六、数据库设计

构造最优的数据模型，建立数据及其应用系统的过程。影响着应用系统的质量和运行效果。

1 数据库设计步骤

数据分析(用户需求) -> 数据建模(概念模型) -> 关系数据库模型(逻辑模型) -> 关系数据库

其中 逻辑模型对外面向外模型 向内面向内模型

1.1 规划阶段

• 系统调查：画组织层次图
• 可行性分析：技术、经济、法律
• 确定数据库系统的总目标

1.2 需求分析

• 业务流程图

• 系统关联图

• 数据流程图

• 数据字典：关系数据库管理系统内部的一组系统表，记录了数据库中所有的定义信息

  • 包括数据、数据结构、数据流、数据存储

• 得出 ===> 系统功能

1.3 概念设计阶段(重点)

目标是产生反映用户需求的数据库概念结构，得到一个与DBMS无关的概念模型。特点：硬件独立，软件独立

主要步骤

1. 进行数据抽象，设计局部概念模型
2. 将局部概念模型综合成全局概念模型
3. 评审

设计方法

1. 实体联系方法(ER模型)
2. UML模型

1.4 逻辑设计阶段(重点)

目的：把概念设计阶段的概念模型转化成逻辑结构(与选用的机器上DBMS所支持的数据模型相符合)

逻辑结构：包括数据库逻辑模型和外模式

主要步骤

1. 把概念模型转化成逻辑模型
2. 设计外模型
3. 设计应用程序域数据的接口
4. 评估模型
5. 修正模型

1.5 物理设计阶段

对应三级模式两级映像的内模式。
目的：对于给定的基本数据模型，选择最适合应用环境的物理结构

主要步骤

• 物理结构设计
  1. 存储记录结构设计
  2. 确定数据存放位置
  3. 存取方法的设计
• 约束和具体的程序设计
  1. 完整性和安全性的考虑
  2. 程序设计

1.6 数据库的实现

• 定义数据库结构(DDL)
• 组织数据入库
• 调试与编制
• 试运行

1.7 数据库运行与维护

由DBA完成。恢复、安全、监督、重构

注意：如果应用太大，无法通过重构来满足新的需求，则说明数据库的生命周期已结束，需重新设计数据库

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2 概念模型设计

概念模型的作用

• 是现实世界模型和计算机模型的桥梁。
• 按用户观点对现实世界进行建模，以便于用户理解的表达方式（如ER图）对客观世界中数据的组织结构进行描述
• 是数据库设计人员与用户之间交流的语言
• 使设计出来的数据库能实现用户的各种应用需求

2.1 ER模型

ER：实体联系模型。

2.1.1 ER模型的基本元素

1. 实体

   实体指数据对象，客观存在可以区别的事物；一个学生。实体集(常指)，同一类实体构成的集合；全部学生。

   ER图中实体用方框表示，实体名为名词。

   注意：一个实体必须有实体标识符。

2. 属性

   属性是实体的某一特征。实体标识符是能够唯一表示实体的属性或属性集，一个实体只有一个实体标识符，主键。

   ER图中属性用椭圆表示，加下划线的属性为标识符(主键)，属性名为名词。注：外键用波浪线。

   实体的属性值是数据库中存储的主要数据。若干个属性的一组特定值确定了一个特定实体。

   实体和属性都是名词，该如何区分二者？

   实体由多个属性来构成，‘可再分’；属性‘不可再分’，率属于某个数体。

3. 联系

   联系是一个或多个实体之间的关联关系；联系集：同一类联系的集合。

   ER图中联系用菱形表示，联系名为动词。连接菱形的线上的数字中体现了联系的类型。

2.1.2 联系的设计

• 联系的元数：一个联系中设计到的实体个数。
  • 一元联系，也称递归联系，自身和自身的联系。
  • 二元联系，三元联系，…
• 联系类型
  1. 二元联系(常见)
     • 1:1：E1实体集中的某个实体最多和E2实体集中的一个实体有联系，E2中的某个实体最多和E2中的一个实体有联系。
     • 1:n：E1的某个实体可以和E2中的多个实体有联系，E2中的某个实体最多和E1中的一个实体有联系。例：一个系能聘用多个教授，一个教授最多受聘于一个系。联系也可以有属性。
     • m:n：E1的某个实体可以和E2中的多个实体有联系，E2中的某个实体最多和E1中的多个实体有联系。例：学生和课程之间的联系。
  2. 一元联系(特殊)
  3. 三元联系(特殊)：一个联系着涉及到多个实体

2.1.3 采用ER模型的概念设计

设计步骤

1. 设计局部ER模型
   • 确定实体
   • 确定属性：要点、不可再分
   • 确定实体间联系
2. 结合全局ER模型
   • 确定公共实体类型：根据实体名和主键
   • 合并局部ER模型
   • 消除冲突
3. 优化设计ER模型
   • 原则：合并实体类型、消除冗余属性、消除冗余联系

合并分ER图的三大冲突

1. 属性冲突：包括属性域冲突
2. 命名冲突：同名异议。异议同名。
3. 结构冲突：
   • 同一对象在不同应用中具有的不同抽象。实体、属性不统一。
   • 同一实体在不同分ER图中属性组成不同。
   • 实体之间的联系在不同分ER图中呈不同类型

设计实例

2.1.4 ER模型转换为关系(逻辑)模型

转换步骤

1. 实体类型转换
   • 每个实体类型转换成一个关系模式
   • 实体的属性即为关系模式属性
   • 实体标识符即为关系模式的键
2. 联系类型转换
   • 二元联系类型
     • 1:1 ：在任意一个关系模式添加对方的主键作为外键即可
     • 1:n ：在n方加入1方的主键作为外键
     • m:n ：将联系类型转换为关系模式，主键为双方键的组合
   • 一元联系、三元联系类型类似

案例

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2.2 UML模型

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3 逻辑模型设计

把概念设计的模型通过根据直接可以转化为逻辑模型，也就是计算机中数据库，我们可以通过SQL语言来操作各种数据。

这里不做过多赘述，就是SQL语言中设计表、设计数据库的操作。

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