二级公共基础知识第4章 数据库设计基础内容提要n数据库的基本概念：数据库，数据库管理 系统，数据库系统。n数据模型，实体联系模型及E-R图，从E-R 图导出关系数据模型。n关系代数运算，包括集合运算及选择、投 影、连接运算。n数据库设计方法和步骤：需求分析、概念 设计、逻辑设计和物理设计的相关策略。24.1 数据库系统的基本概念4.1.1 数据、数据库、数据库管理系统(续)n1数据n数据n描述事物的符号记录，用物理符号记录下来的可以鉴别的信 息n物理符号：数字、文字、图形、图像声音及其他特殊符号。n多种表现形式：数字化n计算机中数据分为两部分：n临时性数据n持久性数据n数据有型（Type）与值（Value）之分n型：数据表示的类型，如整型、实型、字符型等n值：给出了符合给定型的值44.1.1 数据、数据库、数据库管理系统(续)n2数据库n数据库Database，简称DBn数据的集合，具有统一的结构形式并存放于统一的存 储介质内，是多种应用数据的集成，并可被各个应用 程序所共享n按数据所提供的数据模式存放的n特点：n较小的冗余度n较高的数据独立性n易扩展性n为多个用户所共享54.1.1 数据、数据库、数据库管理系统(续)n3数据库管理系统n数据库管理系统Database Management System，简称DBMSn数据库的管理机构，职能是有效地组织、存储、获取 和管理数据，接受及完成用户提出的访问数据的各种 请求n数据库系统的核心nDBMS的功能n数据模式定义n数据存取的物理构建n数据操纵。n数据的完整性、安全性定义与检查n数据库的并发控制与故障恢复n数据的服务64.1.1 数据、数据库、数据库管理系统(续)n3数据库管理系统n数据库语言n数据定义语言DDLn数据操纵语言DMLn数据控制语言DCLn数据语言的使用n交互式命令语言n宿主型语言n常见的DBMSnORACLE、Sybase的PowerBuilder、IBM的DB2、微软 的SQL Servern微软的Visual FoxPro、Access，功能简单74.1.1 数据、数据库、数据库管理系统(续)n4数据库管理员n数据库管理员Database Administrator ，简称DBAn对数据库的规划、设计、维护、监视等的人 员n其主要工作有：n数据库设计n数据库维护n改善系统性能，提高系统效率84.1.1 数据、数据库、数据库管理系统(续)n5数据库系统n数据库系统Database System，简称DBSn拥有数据库技术支持的计算机系统n实现有组织地、动态地存储大量相关数据，提供数据 处理和资源共享服务n组成：n数据库（数据）n数据库管理系统（软件）n数据库管理员（人员）n硬件平台：计算机和网络n软件平台：操作系统、数据库系统开发工具、接口软件94.1.1 数据、数据库、数据库管理系统(续)6数据库应用系统 数据库应用系统Database Application System，简称 DBAS 组成：数据库系统+应用软件+应用界面104.1.2 数据库系统的发展n人工管理阶段114.1.2 数据库系统的发展n文件系统阶段124.1.2 数据库系统的发展n数据库系统阶段 134.1.3 数据库系统的基本特点n数据的集成性n数据的高共享性与低冗余性n数据独立性n物理独立性n逻辑独立性n数据统一管理与控制n数据的完整性检查：n数据的安全性保护n并发控制144.1.4 数据库系统的内部结构体系n三级模式n概念级模式n内部级模式n外部级摸式n二级映射n概念级到内部级的映 射n外部级到概念级的映 射154.1.4 数据库系统的内部结构体系nl数据库系统的三级模式n概念级模式n数据库中全体数据逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据 视图n一个数据库只有一个概念模式n内部级模式n又称物理模式n数据库物理存储结构与物理存取方法n对一般用户是透明的，直接影响数据库的性能n一个数据库只有一个内模式。n外部级摸式n也称子模式或用户模式n数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述n用户的数据视图n一个数据库可以有多个外模式164.1.4 数据库系统的内部结构体系n2数据库系统的两级映射n概念模式内模式的映射n存在于概念级和内部级之间n实现了概念模式到内模式之间的相互转换n保证数据具有很高的物理独立性n外模式概念模式的映射：n存在于外部级和概念级之间n实现了外模式到概念模式之间的相互转换n保证数据具有较高的逻辑独立性174.2 数据模型4.2.1 数据模型的基本概念n数据模型，是对现实世界中数据的模拟和抽象 。 n数据模型的分类 n概念模型：现实世界在人脑中的反映； n逻辑模型：按计算机系统的观点对数据建模； n物理模型：反映数据的存储结构。n数据模型的组成要素 n数据结构：所研究的对象类型的集合； n数据操作：对数据库中各种对象的值允许执行操作的 集合； n数据的约束条件：一组完整性规则的集合。194.2.2 E-R模型n1.基本概念n实体n属性n联系n一对一（1：1）n一对多（1：M或M：1）n多对多（M：N）n2.三个基本概念之间的联接关系n实体集与属性间的联接关系n实体与联系204.2.2 E-R模型3E-R型的图示法 实体集：用矩形表示 属性：用椭圆形表示 联系：用菱形表示 实体集与属性间的联接关系：用无向线段表示 实体集与联系间的联接关系：用无向线段表示214.2.3 层次模型n一种树形结构n数据结构比较简单，操 作简单n对于实体间联系是固定 的、且预先定义好的应 用系统，有较高的性能n可以提供良好的完整性 支持n不适合表示非层次性的 联系，对于插入和删除 操作的限制比较多224.2.4 网状模型n一个不加任何条件限制 的无向图n优于层次模型n使用时设计系统内部的 物理因素较多，用户操 作不方便，其数据模式 与系统实现不甚理想234.2.5 关系模型1关系的数据结构学号姓名性别出生年月籍贯 20054102张洁然男07-07-87上海 20054103李一明男05-01-86安徽合肥 20069301王文燕女11-06-88山东青 岛 20069302刘 宏男10-17-87江苏南京属性元组表框架 244.2.5 关系模型n主要术语n关系：一个关系就是一张二维表n元组：表中的一行n属性：表中的一个列n属性域：属性的取值范围n分量：元组中的一个属性值n主码：唯一地标识表中一个元组，主码属性不能取空值n外部关键字：与另一个关系的关键字相对应的属性组n关系模式：对一个关系的结构描述 关系名( 属性1, 属性2, . , 属性n )254.2.5 关系模型n关系的性质n元组个数有限性n元组的惟一性n元组的次序无关性n元组分量的原子性n属性名惟一性n属性的次序无关性n分量值域的同一性264.2.5 关系模型n2关系操纵n数据查询n数据删除n数据插入n数据修改274.2.5 关系模型n3数据完整性约束n实体完整性约束n主键中属性值不能为空值n参照完整性约束n实体及实体间的联系n用户定义的完整性约束n具体应用要求来定义的约束条件284.3 关系代数4.3 关系代数n1.关系模型的基本操作n四种基本操作n插入、删除、修改和查询n进一步分解成六种基本操作n关系的属性指定n关系的元组的选择n两个关系的合并n关系的查询n关系元组的插入n关系元组的删除304.3 关系代数n2传统的集合运算n关系代数是以对关系的集合运算为基础，分 为传统的集合运算和专门的关系运算，其运 算对象是关系，运算结果也是关系。n传统的集合运算包括并、交、差、广义笛卡 尔积四种运算。其中并、交、差要求参与运 算的两个关系的属性个数相同，且相应的属 性出自同一个域；广义笛卡尔积则无此限制 。314.3 关系代数n（1）并（Union）n关系R和S具有相同的关系模式，R和S的并是 由属于R或属于S的元组构成的集合。可表示 为：n（2）差（Difference）n关系R和S具有相同的关系模式，R和S的差是 由属于R但不属于S的元组构成的集合。可表 示为：324.3 关系代数n（3）交（Intersection）n关系R和S具有相同的关系模式，R和S的交是由属于 R且属于S的元组构成的集合。可表示为：n（4）广义笛卡尔积n设关系R和S的属性个数分别为n、m，则R和S的广 义笛卡尔积是一个有（n+m）列的元组的集合。每 个元组的前n列来自R的一个元组，后m列来自S的一 个元组，记为RS。334.3 关系代数n例：有两个关系R和S，分别进行并、差、交和广义笛卡尔积运算。344.3 关系代数n3专门的关系运算n（1）选择（Selection）n在关系中选择满足某些条件的元组，即消去某些 行，可表示为：n（2）投影（Projection）n在关系中选择某些属性列，即消去某些列，可表 示为：354.3 关系代数n例：在学生关系中n查询1980年以后出生的学生名单，表达式为 ：n查询所有学生的“姓名”、“性别”，表达式为 ：364.3 关系代数n（3）连接（Join）n当一个查询需要来自两个或多个关系的数据时就要用连接操作 。连接是从两个关系的笛卡尔积中选取属性间满足一定条件的 元组。可表示为：n其含义是，从关系R和S的广义笛卡尔积RS中选取R关系在A 属性组上的值与S关系在B属性组上的值满足比较关系的元组 。n1）等值连接：当连接条件中的比较运算符为“=” 。可表示为 ：n2）自然连接：要求连接时两个关系中进行相等比较的分量必须 是相同属性组，且在结果中将相同的属性列去掉。即若关系R和 S具有相同属性组B，则自然连接可记作：n 374.3 关系代数n例如，有两个关系R和Sn关系T：条件为“R.学号S.学号”的连接运算n关系U：条件为“R.学号=S.学号”的等值连接n关系V：进行自然连接 384.3 关系代数394.3 关系代数n（4）除（Division）n笛卡尔乘积的逆运算404.4 数据库设计与管理4.4.1 数据库设计概述n设计一个能满足用户要求，性能良好的数据库n基本任务：根据用户对象的信息需求、处理需 求和数据库的支持环境设计出数据模式n两种方法：n以信息需求为主，兼顾处理需求（面向数据的方法）n以处理需求为主，兼顾信息需求（面向过程的方法）n面向数据的设计方法已成为主流方法424.4.1 数据库设计概述n一般采用生命周期法， 分若干阶段n需求分析阶段n概念设计阶段n逻辑设计阶段n物理设计阶段n编码阶段n测试阶段n运行阶段n进一步修改阶段n在数据库设计中采用前 四个阶段，并且重点以 数据结构与模型的设计 为主线434.4.2 数据库设计的需求分析n任务：通过详细调查现实世界要处理的对象， 充分了解原系统的工作概况，明确用户的各种 需求，然后在此基础上确定新系统的功能n重点：是“数据”和“处理”n方法：结构化分析方法、和面向对象的方法n对数据库设计来讲，数据字典是进行详细的数 据收集和数据分析所获得的主要结果n数据字典是在需求分析阶段建立，在数据库设 计过程中不断修改、充实、完善的444.4.3 数据库概念设计n概念设计的方法n集中式模式设计法n视图集成设计法n数据库概念设计的过程n选择局部应用n视图设计：n三种方法：自顶向下、由底向上、由内向外n视图集成:解决局部设计中的冲突n命名冲突n概念冲突n域冲突n约束冲突454.4.4 数据库的逻辑设计n任务n概念模型进一步转化成相应的数据模型n主要步骤n从E-R图向关系模式转换n逻辑模式规范化及调整、实现n关系视图设计464.4.5 数据库的物理设计n主要目标:n对数据库内部物理结构作调整并选择合理的 存取路径，提高数据库访问速度及有效利用 存储空间n物理设计的内容:n索引设计n集簇设计n分区设计474.4.6 数据库管理n数据库的建立n数据模式的建立n数据加载n数据库的调整n数据库的重组n数据库安全性控制与完整性控制n数据库的故障恢复n数据库监控48典型考题分析 n【例4-1】数据