数据库设计基础9.1

1、数据库设计（Database Design） 张祖平中南大学信息科学与工程学院 信息与通信工程系 网络评审系统工程研究所第一部分:数据库设计基础2010年春季1大纲要求 面向:计算机应用技术硕士/工程硕士研究生 讲授学时:32 课外学时:64预修课程：结构化程序设计离散数学数据库原理与技术软件开发技术数据结构2010年春季2硕士、工程硕士数据库设计-张祖平教学目标及要求本课程的教学目标是：强化学生在进行大型软件系统开发中进行数据库设计的能力对数据库的分析、设计、实现方法和过程有较全面的掌握培养大型系统项目管理员与数据库理论研究与应用人才。要求掌握：数据库设计与优化的理论基础与基本方法了解数据库

2、的最新进展与最新理论与技术对数据库规范化理论与数据库编程技术有较深的了解对大型系统中数据库的设计有较好的理论与技术依据。2010年春季3硕士、工程硕士数据库设计-张祖平具体内容：1、数据库设计基础。在介绍典型系统应用模型、典型数据库应用领域、典型数据库系统、典型数据库开发工具、典型数据模型及描述方法的基础上，重点讲述面向大型数据库系统的数据库设计方法与应用，引出信息模型设计方法及信息模型设计所用的CASE工具。2、数据库设计技术。数据库设计的方法及数据库分析与优化的主要理论与技术，重点讲述基于CASE工具的数据设计方法与数据模型表示技术。2010年春季4硕士、工程硕士数据库设计-张祖平具体内容

3、：3、典型实例分析。分析多个有代表性的大型软件项目的关键技术，基于具体实例，重点讲述从信息需求到数据库设计整个过程的实际解决方案与技术。4、基于新技术的数据库设计与应用。主要讲述数据库技术的发展，重点讲述基于O-RDBMS的数据库设计理论、技术及应用2010年春季5硕士、工程硕士数据库设计-张祖平教材及主要参考书教材: 康诺利（Connolly,T.M.） 等著，何玉洁 等译 :数据库设计教程（第二版）计算机科学丛书,机械工业出版社，2005.1.Thomas Connolly and Carolyn Begg. Database solution (second edition): a st

4、ep by step guide to build database. 2004主要参考书:孙星明,张祖平等.数据库原理及应用,中南大学出版社,2005.7 考核方式:考试2010年春季6硕士、工程硕士数据库设计-张祖平概论(Introduction)关系模型（Relational Model)关系数据库设计基础(Database design based on Relational Model)第一部分:数据库设计基础2010年春季71 概论(Introduction)1.1 典型系统应用模型1.2 典型数据库应用领域1.3 典型数据库系统1.4 典型数据库开发工具1.5 典型数据模型及描述

5、方法2010年春季8典型应用系统物理结构图1.1 典型系统应用模型2010年春季9硕士、工程硕士数据库设计-张祖平全局共享数据管理软件全局共享数据BOM编码信息基础数据生产管理数据综合信息数据营销管理数据经营计划财务管理办公自动化人力资源销售管理售后管理远程信息 ERPCAD/CAECAPPCAM PDM生产计划采购管理库存管理质量管理生产信息设备管理典型应用系统逻辑结构图2010年春季10硕士、工程硕士数据库设计-张祖平数据集成数据抽取,转换和加载省中心业务数据库DSS原始数据元数据库数据仓库层通用构件层Web构件层用户界面层Web构件Web构件数据库服务器应用服务器Web服务器WEB浏览器

6、本机操作系统HTML页面DHTML页面XML页面本机应用程序管理数据库、其它数据DSS多维数据通用查询构件通用统计构件通用分析构件通用预警构件通用预测构件通用管理构件数据分析与展现接口典型系统分层结构2010年春季11硕士、工程硕士数据库设计-张祖平1.2典型应用领域工矿企业生产与管理产、供、销，人、财、物；OA，电子商务；MIS；MRPII；ERP；PDM；CIMS；CRM；政府机关、学校及其它事业单位的管理财务，人事，图书管理；电子政务；OA商业单位管理购销，财务，人事；商业MIS；电子商务；ERP；IT行业管理MIS；考勤管理；项目管理；资源管理；流程管理金融、证券、保险等的管理电信、邮

7、政、媒体传播、娱乐等的管理2010年春季12硕士、工程硕士数据库设计-张祖平1. 3 典型数据库系统-国外商业系统ORACLEV7.3.4,8.0.5,8.1.6,8i,9i,10g,11i,11gSYBASEV12.0,12.5SQL SERVERv7.0,2000,2003,2005DB2V9.1 INFORMIXINGRESVFPACCESSMySQLInterBase2010年春季13硕士、工程硕士数据库设计-张祖平1. 3 典型数据库系统-国内成熟系统1988年研制了我国第一个自主版权的数据库管理系统CRDS具有一定影响的国产数据库软件国信贝斯公司的i BASE人大金仓公司的King

8、baseES北京航天神舟软件公司研制的OSCAR对象关系型数据库 华中理工大学的DM系统东大阿尔派的OpenBASE2010年春季14硕士、工程硕士数据库设计-张祖平1. 3 典型数据库系统-国内成熟系统(2)i BASE数据库的突破：(i internet,三星SDS采用)数据类型和存储结构上支持重复字段、子字段的处理，能根据数据对象分配存储空间，实现自适应变长存储；在数据类型、数据模型和存储结构上，采用独特的外挂文件方式支持多媒体数据管理和超大文本数据的管理，自带全文检索引擎，能实现对海量数据高效的全文查询；在异构系统的互联互访上，i BASE数据库从根本上解决了不同硬件平台、不同操作系统

9、、不同数据库管理系统之间互联互访的技术难题，能实现对异构系统数据库的快速访问查询；在安全级别上，i BASE数据库实现系统级、数据库级、记录级和字段级四级安全控制，达到国际安全标准B2级，从系统底层确保国家信息安全。2010年春季15硕士、工程硕士数据库设计-张祖平1. 3 典型数据库系统-国内成熟系统(3)1996年研制出DM2(英文为“Database Multimedia”的简写 ，中文为“达梦”),现在为DM3(华中2001,12,13通过鉴定)三权分立的安全机制，使安全级别达到B1级。 层次关系OO混合数据模型，和扩展的数据类型使 DM2能自然而方便地处理空间数据。 扩展的多媒体数据

10、类型使用DM2能一体化处理多媒体数据。2010年春季16硕士、工程硕士数据库设计-张祖平1. 3 典型数据库系统-国内成熟系统(4)2004年1月，达梦公司正式推出DM4DM4采用新的体系结构，重新设计了数据存储、并发控制、事务处理、查询优化和执行等核心模块。DM4是大型通用的数据库管理系统软件，在功能、性能上已经赶上国外同类产品（如Oracle 9i、SQL Server 2000等），某些方面还具有优势。DM4更安全、更标准、更易用，具有低成本高性能和本地化优势，支持大规模数据存储管理，能满足大中小型应用需求（如典型的联机事务处理、电子商务、电子政务等等）。2006年3月10日，达梦数据库

11、DM 5.0版本正式发布 ,稳定性提高,现在是V5.62010年春季17硕士、工程硕士数据库设计-张祖平1. 4 典型数据库系统开发工具开发工具语言技术商业DBS本身所带开发工具如FORMSC，VC，C+VBPowerbuilder（简PB)DelphiJAVA基于WEB开发的工具与技术如ASP/JSP与DBS的接口ODBC/JDBC平台与构架2010年春季18硕士、工程硕士数据库设计-张祖平1.5 典型数据模型数据模型，分为2类（层）：概念模型，也称信息模型逻辑模型，也称数据模型典型模型：层次模型、网状模型、关系模型、OO模型典型数据库层次数据库系统网状数据库系统关系数据库系统面向对象数据库

12、系统对象-关系（O-R）数据库系统2010年春季19硕士、工程硕士数据库设计-张祖平1.5 数据模型描述方法E-R方法( Entity-Relationship Approach)IDEF方法，IDEF1X图CASE工具2010年春季20硕士、工程硕士数据库设计-张祖平学号学生姓名性别出生年份入学时间系图 学生实体及属性供应商供应项目零件供应量图 联系的属性2010年春季21硕士、工程硕士数据库设计-张祖平仓库仓库号面积电话号项目项目号预算开工日期职工职工号姓名年龄职称零件零件号名称规格描述单价供应商供应商号姓名地址电话号帐号图 实体及其属性图2010年春季22硕士、工程硕士数据库设计-张祖平

13、供应商供应项目零件供应量mpn职工领导1n仓库工作仓库供应量1nnm图 实体及其联系图图 顾客贷款联系图顾客身份证号码姓名地址借贷m贷款贷款号金额n2010年春季23硕士、工程硕士数据库设计-张祖平借顾客身份证号码姓名地址m贷款贷款号金额n付款付款帐号付款日期付款金额还贷属于支行支行名地址资产贷存款存款号金额子集检查帐户存款帐户透支额利率n1q1n1p雇员服务nm姓名电话部门号社保号领导1m图 银行系统E-R图2010年春季24硕士、工程硕士数据库设计-张祖平供应商供应商号工作仓库零件项目职工地址账号电话号码仓库号姓名面积职称姓名电话号预算年龄职工号供应领导库存开工日期项目号单价名称描述规格零

14、件号供应量库存量nnpmm1n1n2010年春季25硕士、工程硕士数据库设计-张祖平E-R图的扩展-IDEF1X图2010年春季26硕士、工程硕士数据库设计-张祖平2 关系模型Relational Model2.1 数据模型(Data Model)2.2 关系键（Key)2.3 关系完整性(Integrity)2.4 关系语言对应教材上的第2章2010年春季272.1 数据模型数据模型表示实体间联系的模型包括数据结构、数据操作、完整性约束条件关系数据模型表、关系-数据结构若干域的笛卡尔乘积的一个子集关系关系语言-数据操作语句及规则关系完整性-完整性约束条件三类完整性2010年春季28硕士、工程

15、硕士数据库设计-张祖平2.2 关系键（Key)超键、主键、侯选键、外键A superkey is a set of columns that has the uniqueness propertyA key( Candidate Key) is a minimal superkey: no subset of columns also has uniqueness property.Primary Key. A Primary Key of a table T is the candidate key chosen by the DBA to uniquely identify rows in

16、 T (usually used in references by other tables in Foreign Key)2010年春季29硕士、工程硕士数据库设计-张祖平2.3 关系完整性(Integrity)实体完整性主属性不能为空参照完整性外键或者为空、或者取参照主键的某一个值用户自定义特定值的约束空值业务规则First Normal Form. Cant have multi-valued fields. Unique rows.Access rows by content only2010年春季30硕士、工程硕士数据库设计-张祖平2.4 关系语言关系代数集合运算、选择、投影、联接，

17、除关系演算元组演算、域演算（QBE）SQL关系数据库标准操作语言定义查询操纵控制2010年春季31硕士、工程硕士数据库设计-张祖平3 关系数据库设计基础Database design based on Relational Model3.1 属性间的函数依赖3.2 范式3.3 模式分解对应教材上的第6章 规范化2010年春季323.1 属性间的函数依赖设R(U)是属性集U上的关系模式，X,Y是U的子集。若对于R(U)的任意一个可能的关系r,r中不可能存在两个元组在X上的属性值相等，而在Y上的属性值不等，则称X函数确定Y或Y函数依赖X。记作X-Y 。术语和记号 ，但 则称 是非平凡的函数依赖。

18、，但 则称 是平凡的函数依赖2010年春季33硕士、工程硕士数据库设计-张祖平Example求ABC函数依赖关系FDs of RABCa1b1c1a2b1c1a3b3c3a4b4c5a5b4c5a6b2c3a7b2c3R2010年春季34硕士、工程硕士数据库设计-张祖平FDIF ,then X be called determinant(决定因素)IF , ，then be marked IF Y is not Functional Dependencies on X， then be marked DEF2 在R（U）中，如果 ，并且对于X的任何一个真子集X，都有 ，则称Y对X完全函数依赖。

19、记作： 若 ，但Y不完全函数依赖于X，则称Y对X部分函数依赖，记作： 2010年春季35硕士、工程硕士数据库设计-张祖平FDs DEF 在R(U)中，如果 ， ， ， ，则称Z对X传递函数依赖。key (码)定义 设K为R中的属性或属性组，若 ,则K为R的候选码。 2010年春季36硕士、工程硕士数据库设计-张祖平3.2 范式（第6章，P67）1NF、2NF、3NF、BCNF1NF属性不能再分2NF1 定义 若 ，且每一个非主属性完全函数依赖于码，则 。 2 例 SC(学号,姓名,年龄,课程号,课程名,学分,成绩) 函数依赖有：F=学号-姓名,学号-年龄,课程号-课程名,课程号-学分,(学号,

20、课程号) -成绩2NF?2010年春季37硕士、工程硕士数据库设计-张祖平BCNF1 定义 关系模式 ， 则 。 即：关系模式中，若每一个决定因素都包含码，则该关系模式属于BCNF。 2 性质所有非主属性对每一个码都是完全函数依赖所有的主属性对每一个不包含它的码，也是完全函数依赖没有任何属性完全函数依赖于非码的任何一组属性2010年春季38硕士、工程硕士数据库设计-张祖平3NF定义:如果R为1NF,且每个非主属性都是非传递依赖于码的,则R为3NFSD学号,姓名,年龄,系号,系名,系主任,电话SC(学号,姓名,年龄,课程号,课程名,学分,成绩)3NF?问题(冗余,异常)解决(分解)S(学号,姓名

21、,年龄,系号)D(系号,系名,系主任,电话)2010年春季39硕士、工程硕士数据库设计-张祖平2NF与3NFR为3NF,则R一定为2NFR不为2NF,则R一定不为3NF证明:部分依赖包含传递依赖2010年春季40硕士、工程硕士数据库设计-张祖平BCNF与3NF关系若 ，则 ；若 ，则R未必属于BCNF3 例1 关系模式STJ(S,T,J)，S:学生，J:教室，T:老师 存在的函数依赖： 因此(S,J),(S,T)都是候选码,没有非主属性,不存在非主属性对码部分依赖和传递依赖。所以： 又因为TJ,而T非码，所以：2010年春季41硕士、工程硕士数据库设计-张祖平NF Procedure1NF消除

22、非主属性对码的部分依赖2NF消除非主属性对码的传递依赖3NF消除主属性对码的部分与传递依赖BCNF消除非平凡且非码的多值依赖4NF2010年春季42硕士、工程硕士数据库设计-张祖平Def. Armstrongs Axioms.From the following small set of basic rules of implication among FDs, we can derive all others that are true.1 Inclusion rule:if Y X, then X - Y2 Transitivity rule:if X - Y and Y - Z, the

23、n X - Z3 Augmentation rule:if X - Y, then X Z - Y Z(LEAVE UP: Note X Z for sets is the same as X UNION Z.)2010年春季43硕士、工程硕士数据库设计-张祖平Some implications of Armstrongs Axioms (1)Union Rule:If X - Y and X - Z then X - Y Z(2)Decomposition Rule:If X - Y Z then X - Y and X - Z(3)Pseudotransitivity Rule:If X

24、- Y and W Y - Z then X W - Z(4)Accumulation Rule:If X - Y Z and Z - B W then X - Y Z B2010年春季44硕士、工程硕士数据库设计-张祖平Proof of implications1 Union Rule:If X - Y and X - Z, then X - Y Z.Proof: We have (a) X - Y and (b) X - Z. By Armstrongs Augmentation rule and (a), we have (c) X X - X Y. But X X is X UNION

25、 X = X, so (c) can be rewritten (d) X - X Y. Now by (b) and augmentation, we have (e) X Y - Y Z. And by (d) and (e) and transitivity, we have X - Y Z, the desired result. 2 & 4 Proved in text.2010年春季45硕士、工程硕士数据库设计-张祖平ExampleFind a MINIMAL set of FDs(1) A - B,(2) C - B,(3) D - A B C(4) A C - D(3) D -

26、 A C Table Trow #1234ABCDa1b1c1d1a1b1c2d2a2b1c1d3a2b1c3d42010年春季46硕士、工程硕士数据库设计-张祖平Def Closure of a set of FDs.闭包Given a set F of FDs on attributes of a table T, we define the CLOSURE of F, symbolized by F+, to be the set of all FDs implied by F. Ex. 6.6.5 F = A - B, B - C, C - D, D - E, E - F, F - G

27、, G - H From F, we can add trivial dependencies A - A, B - B, etc., and by transitivity and union get A - A B, A - A B C, . . .2010年春季47硕士、工程硕士数据库设计-张祖平Def. FD Set Cover.A set F of FDs on a table T is said to COVER another set G of FDs on T if the set G can be derived by implication rules from the s

28、et F, i.e., if G F+. If F covers G and G covers F, we say the two sets of FDs are equivalent, F G.Ex. F = B - C D, A D - E, B - A and G = B - C D E, B - A B C, A D - E.F covers G? G covers F? G F?2010年春季48硕士、工程硕士数据库设计-张祖平Def. Closure of a set of attributes.Given a set X of attributes in a table T an

29、d a set F of FDs on T, we define the CLOSURE of the set X (under F), denoted by X+, as the largest set of attributes Y such that X - Y is in F+. In Example 6. A + =? D + =?2010年春季49硕士、工程硕士数据库设计-张祖平Algorithm 6.6.12. Set Closure Pg. 341-42Algorithm to determine X+, the closure of a given set of attrib

30、utes X, under a given set F of FDs.I = 0; X0 = X;REPEAT I = I + 1; XI = XI-1; FOR ALL Z - W in F IF Z XI THEN XI = XI W; END FOR UNTIL XI = XI-1; RETURN X+ = XI; In Example.4. A + =? D + =?AC + =?2010年春季50硕士、工程硕士数据库设计-张祖平Example we were given the set F of FDs:F = B - C D, A D - E, B - A B+ = ?X0=BX1

31、=BCDAX2=BCDAEB+ =ABCDEB is Key of R?How to find the all key of RG = B - C D E, B - A B C, A D - E Key?2010年春季51硕士、工程硕士数据库设计-张祖平关系数据库模式设计什么是好的数据库设计体现客观世界的信息无过度的冗余无插入异常无更新复杂无删除异常2010年春季52硕士、工程硕士数据库设计-张祖平范式优化分解A1,A2,An = B1,B2,BnC1,C2,Cn分解的要求无损连接BCB或BCC保持依赖范式要求BC2010年春季53硕士、工程硕士数据库设计-张祖平分解到高层范式（基于FD）找出

32、一个不符合范式要求的FD（XY），并使其右端的属性尽可能地多（求出X+）创建新的模式，包含上述FD的所有（左右）属性（X+的所有属性）创建另一模式，包含前述FD中的决定因素及剩余的所有属性(U-X+)X)反复13，直至符合范式要求2010年春季54硕士、工程硕士数据库设计-张祖平思考题11. 设学校环境如下: 一个系有若干个专业,每个专业一年只招一个班,每个班有若干名学生.一个系的学生住在同一个宿舍区,每个学生可以参加几个学会,一个学会有若干学生.现在要建立关于系、学生、班机、学会的数据库，关系模式为：班（班号，专业名，系名，人数，入学年份）学生（学号，姓名，出生日期，系名，班号，宿舍区）系（系号，系名，办公室，系人数）学会（学会名，成立时间，地点，会员数）学生参加各学会要注明入会年份2010年春季55硕士、工程硕士数据库设计-张祖平问题1(1) 请写出每个关系模式的函数依赖,分析是否存在部分依赖,是否存在传递依赖.(2) 找出各个关系的候选码以及外部码.2010年春季56硕士、工程硕士数据库设计-张祖平思考题22. 有教师任课关系模式TDCTDC(T#,TNAME,TITLE,ADDR,D#,DNAME,LOC,C#,CNAME,LEVEL,CREDIT);其中属性分别表示教师编号、教师姓名、职称、教师地址、系、系名