第六章概念數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

第六章概念數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)概述概念數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的兩個(gè)任務(wù)及其目標(biāo)：1.事務(wù)設(shè)計(jì):根據(jù)需求分析階段提出的數(shù)據(jù)庫操作任務(wù),作出數(shù)據(jù)庫事務(wù)的高級說明，其目標(biāo)是：在概念級定義事務(wù)的功能，說明事務(wù)的輸入輸出信息和基本功能，支持各種事務(wù)的運(yùn)行。2.模式設(shè)計(jì):根據(jù)需求分析階段識別的數(shù)據(jù)項(xiàng)和預(yù)測改變，使用高級數(shù)據(jù)模型，建立概念數(shù)據(jù)庫模式，其目標(biāo)是：(1)準(zhǔn)確描述信息模式，支持用戶應(yīng)用；(2)易理解,易轉(zhuǎn)換為邏輯數(shù)據(jù)庫模式。概念數(shù)據(jù)庫模式獨(dú)立于DBMS，不能直接用于數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)。這種做法的好處是：1.不受特定DBMS局限，徹底地理解和描述應(yīng)用領(lǐng)域，有利于開發(fā)人員正確地和全面地理解應(yīng)用領(lǐng)域。2.不受邏輯設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)改變，甚至DBMS改變的影響。3.由于使用圖形描述方式直觀易懂，故有利于開發(fā)者和用戶的交流。

實(shí)體聯(lián)系模型(ER)或其加強(qiáng)模型(EER)是廣泛使用的高級數(shù)據(jù)模型.F1第2頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)實(shí)體聯(lián)系模型實(shí)體聯(lián)系模型(簡稱ER模型)產(chǎn)生于1976年。這個(gè)模型使用實(shí)體、聯(lián)系和屬性三個(gè)基本概念直接描述現(xiàn)實(shí)世界。實(shí)體聯(lián)系圖是表示ER模型的圖形工具，簡稱ER圖。它是概念數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的重要工具。一.實(shí)體和屬性二.實(shí)體型、鍵屬性和屬性的值域三.數(shù)據(jù)庫實(shí)例四.實(shí)體間的聯(lián)系五.弱實(shí)體六.實(shí)體聯(lián)系圖F2第3頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三一.實(shí)體和屬性實(shí)體是客觀世界中各種事物的抽象，如教師、學(xué)生、課程等。屬性是實(shí)體的一組特征，如教師實(shí)體的屬性是姓名,證號,課程等。屬性可按結(jié)構(gòu)性質(zhì)分類為:簡單屬性:不可分割的簡單數(shù)據(jù)項(xiàng)，如姓名、性別和學(xué)號等。復(fù)合屬性:由若干個(gè)簡單屬性按層次結(jié)構(gòu)組成，例如，地址(省,市,區(qū),街,號)屬性可按賦值唯一性分類為:單值屬性:一個(gè)實(shí)體的單值屬性僅取一值，如編號,有效期等；多值屬性:一個(gè)實(shí)體的多值屬性可取多值，如學(xué)歷(年份,學(xué)位)導(dǎo)出屬性：這是一種特殊屬性，其值可由其它某些屬性的值導(dǎo)出。例如：年齡可由出生日期和現(xiàn)在日期導(dǎo)出，銷售額可由銷售價(jià)和銷售量計(jì)算得出。F21姓名證號宿舍任課教師棟號房號學(xué)歷復(fù)合屬性多值屬性一個(gè)實(shí)體例子第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三二.實(shí)體型、鍵屬性和屬性的值域?qū)嶓w型是具相同屬性集的實(shí)體的集合，由名字和一組屬性來定義。實(shí)體型的定義稱為實(shí)體模式，它描述了一組實(shí)體的公共結(jié)構(gòu)。實(shí)體型表示的實(shí)體集合中任何一個(gè)實(shí)體稱為該實(shí)體型的實(shí)例。ER模型中的實(shí)體型用某個(gè)屬性子集(稱為鍵)區(qū)別實(shí)體，如果鍵包含的屬性只有一個(gè)，則稱之為簡單鍵，否則稱之為復(fù)合鍵。鍵是實(shí)體型的一個(gè)重要完整性約束，規(guī)定了不同實(shí)體有不同的鍵。簡單屬性的取值范圍叫做值域，例如年齡的值域可取為1..150.F22第5頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)據(jù)庫實(shí)例(大學(xué)數(shù)據(jù)庫)的五個(gè)實(shí)體型編號名稱屬性集合1系系名,編號,地點(diǎn),主任2教研室名稱,編號,電話,所屬系教師姓名,性別,編號,所屬系,課程,地址,4學(xué)生姓名,性別,編號,所屬系,年級5課程名稱,編號,時(shí)數(shù),所屬系多值屬性復(fù)合屬性下劃線表示鍵三.數(shù)據(jù)庫實(shí)例該實(shí)例稱為‘大學(xué)數(shù)據(jù)庫’，本頁介紹組成它的五個(gè)實(shí)體型。有幾點(diǎn)說明：1.大學(xué)由多個(gè)系組成，每個(gè)系有系名、編號和主任，有多個(gè)地點(diǎn)。系名和編號都是唯一的。2.系有多個(gè)教研室，每個(gè)教研室有名稱、編號、所屬系和地點(diǎn)。編號是唯一的。F233.每個(gè)教師有姓名、性別、編號、地址、課程、所屬系。

編號是唯一的。4.每個(gè)學(xué)生有姓名、性別、編號、所屬系和年級。編號是唯一的。5.每門課程有名稱、編號、所屬系、學(xué)時(shí)數(shù)。編號唯一。第6頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三四.實(shí)體間的聯(lián)系在一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，不同實(shí)體型的實(shí)體之間可能存在著聯(lián)系。例如，大學(xué)數(shù)據(jù)庫中教研室實(shí)體型的每個(gè)實(shí)體，即每個(gè)教研室，必和系實(shí)體型的某個(gè)實(shí)體，即系，存在‘某教研室屬于某系’的聯(lián)系。又如，學(xué)生實(shí)體型的實(shí)體(即學(xué)生)、教師實(shí)體型的實(shí)體(即教師)以及課程實(shí)體型的實(shí)體(課程)存在著‘某學(xué)生選修某教師講授的某課程’的聯(lián)系。實(shí)體間的聯(lián)系是根據(jù)需求分析的結(jié)果決定的。1.聯(lián)系型和聯(lián)系實(shí)例2.聯(lián)系型的結(jié)構(gòu)約束3.聯(lián)系型的屬性

F24第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三

1.聯(lián)系型和聯(lián)系實(shí)例[定義]實(shí)體型A和實(shí)體型B之間的聯(lián)系型R定義為RAB，稱A、B為聯(lián)系型R所關(guān)聯(lián)的實(shí)體型。聯(lián)系型R的元素(a,b)稱為聯(lián)系型R的實(shí)例，它取自AB集合,即aA,bB，選取方法由應(yīng)用領(lǐng)域決定，a、b稱為聯(lián)系實(shí)例(a,b)所關(guān)聯(lián)的實(shí)體。例如：教研室和系之間的聯(lián)系型B_T={(j,d)|教研室j屬于系d}學(xué)生和系之間的聯(lián)系型S_D={(s,d)|學(xué)生s屬于系d}教師和系之間的聯(lián)系型1:T_D1={(t,d)|教師t屬于系d}教師和系之間的聯(lián)系型2:T_D2={(t,d)|教師t是系d的主任}學(xué)生、教師和課程之間的聯(lián)系型:S_T_C={(s,t,c)|學(xué)生s選修教師t講授的課程c}聯(lián)系型所關(guān)聯(lián)的實(shí)體型數(shù)目稱為階。實(shí)體之間的聯(lián)系既可以如上例那樣使用聯(lián)系型定義，也可以通過實(shí)體屬性的取值來表示，例如，在教研室的屬性‘所屬系’取值即可實(shí)現(xiàn)教研室和系的聯(lián)系。類似地可把上述定義推廣為多個(gè)實(shí)體型之間的聯(lián)系型。F24a第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三2.聯(lián)系型的結(jié)構(gòu)約束(實(shí)體對應(yīng)約束和實(shí)體關(guān)聯(lián)約束)實(shí)體對應(yīng)約束：這是聯(lián)系型所關(guān)聯(lián)的各實(shí)體型之間的約束，有三種實(shí)體對應(yīng)約束即1對1約束、1對多約束、多對多約束。[定義]設(shè)A和B是聯(lián)系型R所關(guān)聯(lián)的實(shí)體型，若aA,唯一的bB與之關(guān)聯(lián),則稱R是1對1聯(lián)系型,記為1:1聯(lián)系.若aA,有n(0)個(gè)bB與之關(guān)聯(lián);bB,有m(1)個(gè)aA與之關(guān)聯(lián),則稱R是一對多聯(lián)系型，記為1:n聯(lián)系；若aA,有n(0)個(gè)bB與之關(guān)聯(lián);bB,有m(0)個(gè)aA與之關(guān)聯(lián)，則稱R是多對多聯(lián)系型，記為m:n聯(lián)系。例如，若假定大學(xué)數(shù)據(jù)庫還有主任實(shí)體型，規(guī)定一個(gè)系只有一個(gè)主任，一個(gè)主任只負(fù)責(zé)一個(gè)系工作。于是系實(shí)體型和主任實(shí)體型存在1:1聯(lián)系；

由于一個(gè)系有多個(gè)教研室，而一個(gè)教研室只屬于一個(gè)系，故教研室實(shí)體型和系實(shí)體型之間的聯(lián)系型B_T是1:n聯(lián)系；若規(guī)定一門課由多個(gè)教師講授，而一個(gè)教師可講授多門課，則課程實(shí)體型和教師實(shí)體型之間存在一個(gè)m:n聯(lián)系。F24b接下頁第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三實(shí)體關(guān)聯(lián)約束：這是聯(lián)系型和它所關(guān)聯(lián)的實(shí)體型之間的約束，有兩種實(shí)體關(guān)聯(lián)約束，即全域關(guān)聯(lián)約束和部分關(guān)聯(lián)約束。[定義]設(shè)A是聯(lián)系型R所關(guān)聯(lián)的一個(gè)實(shí)體型，若規(guī)定A的各實(shí)體必須出現(xiàn)在R的某個(gè)聯(lián)系實(shí)例中，則稱這種規(guī)定為實(shí)體型A關(guān)于聯(lián)系型R的全域約束。若規(guī)定A的實(shí)體可以不出現(xiàn)在任何聯(lián)系實(shí)例中，則稱這種規(guī)定為實(shí)體型A關(guān)于聯(lián)系型R的部分約束。例如，在大學(xué)數(shù)據(jù)庫中，

若規(guī)定每位教師必屬于某個(gè)系，則這種規(guī)定就是教師實(shí)體型關(guān)于聯(lián)系型(T_D1)的全域關(guān)聯(lián)約束。

由于并非所有教師都是主任，故這情況就是教師實(shí)體型關(guān)于聯(lián)系型(T_D2)的部分關(guān)聯(lián)約束。F24b1聯(lián)系型的結(jié)構(gòu)約束實(shí)體關(guān)聯(lián)約束實(shí)體對應(yīng)約束1:1約束1:n約束m:n約束全域關(guān)聯(lián)約束部分關(guān)聯(lián)約束第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三3.聯(lián)系型的屬性聯(lián)系型可以具有屬性，例如，為了表示教師講授課程的周學(xué)時(shí)數(shù)，在教師實(shí)體型和課程實(shí)體型之間的聯(lián)系型T_C={(t,c)|教師t講授課程c}中設(shè)置一個(gè)屬性周學(xué)時(shí)。聯(lián)系型的屬性怎樣設(shè)置呢？若聯(lián)系型是1:n類型，則可以把該屬性設(shè)置在所關(guān)聯(lián)的n方實(shí)體型中。若聯(lián)系型是1:1類型，則設(shè)置在兩個(gè)實(shí)體型當(dāng)中任一個(gè)均可以。例如，聯(lián)系型S_D={(s,d)|學(xué)生s屬于系d}屬于n:1類型，因系向?qū)W生提供宿舍，故宿舍房號是聯(lián)系型的屬性，可將此屬性設(shè)置在n方實(shí)體型即學(xué)生實(shí)體型內(nèi)。注意，若把聯(lián)系型屬性設(shè)置在1方實(shí)體型內(nèi)，則會成為多值屬性，給以后的許多處理帶來麻煩。F24c第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三識別實(shí)體型B弱實(shí)體型A五.弱實(shí)體應(yīng)用領(lǐng)域中有些實(shí)體型沒有普通意義的鍵，我們稱之為弱實(shí)體型，它的實(shí)體稱為弱實(shí)體。不同的弱實(shí)體可以有完全相同的屬性值。識別弱實(shí)體的方法是關(guān)聯(lián)另一個(gè)普通的實(shí)體型(稱為識別實(shí)體型)。在弱實(shí)體型中挑選這樣的屬性子集，使得可以和識別實(shí)體型的鍵結(jié)合成弱實(shí)體型的鍵，弱實(shí)體型的這個(gè)屬性子集稱為部分鍵。設(shè)聯(lián)系型R關(guān)聯(lián)弱實(shí)體型A和對應(yīng)的識別實(shí)體型，則稱R為A的識別聯(lián)系型。為了能識別每個(gè)弱實(shí)體，識別聯(lián)系型R對于弱實(shí)體型A必須具有全域關(guān)聯(lián)約束。一個(gè)弱實(shí)體型可以具有多個(gè)識別實(shí)體型和識別聯(lián)系型，這意味著弱實(shí)體可以有多種識別方法。父親孩子(身份證號,姓名)(父身份證號,姓名,性別,生日)部分鍵標(biāo)識孩子的一個(gè)方法：孩子姓名-父親身份證號F25識別聯(lián)系型全域關(guān)聯(lián)約束第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三六.實(shí)體聯(lián)系圖實(shí)體聯(lián)系圖是表示ER模型的圖形工具，簡稱ER圖。ER圖用來表示實(shí)體型和聯(lián)系型。下邊列出表示實(shí)體聯(lián)系模型各種成分的ER圖素。實(shí)體型屬性聯(lián)系型F26弱實(shí)體型識別聯(lián)系型鍵屬性多值屬性導(dǎo)出屬性復(fù)合屬性BAR聯(lián)系型R對于實(shí)體型B具有全域關(guān)聯(lián)約束BAR11BAR1nBARmn1:1聯(lián)系型1:n聯(lián)系型m:n聯(lián)系型大學(xué)數(shù)據(jù)庫的ER圖接下頁第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三課程學(xué)生教師系教研室名稱學(xué)時(shí)數(shù)編號所屬系姓名編號所屬系年級系名編號地點(diǎn)系主任姓名編號性別地址課程所屬系名稱編號電話所屬系T_S_CT_DS_DBD市區(qū)郵政單位學(xué)校信箱大學(xué)數(shù)據(jù)庫的ER圖F26a第14頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三F3第三節(jié)擴(kuò)展的實(shí)體聯(lián)系模型擴(kuò)展的實(shí)體聯(lián)系模型就是實(shí)體聯(lián)系模型的擴(kuò)充，即在實(shí)體聯(lián)系模型的基礎(chǔ)上，增加了一些新概念，如子類、超類、演繹、歸納、范疇、層性層次等。下面分小節(jié)討論這些概念。一.子類、超類、演繹和歸納二.演繹和歸納的性質(zhì)三.范疇、EER圖第15頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三一.子類、超類、演繹和歸納把實(shí)體型R的實(shí)體按需要?jiǎng)澐譃閹讉€(gè)子集合R1,、R2、.，這個(gè)過程稱為演繹。R稱為(演繹)超類，各Ri都是實(shí)體型，稱為(演繹)子類。子類除繼承超類的所有屬性之外，還附加用于區(qū)別其它子類的特殊屬性。不要求超類成員必須屬于某個(gè)子類。一個(gè)實(shí)體型可按不同需要進(jìn)行多種不同的演繹，即不同的分類。歸納是演繹的逆過程。把多個(gè)實(shí)體型Ri的共同屬性抽取出來，形成一個(gè)實(shí)體型，這就是(歸納)超類。演繹和歸納都是聯(lián)系型。分別稱為演繹聯(lián)系型和歸納聯(lián)系型.教師文科教師理科教師外語教師d運(yùn)輸工具火車飛機(jī)汽車d演繹歸納[例]由教師實(shí)體型按專業(yè)演繹出三個(gè)子類[例]由三個(gè)實(shí)體型歸納出超類‘運(yùn)輸工具’超類子類超類子類雙線表示超類實(shí)體必屬于某子類單線表示超類實(shí)體不必屬于某子類F31第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三二.演繹和歸納的性質(zhì)1兩種定義演繹的方法：1)由屬性謂詞定義的演繹2)用戶定義的演繹2.演繹和歸納的約束條件1)重迭性約束2)完全性約束3.多層演繹與共享子類F32第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三1兩種定義演繹的方法：1)由屬性謂詞定義的演繹這類演繹方法通過超類屬性上的某一個(gè)謂詞來說明每個(gè)實(shí)體所屬的子類。例如在超類教師設(shè)置屬性‘所屬學(xué)科’，即可把教師分為文、理、外三個(gè)種類。2)用戶定義的演繹即上述方法之外的演繹。超類實(shí)體所屬的子類由用戶逐個(gè)說明。F32a第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三重迭性約束完全性約束全域約束：規(guī)定超類實(shí)體必屬某子類。例如歸納超類運(yùn)輸工具必屬于火車、飛機(jī)或汽車。部分約束：規(guī)定超類實(shí)體不必屬于某子類。例如某教師都不屬于文科、理科、外語科。正交約束：規(guī)定子類交集為空。例如火車、飛機(jī)和汽車三個(gè)子類是互相獨(dú)立的。相交演繹：規(guī)定子類可以相交。例如某課程既是一系課程又是二系課程。例子2.演繹和歸納的約束條件F32b第19頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三教師文科教師理科教師外語教師d運(yùn)輸工具火車飛機(jī)汽車d超類子類超類子類雙線表示全域約束：超類每個(gè)實(shí)體必屬于某子類單線表示部分約束：超類實(shí)體不必屬于某子類正交約束，子類不相交一系課程二系課程o課程超類子類一系課程二系課程o課程超類子類相交約束，允許子類相交全校只有兩個(gè)系除兩個(gè)系外，還有別的系F32b例允許有教師不屬于文理外三科運(yùn)輸工具僅火車飛機(jī)和汽車演繹歸納約束條件的例子完全性重迭性第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三實(shí)體型博士導(dǎo)師具有多個(gè)超類稱為共享子類F32c教師教授講師助教文科教授理科教授外語教授博士導(dǎo)師dd其他其他其他ddd3.多層演繹和共享子類對子類進(jìn)行演繹即可產(chǎn)生演繹層次結(jié)構(gòu)。例如，實(shí)體型教師可以劃分為子類教授、講師和助教。子類教授可以進(jìn)一步分為文科教授、理科教授和外語教授三個(gè)子類。在多層演繹中子類繼承所有前輩超類屬性。若實(shí)體型是多個(gè)超類的子類，則稱為共享子類。第21頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三教師工人干部住戶uF33三范疇若超類/子類聯(lián)系具有多個(gè)超類，則其子類稱為范疇，它是多個(gè)超類實(shí)體型的并集的子類。范疇的每個(gè)實(shí)體僅繼承包含該實(shí)體的超類實(shí)體型的屬性。例如，三個(gè)不同實(shí)體型教師、工人和干部，在住房分配數(shù)據(jù)庫中需要建立包含這三類住戶的類，這就是范疇住戶。四.EER圖EER圖是ER圖的擴(kuò)張。EER圖是在ER圖的基礎(chǔ)上，增加了表示EER模型新概念的圖形。第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三第四節(jié)概念設(shè)計(jì)的方法與策略概念數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的基本步驟是：確定實(shí)體型及其屬性和鍵；確定實(shí)體型之間的聯(lián)系和約束；用演繹或歸納確定實(shí)體型之間的超子聯(lián)系及其約束；確定范疇聯(lián)系及其約束；形成EER圖。一概念設(shè)計(jì)方法1集中式：先由設(shè)計(jì)者合并需求報(bào)告各項(xiàng)需求，然后設(shè)計(jì)概念模式。由于在概念設(shè)計(jì)前用人工方法處理各需求間的差異矛盾,故難度大.2視圖綜合式：為需求報(bào)告的每個(gè)應(yīng)用設(shè)計(jì)概念模式，即視圖，然后合并。用戶或應(yīng)用程序員按自己需求設(shè)計(jì)局部概念模式，視圖合成有設(shè)計(jì)方法學(xué)和輔助工具的幫助。F41第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三概念設(shè)計(jì)的策略多數(shù)策略遵循逐步求精的原則，從一個(gè)滿足部分需求的模式開始，逐步加以改善，最后形成滿足所有需求的概念模式。1自頂向下的策略；從抽象結(jié)構(gòu)模式出發(fā)，逐步求精具體化，最終得到概念數(shù)據(jù)庫模式。例如通過演繹把高級的實(shí)體型分解為幾個(gè)低級實(shí)體型。2自底向上的策略：從基礎(chǔ)概念結(jié)構(gòu)模式出發(fā)，逐步組合結(jié)構(gòu)，最終得到概念數(shù)據(jù)庫模式。例如，對屬性集合先說明，再分組，形成實(shí)體型和聯(lián)系型。由子類歸納出超類就是一種自底向上的策略。3混合策略：首先把總體需求分解為幾個(gè)需求子集合；然后對每個(gè)需求子集合用自底向上的策略建立局部模式；最后把各局部模式綜合為概念模式。F42例第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三F42例自頂向下策略實(shí)例：一個(gè)實(shí)體型分為兩個(gè)實(shí)體型和一個(gè)聯(lián)系型課程名學(xué)時(shí)數(shù)課程號教師名教學(xué)計(jì)劃課程名學(xué)時(shí)數(shù)課程號教師名課程教師講授

教師學(xué)生教師學(xué)生任教班任

自下向上策略實(shí)例：在兩個(gè)實(shí)體型之間增加兩個(gè)聯(lián)系型第25頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三第五節(jié)視圖綜合設(shè)計(jì)方法第一步，設(shè)計(jì)局部概念模式；第二步，綜合局部概念模式為總體概念模式一