二级公共基础之数据库设计基础(全国计算机等级考试实用教程)

二级公共基础知识第4章数据库设计基础2内容提要数据库的基本概念：数据库，数据库管理系统，数据库系统。数据模型，实体联系模型及E-R图，从E-R图导出关系数据模型。关系代数运算，包括集合运算及选择、投影、连接运算。数据库设计方法和步骤：需求分析、概念设计、逻辑设计和物理设计的相关策略。4.1数据库系统的基本概念44.1.1数据、数据库、数据库管理系统(续)1．数据数据描述事物的符号记录，用物理符号记录下来的可以鉴别的信息物理符号：数字、文字、图形、图像声音及其他特殊符号。多种表现形式：数字化计算机中数据分为两部分：临时性数据持久性数据数据有型（Type）与值（Value）之分型：数据表示的类型，如整型、实型、字符型等值：给出了符合给定型的值54.1.1数据、数据库、数据库管理系统(续)2．数据库数据库——Database，简称DB数据的集合，具有统一的结构形式并存放于统一的存储介质内，是多种应用数据的集成，并可被各个应用程序所共享按数据所提供的数据模式存放的特点：较小的冗余度较高的数据独立性易扩展性为多个用户所共享64.1.1数据、数据库、数据库管理系统(续)3．数据库管理系统数据库管理系统——DatabaseManagementSystem，简称DBMS数据库的管理机构，职能是有效地组织、存储、获取和管理数据，接受及完成用户提出的访问数据的各种请求数据库系统的核心DBMS的功能数据模式定义数据存取的物理构建数据操纵。数据的完整性、安全性定义与检查数据库的并发控制与故障恢复数据的服务74.1.1数据、数据库、数据库管理系统(续)3．数据库管理系统数据库语言数据定义语言DDL数据操纵语言DML数据控制语言DCL数据语言的使用交互式命令语言宿主型语言常见的DBMSORACLE、Sybase的PowerBuilder、IBM的DB2、微软的SQLServer微软的VisualFoxPro、Access，功能简单84.1.1数据、数据库、数据库管理系统(续)4．数据库管理员数据库管理员——DatabaseAdministrator，简称DBA对数据库的规划、设计、维护、监视等的人员其主要工作有：数据库设计数据库维护改善系统性能，提高系统效率94.1.1数据、数据库、数据库管理系统(续)5．数据库系统数据库系统——DatabaseSystem，简称DBS拥有数据库技术支持的计算机系统实现有组织地、动态地存储大量相关数据，提供数据处理和资源共享服务组成：数据库（数据）数据库管理系统（软件）数据库管理员（人员）硬件平台：计算机和网络软件平台：操作系统、数据库系统开发工具、接口软件104.1.1数据、数据库、数据库管理系统(续)6．数据库应用系统数据库应用系统——DatabaseApplicationSystem，简称DBAS组成：数据库系统+应用软件+应用界面硬件操作系统数据库管理系统应用开发工具软件应用软件114.1.2数据库系统的发展人工管理阶段用户1应用程序1应用程序2应用程序3用户2……应用程序n用户m用户3应用程序4数据组1数据组2数据组3数据组4数据组n…用户1应用程序1应用程序2应用程序3用户2……应用程序n用户m用户3应用程序4数据组1数据组2数据组3数据组4数据组n…124.1.2数据库系统的发展文件系统阶段数据文件1数据文件2数据文件3…数据文件n用户1应用程序1应用程序2应用程序3用户2……应用程序n用户mOS用户3应用程序4数据文件4134.1.2数据库系统的发展数据库系统阶段用户1应用程序1应用程序2应用程序3用户2……应用程序n用户mDBMS数据库用户3应用程序4144.1.3数据库系统的基本特点数据的集成性数据的高共享性与低冗余性数据独立性物理独立性逻辑独立性数据统一管理与控制数据的完整性检查：数据的安全性保护并发控制154.1.4数据库系统的内部结构体系三级模式概念级模式内部级模式外部级摸式二级映射概念级到内部级的映射外部级到概念级的映射内模式DB逻辑模式外模式1外模式2外模式3应用A应用B应用C应用D应用E外模式/逻辑模式映象内模式/逻辑模式映象164.1.4数据库系统的内部结构体系l．数据库系统的三级模式概念级模式数据库中全体数据逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图一个数据库只有一个概念模式内部级模式又称物理模式数据库物理存储结构与物理存取方法对一般用户是透明的，直接影响数据库的性能一个数据库只有一个内模式。外部级摸式也称子模式或用户模式数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述用户的数据视图一个数据库可以有多个外模式174.1.4数据库系统的内部结构体系2．数据库系统的两级映射概念模式／内模式的映射存在于概念级和内部级之间实现了概念模式到内模式之间的相互转换保证数据具有很高的物理独立性外模式／概念模式的映射：存在于外部级和概念级之间实现了外模式到概念模式之间的相互转换保证数据具有较高的逻辑独立性4.2数据模型194.2.1数据模型的基本概念数据模型，是对现实世界中数据的模拟和抽象。数据模型的分类概念模型：现实世界在人脑中的反映；逻辑模型：按计算机系统的观点对数据建模；物理模型：反映数据的存储结构。数据模型的组成要素数据结构：所研究的对象类型的集合；数据操作：对数据库中各种对象的值允许执行操作的集合；数据的约束条件：一组完整性规则的集合。204.2.2E-R模型1.基本概念实体属性联系一对一（1：1）一对多（1：M或M：1）多对多（M：N）2.三个基本概念之间的联接关系实体集与属性间的联接关系实体与联系11学校校长S_Pn1班级学生C_Smn老师学生T_S(a)1:1(b)1:n(c)m:n214.2.2E-R模型3．E-R型的图示法实体集：用矩形表示属性：用椭圆形表示联系：用菱形表示实体集与属性间的联接关系：用无向线段表示实体集与联系间的联接关系：用无向线段表示学生课程选课MN学号姓名性别出生年月系课号课程名学分成绩选修时间224.2.3层次模型一种树形结构数据结构比较简单，操作简单对于实体间联系是固定的、且预先定义好的应用系统，有较高的性能可以提供良好的完整性支持不适合表示非层次性的联系，对于插入和删除操作的限制比较多管理部门销售员工商品234.2.4网状模型一个不加任何条件限制的无向图优于层次模型使用时设计系统内部的物理因素较多，用户操作不方便，其数据模式与系统实现不甚理想设备工人使用维护(b)工作与设备(a)教学关系E-R图领导学校领导教师班组教学管理学生244.2.5关系模型1．关系的数据结构学号姓名性别出生年月籍贯20054102张洁然男07-07-87上海20054103李一明男05-01-86安徽合肥20069301王文燕女11-06-88山东青岛20069302刘宏男10-17-87江苏南京属性元组表框架254.2.5关系模型主要术语关系：一个关系就是一张二维表元组：表中的一行属性：表中的一个列属性域：属性的取值范围分量：元组中的一个属性值主码：唯一地标识表中一个元组，主码属性不能取空值外部关键字：与另一个关系的关键字相对应的属性组关系模式：对一个关系的结构描述关系名(属性1,属性2,......,属性n)264.2.5关系模型关系的性质元组个数有限性元组的惟一性元组的次序无关性元组分量的原子性属性名惟一性属性的次序无关性分量值域的同一性274.2.5关系模型2．关系操纵数据查询数据删除数据插入数据修改284.2.5关系模型3．数据完整性约束实体完整性约束主键中属性值不能为空值参照完整性约束实体及实体间的联系用户定义的完整性约束具体应用要求来定义的约束条件4.3关系代数304.3关系代数1.关系模型的基本操作四种基本操作插入、删除、修改和查询进一步分解成六种基本操作关系的属性指定关系的元组的选择两个关系的合并关系的查询关系元组的插入关系元组的删除314.3关系代数2．传统的集合运算关系代数是以对关系的集合运算为基础，分为传统的集合运算和专门的关系运算，其运算对象是关系，运算结果也是关系。传统的集合运算包括并、交、差、广义笛卡尔积四种运算。其中并、交、差要求参与运算的两个关系的属性个数相同，且相应的属性出自同一个域；广义笛卡尔积则无此限制。324.3关系代数（1）并（Union）关系R和S具有相同的关系模式，R和S的并是由属于R或属于S的元组构成的集合。可表示为：（2）差（Difference）关系R和S具有相同的关系模式，R和S的差是由属于R但不属于S的元组构成的集合。可表示为：}|{StorRttSR}|{StandRttSR334.3关系代数（3）交（Intersection）关系R和S具有相同的关系模式，R和S的交是由属于R且属于S的元组构成的集合。可表示为：（4）广义笛卡尔积设关系R和S的属性个数分别为n、m，则R和S的广义笛卡尔积是一个有（n+m）列的元组的集合。每个元组的前n列来自R的一个元组，后m列来自S的一个元组，记为R×S。)(}|{SRRStandRttSR}|{StandRtttSRsrsr344.3关系代数例：有两个关系R和S，分别进行并、差、交和广义笛卡尔积运算。354.3关系代数3．专门的关系运算（1）选择（Selection）在关系中选择满足某些条件的元组，即消去某些行，可表示为：（2）投影（Projection）在关系中选择某些属性列，即消去某些列，可表示为：}'')(|{)(真tFandRttRF}|],,,[{)(21,,,21RtAAAtRikiiAAAikii364.3关系代数例：在学生关系中查询1980年以后出生的学生名单，表达式为：查询所有学生的“姓名”、“性别”，表达式为：)(1980学生出生年份)(学生姓名，性别374.3关系代数（3）连接（Join）当一个查询需要来自两个或多个关系的数据时就要用连接操作。连接是从两个关系的笛卡尔积中选取属性间满足一定条件的元组。可表示为：其含义是，从关系R和S的广义笛卡尔积R×S中选取R关系在A属性组上的值与S关系在B属性组上的值满足比较关系θ的元组。1）等值连接：当连接条件中的比较运算符θ为“=”。可表示为：2）自然连接：要求连接时两个关系中进行相等比较的分量必须是相同属性组，且在结果中将相同的属性列去掉。即若关系R和S具有相同属性组B，则自然连接可记作：]}[][|{BtAtandStandRtttSRsrsrsrBA]}[][|{BtAtandStandRtttSRsrsrsrBA]}[][|{BtBtandStandRtttSRsrsrsr384.3关系代数例如，有两个关系R和S关系T：条件为“R.学号S.学号”的连接运算关系U：条件为“R.学号=S.学号”的等值连接关系V：进行自然连接394.3关系代数404.3关系代数（4）除（Division）笛卡尔乘积的逆运算4.4数据库设计与管理424.4.1数据库设计概述设计一个能满足用户要求，性能良好的数据库基本任务：根据用户对象的信息需求、处理需求和数据库的支持环境设计出数据模式两种方法：以信息需求为主，兼顾处理需求（面向数据的方法）以处理需求为主，兼顾信息需求（面向过程的方法）面向数据的设计方法已成为主流方法434.4.1数据库设计概述一般采用生命周期法，分若干阶段需求分析阶段概念设计阶段逻辑设计阶段物理设计阶段编码阶段测试阶段运行阶段进一步修改阶段在数据库设计