數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計

1、數(shù)據(jù)庫設(shè)計,邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計,邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計,邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù) 概念結(jié)構(gòu)是各種數(shù)據(jù)模型的共同基礎(chǔ) 為了能夠用某一DBMS實現(xiàn)用戶需求，還必須將概念結(jié)構(gòu)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，這正是數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計所要完成的任務(wù)。,邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計,邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的步驟 將概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為關(guān)系、網(wǎng)狀、層次或其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型 將得到的關(guān)系、網(wǎng)狀、層次模型向特定DBMS支持下的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換 對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化,邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計,邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換 向特定DBMS的模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化 設(shè)計用戶子模式,E-R圖向關(guān)系模型轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換內(nèi)容 轉(zhuǎn)換原則,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,轉(zhuǎn)換內(nèi)容 E-R圖 由

2、實體、實體的屬性和實體之間的聯(lián)系三個要素組成 關(guān)系模型的邏輯結(jié)構(gòu) 一組關(guān)系模式的集合 將E-R圖轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型 將實體、實體的屬性和實體之間的聯(lián)系轉(zhuǎn)化為關(guān)系模式。,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,轉(zhuǎn)換原則 （ 一個實體型轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。） 關(guān)系的屬性：實體型的屬性 關(guān)系的鍵：實體型的鍵 例，學(xué)生實體可以轉(zhuǎn)換為如下關(guān)系模式： 學(xué)生（學(xué)號，姓名，出生日期，所在系， 年級，平均成績） 性別、宿舍、班級、檔案材料、教師、課程、教室、教科書都分別轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。,學(xué)生,學(xué)號,出生 日期,年級,所在系,平均 成績,姓名,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,轉(zhuǎn)換原則 一個m:n聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。

3、關(guān)系的屬性：與該聯(lián)系相連的各實體的鍵以及聯(lián)系本身的屬性 關(guān)系的鍵：各實體鍵的組合 例，“選修”聯(lián)系是一個m:n聯(lián)系，可以將它轉(zhuǎn)換為如下關(guān)系模式，其中學(xué)號與課程號為關(guān)系的組合鍵： 選修（學(xué)號，課程號，成績）,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,轉(zhuǎn)換原則 一個1:n聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式，也可以與n端對應(yīng)的關(guān)系模式合并。 1) 轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式 關(guān)系的屬性：與該聯(lián)系相連的各實體的鍵以及聯(lián)系本身的屬性 關(guān)系的鍵：n端實體的鍵,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,轉(zhuǎn)換原則 一個1:n聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式，也可以與n端對應(yīng)的關(guān)系模式合并。 2) 與n端對應(yīng)的關(guān)系模式合并 合并后關(guān)系

4、的屬性：在n端關(guān)系中加入1端關(guān)系的鍵和聯(lián)系本身的屬性 合并后關(guān)系的鍵：不變 可以減少系統(tǒng)中的關(guān)系個數(shù)，一般情況下更傾向于采用這種方法,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,例，“組成”聯(lián)系為1:n聯(lián)系。 將其轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式的兩種方法： 1)使其成為一個獨立的關(guān)系模式： 組成（學(xué)號，班級號） 2)將其與學(xué)生關(guān)系模式合并： 學(xué)生（學(xué)號，姓名，出生日期，所在系，年級，班級號，平均成績）,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,轉(zhuǎn)換原則 一個1:1聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式，也可以與任意一端對應(yīng)的關(guān)系模式合并。 1) 轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式 關(guān)系的屬性：與該聯(lián)系相連的各實體的鍵以及聯(lián)系本身的屬性 關(guān)系的候選

5、鍵：每個實體的鍵均是該關(guān)系的候選碼,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,轉(zhuǎn)換原則 一個1:1聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式，也可以與任意一端對應(yīng)的關(guān)系模式合并。 2) 與某一端對應(yīng)的關(guān)系模式合并 合并后關(guān)系的屬性：加入對應(yīng)關(guān)系的鍵和聯(lián)系本身的屬性 合并后關(guān)系的鍵：不變,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,例，“管理”聯(lián)系為1:1聯(lián)系，可以有三種轉(zhuǎn)換方法： （1）轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式： 管理（職工號，班級號） 或管理（職工號，班級號）,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,（2）“管理”聯(lián)系與班級關(guān)系模式合并，則只需在班級關(guān)系中加入教師關(guān)系的碼，即職工號： 班級（班級號，學(xué)生人數(shù)，職工號）,E-R圖向關(guān)

6、系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,（3）“管理”聯(lián)系與教師關(guān)系模式合并，則只需在教師關(guān)系中加入班級關(guān)系的碼，即班級號： 教師（職工號，姓名，性別，職稱，班級號， 是否為優(yōu)秀班主任）,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,注意： 從理論上講，1:1聯(lián)系可以與任意一端對應(yīng)的關(guān)系模式合并。 但在一些情況下，與不同的關(guān)系模式合并效率會大不一樣。因此究竟應(yīng)該與哪端的關(guān)系模式合并需要依應(yīng)用的具體情況而定。,new,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,由于連接操作是最費(fèi)時的操作，所以一般應(yīng)以盡量減少連接操作為目標(biāo)。 例如，如果經(jīng)常要查詢某個班級的班主任姓名，則將管理聯(lián)系與教師關(guān)系合并更好些。,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,轉(zhuǎn)換原

7、則 三個或三個以上實體間的一個多元聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。 關(guān)系的屬性：與該多元聯(lián)系相連的各實體的鍵以及聯(lián)系本身的屬性 關(guān)系的鍵：各實體鍵的組合,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,例，“講授”聯(lián)系是一個三元聯(lián)系，可以將它轉(zhuǎn)換為如下關(guān)系模式，其中課程號、職工號和書號為關(guān)系的組合鍵： 講授（課程號，職工號，書號）,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,轉(zhuǎn)換原則 同一實體集的實體間的聯(lián)系，即自聯(lián)系，也可按上述1:1、1:n和m:n三種情況分別處理。 例，教師實體集內(nèi)部存在領(lǐng)導(dǎo)與被領(lǐng)導(dǎo)的1:n自聯(lián)系，可以將該聯(lián)系與教師實體合并，這時主鍵職工號將多次出現(xiàn)，但作用不同，可用不同的屬性名加以區(qū)分： 教師：職工號，姓

8、名，性別，職稱，系主任,new,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）, 具有相同鍵的關(guān)系模式可合并。 目的：減少系統(tǒng)中的關(guān)系個數(shù)。 合并方法：將其中一個關(guān)系模式的全部屬性加入到另一個關(guān)系模式中，然后去掉其中的同義屬性（可能同名也可能不同名），并適當(dāng)調(diào)整屬性的次序。,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,例，“擁有”關(guān)系模式： 擁有（學(xué)號，性別） 與學(xué)生關(guān)系模式： 學(xué)生（學(xué)號，姓名，出生日期，所在系，年級， 班級號，平均成績） 都以學(xué)號為碼，可以將它們合并為一個關(guān)系模式： 學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，出生日期，所在系， 年級，班級號，平均成績）,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,實例 按照上述七條原則，學(xué)生管理子

9、系統(tǒng)中的18個實體和聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為下列關(guān)系模型： 學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，出生日期，所在系，年級，班級號，平均成績，檔案號） 性別（性別，宿舍樓）,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,宿舍（宿舍編號，地址，性別，人數(shù)） 班級（班級號，學(xué)生人數(shù)） 教師（職工號，姓名，性別，職稱，班級號，是否為優(yōu)秀班主任）,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,教學(xué)（職工號，學(xué)號） 課程（課程號，課程名，學(xué)分，教室號） 選修（學(xué)號，課程號，成績） 教科書（書號，書名，價錢） 教室（教室編號，地址，容量） 講授（課程號，教師號，書號） 檔案材料（檔案號，）,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）,該關(guān)系模型由12個關(guān)系模式組成 學(xué)生

10、關(guān)系模式包含了“擁有”聯(lián)系、“組成”聯(lián)系、“歸檔”聯(lián)系所對應(yīng)的關(guān)系模式 教師關(guān)系模式包含了“管理”聯(lián)系所對應(yīng)的關(guān)系模式； 宿舍關(guān)系模式包含了“住宿”聯(lián)系所對應(yīng)的關(guān)系模式； 課程關(guān)系模式包含了“開設(shè)”聯(lián)系所對應(yīng)的關(guān)系模式。,邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換 向特定DBMS規(guī)定的模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化 設(shè)計用戶子模式,向特定DBMS模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換,一般的數(shù)據(jù)模型還需要向特定DBMS規(guī)定的模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 轉(zhuǎn)換的主要依據(jù)是所選用的DBMS的功能及限制。沒有通用規(guī)則,對于關(guān)系模型來說，這種轉(zhuǎn)換通常都比較簡單。,邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換 向特定DBMS規(guī)定的模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)模型的

11、優(yōu)化 設(shè)計用戶子模式,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化,數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計的結(jié)果不是唯一的。 得到初步數(shù)據(jù)模型后，還應(yīng)該適當(dāng)?shù)匦薷摹⒄{(diào)整數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的性能，這就是數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化。 關(guān)系數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化通常以規(guī)范化理論為指導(dǎo)。,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）,優(yōu)化數(shù)據(jù)模型的方法 確定數(shù)據(jù)依賴 按需求分析階段所得到的語義，分別寫出每個關(guān)系模式內(nèi)部各屬性之間的數(shù)據(jù)依賴以及不同關(guān)系模式屬性之間數(shù)據(jù)依賴。,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）,例，課程關(guān)系模式內(nèi)部存在下列數(shù)據(jù)依賴： 課程號課程名 課程號學(xué)分 課程號教室號 選修關(guān)系模式中存在下列數(shù)據(jù)依賴： （學(xué)號，課程號）成績,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）,學(xué)生關(guān)系模式中存在下列數(shù)

12、據(jù)依賴： 學(xué)號姓名 學(xué)號性別 學(xué)號出生日期 學(xué)號所在系 學(xué)號年級 學(xué)號班級號 學(xué)號平均成績 學(xué)號檔案號,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）,學(xué)生關(guān)系模式的學(xué)號與選修關(guān)系模式的學(xué)號之間存在數(shù)據(jù)依賴： 學(xué)生.學(xué)號選修.學(xué)號,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）, 對于各個關(guān)系模式之間的數(shù)據(jù)依賴進(jìn)行極小化處理，消除冗余的聯(lián)系。,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）, 按照數(shù)據(jù)依賴的理論對關(guān)系模式逐一進(jìn)行分析，考查是否存在部分函數(shù)依賴、傳遞函數(shù)依賴、多值依賴等，確定各關(guān)系模式分別屬于第幾范式。 例如經(jīng)過分析可知，課程關(guān)系模式屬于BC范式。,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）, 按照需求分析階段得到的各種應(yīng)用對數(shù)據(jù)處理的要求，分析對于這樣的應(yīng)用環(huán)境這些模式是否合

13、適，確定是否需要對它們進(jìn)行合并或分解。（通常多采用這個方法利用DD和DFD來分析冗余并消除之）,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）,并不是規(guī)范化程度越高的關(guān)系就越優(yōu)。 當(dāng)一個應(yīng)用的查詢中經(jīng)常涉及到兩個或多個關(guān)系模式的屬性時，系統(tǒng)必須經(jīng)常地進(jìn)行聯(lián)接運(yùn)算，而聯(lián)系運(yùn)算的代價是相當(dāng)高的，可以說關(guān)系模型低效的主要原因就是做聯(lián)接運(yùn)算引起的，因此在這種情況下，第二范式甚至第一范式也許是最好的。,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）,非BCNF的關(guān)系模式雖然從理論上分析會存在不同程度的更新異常，但如果在實際應(yīng)用中對此關(guān)系模式只是查詢，并不執(zhí)行更新操作，則就不會產(chǎn)生實際影響。 對于一個具體應(yīng)用來說，到底規(guī)范化進(jìn)行到什么程度，需要權(quán)衡響應(yīng)時間

14、和潛在問題兩者的利弊才能決定。一般說來，第三范式就足夠了。,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）,例：在關(guān)系模式 學(xué)生成績單(學(xué)號,英語,數(shù)學(xué),語文,平均成績) 中存在下列函數(shù)依賴： 學(xué)號英語 學(xué)號數(shù)學(xué) 學(xué)號語文 學(xué)號平均成績 (英語, 數(shù)學(xué), 語文)平均成績,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）,顯然有： 學(xué)號(英語,數(shù)學(xué),語文) 因此該關(guān)系模式中存在傳遞函數(shù)信賴，是2NF關(guān)系。 雖然平均成績可以由其他屬性推算出來，但如果應(yīng)用中需要經(jīng)常查詢學(xué)生的平均成績，為提高效率，我們?nèi)匀豢杀Ａ粼撊哂鄶?shù)據(jù)，對關(guān)系模式不再做進(jìn)一步分解。,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）, 按照需求分析階段得到的各種應(yīng)用對數(shù)據(jù)處理的要求，對關(guān)系模式進(jìn)行必要的分解或合并

15、，以提高數(shù)據(jù)操作的效率和存儲空間的利用率 常用分解方法 水平分解 垂直分解,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）,水平分解 把(基本)關(guān)系的元組分為若干子集合，定義每個子集合為一個子關(guān)系，以提高系統(tǒng)的效率。,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）,水平分解的適用范圍 滿足“80/20原則”的應(yīng)用 80/20原則：一個大關(guān)系中，經(jīng)常被使用的數(shù)據(jù)只是關(guān)系的一部分，約20% 把經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)分解出來，形成一個子關(guān)系，可以減少查詢的數(shù)據(jù)量。,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）,水平分解的適用范圍 并發(fā)事務(wù)經(jīng)常存取不相交的數(shù)據(jù) 如果關(guān)系R上具有n個事務(wù)，而且多數(shù)事務(wù)存取的數(shù)據(jù)不相交，則R可分解為少于或等于n個子關(guān)系，使每個事務(wù)存取的數(shù)據(jù)對應(yīng)一個關(guān)系。

16、,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）,垂直分解 什么是垂直分解 把關(guān)系模式R的屬性分解為若干子集合，形成若干子關(guān)系模式。 垂直分解的原則 經(jīng)常在一起使用的屬性從R中分解出來形成一個子關(guān)系模式。,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）,垂直分解的優(yōu)點 可以提高某些事務(wù)的效率 垂直分解的缺點 可能使另一些事務(wù)不得不執(zhí)行連接操作，從而降低了效率。,數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（續(xù)）,垂直分解的適用范圍 取決于分解后R上的所有事務(wù)的總效率是否得到了提高。 進(jìn)行垂直分解的方法 簡單情況：直觀分解 復(fù)雜情況：模式分解算法 垂直分解必須不損失關(guān)系模式的語義(保持無損連接性和保持函數(shù)依賴)。,邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計,E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換 向特定DBMS規(guī)定的模

17、型進(jìn)行轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化 設(shè)計用戶子模式,設(shè)計用戶子模式,定義數(shù)據(jù)庫模式主要是從系統(tǒng)的時間效率、空間效率、易維護(hù)等角度出發(fā)。 定義用戶外模式時應(yīng)該更注重考慮用戶的習(xí)慣與方便。包括三個方面：,設(shè)計用戶子模式（續(xù)）,(1) 使用更符合用戶習(xí)慣的別名 合并各分E-R圖曾做了消除命名沖突的工作，以使數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中同一關(guān)系和屬性具有唯一的名字。這在設(shè)計數(shù)據(jù)庫整體結(jié)構(gòu)時是非常必要的。 但對于某些局部應(yīng)用，由于改用了不符合用戶習(xí)慣的屬性名，可能會使他們感到不方便，,設(shè)計用戶子模式（續(xù)）,(1) 使用更符合用戶習(xí)慣的別名(續(xù)) 在設(shè)計用戶的子模式時可以重新定義某些屬性名，使其與用戶習(xí)慣一致。 為了應(yīng)用的規(guī)范化

18、，我們也不應(yīng)該一味地遷就用戶。 例：負(fù)責(zé)學(xué)籍管理的用戶習(xí)慣于稱教師模式的職工號為教師編號。因此可以定義視圖，在視圖中職工號重定義為教師編號,設(shè)計用戶子模式（續(xù)）,(2) 針對不同級別的用戶定義不同的外模式，以滿足系統(tǒng)對安全性的要求。 例：教師關(guān)系模式中包括職工號、姓名、性別、出生日期、婚姻狀況、學(xué)歷、學(xué)位、政治面貌、職稱、職務(wù)、工資、工齡、教學(xué)效果等屬性。,設(shè)計用戶子模式（續(xù)）,學(xué)籍管理應(yīng)用只能查詢教師的職工號、姓名、性別、職稱數(shù)據(jù)； 課程管理應(yīng)用只能查詢教師的職工號、姓名、性別、學(xué)歷、學(xué)位、職稱、教學(xué)效果數(shù)據(jù)； 教師管理應(yīng)用則可以查詢教師的全部數(shù)據(jù)。,設(shè)計用戶子模式（續(xù)）,定義兩個外模式： 教師_學(xué)籍管理(職工號，姓名，性別，職稱) 教師_課程管理(工號，姓名，性別，學(xué)歷，學(xué)位，職稱，教學(xué)效果),設(shè)計用戶子模式（續(xù)）,授權(quán)學(xué)籍管理應(yīng)用只能訪問教師_學(xué)籍管理視圖 授權(quán)課程管理應(yīng)用只能訪問教師_課程管理視圖 授權(quán)教師管理應(yīng)用能訪問教師表 這樣就可以防止用戶非法訪問本來不允許他們查詢的數(shù)據(jù)，保證了系統(tǒng)的安全性。,設(shè)計用戶子模式（續(xù)）,(3) 簡化用戶對系統(tǒng)的使用 如果某些局部應(yīng)用中經(jīng)常要使用某些很復(fù)雜的查詢，為了方便用戶，可以將這些復(fù)雜查詢定義為視圖。,邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計小結(jié),任務(wù) 將概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)據(jù)模型