数据库技术及应用课件：数据库设计（概念设计）

1、数据库设计概念结构设计1概念结构设计概述什么是概念结构设计概念结构设计的必要性概念结构设计方法数据抽象ER图3概念结构设计什么是概念结构设计概念设计就是将需求分析得到的用户需求抽象为信息结构，即概念模型。概念结构设计概念结构设计的演变最初：在需求分析之后，接着就进行逻辑设计；设计人员在进行逻辑设计时，考虑的因素太多(用户信息，具体DBMS的限制)；设计过程复杂，难以控制。4概念结构设计PETER PIN-SHAN CHEN提出基于E-R模型的数据库设计方法，在需求分析和逻辑设计之间增加概念设计阶段。PETER PIN-SHAN CHEN . The Entity-Relationship mo

2、delToward a unified view of data. ACM Transactions on Database Systems, Vol. 1, No. 1, March 1976 , Pages 9-36.5概念结构设计概念设计阶段，设计人员仅从用户角度看待数据及处理要求和约束；建立一个反映用户观点的概念模型；后续逻辑设计阶段再把概念模型转换成逻辑模型。概念结构设计概念结构设计的必要性在需求分析阶段，设计人员充分调查并描述了用户的需求，但这些需求只是现实世界的具体要求，应把这些需求抽象为信息世界的结构，才能更好地实现用户的需求。概念结构设计增加概念设计阶段的好处(1) 从逻辑设

3、计中分离出概念设计以后，各阶段的任务相对单一化，设计复杂程度大大降低，便于组织管理。8概念结构设计(2) 概念模型不受特定的DBMS的限制，也独立于存储安排和效率方面的考虑，因而比逻辑模型更为稳定。(3) 概念模型不含具体的DBMS所附加的技术细节，更容易被用户理解，因而更能准确反映用户的信息需求。概念结构设计设计概念模型的过程称为概念结构设计。概念模型在数据库的各级模型中的地位如图1所示。图1 数据库各级模式的形成11应用1应用要求应用2应用要求应用3应用要求概念模式综合应用1外模式1应用2外模式2应用3外模式3逻辑模式映像内模式映像转换概念模型的特点概念结构模型作为逻辑模型的基础具备以下特

4、点：(1) 语义表达能力强：概念模型能表达用户的各种需求，包括事物和事物之间的联系、用户对数据的处理要求，是现实世界的一个真实模型。12概念模型的特点（续）(2) 易于交流和理解。概念模型是DBA、应用开发人员和用户之间的主要界面，因此，概念模型要表达自然、直观和容易理解，以便和不熟悉计算机的用户交换意见；用户的积极参与是保证数据库设计和成功的关键。概念模型的特点（续）(3) 易于修改和扩充。概念模型要能灵活地加以改变，以反映用户需求和现实环境的变化。(4) 易于向各种数据模型转换。概念模型独立于特定的DBMS，因而更加稳定，能方便地向关系模型、网状模型或层次模型等各种数据模型转换。典型概念模

5、型E-R模型最著名、最实用的一种概念模型是E-R模型，它将现实世界的信息结构统一用属性、实体以及它们之间的联系来描述。 概念结构设计方法自顶向下先定义全局概念结构E-R模型的框架，再逐步细化16图2（a）自顶向下的设计方法概念结构设计方法自底向上先定义各局部应用的概念结构E-R模型，然后将它们集成，得到全局概念结构E-R模型。17图2（b)自底向上的设计方法概念结构设计方法逐步扩张先定义最重要的核心概念E-R模型，然后向外扩充，以滚雪球的方式逐步生成其他概念结构E-R模型。如图所示。18图2(c)逐步扩张的设计方法核心需求需求核心概念结构其他概念结构全局概念结构概念结构设计方法混合策略采用自顶

6、向下和自底向上相结合的方法，先自顶向下定义全局框架，再以它为骨架集成自底向上方法中设计的各个局部概念结构。19概念结构设计方法最常用的方法是自底向上自顶向下进行需求分析；自底向上设计概念结构。概念结构设计步骤(1) 进行数据抽象，设计局部E-R模型，即设计用户视图。(2) 集成各局部E-R模型，形成全局E-R模型，即集成视图。21概念结构设计步骤图3 自底向上方法的设计步骤需求分析数据抽象、局部视图设计视图集成征求用户意见DFD、DD局部ER图全局ER图逻辑结构设计数据抽象与局部E-R模型设计概念结构是对现实世界的一种抽象。所谓抽象是对实际的人、物、事和概念进行人为处理，它抽取人们关心的共同特

7、性，忽略非本质的细节，并把这些特性用各种概念精确地加以描述，这些概念的集合组成了某种模型。23E-R方法E-R方法是“实体-联系方法”（Entity-Relationship Approach）的简称；描述现实世界概念结构模型的有效方法；用E-R方法建立的概念结构模型称为E-R模型，或称为E-R图。24E-R方法回顾E-R图基本成分包含实体型、属性和联系。实体型：用矩形框表示，框内标注实体名称。如图4（a）所示。属性：用椭圆形框表示，框内标注属性名称。如图4（b）所示。E-R方法回顾联系：指实体之间的联系，有一对一（1：1），一对多（1：n）或多对多（m ：n）三种联系类型。例如系主任领导系，

8、学生属于某一系，学生选修课程，工人生产产品，这里“领导”、“属于”、“选修”、“生产”表示实体间的联系，可以作为联系名称。联系用菱形框表示，框内标注联系名称。如图4（c）所示。E-R方法回顾图4 E-R图的三种基本成份及其图形表示方法27学生选修学号(a)实体(b)属性(c)联系E-R方法回顾现实世界的复杂性导致实体联系的复杂性。表现在E-R图上可以归结为图5所示的几种基本形式：两个实体之间，如图5（a）所示。28图5 实体及其联系图图5(a) 两个实体之间的联系学生选修成绩课程系主任领导系学生属于系11n1mn图5 实体及其联系图供应商供应数量零件项目mnn图5(b)多个实体之间的联系图5

9、实体及其联系图同一实体集内部各实体之间，构成了实体内部一对多的联系。例如一个部门内的职工有领导与被领导的联系，即某一职工（干部）领导若干名职工，而一个职工（普通员工）仅被另外一个职工直接领导.如图5（c）所示。图5(c)实体集内部的联系职工领导1nE-R方法回顾注意，联系本身也是一种实体型，也可有属性。属性要用无向边与该联系连接起来。例如，学生选修课程有相应成绩。“成绩”既不是学生的属性，也不是课程的属性，是“选修”联系的属性。图5（b）中“供应数量”是“供应”联系的属性。 E-R方法回顾E-R图的基本思想分别用矩形框、椭圆形框和菱形框表示实体、属性和联系；使用无向线段将属性与其相应的实体连接

10、起来，并将联系分别和有关实体相连接，注明联系类型。33图6 学生与课程联系的完整ER图34课程名学生学号姓名性别年龄系别课程课程号学分n选修成绩m数据抽象系统需求分析阶段得到多层数据流图、数据字典和系统分析报告。建立局部E-R模型，就是根据系统的具体情况，在多层的数据流图中选择一个适当层次的数据流图，设计分E-R图，对应一个局部应用。35数据抽象在选好的某一层次数据流图中，每个局部应用都对应一组数据流图，局部应用所涉及的数据存储在数据字典中。将这些数据从数据字典中抽取出来，参照数据流图，确定每个局部应用包含哪些实体，这些实体又包含哪些属性，以及实体之间的联系及其类型。数据抽象设计局部E-R模型

11、的关键就是正确划分实体和属性。实体和属性之间在形式上并无可以明显区分的界限；按照现实世界中事物的自然划分来定义实体和属性，将现实世界中的事物进行数据抽象，得到实体和属性。两种数据抽象方式：分类和聚集。数据抽象分类（Classification）分类定义某一类概念作为现实世界中一组对象的类型，将一组具有某些共同特性和行为的对象抽象为一个实体。对象和实体之间是“is member of”的关系。例如，在教学管理中，“赵亦”是一名学生，表示“赵亦”是学生中的一员，具有学生共同的特性和行为。38数据抽象聚集（Aggregation）聚集定义某一类型的组成成份，将对象类型的组成成份抽象为实体的属性。组成

12、成份与对象类型之间是“is part of”的关系。例如，学号、姓名、性别、年龄、系别等可以抽象为学生实体的属性，其中学号是标识学生实体的主键。数据抽象数据抽象后得到了实体和属性，实体和属性是相对而言的，要根据实际情况进行必要调整。遵循两条原则：实体具有描述信息，而属性没有。即属性必须是不可分的数据项，不能再由另一些属性组成。40数据抽象属性不能与其他实体具有联系，联系只能发生在实体之间。例如：学生是一个实体，学号、姓名、性别、年龄、系别等是学生实体的属性，系别只表示学生属于哪个系，不涉及系的具体情况，换句话说，没有需要进一步描述的特性，即是不可分的数据项，则根据原则可以作为学生实体的属性。但

13、如果考虑一个系的系主任、学生人数、教师人数、办公地点等，则系别应看作一个实体。如图7所示。图7系别作为一个属性或实体42学生学生系别属于n1学号姓名性别年龄系别学号姓名性别年龄系主任学生人数教师人数办公地点数据抽象注意：同一数据项由于环境和要求的不同，有时作为属性，有时则作为实体，必须根据实际情况而定。一般情况下，凡能作为属性对待的，应尽量作为属性，以简化E-R图的处理。43局部E-R模型设计举例某教务管理系统，语义约束如下：一个学生可选修多门课程，一门课程可为多个学生选修，学生和课程是多对多联系；一个教师可讲授多门课程，一门课程可为多个教师讲授，教师和课程多对多联系；一个系可有多个教师/学生

14、，一个教师/学生只能属于一个系，系和教师/学生是一对多的联系。44局部E-R模型设计举例根据上述约定，得到如图8学生选课局部图和如图9教师任课局部图。形成局部E-R模型后，应该返回去征求用户意见，以求改进和完善，使之如实地反映现实世界。(E-R图的优点就是易于被用户理解，便于交流。)图8学生选课局部图46mmnm名称院系拥有学生学号姓名性别年龄开课课程教师号课程号课程名选修成绩平均成绩图9 教师任课局部图471m教师号姓名性别职称课程号教师讲授课程n属于单位单位名电话m全局E-R模型设计局部E-R模型设计完成之后，下一步就是集成各局部E-R模型，形成全局E-R模型，即视图的集成。视图集成的方法

15、有两种：多元集成法，一次性将多个局部E-R图合并为一个全局E-R图，如图10（a）所示。48图11 局部视图合并成全局视图(a)多元集成法局部ER图1局部ER图2局部ER图n初步ER图基本ER图全局E-R模型设计二元集成法，首先集成两个重要的局部视图，以后用累加的方法逐步将一个新的视图集成进来，如图10（b）所示。图10 局部视图合并成全局视图局部ER图1局部ER图2合并ER图12局部ER图3初步ER图基本ER图(b)二元集成法全局E-R模型设计在实际应用中，如果局部视图比较简单，可以采用多元集成法。一般情况下，采用二元集成法,降低难度。无论使用哪一种方法，视图集成均分成两个步骤，如图11所示

16、。合并，消除各局部E-R图之间的冲突，生成初步E-R图。优化，消除不必要的冗余，生成基本E-R图。图11 视图集成53局部图合并（消除冲突）修改与重构（消除不必要的冗余）集成视图基本图初步图分析规范化理论全局E-R模型设计(1) 合并局部E-R图，生成初步E-R图这个步骤将所有的局部E-R图综合成全局概念结构。全局概念结构它不仅要支持所有的局部E-R模型，而且必须合理地表示一个完整、一致的数据库概念结构。54全局E-R模型设计合并局部E-R图时并不能简单地将各个E-R图画到一起，而必须消除各个局部E-R图中的不一致，使合并后的全局概念结构不仅支持所有的局部E-R模型，而且必须是一个能为全系统中

17、所有用户共同理解和接受的完整的概念模型。由于各个局部应用不同，通常由不同的设计人员进行局部E-R图设计，因此，各局部E-R图不可避免地会有许多不一致的的地方，我们称之为冲突。合并局部E-R图的关键就是合理消除各局部E-R图中的冲突。全局E-R模型设计E-R图中的冲突有三种属性冲突命名冲突结构冲突56全局E-R模型设计属性冲突属性冲突又分为属性值域冲突和属性的取值单位冲突。a.属性值域冲突，即属性值的类型、取值范围或取值集合不同。比如学号，有些部门将其定义为数值型，而有些部门将其定义为字符型。又如年龄，有的可能用出生年月表示，有的则用整数表示。b.属性的取值单位冲突。比如零件的重量，有的以公斤为

18、单位，有的以斤为单位，有的则以克为单位。属性冲突属于用户业务上的约定，必须与用户协商后解决。全局E-R模型设计命名冲突命名不一致可能发生在实体名、属性名或联系名之间，其中属性的命名冲突更为常见。表现为同名异义或异名同义（实体、属性、联系名）。a.同名异义，即同一名字的对象在不同的部门中具有不同的意义。 比如，“单位”在某些部门表示为人员所在的部门，而在某些部门可能表示物品的重量、长度等属性。58全局E-R模型设计b.异名同义，即同一意义的对象在不同的部门中具有不同的名称。 比如，对于“房间”这个名称，在教务管理部门中对应着为教室，而在后勤管理部门对应为学生宿舍。命名冲突的解决方法同属性冲突，需

19、要与各部门协商、讨论后加以解决。全局E-R模型设计结构冲突a.同一对象在不同应用中有不同的抽象，可能为实体，也可能为属性。例如，教师的职称在某一局部应用中被当作实体，而在另一局部应用中被当作属性。这类冲突在解决时，就是使同一对象在不同应用中具有相同的抽象，或把实体转换为属性，或把属性转换为实体。但都要符合前面所介绍的准则。（两条原则）60全局E-R模型设计b.同一实体在不同应用中属性组成不同，可能是属性个数或属性次序不同。解决办法是，合并后实体的属性组成为各局部E-R图中的同名实体属性的并集，然后再适当调整属性的次序。c.同一联系在不同应用中呈现不同的类型。比如E1与E2在某一应用中可能是一对

20、一联系，而在另一应用中可能是一对多或多对多联系，也可能是在E1、E2、E3三者之间有联系。根据应用的语义对实体联系的类型进行综合或调整。 全局E-R模型设计举例：教务管理系统两个局部E-R图，消除各局部E-R图之间的冲突，进行局部E-R模型的合并，从而生成初步E-R图。首先，这两个局部E-R图中存在着命名冲突，学生选课局部图中的实体“院系”与教师任课局部图中的实体“单位”，都是指“院系”，即所谓的异名同义，合并后统一改为“院系”，这样属性“名称”和“单位”即可统一为“院系名”。62全局E-R模型设计其次，还存在着结构冲突，实体“院系”和实体“课程” 在两个不同应用中的属性组成不同，合并后这两个实体的属性组成为原来局部E-R图中的同名实体属性的并集。解决上述冲突后，合并两个局部E-R图，生成如图