系统分析与设计第4章

4数据建模

本章针对系统中的数据建模进行专门分析。主要介绍数据模型的概念、E-R图的用法及UML用于数据建模阶段的规范。4.1数据模型

4.2实体关系（E-R）模型

4.3UML用于数据建模阶段的规范

4.4教务管理系统分析示例

4.5实体关系图的验证

本章导读本章目录4.1数据模型 4.1.1基于记录的逻辑模型 4.1.2基于对象的逻辑模型 4.2实体关系（E-R）模型 4.2.1实体之间的基本关系 4.2.2实体关系图 4.3UML用于数据建模阶段的规范 4.3.1实体的表示（类的表示）4.3.2联系的表示 4.3.3数据字典和元数据的表示 4.4教务管理系统分析示例4.4.1示例分析 4.4.2示例的物理模型 4.5实体关系图的验证本章小结习题 §4.1数据模型数据模型（DataModel）是对现实世界数据特征的抽象，是用来描述数据的一组概念和定义，是建立数据库的基础。通常需要描述数据的组织结构、对数据的操作和数据的完整性约束。数据模型大体上可以分为两大类：（1）基于记录的逻辑模型常见的有:层次模型、网状模型和关系模型。它们都是以数据记录和数据项作为基本数据结构的。（2）基于对象的逻辑模型常见的有:实体联系模型（E-R模型）和面向对象数据模型等。

§4.1数据模型4.1.1基于纪录的逻辑模型1层次数据模型2网状数据模型3关系数据模型4.1.2基于对象的逻辑模型1对象和对象标识符2属性和方法3封装和消息传递4类和实例5类层次结构和继承6持久性和版本7多态、重载、重定义与动态联编8与关系数据模型的比较§4.1.1基于纪录的逻辑模型一、层次数据模型

1．基本概念和结构

层次模型是按照层次结构的形式组织数据库中数据的数据模型，即用树型结构表示实体集与实体集之间的联系。其中用结点表示实体集，结点之间联系的基本方式是1:n。

层次数据模型是一棵树，其数据结构的特点为：①在每棵树中仅有根结点无双亲。②除根结点外的任何结点有且仅有一个双亲结点，但可以有任意个子女结点。③树中无子女的结点称为叶结点。§4.1.1基于纪录的逻辑模型一、层次数据模型

2．数据操作1）查询操作在层次数据模型中，若要查找一个记录，须从根结点开始，按给定条件沿一个层次路径查找所需要的记录。2）更新操作层次数据模型的更新操作包括数据插入、数据删除和数据修改。§4.1.1基于纪录的逻辑模型一、层次数据模型3．数据约束（1）除了根结点外，任何其他结点不能离开其双亲结点而孤立存在。这条约束表明了在插入一个子女记录时，必须与一个约束双亲记录相联系，否则不能插入；在删除一个记录时，其子女记录也将自动被删除。这一约束为数据操作造成了不便。（2）层次数据模型所体现的记录之间的联系只限于二元1:n或1:1的联系，这约束了用层次模型描述现实世界的能力。对于现实世界中存在的二元m:n联系和多元m:n:p等复杂联系，就不能用层次模型直接进行表达了。例如，学生记录型和课程记录型是一个m:n联系，将无法用层次模型直接表达学生与课程之间的多对多联系。如图所示。§4.1.1基于纪录的逻辑模型一、层次数据模型

4．层次数据模型的优缺点层次数据模型的优点主要有：（1）层次模型结构简单、层次分明，便于在计算机内实现。（2）在层次结构中，从根结点到树中任一结点均存在一条唯一的层次路径，这为有效地进行数据操纵提供了条件。（3）在层次结构中除根结点外所有结点有且只有一个双亲结点，故实体集之间的联系可用双亲结点唯一地表示，因此层次模型DBMS对层次结构的数据有较高的处理效率。（4）层次数据模型提供了良好的完整性支持。

层次数据模型的缺点主要有：（1）层次数据模型缺乏直接表达现实世界中非层次型结构的复杂联系，如多对多联系。（2）对插入或删除操作有较多的限制。（3）查询子女结点必须通过双亲结点。§4.1.1基于纪录的逻辑模型二、网状数据模型

1．基本概念和结构

1）记录与数据项（DataItems）

与层次数据模型类似，在网状数据模型中，也是以记录为数据的存储单位。记录包含若干数据项，数据项相当于字段，但与层次数据模型中的字段不同，网状数据模型中的数据项不一定是简单的数据类型，也可以是多值的和复合的数据。2）系（Set）在网状数据模型中，数据间的联系用系表示。系代表了两记录之间的1:n联系，系用一条弧表示，箭头指向“n”方。“1”方的记录称首记录，“n”方的记录称属记录。如图所示是简单的网状结构的例子。§4.1.1基于纪录的逻辑模型二、网状数据模型

1．基本概念和结构

3）系型（1）单属系型单属系型由主记录型和单一的属记录型组成。例如，班级记录型和学生记录型组成的班级－学生系是单属系型。如图所示。（2）多属系型多属系型中包含三个以上记录型，其中一个为首记录型，其余为属记录型。例如，在学校中有教师和职工，他们有不同的记录结构，可形成两个记录类型。当建立一个学校――教职工系型时，可将教师记录型和职工记录型作为学校的两个属记录型。如图4.8所示。（3）奇异系型奇异系型是一种只有属记录型而无首记录型的一种特殊系型。例如，一个单位的所有部门可以组成一个无首记录型的奇异系型。如图所示。§4.1.1基于纪录的逻辑模型二、网状数据模型

1．基本概念和结构

4）联系记录对于二元m:n联系和多元m:n:p联系也不能直接用系来表示，而是采用联系记录这个辅助数据结构来将实体集间的m:n联系转换成两个1:n联系。§4.1.1基于纪录的逻辑模型二、网状数据模型

1．基本概念和结构2．数据操作1）查询操作查询操作主要是通过查找语句FIND和取数语句GET配合使用实现的。FIND语句主要是查找定位数据库中满足条件的记录为当前记录。GET语句主要是将当前记录取出来供应用程序使用。2）更新操作网状数据模型的更新操作分为对记录的更新和对系的更新两类。§4.1.1基于纪录的逻辑模型二、网状数据模型

1．基本概念和结构2．数据操作3．数据约束（1）一个记录值不能出现在同一个系型的多个系值中。（2）一个记录型不能同时为同一个系的首记录和属记录。（3）任一个系值有且仅有一个首记录值，但可以有任意个属记录值。（4）每个系型有且仅有一个首记录型，但可以有多个属记录型，且属记录型必须至少有一个。§4.1.1基于纪录的逻辑模型二、网状数据模型

1．基本概念和结构2．数据操作3．数据约束4．网状数据模型的优缺点网状数据模型的优点主要有：（1）能够更为直接地描述现实世界。（2）具有存取效率高等良好性能。

网状数据模型的缺点主要有：（1）数据结构比较复杂，不便于终端用户掌握。（2）其数据定义语言（DDL）、数据操作语言（DML）较为复杂，用户掌握使用较为困难。（3）数据独立性较差。§4.1.1基于纪录的逻辑模型三、关系数据模型

1．基本概念1）属性和域在现实世界中，要描述一个事物，常常取其若干特征来表示，这些特征称为属性。例如，大学生可用姓名、学号、性别、系别等属性来描述。每个属性对应一个值的集合，作为其可以取值的范围，称为属性的域。例如姓名的域是所有合法姓名的集合；性别的域是｛男，女｝等。2）关系和元组一个对象可以用一个或多个关系来表示。关系就是定义在它的所有属性域上的多元关系。设有关系R，它有属性A1、A2、…、An，其对应的域分别为D1、D2、…、Dn，则关系R可表示为：

R＝(A1/D1,A2/D2,…,An/Dn)或R＝(A1,A2,…,An)

元组是关系中各个属性的一个取值的集合。3）键关系中的某一属性或属性组的值唯一地决定其他所有属性的值，也就是唯一决定一个元组，而其任何真子集无此性质，则称这个属性或属性组为该关系的候选键，简称键。§4.1.1基于纪录的逻辑模型三、关系数据模型

1．基本概念2．关系数据模型的数据结构1）关系数据模型的描述功能（1）用二维表格表示实体集及其属性（2）用二维表描述实体集间的联系§4.1.1基于纪录的逻辑模型三、关系数据模型

1．基本概念2．关系数据模型的数据结构1）关系数据模型的描述功能

2）关系的性质关系是一个简单的二维表，其主要性质为：(1)关系是一个二维表，表中的每一行对应一个元组，表中的每一列有一个属性名且对应一个域。(2)列是同质的，即每一列的值来自同一域。(3)关系中的每一个属性是不可再分解的，即所有域都应是原子数据的集合。(4)关系中任意两个元组不能完全相同。(5)关系中行的排列顺序、列的排列顺序是无关紧要的。(6)每个关系都由关键字的属性集唯一标识各个元组。§4.1.1基于纪录的逻辑模型三、关系数据模型

1．基本概念2．关系数据模型的数据结构1）关系数据模型的描述功能

2）关系的性质3）关系模式关系模式是关系中信息内容结构的描述。它包括关系名、属性名、每个属性列的取值集合、数据完整性约束条件以及各属性间固有的数据依赖关系等。可以表示为：R(U,D,DOM,I,∑)其中：R为关系名；U为组成关系的全部属性的集合；D是U中属性取值的值域；DOM是属性列到域的映射，即DOM:U→D；I是一组完整性约束条件；∑是属性集间的一组数据依赖。通常，可用R(U)来简化地表示关系模式。例如，描述大学生的关系模式表示为：STUDENT（学号，姓名，性别，年龄，所在系，籍贯，入学年份）§4.1.1基于纪录的逻辑模型三、关系数据模型

1．基本概念2．关系数据模型的数据结构3．数据操作1）关系代数关系代数由一组以关系作为运算对象的特定的关系运算所组成，用户通过这组运算对一个或多个关系进行“组合”与“分割”，从而得到所需要的新关系。关系代数又分为传统的集合运算和专门的关系运算。（1）传统的集合运算主要包括并运算、差运算、交运算和笛卡儿乘积运算等。（2）专门的关系运算包括选择运算、投影运算、连接运算、自然连接运算、半连接运算、自然半连接运算和除运算等。其中：｛σ,Π,∪,－,×｝五种运算为关系代数的基本运算,组成了一个完备的操作集，任何其他关系代数操作都可以用这五种操作来表示。2）关系演算除了用关系代数表示关系操作外，还可以用谓词演算来表达关系的操作，称为关系演算。关系演算又可分为元组关系演算和域关系演算。§4.1.1基于纪录的逻辑模型三、关系数据模型

1．基本概念2．关系数据模型的数据结构3．数据操作4．数据约束1）域完整性约束域完整性约束限定了属性值的取值范围，并由语义决定一个属性值是否允许为空值NULL。2）实体完整性约束每个关系应有一个主键，每个元组的主键的值应是唯一的。主键的值不能为NULL，否则无法区分和识别元组。3）参照完整性约束参照完整性约束是不同关系间的约束，当存在关系间的引用时，要求不能引用不存在的元组。§4.1.1基于纪录的逻辑模型三、关系数据模型

1．基本概念2．关系数据模型的数据结构3．数据操作4．数据约束5．关系数据模型的优缺点关系数据模型的优点主要有：(1)关系数据模型有坚实的理论基础。(2)在关系数据模型中，二维表不仅能表示实体集，而且能方便地表示实体集间的联系。(3)关系数据模型中数据的表示方法统一、简单，便于计算机实现，便于用户使用。(4)数据独立性高。关系数据模型的缺点主要有：(1)关系数据模型的查询效率常常不如非关系数据模型。(2)关系数据模型等传统数据模型还存在不能以自然的方式表示实体集间的联系、语义信息不足、数据类型过少等弱点。§4.1.2基于对象的逻辑模型一、对象和对象标识符1．对象在面向对象数据模型中，所有现实世界中的实体都模拟为对象，小至一个整数、字符串，大至一个公司、一部电影，都可以看成对象。

2．对象标识符在OO数据模型中，每个对象都有一个系统内唯一不变的标识符，称为对象标识符（OID）。OID一般是由系统产生，用户不得修改。OID是区别对象的唯一标志，与对象的属性值无关。(1)如果两对象的属性值和方法一样，但OID不同，则仍认为是两个“相等”而不同的对象。(2)如果一个对象的属性值修改了，只要其标识符不变，则仍认为是同一对象。因此，OID可看成是对象的替身，以构造更复杂的对象。§4.1.2基于对象的逻辑模型二、属性和方法1．属性每个对象包含若干属性，用以描述对象的状态、组成和特性。属性也是对象，它又可能包含其他对象作为其属性。这种递归引用对象的过程可以继续下去，从而组成各种复杂的对象。2．方法

除了属性外，对象还包含若干方法，用以描述对象的行为特性。方法又称为操作，它可以改变对象的状态，对对象进行各种数据库操作。方法的定义与表示包含两个部分：一是方法的接口，说明方法的名称、参数和结果的类型；二是方法的实现部分，是用程序编写的一个过程，以实现方法的功能。

一个对象一般是由一组属性、一组方法，再冠以一个OID组成。§4.1.2基于对象的逻辑模型三、封装和消息传递

1．封装在OO数据模型中，系统把一个对象的属性和方法封装成一个整体，如图所示。对象的封装性体现在以下几个方面：(1)对象具有清晰的边界；(2)对象具有统一的外部接口；(3)对象的内部实现是不公开的。对象标示符属性1…属性n方法1…方法m2．消息传递

对象是封装的，对象与外界、对象与对象之间的通信一般只能借助于消息。通过把消息传送给对象，调用对象的相应方法，以进行相应的操作，再以消息形式返回操作的结果。这种通信机制称为消息传递。消息一般由操作者、接收者、操作参数三个部分组成。对象、消息之间的关系如图所示。§4.1.2基于对象的逻辑模型四、类和实例1.类类是具有共同属性和方法的对象的集合，这些属性和方法可以在类中统一说明。同类对象在数据结构和操作性质方面具有共性。例如，大学生、研究生是一些有共同性质有对象，可能抽象为一个学生类。如图所示。2．实例类中每个对象称为该类的一个实例。同一个类中对象的属性名虽然是相同的，但这些属性的取值会因各个实例而异。如图所示。研究生

学生

本科生

S1程宏19计算机系类类的实例§4.1.2基于对象的逻辑模型五、类层次结构和继承

1．类层次结构

在类层次结构中，一个类的下层可以是多个子类；一个类的上层也可以有多个超类。如图所示是一个学校类层次结构的例子。

2．继承

在类继承时，可能发生属性名和方法名的同名冲突，包括各超类之间的冲突和子类与超类之间的冲突。如图所示。

§4.1.2基于对象的逻辑模型六、持久性和版本

1．持久性持久性是指对象的生存期超过所属程序的执行期。即当一个程序在执行过程中产生了一个持久性的对象，则在程序执行结束后，此对象依然存在。持久性程序设计为面向对象数据库、计算机辅助软件工程（CASE）等提供了支持。2．版本由于每个对象都包含一组属性并具有相应的属性值，当为属性指定一组新值时，就建立了一个新的版本。因此，同一对象可产生多个不同的版本。对象的版本概念为CAD/CAM、工程数据库、OODB、多媒体数据库、CASE技术提供了重要支持。§4.1.2基于对象的逻辑模型七、多态、重载、重定义与动态联编

1．多态（一名多义）类的方法有相同的接口表示，但允许有不同的多种内部实现，这种情况称为方法的多态。2．重载（一名多用）在类继承结构中子类继承超类的方法，这种继承往往有多态性，即子类仅继承超类的接口表示，但它用自己的实现手段，这种情况称为方法重载。3．重定义子类属性、方法可以替换成与超类不一致的能力称为重定义功能。便于提高属性、方法的灵活性。4．动态联编方法的多态性和方法重载在计算机中采用动态联编的方法来实现，即在应用程序执行到一定阶段后才与方法联编。§4.1.2基于对象的逻辑模型八、与关系数据模型的比较

(1)在关系数据模型中的基本数据结构是表，这相当于OO数据模型中的类；而关系中的数据元组相当于OO数据模型中的实例。(2)在关系数据模型中，对数据库的操作都归结为对关系的运算，而在OO数据模型中，对类层次结构的操作分为两部分：一是封装在类内的操作即方法；二是类间相互沟通的操作即消息。(3)在关系数据模型中有域、实体和参照完整性约束，完整性约束条件可以用逻辑公式表示，称为完整性约束方法。在OO数据模型中这些用于约束的公式可以用方法或消息表示，称为完整性约束消息。

§4.2实体关系（E-R）模型

4.2.1实体之间的基本关系

1一对一的关系(简记为1:1)

2一对多的关系(简记为1:n)

3多对多的关系(简记为m:n)

4.2.2实体关系图

1E-R图中的基本元素及其符号表示

2E-R图的绘制方法§4.2.1实体之间的基本关系一、一对一的关系(简记为1:1)

定义：假设有实体E1和实体E2，从实体E1中任取一个元素，一定能在实体E2中找到一个元素与之对应；反之，从实体E2中任取一个元素，也一定能在实体E1中找到一个元素对应，则称实体E1与实体E2存在一对一的关系。例如，对于某一次乘车来说，“乘客”实体与“座位”实体之间就存在一对一的联系。如图所示。§4.2.1实体之间的基本关系二、一对多的关系(简记为1:n)

定义：假设有实体E1和实体E2，从实体E1中任取一个元素，可在实体E2中找到多个元素与之对应；反之，从实体E2中任取一个元素，只能在实体E1中找到一个元素与之对应，则称实体E1与实体E2存在一对多的关系。例如，“车间”实体与“工人”实体之间就是一对多的关系。如图所示。§4.2.1实体之间的基本关系三、多对多的关系(简记为m:n)

定义：假设有实体E1和实体E2，从实体E1中任取一个元素，可在实体E2中找到多个元素与之对应；反之，从实体E2中任取一个元素，在实体E1中也可找到多个元素与之对应，则称实体E1与实体E2存在多对多的关系。

例如，“学生”实体与“课程”实体之间的联系就是多对多的关系。如图所示。§4.2.2实体关系图

描述实体之间关系常用的方法是E-R图法(entity-relationapproach),即用E-R图来描述系统中各实体之间的关系。我们常把E-R图称作实体关系模型,是今后数据存储设计的基础。如图所示。(a)实体的表示(b)联系的表示(c)属性的表示§4.2.2实体关系图学生与课程联系的E-R图§4.2.2实体关系图生产管理系统的总E-R图§4.3UML用于数据建模阶段的规范

UML作为一种统一的软件建模语言，具有广泛的建模能力。UML立足于对事物实体、事物性质、事物结构、事物关系、事物状态、事物动态变化过程的全程描述和反映。作为一种建模语言，UML有严密的语法、语义规范。UML采用一组图形符号来描述各原件模型，这些图形符号具有简单、直观、规范的特点。4.3.1实体的表示（类的表示）

4.3.2联系的表示

1关联

2泛化关系

3依赖关系

4细化关系

5对象图

4.3.3数据字典和元数据的表示

1数据字典的表示

2元数据的表示§4.3.1实体的表示（类的表示）

类名属性：类型操作在UML中，类的可视化表示为一个划分成3个格子的长方形，如图所示。（1）类的名称

每个类都必须有一个名字，用来区分于其他的类。一般而言，类的名字是名词，路径名字是在类名前加包含类的包名。（2）类的属性

属性用来描述该类的对象所具有的特征，该项可省略。

属性类型表示该属性的种类，它可以是基本数据类型，例如整数、实数、布尔型等，也可以是用户自定义的类型。每条属性可以包括属性的可见性、属性名称、类型、缺省值和约束特性。UML描述属性的语法格式为：[可见性]属性名[多重性][：类型名][=初值][{约束特性}]其中，可见性表示该属性对类以外的元素是否可见，它又分为3种：①公有属性：能够被系统中其他任何操作查看、使用和修改，用“+”号表示。②私有属性：仅在类内部可见，只有类内部的操作才能存取该属性，并且该属性也不能被其子类使用，用“-”号表示。③保护属性：供类中的操作存取，并且该属性也能被其子类使用，用“#”号表示。发货单+日期：Date=当天日期+客户名：String-客户地址：String+货物名称：String-管理员：String=SYSTEM-货物数量：Integer+取发货日期（）：Date§4.3.1实体的表示（类的表示）

（3）类的操作对数据的具体处理方法的描述则放在操作部分，操作说明了该类能做些什么工作。操作通常称为函数，它是类的一个组成部分，只能作用于该类的对象上。一个类可以有任意数目的操作，也可以没有操作。每种操作由操作名、参数表、返回值类型等部分构成。标准语法格式为：[可见性]操作名[(参数表)]:[返回值类型][{约束特性}]其中，可见性与属性的可见性相同。参数表由多个参数构成，参数的语法格式为：参数名:参数类型名=缺省值返回值类型：表示操作返回的结果类型。约束特性主要有查询、顺序、监护和并发。§4.3.2联系的表示

在UML中，类之间的关系通常有关联、聚集、泛化、依赖和细化。一、关联关联表示两个类之间存在某种语义上的联系。在UML中，关联用一根连接类的实线表示。关联关系一般都是双向的，即关联的对象双方彼此都能与对方通信，称做双向关联。如果类与类之间的关联是单向的，表示该关联单方向被使用。为了避免混淆，在名字的前面或后面带一个表示关联方向的黑三角，黑三角的尖角指明这个关联只能用在尖角所指的类上。如图所示的是一种单向关联，意思是“某用户拥有口令”。用户口令

拥有0..*§4.3.2联系的表示

一、关联1.关联的角色关联两头的类以某种角色参与关联，如图所示。“公司”以“雇主”的角色、“人”以“雇员”的角色参与的“工作合同”关联。“雇主”和“雇员”称为角色名。如果在关联上没有标出角色名，则隐含地用类的名称作为角色名。角色还具有多重性，表示可以有多少个对象参与该关联。在图中，雇员只能与一个雇主签订工作合同，表示为“1”；雇主可以和多个雇员签订工作合同，表示为“*”。§4.3.2联系的表示

一、关联1.关联的角色2.关联类

在有些情况下，关联不仅需要一个名称，而且还需要设置一些属性、操作以及其他特征，此时可引入一个关联类来记录。关联类通过一根虚线与关联连接。关联类的表示如图所示。§4.3.2联系的表示

一、关联1.关联的角色2.关联类

3.整体-部分关联

在UML中，整体-部分关联有两种特殊的表示法：组合和聚集。(1)组合关联表示整体拥有各部分，部分与整体共存，如整体不存在了，部分也会随之消失。例如，一篇论文由摘要、关键字、正文和参考文献组成。(2)聚集是一种特殊形式的关联，它也表示类之间的整体-部分关联，但主要强调组/成员的关联。例如部门和职工之间是聚集关系。

§4.3.2联系的表示

二、泛化关系

在UML中，泛化关系指出类之间“一般与特殊”的关系，它是通用元素与具体元素之间的一种分类关系，如图(a)所示。一般类描述了多个具体类的共性，一般类又称为父类，通过特化得到子类。在UML中，泛化表示为一头为空心三角形的连线。三角形的尖对着一般类，父类与子类之间可构成类的分层结构，如图(b)所示为一个分层继承类图的实例。§4.3.2联系的表示

三、依赖关系

用带箭头的虚线连接有依赖关系的两个类，箭头指向独立的类。如图所示为类的依赖关系，类B是独立的，类A以某种方式依赖于类B，如果类B改变了，将影响依赖于它的类A中的元素。

四、细化关系当对同一事物在不同抽象层次上描述时，这些描述之间具有细化关系。如图所示，表示了类的细化关系，类B进一步细化后得到类A，类A细化了类B，称为类B与类A具有细化关系，用由A指向B的虚线级空心三角形表示。细化主要用于表示类的模型之间的相关性，常用于跟踪模型的演变。

§4.3.2联系的表示

五、对象图

类图表示类以及类与类之间的关系，对象是类的实例，因此对象图可以看做是类图的一个实例，对象之间的链是类之间的关联实例。在UML中，对象与类的图形表示相似，主要差别在于对象的名字下面要加下划线，链的图形表示与关联相似。对象图常用于表示复杂的类图的一个实例。如图所示为一个类图和一个对象图，其中对象图是类图的实例。§4.3.3数据字典和元数据的表示

一、数据字典的表示

数据字典（DataDictionary，DD）是用来定义数据流图中的各个成分的具体含义，它以一种准确的、无二义性的说明