1、第1部分 数据库系统基础第3章 数据库设计,高级数据库系统及其应用,第3章 数据库设计,ER数据模型,3.1,EER数据模型,3.2,逻辑数据库设计：映射ER/EER模式到关系模式,3.3,关系模式求精与规范化,3.4,DB应用,DB应用定义：一个特定的数据库，加上实现此数据库查询/更新的相关程序。 概念设计是成功设计DB应用的一个环节。 实体-关系模型(Entity-Relation model)，简称ER模型，是一种非常流行的概念数据模型。 EER是基于ER的扩展模型(Enhanced ER model) ER/EER已被广泛应用于DB概念设计。它们均以图形化方式描述和捕获用户需求。 基于
2、ER/EER进行概念设计的输出为一组ER/EER图。 基于概念模型的设计，最终都必须变换/转换到可在DB中实现的逻辑数据模型。 借助RDB设计有关规范理论,不仅可对转换后的逻辑数据模式进行规范，而且可对ER/EER图进行求精。,DB设计的主要阶段与过程,DB设计的基本步骤（1）,1. 需求分析 2. 概念DB设计 利用需求分析获得的信息，建立DB数据的一个抽象描述。 这一步通常利用ER/EER模型，或其它高级数据概念模型（如UML类图），来实现。 3. 逻辑DB设计 转换DB概念设计模式到指定DBMS逻辑模式。 由于需求信息本身带有很大主观性，故基于需求信息构造的ER/EER图只能提供数据的一
3、个近似描述。 4. 模式细化 5. 物理DB设计 6. 安全设计,DB设计的基本步骤（2）,1. 需求分析 2. 概念DB设计 3. 逻辑DB设计 4. 模式细化 分析关系数据库模式的关系集，检查潜在问题并进行优化。与需求分析和概念设计的主观性特点不同，细化可得到强有力的规范理论支持。 5. 物理DB设计 考虑应用必须支持的一些典型预期负荷,并以此为基础进一步求精DB设计，确保它能满足预期的性能要求。 这个步骤可能包括为一些表建立索引，或指定聚集存储方式等。 6. 安全设计,3.1 ER数据模型,3.1.1 实体类型、实体集、属性和键,3.1.2 关系、关系类型和关系集,3.1.3 ER模型的
4、其他特性,ER模型简介,1. 构成ER模型的基本概念 实体与属性 实体类型、实体集与键 实体类型：定义了具有相同属性的实体模式结构，由名和属性来描述。 实体集：具有相同实体类型的所有实体集合。 实体类型描述了相同结构实体集的模式或内涵； 实体集则描述了实体类型的外延。 ER图中不区分实体类型和实体集（被视为同义词）。 关系、关系类型和关系集 ER模型的其它概念, ER图表示规定 实体集：用加矩形外框的名字来表示。 属性名：则用椭圆框起，并用直线与实体集相连。 多值属性：用双线椭圆框起; 复合属性：用名字后加注结构成份表示; 键属性：通过属性名加下划线来标识。, ER图表示规定 关系集：用名字外
5、加菱形框表示，并用直线将其与参与实体集的矩形框相连。,ER图设计举例（1）,ER图设计举例 （2）,ER模型的其它概念,关系属性 关系集也可以有自己的描述属性，用来刻画关系集本身的性质，而不是某个参与实体集的性质。 关系约束 指与关系集相关的约束，通过约束表达可限制参与关系各实体的可能组合。 主要类型：基数词约束、键约束和参与约束。 弱实体集 指只能附属其它实体集而存在的实体集。,在ER图中表达关系基数词和参与约束,弱实体集的几种ER建模方法（图3.5),3.2 EER数据模型,3.2.1 EER模型核心概念的形式定义,3.2.2 子类、超类与类层次结构,3.2.3 特化与泛化,3.2.4 利
6、用union子类建模,3.2.5 值集属性与复合结构属性的建模表示,3.2.6 EER与UML类图比较,3.2.7 EER作为知识表示模型,3.2.8 为大型企业/组织进行DB概念设计,EER核心概念（1）,类 指实体的集合或实体集，这包括可对DB应用域实体分组的任何EER模式构造，如实体类(型)、子类、超类和类别。 EER中，任何类都允许参与一个关系。 子类、超类 子类S是一个类，子类中的实体必然是其超类C中实体的一个子集，即有关系：SC 成立 超类/子类关系也称为ISA关系，记做C/S。 子类实体除了可以从超类实体中继承所有的属性外，还可以有自己专有的属性和关系。,EER核心概念（2）,特
7、化 特化ZS1,S2,Sn是具有相同超类G的一个子类集合，每个G/Si是一个超类/子类关系。G被称为泛化实体类型。 用“特化”指代由特化过程所获得的-特化子集。 特化的种类（约束） 完全特化与部分特化； 不相交特化与重叠特化。 两类约束相互独立，可以组合出四种约束。 泛化 是特化的逆过程，允许我们忽略多个实体集之间的性质差异，找出它们的共同点抽象出超类。,特化是概念上的求精，而泛化则是概念上的综合。 显然，由泛化获得超类方法，易得到完全特化的子集。,特化及其约束的EER表示,EER核心概念（3）,类别(category) 类别有时也被称为union子类。 类别T是一个类，它是n个判定超类D1,
8、D2,Dn（n1）并集的一个子集。 其形式表示为：T(D1D2Dn) union子类的约束 完全约束：子类包含了其所有超类并集中的所有成员； 部分约束：子类只包含并集的一个子集。,UNION子类及其约束的EER表示（图3.8 ）,基本ER模型与UML类图的特性对比,Company DB模式的EER表示,Company DB模式的UML表示,3.3 逻辑数据库设计:映射ER/EER模式到关系模式,3.3.1 映射常规实体集到关系表,3.3.2 映射关系集到关系表,3.3.3 映射弱实体集,3.3.4 映射带有聚集关系的ER图,3.3.5 映射EER扩展结构,3.3.6 ER模型至关系模型映射小结
9、,3.3 映射ER/EER模式到关系模式,ER/EER模型适合于初始阶段、抽象层次较高的DB概念设计。 给定一个概念设计模式(ER/EER图)，现已有一套标准方法可将它们映射到关系DB模式，但这种转换还只是近似的。 DB模式：一组表+ 约束集 基于SQL-92，我们尚无法捕获隐含在ER/EER设计中的所有约束。 本节我们将介绍从ER/EER模式创建关系模式的方法和过程。,映射常规实体集到关系表,一个常规实体集可直接地映射到一个关系表： 将实体集的每个属性，作为关系表的一个属性。 用SQL-92 DDL建表语句基本上可以完全捕获这些信息，包括域约束和主键约束。,映射关系集到关系表,（一）映射含键
10、约束的关系集 方法1：独立关系表法 映射关系集R到独立的关系表R。,映射关系集到关系表,（一）映射含键约束的关系集 方法1：独立关系表法 方法2：外键方法 将关系集的相关信息合并到具有键约束的参与实体集中（一对多关系的一端）。,映射关系集到关系表,（一）映射含键约束的关系集 方法1：独立关系表法 方法2：外键方法 方法3：合并关系法 若关系集的所有参与实体集都有键约束且都是完全参与。这时，也可合并所有参与实体集到一个关系。 （二）在映射关系集时考虑参与约束 图3.9（a）中的Manages，除了键约束（每部门至多有一经理）外，还含有一完全参与约束（每部门至少需要有一经理）。考虑到这一点，Dep
11、t_Mgr:ssn应设置NOT NULL。 （三）无键约束和参与约束的关系集映射 对这类关系集，一般只能用独立关系表法(方法1)进行映射。,映射弱实体集,弱实体集总是参与一对多的二元关系，且有一个键约束和完全参与约束。 前面讨论的映射关系方法2（外键法）是一种较理想的转换方法。但要考虑弱实体中只含有部分键这个情况。,映射EER扩展结构多值/复合结构属性,关系模式不支持多值属性，必须为关系模式中的每个多值属性，分别创建一个独立的关系。 令关系模式为R，MA是R的一个多值属性，为MA创建的关系表为M。 M的属性应包含R的主键属性k ，以便关联到R。 原关系模式R中可去掉多值属性MA. 令关系模式为
12、R，CA是R的一个复合属性。对于CA，有两种建模方法： 方法1：将复合属性的每个结构成份，分别作为一个属性，加到所属的关系表中。 方法2：为复合属性CA单独建立一个关系表。,映射EER扩展结构类层次结构,映射处理EER图中的ISA层次结构。 假设超类C被特化为m个子类S1 , , Sm Attr(C) = k, a1 , , an，PK(C) = k。 方法1：映射超类和每个子类到一个不同的表。,映射EER扩展结构类层次结构,方法1：映射超类和每个子类到一个不同的表。 方法2：仅创建子类关系表。 为每个子类Si(1im)创建一个关系Li，且有属性Attr(Li)= k, a1, , an Si
13、的其它专有属性, PK(Li)=k。 该方法只适用于超类完全参与的特化类型。 方法3：仅创建含1个类标志属性的单个关系。 方法4：仅创建含m个类标志属性的单个关系。 该方法能适应子类有重叠特化的情况，但会产生大量的null值。,映射EER : union子类 （1）,1）对超类实体集有各自不同键的情况 在创建与union子类对应的关系表时，通常需要指定一个新的键属性-代理键(surrogate key)。2）对超类实体集有有相同键的情况 这时，无需使用代理键。,ER模型至关系模型映射小结,步骤1：映射常规实体集。 步骤2：映射弱实体集。 步骤3：映射ER模式中的关系集。 步骤4：映射ER模式中的聚集关系集。 步骤5：映射与EER模型相关的扩展结构。,3.4 关系模型求精与规范化,3.4.1 模式求精问题,3.4.2 函数依赖,3.4.3 基本规范范式,3.4.4 无损分解与依赖保持分解,3.4.5 分解与规范化关系模式,3.4.6 多值依赖与第四规范,
