1、二级公共基础知识二级公共基础知识第4章 数据库设计基础2内容提要内容提要n数据库的基本概念：数据库，数据库管理系统，数据库系数据库的基本概念：数据库，数据库管理系统，数据库系统。统。n数据模型，实体联系模型及数据模型，实体联系模型及E-RE-R图，从图，从E-RE-R图导出关系数据图导出关系数据模型。模型。n关系代数运算，包括集合运算及选择、投影、连接运算。关系代数运算，包括集合运算及选择、投影、连接运算。n数据库设计方法和步骤：需求分析、概念设计、逻辑设计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。和物理设计的相关策略。4.1 4.1 数据库系统的基本概念数据库系
2、统的基本概念44.1.1 4.1.1 数据、数据库、数据库管理系统数据、数据库、数据库管理系统n1 1数据数据n数据n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n物理符号：数字、文字、图形、图像声音及其他特殊符号。n多种表现形式：数字化n计算机中数据分为两部分：n临时性数据n持久性数据n数据类型（Type）与值（Value）之分n型：数据表示的类型，如整型、实型、字符型等n值：给出了符合给定型的值54.1.1 4.1.1 数据、数据库、数据库管理系统数据、数据库、数据库管理系统(续续)n2 2数据库数据库n数据库Database，简称DBn数据的集合，具有统一的结构形式并存放于统一
3、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n按数据所提供的数据模式存放的n特点：n较小的冗余度n较高的数据独立性n易扩展性n为多个用户所共享64.1.1 4.1.1 数据、数据库、数据库管理系统数据、数据库、数据库管理系统(续续)n3 3数据库管理系统数据库管理系统n数据库管理系统Database Management System，简称DBMSn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n数据库系统的核心nDBMS的功能n数据模式定义n数据存取的物理构建n数据操纵。n数据的完整性、安全性定义与检查n数据库的并发控制与故障
4、恢复n数据的服务74.1.1 4.1.1 数据、数据库、数据库管理系统数据、数据库、数据库管理系统(续续)n3 3数据库管理系统数据库管理系统n数据库语言n数据定义语言DDLn数据操纵语言DMLn数据控制语言DCLn数据语言的使用n交互式命令语言n宿主型语言n常见的DBMSnORACLE、Sybase的PowerBuilder、IBM的DB2、微软的SQL Servern微软的Visual FoxPro、Access，功能简单84.1.1 4.1.1 数据、数据库、数据库管理系统数据、数据库、数据库管理系统(续续)n4 4数据库管理员数据库管理员n数据库管理员Database Administ
5、rator，简称DBAn对数据库的规划、设计、维护、监视等的人员n其主要工作有：n数据库设计n数据库维护n改善系统性能，提高系统效率94.1.1 4.1.1 数据、数据库、数据库管理系统数据、数据库、数据库管理系统(续续)n5 5数据库系统数据库系统n数据库系统Database System，简称DBSn拥有数据库技术支持的计算机系统n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n组成组成:(DBS包括DB和DBMS)n数据库（数据）n数据库管理系统（软件）n数据库管理员（人员）n硬件平台：计算机和网络n软件平台：操作系统、数据库系统开发工具、接口软件104.1.1 4.1
6、.1 数据、数据库、数据库管理系统数据、数据库、数据库管理系统(续续)n6 6数据库应用系统数据库应用系统n数据库应用系统Database Application System，简称DBASn组成：数据库系统+应用软件+应用界面114.1.2 4.1.2 数据库系统的发展数据库系统的发展n人工管理阶段人工管理阶段124.1.2 4.1.2 数据库系统的发展数据库系统的发展n文件系统阶段文件系统阶段134.1.2 4.1.2 数据库系统的发展数据库系统的发展n数据库系统阶段数据库系统阶段 144.1.3 4.1.3 数据库系统的基本特点数据库系统的基本特点n数据的集成性数据的集成性n数据的高共享
7、性与低冗余性数据的高共享性与低冗余性n数据独立性数据独立性n物理独立性：数据的物理结构的改变不影响逻辑结构n逻辑独立性：数据的逻辑结构的改变不影响应用程序n数据统一管理与控制数据统一管理与控制n数据的完整性检查：n数据的安全性保护n并发控制154.1.4 4.1.4 数据库系统的内部结构体系数据库系统的内部结构体系n三级模式三级模式n概念模式n内部模式n外部摸式n二级映射二级映射n概念模式到内部模式的映射n外部模式到概念模式的映射 内模式 DB 概念模式 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/概念模式映象 内模式/概念模式映象 164.1.4
8、4.1.4 数据库系统的内部结构体系数据库系统的内部结构体系nl l数据库系统的三级模式数据库系统的三级模式n概念模式n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n一个数据库只有一个概念模式n内部模式n又称物理模式n数据库物理存储结构与物理存取方法n对一般用户是透明的，直接影响数据库的性能n一个数据库只有一个内模式。n外部摸式n也称子模式或用户模式n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n用户的数据视图n一个数据库可以有多个外模式174.1.4 4.1.4 数据库系统的内部结构体系数据库系统的内部结构体系n2 2数据库系统的两级映射数据库系统的两级映射n概
9、念模式内模式的映射n存在于概念级和内部级之间n实现了概念模式到内模式之间的相互转换n保证数据具有很高的物理独立性n外模式概念模式的映射：n存在于外部级和概念级之间n实现了外模式到概念模式之间的相互转换n保证数据具有较高的逻辑独立性4.2 4.2 数据模型数据模型194.2.1 4.2.1 数据模型的基本概念数据模型的基本概念n数据模型，是对现实世界中数据的模拟和抽象。数据模型，是对现实世界中数据的模拟和抽象。n数据模型的分类数据模型的分类 n概念模型：现实世界在人脑中的反映；n包括：E-R图，扩充的E-R图，面向对象模型及谓词模型等n逻辑模型：按计算机系统的观点对数据建模；n包括：层次模型、网
10、状模型、关系模型、面向对象模型等 n物理模型：反映数据的存储结构。n数据模型的组成要素数据模型的组成要素 n数据结构：所研究的对象类型的集合；n数据操作：对数据库中各种对象的值允许执行操作的集合；n数据的约束条件：一组完整性规则的集合。204.2.2 4.2.2 E-RE-R模型模型n1.1.基本概念基本概念n实体n属性n联系n一对一（1：1）n一对多（1：M或M：1）n多对多（M：N）n2.2.三个基本概念之间的联接关系三个基本概念之间的联接关系n实体集与属性间的联接关系n实体与联系214.2.2 E-R4.2.2 E-R模型模型n3E-R型的图示法n实体集：用矩形表示n属性：用椭圆形表示n
11、联系：用菱形表示n实体集与属性间的联接关系：用无向线段表示n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 4.2.3 层次模型层次模型n一种树形结构n数据结构比较简单，操作简单n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n可以提供良好的完整性支持n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234.2.4 4.2.4 网状模型网状模型n一个不加任何条件限制的无向图n优于层次模型n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244.2.5 4.2.5 关系模型
12、关系模型n1 1关系的数据结构关系的数据结构学号学号姓名姓名性别性别出生年月出生年月籍贯籍贯2005410220054102张洁然张洁然男男07-07-8707-07-87上海上海2005410320054103李一明李一明男男05-01-8605-01-86安徽合肥安徽合肥2006930120069301王文燕王文燕女女11-06-8811-06-88山东青岛山东青岛2006930220069302刘刘 宏宏男男10-17-8710-17-87江苏南京江苏南京属性属性元组元组表框架表框架 254.2.5 4.2.5 关系模型关系模型n主要术语主要术语n关系：一个关系就是一张二维表n元组：表中
13、的一行n属性：表中的一个列n属性域：属性的取值范围n分量：元组中的一个属性值n主码(键)：唯一地标识表中一个元组，主码属性不能取空值n候选码(键)：二维表中可能有若干个键，这些键都称为候选码(键)n外部关键字：与另一个关系的关键字相对应的属性组n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 4.2.5 关系模型关系模型n关系的性质关系的性质n元组个数有限性n元组的惟一性n元组的次序无关性n元组分量的原子性n属性名惟一性n属性的次序无关性n分量值域的同一性274.2.5 4.2.5 关系模型关系模型n2 2关系操纵关系操纵n数据查询n数据删除n数据插入n数据修
14、改284.2.5 4.2.5 关系模型关系模型n3 3数据完整性约束数据完整性约束n实体完整性约束n主键中属性值不能为空值n参照完整性约束n实体及实体间的联系n用户定义的完整性约束n具体应用要求来定义的约束条件4.3 4.3 关系代数关系代数304.3 4.3 关系代数关系代数n1.1.关系模型的基本操作关系模型的基本操作n四种基本操作n插入、删除、修改和查询n进一步分解成六种基本操作n关系的属性指定n关系的元组的选择n两个关系的合并n关系的查询n关系元组的插入n关系元组的删除314.3 4.3 关系代数关系代数n2 2传统的集合运算传统的集合运算n关系代数是以对关系的集合运算为基础，分为传统
15、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。n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 4.3 关系代数关系代数n（1 1）并并（UnionUnion）n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：n（2 2）差差（DifferenceDifference）n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|StandRttSR334.3 4.3 关系
16、代数关系代数n（3 3）交（交（IntersectionIntersection）n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：n（4 4）广义笛卡尔积广义笛卡尔积n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RS。)(|SRRStandRttSR|StandRtttSRsrsr344.3 4.3 关系代数关系代数n例：有两个关系例：有两个关系R R和和S S，分别进行并、差、交和广义笛卡尔积运算。，分别进行并、差、交和广义笛卡尔积运算。354
17、.3 4.3 关系代数关系代数n3专门的关系运算n（1）选择（Selection）n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：n（2）投影（Projection）n在关系中选择某些属性列，即消去某些列，可表示为：)(|)(真tFandRttRF|,)(21,21RtAAAtRikiiAAAikii364.3 4.3 关系代数关系代数n例：在学生关系中例：在学生关系中n查询1980年以后出生的学生名单，表达式为：n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 4.3 关系代数关系代数n（3 3）连接（）连接（JoinJoin）n当
18、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：n其含义是，从关系R和S的广义笛卡尔积RS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的元组。n1）等值连接：当连接条件中的比较运算符为“=”。可表示为：n2）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：n|BtAtandStandRtttSRsrsrsrBA|BtAtandStandRtttSRsrsrsrBA|BtBtandStandRtttSRsr
19、srsr384.3 4.3 关系代数关系代数n例如，有两个关系例如，有两个关系R R和和S Sn关系T：条件为“R.学号S.学号”的连接运算n关系U：条件为“R.学号=S.学号”的等值连接n关系V：进行自然连接 394.3 4.3 关系代数关系代数404.3 4.3 关系代数关系代数n（4 4）除（）除（DivisionDivision）n笛卡尔乘积的逆运算4.4 4.4 数据库设计与管理数据库设计与管理424.4.1 4.4.1 数据库设计概述数据库设计概述n设计一个能满足用户要求，性能良好的数据库设计一个能满足用户要求，性能良好的数据库n基本任务：根据用户对象的信息需求、处理需求基本任务：
20、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和数据库的支持环境设计出数据模式n两种方法：两种方法：n以信息需求为主，兼顾处理需求（面向数据的方法）n以处理需求为主，兼顾信息需求（面向过程的方法）n面向数据的设计方法已成为主流方法434.4.1 4.4.1 数据库设计概述数据库设计概述n一般采用生命周期法，分一般采用生命周期法，分若干阶段若干阶段n需求分析阶段n概念设计阶段n逻辑设计阶段n物理设计阶段n编码阶段n测试阶段n运行阶段n进一步修改阶段n在数据库设计中采用前四在数据库设计中采用前四个阶段，并且重点以数据个阶段，并且重点以数据结构与模型的设计为主线结构与模型的设计为主
21、线444.4.2 4.4.2 数据库设计的需求分析数据库设计的需求分析n任务：通过详细调查现实世界要处理的对象，充分了解原系统的工作任务：通过详细调查现实世界要处理的对象，充分了解原系统的工作概况，明确用户的各种需求，然后在此基础上确定新系统的功能概况，明确用户的各种需求，然后在此基础上确定新系统的功能n重点：是重点：是“数据数据”和和“处理处理”n方法：结构化分析方法、和面向对象的方法方法：结构化分析方法、和面向对象的方法n对数据库设计来讲，对数据库设计来讲，数据字典数据字典是进行详细的数据收集和数据分析所获是进行详细的数据收集和数据分析所获得的主要结果，得的主要结果，实现对数据的定义实现对
22、数据的定义n数据字典是在需求分析阶段建立，在数据库设计过程中不断修改、充数据字典是在需求分析阶段建立，在数据库设计过程中不断修改、充实、完善的实、完善的454.4.3 4.4.3 数据库概念设计数据库概念设计n概念设计的方法概念设计的方法n集中式模式设计法n视图集成设计法n数据库概念设计的过程数据库概念设计的过程n选择局部应用n视图设计：n三种方法：自顶向下、由底向上、由内向外n视图集成:解决局部设计中的冲突n命名冲突n概念冲突n域冲突n约束冲突464.4.4 4.4.4 数据库的逻辑设计数据库的逻辑设计n任务任务n概念模型进一步转化成相应的数据模型n主要步骤主要步骤n从E-R图向关系模式转换
23、n实体和联系都可以表示为关系n逻辑模式规范化及调整、实现n关系视图设计474.4.5 4.4.5 数据库的物理设计数据库的物理设计n主要目标主要目标:n对数据库内部物理结构作调整并选择合理的存取路径，提高数据库访问速度及有效利用存储空间n物理设计的内容物理设计的内容:n索引设计n集簇设计n分区设计484.4.6 4.4.6 数据库管理数据库管理n数据库的建立n数据模式的建立n数据加载n数据库的调整n数据库的重组n数据库安全性控制与完整性控制n数据库的故障恢复n数据库监控典型考题分析典型考题分析 50n【例例4-14-1】数据库技术的根本目标是要解决数据的数据库技术的根本目标是要解决数据的_。（
24、20062006年年9 9月）月）A）存储问题B）共享问题C）安全问题D）保护问题51n【例例4-24-2】数据库数据库DBDB，数据库系统，数据库系统DBSDBS，数据库管理系统，数据库管理系统DBMSDBMS之间的关系是之间的关系是_。（。（20062006年年4 4月）月）A）DB包含DBS和DBMSB）DBMS包含DB和DBSC）DBS包含DB和DBMSD）没有任何关系52n【例例4-34-3】数据库系统的核心是数据库系统的核心是_。（。（20052005年年9 9月）月）A）数据模型B）数据库管理系统C）数据库 D）数据库管理员53n【例例4-44-4】DBADBA是数据库系统的一个
25、重要组成，有很多职责。是数据库系统的一个重要组成，有很多职责。以下选项不属于以下选项不属于DBADBA职责的是职责的是_。A）定义数据库的存储结构和存取策略B）定义数据库的结构C）定期对数据库进行重组和重构D）设计和编写应用系统的程序模块54n【例例4-54-5】数据管理技术发展过程经过人工管理、文件系数据管理技术发展过程经过人工管理、文件系统和数据库系统三个阶段，其中数据独立性最高的阶段是统和数据库系统三个阶段，其中数据独立性最高的阶段是_。（。（20052005年年9 9月）月）55n【例例4-64-6】数据独立性是数据库技术的重要特点之一。所数据独立性是数据库技术的重要特点之一。所谓数据
26、独立性是指谓数据独立性是指_。（。（20052005年年4 4月）月）A）数据与程序独立存放B）不同的数据被存放在不同的文件中C）不同的数据只能被对应的应用程序所使用D）以上三种说法都不对56n【例例4-74-7】数据独立性分为逻辑独立性与物理独立性，当数据独立性分为逻辑独立性与物理独立性，当数据的存储结构改变时，其逻辑结构可以不变，因此，基数据的存储结构改变时，其逻辑结构可以不变，因此，基于逻辑结构的应用程序不必修改，称为于逻辑结构的应用程序不必修改，称为_。（。（20062006年年4 4月）月）57n【例例4-84-8】在数据库系统中，用户所见的数据模式为在数据库系统中，用户所见的数据模
27、式为_。（。（20062006年年9 9月）月）A）概念模式B）外模式C）内模式D）物理模式58n【例例4-94-9】数据库中对全部数据的整体逻辑结构的描述，数据库中对全部数据的整体逻辑结构的描述，作为数据库的作为数据库的_。A）内模式B）外模式C）概念模式D）子模式59n【例例4-104-10】数据库的数据库的3 3级模式之间存在映射关系正确的是级模式之间存在映射关系正确的是_。A）外模式/内模式B）外模式/概念模式C）外模式/外模式D）概念模式/概念模式60n【例例4-114-11】数据库三级模式体系结构的划分，有利于保持数据库三级模式体系结构的划分，有利于保持数据库的数据库的_。61n【
28、例例4-124-12】用树形结构表示实体之间联系的模型是用树形结构表示实体之间联系的模型是_。（20052005年年4 4月）月）A）关系模型B）网状模型C）层次模型D）以上三个都是62n【例例4-134-13】“商品商品”与与“顾客顾客”两个实体集之间的联系一两个实体集之间的联系一般是般是_。（。（20062006年年4 4月）月）A）一对一B）一对多C）多对一D）多对多63n【例例4-144-14】在在E-RE-R图中，用来表示实体的图形是图中，用来表示实体的图形是_。（20062006年年4 4月）月）A）矩形B）椭圆形C）菱形D）三角形64n【例例4-154-15】在下面列出的数据模型
29、中，在下面列出的数据模型中，_是概念数据是概念数据模型。模型。A）关系模型B）层次模型C）网状模型D）实体-联系模型65n【例例4-164-16】在关系模型中，把数据看成是二维表，每一个在关系模型中，把数据看成是二维表，每一个二维表称为一个二维表称为一个_。（。（20062006年年4 4月、月、20052005年年4 4月）月）66n【例例4-174-17】一个关系表的行称为一个关系表的行称为_。（。（20062006年年9 9月）月）67n【例例4-184-18】如果在一个关系中，存在多个属性如果在一个关系中，存在多个属性（或属性组）都能用来惟一标识该关系的元组，（或属性组）都能用来惟一标
30、识该关系的元组，且其任何子集都不具有这一特性。这些属性（或且其任何子集都不具有这一特性。这些属性（或属性组）都被称为该关系的属性组）都被称为该关系的_。A）连接码B）主码C）外码D）候选码68n【例例4-194-19】设属性设属性A A是关系是关系R R的主属性，则属性的主属性，则属性A A不能取空不能取空值（值（NULLNULL）。这是）。这是_。A）实体完整性规则B）参照完整性规则C）用户定义完整性规则D）域完整性规则69n【例例4-204-20】设有如下三个关系表设有如下三个关系表下列操作中正确的是_。（2006年9月）A）T=RSB）T=RSC）T=RSD）T=R/S70n【例例4-2
31、14-21】设有如下关系表设有如下关系表:则下列操作中正确的是_。（2005年9月）A）TRSB）TRSC）TRSD）TR/S71n【例例4-224-22】设关系设关系R R是是4 4元关系，关系元关系，关系S S是一个是一个5 5元关系，关元关系，关系系T T是是R R与与S S的笛卡尔积，即的笛卡尔积，即T=RT=RS S，则关系，则关系T T是是_元关元关系。系。A）9B）11C）20D）4072n【例例4-234-23】关系数据库管理系统能实现的专门关系运算包关系数据库管理系统能实现的专门关系运算包括括_。A）排序、索引、统计B）选择、投影、连接C）关联、更新、排序D）显示、打印、制表
32、73n【例例4-244-24】下列关系运算中，下列关系运算中，_不要求关系不要求关系R R和和S S具有具有相同的属性个数。相同的属性个数。A）RSB）RSC）RSD）RS74n【例例4-254-25】数据库设计的四个阶段是：需求分析、概念数据库设计的四个阶段是：需求分析、概念设计、逻辑设计和设计、逻辑设计和_。（。（20062006年年9 9月）月）A）编码设计B）测试阶段C）运行阶段D）物理设计75n【例例4-264-26】在数据库设计中，将在数据库设计中，将E-RE-R图转换成关系模型的图转换成关系模型的过程属于过程属于_。A）需求分析阶段B）逻辑设计阶段C）概念设计阶段D）物理设计阶段
33、76n【例例4-274-27】数据字典是数据设计需求分析阶段的最重要的数据字典是数据设计需求分析阶段的最重要的工具之一，其最基本功能是工具之一，其最基本功能是_。A）数据库定义B）数据通信C）数据定义D）数据维护77n【例例4-284-28】将将E-RE-R图转换到关系模式时，实体与联系都可图转换到关系模式时，实体与联系都可以表示成以表示成_。A）属性B）关系C）键D）域78n【例例4-294-29】在关系数据库设计中，设计视图（在关系数据库设计中，设计视图（ViewView）是）是_阶段的工作。阶段的工作。A）需求分析B）物理设计C）逻辑设计D）概念设计79n【例例4-304-30】设计数据库的存储结构属于数据库的设计数据库的存储结构属于数据库的_。A）需求分析B）概念设计C）逻辑设计D）物理设计
