1、二級公共基礎(chǔ)知識,第4章 數(shù)據(jù)庫設(shè)計基礎(chǔ),2,內(nèi)容提要,數(shù)據(jù)庫的基本概念：數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)模型，實體聯(lián)系模型及E-R圖，從E-R圖導(dǎo)出關(guān)系數(shù)據(jù)模型。 關(guān)系代數(shù)運算，包括集合運算及選擇、投影、連接運算。 數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法和步驟：需求分析、概念設(shè)計、邏輯設(shè)計和物理設(shè)計的相關(guān)策略。,4.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本概念,4,4.1.1 數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(續(xù)),1數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 描述事物的符號記錄，用物理符號記錄下來的可以鑒別的信息 物理符號：數(shù)字、文字、圖形、圖像聲音及其他特殊符號。 多種表現(xiàn)形式：數(shù)字化 計算機中數(shù)據(jù)分為兩部分： 臨時性數(shù)據(jù) 持久性數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)有型（Type）

2、與值（Value）之分 型：數(shù)據(jù)表示的類型，如整型、實型、字符型等 值：給出了符合給定型的值,5,4.1.1 數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(續(xù)),2數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫Database，簡稱DB 數(shù)據(jù)的集合，具有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)形式并存放于統(tǒng)一的存儲介質(zhì)內(nèi)，是多種應(yīng)用數(shù)據(jù)的集成，并可被各個應(yīng)用程序所共享 按數(shù)據(jù)所提供的數(shù)據(jù)模式存放的 特點： 較小的冗余度 較高的數(shù)據(jù)獨立性 易擴展性 為多個用戶所共享,6,4.1.1 數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(續(xù)),3數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Database Management System，簡稱DBMS 數(shù)據(jù)庫的管理機構(gòu)，職能是有效地組織、存儲、獲取和管理數(shù)據(jù)

3、，接受及完成用戶提出的訪問數(shù)據(jù)的各種請求 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心 DBMS的功能 數(shù)據(jù)模式定義 數(shù)據(jù)存取的物理構(gòu)建 數(shù)據(jù)操縱。 數(shù)據(jù)的完整性、安全性定義與檢查 數(shù)據(jù)庫的并發(fā)控制與故障恢復(fù) 數(shù)據(jù)的服務(wù),7,4.1.1 數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(續(xù)),3數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫語言 數(shù)據(jù)定義語言DDL 數(shù)據(jù)操縱語言DML 數(shù)據(jù)控制語言DCL 數(shù)據(jù)語言的使用 交互式命令語言 宿主型語言 常見的DBMS ORACLE、Sybase的PowerBuilder、IBM的DB2、微軟的SQL Server 微軟的Visual FoxPro、Access，功能簡單,8,4.1.1 數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(續(xù)

4、),4數(shù)據(jù)庫管理員 數(shù)據(jù)庫管理員Database Administrator，簡稱DBA 對數(shù)據(jù)庫的規(guī)劃、設(shè)計、維護、監(jiān)視等的人員 其主要工作有： 數(shù)據(jù)庫設(shè)計 數(shù)據(jù)庫維護 改善系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)效率,9,4.1.1 數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(續(xù)),5數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Database System，簡稱DBS 擁有數(shù)據(jù)庫技術(shù)支持的計算機系統(tǒng) 實現(xiàn)有組織地、動態(tài)地存儲大量相關(guān)數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)處理和資源共享服務(wù) 組成： 數(shù)據(jù)庫（數(shù)據(jù)） 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（軟件） 數(shù)據(jù)庫管理員（人員） 硬件平臺：計算機和網(wǎng)絡(luò) 軟件平臺：操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)工具、接口軟件,10,4.1.1 數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫

5、管理系統(tǒng)(續(xù)),6數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)Database Application System，簡稱DBAS 組成：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)+應(yīng)用軟件+應(yīng)用界面,11,4.1.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展,人工管理階段,12,4.1.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展,文件系統(tǒng)階段,13,4.1.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段,14,4.1.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本特點,數(shù)據(jù)的集成性 數(shù)據(jù)的高共享性與低冗余性 數(shù)據(jù)獨立性 物理獨立性 邏輯獨立性 數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理與控制 數(shù)據(jù)的完整性檢查： 數(shù)據(jù)的安全性保護 并發(fā)控制,15,4.1.4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系,三級模式 概念級模式 內(nèi)部級模式 外部級摸式 二級映射 概念級到

6、內(nèi)部級的映射 外部級到概念級的映射,16,4.1.4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系,l數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式 概念級模式 數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖 一個數(shù)據(jù)庫只有一個概念模式 內(nèi)部級模式 又稱物理模式 數(shù)據(jù)庫物理存儲結(jié)構(gòu)與物理存取方法 對一般用戶是透明的，直接影響數(shù)據(jù)庫的性能 一個數(shù)據(jù)庫只有一個內(nèi)模式。 外部級摸式 也稱子模式或用戶模式 數(shù)據(jù)庫用戶能夠看見和使用的局部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述 用戶的數(shù)據(jù)視圖 一個數(shù)據(jù)庫可以有多個外模式,17,4.1.4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系,2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的兩級映射 概念模式內(nèi)模式的映射 存在于概念級和內(nèi)部級之間 實現(xiàn)了概念

7、模式到內(nèi)模式之間的相互轉(zhuǎn)換 保證數(shù)據(jù)具有很高的物理獨立性 外模式概念模式的映射： 存在于外部級和概念級之間 實現(xiàn)了外模式到概念模式之間的相互轉(zhuǎn)換 保證數(shù)據(jù)具有較高的邏輯獨立性,4.2 數(shù)據(jù)模型,19,4.2.1 數(shù)據(jù)模型的基本概念,數(shù)據(jù)模型，是對現(xiàn)實世界中數(shù)據(jù)的模擬和抽象。 數(shù)據(jù)模型的分類 概念模型：現(xiàn)實世界在人腦中的反映； 邏輯模型：按計算機系統(tǒng)的觀點對數(shù)據(jù)建模； 物理模型：反映數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)。 數(shù)據(jù)模型的組成要素 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：所研究的對象類型的集合； 數(shù)據(jù)操作：對數(shù)據(jù)庫中各種對象的值允許執(zhí)行操作的集合； 數(shù)據(jù)的約束條件：一組完整性規(guī)則的集合。,20,4.2.2 E-R模型,1.基本概念 實體

8、 屬性 聯(lián)系 一對一（1：1） 一對多（1：M或M：1） 多對多（M：N） 2.三個基本概念之間的聯(lián)接關(guān)系 實體集與屬性間的聯(lián)接關(guān)系 實體與聯(lián)系,21,4.2.2 E-R模型,3E-R型的圖示法 實體集：用矩形表示 屬性：用橢圓形表示 聯(lián)系：用菱形表示 實體集與屬性間的聯(lián)接關(guān)系：用無向線段表示 實體集與聯(lián)系間的聯(lián)接關(guān)系：用無向線段表示,22,4.2.3 層次模型,一種樹形結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較簡單，操作簡單 對于實體間聯(lián)系是固定的、且預(yù)先定義好的應(yīng)用系統(tǒng)，有較高的性能 可以提供良好的完整性支持 不適合表示非層次性的聯(lián)系，對于插入和刪除操作的限制比較多,23,4.2.4 網(wǎng)狀模型,一個不加任何條件限

9、制的無向圖 優(yōu)于層次模型 使用時設(shè)計系統(tǒng)內(nèi)部的物理因素較多，用戶操作不方便，其數(shù)據(jù)模式與系統(tǒng)實現(xiàn)不甚理想,24,4.2.5 關(guān)系模型,1關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),屬性,元組,表框架,25,4.2.5 關(guān)系模型,主要術(shù)語 關(guān)系：一個關(guān)系就是一張二維表 元組：表中的一行 屬性：表中的一個列 屬性域：屬性的取值范圍 分量：元組中的一個屬性值 主碼：唯一地標識表中一個元組，主碼屬性不能取空值 外部關(guān)鍵字：與另一個關(guān)系的關(guān)鍵字相對應(yīng)的屬性組 關(guān)系模式：對一個關(guān)系的結(jié)構(gòu)描述 關(guān)系名( 屬性1, 屬性2, . , 屬性n ),26,4.2.5 關(guān)系模型,關(guān)系的性質(zhì) 元組個數(shù)有限性 元組的惟一性 元組的次序無關(guān)性 元組

10、分量的原子性 屬性名惟一性 屬性的次序無關(guān)性 分量值域的同一性,27,4.2.5 關(guān)系模型,2關(guān)系操縱 數(shù)據(jù)查詢 數(shù)據(jù)刪除 數(shù)據(jù)插入 數(shù)據(jù)修改,28,4.2.5 關(guān)系模型,3數(shù)據(jù)完整性約束 實體完整性約束 主鍵中屬性值不能為空值 參照完整性約束 實體及實體間的聯(lián)系 用戶定義的完整性約束 具體應(yīng)用要求來定義的約束條件,4.3 關(guān)系代數(shù),30,4.3 關(guān)系代數(shù),1.關(guān)系模型的基本操作 四種基本操作 插入、刪除、修改和查詢 進一步分解成六種基本操作 關(guān)系的屬性指定 關(guān)系的元組的選擇 兩個關(guān)系的合并 關(guān)系的查詢 關(guān)系元組的插入 關(guān)系元組的刪除,31,4.3 關(guān)系代數(shù),2傳統(tǒng)的集合運算 關(guān)系代數(shù)是以對關(guān)

11、系的集合運算為基礎(chǔ)，分為傳統(tǒng)的集合運算和專門的關(guān)系運算，其運算對象是關(guān)系，運算結(jié)果也是關(guān)系。 傳統(tǒng)的集合運算包括并、交、差、廣義笛卡爾積四種運算。其中并、交、差要求參與運算的兩個關(guān)系的屬性個數(shù)相同，且相應(yīng)的屬性出自同一個域；廣義笛卡爾積則無此限制。,32,4.3 關(guān)系代數(shù),（1）并（Union） 關(guān)系R和S具有相同的關(guān)系模式，R和S的并是由屬于R或?qū)儆赟的元組構(gòu)成的集合?？杀硎緸椋?（2）差（Difference） 關(guān)系R和S具有相同的關(guān)系模式，R和S的差是由屬于R但不屬于S的元組構(gòu)成的集合。可表示為：,33,4.3 關(guān)系代數(shù),（3）交（Intersection） 關(guān)系R和S具有相同的關(guān)系模式

12、，R和S的交是由屬于R且屬于S的元組構(gòu)成的集合?？杀硎緸椋?（4）廣義笛卡爾積 設(shè)關(guān)系R和S的屬性個數(shù)分別為n、m，則R和S的廣義笛卡爾積是一個有（n+m）列的元組的集合。每個元組的前n列來自R的一個元組，后m列來自S的一個元組，記為RS。,34,4.3 關(guān)系代數(shù),例：有兩個關(guān)系R和S，分別進行并、差、交和廣義笛卡爾積運算。,35,4.3 關(guān)系代數(shù),3專門的關(guān)系運算 （1）選擇（Selection） 在關(guān)系中選擇滿足某些條件的元組，即消去某些行，可表示為： （2）投影（Projection） 在關(guān)系中選擇某些屬性列，即消去某些列，可表示為：,36,4.3 關(guān)系代數(shù),例：在學(xué)生關(guān)系中 查詢198

13、0年以后出生的學(xué)生名單，表達式為： 查詢所有學(xué)生的“姓名”、“性別”，表達式為：,37,4.3 關(guān)系代數(shù),（3）連接（Join） 當一個查詢需要來自兩個或多個關(guān)系的數(shù)據(jù)時就要用連接操作。連接是從兩個關(guān)系的笛卡爾積中選取屬性間滿足一定條件的元組?？杀硎緸椋?其含義是，從關(guān)系R和S的廣義笛卡爾積RS中選取R關(guān)系在A屬性組上的值與S關(guān)系在B屬性組上的值滿足比較關(guān)系的元組。 1）等值連接：當連接條件中的比較運算符為“=” ?？杀硎緸椋?2）自然連接：要求連接時兩個關(guān)系中進行相等比較的分量必須是相同屬性組，且在結(jié)果中將相同的屬性列去掉。即若關(guān)系R和S具有相同屬性組B，則自然連接可記作：,38,4.3 關(guān)

14、系代數(shù),例如，有兩個關(guān)系R和S 關(guān)系T：條件為“R.學(xué)號S.學(xué)號”的連接運算 關(guān)系U：條件為“R.學(xué)號=S.學(xué)號”的等值連接 關(guān)系V：進行自然連接,39,4.3 關(guān)系代數(shù),40,4.3 關(guān)系代數(shù),（4）除（Division） 笛卡爾乘積的逆運算,4.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計與管理,42,4.4.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述,設(shè)計一個能滿足用戶要求，性能良好的數(shù)據(jù)庫 基本任務(wù)：根據(jù)用戶對象的信息需求、處理需求和數(shù)據(jù)庫的支持環(huán)境設(shè)計出數(shù)據(jù)模式 兩種方法： 以信息需求為主，兼顧處理需求（面向數(shù)據(jù)的方法） 以處理需求為主，兼顧信息需求（面向過程的方法） 面向數(shù)據(jù)的設(shè)計方法已成為主流方法,43,4.4.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述,

15、一般采用生命周期法，分若干階段 需求分析階段 概念設(shè)計階段 邏輯設(shè)計階段 物理設(shè)計階段 編碼階段 測試階段 運行階段 進一步修改階段 在數(shù)據(jù)庫設(shè)計中采用前四個階段，并且重點以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與模型的設(shè)計為主線,44,4.4.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計的需求分析,任務(wù)：通過詳細調(diào)查現(xiàn)實世界要處理的對象，充分了解原系統(tǒng)的工作概況，明確用戶的各種需求，然后在此基礎(chǔ)上確定新系統(tǒng)的功能 重點：是“數(shù)據(jù)”和“處理” 方法：結(jié)構(gòu)化分析方法、和面向?qū)ο蟮姆椒?對數(shù)據(jù)庫設(shè)計來講，數(shù)據(jù)字典是進行詳細的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析所獲得的主要結(jié)果 數(shù)據(jù)字典是在需求分析階段建立，在數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程中不斷修改、充實、完善的,45,4.4.3 數(shù)據(jù)庫概

16、念設(shè)計,概念設(shè)計的方法 集中式模式設(shè)計法 視圖集成設(shè)計法 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計的過程 選擇局部應(yīng)用 視圖設(shè)計： 三種方法：自頂向下、由底向上、由內(nèi)向外 視圖集成:解決局部設(shè)計中的沖突 命名沖突 概念沖突 域沖突 約束沖突,46,4.4.4 數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計,任務(wù) 概念模型進一步轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型 主要步驟 從E-R圖向關(guān)系模式轉(zhuǎn)換 邏輯模式規(guī)范化及調(diào)整、實現(xiàn) 關(guān)系視圖設(shè)計,47,4.4.5 數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計,主要目標: 對數(shù)據(jù)庫內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)作調(diào)整并選擇合理的存取路徑，提高數(shù)據(jù)庫訪問速度及有效利用存儲空間 物理設(shè)計的內(nèi)容: 索引設(shè)計 集簇設(shè)計 分區(qū)設(shè)計,48,4.4.6 數(shù)據(jù)庫管理,數(shù)據(jù)庫的建立 數(shù)

17、據(jù)模式的建立 數(shù)據(jù)加載 數(shù)據(jù)庫的調(diào)整 數(shù)據(jù)庫的重組 數(shù)據(jù)庫安全性控制與完整性控制 數(shù)據(jù)庫的故障恢復(fù) 數(shù)據(jù)庫監(jiān)控,典型考題分析,50,【例4-1】數(shù)據(jù)庫技術(shù)的根本目標是要解決數(shù)據(jù)的_。（2006年9月） A）存儲問題 B）共享問題 C）安全問題 D）保護問題 答案 B,51,【例4-2】數(shù)據(jù)庫DB，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)DBS，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS之間的關(guān)系是_。（2006年4月） A）DB包含DBS和DBMS B）DBMS包含DB和DBS C）DBS包含DB和DBMS D）沒有任何關(guān)系 答案 C,52,【例4-3】數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心是_。（2005年9月） A）數(shù)據(jù)模型B）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) C）數(shù)據(jù)庫D）數(shù)

18、據(jù)庫管理員 答案 B,53,【例4-4】DBA是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的一個重要組成，有很多職責(zé)。以下選項不屬于DBA職責(zé)的是_。 A）定義數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)和存取策略 B）定義數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu) C）定期對數(shù)據(jù)庫進行重組和重構(gòu) D）設(shè)計和編寫應(yīng)用系統(tǒng)的程序模塊 答案 D,54,【例4-5】數(shù)據(jù)管理技術(shù)發(fā)展過程經(jīng)過人工管理、文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)三個階段，其中數(shù)據(jù)獨立性最高的階段是_。（2005年9月） 答案 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),55,【例4-6】數(shù)據(jù)獨立性是數(shù)據(jù)庫技術(shù)的重要特點之一。所謂數(shù)據(jù)獨立性是指_。（2005年4月） A）數(shù)據(jù)與程序獨立存放 B）不同的數(shù)據(jù)被存放在不同的文件中 C）不同的數(shù)據(jù)只能被對應(yīng)的應(yīng)用程序所使

19、用 D）以上三種說法都不對 答案 D,56,【例4-7】數(shù)據(jù)獨立性分為邏輯獨立性與物理獨立性，當數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)改變時，其邏輯結(jié)構(gòu)可以不變，因此，基于邏輯結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序不必修改，稱為_。（2006年4月） 答案 物理獨立性,57,【例4-8】在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，用戶所見的數(shù)據(jù)模式為_。（2006年9月） A）概念模式 B）外模式 C）內(nèi)模式 D）物理模式 答案 B,58,【例4-9】數(shù)據(jù)庫中對全部數(shù)據(jù)的整體邏輯結(jié)構(gòu)的描述，作為數(shù)據(jù)庫的_。 A）內(nèi)模式 B）外模式 C）概念模式 D）子模式 答案 C,59,【例4-10】數(shù)據(jù)庫的3級模式之間存在映射關(guān)系正確的是_。 A）外模式/內(nèi)模式 B）外模式/概念

20、模式 C）外模式/外模式 D）概念模式/概念模式 答案：B,60,【例4-11】數(shù)據(jù)庫三級模式體系結(jié)構(gòu)的劃分，有利于保持數(shù)據(jù)庫的_。 答案 數(shù)據(jù)獨立性,61,【例4-12】用樹形結(jié)構(gòu)表示實體之間聯(lián)系的模型是_。（2005年4月） A）關(guān)系模型 B）網(wǎng)狀模型 C）層次模型 D）以上三個都是 答案 C,62,【例4-13】“商品”與“顧客”兩個實體集之間的聯(lián)系一般是_。（2006年4月） A）一對一 B）一對多 C）多對一 D）多對多 答案 D,63,【例4-14】在E-R圖中，用來表示實體的圖形是_。（2006年4月） A）矩形 B）橢圓形 C）菱形 D）三角形 答案 A,64,【例4-15】在

21、下面列出的數(shù)據(jù)模型中，_是概念數(shù)據(jù)模型。 A）關(guān)系模型B）層次模型 C）網(wǎng)狀模型D）實體-聯(lián)系模型 答案 D,65,【例4-16】在關(guān)系模型中，把數(shù)據(jù)看成是二維表，每一個二維表稱為一個_。（2006年4月、2005年4月） 答案 關(guān)系,66,【例4-17】一個關(guān)系表的行稱為_。（2006年9月） 答案 元組,67,【例4-18】如果在一個關(guān)系中，存在多個屬性（或?qū)傩越M）都能用來惟一標識該關(guān)系的元組，且其任何子集都不具有這一特性。這些屬性（或?qū)傩越M）都被稱為該關(guān)系的_。 A）連接碼 B）主碼 C）外碼 D）候選碼 答案 D,68,【例4-19】設(shè)屬性A是關(guān)系R的主屬性，則屬性A不能取空值（NULL）。這是_。 A）實體完整性規(guī)則 B）參照完整性規(guī)則 C）用戶定義完整性規(guī)則 D）域完整性規(guī)則 答案 A,69,【例4-20】設(shè)有如下三個關(guān)系表 下列操作中正確的是_。（2006年9月） A）T=RSB）T=RS C）T=RSD）T=R/S 答案 C,70,【例4-21】設(shè)有如下