数据库原理及应用数据库设计-

1、徐州工程学 院 教案20年至 20年第学期第周星期课题名称（含教材章节）：第五章数据库设计教学目的和要求：通过本章的学习，理解数据库设计的任务、特点，把握数据库设计的基本步骤和方法，并能够进行简洁数据库应用系统的设计与开发。教学重点：数据库的需求分析、概念设计、规律设计，相关实例。教学难点： 数据库的需求分析，规律结构的优化。教学内容（要点）5.1 数据库设计概述5.2 需求分析5.3 概念结构设计5.4 规律结构设计5.5 物理结构设计5.6 数据库的实施和维护徐州工程学 院 教案课时支配：学时教学课型：理论课试验课习题课实践课其它 题目（教学章、节或主题）：第五章 数据库设计一、数据库设计

2、二、数据库设计的特点三、数据库设计方法四、数据库设计的基本步骤教学目的要求（分把握、理解、生疏、了解三个层次）：生疏数据库设计的特点生疏数据库设计方法生疏数据库设计的基本步骤数据库设计概述什么是数据库设计 ?数据库设计有两个含义：一个是指数据库系统设计，即设计一个DBMS 系统。另一个是指数据库应用系统的设计，即在现有DBMS 的基础上设计数据库及应用系统的整个过程。数据库设计的特点数据库设计是硬件、软件和干件的结合。三分技术，七分管理，十二分基础数据。技术与管理的界面称之为“干件”数据库设计应当与应用系统设计相结合：把结构设计和行为设计亲密结合。数据库设计方法一、手工试凑法设计质量与设计人员

3、的阅历和水平有直接关系。缺乏科学理论和工程方法的支持，工程的质量难以保证。数据库运行一段时间后经常又不同程度地发觉各种问题，增加了维护代价。二、规范设计法（新奥尔良New Orleans 方法）规范设计法将数据库设计分为四个阶段：需求分析(分析用户要求)概念设计(信息分析和定义)规律设计(设计实现)物理设计(物理数据库设计)。数据库设计所依据的技术和方法：基于 E-R 模型的数据库设计方法、基于3NF（第三范式）的设计方法、基于抽象语法规范的设计方法等。是在数据库设计的不同阶段上支持实现的具体技术和方法结论：规范设计法从本质看仍旧是手工设计方法，其基本思想是过程迭代和逐步求精。数据库设计的基本

4、步骤一、数据库设计的预备工作先选定参与设计的人员数据库分析设计人员的作用用户和数据库管理员程序员：在系统实施阶段参与，负责编制程序。操作员：在系统实施阶段参与，预备软硬件环境。二、数据库设计的过程(六个阶段)需求分析阶段精确了解与分析用户需求（包括数据与处理）。是整个设计过程的基础，是最困难、最耗费时间的一步。概念结构设计阶段是整个数据库设计的关键通过对用户需求进行综合、归纳与抽象，形成一个独立于具体DBMS 的概念模型。3规律结构设计阶段：将概念结构转换为某个DBMS 所支持的数据模型，并对其进行优化。4数据库物理设计阶段为规律数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构（包括存储结构和存取方法

5、）数据库实施阶段：运用 DBMS 供应的数据语言、工具及宿主语言，依据规律设计和物理设计的结果建立数据库编制与调试应用程序。组织数据入库，进行试运行数据库运行和维护阶段：在数据库系统运行过程中必需不断地对其进行评价、调整与修改。设计一个完善的数据库应用系统往往是上述六个阶段的不断反复。三、数据库设计的特点在设计过程中把数据库的设计和对数据库中数据处理的设计紧密结合起来。将这两个方面的需求分析、抽象、设计、实现在各个阶段同时进行，相互参照，相互补充，以完善 两方面的设计。设计过程各个阶段的设计描述如下图所示。四、数据库各级模式的形成过程需求分析阶段：综合各个用户的应用需求。概念设计阶段：形成独立

6、于机器特点，独立于各个DBMS 产品的概念模式(E-R 图)。规律设计阶段：首先将 E-R 图转换成具体的数据库产品支持的数据模型，如关系模型，形成数据库规律模式。再依据用户处理的要求、安全性的考虑，在基本表的基础上再建立必要的视图(View)，形成数据的外模式。物理设计阶段：依据DBMS 特点和处理的需要，进行物理存储支配，建立索引，形成数据库内模式。需 求 分 析一、需求分析的任务二、需求分析的方法 三、数据字典（*、#）教学目的要求（分把握、理解、生疏、了解三个层次）：了解需求分析的任务把握数据字典的内容教学内容（注明：* 重点# 难点？疑点）：需求分析需求分析：分析用户的要求。需求分析

7、是设计数据库的起点。需求分析的结果是否精确地反映了用户的实际要求，将直接影响到后面各个阶段的设计，并影响到设计结果是否合理和有用。需求分析的任务一、需求分析的任务二、需求分析的重点三、需求分析的难点 1、用户缺少计算机学问，开头时无法确定计算机到底能为自己做什么，不能做什么，因此无法一下子精确地表达自己的需求，他们所提出的需求往往不断地变化。需求分析的方法调查并进行初步分析，与用户达成共识，进一步分析与表达这些需求。一、调查与初步分析用户需求二、常用调查方法 1. 跟班作业：调查会：通过与用户座谈来了解业务活动状况及用户需求。座谈会上，参与者之间可以相互启发。请专人介绍。询问：对某些调查中的问

8、题，可以找专人询问。设计调查表请用户填写：假如调查表设计得合理，这种方法是很有效，也易于为用户接受。查阅记录：查阅与原系统有关的数据记录。三、进一步分析和表达用户需求分析和表达用户的需求的常用方法自顶向下的结构化分析方法（Structured Analysis，简称 SA 方法）SA 方法从最上层的系统组织机构入手，接受逐层分解的方式分析系统，并用数据流图和数据字典描述系统。SA 方法把任何一个系统都抽象为下图（也称为数据流图）的形式。分解处理功能和数据分解处理功能：分解数据：常用数据流图 DFD 有四种基本成分：数据流用箭头表示；加工或处理(process)用圆圈表示；文件或数据库用双线段表

9、示；数据流的源点或终点用方框表示。例 1：例 2：同学选课的数据流图如下：思考：画出我校同学入学管理子系统的数据流图？在 SA 方法中，表达需求分析的方法如下：处理过程：用判定表或判定树来描述。数据：用数据字典（DD）来描述。数据字典一、数据字典的用途数据字典是各类数据描述的集合数据字典是进行具体的数据收集和数据分析所获得的主要结果二、数据字典的内容数据项数据结构数据流例如：数据流名：选课申请 4数据存储例如：数据存储：上课时间信息5处理过程例如：处理过程：身份验证数据字典综合举例：同学学籍管理子系统的数据字典。数据项：以“学号”为例：数据项：学号。含义说明：唯一标识每个同学。别名：同学编号。

10、类型：符型。 长度：8取值范围：00000000 至 99999999取值含义：前两位标别该同学所在班级，后六位按挨次编号。数据结构：以“同学”为例，“同学”是该系统中的一个核心数据结构：数据结构：同学含义说明：是学籍管理子系统的主体数据结构，定义了一个同学的有关信息。组成：学号，姓名，性别，年龄，所在系，班级数据流：“体检结果”可如下描述：数据流：体检结果。说明：同学参与体格检查的最终结果。数据流来源：体检。数据流去向：存档。组成：平均流量： 高峰期流量：数据存储：“同学登记表”可如下描述：数据存储：同学登记表说明：记录同学的基本状况流入数据流：流出数据流： 组成：数据量：每年 5000 张

11、存取方式：随机存取处理过程：“安排宿舍”可如下描述： 处理过程：安排宿舍说明：为全部新生安排同学宿舍输入：同学，宿舍。输出：宿舍支配处理：在新生报到后，为全部新生安排同学宿舍。同一个同学只能支配在一个宿舍中。每个同学的居住 面积不小于 3 平方米。支配新生宿舍其处理时间应不超过15 分钟。课时支配：学时教学课型：理论课试验课习题课实践课其它 题目（教学章、节或主题）：概念结构设计一、概念结构二、概念结构设计的方法与步骤三、数据抽象与局部视图设计（*、#）教学目的要求（分把握、理解、生疏、了解三个层次）：生疏概念结构设计的方法与步骤数据抽象与局部视图设计教学内容（注明：* 重点# 难点？疑点）：

12、概念结构设计概念结构一、什么是概念结构设计二、概念结构设计的主要特点概念结构设计的方法与步骤一、设计概念结构的四类方法：自顶向下：即首先定义全局系统应用的概念结构的框架，然后逐步细化。自底向上：即首先定义各局部应用的概念结构，然后将它们集成起来，得到全局概念结构。逐步扩张：首先定义最重要的核心概念结构，然后向外扩充，以滚雪球的方式逐步生成其他概念结 构，直至总体概念结构。混合策略：即将自顶向下和自底向上相结合，用自顶向下策略设计一个全局概念结构的框架，以它 为骨架集成由自底向上策略中设计的各局部概念结构。数据抽象与局部视图设计一、数据抽象：三种常用抽象如下：分类(Classification)

13、：实质上是定义了一个实体型定义某一类概念作为现实世界中一组对象的类型。例：张英是同学中的一员，具有同学类共同的特性和行为（在某个班学习某种专业，选修某些课程）。聚集（Aggregation）：（实质上是定义实体型的属性组成）定义某一类型的组成成分。它抽象了对象内部类型和成分之间“is part of”的语义。在 E-R 模型中若干属性的聚集组成实体型，就是这种抽象。概括(Generalization)：（实质上定义一个实体型是另一个实体型的子集）定义类型之间的一种子集联系。它抽象了类型之间的“is subset of”的语义。概括有一个很重要的性质：继承性。子类继承超类上定义的全部抽象。子类也

14、可以增加自己的某些属性。例：数据抽象的用途：对需求分析阶段收集到的数据进行分类、组织（聚集），形成实体、实体的属性、标识实体的码。确定实体之间的联系类型(1:1，1:n，m:n)。二、局部视图设计设计分 E-R 图的步骤: 1选择局部应用例：学籍管理、课程管理等都是同学管理系统的子系统，不太简单，因此可以它们入手设计同学管理系 统的分 E-R 图。假如局部应用比较简单，则可以从更下层的数据流图入手。例如：下图所示。2逐一设计分E-R 图选择好局部应用之后，就要对每个局部应用逐一设计分E-R 图，亦称局部E-R 图。例 1： “同学”由学号、姓名等属性进一步描述，依据准则，“同学”只能作为实体，

15、不能作为属性。例 2：职称通常作为老师实体的属性，但在涉及住房安排时，由于分房与职称有关，也就是说职称与住房实体之间有联系，依据准则，这时把职称作为实体来处理睬更合适些。例 3：病房号可以作为病人实体的一个属性，但假如病房还要与医生实体发生联系，即一个医生负责几个病房的病人医疗工作，则依据规章（2），病房应作为一个实体。小结：设计分E-R 图的步骤以数据字典为动身点定义E-R 图。数据字典中的“数据结构”、“数据流”和“数据存储”等已是若干属性的有意义的聚合。按下属准则进行必要的调整：属性不能再具有需要描述的性质。即属性必需是不行分的数据项，不能再由另一些属性组成。属性不能与其他实体具有联系。

16、联系只发生在实体之间。规律结构设计概念结构设计的结果是得到一个与 DBMS 无关的概念模式，有了概念模型就可进行数据库的规律设计，又被称为实现设计，即数据库的规律实现。规律结构设计的任务和步骤规律设计的目的是从概念结构导出能被DBMS 处理的数据库的规律结构（包括数据库模式和外模式），如下图所示。这些模式在功能、性能、完整性和全都性约束以及数据库扩充性等方面均应满足用户的各种要求。概念模型一般数据模型基本E-R 图关系、网状、层次特定DBMS的数据模型优化的数据模型转换规章DBMS 的特点和限制优化方法规律结构设计的任务示意图数据库的规律结构设计就是把基本E-R 图转换为符合DBMS 产品所支

17、持的数据模型的逻辑结构，一般分 3 步进行：（1）E-R 图向关系模型的转换。规律结构的优化。设计用户子模式。关系数据库的规律设计的结果是一组关系模式的定义。在概念设计阶段已经把关系规范化理论的某些思想用作构造实体类型和联系类型的标准，在规律设计阶段，仍旧要使用关系规范化理论来设计和评价模式。E-R 图向关系模型的转换关系模型的规律结构是一组关系模式的集合，而 E-R 图则是由实体、实体的属性和实体之间的联系 3 个要素组成的。所以将E-R 图转换为关系模型，实际上就是要将实体、实体的属性和实体之间的联系转化为关系模式，这种转换一般遵循如下原则：一个实体转换为一个关系模式。实体的属性就是关系的

18、属性，实体码就是关系的键。一个 m:n 联系转换为一个关系模式。与该联系相连的各实体码以及联系本身的属性均转换为关系的属性，而关系码为各实体码的组合。一个1:n 联系可以转换为一个独立的关系模式，也可以与 n 端对应的关系模式合并。假如转换为一个独立的关系模式，则与该联系相连的各实体码以及联系本身的属性均转换为关系的属性，而关系码为 n 端实体码。一个 1:1 联系可以转换为一个独立的关系模式，也可以与任意一端对应的关系模式合并。假如转换为一个独立的关系模式，则与该联系相连的各实体码以及联系本身的属性 均转换为关系的属性，每个实体码均是该关系的候选码；假如与某一端对应的关系模式合并， 则需要在

19、该关系模式的属性中加入另一个关系模式的码和联系本身的属性。（5）3 个或 3 个以上实体间的一个多元联系转换为一个关系模式。与该多元联系相连的各实体码以及联系本身的属性均转换为关系的属性，而关系的码为各实体码的组合。同一实体集的实体间的联系（即自联系），也可按上述1:1、1:n 和 m:n 3 种状况分别处理。具有相同码的关系模式可合并。为了削减系统中的关系个数，假如两个关系模式具有相同的主码，可以考虑将它们合并为一个关系模式。合并方法是将其中一个关系模式的全部属性加入到另一个关系模式中，然后去掉其中的同义属性（可能同名也可能不同名），并适当调整属性的次序。规律结构的优化由 E-R 模型转换成的关系模式还只是一个初步的关系数据库模式，要成为最终在DBMS 中实施的模式，还需要进行规范化处理和适当的优化处理。规律结构的优化主要包括规范化处理和模式的评价与修正。设计用户子模式在将概念模型转换为规律模型后，即生成了整个应用系统的模式后，还应当依据局部应用需求，结合具体 DBMS 的特点，设计用户的外模式。目前，关系数据库管理系统一般都供应了视图概念，支持用户的虚拟视图。我们可以利用这一功能设计更符合局部用户需要的用户外模式。定义数据库模式主要是从系统的时间效率、空间效