第15講數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計

1、舊課回顧舊課回顧數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計必要性數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計必要性數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計步驟數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計步驟課堂小結(jié)課堂小結(jié)第第1515講講 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計回顧舊課v數(shù)據(jù)庫設(shè)計的方法v數(shù)據(jù)字典v數(shù)據(jù)流圖（DFD）新奧爾良方法新奧爾良方法ER模型方法模型方法3NF方法方法6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v6.3.1 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的必要性概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的必要性v將需求分析得到的用戶需求抽象為概念模型的過程就是概念結(jié)構(gòu)設(shè)計v概念結(jié)構(gòu)是各種數(shù)據(jù)模型的共同基礎(chǔ)v它與數(shù)據(jù)模型相比更獨立于機器、更抽象，從而更加穩(wěn)定v它是整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計的關(guān)鍵。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v 將概念結(jié)構(gòu)設(shè)計從設(shè)計過程中

2、獨立出來，可以帶來以下好處： （1）任務(wù)相對單一化，降低了數(shù)據(jù)庫設(shè)計的復(fù)雜程度，更便于管理。（2）概念模式不受具體的DBMS的限制，獨立于存儲結(jié)構(gòu)和效率方面的考慮，因此，更穩(wěn)定。（3）概念模型不含具體DBMS所附加的技術(shù)細(xì)節(jié)，便于被用戶理解，因而更能準(zhǔn)確的反映用戶的信息需求。是用戶和專業(yè)設(shè)計人員之間的橋梁紐帶。 6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v6.3.2 概念模型設(shè)計的特點概念模型設(shè)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)實世界的一個真實抽象。（2）易于更改，當(dāng)應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用要求改變時，容易對概念模型維護和擴充。（3）易于理解

3、，可以用概念模型與不熟悉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(shè)計成功的關(guān)鍵。（4）易于向其他數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v6.3.3 概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和步驟概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和步驟v1. 概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法（1）自頂向下。首先定義全局概念結(jié)構(gòu)的框架，然后逐步細(xì)化。 （2）自底向上。首先定義各局部應(yīng)用的概念結(jié)構(gòu)，然后將它們集成起來，得到全局概念結(jié)構(gòu)。 （3）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)。 （4）混合策略。將自頂向下和自底向上相結(jié)合，用自頂向下策略設(shè)計一個全局概念結(jié)構(gòu)的

4、框架，以它為骨架集成由自底向上策略中設(shè)計的各局部概念結(jié)構(gòu)。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v2.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的步驟概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的步驟對于自底向上的設(shè)計方法來說，概念結(jié)構(gòu)的步驟分為兩步（如圖6.14所示）：v（1）進行數(shù)據(jù)抽象，設(shè)計局部E-R模型。v（2）集成各局部E-R模型，形成全局E-R模型。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v6.3.4 概念模型概念模型v1.概念模型與信息的3個世界v（1）現(xiàn)實世界現(xiàn)實世界是指存在于人們頭腦之外的客觀世界，其中存在著各種事物，事物間又具有不同的聯(lián)系。為了用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來解決現(xiàn)實世界中的問題，必須先深入實際，把要解決的問題調(diào)查清楚，分析與問題有關(guān)的事物及

5、其聯(lián)系。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v（2）信息世界信息世界是指現(xiàn)實世界在人的頭腦中的反應(yīng)。例如，在設(shè)計前面提到的教學(xué)管理子系統(tǒng)時，數(shù)據(jù)庫設(shè)計者必須對用戶所提供的原始數(shù)據(jù)進行綜合，抽象出數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所要研究的數(shù)據(jù)，將現(xiàn)實世界中的事物及其聯(lián)系轉(zhuǎn)換成信息世界中的實體及其聯(lián)系。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v（3）數(shù)據(jù)世界數(shù)據(jù)世界指信息世界中的信息在計算機中的數(shù)據(jù)存儲。信息世界中的實體及其聯(lián)系將被轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)世界中的數(shù)據(jù)及聯(lián)系，這種聯(lián)系是用數(shù)據(jù)模型表示的。數(shù)據(jù)模型是基于計算機系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型，它直接面向的是數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)，是對現(xiàn)實世界的第二層抽象。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)

6、計v2.概念模型的設(shè)計方法概念模型的設(shè)計方法概念模型的設(shè)計方法很多其中較早出現(xiàn)的、最著名最常用的是P.P.S.Chen于1976年提出的實體-聯(lián)系方法（Entity-Relationship Approach，E-R方法）除此之外，就是統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）類圖方法，該方法雖然在E-R方法之后出現(xiàn)，但卻很快獲得了廣泛的應(yīng)用。 6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v6.3.5 實體實體-聯(lián)系方法聯(lián)系方法1. E-R模型的表示方法（P247）2. E-R模型的設(shè)計問題v（1）確定實體和屬性。一般來說，可以作為屬性的事物應(yīng)符合如下兩條原則：v除了復(fù)

7、合屬性，其他屬性都不能具有需要描述的特性。除了復(fù)合屬性，其他屬性都不能具有需要描述的特性。v屬性不能與其他實體發(fā)生聯(lián)系。屬性不能與其他實體發(fā)生聯(lián)系。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v2. E-R模型的設(shè)計問題（2）確定實體間的聯(lián)系（3）二元聯(lián)系和n元聯(lián)系問題。v任何一個n（n2）元聯(lián)系都可以用一組二元聯(lián)系來代替。在此，簡單地設(shè)n=3。v實體A、B、C之間存在著一個三元聯(lián)系R，現(xiàn)用實體E代替聯(lián)系R，聯(lián)系R的屬性即為實體E的屬性（若聯(lián)系R本身沒有屬性，則需為實體E設(shè)置一個標(biāo)識屬性），這樣就可以用聯(lián)系RA（聯(lián)系實體E和實體A）、RB（聯(lián)系實體E和實體B）和RC（聯(lián)系實體E實體C）來代替原來的聯(lián)系

8、R （圖6-23）6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v3.E-R模型的擴充模型的擴充盡管在大部分情況下，使用前面介紹的基本E-R模型已經(jīng)可以滿足數(shù)據(jù)庫建模的需要，即可以將現(xiàn)實世界中的事物及其相互間的聯(lián)系描述清楚。但是，在有些時候卻還不盡如人意。因此，需要對基本的E-R模型進行擴充。 6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v（1）弱實體。在現(xiàn)實世界中，有些實體的存在必須依賴于其他實體，這樣的實體稱為弱實體，其他實體則被稱為常規(guī)實體。例如，教師的子女依賴于教師而存在，因此子女實體就是弱實體；又如，單元住宅與建筑物之間也存在著依賴關(guān)系，單元住宅的存在依賴于建筑物的存在，因此單元住宅是弱實體；再如，軟

9、件產(chǎn)品與其發(fā)行版之間同樣存在著依賴關(guān)系，發(fā)行版是弱實體。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v（2）特殊化和概括特殊化的相關(guān)內(nèi)容。觀察一下課程實體，它具有課程號、課程名、學(xué)分和周學(xué)時等屬性。假設(shè)課程實體可以進一步劃分為兩大類：選修課和必修課。這兩類課程都具有課程實體所具有的所有屬性，另外它們也分別具有區(qū)別于其他課程的一些獨特的屬性。例如，每門選修課都具有選修人數(shù)上限和下限,而這些屬性是必修課所沒有的；同樣，每門必修課都具有一個課程負(fù)責(zé)人，而該屬性也是選修課所不具有的。在實體內(nèi)部進行分組的過程稱為特殊化。對課程實體進行特殊化可以產(chǎn)生如下實體：選修課，具有人數(shù)上限和人數(shù)下限屬性；必修課，具有課程負(fù)

10、責(zé)人屬性。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v（2）特殊化和概括概括的相關(guān)內(nèi)容。v特殊化的過程是一個自頂向下的設(shè)計過程，在該過程中對高層實體進行分組可以產(chǎn)生若干個低層實體。而概括則是特殊化過程的逆過程。v例如，假設(shè)先設(shè)計出了選修課和必修課實體，其中選修課實體具有課程號、課程名、學(xué)分、周學(xué)時、人數(shù)上限和人數(shù)下限等屬性，而必修課實體具有課程號、課程名、學(xué)分、周學(xué)時和課程負(fù)責(zé)人等屬性。v就所具有的屬性而言，選修課和必修課實體間存在著共性，從這種共性中可以概括出課程實體。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v（2）特殊化和概括屬性繼承的相內(nèi)容。v屬性繼承是指通過特殊化或概括所產(chǎn)生的低層實體將繼承高層

11、實體的所有屬性。v例如，圖6.27中的低層實體選修課和必修課都繼承了課程實體的屬性，因此選修課實體具有課程號、課程名、學(xué)分、周學(xué)時、人數(shù)上限和人數(shù)下限等屬性，必修課實體具有課程號、課程名、學(xué)分、周學(xué)時和課程負(fù)責(zé)人等屬性。同理，共同限選課則具有課程號、課程名、學(xué)分、周學(xué)時、人數(shù)上限、人數(shù)下限和模塊號等屬性。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v4.局部局部E-R模型的設(shè)計模型的設(shè)計利用E-R方法進行數(shù)據(jù)庫的概念設(shè)計，可以分兩步進行。v首先設(shè)計出局部E-R模型v然后再將各局部E-R一個全局E-R模型，在綜合過程中同時對全局E-R模型優(yōu)化，得到最終的E-R模型，即概念模型。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)

12、庫概念設(shè)計v（1）局部E-R模型的設(shè)計步驟。局部E-R模型的設(shè)計步驟如圖6.30所示。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v5.全局全局E-R模型的設(shè)計模型的設(shè)計各個局部視圖即分E-R圖建立好后，還需要對它們進行合并，集成為一個整體的概念數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即全局E-R圖，即視圖的集成。視圖的集成有兩種方式：v（1）一次集成法。一次集成多個分E-R圖，通常用于局部視圖比較簡單時。v（2）逐步累積式。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。 6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v不管用哪種方法，集成局部E-R圖的都分為兩個步驟。（1）合并。解決各個局部E-R

13、圖之間的沖突，將各個局部E-R圖合并起來生成初步E-R圖。（2）修改與重構(gòu)。消除不必要的冗余，生成基本E-R圖。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計vE-R圖中的沖突有三種：屬性沖突、命名沖突和結(jié)構(gòu)沖突。 屬性沖突。屬性域沖突即屬性值的類型、取值范圍或取值集合不同。v例如由于用戶編號是數(shù)字，因此某些部分用戶編號定義為整數(shù)形式，而由于用戶編號不用參與運算，因此另一些部分將用戶編號定義為字符型形式。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v命名沖突。命名不一致可能發(fā)生在實體名、屬性名或聯(lián)系名之間，其中屬性的命名沖突更為常見。一般表現(xiàn)為同名異義或異名同義。同名異義：不同意義的對象在不同的局部應(yīng)用中具有相

14、同的名字。異名同義（一義多名）：同一意義的對象在不同的局部應(yīng)用中具有不同的名字。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。解決命名沖突的方法是通常用討論、協(xié)商等行政手段加以解決。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v結(jié)構(gòu)沖突。有三類，分別如下：同一對象在不同應(yīng)用中具有不同的抽象。v例如“用戶”在某一局部應(yīng)用中被當(dāng)作實體在另一局部應(yīng)用中則被當(dāng)作屬性。v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。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。v產(chǎn)生原因：不同的局部應(yīng)用關(guān)心的是該實體的不同側(cè)面。v解決方法

15、：使該實體的屬性取各分E-R圖中屬性的并集，再適當(dāng)設(shè)計屬性的次序。實體之間的聯(lián)系在不同局部視圖中呈現(xiàn)不同的類型。v解決方法：根據(jù)應(yīng)用語義對實體聯(lián)系的類型進行綜合或調(diào)整。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v（2）消除不必要的冗余，設(shè)計基本E-R圖。冗余的數(shù)據(jù)是指可由基本數(shù)據(jù)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，冗余的聯(lián)系是指可由其他聯(lián)系導(dǎo)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(yīng)用的效率，不得不以冗余信息作為代價。簡單的說冗余是實體間聯(lián)系的紐帶。設(shè)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

16、整體需求來確定。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v6.3.6 UML方法方法在關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計中，用來創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫邏輯模型的常用的標(biāo)準(zhǔn)方法是使用E-R模型。E-R模型可以僅通過實體和它們之間的關(guān)系合理地體現(xiàn)一個組織的數(shù)據(jù)模型。但這樣做似乎對描述一個組織的信息過于簡單化，并且詞匯量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。因此，迫切需要使用更加靈活、健將壯的模型來代替E-R模型。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計vUML是由世界著名的面向?qū)ο蠹夹g(shù)專家發(fā)起的，是在綜合了著名的Booch方法（一種面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計方法）、對象模型技術(shù)（Object Modeling Technique，OMT）方法和面向?qū)ο筌浖こ蹋∣bj

17、ect Oriented Software Engineering，OOSE）方法的基礎(chǔ)上而形成的一種建模技術(shù)，它通過用例圖、類圖、交互圖、活動圖等模型來描述復(fù)雜系統(tǒng)的全貌及其相關(guān)部件之間的聯(lián)系。vUML是一種面向?qū)ο蟮摹⑼ㄓ玫慕ＵZ言，其表達(dá)能力很強，綜合了各種面向?qū)ο蠓椒ǖ膬?yōu)點，自提出之日起就受到了廣泛的重視并得到了工業(yè)界的支持。UML統(tǒng)一和概括了軟件工程、業(yè)務(wù)建模和管理、數(shù)據(jù)庫設(shè)計等許多方法學(xué)。 6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v1.用用UML進行數(shù)據(jù)庫應(yīng)用設(shè)計進行數(shù)據(jù)庫應(yīng)用設(shè)計v許多數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員和開發(fā)人員都在使用UML進行數(shù)據(jù)庫建模，并且將其應(yīng)用于后續(xù)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計階段。vUML的

18、優(yōu)點是：盡管其概念基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)，但所得到的結(jié)構(gòu)模型和行為模型既可以用于設(shè)計關(guān)系數(shù)據(jù)庫，也可以用于設(shè)計面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫以及對象-關(guān)系數(shù)據(jù)庫。vUML方法的最重要貢獻之一是將傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫建模人員、分析與設(shè)計人員及軟件開發(fā)人員集合到一起。UML能夠提供一種通用的表示元模型，可以被上述人員采納，并能夠根據(jù)不同人員的需要有所調(diào)整。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計v2.UML類圖與類圖與E-R圖圖v在E-R方法中，用E-R圖來表示概念模型，在UML方法中用UML類圖（對象模型）表示概念模型。UML對象模型實質(zhì)上是一種擴展的E-R模型。在設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念模型時，既可以采用E-R模型，也可以采用UML對象

19、模型以類似的方式設(shè)計概念模型。與E-R模型相比，UML模型具有更強的表達(dá)能力。vUML類圖類似于E-R圖，通過顯示各個類的類名、屬性和操作，UML類圖以面向?qū)ο蟮姆绞教峁┝藬?shù)據(jù)庫模式的一個結(jié)構(gòu)規(guī)范。UML類圖的一般用途是：描述數(shù)據(jù)對象及其相互關(guān)系的集合，這一點與概念數(shù)據(jù)庫設(shè)計的目標(biāo)是一致的。6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計E-R圖中的術(shù)圖中的術(shù)語語UML圖中的術(shù)圖中的術(shù)語語實體集（entity set）類（class）實體（entity）對象（object）聯(lián)系（relationship）關(guān)聯(lián)（association）實體基數(shù)（cardinality）重復(fù)度（mulitiplicity）聯(lián)系元數(shù)關(guān)聯(lián)元數(shù)UML類圖與E-R圖中術(shù)語的區(qū)別6.3 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計數(shù)