第二章 数据库设计和ER模型

要求、目标：

了解和掌握数据库应用系统设计的全过程，掌握ER模型和关系模型的基本概念，掌握概念设计中ER模型的设计方法，掌握逻辑设计中ER模型向关系模型转换的方法。

一、数据库系统生存期

1.数据库系统生存期：数据库应用系统从开始规划、设计、实现、维护到最后被新的系统取代而停止使用的整个期间。

2.数据库系统生存期分七个阶段：规划、需求分析、概念设计、逻辑设计、物理设计、实现、运行维护。

3.规划阶段三个步骤：系统调查、可行性分析、确定数据库系统总目标。

4.需求分析阶段：主要任务是系统分析员和用户双方共同收集数据库系统所需要的信息内容和用户对处理的需求，并以需求说明书的形式确定下来。

5.概念设计阶段：产生反映用户单位信息需求的概念模型。与硬件和DBMS无关。

6.逻辑设计阶段：将概念模型转换成DBMS能处理的逻辑模型。外模型也将在此阶段完成。

7.物理设计阶段：对于给定的基本数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构的过程。数据库的物理结构主要指数据库的存储记录格式、存储记录安排和存取方法。

8.数据库的实现：包括定义数据库结构、数据装载、编制与调试应用程序、数据库试运行。

二、ER模型的基本概念

1. ER模型的基本元素是：实体、联系和属性。

2. 实体：是一个数据对象，指应用中可以区别的客观存在的事物。

实体集：是指同一类实体构成的集合。

实体类型：是对实体集中实体的定义。

一般将实体、实体集、实体类型统称为实体。

3. 联系：表示一个或多个实体之间的关联关系。

联系集：是指同一类联系构成的集合。

联系类型：是对联系集中联系的定义。

一般将联系、联系集、联系类型统称为联系。

4. 同一个实体集内部实体之间的联系，称为一元联系;两个不同实体集实体之间的联系，称为二元联系，以此类推。

5. 属性：实体的某一特性称为属性。在一个实体中，能够惟一标识实体的属性或属性集称为实体标识符。

6. ER模型中，方框表示实体、菱形框表示联系、椭圆形框表示属性、实体与联系、实体与其属性、联系与其属性之间用直线连接。实体标识符下画横线。联系的类型要在直线上标注。注意：联系也有可能存在属性，但联系本身没有标识符。

例：假设一个学生可选多门课程，而一门课程又有多个学生选修，一个教师可讲多门课程，一门课程至多只有一个教师讲授。ER图如下：

7. 概念设计三个步骤：设计局部ER模型、设计全局ER模型和全局ER模型的优化。

三、关系模型的基本概念

1.关系模型的定义：用二维表格表示实体集，用关键码表示实体之间联系的数据模型。

2.在关系模型中，字段称为属性，字段值称为属性值，记录类型称为关系模式。记录称为元组，元组的集合称为关系或实例。有时习惯称关系为表或表格，元组为行，属性为列。关系中属性个数称为元数，元组个数称为基数。

3.关键码(简称键)：由一个或多个属性组成。

4.超键：在关系中能惟一标识元组的属性集称为关系模式的超键。

5.候选键：不含有多余属性的超键。

6.主键：用户选作元组标识的候选键。一般如不加说明，键是指主键。

7.外键：如果模式R中属性集K是其他模式的主键，那么K在模式R中称为外键。

8.值域：关系中每一个属性都有一个取值范围，称为属性的值域。每一个属性对应一个值域，不同的属性可对应于同一值域。

9.关系的定义：关系是一个属性数目相同的元组的集合。

10.关系的性质：关系是一种规范化了的二维表格。

1)关系中每一个属性值都是不可分解的;

2)关系中不允许出现重复元组;

3)关系没有行序;

4)元组中的属性在理论上也是无序的，但使用时按习惯考虑列的顺序。

11.关系数据库中的数据与更新操作必须遵循三类完整性规则：实体完整性规则、参照完整性规则、用户定义的完整性规则。

12.实体完整性规则：要求关系中元组在组成主键的属性上不能有空值。

13.参照完整性规则：如果属性集K是关系模式R1的主键，K也是关系模式R2的外键，那么在R2关系中，K的取值只允许两种可能，或者为空值，或者等于R1关系中某个主键值。这条规则的实质是“不允许引用不存在的实体”。其中，R1称为参照关系;R2称为依赖关系。

注意：这条规则在具体使用时，有三点变通：

1)外键和相应的主键可以不同名，只要定义在相同值域上即可;

2)R1和R2可以是同一个关系模式，此时表示了同一个关系中不同元组之间的联系;

3)外键值是否允许空，应视具体问题而定。

14.用户定义的完整性规则：用户针对具体的数据约束，设置的完整性规则，由系统来检验实施。

四、ER模型到关系模型的转换

1.ER图转换成关系模式集的算法：

1)实体类型的转换：将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的属性，实体标识符即为关系模式的键。

2)联系类型的转换：主要掌握二元联系类型的转换。

a) 若实体间联系是1：1，可以在两个实体类型转换成的关系模式中任意一个关系模式的属性中加入另一个关系模式的键(作为外键)和联系类型的属性。

b) 若实体间联系是1：N，则在N端实体类型转换成的关系模式中加入1端实体类型的键(作为外键)和联系类型的属性。

c) 若实体间联系是M：N，则将联系类型也转换成关系模式，其属性为两端实体类型的键(作为外键)加上联系类型的属性，而键为两端实体键的组合。

例：下面是教学管理的一个可能的ER图。图中，有三个实体类型：系、教师和课程;有四个联系类型：主管、聘用、开设和任教。根据转换算法，把该图转换成关系模式集的步骤如下：

第一步：把三个实体类型转换成三个关系模式(注意关系模式的表示方法)：

系(系编号，系名，电话)

教师(教工号，姓名，性别，职称)

课程(课程号，课程名，学分)

第二步：对于1：1联系，可以在“系”模式中加入教工号(教工号为外键)。

对于1：N联系“聘用”，可以在“教师”模式中加入系编号和聘期两个属性(系编号为外键);

对于1：N联系“开设”，可以在“课程”模式中加入系编号(系编号为外键)。这样第一步得到的三个模式改变成如下形式(注意：外键通常使用波浪线表示)：

系(系编号，系名，电话，主管人的教工号)

教师(教工号，姓名，性别，职称，系编号，聘期)

课程(课程号，课程名，学分，系编号)

第三步：对于M：N联系“任教”，则生成一个新的关系模式：