数据库设计与应用教学资料

第十四章 数据库设计与应用 1本章基本内容与要求o基本内容n关系模式规范化 n数据库设计 n数据库技术应用 o要求n掌握关系模式规范化的过程与基本方法n熟悉数据库设计过程n了解典型的关系数据库产品和常用的数据库应用系统2第一节关系模式规范化 o数据库设计的关键是数据模式的设计，如何把现实世界表达成一个合适的数据模式？如何选择一个比较好的关系模式的集合？关系模式中某些数据依赖问题的存在，可能会导致数据库中数据冗余和操作异常等问题，关系模式规范化方法使用范式这一概念来定义关系模式所符合的不同级别的要求，较低级别范式的关系模式，经模式分解可转换为若干符合较高级别范式要求的关系模式。3一、关系模式规范化问题的提出 4关系模式规范化问题的提出 o存在问题n数据冗余 n更新异常 n插入异常n删除异常o解决方法：分解为二个关系n R1(教师号，教师姓名，联系电话)n R2(教师号，课程号，课程名)56二、函数依赖 定义o定义14.1设有关系模式R(A1，A2，An)，简记为R(U)，其中U=A1，A2，An。设X，Y是U的子集，r是R的任一具体关系，t1，t2是r中的任意两个元组，若t1X=t2X（即元组t1、t2在X上的属性值相等）则t1Y=t2Y（元组t1、t2在Y上的属性值相等），则称X函数决定Y，或Y函数依赖于X，记为XY。7函数依赖例有一个教学管理关系模式 R（SNO，SNAME，CNO，GRADE，CNAME，TNAME，TADDRESS）其中各属性的含义为：SNO：学号；SNAME：学生姓名；CNO：课程号；GRADE：学生成绩；CNAME：课程名；TNAME：教师姓名TADDRESS：教师地址；则根据教学管理的现实世界，在关系模式R的任何关系r中存在下列函数依赖关系：SNO SNAME；CNO CNAMETNAME TADDRESS（SNO，CNO）GRADE8函数依赖分类o完全函数依赖在关系模式R（U）中，如果XY，并且对于X的任意一个真子集X1，X1Y均不成立，则称Y完全依赖于X。例：（学号，课程号）成绩为完全函数依赖。o部分函数依赖在关系模式R（U）中，如果XY，并且至少存在X的一个真子集X1，使得X1Y成立，则称Y部分依赖于X。例：（学号，课程号）姓名为部分函数依赖。o传递函数依赖在关系模式R（U）中，如果XY并且YZ，且YX则称Z传递依赖于X。例：学号系地址为传递函数依赖，因为学号系部，系部系地址。9用函数依赖定义主码 o侯选候选码（候选键）设有关系模式R（U），F是R上的函数依赖集，K是U的一个子集。如果：F逻辑蕴涵 KU；不存在K的任何真子集K1使得F逻辑蕴涵 K1U；则称K是R的候选码或候选键。o主码（关键字）当侯选候选码多于一个时，可以选中其中的一个作为主码。o主属性 所有侯选候选键中的属性称为主属性。o非主属性 不包含在任何侯选候选键中的属性称为非主属性。10例关系模式（学号，课程号，教师号，教师姓名，联系电话或地址），在这个关系模式中存在下列自然的函数依赖集F=（学号，课程号）教师号，教师号教师姓名，教师号联系电话或地址，确定侯选候选码、主码、主属性、非主属性。分析分析：由函数依赖集F，根据传递规则可以推出：（学号，课程号）教师姓名，（学号，课程号）联系电话或地址 再根据自反律可以推出：（学号，课程号）（学号，课程号）进一步根据增广律推出：（学号，课程号）（学号，课程号，教师号，教师姓名，联系电话或地址）因此（学号，课程号）是该关系模式的侯选候选码，并且在这个关系模式中没有其他的侯选候选码，因此关系模式的主属性为：学号、和课程号；非主属性为：教师号、和教师姓名。11三、关系模式规范化 o规范化的基本思想是消除关系模式中的数据冗余，消除数据依赖中的不合适的部分，解决数据插入、删除与修改时发生的异常现象。，这就要求关系数据库设计出来的关系模式要满足一定的条件。我们把关系数据库的规范化过程中为不同程度的规范化要求设立的不同的标准或准则称为范式（Normal Form）。，满足最低要求的叫第一范式,简称1NF。o一个低一级范式的关系模式，通过模式分解可以转换为若干个高一级范式的关系模式的集合，这种过程就叫规范化。12第一范式（1NF）o第一范式（First Normal Form）是最基本的规范化形式，即关系中每个属性都是不可再分的简单项。定义11.2 如果关系模式R所有的属性均为简单属性，即每个属性都是不可再分的，则称R属于第一范式，简称1NF，记作R1NF。o在关系数据库中只讨论规范化的关系，因此第一范式是最低要求，即所有关系都必须符合第一范式。如果不满足第一范式，必须转化成符合第一范式的关系。13第二范式（2NF）o定义11.3 若关系模式R1NF，且每一个非主属性完全函数依赖于关系R的某个侯选候选键，则关系R为第二范式，记为R2NF。2NF不允许关系模式的非主属性与侯选候选码之间存在部分函数依赖，如关系模式R（教师号，教师姓名，地址或联系电话，课程号，课程名）的侯选候选码是（教师号，课程号），即：（教师号，课程号）课程名，但课程号是（教师号，课程号）的子集，实际上，课程号课程名也就是说在关系R中存在着非主属性对侯选候选码的部分依赖。事实上在这个关系模式中还存在着其他的非主属性对侯选候选键码的部分函数依赖：（教师号，课程号）教师姓名 （教师号，课程号）联系电话或地址因此关系R不是第二范式。将关系R分解为R1（教师号，教师姓名，联系地址）R2（教师号，课程号，课程名）由于R1的侯选候选码键只有教师号，在R1中不存在非主属性对侯选候选键的部分函数依赖，因此R1属于第二范式。14第三范式（3NF）o定义11.4 若关系模式R2NF，若每一个非主属性都不传递依赖于某个侯选候选码，则关系R属于第三范式，记为：R3NF。考察关系模式：S（SNO，SNAME，AGE，DNO，DEAN），其中各属性代表的含义如下：SNO：学号；SNAME：学生姓名；AGE：学生年龄；DNO：学生所在的系号；DEAN：学生所在系的系名；这个关系模式中存在的函数依赖集如下：F=SNONAME，SNOAGE，SNODNO，DNODEAN 在这个关系模式中，显然SNO（SNO，SNAME，AGE，DNO，DEAN），即SNO是关系模式的侯选候选码，且是唯一的侯选候选码，并且，非主属性对侯选候选码是完全函数依赖，不存在非主属性对侯选候选码的部分函数依赖，因此，关系模式S2NF，然而SNODEAN是由SNODNO，DNODEAN两个函数依赖推出的，我们称系名（DEAN）传递依赖于学号（SNO），因此S不属于第三范式。15o定义11.4 若关系模式R2NF，若每一个非主属性都不传递依赖于某个侯选候选码，则关系R属于第三范式，记为：R3NF。如果我们将上述关系分解成：S1=（SNO，SNAME，AGE，DNO）S2=（DNO，DEAN）则S1 3NF，S23NF，它们各自的关系实例克服了存储上的数据冗余，操作上的更新异常、删除异常、插入异常等问题。16从1NF到3NFo一个关系只要其分量都是不可分的数据项，就可称作规范化的关系，也称作1NF。o消除1NF关系中非主属性对候选码的部分函数依赖，得到2NF；o消除2NF关系中非主属性对候选码的传递函数依赖，得到3NF。17例有一商品供应的关系模式SP（SNO，PNO，SCITY，STATUS，PRICE，QTY）其中各属性的含义如下：SNO：供应商编号 PNO：零件编号 SCITY：供应商所在的城市 STATUS：供应商的状态 PRICE：零件的价格 QTY：零件的数量 其属性组上的函数依赖集：F=SNOSCITY，SCITYSTATUS，PNOPRICE，（SNO，PNO）QTY 18例模式SP属于第一范式，根据Armstrong推理规则，由F可以推出：（SNO，PNO）（SNO，PNO，SCITY，STATUS，PRICE，QTY）SP的侯选候选键是：（SNO，PNO）SP的非主属性为：SCITY，STATUS，PRICE，QTY非主属性SCITY，PRICE对侯选候选键是部分函数依赖，STATUS对侯选候选键是传递函数依赖，为除去部分函数依赖可将关系模式SP分解为：SP1（SNO，SCITY，STATUS）SP2（PNO，PRICE）SP3（SNO，PNO，QTY）在SP1的侯选候选键是SNO，在其中存在着非主属性对侯选候选键的传递函数依赖性，为除去传递函数依赖，可将SP1分解为：SP11（SNO，SCITY）SP12（SCITY，STATUS）所以关系模式分解为3NF范式的结果为：SP11（SNO，SCITY）SP12（SCITY，STATUS）SP2（PNO，PRICE）SP3（SNO，PNO，QTY）可以证明以上每次分解均符合无损连接和保持依赖的条件。19第二节关系数据库设计 o数据库设计是指根据用户需求研制数据库结构并应用的过程。o数据库设计就是指对于给定的应用环境，构造最优的数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能有效地存储数据，满足用户的信息要求和处理要求，也就是把现实世界中的数据，根据各种应用处理的要求，加以合理组织，使之能满足硬件和操作系统的特性，利用已有的DBMS来建立能够实现系统目标的数据库。20一、数据库设计步骤 数据库运行和维护 需求分析 概念结构设计 逻辑结构设计 物理结构设计 应用需求 转换规则 DBMS 功能 应用需求 DBMS 特征，参数 性能评价与预测 符合要求？物理实现 试运行 满意？系统需求分析阶段 概念结构设计阶段 逻辑结构设计阶段 物理设计阶段 数据库实施阶段 数据库运行与维护阶段 N N Y Y 21数据库设计六个步骤o需求分析阶段需求分析是指准确了解和分析用户的需求，。这是最困难、最费时、最复杂的一步，但也是最重要的一步。，它决定了以后各阶段设计的速度和质量。o概念结构设计阶段概念结构设计是指对用户的需求进行综合、归纳与抽象，形成一个独立于具体DBMS产品的概念模型，是整个数据库设计的关键。o逻辑结构设计阶段逻辑结构设计是指将概念模型转换成某个DBMS所支持的数据模型，并对其进行优化。o物理结构设计阶段物理结构设计是指为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构（包括存储结构和存储方法）。o数据库实施阶段数据库实施是指建立数据库，编制与调试应用程序，组织数据入库，并进行调试运行。o数据库运行与维护阶段数据库运行与维护是指对数据库系统实际正常运行使用，并时时实时进行评价、调整与修改。22二、数据库设计主要阶段的任务需求分析o需求分析的任务是通过详细调查现实世界要处理的对象（组织、部门、企业等），充分了解原系统（手工系统或计算机系统）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信息要求指用户需要从数据库中获得信息的内容与性质。由信息要求可以导出数据要求，即在数据库中需要存储哪些数据。n处理要求指用户要完成什么处理功能，对处理的响应时间有什么要求，处理方式是批处理还是联机处理。n安全性与完整性要求指对数据库中的数据应该实施哪些约束和控制以保证数据的完整性和安全性。23二、数据库设计主要阶段的任务概念结构设计 o概念模式独立于数据库系统的逻辑结构，独立于具体的DBMS产品，也独立于计算机系统。o概念模式是面向现实世界的数据模型24二、数据库设计主要阶段的任务逻辑结构设计 o将概念设计阶段产生的概念模式变换为逻辑模式。o步骤（以关系模型为例）n将概念结构转换为一般的关系模型n将以上得到的一般关系模型向特定DBMS支持下的数据模型转换 n对数据模型进行优化 25二、数据库设计主要阶段的任务物理结构设计 o数据库的物理设计是对已确定的逻辑数据结构，利用DBMS所提供的方法、技术，以较优的数据存储结构、数据存取路径、合理的数据存放位置以及存储分配，设计出一个高效的、可实现的物理数据库结构。物理设计常常包括某些操作约束如响应时间与存储要求等。26物理设计的内容 o确定数据的存储结构 o存取路径的选择和调整 o确定数据存放位置o确定存储分配物理设计过程需要对时间、空间效率、维护代价和各种用户要求进行权衡，其结果可以产生多种方案。在实施数据库前，对这些方案进行细致的评价，以选择一个较优的方案作为来设计数据库的物理结构。27第三节数据库技术应用 o典型的关系数据库管理系统产品n ORACLE nMicrosoft SQL Server nMicrosoft Access 28选择关系DBMS产品时考虑的主要因素 o数据库应用的规模、类型和用户的数量；o速度指标；o软件、硬件平台性价比；o开发者的经验和习惯；o安全性要求；o对分布式应用的支持等。29o典型的数据库应用系统实例 n航空售票系统o座位预定信息座位分配、座位确认、餐饮选择等；o航班信息航班号、飞机型号、机组号、起飞地、目的地、起飞时间、到达时间、飞行状态等；o机票信息票价、折扣、是否有票等。30o典型的数据库应用系统实例 n银行业务系统 o顾客信息姓名、身份证号码、地址、电话等信息；o账户信息账号、存款金额、余额、取款金额、日期等信息；o顾客与账户关系信息身份证号码、账号等信息。31o典型的数据库应用系统实例 n超市业务系统 o销售信息连锁点、日期、时间、顾客、商品、数量、总价等；o商品信息商品名称、单价、进货数量、供应商、商品类型、摆放位置等；o供应商信息供应商名称、地点、商品、信誉等。32o典型的数据库应用系统实例 n工厂的管理信息系统 o销售记录产品、服务、客户、销售人员、时间等；o雇员信息姓名、地址、工资、津贴、所得税款等；o财务信息合同、应收货款、应付货款等。33o典型的数据库应用系统实例 n学校教学管理系统o学生信息姓名、学号、性别、班级、年龄、宿舍、电话、E-mail地址等；o教师信息姓名、工作证号、性别、年龄、学历、教研室、住址、电话、E-mail地址等；o教室信息教室号、位置、座位、类型等；o课程信息课程名称、指定教材、学时、学分等；o排课信息课程名称、教室、班级、教师名称等。34o典型的数据库应用系统实例 n图书管理系统o图书信息书号、书名、作者姓名、出版日期、类型、页数、价格、出版社名称等；o读者信息姓名、借书证号、性别、出生日期、学历、住址、电话等；o借阅信息借书证号、书名、借书日期、还书日期等。35演讲完毕，谢谢观看！