计算机基础第6章1数据库设计基础.ppt

6.1数据库设计基础,6.1.1数据库系统的基本概念1.数据、数据库、数据库管理系统（1）数据（Data)：实际上就是描述事物的符号记录。计算机中的数据一般可分为临时性数据和持久性数据两种。（2）数据库(Database，简称DB)：是数据的集合，它具有统一的结构形式并存放于统一的存储介质内，是多种数据的集成，并可被各个应用程序所共享。（3）数据库管理系统(DatabaseManagementSystem，简称DBMS)：它是一种系统软件，负责数据库中的数据组织、数据操纵、数据维护、控制及保护和数据服务等。,数据库管理员(DatabaseAdministrator，简称DBA)：是专门从事数据库规划、设计、维护、监视等工作的管理人员。DBA的主要工作：数据库设计(DatabaseDesign)数据库维护(如系统恢复、数据定期转存等)改善系统性能，提高系统效率(如数据库的重组、重构等)（5）数据库系统（DBS）：数据库系统是指计算机系统中引进数据库技术后的整个系统构成，由数据库（数据）、数据库管理系统（软件）、数据库系统用户（人员）、系统平台之硬件平台（硬件）和软件平台（软件）共五个部分构成。,（4）数据库管理员,2.数据库系统的发展,数据管理技术的发展至今已经历了三个阶段：人工管理阶段、文件系统阶段和数据库系统阶段。各个阶段的特点如表6.1所示,3.数据库系统的基本特点,(1)数据的集成性在数据库系统中按照多个应用的需要组织全局的统一的数据结构(即数据模式)，而每个应用的数据则是全局结构中的一部分，称为局部结构(即视图)，这种全局与局部的结构模式构成了数据库系统数据集成性的主要特征。(2)数据的高共享性与低冗余性由于数据的集成性使得数据可为多个应用所共享，数据的共享又可极大地减少了数据的冗余性，不仅减少了不必要的存储空间，更为重要的是可以避免数据的不一致性。(3)数据独立性(物理独立性和逻辑独立性)数据库中的数据独立于应用程序而不依赖于应用程序。(4)数据统一管理与控制数据库系统不仅为数据提供高度集成环境，同时它还为数据提供统一管理的手段，这主要包含以下三个方面：数据的完整性检查、数据的安全性保护、并发控制：,4.数据库系统的内部结构体系,(1)数据库系统的三级模式数据模式是数据库系统中数据结构的一种表示形式，它具有不同的层次与结构方式。概念模式：它放映了设计者的数据全局逻辑要求。外模式(子模式或用户模式)：它反映了用户对数据的要求。内模式(物理模式)：它反映了数据在计算机物理结构中的实际存储形式。数据模式给出了数据库的数据框架结构，数据是数据库中的真正的实体，但这些数据必须按框架所描述的结构组织，以概念模式为框架所组成的数据库叫概念数据库，以外模式为框架所组成的数据库叫用户数据库，以内模式为框架所组成的数据库叫物理数据库。这三种数据库中只有物理数据库是真实存在于计算机外存中，其他两种数据库并不真正存在于计算机中，而是通过两种映射由物理数据库映射而成。,(2)数据库系统的两级映射,概念模式到内模式的映射,外模式到概念模式的映射,用户数据库1,用户数据库2,用户数据库n,概念数据库,物理数据库,只有物理数据库是真实存在于计算机外存中。,6.1.2数据模型,1.数据模型的基本概念数据模型是数据特征的抽象，是一个描述数据特征的框架。数据模型按不同的应用层次分成三种类型：(1)概念数据模型（概念模型）对客观世界复杂事物的结构描述，如E-R模型等。(2)逻辑数据模型（数据模型）是一种面向数据库系统的模型，如层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型等。(3)物理数据模型（物理模型）是一种面向计算机物理表示的模型，此模型给出了数据模型在计算机上物理结构的表示。,（1）实体。实体是现实世界中客观存在的、能相互区别的任何事物。凡是有共性的实体可组成一个集合称为实体集。（2）属性。属性是实体的特征。一个实体往往可以有若干个属性。每个属性可以有值，一个属性的取值范围称为该属性的值域或值集。（3）实体之间的联系一对一联系，简记为1:1(学校与校长)。一对多或多对一联系，简记为1:M或M:1(学生与宿舍)。多对多联系，简记为M:N(学生与课程)。,2.实体及其属性的概念,一个实体可以有若干个属性，实体以及它的所有属性构成了实体的一个完整描述。如人事档案中每个人(实体)可以有：编号、姓名、性别、年龄、籍贯、政治面貌等若干属性。一个实体的所有属性取值组成的一个值集叫元组。实体有型与值之别，一个实体的所有属性构成了这个实体的型，如人事档案中的“员工”实体，它的型是由编号、姓名、性别、年龄、籍贯、政治面貌等属性组成，而实体中的元组则构成了这个实体的值。相同型的实体构成了实体集。注：联系也可以有属性。（5）实体（集）与联系的关系实体（集）间可通过联系建立联接关系，一般而言，实体集间无法直接建立联接关系，只能通过联系才能建立。如教师与学生之间无法直接建立联接关系，只有通过“教与学”的联系才能在相互之间建立关系。,（4）实体与属性的关系,3.层次模型,用层次结构表示实体及其之间的联系，具有如下特点：数据结构比较简单，操作简单对于实体间联系是固定的、且预先定义好的应用系统，有较高的性能可以提供良好的完整性支持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,4.网状模型,用网状结构表示实体及其之间的联系。网状模型在结构上较层次模型好，不像层次模型那样要满足严格的条件。,5.关系模型,（1）关系在日常生活中，经常用一张二维表格来描述实体及实体间的联系。满足如下要求的二维表格称为一个关系。二维表中元组个数是有限的元组个数有限性。二维表中元组均不相同元组的惟一性。二维表中元组的次序可以任意交换元组的次序无关性。二维表中元组的分量是不可分割的基本数据项元组分量的原子性。二维表中属性名各不相同属性名惟一性。二维表中属性与次序无关，可任意交换属性的次序无关性。二维表属性的分量具有与该属性相同的值域分量值域的同一性。,满足要求的二维表格的全部栏目称为关系框架，也称为关系模式，其中的每一栏目称为属性，属性的第一行称为属性名，其它行称为属性值，表格的所有栏目及全部数据称为关系。二维表中的每行数据称为元组，每行中的各个数据称为元组的分量。以二维表为基本结构所建立的模型称为关系模型。在二维表中凡能惟一标识元组的最小属性集称为该表的键或码。二维表中可能有若干个键，它们称为该表的候选键或候选码。从二维表的所有候选键中选取一个作为用户使用的键称为主键或主码，一般主键也简称键或码。若表A中的某属性集是表B的键，则称该属性集为A的外键或外码。注：数据库表中一定要有键。,关系模型的几个基本概念,关系的一个实例,属性“性别”的值域：男、女；“年龄”的值域：18、19、20,（2）关系操纵,(1)实体完整性约束(如关键字属性的值不能为空值)(2)参照完整性约束(外关键字不允许有不存在的值)(3)用户定义的完整性约束(如考试成绩只能为0100),数据查询(可以对一个关系或多个关系查询)数据删除(删除指定关系内的指定元组)数据插入(在指定关系中插入一个或多个元组)数据修改(在一个关系修改指定的元组与属性),（3）关系中的数据约束,6.1.3关系运算,关系是由若干个不同的元组所组成，因此关系可视为元组的集合，集合中的定义与运算规则均适用于关系。关系运算中常使用以下运算符：并()、差(一)、交()、笛卡尔积()、投影()、选择()、联接(|)。1关系代数中的集合运算基本的集合运算指的是并、差、交、笛卡尔积四种运算，其中并、差、交要求参与运算的两个关系模式相同。设关系R与关系S的结构相同：(1)并：关系R与S的并记为RS。其结果是把两个关系的所有元组合并在一起,消去重复元组所得到的集合。(2)差：关系R与S的差记作RS。其结果是属于R而不属于S的所有元组的集合。(3)交：关系R与S的交记作RS。其结果是同时属于R和S的元组组成的集合。(4)笛卡尔积：关系R与S的笛卡尔积记作RS。其结果是由属于R的每个元组和S的每个元组组成的集合。若关系R有m个元组，关系S有n个元组，则关系RS有mn个元组。,例6.1给定两个关系R和S，如表6.2和表6.3所示，试求RS，SR，RS。其结果如表6.4、6.5、6.6所示。,表6.2R表6.3S,表6.4RS表6.5SR,集合运算示例1,表6.6RS,例6.2给定两个关系R和S，如表6.7和表6.8所示，则RS的结果如表6.9所示。,表6.7R表6.8S,表6.9RS,集合运算示例2,2关系数据库中的关系运算,(1)选择运算选择运算是将一个关系中满足条件的元组抽出来构成新的关系。例6.3设有一个关系如表6.10所示，利用选择运算把性别为女，专业为计算机的学生信息提取出来。结果形成一个表6.11所示的关系。,表6.10表6.11,投影运算是从一个关系中选择所需要的属性重新排列，组成一个新关系。例6.4给定表6.10所示的关系，利用投影运算提取学生的学号、姓名和专业，结果如表6.12所示。,表6.10表6.12,(2)投影运算,从两个关系模式中抽取全部或部分属性拼接起来，形成新的关系称为连接运算。在实际应用中一般两个相互连接的关系往往须满足一些条件，所得到的新关系中只包含满足连接条件的元组。设有关系R、S，则R与S的连接运算可记为：R|S。例6.5给定两个关系R和S，如表6.13和表6.14所示，则R|S(连接条件为R1S1)的结果如表6.15所示。,表6.13R表6.14S,表6.15R|S,(3)连接与自然连接运算,是连接的一个特例，自然连接满足下面的条件：两关系间有公共属性；通过公共属性的相等值进行连接。例6.6给定两个关系R和S，如表6.16和表6.17所示，则R、S的自然连接结果如表6.18所示。,表6.16R表6.17S,表6.18R|S(自然连接),自然连接,6.1.4数据库设计与管理,数据库设计概述是指设计一个能满足用户要求，性能良好的数据库。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。两种方法：以信息需求为主，兼顾处理需求（面向数据的方法）以处理需求为主，兼顾信息需求（面向过程的方法）面向数据的设计方法已成为主流方法数据库设计包括需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、数据库实施、数据库运行和维护六个阶段。,1.需求分析,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系统的功能。在需求分析阶段收集到的基础数据和一组数据流图(DataFlowDiagram简记为DFD)是下一步设计概念结构的基础。需求分析结束后，应该形成需求分析说明书，供下一步设计参考。,2.概念结构设计,概念结构设计的任务是：将需求分析阶段得到的用户需求抽象为反映现实世界信息需求的数据库结构。概念结构设计最常用的方法就是E-R方法。E-R是英文EntityRelationshipApproach的简称，译为实体-联系方法。这种方法通过“E-R图”将现实世界的要求转化成实体、联系、属性等几个基本概念以及它们间的联接关系，并且用图形非常直观地表示出来，再经过适当加工，从而构造出数据模型。,(1)E-R方法中的基本概念,实体与实体集属性与域关键字实体型实体之间的联系,实体之间的相互关系称为联系。例如，学生与老师之间存在授课关系，学生与课程之间存在选修关系。实体之间的联系有“一对一”、“一对多”和“多对多”三种。一对一:对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有且只有一个实体与之联系，反之亦然。例如，校长学校。一对多:对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有多个实体与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个实体与之联系。例:宿舍学生。多对多:对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有多个实体与之联系，而对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有多个实体与之联系。例如，教师学生。,(2)E-R图的基本图素,例6.7由实体集学生、课程以及附属于它们的属性和它们间的联系选修以及附属于选修的属性课程成绩构成了一个学生-课程联系E-R图，如图所示。,(3)设计E-R图的一般步骤,根据用户要求确定实体及实体间的联系。画出反映某用户视图的局部E-R图。综合各局部E-R图，得出反映数据库整体概念的总体E-R图。根据实际问题，进一步修改完善总体E-R图。,例6.8学籍管理局部E-R图,学籍管理局部应用中主要涉及的实体包括学生、宿舍、班级、班主任。这些实体之间的联系有：宿舍与学生之间是1：N的联系；班级与学生之间也是1：N的联系；班级与班主任之间是1：1的联系。,例6.9课程管理局部E-R图,课程管理局部视图的设计。在这一视图中有学生、课程和教师三个实体，省略了实体属性后的课程管理的E-R图如图6.12所示。,例6.10综合前两个各局部E-R图,在集成过程中首先要消除冲突，例如，班主任也属于教师；其次要消除冗余；平均成绩就属于冗余数据。集成这两个子E-R图后的学生管理系统的E-R图如图6.13所示。,3.数据库的逻辑设计,逻辑结构设计阶段的主要工作是：将概念结构设计阶段产生的E-R图转换成与具体的数据库管理系统所支持的数据模型相一致的逻辑结构模型。,4.数据库的物理设计,数据库物理结构指的是数据库在实际的物理设备上的存储结构和存取方法。数据库物理结构设计的主要目标是对数据库内部物理结构作调整并选择合理的存取路径，以提高数据库访问速度及有效利用存储空间。,5.数据库实施数据库实施阶段的工作就是根据逻辑结构设计和物理结构设计的结果，在选用的DBMS上建立起数据库。具体有如下三项工作：1）建立数据库的结构。用DBMS的数据定义语言书写数据库结构定义源程序，调试、执行源程序后就完成了对数据库结构的定义。2）载入实验数据并测试应用程序。3）载入全部实际数据并试运行应用程序发现问题则做相应处理。,6.数据库的运行和维护,在数据库运行阶段，对数据库经常性的维护工作主要由数据库管理员(Databaseadministrator，简称DBA)完成。主要工作包括数据库的调整、数据库的重组、数据库的安全性控制与完整性控制、数据库的故障恢复和数据库的监控。,6.1.5Access数据库及其应用1Access主窗口,2Access数据库的创建,（1）直接创建空数据库；（2）在Access数据库中创建表；（3）建立数据表之间的关系；（4）输入各表中的数据内容；（5）创建查询、窗体与报表。,3Access与Excel的数据交换,（1）将Access表中的数据导出到Excel表中；（2）将Excel表中的数据导入到Access表中。,