數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬實(shí)體與聯(lián)系問題在軟件開發(fā)過程中，數(shù)據(jù)庫如何設(shè)計(jì)？在設(shè)計(jì)過程中要注意什么問題？實(shí)體實(shí)體：客觀存在并可以相互區(qū)分的事物稱為實(shí)體。屬性：實(shí)體所具有的某一特性。實(shí)例：實(shí)體表示的是一類事物，其中的一個(gè)具體事物稱之為該實(shí)體的一個(gè)實(shí)例。第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬實(shí)體標(biāo)識(shí)符能唯一地標(biāo)識(shí)出實(shí)體中的每一行的某個(gè)屬性或?qū)傩缘慕M合。聯(lián)系就是實(shí)體與實(shí)體之間的聯(lián)系。實(shí)體間的聯(lián)系分為1對(duì)1、1對(duì)多和多對(duì)多三種?？梢允褂脤?shí)體關(guān)系圖（E-R圖）描述實(shí)體與實(shí)體間的聯(lián)系。第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬E-R模型數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)就是將現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)組織成數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所采取的數(shù)據(jù)模型。利用E-R圖來描述現(xiàn)實(shí)世界的信息結(jié)構(gòu)，并將所描述的結(jié)果稱為E-R模型。E-R圖有3個(gè)要素實(shí)體：使用矩形表示，框內(nèi)標(biāo)注實(shí)體名稱。屬性：使用橢圓形表示，并用連線與實(shí)體連接起來。實(shí)體之間的聯(lián)系：使用菱形框表示，框內(nèi)注明聯(lián)系名稱，并用連線將菱形框分別與有關(guān)實(shí)體相連，并在連線上注明聯(lián)系類型。第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬學(xué)生選修課程的E-R圖選課學(xué)生課程學(xué)號(hào)姓名年齡課程號(hào)課程名學(xué)分課程號(hào)成績(jī)學(xué)號(hào)第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬關(guān)系模型關(guān)系模型概念

關(guān)系模型是通過表格數(shù)據(jù)來表示兩個(gè)實(shí)體間的聯(lián)系。關(guān)系就是一個(gè)具有下列特點(diǎn)的二維表格：表格中的每一列都是不可再分的基本數(shù)據(jù)項(xiàng)。每列的名字不同，同一列的數(shù)據(jù)類型相同。行的順序無關(guān)緊要。列的順無關(guān)緊要。關(guān)系中不允許有完全相同的兩行存在。第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬【注意】將關(guān)系稱之為表，將關(guān)系中的行稱之為元組，也稱之為記錄或行；將關(guān)系中的列稱之為屬性，也稱之為字段或列。第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬E-R模型轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型

在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，實(shí)體和聯(lián)系表現(xiàn)為表（table）。方法：一個(gè)實(shí)體或聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個(gè)表，屬性就是表的列（字段），實(shí)體標(biāo)識(shí)符就是表的主關(guān)鍵字。

【例】將學(xué)生選修課程的E-R圖轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型。課程表(課程號(hào),課程名,學(xué)分)學(xué)生表(學(xué)號(hào),姓名,年齡)學(xué)生選課表(學(xué)號(hào),課程號(hào),成績(jī))第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬關(guān)系模型規(guī)范化關(guān)系模型規(guī)范化的目的是為了消除存儲(chǔ)異常，減少數(shù)據(jù)冗余、保證數(shù)據(jù)的完整性（即數(shù)據(jù)的正確性和一致性）和存儲(chǔ)效率，一般規(guī)范為Ⅲ范式即可。I范式（1NF）每個(gè)屬性都是不可再分的基本數(shù)據(jù)項(xiàng)，則稱該關(guān)系是I范式。存在數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)不一致和維護(hù)困難等缺點(diǎn)，需要對(duì)關(guān)系模型進(jìn)一步規(guī)范。第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬【例】設(shè)某單位的職工評(píng)價(jià)信息關(guān)系：評(píng)價(jià)（職工編號(hào)，姓名，工作表現(xiàn)（工作態(tài)度，業(yè)績(jī)），綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)日期），對(duì)應(yīng)元組如下表。

第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬前表不是一個(gè)規(guī)范化的關(guān)系，因?yàn)楣ぷ鞅憩F(xiàn)屬性不是原子屬性，包含了兩個(gè)屬性，因此必須把每個(gè)屬性提升為一般屬性，得到規(guī)范化的關(guān)系，如下表。第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬關(guān)系模型函數(shù)依賴

完全函數(shù)依賴部分函數(shù)依賴傳遞函數(shù)依賴第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬1．函數(shù)依賴的概念在數(shù)據(jù)庫中，屬性值之間會(huì)發(fā)生聯(lián)系。例如每一本圖書只有一個(gè)書號(hào)，每本書入庫只有一個(gè)操作員等等。這類聯(lián)系，稱為函數(shù)依賴。關(guān)系理論中函數(shù)依賴是指關(guān)系中屬性間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如關(guān)系中對(duì)于屬性（組）X的每一個(gè)值，屬性（組）Y只有唯一的值與之對(duì)應(yīng)，則稱Y函數(shù)依賴于X，或稱X函數(shù)決定Y，記為X→Y。其中，X稱為決定因素。X→Y為模式R的一個(gè)函數(shù)依賴。

第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬【例】設(shè)有一個(gè)職工關(guān)系（職工編號(hào)，姓名，性別，所在部門），職工編號(hào)是關(guān)系的主鍵。對(duì)于該關(guān)系中的每一個(gè)職工的職工編號(hào)，都對(duì)應(yīng)著姓名屬性中的唯一值，即該職工的姓名，也就是說，一個(gè)職工的姓名由他的職工編號(hào)唯一確定，所以稱職工編號(hào)函數(shù)決定姓名，或者稱姓名函數(shù)依賴于職工編號(hào)，記作：職工編號(hào)→姓名，職工編號(hào)為該函數(shù)依賴的決定因素。同理，職工編號(hào)決定性別、所在部門等屬性，分別記作：職工編號(hào)→性別，職工編號(hào)→所在部門。

第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬在一個(gè)關(guān)系中，可分析出許多依賴關(guān)系。函數(shù)依賴可區(qū)分為完全依賴、部分依賴和傳遞依賴三類。2.完全函數(shù)依賴若Ｘ、Ｙ是關(guān)系Ｒ中屬性（組），Ｙ函數(shù)依賴Ｘ（Ｘ→Ｙ）但Ｙ函數(shù)不依賴Ｘ的任一真子集，則稱Ｙ完全函數(shù)依賴于Ｘ，記作ＸＹ。第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬【例】在職工關(guān)系（職工編號(hào)，姓名，性別，所在部門）中，職工編號(hào)同其他每個(gè)屬性之間的函數(shù)依賴都是完全函數(shù)依賴，即職工編號(hào)姓名，職工編號(hào)性別，職工編號(hào)所在部門。因?yàn)槁毠ぞ幪?hào)不可能再包含其他的任何屬性，也不可能存在真子集函數(shù)決定其他每一個(gè)屬性的情況。第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬3.部分函數(shù)依賴若X、Y為關(guān)系Ｒ中的屬性（組），如Y函數(shù)依賴X（X→Y），且Ｘ中存在真子集X‘（即X‘X），滿足Ｙ函數(shù)依賴X‘(X＇→Y)，則稱Y部分函數(shù)依賴于X。

第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬【例2.10】職工關(guān)系（職工編號(hào)，姓名，性別，所在部門）中，屬性組（職工編號(hào)，性別）的值能夠決定相應(yīng)職工所在的部門，但其真子集中的職工編號(hào)也能函數(shù)決定所在部門，所以所在部門部分函數(shù)依賴于（職工編號(hào)，性別）。

第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬4.傳遞函數(shù)依賴設(shè)Ｘ、Ｙ、Ｚ是關(guān)系Ｒ(U)的屬性集上的子集，其中Ｙ函數(shù)依賴Ｘ（Ｘ→Ｙ），Ｚ函數(shù)依賴Ｙ（Ｙ→Ｚ），但Ｘ不函數(shù)依賴于Ｙ，則稱Ｚ傳遞函數(shù)依賴于Ｘ，記作：Ｘ。

注意：這里必須強(qiáng)調(diào)Ｘ不函數(shù)依賴于Ｙ，因?yàn)槿绻亍偻瑫r(shí)Ｙ→Ｘ，則為ＸＹ，這樣Ｘ和Ｙ是等價(jià)的，在函數(shù)依賴中是可以互換的，Ｘ→Ｚ就是直接函數(shù)依賴，而不是傳遞函數(shù)依賴。第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬II范式（2NF）

II范式首先是I范式，而且每一個(gè)非主屬性完全依賴于任何關(guān)鍵字。如果一個(gè)關(guān)系只滿足第一范式，那么可能會(huì)帶來數(shù)據(jù)冗余和操作異常，即插入異常、刪除異常和修改異常。第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬【例】設(shè)有一個(gè)圖書銷售關(guān)系TSXS（書號(hào)，書名，出版社，作者，單價(jià)，數(shù)量，折扣，日期，操作員帳號(hào)，姓名，密碼）中，每位操作員可以銷售多種書，每種書可由多個(gè)操作員銷售。TSXS具體實(shí)例如下表。第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬在該關(guān)系中，由于書號(hào)和操作員帳號(hào)屬性沒有決定因素，所以它們包含在候選鍵中，而由這兩個(gè)屬性構(gòu)成屬性組則能夠函數(shù)決定所有屬性，因此（書號(hào)，操作員帳號(hào)）是關(guān)系的主鍵。在該關(guān)系中存在著非主屬性對(duì)主鍵的部分依賴，其中書名、出版社、作者、單價(jià)、庫存數(shù)量、折扣依賴于書號(hào)，姓名、密碼依賴于操作員帳號(hào)，所以該關(guān)系中必然存在數(shù)據(jù)冗余，在對(duì)該關(guān)系進(jìn)行插入、刪除和修改時(shí)，也會(huì)帶來意外的麻煩。

第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬我們可以通過關(guān)系分解的方法來消除部份依賴。對(duì)應(yīng)的圖書銷售關(guān)系TSXS可分解成以下幾個(gè)關(guān)系：圖書（書號(hào)，書名，出版社，單價(jià)，折扣）操作員（操作員帳號(hào)，姓名，密碼）銷售（書號(hào)，操作員帳號(hào)，數(shù)量）第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬【說明】不符合2NF的關(guān)系R規(guī)范化為第二范式的方法：對(duì)于一個(gè)關(guān)系R(U)，假定W、X、Y、Z是U的互不相交的屬性子集，其中（W，X）是主鍵，X完全函數(shù)決定Y，（W，X）函數(shù)決定Z，但Ｚ中不含依賴于Ｘ的屬性，則把R(U)分解為兩個(gè)關(guān)系R1（X，Y）和R2（W，X，Z）后就取消了Y對(duì)（W，X）的部分依賴，其中X是R1的主鍵和R2的外鍵，通過X使R1和R２自然連接仍然可得到原來的R(U)。同理，若R2（W，X，Z）中仍存在著部分依賴，仍可以按此方法繼續(xù)分解，直到消除全部部分依賴為止。第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬III范式（3NF）

III范式首先是II范式，且關(guān)系中的任何一個(gè)非主屬性都不傳遞依賴于任何關(guān)鍵字。一個(gè)符合第三范式的關(guān)系必須具有以下三個(gè)條件(1)每個(gè)屬性的值唯一，不具有多義性。(2)每個(gè)非主屬性必須完全依賴于整個(gè)主鍵，而非主鍵的一部分。(3)每個(gè)非主屬性不能依賴于其他關(guān)系中的屬性。從以上可知，2NF可從1NF關(guān)系消除非主屬性對(duì)主鍵的部分函數(shù)依賴后獲得，3NF關(guān)系可從2NF關(guān)系消除非主屬性對(duì)主鍵的傳遞函數(shù)依賴后獲得。第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬【例】圖書銷售關(guān)系（流水號(hào)，書號(hào)，書名，數(shù)量，入庫價(jià)，銷售價(jià)，入庫時(shí)間，操作員賬戶，姓名，密碼，銷售日期，總金額），一個(gè)流水號(hào)只由一個(gè)操作員帳號(hào)處理，一個(gè)操作員帳號(hào)可以處理多個(gè)流水號(hào)，而操作員帳號(hào)決定操作員姓名、密碼，所以圖書銷售關(guān)系中函數(shù)依賴關(guān)系如下：流水號(hào)→書號(hào)，流水號(hào)→操作員帳號(hào)，書號(hào)→書名，書號(hào)→數(shù)量，書號(hào)→入庫價(jià)，書號(hào)→銷售價(jià)，書號(hào)→入庫時(shí)間，操作員帳號(hào)→姓名，操作員帳號(hào)→密碼，流水號(hào)→銷售日期，流水號(hào)→總金額。

第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬在圖書銷售關(guān)系中，只有流水號(hào)沒有決定因素，所以流水號(hào)屬性必然包含在候選鍵中，由流水號(hào)可以直接決定書號(hào)、操作員帳號(hào)、銷售日期、總金額等屬性，同時(shí)流水號(hào)傳遞決定書名、數(shù)量、入庫價(jià)、銷售價(jià)、入庫時(shí)間、姓名、密碼等屬性，所以流水號(hào)能函數(shù)決定所有屬性，流水號(hào)用作該關(guān)系的主鍵。由于該關(guān)系是單屬性候選鍵，所以不會(huì)存在部分函數(shù)依賴，它自然滿足第二范式。由于該關(guān)系中存在著書的各屬性對(duì)流水號(hào)的傳遞依賴，存在著操作員各屬性對(duì)流水號(hào)的傳遞依賴，所以必然會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余和操作異常。第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬消除關(guān)系中的傳遞依賴也是通過關(guān)系分解的方法來實(shí)現(xiàn)。設(shè)一個(gè)關(guān)系為R(U),X、Y、Z、W是U的互不相交的屬性子集，其中X為主鍵，Y→Z是直接函數(shù)依賴（也可能包含部分函數(shù)依賴），X→Z是傳遞函數(shù)依賴，則把R(U)分解成兩個(gè)關(guān)系R1(Y，Z)和R2(X，Y，W)，其中Y是R1的主鍵，R2是外鍵，這樣就消除了Z對(duì)X的傳遞依賴，通過Y對(duì)R1和R2自然連接仍可得到原來的R，同樣，若R1和R2中仍存在著傳遞依賴，則繼續(xù)按此方法分解下去，直到消除全部傳遞依賴為止。

第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬對(duì)圖書銷售關(guān)系進(jìn)行分解，分解得到三個(gè)關(guān)系：銷售（流水號(hào)，書號(hào)，操作員賬戶，銷售日期，總金額）圖書（書號(hào)，書名，數(shù)量，入庫價(jià)，銷售價(jià)，入庫時(shí)間）操作員（操作員賬戶，姓名，密碼）從分解后的三個(gè)關(guān)系可以看出，每個(gè)關(guān)系都沒有傳遞依賴，所以都是第三范式。規(guī)范化的過程就是通過關(guān)系的投影分解逐步提高關(guān)系范式等級(jí)的過程。從第一范式到第三范式，其過程可以表示為

INF

2NF

3NF第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬關(guān)鍵字關(guān)鍵字的概念是能唯一標(biāo)識(shí)每一行的列或列的組合。也可稱之為關(guān)鍵碼、碼或鍵。候選關(guān)鍵字一個(gè)表可能有多個(gè)關(guān)鍵字，選定其中一個(gè)作為主關(guān)鍵字。其余的稱為候選關(guān)鍵字。公共關(guān)鍵字連接兩個(gè)表的公共屬性。第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬外關(guān)鍵字（外鍵）亦稱為外鍵或外碼，它由一個(gè)表中的一個(gè)屬性或多個(gè)屬性所組成。外關(guān)鍵字能表示另一個(gè)表的主關(guān)鍵字，實(shí)際上外關(guān)鍵字本身只是主關(guān)鍵字的拷貝，它是公共關(guān)鍵字。第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬主表與從表

主鍵所在的表稱之為主表，外鍵所在的表稱為從表。第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日版權(quán)所有：中國(guó)信息大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系嚴(yán)芬數(shù)據(jù)完整性

數(shù)據(jù)完整性

數(shù)據(jù)完整性就是關(guān)系（表）中數(shù)據(jù)的正確性和一致性。域完整性（用戶定義的完整性）：要求表中列的值滿足一定要求。如性別列的值只能是男或女。表完整性（實(shí)體完整性）：要求表中的行有一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)符，即表有主關(guān)鍵字。參照完整性（引