數(shù)據(jù)庫設計-概念結(jié)構(gòu)設計(上課課件)課件

1、概念結(jié)構(gòu)設計概述概念結(jié)構(gòu)設計的方法與步驟數(shù)據(jù)抽象與局部視圖設計視圖的集成 什么是概念結(jié)構(gòu)設計 需求分析階段描述的用戶應用需求是現(xiàn)實世界的具體需求 將需求分析得到的用戶需求抽象為信息結(jié)構(gòu)即概念模型的過程就是概念結(jié)構(gòu)設計 概念結(jié)構(gòu)是各種數(shù)據(jù)模型的共同基礎(chǔ)，它比數(shù)據(jù)模型更獨立于機器、更抽象，從而更加穩(wěn)定。 概念結(jié)構(gòu)設計是整個數(shù)據(jù)庫設計的關(guān)鍵現(xiàn)實世界現(xiàn)實世界機器世界機器世界信息世界信息世界需求分析需求分析概念結(jié)構(gòu)設計概念結(jié)構(gòu)設計 概念結(jié)構(gòu)設計的特點 （1）能真實、充分地反映現(xiàn)實世界，包括事物和事物之間的聯(lián)系，能滿足用戶對數(shù)據(jù)的處理要求。是對現(xiàn)實世界的一個真實模型。 （2）易于理解，從而可以用它和不熟悉

2、計算機的用戶交換意見，用戶的積極參與是數(shù)據(jù)庫的設計成功的關(guān)鍵。 概念結(jié)構(gòu)設計的特點(續(xù)) （3）易于更改，當應用環(huán)境和應用要求改變時，容易對概念模型修改和擴充。 （4）易于向關(guān)系、網(wǎng)狀、層次等各種數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換。 描述概念模型的工具 E-R模型概念結(jié)構(gòu)設計概述概念結(jié)構(gòu)設計的方法與步驟數(shù)據(jù)抽象與局部視圖設計視圖的集成 設計概念結(jié)構(gòu)的四類方法自頂向下 首先定義全局概念結(jié)構(gòu)框架，然后逐步細化自底向上 首先定義各局部應用概念結(jié)構(gòu)，然后將它們集成起來，得到全局概念結(jié)構(gòu)逐步擴張 首先定義最重要的核心概念結(jié)構(gòu)，然后向外擴充，以滾雪球的方式逐步生成其他概念結(jié)構(gòu)，直至總體概念結(jié)構(gòu)混合策略 將自頂向下和自底向上相結(jié)

3、合，用自頂向下策略設計一個全局概念結(jié)構(gòu)的框架，以它為骨架集成由自底向上策略中設計的各局部概念結(jié)構(gòu)。自頂向下策略自底向上策略 逐步擴張的設計方法核心需求需求核心概念結(jié)構(gòu)其他概念結(jié)構(gòu)全局概念結(jié)構(gòu) 常用策略（薩師煊P215圖6.8） 自頂向下地進行需求分析 自底向上地設計概念結(jié)構(gòu) 自底向上設計概念結(jié)構(gòu)的步驟 （薩師煊P216圖6.9） 第1步：抽象數(shù)據(jù)并設計局部視圖 第2步：集成局部視圖，得到全局概念結(jié)構(gòu)概念結(jié)構(gòu)設計概述概念結(jié)構(gòu)設計的方法與步驟數(shù)據(jù)抽象與局部視圖設計視圖的集成 數(shù)據(jù)抽象 局部視圖設計 概念結(jié)構(gòu)是對現(xiàn)實世界的一種抽象 從實際的人、物、事和概念中抽取所關(guān)心的共同特性，忽略非本質(zhì)的細節(jié) 用

4、各種概念精確地加以描述 組成了某種模型 三種常用抽象（ 1. 分類Classification） 定義某一類概念作為現(xiàn)實世界中一組對象的類型 這些對象具有某些共同的特性和行為 它抽象了對象值和型之間的“is member of”的語義 在E-R模型中，實體型就是這種抽象例：P216圖6.10 三種常用抽象（ 2. 聚集Aggregation） 定義某一類型的組成成分 它抽象了對象內(nèi)部類型和成分之間“is part of”的語義 在E-R模型中若干屬性的聚集組成了實體型，就是這種抽象例：P217圖6.11，圖6.12 三種常用抽象（ 3. 概括Generalization） 定義類型之間的一種子

5、集聯(lián)系 它抽象了類型之間的“is subset of”的語義 概括有一個很重要的性質(zhì)：繼承性。子類繼承超類上定義的所有抽象。 例：薩師煊P217圖6.13 注：原E-R模型不具有概括，對E-R模型作了擴充后，允許定義超類實體型和子類實體型。 用雙豎邊的矩形框表示子類， 用直線加小圓圈表示超類-子類的聯(lián)系 數(shù)據(jù)抽象的用途 對需求分析階段收集到的數(shù)據(jù)進行分類、組織（聚集），形成實體實體的屬性，標識實體的碼確定實體之間的聯(lián)系類型(1:1，1:n，m:n) 設計分E-R圖的步驟: 選擇局部應用 逐一設計分E-R圖 需求分析階段，已用多層數(shù)據(jù)流圖和數(shù)據(jù)字典描述了整個系統(tǒng)。 設計分E-R圖首先需要根據(jù)系統(tǒng)

6、的具體情況，在多層的數(shù)據(jù)流圖中選擇一個適當層次的數(shù)據(jù)流圖，讓這組圖中每一部分對應一個局部應用，然后以這一層次的數(shù)據(jù)流圖為出發(fā)點，設計分E-R圖。 通常以中層數(shù)據(jù)流圖作為設計分E-R圖的依據(jù)。原因： 高層數(shù)據(jù)流圖只能反映系統(tǒng)的概貌 中層數(shù)據(jù)流圖能較好地反映系統(tǒng)中各局部應用的子系統(tǒng)組成 低層數(shù)據(jù)流圖過細例：由于學籍管理、課程管理等都不太復雜，因此可以它們?nèi)胧衷O計學生管理子系統(tǒng)的分E-R圖。如果局部應用比較復雜，則可以從更下層的數(shù)據(jù)流圖入手。 任務標定局部應用中的實體、屬性、碼，實體間的聯(lián)系 將各局部應用涉及的數(shù)據(jù)分別從數(shù)據(jù)字典中抽取出來，參照數(shù)據(jù)流圖，標定各局部應用中的實體、實體的屬性、標識實體的

7、碼，確定實體之間的聯(lián)系及其類型（1:1，1:n，m:n） 如何抽象實體和屬性 實體：現(xiàn)實世界中一組具有某些共同特性和行為的對象就可以抽象為一個實體。對象和實體之間是“is member of的關(guān)系。 例：在學校環(huán)境中，可把張三、李四等對象抽象為學生實體。 屬性：對象類型的組成成分可以抽象為實體的屬性。組成成分與對象類型之間是“is part of的關(guān)系。例：學號、姓名、專業(yè)、年級等可以抽象為學生實體的屬性。其中學號為標識學生實體的碼。 如何區(qū)分實體和屬性 實體與屬性是相對而言的。同一事物，在一種應用環(huán)境中作為“屬性”，在另一種應用環(huán)境中就必須作為“實體”。例：學校中的系，在某種應用環(huán)境中，它只

8、是作為“學生”實體的一個屬性，表明一個學生屬于哪個系；而在另一種環(huán)境中，由于需要考慮一個系的系主任、教師人數(shù)、學生人數(shù)、辦公地點等，這時它就需要作為實體了。 一般原則 屬性不能再具有需要描述的性質(zhì)。即屬性必須是不可分的數(shù)據(jù)項，不能再由另一些屬性組成。 屬性不能與其他實體具有聯(lián)系。聯(lián)系只發(fā)生在實體之間。 符合上述兩條特性的事物一般作為屬性對待。 為了簡化E-R圖的處置，現(xiàn)實世界中的事物凡能夠作為屬性對待的，應盡量作為屬性。 例1：“學生”由學號、姓名等屬性進一步描述，根據(jù)準則，“學生”只能作為實體，不能作為屬性。 例2：職稱通常作為教師實體的屬性，但在涉及住房分配時，由于分房與職稱有關(guān)，也就是說

9、職稱與住房實體之間有聯(lián)系，根據(jù)準則，這時把職稱作為實體來處理會更合適些。（教程194圖6-10） 設計分E-R圖的步驟 （1）以數(shù)據(jù)字典為出發(fā)點定義E-R圖。 數(shù)據(jù)字典中的“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”、“數(shù)據(jù)流”和“數(shù)據(jù)存儲”等已是若干屬性的有意義的聚合 （2）按上面給出的準則進行必要的調(diào)整。例：學籍管理局部應用中主要涉及的實體包括學生、宿舍、檔案材料、班級、班主任。實體之間的聯(lián)系： 由于一個宿舍可以住多個學生，而一個學生只能住在某一個宿舍中，因此宿舍與學生之間是1:n的聯(lián)系。 由于一個班級往往有若干名學生，而一個學生只能屬于一個班級，因此班級與學生之間也是1:n的聯(lián)系。 由于班主任同時還要教課，因此班主任與

10、學生之間存在指導聯(lián)系，一個班主任要教多名學生，而一個學生只對應一個班主任，因此班主任與學生之間也是1:n的聯(lián)系。 而學生和他自己的檔案材料之間，班級與班主任之間都是1:1的聯(lián)系。 學籍管理局部應用的分E-R圖草圖：教程195圖611 接下來需要進一步斟酌該E-R圖，做適當調(diào)整。 (1) 在一般情況下，性別通常作為學生實體的屬性，但在本局部應用中，由于宿舍分配與學生性別有關(guān)，根據(jù)準則，應該把性別作為實體對待。 (2) 數(shù)據(jù)存儲“學生登記表”，由于是手工填寫，供存檔使用，其中有用的部分已轉(zhuǎn)入學生檔案材料中，因此這里就不必作為實體了。最后得到學籍管理局部應用的分E-R圖：教程195如圖6-12。該E

11、-R圖中省略了各個實體的屬性描述：學生：學號，姓名，出生日期性別：性別檔案材料：檔案號， 班級：班級號，學生人數(shù)班主任：職工號，姓名，性別， 是否為優(yōu)秀班主任 宿舍：宿舍編號，地址，人數(shù) 其中有下劃線的屬性為實體的碼。同樣方法可以得到課程管理局部應用的分E-R圖，（薩師煊圖6-13）各實體的屬性分別為：學生：姓名，學號，性別，年齡，所在系， 年級，平均成績課程：課程號，課程名，學分教師：職工號，姓名，性別，職稱教科書：書號，書名，價錢教室：教室編號，地址，容量概念結(jié)構(gòu)概念結(jié)構(gòu)設計的方法與步驟數(shù)據(jù)抽象與局部視圖設計視圖的集成 各個局部視圖即分E-R圖建立好后，還需要對它們進行合并，集成為一個整體

12、的數(shù)據(jù)概念結(jié)構(gòu)即總E-R圖。 視圖集成的兩種方式 一次集成（薩師煊224圖6.25(a)） 一次集成多個分E-R圖 通常用于局部視圖比較簡單時 逐步累積式（薩師煊P224圖6.25(b)） 首先集成兩個局部視圖（通常是比較關(guān)鍵的兩個局部視圖） 以后每次將一個新的局部視圖集成進來 集成局部E-R圖的步驟1. 合并2. 修改與重構(gòu) 各分圖存在沖突 各個局部應用所面向的問題不同由不同的設計人員進行設計各個分E-R圖之間必定會存在許多不一致的地方 合并分E-R圖的主要工作與關(guān)鍵所在：合理消除各分E-R圖的沖突 沖突的種類 屬性沖突 命名沖突 結(jié)構(gòu)沖突 兩類屬性沖突 屬性域沖突：屬性值的類型、取值范圍或

13、取值集合不同。例1， 由于學號是數(shù)字，因此某些部門（即局部應用）將學號定義為整數(shù)形式，而由于學號不用參與運算，因此另一些部門（即局部應用）將學號定義為字符型形式。例2， 某些部門（即局部應用）以出生日期形式表示學生的年齡，而另一些部門（即局部應用）用整數(shù)形式表示學生的年齡。 屬性取值單位沖突。例：學生的身高，有的以米為單位，有的以厘米為單位，有的以尺為單位。 屬性沖突的解決方法 通常用討論、協(xié)商等行政手段加以解決 兩類命名沖突 同名異義：不同意義的對象在不同的局部應用中具有相同的名字 例，局部應用A中將教室稱為房間 局部應用B中將學生宿舍稱為房間 異名同義（一義多名）：同一意義的對象在不同的局

14、部應用中具有不同的名字 例，有的部門把教科書稱為課本 有的部門則把教科書稱為教材 命名沖突可能發(fā)生在屬性級、實體級、聯(lián)系級上。其中屬性的命名沖突更為常見。 命名沖突的解決方法 通過討論、協(xié)商等行政手段加以解決 三類結(jié)構(gòu)沖突 同一對象在不同應用中具有不同的抽象 例，“課程”在某一局部應用中被當作實體 在另一局部應用中則被當作屬性解決方法：通常是把屬性變換為實體或把實體變換為屬性，使同一對象具有相同的抽象。變換時要遵循兩個準則。 同一實體在不同局部視圖中所包含的屬性不完全相同，或者屬性的排列次序不完全相同。 產(chǎn)生原因：不同的局部應用關(guān)心的是該實體的不同側(cè)面。 解決方法：使該實體的屬性取各分E-R圖

15、中屬性的并集，再適當設計屬性的次序。學生學生學號學號 姓名姓名性別性別平均成績平均成績(a)在局部應用在局部應用A中中學生學生學號學號 姓名姓名出生日期出生日期年級年級(b)在局部應用在局部應用B中中所在系所在系 學生學生學號學號 姓名姓名 政治面貌政治面貌 (c)在局部應用在局部應用C中中學生學生 政治政治面貌面貌 學號學號出生出生日期日期年級年級(d)合并后合并后所在系所在系 平均平均成績成績姓名姓名性別性別 實體之間的聯(lián)系在不同局部視圖中呈現(xiàn)不同的類型例1， 實體E1與E2在局部應用A中是多對多聯(lián)系，而在局部應用B中是一對多聯(lián)系例2， 在局部應用X中E1與E2發(fā)生聯(lián)系，而在局部應用Y中E

16、1、E2、E3三者之間有聯(lián)系。解決方法：根據(jù)應用語義對實體聯(lián)系的類型進行綜合或調(diào)整。(薩師煊P226圖6.27)例：生成學校管理系統(tǒng)的初步E-R圖以合并學籍管理局部視圖, 課程管理局部視圖為例這兩個分E-R圖存在著多方面的沖突：(1) 班主任實際上也屬于教師，也就是說學籍管理中的班主任實體與課程管理中的教師實體在一定程度上屬于異名同義，可以應將學籍管理中的班主任實體與課程管理中的教師實體統(tǒng)一稱為教師，統(tǒng)一后教師實體的屬性構(gòu)成為：教師：職工號，姓名，性別，職稱， 是否為優(yōu)秀班主任(2) 將班主任改為教師后，教師與學生之間的聯(lián)系在兩個局部視圖中呈現(xiàn)兩種不同的類型，一種是學籍管理中教師與學生之間的指

17、導聯(lián)系，一種是課程管理中教師與學生之間的教學聯(lián)系，由于指導聯(lián)系實際上可以包含在教學聯(lián)系之中，因此可以將這兩種聯(lián)系綜合為教學聯(lián)系。(3) 性別在兩個局部應用中具有不同的抽象，它在學籍管理中為實體，在課程管理中為屬性，按照前面提到的兩個原則，在合并后的E-R圖中性別只能作為實體，否則它無法與宿舍實體發(fā)生聯(lián)系。(4) 在兩個局部E-R圖中，學生實體屬性組成及次序都存在差異，應將所有屬性綜合，并重新調(diào)整次序。假設調(diào)整結(jié)果為：學生：學號，姓名，出生日期，年齡，所在系，年級，平均成績解決上述沖突后，學籍管理分E-R圖與課程管理分E-R圖合并為薩師煊198圖6-16的形式。 基本任務 消除不必要的冗余，設計

18、生成基本E-R圖合并合并初步初步E-R圖圖分分E-R圖圖基本基本E-R圖圖消除不必要的冗余消除不必要的冗余可能存在冗余的數(shù)據(jù)可能存在冗余的數(shù)據(jù)和冗余的實體間聯(lián)系和冗余的實體間聯(lián)系1冗余2消除冗余的方法 冗余的數(shù)據(jù)是指可由基本數(shù)據(jù)導出的數(shù)據(jù)，冗余的聯(lián)系是指可由其他聯(lián)系導出的聯(lián)系。 冗余數(shù)據(jù)和冗余聯(lián)系容易破壞數(shù)據(jù)庫的完整性，給數(shù)據(jù)庫維護增加困難 并不是所有的冗余數(shù)據(jù)與冗余聯(lián)系都必須加以消除，有時為了提高某些應用的效率，不得不以冗余信息作為代價。 設計數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)時，哪些冗余信息必須消除，哪些冗余信息允許存在，需要根據(jù)用戶的整體需求來確定。 消除不必要的冗余后的初步E-R圖稱為基本E-R圖。 分析

19、方法 以數(shù)據(jù)字典和數(shù)據(jù)流圖為依據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)字典中關(guān)于數(shù)據(jù)項之間邏輯關(guān)系的說明來消除冗余。例，教師工資單中包括該教師的基本工資、各種補貼、應扣除的房租水電費以及實發(fā)工資。由于實發(fā)工資可以由前面各項推算出來，因此可以去掉，在需要查詢實發(fā)工資時根據(jù)基本工資、各種補貼、應扣除的房租水電費數(shù)據(jù)臨時生成。 如果是為了提高效率，人為地保留了一些冗余數(shù)據(jù)，則應把數(shù)據(jù)字典中數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的說明作為完整性約束條件。 一種更好的方法是把冗余數(shù)據(jù)定義在視圖中 規(guī)范化理論 函數(shù)依賴的概念提供了消除冗余聯(lián)系的形式化工具 方法1. 確定分E-R圖實體之間的數(shù)據(jù)依賴FL 。實體之間一對一、一對多、多對多的聯(lián)系可以用實體碼之間的函數(shù)

20、依賴來表示。例：班級和學生之間一對多的聯(lián)系： 學號班級號學生和課程之間多對多的聯(lián)系： （學號，課程號） 成績2. 求FL的最小覆蓋GL ，差集為 D = FL-GL。 逐一考察D中的函數(shù)依賴，確定是否是冗余的聯(lián)系，若是，就把它去掉。 由于規(guī)范化理論受到泛關(guān)系假設的限制，應注意下面兩個問題：1.冗余的聯(lián)系一定在D中，而D中的聯(lián)系不一定是冗余的；2.當實體之間存在多種聯(lián)系時要將實體之間的聯(lián)系在形式上加以區(qū)分。例P薩師煊229圖7.30中部門和職工之間兩種聯(lián)系表示為：負責人.職工號部門號部門號負責人.職工號 假設存在著一個單一的關(guān)系模式 “假設已知一個模式S，它僅由單個關(guān)系模式組成，問題是要設計一個

21、模式SD，它與S等價，但在某些方面更好一些” 從一個關(guān)系模式出發(fā)，而不是從一組關(guān)系模式出發(fā)實行分解 “等價”的定義也是一組關(guān)系模式與一個關(guān)系模式的“等價” 泛關(guān)系假設是運用規(guī)范化理論時的障礙 承認了泛關(guān)系假設，就等于承認了現(xiàn)實世界各實體間只能有一種聯(lián)系教程薩師煊198圖6-16的初步E-R圖中存在著冗余數(shù)據(jù)和冗余聯(lián)系：(1) 學生實體中的年齡屬性可以由出生日期推算出來，屬于冗余數(shù)據(jù)，應該去掉。這樣不僅可以節(jié)省存儲空間，而且當某個學生的出生日期有誤，進行修改后，無須相應修改年齡，減少了產(chǎn)生數(shù)據(jù)不一致的機會。學生：學號，姓名，出生日期，所在系， 年級，平均成績(2) 教室實體與班級實體的上課聯(lián)系可以由教室與課程之間的開設聯(lián)系、課程與學生之間的選修聯(lián)系、學生與班級之間的組成聯(lián)系三者推導出來，因此屬于冗余聯(lián)系，可以消去。(3) 學生實體中的平均成績可以從選修聯(lián)系中的成績屬性中推算出來 由于應用中需要經(jīng)常查詢某個學生的平均成績，每次都進行這種計算效率就會太低，因此為提高