第五章數據庫設計和ER模型

5.1數據庫設計的全過程什么是數據庫設計？數據庫設計是指對于一個給定的應用環(huán)境，構造最優(yōu)的數據庫模式，建立數據庫及其應用系統，使之能夠有效地存儲數據，滿足各種用戶的應用需求（信息要求和處理要求）在數據庫領域內，常常把使用數據庫的各類系統統稱為數據庫應用系統。數據庫與信息系統數據庫是信息系統的核心和基礎把信息系統中大量的數據按一定的模型組織起來提供存儲、維護、檢索數據的功能使信息系統可以方便、及時、準確地從數據庫中獲得所需的信息數據庫是信息系統的各個部分能否緊密地結合在一起以及如何結合的關鍵所在數據庫設計是信息系統開發(fā)和建設的重要組成部分數據庫系統生存期軟件生存期 從軟件的規(guī)劃、研制、實現、投入運行后的維護，直到它被新的軟件所取代而停止使用的整個期間。數據庫工程數據庫應用系統的開發(fā)是一項軟件工程，但又有自己特有的特點，所以特稱為“數據庫工程”。數據庫系統生存期 數據庫應用系統從開始規(guī)劃、設計、實現、維護到最后被新的系統取代而停止使用的整個期間。

規(guī)劃需求分析系統設計

程序編制

調試

運行維護

運行和維護

實現

物理設計邏輯設計概念設計需求分析規(guī)劃軟件生存期數據庫生存期數據庫設計的輸入數據庫設計的輸入總體信息需求：數據庫系統的目標說明、數據元素的定義、數據在企業(yè)組織中的使用描述。處理需求：每個應用需要的數據項、數據量以及應用執(zhí)行的效率。DBMS的特征：DBMS所支持的模式、子模式和程序語法的規(guī)則。硬件和OS特征：對DBMS和OS訪問方法特有的內容，例如物理設備容量限制、時間特性及運行要求。數據庫設計的輸出數據庫設計的輸出說明書：說明數據庫的完整結構和基于數據庫結構和處理需求的應用程序的設計原則。1.

規(guī)劃階段的目標

得到詳盡的可行性分析報告和數據庫系統規(guī)劃綱要，內容包括：信息范圍；信息來源；人力資源；設備資源；軟件及支持工具資源；開發(fā)成本估算；開發(fā)進度計劃；現行系統向新系統過渡計劃等。規(guī)劃階段的三個步驟系統調查：對企業(yè)組織作全面的調查，畫出組織層次圖，以了解企業(yè)的組織結構可行性分析從技術、經濟、效益、法律等諸方面對建立數據庫的可行性進行分析；寫出可行性分析報告；組織專家討論其可行性確定數據庫系統的總目標和制定項目開發(fā)計劃組織層次圖

醫(yī)院病區(qū)藥房中藥房西藥房急診藥房藥庫中藥庫西藥庫出入院處功檢科室財務科2.

需求分析的目標

對系統的整個應用情況作全面的、詳細的調查，確定企業(yè)組織的目標，收集支持系統總的設計目標的基礎數據和對這些數據的要求，確定用戶的需求，并把這些要求寫成用戶和數據庫設計者都能夠接受的文檔。需求分析工作分析用戶活動，產生業(yè)務流程圖了解用戶當前的業(yè)務活動和職能，搞清其處理流程（即業(yè)務流程）確定系統范圍，產生系統關聯圖

確定計算機所能進行的數據處理的范圍，確定哪些工作由人工完成，哪些工作由計算機系統完成。需求分析工作分析用戶活動涉及的數據，產生數據流程圖

深入分析用戶的業(yè)務處理，以數據流圖形式表示出數據的流向和對數據所進行的加工。分析系統數據，產生數據字典

數據字典是系統中各類數據描述的集合，是進行詳細的數據收集和數據分析所獲得的主要成果，通常包括數據項、數據結構、數據流、數據存儲和處理過程五個部分。業(yè)務流程圖

預交金單據結算單預交金處理入區(qū)登記出院結算病人入院信息入院處病人

護士醫(yī)生醫(yī)囑信息退藥申請單項目執(zhí)行單功檢科醫(yī)囑執(zhí)行藥房診斷入院登記病人確費退藥信息發(fā)藥信息發(fā)藥申請單退藥處理發(fā)藥處理入庫申請退藥申請數據字典

數據流系統名：醫(yī)院管理信息系統

編號：F8條目名：發(fā)藥申請單

別名：來源：病區(qū)系統去處：藥房系統數據流結構：請求序號、住院號、患者姓名、醫(yī)囑序號、藥房代碼、病區(qū)代碼、科室代碼、醫(yī)生代碼、請求日期、藥品代碼、藥品數量、藥品規(guī)格、藥品單位、單價、請求類型簡要說明：病區(qū)執(zhí)行醫(yī)囑后產生發(fā)藥申請單，藥房再按照申請單發(fā)藥修改記錄編寫：張三日期：2014．5審核：李四日期：2014．53.

概念設計什么是概念結構設計？需求分析階段描述的用戶應用需求是現實世界的具體需求將需求分析得到的用戶需求抽象為信息結構即概念模型的過程就是概念結構設計概念結構是各種數據模型的共同基礎，它比數據模型更獨立于機器、更抽象，從而更加穩(wěn)定。概念結構設計是整個數據庫設計的關鍵概念設計的目標

產生反映企業(yè)組織信息需求的數據庫概念結構，即概念模式。概念設計的重要性為什么需要概念設計？（1）將概念設計從設計過程中獨立出來，可以使數據庫設計各階段的任務相對單一化，降低數據庫設計的復雜程度，便于組織管理。（2）概念設計能充分反映現實世界中實體間的聯系，不依賴于具體DBMS的模式，設計結果容易適應外界環(huán)境的變化。概念設計的重要性（3）易于理解，從而可以用它和不熟悉計算機的用戶交換意見，用戶的積極參與是數據庫的設計成功的關鍵。（4）易于向關系模型轉換。概念設計的主要步驟進行數據抽象，設計局部概念模式將局部概念模式綜合成全局概念模式評審描述概念模型的工具E-R模型4.

邏輯設計的目標

把概念設計階段設計好的全局概念模式轉換成與選用的具體機器上的DBMS所支持的數據模型相符合的邏輯結構（包括數據庫模式和外模式）。這些模式在功能上、完整性和一致性約束及數據庫的可擴充性等方面均應滿足用戶的各種要求。邏輯設計的主要步驟把概念模型轉換成邏輯模型設計外模型設計應用程序與數據庫的接口評價模型修正模型5.

物理設計為一個給定的邏輯數據模型選取一個最適合應用環(huán)境的物理結構的過程，就是數據庫的物理設計。數據庫的存儲記錄格式、存儲記錄安排和存取方法稱為數據庫的物理結構。它依賴于給定的計算機系統。物理設計的步驟存儲記錄結構設計（包括記錄的組成、數據項的類型、長度，以及邏輯記錄到存儲記錄的映射。）確定數據存放位置存取方法的設計（主鍵檢索和輔助鍵檢索）完整性和安全性考慮程序設計6.數據庫的實現用DDL定義數據庫結構數據裝載對數據量不大的小型系統（人工）

主要工作：篩選數據；轉換數據格式；輸入數據；校驗數據。對大中型系統（自動，即設計一個數據輸入子系統，由計算機輔助數據的入庫工作）

主要工作：篩選數據；輸入數據；校驗數據；轉換數據；綜合數據。數據庫的實現編制與調試應用程序；數據庫試運行。功能測試性能測試（時空代價）7.數據庫的運行與維護

數據庫的轉儲和恢復轉儲和恢復是系統正式運行后最重要的維護工作之一。DBA要針對不同的應用要求制定不同的轉儲計劃，定期對數據庫和日志文件進行備份。一旦發(fā)生介質故障，即利用數據庫備份及日志文件備份，盡快將數據庫恢復到某種一致性狀態(tài)。數據庫的運行與維護數據庫安全性、完整性控制DBA必須根據用戶的實際需要授予不同的操作權限。在數據庫運行過程中，由于應用環(huán)境的變化，對安全性的要求也會發(fā)生變化，DBA需要根據實際情況修改原有的安全性控制。由于應用環(huán)境的變化，數據庫的完整性約束條件也會變化，也需要DBA不斷修正，以滿足用戶要求。數據庫的運行與維護數據庫性能的監(jiān)督、分析和改進

在數據庫運行過程中，DBA必須監(jiān)督系統運行，對監(jiān)測數據進行分析，找出改進系統性能的方法。利用監(jiān)測工具獲取系統運行過程中一系列性能參數的值。通過仔細分析這些數據，判斷當前系統是否處于最佳運行狀態(tài)。如果不是，則需要通過調整某些參數來進一步改進數據庫性能。數據庫的運行與維護數據庫的重組織和重構造

1）數據庫的重組織

數據庫運行一段時間后，由于記錄的不斷增、刪、改，會使數據庫的物理存儲變壞，從而降低數據庫存儲空間的利用率和數據的存取效率，使數據庫的性能下降。為提高系統性能，需重組織數據庫。數據庫的運行與維護數據庫的重組織不會改變原設計的數據邏輯結構和物理結構。DBMS一般都提供了供重組織數據庫使用的實用程序，幫助DBA重新組織數據庫。數據庫的運行與維護

2）數據庫的重構造數據庫應用環(huán)境發(fā)生變化，會導致實體及實體間的聯系也發(fā)生相應的變化，使原有的數據庫設計不能很好地滿足新的需求數據庫重構造的主要工作是根據新環(huán)境調整數據庫的模式和內模式數據庫的運行與維護重構造數據庫的程度是有限的。若應用變化太大，已無法通過重構數據庫來滿足新的需求，或重構數據庫的代價太大，則表明現有數據庫應用系統的生命周期已經結束，應該重新設計新的數據庫系統，開始新數據庫應用系統的生命周期了。5.2ER模型ER模型的基本元素實體聯系屬性實體聯系屬性ER模型圖例老師學生教mn學號姓名專業(yè)班級職稱性別姓名職號實體實體是一個數據對象，指應用中可以區(qū)別的客觀存在的事物。同一類實體構成實體集。實體類型是對實體集中實體的定義。由于實體、實體集、實體類型等概念的區(qū)分在轉換成數據庫的邏輯設計時才要考慮，因此在不引起混淆的情況下，一般將實體、實體集、實體類型等概念統稱為實體。ER模型中提到的實體往往是指實體集。聯系聯系表示一個或多個實體之間的關聯關系。同一類聯系構成“聯系集”。聯系類型是對聯系集中聯系的定義。同實體一樣，一般將聯系、聯系集、聯系類型等統稱為聯系。屬性實體的某一特性稱為屬性。在一個實體中，能夠唯一標識實體的屬性或屬性集稱為“實體標識符”。一個實體只有一個實體標識符，沒有候選標識符的概念。實體標識符有時也稱為實體的主鍵。聯系也用屬性描述其特征，但聯系本身沒有標識符。屬性的分類根據屬性類型可分為簡單屬性和復合屬性簡單屬性是不可再分割的屬性例如：性別、年齡復合屬性是可以再分解為其他屬性的屬性例如：地址屬性可分解為郵政編碼、?。ㄊ校┟?、區(qū)名、街道四個子屬性。復合屬性形成了屬性的層次結構。屬性的分類圖5.2

地址屬性的層次結構郵政編碼?。ㄊ校┟刂穮^(qū)名街道家庭地址門牌號碼

屬性的分類根據屬性的取值特點分為單值屬性和多值屬性單值屬性指的是同一實體的屬性只能取一個值

例如：同一個學生只能有一個年齡多值屬性只的是同一實體的某些屬性可能取多個值例如：一個教師的學位是一個多值屬性（學士、碩士和博士）。一種商品可能有多種銷售價格（經銷、代銷、批發(fā)和零售）。多值屬性用雙線橢圓形表示。

屬性的分類

圖5.3多值屬性的表示零件編碼零件零件名供應商規(guī)格進貨價格銷售價格零件編碼屬性的分類在數據庫的實施過程中，應修改原來的ER模型，對多值屬性進行變換。將原來的多值屬性用幾個新的單值屬性來表示

例如：商品銷售價格可結合銷售性質（經銷、代銷、批發(fā)和零售）進行分解。將原來的多值屬性用一個新的實體類型表示。這個新實體類型和原來的實體類型是1:N聯系。這個新實體依賴于原實體而存在，因此稱之為弱實體。弱實體用雙線矩形框表示。

5.3.2屬性的分類圖5.4多值屬性的變換（1）零件編碼零件零件名供應商規(guī)格進貨價格經銷價格代銷價格批發(fā)價格零售價格

屬性的分類圖5.5多值屬性的變換（2）零件編碼零件零件名供應商規(guī)格進貨價格銷售性質售貨價格存在銷售價格1N

屬性的分類通過具有相互依賴的屬性推導而產生的屬性稱為派生屬性。派生屬性的值不必存儲在數據庫內，而其他需要存儲值的屬性稱為存儲屬性。例如：實發(fā)工資可從基本工資、獎金、房租等屬性推導出來。派生屬性的值不僅可以從其他屬性導出，也可以從有關的實體導出，派生屬性用虛線橢圓形與實體相連。5.3.2屬性的分類圖5.6派生屬性的表示工號職工姓名基本工資獎金房租實發(fā)工資空值

當實體在某個屬性上沒有值時應使用空值。聯系的元數

一個聯系涉及到的實體集個數，稱為該聯系的元數或度數。

同一個實體集內部實體間的聯系，稱為一元聯系。也稱為遞歸聯系。兩個不同實體集、實體之間的聯系稱為二元聯系。三個不同實體集實體之間的聯系，稱為三元聯系。一對多聯系圖5.8一對多聯系

多對多聯系圖5.9多對多聯系

ER模型的操作教師號姓名出生日期職務工資獎金教師（a）

在數據庫設計過程中，常常要對ER圖進行種種變化，這種變化稱為ER模型的操作，包括實體類型、聯系類型和屬性的分裂、合并、增刪等。原實體類型分裂教師號姓名出生日期教師不變信息職務工資獎金教師號教師變動信息（b）圖5.16

實體類型的垂直分裂分裂方式有兩種：水平分裂（元組）和垂直分裂（屬性）分裂教師課程主講輔導1MNN圖5.17聯系類型的分裂教師課程教授MN（a）（b）聯系類型也可分裂合并

不合法的合并B(a)ACA-CB-CACA-B-C(b)B合并是分裂操作的逆過程。合并的聯系類型必須是定義在相同的實體類型組合中，否則是不合法的合并。5.3ER模型到關系模型的轉換算法5.1

步驟1：將每個實體類型轉換成一個關系模式，實體的屬性即為關系模式的屬性，實體標識符即為關系模式的鍵。ER圖轉換成關系模式集的規(guī)則步驟2聯系類型的轉換步驟2.1二元聯系類型的轉換若實體間聯系是1:1，可以在兩個實體類型轉換成的兩個關系模式中任意一個關系模式的屬性中加入另一個關系模式的鍵和聯系類型的屬性。

若實體間聯系是1:N，則在N端實體類型轉換成的關系模式中加入1端實體類型的鍵和聯系類型的屬性。

若實體間聯系是M:N，則將聯系類型也轉換成關系模式，其屬性為兩端實體類型的鍵加上聯系類型的屬性，而鍵為兩端實體鍵的組合。

步驟2.2

一元聯系類型的轉換:同二元聯系ER圖轉換成關系模式集的規(guī)則步驟2.3

三元聯系類型的轉換

若實體間的聯系是1:1:1，可以在3個實體類型轉換成的3個關系模式中任意一個關系模式的屬性中加入另兩個關系模式的鍵和聯系類型的屬性。

若實體間聯系是1:1:N，則在N端實體類型轉換成的關系模式中加入兩個1端實體類型的鍵（作為外鍵）和聯系類型的屬性。

若實體間聯系是1:M:N，則將聯系類型也轉換成關系模式，其屬性為M端和N端實體類型的鍵（作為外鍵）加上聯系類型的屬性，而鍵為M端和N端實體鍵的組合。

若實體間聯系是M:N:P，則將聯系類型也轉換成關系模式，其屬性為3端實體類型的鍵（作為外鍵）加上聯系類型的屬性，而鍵為3端實體鍵的組合。ER模型到關系模型的轉換實例一對一聯系

ER模型到關系模型的轉換實例1:1：在任意一個關系模式的屬性中加入另一個關系模式的鍵和聯系類型的屬性。學校（校名，地址，電話，校長名，任職年月）校長（姓名，性別，年齡，職稱）學校（校名，地址，電話）校長（姓名，性別，年齡，職稱，任職學校，任職年月）ER模型到關系模型的轉換實例一對多聯系

ER模型到關系模型的轉換實例1:N：在N端關系模式的屬性中加入1端關系模式的鍵和聯系類型的屬性。系（系號，系名，電話）教師（工號，姓名，性別，年齡，系號，聘期）ER模型到關系模型的轉換實例圖2.5多對多聯系

ER模型到關系模型的轉換實例M:N：將聯系類型轉換成關系模式，其屬性為兩端實體類型的鍵加上聯系類型的屬性，而鍵為兩端實體鍵的組合。學生(學號，姓名，年齡，性別)課程(課程號，課程名，教師名)選課(學號，課程號，成績)

ER模型到關系模型的轉換實例教師系課程課程號課程名學分姓名性別職稱教材聘用開設任教教工號電話聘期主管系編號系名111MNNN1ER模型到關系模型的轉換實例實體類型的轉換系（系編號，系名，電話）教師（教工號，姓名，性別，職稱）課程（課程號，課程名，學分）聯系類型的轉換系（系編號，系名，電話，主管人的教工號）教師（教工號，姓名，性別，職稱，系編號，聘期）課程（課程號，課程名，學分，系編號）任教(教工號，課程號，教材)ER模型到關系模型的轉換實例運動員編號姓名性別名次順序11職工工號姓名年齡性別領導1N運動員（編號，姓名，性別，名次，上一名次編號，下一名次編號）

職工（工號，姓名，年齡，性別，經理工號）

ER模型到關系模型的轉換實例零件零件號零件名規(guī)格數量組成MN零件（零件號，零件名，規(guī)格）組成（零件號，子零件號，數量）

ER模型到關系模型的轉換實例倉庫商品商店倉庫號倉庫名地址數量商店號商品名商品號商店名日期進貨MNP倉庫（倉庫號，倉庫名，地址）商店（商店號，商店名）商品（商品號，商品名）進貨（商店號，商品名，倉庫號，日期，數量）

例1庫存銷售信息管理系統的ER模型及轉換P車間倉位產品客戶銷售員存儲出庫訂單入庫MNMPMNPMNN庫存系統ER圖車間(車間號,車間名,主任名)產品(產品號，產品名，單價)倉位(倉位號，地址，主任名)客戶(客戶號，客戶名，聯系人，電話，地址，稅號，賬號)銷售員(銷售員號,姓名,性別,學歷,業(yè)績）實體入庫（入庫單號,入庫量,入庫日期,經手人,車間號,倉位號,產品名）出庫（出庫單號，出庫量，出庫日期，經手人，客戶號，產品名，倉位號）訂單（訂單號，數量，折扣，總價，訂單日期，產品號，客戶號，銷售員號）

存儲(倉位號,產品號,核對日期,核對員,存儲量)聯系5.4ER模型到關系模型的轉換實例例2：公司車隊信息系統的ER模型

圖5.27公司車隊信息系統的ER模型部門車隊司機車輛開銷維修公司調用報銷擁有聘用保險2保險1M1NN1NNNN11保險公司1N維修部門(部門號,名稱,負責人)車隊(車隊號，名稱，地址)司機(司機號，姓名，執(zhí)照號，電話，工資)車輛(車牌號，車型，顏色，載重)保險公司（保險公司號，名稱，地址）維修公司（維修公司號，名稱，地址）開銷(順序號,費用類型,費用,日期,經手人）調用(出車編號,出車日期,車程，費用，車輛數目)保險1(投保日期，保險種類，費用)保險2(投保日期，保險種類，費用)實體類型聯系的屬性例2：公司車隊信息系統的ER模型

部門(部門號,名稱,負責人)車隊(車隊號，名稱，地址)司機(司機號，姓名，執(zhí)照號，電話，工資，保險公司號，投保日期，保險種類，費用，車隊號)車輛(車牌號，車型，顏色，載重，保險公司號，投保日期，保險種類，費用，

維修公司號，車隊號)保險公司（保險公司號，名稱，地址）維修公司（維修公司號，名稱，地址）開銷(順序號,費用類型,費用,日期,經手人，車牌號）調用(出車編號,部門號,車隊號，出車日期,車程，費用，車輛數目)實體類型聯系類型例3：人事管理信息系統的ER模型

職工(工號,姓名,性別,年齡,學歷)部門(部門號，部門名稱，職能)崗位(崗位編號，崗位名稱，崗位等級)技能(技能編號，技能名稱，技能等級)獎懲（序號，獎懲標志，項目，獎懲金額）培訓課程（課程號，課程名，教材，學時）工資(工號,基本工資,級別工資,養(yǎng)老金,失業(yè)金,公積金,納稅）選課(時間,成績)設置(人數)考核(時間，地點，級別)接受(獎懲時間)實體類型聯系的屬性N圖5.28人事管理信息系統的ER模型工資培訓課程部門職工獎懲技能享有接受選課屬于聘任設置M11NMNMMN1崗位NN考核1例3：人事管理信息系統的ER模型職工(工號,姓名,性別,年齡,學歷，部門號，崗位編號)部門(部門號，部門名稱，職能)崗位(崗位編號，崗位名稱，崗位等級)技能(技能編號，技能名稱，技能等級)獎懲（序號，獎懲標志，項目，獎懲金額）培訓課程（課程號，課程名，教材，學時）工資(工號,基本工資,級別工資,養(yǎng)老金,失業(yè)金,公積金,納稅）選課(工號,課程號，時間,成績)設置(部門號，崗位編號，人數)考核(工號,技能編號，時間，地點，級別)接受(工號,序號，獎懲時間)實體類型聯系類型例4：旅游管理信息系統的ER模型

導游(導游編號,姓名,性別,年齡,身份證號碼,住址,電話,語種,等級,業(yè)績)交通工具(旅游班次號，出發(fā)工具，出發(fā)日期，出發(fā)班次，出發(fā)時間，回程工具，回程日期，回程班次，回程時間)賓館(賓館編號，賓館名，城市，星級，標準房價，聯系人，職務，地址，電話，傳真)

旅游線路(路線號,起點,終點,天數,主要景點)旅游班次(班次號,出發(fā)日期,回程日期,旅游標準,報價)旅游團(團號,團名,人數,聯系人,地址,電話)游客(游客編號,姓名,性別,年齡,身份證號碼,住址,電話)保險單(保險單編號，保險費，投保日期)實體類型實體類型N圖5.29旅游管理信息系統的ER模型旅游線路旅游班次賓館旅游團導游旅客開設陪同有交通參加食宿111NM11NN1保險單NM組成交通工具1例4：旅游管理信息系統的ER模型旅游線路(路線號,起點,終點,天數,主要景點)旅游班次(班次號,出發(fā)日期,回程日期,旅游標準,報價，路線號)旅游團(團號,團名,人數,聯系人,地址,電話，保險單編號，班次號)游客(游客編號,姓名,性別,年齡,身份證號碼,住址,電話，團號)保險單(保險單編號，保險費，投保日期)導游(導游編號,姓名,性別,年齡,身份證號碼,住址,電話,語種,等級,業(yè)績)交通工具(旅游班次號，出發(fā)工具，出發(fā)日期，出發(fā)班次，出發(fā)時間，回程工具，回程日期，回程班次，回程時間)賓館(賓館編號，賓館名，城市，星級，標準房價，聯系人，職務，地址，電話，傳真)陪同(導游編號,班次號)食宿(班次號，賓館編號)實體類型聯系類型5.5增強的ER模型什么是弱實體

一個實體對于另一個實體（稱為父實體）具有很強的依賴關系，而且該實體主鍵的一部分或全部從其父實體中獲得，稱該實體為弱實體。弱實體弱實體的表示方法

在ER模型中，弱實體用雙線矩形框表示，與弱實體相關的聯系，用雙線菱形框表示。父實體與弱實體的聯系只能是1:1或1:N。弱實體顧客地址通訊N1問題:商業(yè)應用系統中，顧客地址的存在依賴于顧客的存在（一般顧客可以有若干個聯系地址）

ER圖在實際應用中，對于有很強依賴關系的實體才確定為弱