，而另一部分涉及的元組被忽略，造成存儲數據的不一致。否則，必須逐一修改該系每個學生的每門選課元組。造成更新復雜化。,35,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,由于上述4個毛病，我們

18、知道它是一個不好的數據庫模式，一個好的模式應當不會發(fā)生插入異常、刪除異常、數據冗余大、數據不一致。為什么會發(fā)生這些異?，F象呢？這是因為這個關系模式中函數依賴存在不好的性質.將單一模式改造一下，分成三個模式： S（Snum，Sname, Sdept ） SG(Snum ，Cname，Grade) Dept（Sdept，Mname）這樣的三個模式都不會發(fā)生上述三個毛病。,,36,3.

19、3.2 關系模式的規(guī)范化處理,2. 問題的根源 之所以出現上述的關系模式的異常狀況，主要原因之一就是數據冗余；另一點就是本節(jié)要討論的各個屬性之間的數據依賴關系。 在數據依賴中，函數依賴是最基本的一種數據依賴。它主要表達數據表內各個屬性之間的依賴關系。,37,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,函數依賴：設R(U)是屬性U上的關系模式，X,Y?U，若對R(U)的任一可能的關系r，若r中任何兩個元組在X上的屬性值相等

20、，則在Y上的屬性值也必相等，則稱“X函數確定了Y”或“Y函數依賴于X”。記作：X?Y。,38,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,例如：S（Snum，Sdept，Mname，…） 對Sdept?Mname, 若對任意的元組t1,t2有 t1[sdept]=t2[sdept], 則 t1[Mname]=t2[Mname]注意：(1)函數依賴是語義范疇的概念，我們只能根據語義來確定一個函數依賴。不能杜撰。(2)另外，函數依賴

21、是對關系模式R的一切關系r均要成立。,39,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,對于S ( Snum,Sname, Sdept, Mname,Cname, Grade）現實世界的已知事實告訴我們：①一個學生只有一個名字,有Snum?Sname②一個系有若干學生，但一個學生只能屬于一個 系，有 Snum?Sdept③一個系只有一個負責人，Sdept ?Mname④一個學生學習每一門課程有一個成績。有

22、 (Snum,Cname)?Grade,40,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,對上例S表，有,,41,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,傳遞函數依賴 在R(U)中，如果X?Y，Y?X，Y?Z, (Z?Y)則稱Z對X是傳遞函數依賴。說明：條件Y?X，是因為Y?X，X?Y，等于X?Z是直接函數依賴，而不是傳遞函數依賴了。,,,42,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,3. 范式(Normal Form) 范式

23、是用來判斷模式好壞的標準。 滿足最低范式要求的稱為第1范式，在第1范式中滿足進一步要求的為第2范式，其余類推。共6種范式,各種范式之間的關系為： 5NF?4NF?BCNF?3NF?2NF?1NF,43,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,(1) 1NF若關系R的每個分量都是不可再分的數據項，則稱R屬于第1范式的，簡記為R? 1NF。 (2)2NF若R?1NF，且每一個非主屬性都完全函數依賴于鍵，則R?2NF。(3)3NF

24、若R?1NF，且不存在非主屬性對于鍵的傳遞函數依賴，則稱R?3NF。,44,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,(3)BCNF若R?1NF，X?Y且Y?X時，X必含有鍵，則稱R?BCNF。即每個決定因素中都包含鍵。4. 模式分解規(guī)范化是指：一個低一級范式的關系模式，通過模式分解轉換為若干高一級范式的關系模式的集合的過程。,45,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,對于一個模式的分解是多種多樣的，但是要求分解后產生的模式與原模式等價

25、。 模式分解的基本原則： ① 分解的無損連接性（lossless join） 設關系模式R（U，F），這里U為R的屬性全集，F為R的函數依賴全集，R被分解為若干個關系模式R1，R2，…，Rn，如果R與R1，R2，…，Rn自然連接的結果相等，則稱關系模式R的分解具有無損連接性。,46,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,自然連接的結果與原關系R不一致，元組多了三個，所以屬于有損連接。,,,,,,,自然連接的結果與原關系R一致，所以屬

26、于無損連接。,,47,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,②分解保持函數依賴設關系模式R（U，F）被分解為若干個關系模式R1，R2，…，Rn，如果R中的函數依賴集F與關系分解模式R1，R2，…，Rn中所有的函數依賴是一致的，則稱關系模式R的分解具有保持函數依賴性。,48,5. 規(guī)范化實例分析,例：已知S(Snum,Sname,Sdept,Mname,Cname,Grade）分析其達到第幾范式，并對它進行規(guī)范化，使其達到BCNF。,分

27、析:S的函數依賴集為:F={ Snum?Sname, Snum?Sdept, Sdept ?Mname, (Snum,Cname)?Grade } ① S中所有屬性都是不可再分的數據項。因此S?1NF。,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,49,②確定S是否2NF S的鍵是(Snum,Cname),存在非主屬性 Sdept對鍵的部分依賴, 即(Snum,Cname) ? Sdept, 因此S ? 2NF,解決辦法：模式分解，

28、消除部分依賴: S1 ( Snum , Sname, Sdept , Mname ) SC ( Snum , Cname , Grade),不是2NF的關系模式，存在的問題： 插入異常、刪除異常、數據冗余大、更新異常。,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,P,50,③ 確定是否3NF對于S1 關系，由于 Snum ? Sdept , Sdept ? Mname存在非主屬性Mname對鍵Snum的傳遞依賴，因此S1 ? 3NF。

29、對于SC關系，不存在非主屬性對于鍵的傳遞依賴，因此SC ? 3NF。,不是3NF的關系模式，存在的問題： 插入異常、刪除異常、數據冗余大、更新異常。,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,51,解決辦法：模式分解，消除傳遞依賴。 S1 ( Snum , Sname,Sdept) SD(Sdept , Mname ) SC ( Snum , Cname , Grade),④ 確定是否是BCNF每個函數依賴的決定因素中都含有

30、鍵，因此分解后的三個關系模式都達到了BCNF。分解后關系模式已經消除了各種異常。,3.3.2 關系模式的規(guī)范化處理,52,3.4 數據庫實施與維護,1．數據庫實施數據庫邏輯模式設計階段結束，標志著數據庫結構的設計已經完成。在數據庫實施階段就是選擇一個RDBMS軟件平臺，如SQL Server，將整個數據庫結構設計付諸實施。數據庫實施階段的主要任務是：⑴ 根據邏輯模式設計的結果，利用RDBMS的數據定義語言DDL完成數據庫存儲模式的

31、創(chuàng)建，其中包括很多數據庫對象：數據庫，數據表，屬性，視圖，索引，函數，存儲過程，觸發(fā)器等。,53,3.4 數據庫實施與維護,⑵ 實施完整性控制，包括創(chuàng)建表時的屬性值域的控制、實體完整性控制、參照完整性控制、表間的級聯(lián)控制；用觸發(fā)器和規(guī)則進行補充完整性控制和復雜完整性控制等。⑶ 實施安全性控制，設置用戶和用戶組的訪問權限，用觸發(fā)器設置常規(guī)以外的安全性控制，為數據庫服務器設置防火墻和防毒墻。,54,3.4 數據庫實施與維護,⑷ 實施需求分

32、析中的數據庫恢復機制，確保數據庫的正常運行。⑸ 組織數據入庫；在創(chuàng)建數據庫的基礎上，編制與調試應用程序，并進行數據庫的試運行。,55,3.4 數據庫實施與維護,2．數據庫運行和維護階段經過數據庫實施階段的試運行后，數據庫系統(tǒng)就可以交付給用戶，也就是說數據庫應用系統(tǒng)即可投入正式運行。在數據庫系統(tǒng)運行過程中必須根據系統(tǒng)運行狀況和用戶的合理意見，不斷地對其進行評價、調整與修改。這個階段的主要工作為：（1）數據庫的轉儲和恢復。比如常規(guī)的異

33、地備份與恢復。,56,3.4 數據庫實施與維護,（2）數據庫安全性、完整性控制。比如新的安全漏洞的彌補、新的約束控制的增補。 （3）數據庫性能的監(jiān)督、分析和改進。（4）數據庫的重組織和重構造。比如數據屬性的擴容等。 數據庫設計過程是一個嚴格規(guī)范的設計過程，有一套工程設計標準控制著整個設計過程，只有按照數據庫設計的步驟、設計規(guī)范和設計理論嚴格地執(zhí)行，才能設計出高質量、高性能的數據庫模式。,57,作業(yè),第3章 習題,58,END,聯(lián)系