第三讲 数据库基础理论-3.ppt

第三讲 数据库基础理论－关系数据库及其设计本讲主要内容： 关系代数基本知识 数据库设计方法、步骤重点内容： 在数据库设计中每个阶段的设计方法难点： 概念模型向关系模型的转换学习要求： 基本掌握数据库设计的常用方法、步骤一、关系代数的基本知识一、关系代数的基本知识 关系代数是用对关系代数是用对关系的运算来表达查询的来表达查询的 运算的运算的三要素：运算对象、：运算对象、 运算符、运算结果运算符、运算结果 关系代数的运算对象：关系关系代数的运算对象：关系 关系代数的运算结果：关系关系代数的运算结果：关系 关系代数的运算符：集合运算符关系代数的运算符：集合运算符 关系运算符关系运算符 算术比较符算术比较符 逻辑运算符逻辑运算符 关系代数按运算符分类：关系代数按运算符分类：1 1）、传统的集合操作：并、交、差、笛卡尔积）、传统的集合操作：并、交、差、笛卡尔积2 2）、扩充的关系操作：投影、选择、连接、除）、扩充的关系操作：投影、选择、连接、除 集合运算符集合运算符集合运算符集合运算符∪∪∪∪ －－－－ ∩ ×∩ ×并并并并 差差差差 交交交交 笛卡尔积笛卡尔积笛卡尔积笛卡尔积关系运算符关系运算符关系运算符关系运算符σ ∏ ∞ ÷ σ ∏ ∞ ÷ 选择选择选择选择 投影投影投影投影 连接连接连接连接 除除除除算术比较符算术比较符算术比较符算术比较符＞＞＞＞ ≥ ≥ ＜＜＜＜ ≤ ≤ ＝＝＝＝ ≠≠逻辑运算符逻辑运算符逻辑运算符逻辑运算符Ø Ø ∧∧∧∧ ∨∨∨∨非非非非 与与与与 或或或或 关系相容关系相容 设关系设关系R R和关系和关系S S具有相同的度数具有相同的度数n,n,且相且相应的属性取自同一个域，则称关系应的属性取自同一个域，则称关系R R和关系和关系S S是关系是关系相容的。

设关系相容的设关系R R和关系和关系S S是关系相容的，则可以定是关系相容的，则可以定义以下基本操作：义以下基本操作：1.1.  并并 （（Union )Union ) 关系关系R R和关系和关系S S的并记为的并记为: : R∪S={t| t∈R ∨ t∈S}R∪S={t| t∈R ∨ t∈S}，，其结果仍为其结果仍为n n度关系由属于度关系由属于R R或属于或属于S S的元组组成的元组组成2 2. . 差差 ( ( Difference )Difference ) 关系关系R R和关系和关系S S的差记为的差记为: : R-S={t| t∈R ∧ tR-S={t| t∈R ∧ t S}S}，，其结果仍为其结果仍为n n目关系由属于目关系由属于R R而不属于而不属于S S的元组组的元组组成3 3. . 交交 ( (Intersection )Intersection ) 关系关系R R和关系和关系S S的交记为：的交记为：R∩S={t| t∈R ∧ t∈S}R∩S={t| t∈R ∧ t∈S}，，其结果仍为其结果仍为n n目关系由既属于目关系由既属于R R又属于又属于S S的元组组的元组组成。

成关系的交可由关系的差表示，即关系的交可由关系的差表示，即 R∩S = R - R∩S = R - （（R-SR-S）） 4、投影 （Projection) 关系R上的投影是从R中选择出若干属性列组成新的关系记作： ΠA1，A2…（R） 其中A为R中的属性列 投影操作是从列的角度进行的运算5、.选择（Selection) 选择又称为限制它是在关系R中选择满足给定条件的诸元组，记作： σF（R）={ t∈R | 满足F} 其中F表示选择条件，t是新关系中的元组 选择操作是从行的角度进行的运算7 7、连接运算：、连接运算： 连接运算是在两个关系Ｒ连接运算是在两个关系Ｒ和和S S的笛卡尔积的笛卡尔积R×SR×S上的选上的选择运算1 1）、自然连接：）、自然连接：2 2）、条件连接：）、条件连接：8 8、除运算：、除运算： 设关系Ｒ设关系Ｒ和和S S，如果满足：，如果满足： 1 1））R R中的属性包含中的属性包含S S中的属性；中的属性； 2 2））R R中有些属性不出现在中有些属性不出现在S S中；中； 则：则：R R除以除以S S记为：记为：T T＝＝R/SR/S或或R÷SR÷S T T的属性由的属性由R R中那些不出现在中那些不出现在S S中的属性组成，中的属性组成，T T的元组是的元组是S S中所有元组在中所有元组在R R中对应值相同的元组组成。

中对应值相同的元组组成二、数据库设计概述二、数据库设计概述 数据库设计是在DBMS的支持下，按照应用的要求，为某一部门或组织设计一个结构合理、使用方便、效率较高的数据库及其应用系统 数据库设计应该与应用系统设计相结合即数据库设计应包含两方面的内容： 1、 结构（数据）设计： 2、行为（处理）设计 目前，数据库常见设计方法都以软件工程的思想与方法进行设计的，数据库设计大都采用需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、数据库实施和数据库运行与维护6个阶段的设计步骤进行数据库经验设计中经常运用的原则数据库经验设计中经常运用的原则l l同一列（字段）的数据只能是单一的数据类型l l一个关系只反映一个主题l l同一实体只在数据库中出现一次l l能通过简单计算得到的数据不保存l l信息量大，但取值固定的列应建立编号体系l l保证每个表中的记录是唯一的l l为方便用户操作，需要建立一些辅助的表l l反映规则的数据可以考虑保存到一个辅助表中三、需求分析调查用户的需求通常分为四步：1） 调查组织机构情况 包括了解该组织的部门组成情况，各部门的职能等，弄清所设计的数据库系统与那些部门相关，为分析信息流程作准备。

2）调查各部门的业务活动情况 包括了解各个部门输入和使用什么数据，如何加工处理这些数据，输出什么信息，输出到什么部门，输出结果的格式是什么3）协助用户明确对新系统的各种要求 在熟悉了业务活动的基础上，协助用户明确对该系统的各种要求，包括信息要求、处理要求、完全性与完整性要求4）确定新系统的边界 确定哪些功能由计算机完成或将来准备让计算机完成，哪些活动由人工完成由计算机完成的功能就是该系统应该实现的功能以往本校新生入学报到时，全部是手工操作，流程为：分析和表达用户需求分析和表达用户需求 常用的方法是结构化分析方法常用的方法是结构化分析方法( (Structure Structure AnalysisAnalysis，，简称简称SASA方法方法) ) SASA方法的特点：自顶向下、逐层分解方法的特点：自顶向下、逐层分解新生入学管理系统收费子系统新生注册子系统新生报到子系统各系分班子系统交费统计查询补交提交交费交全费用学生未交费用学生非财务人员查询未交全费用学生财务人员查询构造数据字典 数据字典，由五部分组成： 数据项数据项描述={数据项名，数据项含义，别名，类型，长度，取值范围，与其他数据项的逻辑关系}数据结构数据结构描述={数据结构名，含义说明，组成：{数据项或数据结构}} 数据流 数据流描述={数据流名，说明，数据流来源，数据流去向， 组成：{数据结构}，平均流量，高峰期流量} 数据存储 数据存储描述={数据存储名，说明，编号，流入的数据流， 流出的数据流，组成：{数据结构}，数据量，存取方式} 处理过程 处理过程描述={处理过程名，说明，输入：{数据流}，输出：{数据流}，处理：{简要说明}}招录学生各系学生报到并交费学生应交费用报到招录分班交费四、概念结构设计 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。

概念结构设计的目标是产生反映全部组织信息需求的整体数据库概念结构，即概念模式 概念结构设计最常用的方法是自底向上的方法即首先定义各局部应用的概念结构，然后将它们集成起来，得到全局概念结构这是最经常采用的策略是自底向上方法即自顶向下地进行需求分析，然后再自底向上地设计概念结构采取该方法进行概念结构设计主要分为两步：第一步是抽象数据并设计局部视图；第二步是集成局部视图，得到全局视图，即概念结构 (1) 局部概念设计如果系统十分庞大，涉及的部门又多，则首先进行局部设计如招录学生表和报到学生 被招录学生的属性为： 编号、姓名、性别、省份、备注 报到学生的属性为： 编号、专业号、姓名、性别、省份、备注、所交学费、所交住宿费、所交公物押金、所交杂费、是否已交全、是否注册(2) 总体概念设计的任务及步骤 任务：将局部概念设计合成为一个完整的概念设计 步骤：总体概念设计即所谓视图的集成，一般分为两步第一步是合并，第二部是修改与重构 报到招录学生应收款项报到并交费学生交费分班分班分班公共系学生计系学生工商系学生111n111111五、逻辑结构设计 逻辑结构设计是指将概念结构转换为具体的DBMS支持的数据模型。

一般分为三步： 1、将概念模型转换为一般的关系、网状、层次模型 ； 2、将转化来的关系、网状、层次模型向特定DBMS支持下的数据模型转换 ； 3、对数据模型进行优化 概念模型向关系模型的转换1、一个实体型转换为一个关系模式2、一个m:n联系转换成一个关系模式3、一个1:n联系可以转换为一个独立的关系模式，也可与n端对应的关系模式合并4、一个1:1联系可以转换为一个独立的关系模式，也可与任一端对应的关系模式合并5、三个或三个以上实体间的一个多元联系转换为一个关系模式6、同一实体集中实体间的联系也可做相同处理7、具有相同码的关系模式可以合并转换结果：招录学生（编号、姓名、性别、省份、备注）报到并交费学生（编号、专业号、姓名、性别、省份、备注、所交学费、所交住宿费、所交公物押金、所交杂费、是否已交全、是否注册）应收款项（专业号、应交学费、应交住宿费、应交公物押金、应交杂费）分班学生（编号、学号、姓名、性别、出生日期、民族、政治面貌、专业、班级、宿舍、宿舍、家庭住址、邮编、）如果是m：n联系，如： 学生（学号，姓名，性别，出生日期，所属系） 课程（课程号，课程名，所属系） 选课（学号，课程号，成绩） 关系模式的优化是以规范化理论为指导进行优化的。

学生课程选课学号所属系姓名性别出生日期成绩课程号课程名所属系mn六、数据库物理设计 （１）、 确定数据的存储结构 确定数据库存储结构时要综合考虑存取时间、存储空间利用率和维护代价三方面的因素这三个方面常常是相互矛盾的，例如消除一切冗余数据虽然能够节约存储空间，但往往会导致检索代价的增加，因此必须进行权衡，选择一个折中方案 (2)、设计数据的存储路径 数据库必须支持多个用户的多种应用，因此，必须提供对数据库的多个存取入口，即对同一数据存储要提供多条存取路径 (3)、 确定数据的存放位置 一般地，应把数据的易变部分和稳定部分分开，把经常存取和不常存取的数据分开4) 、确定系统配置 DBMS产品一般都提供了一些存储分配参数，供设计人员和DBA对数据库进行物理优化初始情况下，系统都为这些变量赋予了合理的缺省值但是这些值不一定适合每一种应用环境，在进行物理设计时，需要重新对这些变量赋值以改善系统的性能七、数据库实施 即在物理数据库设计的基础上建立数据库 包括：定义数据库结构，向数据库中装载设计，编制和调试应用程序，数据库试运行。

八、数据库维护：经常性的维护工作主要由数据库管理员完成，主要包括： 1、数据库的转储与恢复 2、数据库的安全性和完整性控制 3、数据库性能的监督、分析和改进 4、数据库的重组织与重构造作业： P20：2、3、6。