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1、An Introduction to Database System,第七章 数据库设计,An Introduction to Database System,第七章 数据库设计,7.1 数据库设计概述7.2 需求分析7.3 概念结构设计7.4 逻辑结构设计7.5 数据库的物理设计7.6 数据库实施和维护7.7 小结,An Introduction to Database System,7.3 概念结构设计,7.3.1 概念结构7.3.2 概念结构设计的方法与步骤7.3.3 数据抽象与局部视图设计7.3.4 视图的集成,An Introduction to Database System,7.
2、3.1 概念结构,什么是概念结构设计将需求分析得到的用户需求抽象为信息结构即概念模型的过程就是概念结构设计概念结构是各种数据模型的共同基础，它比数据模型更独立于机器、更抽象，从而更加稳定概念结构设计是整个数据库设计的关键,An Introduction to Database System,概念结构（续）,An Introduction to Database System,概念结构（续）,概念结构设计的特点(1)能真实、充分地反映现实世界。概念模型能表达用户的各种需求，充分反映现实世界，包括事物和事物之间的联系、用户对数据的处理要求，它是现实世界的一个真实模型(2)易于理解。概念模型是DBA
3、、应用开发人员和用户之间的主要界面，因此，概念模型要表达自然、直观和容易理解，以便和不熟悉计算机的用户交换意见，用户的积极参与是保证数据库设计和成功的关键,An Introduction to Database System,概念结构（续）,概念结构设计的特点(3)易于更改。概念模型要能灵活地加以改变，以反映用户需求和现实环境的变化(4)易于向关系、网状、层次等各种数据模型转换。概念模型独立于特定的DBMS，因而更加稳定，能方便地向关系模型、网状模型或层次模型等各种数据模型转换 最著名、最实用的一种是E-R模型,An Introduction to Database System,概念结构（续
4、）,描述概念模型的工具：E-R模型实体型用一个矩形表示，矩形框内写明实体名属性用椭圆表示，椭圆内写明属性名，并用无向边将属性和相应的实体联系起来,实体名,An Introduction to Database System,概念结构（续）,联系用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边分别将有关实体连接起来，同时在无向边旁边标上联系的类型（1：1，1：n；m：n）,An Introduction to Database System,7.3 概念结构设计,7.3.1 概念结构7.3.2 概念结构设计的方法与步骤7.3.3 数据抽象与局部视图设计7.3.4 视图的集成,An Introducti
5、on to Database System,7.3.2 概念结构设计的方法与步骤,设计概念结构的四类方法自顶向下 首先定义全局概念结构的框架，然后逐步细化,自顶向下策略,An Introduction to Database System,7.3.2 概念结构设计的方法与步骤,自底向上 首先定义各局部应用的概念结构，然后将它们集成起来，得到全局概念结构,自底向上策略,An Introduction to Database System,概念结构设计的方法与步骤（续）,逐步扩张 首先定义最重要的核心概念结构，然后向外扩充，以滚雪球的方式逐步生成其他概念结构，直至总体概念结构,逐步扩张策略,An
6、Introduction to Database System,概念结构设计的方法与步骤（续）,混合策略 将自顶向下和自底向上相结合，用自顶向下策略设计一个全局概念结构的框架，以它为骨架集成由自底向上策略中设计的各局部概念结构,An Introduction to Database System,概念结构设计的方法与步骤（续）,常用策略自顶向下地进行需求分析自底向上地设计概念结构,An Introduction to Database System,概念结构设计的方法与步骤（续）,自底向上设计概念结构的步骤 第1步：抽象数据并设计局部视图第2步：集成局部视图，得到全局概念结构,An Intro
7、duction to Database System,7.3 概念结构设计,7.3.1 概念结构7.3.2 概念结构设计的方法与步骤7.3.3 数据抽象与局部视图设计7.3.4 视图的集成,An Introduction to Database System,7.3.3 数据抽象与局部视图设计,数据抽象局部视图设计,An Introduction to Database System,数据抽象,抽象是对实际的人、物、事和概念中抽取所关心的共同特性，忽略非本质的细节，并把这些特性用各种概念精确地加以描述概念结构是对现实世界的一种抽象,An Introduction to Database Sys
8、tem,数据抽象（续）,三种常用抽象1.分类（Classification）定义某一类概念作为现实世界中一组对象的类型抽象了对象值和型之间的“is member of”的语义,An Introduction to Database System,数据抽象（续）,分类,张英是学生中的一员，具备在某班级学习某专业、选修某些课程的特性和行为,An Introduction to Database System,数据抽象（续）,2.聚集（Aggregation）定义某一类型的组成成分抽象了对象内部类型和成分之间“is part of”的语义,An Introduction to Database Sy
9、stem,数据抽象（续）,聚集,An Introduction to Database System,数据抽象（续）,复杂的聚集，某一类型的成分仍是一个聚集,更复杂的聚集,An Introduction to Database System,数据抽象（续）,3.概括（Generalization）定义类型之间的一种子集联系抽象了类型之间的“is subset of”的语义继承性,An Introduction to Database System,数据抽象（续）,概括,子类与超类之间具有继承性，但子类本身还能包含比超类更多的属性,An Introduction to Database Syst
10、em,局部视图设计,设计分E-R图的步骤:选择局部应用逐一设计分E-R图,An Introduction to Database System,选择局部应用,在多层的数据流图中选择一个适当层次的数据流图，作为设计分E-R图的出发点 通常以中层数据流图作为设计分E-R图的依据,An Introduction to Database System,选择局部应用（续）,设计分E-R图的出发点,An Introduction to Database System,逐一设计分E-R图,任务将各局部应用涉及的数据分别从数据字典中抽取出来参照数据流图，标定各局部应用中的实体、实体的属性、标识实体的码确定实体
11、之间的联系及其类型（1:1，1:n，m:n）,An Introduction to Database System,逐一设计分E-R图（续）,两条准则：（1）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，不能再由另一些属性组成（2）属性不能与其他实体具有联系。联系只发生在实体之间,An Introduction to Database System,逐一设计分E-R图（续）,职称作为一个实体,An Introduction to Database System,逐一设计分E-R图（续）,病房作为一个实体,An Introduction to Database System,逐一设计
12、分E-R图（续）,仓库作为一个实体,An Introduction to Database System,DFD补充,数据流图DFD（Data Flow Diagram）是描绘信息流和数据从输入移动到输出的过程中所经受的变换是结构化分析方法中使用的工具，以图形的方式描绘数据在系统中流动和处理的过程，只反映系统必须完成的逻辑功能，是一种功能模型,An Introduction to Database System,DFD补充,DFD的主要图形元素：表示数据流（流动的数据），在其线旁标注数据流名:圆或椭圆，表示数据处理，圆圈内标注处理名，可以代表一系列程序、单个程序或者程序的一个模块:或双杠，表示
13、存储的数据：表示数据的源点或终点，在框内标注名称,An Introduction to Database System,DFD补充-数据流与处理的关系,数据A变成B或C，或者B和C,数据A变成B和C,数据A变成B或C，但不能变成B和C,An Introduction to Database System,DFD补充-数据流与处理的关系,数据A或B，或者A和B同时输入变成C,数据A和B同时输入变成C,只有数据A或只有数据B（但不能A和B同时）输入时变成C,An Introduction to Database System,逐一设计分E-R图（续）,实例销售管理子系统分E-R图的设计销售管理子系
14、统的主要功能：处理顾客和销售员送来的订单工厂是根据订货安排生产的交出货物同时开出发票收到顾客付款后，根据发票存根和信贷情况进行应收款处理,An Introduction to Database System,逐一设计分E-R图（续）,下图是第一层数据流图，虚线部分划出了系统边界,图7.18 销售管理子系统第一层数据流图,An Introduction to Database System,逐一设计分E-R图（续）,上图中把系统功能又分为4个子系统，下面四个图是第二层数据流图,图7.19 接收订单,An Introduction to Database System,逐一设计分E-R图（续）,图
15、7.20 处理订单,An Introduction to Database System,逐一设计分E-R图（续）,图7.21 开发票,An Introduction to Database System,逐一设计分E-R图（续）,图7.22 支付过账,An Introduction to Database System,逐一设计分E-R图（续）,分E-R图的框架,An Introduction to Database System,逐一设计分E-R图（续）,参照第二层数据流图和数据字典，遵循两个准则，进行如下调整：(1)订单与订单细节是1n的联系(2)原订单和产品的联系实际上是订单细节和产品
16、的联系(3)图7.21中“发票主清单”是一个数据存储，不必作为实体加入分E-R图(4)工厂对大宗订货给予优惠，添加“折扣规则”作为实体,订单：订单号，顾客号，订货项数，订货日期，交货日期，工种号，生产地点 订单细节：订单号，细则号，零件号，订货数，金额,An Introduction to Database System,逐一设计分E-R图（续）,得到分E-R图如下图所示,销售管理子系统的分E-R图,An Introduction to Database System,逐一设计分E-R图（续）,对每个实体定义的属性如下：顾客：顾客号，顾客名，地址，电话，信贷状况，账目余额订单：订单号，顾客号，
17、订货项数，订货日期，交货日期，工种号，生产地点订单细则：订单号，细则号，零件号，订货数，金额应收账款：顾客号，订单号，发票号，应收金额，支付日期，支付金额，当前余额，货款限额产品描述：产品号，产品名，单价，重量折扣规则：产品号，订货量，折扣,An Introduction to Database System,7.3 概念结构设计,7.3.1 概念结构7.3.2 概念结构设计的方法与步骤7.3.3 数据抽象与局部视图设计7.3.4 视图的集成,An Introduction to Database System,7.3.4 视图的集成,各个局部视图即分E-R图建立好后，还需要对它们进行合并，集
18、成为一个整体的数据概念结构即总E-R图,An Introduction to Database System,视图集成的两种方式,多个分E-R图一次集成 一次集成多个分E-R图通常用于局部视图比较简单时,An Introduction to Database System,视图的集成（续）,逐步集成用累加的方式一次集成两个分E-R图,An Introduction to Database System,视图的集成（续）,集成局部E-R图的步骤1.合并：解决各分E-R图的冲突2.修改与重构：消除不必要的冗余,An Introduction to Database System,视图的集成（续）,
19、视图集成,An Introduction to Database System,合并分E-R图，生成初步E-R图,各分E-R图存在冲突各个分E-R图之间必定会存在许多不一致的地方合并分E-R图的主要工作与关键合理消除各分E-R图的冲突,An Introduction to Database System,合并分E-R图，生成初步E-R图（续）,冲突的种类属性冲突命名冲突结构冲突,An Introduction to Database System,属性冲突,两类属性冲突1.属性域冲突属性值的类型取值范围取值集合不同 例由于学号是数字，因此某些部门（即局部应用）将学号定义为整数形式；而由于学号不
20、用参与运算，因此另一些部门（即局部应用）将学号定义为字符形式例某些部门（即局部应用）以出生日期形式表示学生的年龄；而另一些部门（即局部应用）用整数形式表示学生的年龄,An Introduction to Database System,属性冲突（续）,2.属性取值单位冲突 例学生的身高，有的以米为单位，有的以厘米为单位，有的以尺为单位属性冲突的解决方法通常用讨论、协商等行政手段加以解决,An Introduction to Database System,命名冲突,两类命名冲突同名异义：不同意义的对象在不同的局部应用中具有相同的名字 例局部应用A中将教室称为房间 局部应用B中将学生宿舍称为房间
21、异名同义（一义多名）：同一意义的对象在不同的局部应用中具有不同的名字 例有的部门把教科书称为课本 有的部门则把教科书称为教材,An Introduction to Database System,命名冲突（续）,命名冲突可能发生在属性级、实体级、联系级上。其中属性的命名冲突更为常见命名冲突的解决方法通过讨论、协商等行政手段加以解决,An Introduction to Database System,结构冲突,三类结构冲突1.同一对象在不同应用中具有不同的抽象 例“课程”在某一局部应用中被当作实体 在另一局部应用中则被当作属性解决方法：通常是把属性变换为实体或把实体变换为属性，使同一对象具有相
22、同的抽象,An Introduction to Database System,结构冲突（续）,2.同一实体在不同分E-R图中所包含的属性个数和属性排列次序不完全相同产生原因：不同的局部应用关心的是该实体的不同侧面解决方法：使该实体的属性取各分E-R图中属性的并集，再适当设计属性的次序,An Introduction to Database System,结构冲突（续）,An Introduction to Database System,结构冲突（续）,An Introduction to Database System,结构冲突（续）,An Introduction to Database
23、 System,结构冲突（续）,An Introduction to Database System,结构冲突（续）,3.实体之间的联系在不同局部视图中呈现不同的类型例实体E1与E2在局部应用A中是多对多联系，而在局部应用B中是一对多联系例在局部应用X中E1与E2发生联系，而在局部应用Y中E1、E2、E3三者之间有联系解决方法：根据应用语义对实体联系的类型进行综合或调整,An Introduction to Database System,消除不必要的冗余，设计基本E-R图,基本任务消除不必要的冗余，设计生成基本E-R图,An Introduction to Database System,消
24、除不必要的冗余，设计基本E-R图（续）,冗余 消除冗余的方法,An Introduction to Database System,1冗余,冗余的数据是指可由基本数据导出的数据冗余的联系是指可由其他联系导出的联系 冗余数据和冗余联系容易破坏数据库的完整性，给数据库维护增加困难消除不必要的冗余后的初步E-R图称为基本E-R图,An Introduction to Database System,消除冗余的方法,分析方法以数据字典和数据流图为依据根据数据字典中关于数据项之间的逻辑关系,An Introduction to Database System,消除冗余的方法（续）,消除冗余,Q3=Q1Q
25、2Q4=Q5,An Introduction to Database System,消除冗余的方法（续）,效率VS冗余信息需要根据用户的整体需求来确定若人为地保留了一些冗余数据，则应把数据字典中数据关联的说明作为完整性约束条件Q4=Q5一旦Q5修改后就应当触发完整性检查，对Q4进行修改,An Introduction to Database System,消除冗余的方法（续）,规范化理论函数依赖的概念提供了消除冗余联系的形式化工具,An Introduction to Database System,消除冗余的方法（续）,方法1.确定分E-R图实体之间的数据依赖，并用实体码之间的函数依赖表示,
26、劳动人事管理的分E-R图,An Introduction to Database System,消除冗余的方法（续）,上图中，部门和职工之间一对多的联系可表示为：职工号部门号职工和项目之间多对多的联系可表示为：（职工号，项目号）工作天数 得到函数依赖集FL,An Introduction to Database System,消除冗余的方法（续）,2.求FL的最小函数依赖集Fm，差集为D=FL-Fm 逐一考察D中的函数依赖，确定是否是冗余的联系，若是，就把它去掉(1)冗余的联系一定在D中，而D中的联系不一定是冗余的(2)当实体之间存在多种联系时要将实体之间的联系在形式上加以区分例部门和职工之间
27、存在多个联系：负责人.职工号部门号 部门号负责人.职工号普通职工.职工号部门号,An Introduction to Database System,消除冗余，设计生成基本E-R图实例,实例 某工厂管理信息系统的视图集成。书中图1.14(c)、图7.24、图7.29分别为该厂物资、销售和劳动人事管理的分E-R图 图7.30为该系统的基本E-R图,An Introduction to Database System,消除冗余，设计生成基本E-R图实例（续）,图1.14(c)工厂物资管理E-R图,该厂物资管理分E-R图,An Introduction to Database System,消除冗余
28、，设计生成基本E-R图实例（续）,支持的数据模型，它是各种数据模型的共同基础，因而比数据模型更一般、更抽象、更接近现实世界。,图7.24 销售管理子系统的分E-R图,该厂销售管理分E-R图,An Introduction to Database System,消除冗余，设计生成基本E-R图实例（续）,图7.29 劳动人事管理的分E-R图,该厂劳动人事管理分E-R图,An Introduction to Database System,消除冗余，设计生成基本E-R图实例（续）,系统的基本E-R(图7.30),某工厂管理信息系统的基本E-R图,An Introduction to Database
29、 System,消除冗余，设计生成基本E-R图实例（续）,集成过程，解决了以下问题：异名同义，项目和产品含义相同库存管理中职工与仓库的工作关系已包含在劳动人事管理的部门与职工之间的联系之中，所以可以取消职工之间领导与被领导关系可由部门与职工（经理）之间的领导关系、部门与职工之间的从属关系两者导出，所以也可以取消,An Introduction to Database System,验证整体概念结构,视图集成后形成一个整体的数据库概念结构，对该整体概念结构还必须进行进一步验证，确保它能够满足下列条件：整体概念结构内部必须具有一致性，不存在互相矛盾的表达整体概念结构能准确地反映原来的每个视图结构，
30、包括属性、实体及实体间的联系整体概念结构能满足需要分析阶段所确定的所有要求,An Introduction to Database System,验证整体概念结构（续）,整体概念结构最终还应该提交给用户，征求用户和有关人员的意见，进行评审、修改和优化，然后把它确定下来，作为数据库的概念结构，作为进一步设计数据库的依据,An Introduction to Database System,概念结构设计小结,概念结构设计的步骤抽象数据并设计局部视图集成局部视图，得到全局概念结构验证整体概念结构,An Introduction to Database System,概念结构设计小结,数据抽象分类聚集概括,An Introduction to Database System,概念结构设计小结,设计局部视图 选择局部应用 2.逐一设计分E-R图标定局部应用中的实体、属性、码，实体间的联系用E-R图描述出来,An Introduction to Database System,概念结构设计小结,集成局部视图1.合并分E-R图，生成初步E-R图消除冲突属性冲突命名冲突结构冲突2.修改与重构消除不必要的冗余，设计生成基本E-R图分析方法规范化理论,
