数据库设计-逻辑结构设计逻辑结构设计 逻辑结构设计的任务逻辑结构设计的任务 概念结构是各种数据模型的共同基础。为了能 够用某一DBMS实现用户需求，还必须将概念 结构进一步转化为相应的数据模型，这正是数 据库逻辑结构设计所要完成的任务。逻辑结构设计 逻辑结构设计的步骤逻辑结构设计的步骤 将概念结构转化为一般的关系、网状、层次模型 将转化来的关系、网状、层次模型向特定DBMS支持下的 数据模型转换 对数据模型进行优化转化为一般 数据模型转化为特定 DBMS所 支持的 数据模型优化模型转换规则特定DBMS的 特点与限制优化方法 (规范化理论)概念 结构 设计物理 设计基本E-R图逻辑模型E-R图向关系模型的转换 转换内容转换内容 E-R图由实体、实体的属性和实体之间的联系三个 要素组成 关系模型的逻辑结构是一组关系模式的集合 将E-R图转换为关系模型：将实体、实体的属性和 实体之间的联系转化为关系模式。E-R图向关系模型的转换 转换原则转换原则 1. 1. 一个实体型转换为一个关系模式一个实体型转换为一个关系模式。 关系的属性：实体型的属性 关系的码：实体型的码 例，学生实体可以转换为如下关系模式： 学生（学号，姓名，出生日期，所在系，年级，平 均成绩）性别、宿舍、班级、档案材料、教师、课程、教室 、教科书都分别转换为一个关系模式。E-R图向关系模型的转换E-R图向关系模型的转换 转换原则转换原则 2. 2. 一个一个m:nm:n联系转换为一个关系模式。联系转换为一个关系模式。 关系的属性：与该联系相连的各实体的码以及联系本身 的属性 关系的码：各实体码的组合 例，“选修”联系是一个m:n联系，可以将它转换为 如下关系模式，其中学号与课程号为关系的组合码 ： 选修（学号，课程号，成绩）E-R图向关系模型的转换E-R图向关系模型的转换 转换原则转换原则 3. 3. 一个一个1:n1:n联系可以转换为一个独立的关系模式，也联系可以转换为一个独立的关系模式，也 可以与可以与n n端对应的关系模式合并。端对应的关系模式合并。 转换为一个独立的关系模式 关系的属性：与该联系相连的各实体的码以及联系本身的属性 关系的码：n端实体的码 与n端对应的关系模式合并 合并后关系的属性：在n端关系中加入1端关系的码和联系本身的属 性 合并后关系的码：不变 可以减少系统中的关系个数，一般情况下更倾向于采用这种方法E-R图向关系模型的转换 例，“组成”联系为1:n联系。将其转换为关系模 式的两种方法： 使其成为一个独立的关系模式使其成为一个独立的关系模式： 组成（学号，班级号） 将其学生关系模式合并将其学生关系模式合并： 学生（学号，姓名，出生日期，所在系，年级， 班级号，平均成绩）E-R图向关系模型的转换E-R图向关系模型的转换 转换原则转换原则 4. 4. 一个一个1:11:1联系可以转换为一个独立的关系模式，也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可以与任意一端对应的关系模式合并。 转换为一个独立的关系模式 关系的属性：与该联系相连的各实体的码以及联系本身的属性 关系的候选码：每个实体的码均是该关系的候选码 与某一端对应的关系模式合并 合并后关系的属性：加入对应关系的码和联系本身的属性 合并后关系的码：不变E-R图向关系模型的转换 例，“管理”联系为1:1联系，可以有三种转换方法： 转换为一个独立的关系模式： 管理（职工号，班级号） 或管理（职工号，班级号） “管理”联系与班级关系模式合并，则只需在班级关系中加入 教师关系的码，即职工号： 班级：（班级号，学生人数，职工号） “管理”联系与教师关系模式合并，则只需在教师关系中加入 班级关系的码，即班级号： 教师：（职工号，姓名，性别，职称，班级号，是否为优 秀班主任）E-R图向关系模型的转换 注意： 从理论上讲，1:1联系可以与任意一端对应的关系 模式合并。 但在一些情况下，与不同的关系模式合并效率会大 不一样。因此究竟应该与哪端的关系模式合并需要 依应用的具体情况而定。 由于连接操作是最费时的操作，所以一般应以尽量一般应以尽量 减少连接操作为目标减少连接操作为目标。 例如，如果经常要查询某个班级的班主任姓名，则 将管理联系与教师关系合并更好些。E-R图向关系模型的转换E-R图向关系模型的转换 转换原则转换原则 5. 5. 三个或三个以上实体间的一个多元联系转换三个或三个以上实体间的一个多元联系转换 为一个关系模式为一个关系模式。 关系的属性：与该多元联系相连的各实体的码以及 联系本身的属性 关系的码：各实体码的组合 例，“讲授”联系是一个三元联系，可以将它转 换为如下关系模式，其中课程号、职工号和书 号为关系的组合码： 讲授（课程号，职工号，书号）E-R图向关系模型的转换 转换原则转换原则 6. 6. 同一实体集的实体间的联系，即自联系，也同一实体集的实体间的联系，即自联系，也 可按上述可按上述1:11:1、1:n1:n和和m:nm:n三种情况分别处理。三种情况分别处理。 例，如果教师实体集内部存在领导与被领导的 1:n自联系，我们可以将该联系与教师实体合 并，这时主码职工号将多次出现，但作用不同 ，可用不同的属性名加以区分： 教师：职工号，姓名，性别，职称， 系主任系主任E-R图向关系模型的转换 转换原则转换原则 7. 7. 具有相同码的关系模式可合并。具有相同码的关系模式可合并。 目的：减少系统中的关系个数。 合并方法：将其中一个关系模式的全部属性加入到 另一个关系模式中，然后去掉其中的同义属性（可 能同名也可能不同名），并适当调整属性的次序。向特定DBMS规定的模型进行转换 一般的数据模型还需要向特定DBMS规定的模 型进行转换。 转换的主要依据是所选用的DBMS的功能及限 制。没有通用规则。 对于关系模型来说，这种转换通常都比较简单 。数据模型的优化 数据库逻辑设计的结果不是唯一的。 得到初步数据模型后，还应该适当地修改、调 整数据模型的结构，以进一步提高数据库应用 系统的性能，这就是数据模型的优化。 关系数据模型的优化通常以规范化理论为指导 。数据模型的优化优化数据模型的方法 1.1. 确定数据依赖。确定数据依赖。按需求分析阶段所得到的语义，分别写出 每个关系模式内部各属性之间的数据依赖以及不同关系模 式属性之间数据依赖。 2. 对于各个关系模式之间的数据依赖进行极小化处理进行极小化处理，消除 冗余的联系。 3. 按照数据依赖的理论对关系模式逐一进行分析，考查是否 存在部分函数依赖、传递函数依赖、多值依赖等，确定确定各 关系模式分别属于第几范式属于第几范式。 4. 按照需求分析阶段得到的各种应用对数据处理的要求，分 析对于这样的应用环境这些模式是否合适，确定是否要确定是否要对 它们进行合并或分解合并或分解。 5. 按照需求分析阶段得到的各种应用对数据处理的要求，对 关系模式进行必要的分解或合并进行必要的分解或合并，以提高数据操作的效率 和存储空间的利用率数据模型的优化 例： 1. 1. 确定数据依赖确定数据依赖 课程关系模式内部存在下列数据依赖： 课程号课程名 课程号学分 课程号教室号选修关系模式中存在下列数据依赖： （学号，课程号）成绩数据模型的优化 例： 1. 1. 确定数据依赖确定数据依赖 学生关系模式中存在下列数据依赖： 学号姓名 学号性别 学号出生日期 学号所在系 学号年级 学号班级号 学号平均成绩 学号档案号学生关系模式的学号与选修关系模式的学号之间存在数据依赖 ： 学生.学号选修.学号数据模型的优化 例： 2. 2. 最小化处理，消除冗余的联系最小化处理，消除冗余的联系 3. 3. 确定规范化程度确定规范化程度 经过分析可知，课程关系模式属于BC范式。数据模型的优化 例： 4. 4. 确定是否需要合并或分解确定是否需要合并或分解 并不是规范化程度越高的关系就越优。 联系运算的代价是相当高的，可以说关系模型低效的主要 原因就是做联接运算引起的，因此在这种情况下，第二范 式甚至第一范式也许是最好的。 非BCNF的关系模式虽然从理论上分析会存在不同程度的 更新异常，但如果在实际应用中对此关系模式只是查询， 并不执行更新操作，则就不会产生实际影响。 对于一个具体应用来说，到底规范化进行到什么程度，需 要权衡响应时间和潜在问题两者的利弊才能决定。一般说 来，第三范式就足够了。数据模型的优化 例： 4. 4. 确定是否需要合并或分解确定是否需要合并或分解 虽然平均成绩平均成绩可以由其他属性推算出来，但如 果应用中需要经常查询学生的平均成绩，为提 高效率，我们仍然可保留该冗余数据，对关系 模式不再做进一步分解。 5. 5. 进行合并或分解进行合并或分解 常用分解方法 水平分解 垂直分解数据模型的优化 模式分解方法 水平分解水平分解 把(基本)关系的元组分为若干子集合，定义每个子 集合为一个子关系，以提高系统的效率。 水平分解的适用范围水平分解的适用范围 满足“80/20原则”的应用 80/20原则：一个大关系中，经常被使用的数据只是关系的一 部分，约20% 把经常使用的数据分解出来，形成一个子关系，可以减少查询 的数据量。 并发事务经常存取不相交的数据 如果关系R上具有n个事务，而且多数事务存取的数据不相交， 则R可分解为少于或等于n个子关系，使每个事务存取的数据对 应一个关系。数据模型的优化 模式分解方法 垂直分解垂直分解 把关系模式R的属性分解为若干子集合，形成若干 子关系模式。 垂直分解的原则垂直分解的原则：经常在一起使用的属性从R中分 解出来形成一个子关系模式。 垂直分解的优点垂直分解的优点：可以提高某些事务的效率 垂直分解的缺点垂直分解的缺点：可能使另一些事务不得不执行连 接操作，从而降低了效率。数据模型的优化 模式分解方法 垂直分解的适用范围垂直分解的适用范围 取决于分解后R上的所有事务的总效率是否得到了 提高。 进行垂直分解的方法进行垂直分解的方法 简单情况：直观分解 复杂情况：模式分解算法 垂直分解必须不损失关系模式的语义(保持无损连 接性和保持函数依赖)。设计用户子模式 定义数据库模式主要是从系统的时间效率、空 间效率、易维护等角度出发。 定义用户外模式时应该更注重考虑用户的习惯 与方便。包括三个方面：设计用户子模式 使用更符合用户习惯的别名使用更符合用户习惯的别名 合并各分E-R图曾做了消除命名冲突的工作，以使数据库 系统中同一关系和属性具有唯一的名字。这在设计数据库 整体结构时是非常必要的。但对于某些局部应用，由于改 用了不符合用户习惯的属性名，可能会使他们感到不方便 ，因此在设计用户的子模式时可以重新定义某些属性名， 使其与用户习惯一致。 当然，为了应用的规范化，我们也不应该一味地迁就用户 。 例：负责学籍管理的用户习惯于称教师模式的职工号为教 师编号。因此可以定义视图，在视图中职工号重定义为教 师编号设计用户子模式 针对不同级别的用户定义不同的外模式，以满足系统针对不同级别的用户定义不同的外模式，以满足系统 对安全性的要求对安全性的要求。 例：教师关系模式中包括职工号、姓名、性别、出生 日期、婚姻状况、学历、学位、政治面貌、职称、职 务、工资、工龄、教学效果等属性。 学籍管理应用学籍管理应用只能查询教师的职工号、姓名、性别、职称 数据； 课程管理应用课程管理应用只能查询教师的职工号、姓名、性别