1、第6章 数据库设计,数据库设计是开发数据库应用系统的关键。简单地讲数据库设计就是创建数据库系统的管理对象。本章以学生信息管理系统为例,讲解数据库设计的有关内容。,5.1 数据库设计概述,数据库设计方法主要是设计数据库系统结构中的三级模式结构。,说明：逻辑模式与外模式是一对多的关系；逻辑模式与物理模式是一对一的关系。,5.1 数据库设计概述,数据库设计步骤数据库的设计过程可分为六个阶段： 1. 需求分析2. 概念结构设计阶段3. 逻辑结构设计阶段4. 物理结构设计阶段5. 数据库实施6. 数据库运行与维护,5.2 需求分析,需求分析是数据库设计的第一步。这一阶段主要是对数据库应用系统所要处理的对
2、象进行全面了解，了解用户需求，收集信息，提出问题及解决问题的思路。,例如：建立“学生信息管理系统”，目的是对学院、系、班级、教研室等部门的信息进行管理，还要管理教师和学生的基本信息，以及学生选课的情况。信息要求：系统涉及到学院、系、教研室、教师、学生、班级、课程、选课等各方面的信息。处理要求：增加、删除、修改各数据对象中的数据，各类查询、统计及报表打印等等。安全性要求：只允许学院内部人员使用该系统，允许学生查询成绩但不能修改，允许教师录入和修改学生成绩等。,5.3 概念结构设计,概念设计的目标是产生反映需求信息的数据库概念结构，它与具体的DBMS无关。从现实世界到概念模型的转换是由数据库设计人
3、员完成的，概念设计用实体-联系模型(简称E-R图) 表示。在E-R模型中，用于描述数据的概念主要有实体、属性、实体型、实体集、关键字及实体之间的联系等。,1. 实体及相关概念,(1) 实体：客观存在并相互区别的事物。实体可以是可触及的对象，如一个学生，一本书，一辆汽车；也可以是抽象的事件，如一堂课，一次比赛等。,(2) 属性：实体所具有的特征和性质。如：学生实体有学号、姓名、年龄、性别等。,(3) 码：在实体的属性当中能够唯一的标识一个实体的属性称为这个实体的关键字，也称码或键。如：学生的学号。而学生的姓名可能有重名，不能作为学生实体的关键字(码)。,(4) 实体集：具有相同属性的同一类事物，
4、是一个实体的集合。如：所有的学生信息记录、所有的课程信息记录等。,(5) 实体型：用实体名和属性名称集来描述同类实体。如：学生(学号，姓名，年龄，性别)就是一个实体型。所有学生都可用这一实体型进行描述。,两个或两个以上的实体集间的关联关系的描述。如：系与系主任、班级与班长(1:1关系) ；系与教研室、班级与学生(1:n关系) ；学生与课程、教师与课程(m:n关系) 。实体集之间的联系分一对一(1:1)、一对多(1:n) 、多对多(m:n)3种。,2. 联系与联系集,E-R图,E-R模型(概念模型的描述方法) ，是用实体-联系图(简称E-R图）来描述的，是通过图形描述实体集、实体属性和实体集之间
5、联系的图形。实体集矩形框 属性椭圆框 联系菱形框,例如：,学院实体集的E-R图,例如：教师与班级、学院与系和班级、学生和课程实体集之间联系的E-R图。,例如：学生、教师和课程三个实体共同参与了一个选课联系，一般称这种由三类实体参与的联系为三元联系。因为某教师选定一门课讲授，学生选中同一门课要学习时，三者才会联系起来。,教师、学生与课程的E-R图,多对多关系实际上是某两个表与第三个表的两个一对多关系，第三个表的主键包含两个字段，分别是前两个表的主键。,选课,学生-选课(1:n),课程-选课(1:n),教师-选课(1:n),n,M,M,n,此图为3个表与第4个表的联系。,学生信息管理系统 (E-R
6、概念模型),5.4 逻辑结构设计,逻辑结构设计：将已设计好的概念模型(E-R模型)转换为与DBMS支持的数据模型相符的逻辑结构。从概念模型到逻辑模型的转换可以由数据库设计人员完成，也可以用数据库设计工具协助设计人员完成。,E-R模型与关系模型的转换规则：, 一个实体型转换为一个关系模式。实体的属性就是关系的属性，实体的键就是关系的键。,例如：将学院实体转换为一个关系，其属性取原来实体的属性，利用规则1，得到关系模式：学院(学院编号,学院名称,院长姓名,学院电话,学院地址), 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。,举例：两个实体:一对一联系,系(系编号
7、,系名字,系性质) 系主任 (工号,姓名,年龄,系编号),系(系编号,系名字,系性质,工号) 系主任 (工号,姓名,年龄),系(系编号,系名字,系性质) 系主任 (工号,姓名,年龄) 系与系主任(工号,系编号),系(系编号,系名字,系性质, 系主任姓名,年龄),方式1,方式2,方式3,方式4, 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。,例如：两个实体1:n关系,利用规则1将学生和班级实体各转换为一个关系，其属性取原来实体的属性，得到关系模式：学生(学号,姓名,性别,出生年月,籍贯)班级(班级编号，班级名称，班长姓名，专业，系编号)由于班级与学生之间存在一对多
8、的联系，利用规则3可将这种联系合并到n端，即将班级关系的码加入到学生关系中，得到最终结果：学生(学号,姓名,性别,出生年月,籍贯,班级编号), 实体之间多对多的联系转换为一个独立的关系模式。与该联系相关系的各实体的码及联系本身的属性均转换为此关系模式的属性，而关系的码为各实体的码的组合。 三个或以上的实体间的一个多元联系可以转换为一个关系模式。 具有相同键的关系模式可以合并。,例如：三个实体m:n关系,使用规则1：三个实体集转换为关系；使用规则4和5：为联系单独建立一个关系，即将学生课程、教师课程实体之间多对多的多元“选课”联系转换为一个独立的关系模式。,实体之间多对多的多元“选课”联系转换为
9、一个独立的关系模式如下：学生(学号,姓名,性别,出生年月,籍贯,班级编号)教师(教师编号,姓名,性别,职务,教研室编号)课程(课程编号,课程名,学时,学分)选课(学号,课程编号,教师编号,成绩)(新关系包含两组多对多实体的主键及其联系自身的属性),E-R图-关系模型-关系数据库的对应关系：,学院(学院编号,学院名称,院长姓名,电话,地址) 系(系编号,系名称,系主任,学院编号) 教研室(教研室编号,教研室名称,系编号) 教师(教师编号,姓名,性别,职务,教研室编号) 班级(班级编号,班级名称,班长姓名,专业,系编号) 学生(学号,姓名,性别,出生年月,籍贯,班级编号) 课程(课程编号,课程名,
10、学时,学分) 选课(学号,课程编号,教师编号,成绩),学生信息管理系统(逻辑模型),关系的规范化：,2. 函数依赖和键的基本概念(略)函数依赖它反映属性或属性组之间相依存，互相制约的关系。,简单地说，若想设计一个性能良好的数据库，就要尽量满足关系规范化原则。,1. 数据库设计中的问题如果一个关系没有经过规范化，可能会出现数据冗余、更新异常、插入异常、删除异常。,3. 范式及其关系(简介)关系规范化理论简称范式，它提供了判别关系模式设计的优劣标准，为数据库设计提供了严格的理论基础。使用范式表示关系模式满足规范化的等级，满足最低要求的为第一范式，在第一范式的基础上满足进一步要求的可升级为第二范式，
11、其余以此类推。范式(1NF5NF)，主要为1NF-3NF。也就是说能满足前3个范式的关系基本上是合理的。,(1) 1NF：若一个关系模式R的所有属性都是不可再分的基本数据项，则该关系模式属于1NF。,例如：教师关系表如下，判断是否为第一范式，并规范教师关系。,教师关系,修改后的教师关系,不符合第一范式，因为“联系电话”不是基本数据项。,属于第一范式的关系应该满足的基本条件是每个元组的每个属性中只能包含一个数据项，不能将两个以上数据项“挤入”到一个属性中。,(2) 2NF：若关系模式R属于1NF，且每个非主属性都完全依赖于主关键字，则该关系模式属于2NF。,例如：学生选课成绩关系表如下，判断是否
12、为第二范式，并规范学生选课关系。,学生选课成绩关系,在这个关系中学生编号和课程编号共同组成主关键字，其中成绩完全依赖于主关键字，而姓名却完全依赖于学号，课程名称、周学时、学分又完全依赖于课程编号，因此，此关系不符合第二范式。,上述关系可能带来以下几个问题： 数据冗余：假设100个学生选同一门课，重复100次相同的学分。 更新复杂：若调整某门课的学分，与其相关的记录都要修改。 删除异常：若学生已毕业，由于学生编号不存在，选课记录也要删除。 插入异常：或开一门新课，还没有学生选，由于没有学生编号，课程编号、学分均无法输入。可以将上述关系分解为三个关系： 学生(学生编号，姓名，年龄，入校日期) 选课
13、 (学生编号，课程编号，成绩) 课程(课程编号，课程名称，周学时，学分),(3) 3NF：若关系模式R属于1NF，且每个非主属性都不传递依赖于主关键字，则关系模式属于3NF。(略),学生选课成绩的三个关系： 学生(学生编号，姓名，年龄，入校日期) 选课成绩(学生编号，课程编号，成绩) 课程(课程编号，课程名称，周学时，学分)其中 和属于第三范式， 如果学分是依据周学时多少来决定，那么学分就是通过周学时传递依赖于课程号。解决方法是，将课程关系进一步分解为两个关系。 课程(课程编号，课程名称，周学时) 学分(周学时，学分),“学生”关系,逻辑结构详细设计：若选用了Access数据库管理系统，可按其要规则设计类似下面的逻辑结构。,5.5 物理结构设计,数据库物理结构设计就是为已设计好的逻辑数据模型选择最适合应用要求的物理结构。它依赖于所选择的数据库管理系统和给定的计算机硬件软硬件环境。,5.6 数据库实施,数据库实施就是在计算机上建立起实际数据库结构、装入数据、测试和试运行的过程。数据库实施步骤： 定义数据库结构 组织数据入库 编写和调试应用程序 数据库试运行,数据库系统正式运行，标志着数据库设计与应用开发工作的结束和维护阶段的开始 。,5.7 数据库的使用与维护,小结,数据库设计的几个部分需求分析概念结构设计逻辑结构设计物理结构设计数据库的实施使用与维护,
