7.3概念结构设计.ppt

数据库系统概论数据库系统概论An Introduction to Database System第七章第七章 数据库设计数据库设计1第七章 数据库设计7.1 数据库设计概述7.2 需求分析7.3 概念结构设计7.4 逻辑结构设计7.5 数据库的物理设计7.6 数据库实施和维护7.7 小结27.3 概念结构设计7.3.1 概念结构设计概述7.3.2 概念结构设计的方法与步骤7.3.3 数据抽象与局部视图设计7.3.4 视图的集成37.3.1 概念结构p什么是概念结构设计n需求分析阶段描述的用户应用需求是现实世界的具体需求n将需求分析得到的用户需求抽象为信息结构即概念模型的过程就是概念结构设计n概念结构是各种数据模型的共同基础，它比数据模型更独立于机器、更抽象，从而更加稳定n概念结构设计是整个数据库设计的关键4概念结构（续）现实世界现实世界机器世界机器世界信息世界信息世界需求分析需求分析概念结构设计概念结构设计5概念结构（续）p概念结构设计的特点（1）能真实、充分地反映现实世界，包括事物和事物之间的联系，能满足用户对数据的处理要求是对现实世界的一个真实模型。

2）易于理解，从而可以用它和不熟悉计算机的用户交换意见，用户的积极参与是数据库的设计成功的关键6概念结构（续）p概念结构设计的特点(续)（3）易于更改，当应用环境和应用要求改变时，容易对概念模型修改和扩充4）易于向关系、网状、层次等各种数据模型转换7概念结构（续）p描述概念模型的工具nE-R模型87.3 概念结构设计7.3.1 概念结构设计概述7.3.2 概念结构设计的方法与步骤7.3.3 数据抽象与局部视图设计7.3.4 视图的集成97.3.2 概念结构设计的方法与步骤p设计概念结构的四类方法n自顶向下p 首先定义全局概念结构的框架，然后逐步细化n自底向上p 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10概念结构设计的方法与步骤（续）n逐步扩张p 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n混合策略p 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11概念结构设计的方法与步骤（续） 自顶向下策略12概念结构设计的方法与步骤（续） 自底向上策略 13概念结构设计的方法与步骤（续）逐步扩张逐步扩张14概念结构设计的方法与步骤（续）p常用策略（P211图7.8）n自顶向下地进行需求分析n自底向上地设计概念结构p自底向上设计概念结构的步骤 （P211图7.9）n第1步：抽象数据并设计局部视图n第2步：集成局部视图，得到全局概念结构157.3 概念结构设计7.3.1 概念结构设计概述7.3.2 概念结构设计的方法与步骤7.3.3 数据抽象与局部视图设计7.3.4 视图的集成167.3.3 数据抽象与局部视图设计p数据抽象p局部视图设计17一、数据抽象p概念结构是对现实世界的一种抽象n从实际的人、物、事和概念中抽取所关心的共同特性，忽略非本质的细节n把这些特性用各种概念精确地加以描述n这些概念组成了某种模型18数据抽象（续）p三种常用抽象1. 分类（Classification）n定义某一类概念作为现实世界中一组对象的类型n这些对象具有某些共同的特性和行为n它抽象了对象值和型之间的“is member of”的语义n在E-R模型中，实体型就是这种抽象例：P212图7.1019数据抽象（续）2. 聚集（Aggregation）n定义某一类型的组成成分n它抽象了对象内部类型和成分之间“is part of”的语义n在E-R模型中若干属性的聚集组成了实体型，就是这种抽象例：P216图7.11，图7.1220数据抽象（续）3. 概括（Generalization）n定义类型之间的一种子集联系n它抽象了类型之间的“is subset of”的语义n概括有一个很重要的性质：继承性。

子类继承超类上定义的所有抽象 例：P213图7.1321数据抽象（续）注：原E-R模型不具有概括，本书对E-R模型作了扩充，允许定义超类实体型和子类实体型p 用双竖边的矩形框表示子类，p 用直线加小圆圈表示超类-子类的联系22数据抽象（续）p数据抽象的用途n对需求分析阶段收集到的数据进行分类、组织（聚集），形成p实体p实体的属性，标识实体的码p确定实体之间的联系类型(1:1，1:n，m:n)23二、局部视图设计设计分E-R图的步骤:⒈选择局部应用⒉逐一设计分E-R图24⒈ 选择局部应用p需求分析阶段，已用多层数据流图和数据字典描述了整个系统p设计分E-R图首先需要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，让这组图中每一部分对应一个局部应用，然后以这一层次的数据流图为出发点，设计分E-R图 25选择局部应用（续）p通常以中层数据流图作为设计分E-R图的依据原因：n高层数据流图只能反映系统的概貌n中层数据流图能较好地反映系统中各局部应用的子系统组成n低层数据流图过细26选择局部应用（续）例：由于学籍管理、课程管理等都不太复杂，因此可以它们入手设计学生管理子系统的分E-R图。

如果局部应用比较复杂，则可以从更下层的数据流图入手27⒉ 逐一设计分E-R图p任务n标定局部应用中的实体、属性、码，实体间的联系p将各局部应用涉及的数据分别从数据字典中抽取出来，参照数据流图，标定各局部应用中的实体、实体的属性、标识实体的码，确定实体之间的联系及其类型（1:1，1:n，m:n）28逐一设计分E-R图（续）p如何抽象实体和属性n实体：现实世界中一组具有某些共同特性和行为的对象就可以抽象为一个实体对象和实体之间是“is member of"的关系 例：在学校环境中，可把张三、李四等对象抽象为学生实体29逐一设计分E-R图（续）n属性：对象类型的组成成分可以抽象为实体的属性组成成分与对象类型之间是“is part of"的关系例：学号、姓名、专业、年级等可以抽象为学生实体的属性其中学号为标识学生实体的码30逐一设计分E-R图（续）p如何区分实体和属性n实体与属性是相对而言的同一事物，在一种应用环境中作为“属性”，在另一种应用环境中就必须作为“实体”例：学校中的系，在某种应用环境中，它只是作为“学生”实体的一个属性，表明一个学生属于哪个系；而在另一种环境中，由于需要考虑一个系的系主任、教师人数、学生人数、办公地点等，这时它就需要作为实体了。

31逐一设计分E-R图（续）n一般原则p属性不能再具有需要描述的性质即属性必须是不可分的数据项，不能再由另一些属性组成p属性不能与其他实体具有联系联系只发生在实体之间n符合上述两条特性的事物一般作为属性对待n为了简化E-R图的处置，现实世界中的事物凡能够作为属性对待的，应尽量作为属性32逐一设计分E-R图（续）n举例例1：“学生”由学号、姓名等属性进一步描述，根据准则１，“学生”只能作为实体，不能作为属性例2：职称通常作为教师实体的属性，但在涉及住房分配时，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，根据准则２，这时把职称作为实体来处理会更合适些教程Ｐ214图7.15）33逐一设计分E-R图（续）p设计分E-R图的步骤n（1）以数据字典为出发点定义E-R图p 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n（2）按上面给出的准则进行必要的调整34逐一设计分E-R图（续）例：学籍管理局部应用中主要涉及的实体包括学生、宿舍、档案材料、班级、班主任实体之间的联系：n由于一个宿舍可以住多个学生，而一个学生只能住在某一个宿舍中，因此宿舍与学生之间是1:n的联系。

n由于一个班级往往有若干名学生，而一个学生只能属于一个班级，因此班级与学生之间也是1:n的联系35逐一设计分E-R图（续）n由于班主任同时还要教课，因此班主任与学生之间存在指导联系，一个班主任要教多名学生，而一个学生只对应一个班主任，因此班主任与学生之间也是1:n的联系n而学生和他自己的档案材料之间，班级与班主任之间都是1:1的联系学籍管理局部应用的分E-R图草图：图_学籍管理36逐一设计分E-R图（续）该E-R图中省略了各个实体的属性描述：　　学生：｛学号，姓名，出生日期｝　　性别：｛性别｝　　档案材料：｛档案号，…… ｝　　班级：｛班级号，学生人数｝　　班主任：｛职工号，姓名，性别， 是否为优秀班主任｝ 宿舍：｛宿舍编号，地址，人数｝ 其中有下划线的属性为实体的码37逐一设计分E-R图（续）同样方法可以得到教学管理局部应用的分E-R图:图_教学管理各实体的属性分别为：　　学生：｛姓名，学号，性别，年龄，所在系， 年级，平均成绩｝　　课程：｛课程号，课程名，学分｝　　教师：｛职工号，姓名，性别，职称｝　　教科书：｛书号，书名，价钱｝　　教室：｛教室编号，地址，容量｝387.3 概念结构设计7.3.1 概念结构7.3.2 概念结构设计的方法与步骤7.3.3 数据抽象与局部视图设计7.3.4 视图的集成397.3.4 视图的集成p各个局部视图即分E-R图建立好后，还需要对它们进行合并，集成为一个整体的数据概念结构即总E-R图。

40视图的集成（续）p视图集成的两种方式n一次集成（P219图7.25(a)）p一次集成多个分E-R图p通常用于局部视图比较简单时n逐步累积式（P219图7.25(b)）p首先集成两个局部视图（通常是比较关键的两个局部视图）p以后每次将一个新的局部视图集成进来41视图的集成（续）p集成局部E-R图的步骤1. 合并2. 修改与重构42视图的集成（续）43一、合并分E-R图，生成初步E-R图p各分Ｅ－Ｒ图存在冲突n各个局部应用所面向的问题不同由不同的设计人员进行设计各个分E-R图之间必定会存在许多不一致的地方n合并分E-R图的主要工作与关键所在：合理消除各分E-R图的冲突44合并分E-R图，生成初步E-R图（续）p冲突的种类n属性冲突n命名冲突n结构冲突45⒈ 属性冲突p两类属性冲突n属性域冲突：属性值的类型、取值范围或取值集合不同例1， 由于学号是数字，因此某些部门（即局部应用）将学号定义为整数形式，而由于学号不用参与运算，因此另一些部门（即局部应用）将学号定义为字符型形式例2， 某些部门（即局部应用）以出生日期形式表示学生的年龄，而另一些部门（即局部应用）用整数形式表示学生的年龄。

46属性冲突（续）n属性取值单位冲突例：学生的身高，有的以米为单位，有的以厘米为单位，有的以尺为单位47属性冲突（续）p属性冲突的解决方法n通常用讨论、协商等行政手段加以解决48⒉ 命名冲突p两类命名冲突n同名异义：不同意义的对象在不同的局部应用中具有相同的名字 例，局部应用A中将教室称为房间 局部应用B中将学生宿舍称为房间n异名同义（一义多名）：同一意义的对象在不同的局部应用中具有不同的名字 例，有的部门把教科书称为课本 有的部门则把教科书称为教材49命名冲突（续）p命名冲突可能发生在属性级、实体级、联系级上其中属性的命名冲突更为常见p命名冲突的解决方法n通过讨论、协商等行政手段加以解决50⒊ 结构冲突p三类结构冲突n同一对象在不同应用中具有不同的抽象 例，“课程”在某一局部应用中被当作实体 在另一局部应用中则被当作属性p解决方法：通常是把属性变换为实体或把实体变换为属性，使同一对象具有相同的抽象变换时要遵循两个准则51结构冲突（续）n同一实体在不同局部视图中所包含的属性不完全相同，或者属性的排列次序不完全相同。

p产生原因：不同的局部应用关心的是该实体的不同侧面p解决方法：使该实体的属性取各分E-R图中属性的并集，再适当设计属性的次序52结构冲突（续）学生学生学号学号 姓名姓名性别性别平均成绩平均成绩(a)在局部应用在局部应用A中中53结构冲突（续）学生学生学号学号 姓名姓名出生日期出生日期年级年级(b)在局部应用在局部应用B中中所在系所在系 54结构冲突（续）学生学生学号学号 姓名姓名 政治面貌政治面貌 (c)在局部应用在局部应用C中中55结构冲突（续）学生学生 政治政治面貌面貌 学号学号出生出生日期日期年级年级(d)合并后合并后所在系所在系 平均平均成绩成绩姓名姓名性别性别56结构冲突（续）n实体之间的联系在不同局部视图中呈现不同的类型例1， 实体E1与E2在局部应用A中是多对多联系，而在局部应用B中是一对多联系例2， 在局部应用X中E1与E2发生联系，而在局部应用Y中E1、E2、E3三者之间有联系p解决方法：根据应用语义对实体联系的类型进行综合或调整P221图7.27)57合并分E-R图，生成初步E-R图实例例：生成学校管理系统的初步E-R图以合并学籍管理局部视图, 教学管理局部视图为例这两个分E-R图存在着多方面的冲突：58合并分E-R图，生成初步E-R图实例(1) 班主任实际上也属于教师，也就是说学籍管理中的班主任实体与课程管理中的教师实体在一定程度上属于异名同义，可以应将学籍管理中的班主任实体与课程管理中的教师实体统一称为教师，统一后教师实体的属性构成为：　　教师：｛职工号，姓名，性别，职称， 是否为优秀班主任｝59合并分E-R图，生成初步E-R图实例（续）(2) 将班主任改为教师后，教师与学生之间的联系在两个局部视图中呈现两种不同的类型，一种是学籍管理中教师与学生之间的指导联系，一种是课程管理中教师与学生之间的教学联系，由于指导联系实际上可以包含在教学联系之中，因此可以将这两种联系综合为教学联系。

60合并分E-R图，生成初步E-R图实例（续）(3) 性别在两个局部应用中具有不同的抽象，它在学籍管理中为实体，在课程管理中为属性，按照前面提到的两个原则，在合并后的E-R图中性别只能作为实体，否则它无法与宿舍实体发生联系61合并分E-R图，生成初步E-R图实例（续）(4) 在两个局部E-R图中，学生实体属性组成及次序都存在差异，应将所有属性综合，并重新调整次序假设调整结果为：学生：｛学号，姓名，出生日期，年龄，所在系，年级，平均成绩｝解决上述冲突后，学籍管理分E-R图与课程管理分E-R图合并为 图_合并62二、修改与重构p基本任务n消除不必要的冗余，设计生成基本E-R图合并合并初步初步E-R图图分分E-R图图可能存在冗余的数据可能存在冗余的数据和冗余的实体间联系和冗余的实体间联系基本基本E-R图图消除不必要的冗余消除不必要的冗余63修改与重构（续）1．冗余2．消除冗余的方法641．冗余p冗余的数据是指可由基本数据导出的数据，冗余的联系是指可由其他联系导出的联系 p冗余数据和冗余联系容易破坏数据库的完整性，给数据库维护增加困难p并不是所有的冗余数据与冗余联系都必须加以消除，有时为了提高某些应用的效率，不得不以冗余信息作为代价。

65冗余（续）p设计数据库概念结构时，哪些冗余信息必须消除，哪些冗余信息允许存在，需要根据用户的整体需求来确定p消除不必要的冗余后的初步E-R图称为基本E-R图662．消除冗余的方法p分析方法n以数据字典和数据流图为依据，根据数据字典中关于数据项之间逻辑关系的说明来消除冗余 67消除冗余的方法(续)例，教师工资单中包括该教师的基本工资、各种补贴、应扣除的房租水电费以及实发工资由于实发工资可以由前面各项推算出来，因此可以去掉，在需要查询实发工资时根据基本工资、各种补贴、应扣除的房租水电费数据临时生成68消除冗余的方法（续）n如果是为了提高效率，人为地保留了一些冗余数据，则应把数据字典中数据关联的说明作为完整性约束条件n一种更好的方法是把冗余数据定义在视图中69消除冗余的方法（续）p规范化理论n函数依赖的概念提供了消除冗余联系的形式化工具70消除冗余的方法（续）n方法1. 确定分E-R图实体之间的数据依赖FL 实体之间一对一、一对多、多对多的联系可以用实体码之间的函数依赖来表示例：班级和学生之间一对多的联系： 学号班级号学生和课程之间多对多的联系： （学号，课程号） 成绩71消除冗余的方法（续）2. 求FL的最小覆盖GL ，差集为 D = FL-GL。

逐一考察D中的函数依赖，确定是否是冗余的联系，若是，就把它去掉72消除冗余的方法（续）n由于规范化理论受到泛关系假设的限制，应注意下面两个问题：1.冗余的联系一定在D中，而D中的联系不一定是冗余的；2.当实体之间存在多种联系时要将实体之间的联系在形式上加以区分例P223图7.30中部门和职工之间两种联系表示为：负责人.职工号部门号部门号负责人.职工号73泛关系假设p泛关系假设是运用规范化理论时的障碍n承认了泛关系假设，就等于承认了现实世界各实体间只能有一种联系74消除冗余，设计生成基本E-R图实例图_合并 中存在着冗余数据和冗余联系：(1) 学生实体中的年龄属性可以由出生日期推算出来，属于冗余数据，应该去掉这样不仅可以节省存储空间，而且当某个学生的出生日期有误，进行修改后，无须相应修改年龄，减少了产生数据不一致的机会　学生：｛学号，姓名，出生日期，所在系， 年级，平均成绩｝75消除冗余，设计生成基本E-R图实例（续）(2) 教室实体与班级实体的上课联系可以由教室与课程之间的开设联系、课程与学生之间的选修联系、学生与班级之间的组成联系三者推导出来，因此属于冗余联系，可以消去。

76消除冗余，设计生成基本E-R图实例（续）(3) 学生实体中的平均成绩可以从选修联系中的成绩属性中推算出来n由于应用中需要经常查询某个学生的平均成绩，每次都进行这种计算效率就会太低，因此为提高效率，保留该冗余数据n但定义一个触发器来保证学生的平均成绩等于该学生各科成绩的平均值n任何一科成绩修改后，或该学生学了新的科目并有成绩后，就触发该触发器去修改该学生的平均成绩属性值77消除冗余，设计生成基本E-R图实例（续） 对 图_合并 进行修改和重构后生成的基本E-R图图_重构学生管理子系统的基本E-R图与教师管理子系统以及后勤管理子系统的基本E-R图合并后，生成整个学校管理系统的基本E-R图78三、验证整体概念结构p视图集成后形成一个整体的数据库概念结构，对该整体概念结构还必须进行进一步验证，确保它能够满足下列条件：n整体概念结构内部必须具有一致性，不存在互相矛盾的表达n整体概念结构能准确地反映原来的每个视图结构，包括属性、实体及实体间的联系n整体概念结构能满足需要分析阶段所确定的所有要求79验证整体概念结构（续）p整体概念结构最终还应该提交给用户，征求用户和有关人员的意见，进行评审、修改和优化，然后把它确定下来，作为数据库的概念结构，作为进一步设计数据库的依据。

80数据库设计p数据库的设计过程n需求分析n概念结构设计n逻辑结构设计n物理数据库设计n实施n运行维护设计过程中往往还会有许多反复81概念结构设计小结p什么是概念结构设计现实世界现实世界机器世界机器世界信息世界信息世界需求分析需求分析概念结构设计概念结构设计82概念结构设计小结p概念结构设计的步骤n抽象数据并设计局部视图n集成局部视图，得到全局概念结构n验证整体概念结构83概念结构设计小结p数据抽象n分类n聚集n概括84概念结构设计小结p设计局部视图n⒈ 选择局部应用n⒉ 逐一设计分E-R图p标定局部应用中的实体、属性、码，实体间的联系p用E-R图描述出来85概念结构设计小结p集成局部视图n1.合并分E-R图，生成初步E-R图p消除冲突§属性冲突§命名冲突§结构冲突n2. 修改与重构p消除不必要的冗余，设计生成基本E-R图§分析方法§规范化理论86 下课了休息一会儿休息一会儿。