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第五章第五章 数据库设计数据库设计 数数据据库库设设计计是是开开发发数数据据库库应应用用系系统统的的关关键键。简简单单地地讲讲数数据据库库设设计计就就是是创创建建数数据据库库系系统的管理对象。统的管理对象。本本章章以以学学生生信信息息管管理理系系统统为为例例,介介绍绍数数据库设计的有关内容。据库设计的有关内容。第五章第五章 数据数据库设计库设计 数据数据库设计库设计是开是开发发数据数据库应库应用系用系统统的的5.1 数据库设计概述数据库设计步骤数据库设计步骤 数据库的设计六个阶段：数据库的设计六个阶段：1.需求分析需求分析2.概念结构设计阶段概念结构设计阶段3.逻辑结构设计阶段逻辑结构设计阶段4.物理结构设计阶段物理结构设计阶段5.数据库实施数据库实施6.数据库运行与维护数据库运行与维护概念结构设计阶段概念结构设计阶段需求分析需求分析物理结构设计阶段物理结构设计阶段逻辑结构设计阶段逻辑结构设计阶段数据库运行维护数据库运行维护数据库实施数据库实施开始实施开始实施-施工建造施工建造前期准备前期准备-图纸设计图纸设计提出方案提出方案-小区规划小区规划开始调研开始调研可行性分析可行性分析 业主入住业主入住小区管理小区管理物业维护物业维护打个比喻：打个比喻：5.1 数据数据库设计库设计概述数据概述数据库设计库设计步步骤骤概念概念结结构构设计阶设计阶段需求分析段需求分析5.2 需求分析 需需求求分分析析是是数数据据库库设设计计的的第第一一步步。这这一一阶阶段段主主要要是是对对数数据据库库应应用用系系统统所所要要处处理理的的对对象象进进行行全全面面了了解解，包包括括了了解解用用户户需需求求，收集信息，提出问题及解决问题的思路等。收集信息，提出问题及解决问题的思路等。例例如如：建建立立“学学生生信信息息管管理理系系统统”，目目的的是是对对学学院院、系系、班班级级、教教研研室室等等部部门门的的信信息息进进行行管管理理，还还要要管管理理教教师师和和学学生生的的基本信息，以及学生选课的情况。基本信息，以及学生选课的情况。信信息息要要求求：系系统统涉涉及及到到学学院院、系系、教教研研室室、教教师师、学学生生、班级、课程、选课等各方面的信息。班级、课程、选课等各方面的信息。处处理理要要求求：增增加加、删删除除、修修改改各各数数据据对对象象中中的的数数据据，各各类类查询、统计及报表打印等等。查询、统计及报表打印等等。安安全全性性要要求求：只只允允许许学学院院内内部部人人员员使使用用该该系系统统，允允许许学学生生查询成绩但不能修改，允许教师录入和修改学生成绩等。查询成绩但不能修改，允许教师录入和修改学生成绩等。5.2 需求分析需求分析 需求分析是数据需求分析是数据库设计库设计的第一步的第一步5.3 概念结构设计 概概念念设设计计的的目目标标是是产产生生反反映映需需求求信信息息的的数数据据库库概概念念结结构构，它它与与具具体体的的DBMS无无关关。概概念念设设计计用用实实体体-联联系系模模型型(简简称称E-R图图)表表示示。在在E-R模模型型中中，用用于于描描述述数数据据的的概概念念主主要要有有实实体体、属属性性、实实体体集集、关关键键字及实体之间的联系等。字及实体之间的联系等。现实世界现实世界概念模型概念模型将将现现实实世世界界客客观观存存在在的的事事物物及及其其相相互互间间联联系系通通过过符符号号记记录录下下来来抽抽象为信息世界。象为信息世界。5.3 概念概念结结构构设计设计 概念概念设计设计的目的目标标是是产产生反映生反映 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：客观存在并相互区别的事物。实实体体可可以以是是可可触触及及的的对对象象，如如一一个个学学生生，一一本本书书，一一辆辆汽汽车车；也也可可以以是是抽抽象象的的事事件件，如如一一堂堂课，一次比赛等。课，一次比赛等。(2)属性：实体所具有的特征和性质。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。如：学生实体有学号、姓名、年龄、性别等。1.实实体及相关概念体及相关概念 (1)实实体：客体：客观观存在存在 (3)码码：能能够够唯唯一一的的标标识识一一个个实实体体的的属属性性称称为为这这个实体的关键字，即主键。个实体的关键字，即主键。如如：学学生生的的学学号号。而而学学生生的的姓姓名名可可能能有有重重名名，不能作为学生实体的关键字不能作为学生实体的关键字(码码)。(4)实实体体集集：具具有有相相同同属属性性的的同同一一类类事事物物，是是一个实体的集合。一个实体的集合。如如：所所有有的的学学生生信信息息记记录录、所所有有的的课课程程信信息息记录等。记录等。(3)码码：能：能够够唯一的唯一的标识标识一个一个实实体的属性称体的属性称为为 两个或两个以上的实体集间的关联关系的描述。两个或两个以上的实体集间的关联关系的描述。如如：系系与与系系主主任任、班班级级与与班班长长(1:1关关系系)；系系与与教教研研室室、班班级级与与学学生生(1:n关关系系)；学学生生与与课课程程、教教师师与课程与课程(m:n关系关系)。实体集之间的联系分一对一实体集之间的联系分一对一(1:1)、一对多、一对多(1:n)、多对多、多对多(m:n)3种。种。2.联系与联系集 两个或两个以上的两个或两个以上的实实体集体集间间的关的关联联关系的描述。关系的描述。E-R图 E-R模模型型(概概念念模模型型的的描描述述方方法法)，是是用用实实体体-联联系系图图(简简称称E-R图图）来来描描述述的的，是是通通过过图图形形来来描描述述实实体体集集、实体属性和实体集之间的联系。实体属性和实体集之间的联系。实实体体集集矩矩形形框框 属属性性椭椭圆圆框框 联联系系菱形框菱形框例如：例如：学院实体集的学院实体集的E-R图图学院学院学院编号学院编号学院名称学院名称院长姓名院长姓名学院电话学院电话学院地址学院地址 E-R图图 E-R模型模型(概念模型的描述方法概念模型的描述方法)例例如如：教教师师与与班班级级、学学院院与与系系和和班班级级、学学生生和课程实体集之间联系的和课程实体集之间联系的E-R图。图。教师教师班级班级班主任班主任11学生学生课程课程选课选课mn学院学院系系设置设置n1班级班级设置设置1n 例如：教例如：教师师与班与班级级、学院与系和班、学院与系和班级级、学生和、学生和课课程程 例例如如：学学生生、教教师师和和课课程程三三个个实实体体共共同同参参与与了了一一个个选选课课联联系系，一一般般称称这这种种由由三三类类实实体体参参与与的的联联系系为为三三元元联联系系。因因为为某某教教师师选选定定一一门门课课讲讲授授，学学生生选选中同一门课要学习时，三者才会联系起来。中同一门课要学习时，三者才会联系起来。教师、学生与课程的教师、学生与课程的E-R图图mmnn 例如：学生、教例如：学生、教师师和和课课程三个程三个实实体共同参与了一个体共同参与了一个 多多对对多多关关系系实实际际上上是是某某两两个个表表与与第第三三个个表表的的两两个个一一对对多多关关系系，第第三三个个表表的的主主键键包包含含两两个个字字段段，分分别别是前两个表的主键。是前两个表的主键。字段名字段名字段类型字段类型字段长度字段长度小数点小数点索引类型索引类型学号学号字符型字符型6 6主索引主索引姓名姓名字符型字符型6 6性别性别字符型字符型2 2出生年月出生年月日期日期/时间型时间型短日期短日期籍贯籍贯字符型字符型5050班级编号班级编号字符型字符型8 8外键外键选课选课 学生学生-选课选课(1:n)(1:n)课程课程-选课选课(1:n)(1:n)nMMn 多多对对多关系多关系实际实际上是某两个表与第三个表的两个一上是某两个表与第三个表的两个一进进一一步步扩扩展展到到2组组多多对对多多关关系系时时，第第四四个个表表的的主主键键包包含含3个个字字段段，分分别是前别是前3个表的主键。个表的主键。字段名字段名字段类型字段类型字段长度字段长度小数点小数点索引类型索引类型学号学号字符型字符型6 6主索引主索引姓名姓名字符型字符型6 6性别性别字符型字符型2 2出生年月出生年月日期日期/时间型时间型短日期短日期籍贯籍贯字符型字符型5050班级编号班级编号字符型字符型8 8外键外键选课选课 学生学生-选课选课(1:n)(1:n)课程课程-选课选课(1:n)(1:n)教师教师-选课选课(1:n)(1:n)nMMn此此图图为为3 3个个 表表与与 第第 4 4个个表表的的联系。联系。进进一步一步扩扩展到展到2组组多多对对多关系多关系时时，第四个表的主，第四个表的主键键包含包含3个字段，分个字段，分学生信息管理系统学生信息管理系统(E-R概念模型概念模型)学生信息管理系学生信息管理系统统5.4 逻辑结构设计 逻逻辑辑结结构构设设计计：将将已已设设计计好好的的概概念念模模型型(E-R图图)转换为与转换为与DBMS支持的数据模型相符的逻辑结构。支持的数据模型相符的逻辑结构。概念模型概念模型逻辑模型逻辑模型5.4 逻辑结逻辑结构构设计设计 逻辑结逻辑结构构设计设计：将已：将已设计设计好好E-R模型与关系模型的转换规则：模型与关系模型的转换规则：一一个个实实体体集集转转换换为为一一个个关关系系模模式式。实实体体的的属属性就是关系的属性，实体的键就是关系的键。性就是关系的属性，实体的键就是关系的键。学院学院学院编号学院编号学院名称学院名称院长姓名院长姓名学院电话学院电话学院地址学院地址 例例如如：将将学学院院实实体体转转换换为为一一个个关关系系，其其属属性性取取原原来实体的属性，利用规则来实体的属性，利用规则1，得到关系模式：，得到关系模式：学学院院(学学院院编编号号,学学院院名名称称,院院长长姓姓名名,学学院院电电话话,学学院地址院地址)E-R模型与关系模型的模型与关系模型的转换规则转换规则：一个一个实实体体 一一个个1:1联联系系可可以以转转换换为为一一个个独独立立的的关关系系模模式式，也可以与任意一端对应的关系模式合并。也可以与任意一端对应的关系模式合并。举例：两个实体举例：两个实体:一对一联系一对一联系系系(系编号系编号,系名字系名字,系性质系性质)系主任系主任(工号工号,姓名姓名,年龄年龄)系与系主任系与系主任(工号工号,系编号系编号)系系(系编号系编号,系名字系名字,系性质系性质,系主任姓名系主任姓名,年龄年龄)方式方式1方式方式2 注：一般注：一般1:1联系采用将两个关系模式合并。联系采用将两个关系模式合并。联系联系系系系编号系编号系名字系名字系性质系性质系主任系主任年龄年龄姓名姓名拥有拥有11工号工号 一个一个1:1联联系可以系可以转换为转换为一个独立的关系模一个独立的关系模 一一个个1:n联联系系可可以以转转换换为为一一个个独独立立的的关关系系模模式式，也可以与也可以与n端对应的关系模式合并。端对应的关系模式合并。(一般用合并一般用合并)例如：两个实体例如：两个实体1:n关系关系属于属于n1学生学生姓姓名名性性别别学学号号出出生生年年月月籍籍贯贯班班级级编编号号班级班级班班级级名名班班长长姓姓名名专专业业系系编编号号班班级级编编号号联系联系 利利用用规规则则1将将学学生生和和班班级级实实体体各各转转换换为为一一个个关关系系，其其属属性性取原来实体的属性，得到关系模式：取原来实体的属性，得到关系模式：学生学生(学号学号,姓名姓名,性别性别,出生年月出生年月,籍贯籍贯)班级班级(班级编号班级编号，班级名称，班长姓名，专业，系编号，班级名称，班长姓名，专业，系编号)由由于于班班级级与与学学生生之之间间存存在在一一对对多多的的联联系系，利利用用规规则则3可可将将这这种种联联系系合合并并到到n端端，即即将将班班级级关关系系的的码码加加入入到到学学生生关关系系中中，得到最终结果：得到最终结果：学生学生(学号学号,姓名姓名,性别性别,出生年月出生年月,籍贯籍贯,班级编号班级编号)一个一个1:n联联系可以系可以转换为转换为一个独立的关系模一个独立的关系模 实实体体之之间间多多对对多多的的联联系系转转换换为为一一个个独独立立的的关关系系模模式式。与与该该联联系系相相关关系系的的各各实实体体的的码码及及联联系系本本身身的的属属性性均均转转换换为为此此关关系系模模式式的的属属性性，而而关关系系的的码码为为各各实实体体的码的组合。的码的组合。三三个个或或以以上上的的实实体体间间的的一一个个多多元元联联系系可可以转换为一个关系模式。以转换为一个关系模式。具有相同键的关系模式可以合并。具有相同键的关系模式可以合并。实实体之体之间间多多对对多的多的联联系系转换为转换为一个独立的关系一个独立的关系 例如：三个实体例如：三个实体m:n关系关系选课选课mm学生学生姓名姓名性别性别学号学号出生出生年月年月籍贯籍贯班级班级编号编号教师教师姓名姓名性别性别教研教研室编室编号号教师教师编号编号联系联系课程课程课程课程名名学时学时学分学分课程课程编号编号nn成绩成绩 使用规则使用规则1：三个实体集转换为关系；：三个实体集转换为关系；使使用用规规则则4和和5：为为联联系系单单独独建建立立一一个个关关系系，即即将将学学生生课课程程、教教师师课课程程实实体体之之间间多多对对多多的的多多元元“选选课课”联系转换为一个独立的关系模式。联系转换为一个独立的关系模式。例如：三个例如：三个实实体体m:n关系关系选课选课mm学生姓名性学生姓名性别别 实实体体之之间间多多对对多多的的多多元元“选选课课”联联系系转转换换为为一一个个独立的关系模式如下：独立的关系模式如下：学生学生(学号学号,姓名姓名,性别性别,出生年月出生年月,籍贯籍贯,班级编号班级编号)教师教师(教师编号教师编号,姓名姓名,性别性别,职务职务,教研室编号教研室编号)课程课程(课程编号课程编号,课程名课程名,学时学时,学分学分)选课选课(学号学号,课程编号课程编号,教师编号教师编号,成绩成绩)(新新关关系系包包含含两两组组多多对对多多实实体体的的主主键键及及其其联联系系自自身的属性身的属性)实实体之体之间间多多对对多的多元多的多元“选课选课”联联系系转换为转换为一个独一个独E-R图-关系模型-关系数据库的对应关系：概念模型理论概念模型理论关系模型理论关系模型理论关系数据库关系数据库实体集实体集关系关系二维表记录集二维表记录集实体实体元组元组记录记录属性属性属性属性字段字段属性值属性值分量分量数据项数据项码码主键主键主键主键E-R图图-关系模型关系模型-关系数据关系数据库库的的对应对应关系：概念模型理关系：概念模型理论论关关学院学院(学院编号学院编号,学院名称学院名称,院长姓名院长姓名,电话电话,地址地址)系系(系编号系编号,系名称系名称,系主任系主任,学院编号学院编号)教研室教研室(教研室编号教研室编号,教研室名称教研室名称,系编号系编号)教师教师(教师编号教师编号,姓名姓名,性别性别,职务职务,教研室编号教研室编号)班级班级(班级编号班级编号,班级名称班级名称,班长姓名班长姓名,专业专业,系编号系编号)学生学生(学号学号,姓名姓名,性别性别,出生年月出生年月,籍贯籍贯,班级编号班级编号)课程课程(课程编号课程编号,课程名课程名,学时学时,学分学分)选课选课(学号学号,课程编号课程编号,教师编号教师编号,成绩成绩)学院学院(学院学院编编号号,学院名称学院名称,院院长长姓名姓名,电话电话,地址地址)学生信息管理学生信息管理关系的规范化：（了解）2.函数依赖和键的基本概念函数依赖和键的基本概念(略略)函数依赖它反映属性或属性组之间相依存，互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。相制约的关系。简简单单地地说说，若若想想设设计计一一个个性性能能良良好好的的数数据据库库，就要尽量满足关系规范化原则。就要尽量满足关系规范化原则。1.数据库设计中的问题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。据冗余、更新异常、插入异常、删除异常。关系的关系的规规范化：（了解）范化：（了解）2.函数依函数依赖赖和和键键的基本的基本 3.范式及其关系范式及其关系(简介简介)关关系系规规范范化化理理论论简简称称范范式式，它它提提供供了了判判别别关关系系模模式式设设计计的的优优劣劣标标准准，为为数数据据库库设设计计提提供供了了严严格格的的理论基础。理论基础。使使用用范范式式表表示示关关系系模模式式满满足足规规范范化化的的等等级级，满满足足最最低低要要求求的的为为第第一一范范式式，在在第第一一范范式式的的基基础础上上满满足进一步要求的可升级为第二范式，其余以此类推。足进一步要求的可升级为第二范式，其余以此类推。范范式式(1NF5NF)，主主要要为为1NF-3NF。也也就就是是说能满足前说能满足前3个范式的关系基本上是合理的。个范式的关系基本上是合理的。3.范式及其关系范式及其关系(简简介介)(1)1NF：若若一一个个关关系系模模式式R的的所所有有属属性性都都是是不不可可再再分分的的基本数据项，则该关系模式属于基本数据项，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。教教师编号号姓名姓名系系别联系系电话联系系电话1联系系电话295010张乐经济12341234567895011赵希明希明经济23452345678995012李小平李小平经济345634567890教师关系教师关系教教师编号号姓名姓名系系别联系系电话1联系系电话295010张乐经济12341234567895011赵希明希明经济23452345678995012李小平李小平经济345634567890修改后的教师关系修改后的教师关系 不符合第一范式，因为不符合第一范式，因为“联系电话联系电话”不是基本数据项。不是基本数据项。属属于于第第一一范范式式的的关关系系应应该该满满足足的的基基本本条条件件是是每每个个元元组组的的每每个个属属性性中中只只能能包包含含一一个个数数据据项项，不不能能将将两两个个以以上上数数据据项项“挤入挤入”到一个属性中。到一个属性中。(1)1NF：若一个关系模式：若一个关系模式R的所有属性都是的所有属性都是 (2)2NF：若关系模式：若关系模式R属于属于1NF，且每个非主属性都完，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，判断是否为第二范例如：学生选课成绩关系表如下，判断是否为第二范式，并规范学生选课关系。式，并规范学生选课关系。学生学生编号号姓名姓名课程程编号号课程名称程名称周学周学时学分学分成成绩20020102刘力刘力101数据数据库337720020104刘刘红102英英语6667学生选课成绩关系学生选课成绩关系 在在这这个个关关系系中中学学生生编编号号和和课课程程编编号号共共同同组组成成主主关关键键字字，其其中中成成绩绩完完全全依依赖赖于于主主关关键键字字，而而姓姓名名却却完完全全依依赖赖于于学学号号，课课程程名名称称、周周学学时时、学学分分又又完完全全依依赖赖于于课课程程编编号号，因因此此，此关系不符合第二范式。此关系不符合第二范式。(2)2NF：若关系模式：若关系模式R属于属于1NF，且每个，且每个 上述关系可能带来以下几个问题：上述关系可能带来以下几个问题：数据冗余：假设数据冗余：假设100个学生选同一门课，重复个学生选同一门课，重复100次次相同的学分。相同的学分。更新复杂：若调整某门课的学分，与其相关的记录更新复杂：若调整某门课的学分，与其相关的记录都要修改。都要修改。删除异常：若学生已毕业，由于学生编号不存在，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。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。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：可以将上述关系分解为三个关系：学生学生(学生编号学生编号，姓名，年龄，入校日期，姓名，年龄，入校日期)选课选课(学生编号，课程编号学生编号，课程编号，成绩，成绩)课程课程(课程编号课程编号，课程名称，周学时，学分，课程名称，周学时，学分)上述关系可能上述关系可能带带来以下几个来以下几个问题问题：(3)3NF：若关系模式：若关系模式R属于属于1NF，且每个非，且每个非主属性都不传递依赖于主关键字，则关系模式属主属性都不传递依赖于主关键字，则关系模式属于于3NF。(略略)学生选课成绩的三个关系：学生选课成绩的三个关系：学生学生(学生编号学生编号，姓名，年龄，入校日期，姓名，年龄，入校日期)选课成绩选课成绩(学生编号，课程编号学生编号，课程编号，成绩，成绩)课程课程(课程编号课程编号，课程名称，周学时，学分，课程名称，周学时，学分)其其中中 和和属属于于第第三三范范式式，如如果果学学分分是是依依据据周周学学时时多多少少来来决决定定，那那么么学学分分就就是是通通过过周周学学时时传传递递依依赖赖于于课课程号。程号。解决方法是，将课程关系进一步分解为两个关系。解决方法是，将课程关系进一步分解为两个关系。课程课程(课程编号课程编号，课程名称，周学时，课程名称，周学时)学分学分(周学时周学时，学分，学分)(3)3NF：若关系模式：若关系模式R属于属于1NF，且每个，且每个字段名字段名数据类型数据类型长度长度默认值默认值规则规则索引类型索引类型学号学号文本文本6无无无无 主索引主索引姓名姓名文本文本8无无无无一般索引一般索引性别性别文本文本2男男取值取值:男男,女女出生年月出生年月日期日期短日期短日期籍贯籍贯文本文本100无无无无班级编号班级编号文本文本6无无无无一般索引，外键一般索引，外键“学生学生”关系关系 逻辑结构详细设计：逻辑结构详细设计：若若选选用用了了Access数数据据库库管管理理系系统统，可可按按其其要要规规则则设计类似下面的逻辑结构。设计类似下面的逻辑结构。字段名数据字段名数据类类型型长长度默度默认值规则认值规则索引索引类类型学号文本型学号文本6无无无无 主索引姓主索引姓5.5 物理结构设计 数数据据库库物物理理结结构构设设计计就就是是为为已已设设计计好好的的逻逻辑辑数数据据模模型型选选择择最最适适合合应应用用要要求求的的物物理理结结构构。它它依依赖赖于于所所选选择择的的数数据据库库管管理理系系统统和和给给定定的的计计算算机机硬硬件件软软硬硬件环境。件环境。逻辑模型逻辑模型物理模型物理模型将将信信息息世世界界的的数数据据描描述述成成计计算机处理的数据形式。算机处理的数据形式。5.5 物理物理结结构构设计设计 数据数据库库物理物理结结构构设计设计就是就是为为5.6 数据库实施 数数据据库库实实施施就就是是在在计计算算机机上上建建立立起起实实际际数数据据库库结构、装入数据、测试和试运行的过程。结构、装入数据、测试和试运行的过程。数据库实施步骤：数据库实施步骤：定义数据库结构定义数据库结构 组织数据入库组织数据入库 编写和调试应用程序编写和调试应用程序 数据库试运行数据库试运行 数数据据库库系系统统正正式式运运行行，标标志志着着数数据据库库设设计计与与应应用开发工作的结束和维护阶段的开始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数据库的使用与维护5.6 数据数据库实库实施施 数据数据库实库实施就是在施就是在计计算机上建算机上建小结数据库设计的几个部分数据库设计的几个部分需求分析需求分析概念结构设计概念结构设计逻辑结构设计逻辑结构设计物理结构设计物理结构设计数据库的实施数据库的实施 使用与维护使用与维护小小结结数据数据库设计库设计的几个部分的几个部分
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