二级公共基础知识

1. 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。

3. 4.1 数据库系统的基本概念

4. 4.1.1 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

5. 4.1.1 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

6. 4.1.1 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——Database Management System，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

7. 4.1.1 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SQL Server • 微软的Visual FoxPro、Access，功能简单

8. 4.1.1 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——Database Administrator，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

9. 4.1.1 数据、数据库、数据库管理系统(续) • 5．数据库系统 • 数据库系统——Database System，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

10. 4.1.1 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——Database Application System，简称DBAS • 组成：数据库系统+应用软件+应用界面

11. 4.1.2 数据库系统的发展 • 人工管理阶段

12. 4.1.2 数据库系统的发展 • 文件系统阶段

13. 4.1.2 数据库系统的发展 • 数据库系统阶段

14. 4.1.3 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

15. 4.1.4 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

16. 4.1.4 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

17. 4.1.4 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

18. 4.2 数据模型

19. 4.2.1 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。

20. 4.2.2 E-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

21. 4.2.2 E-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

22. 4.2.3 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

23. 4.2.4 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

24. 4.2.5 关系模型 • 1．关系的数据结构 属性 表框架 元组

25. 4.2.5 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 )

26. 4.2.5 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

27. 4.2.5 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

28. 4.2.5 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

29. 4.3 关系代数

30. 4.3 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

31. 4.3 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。

32. 4.3 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：

33. 4.3 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。

34. 4.3 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。

35. 4.3 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：

36. 4.3 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：

37. 4.3 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：

38. 4.3 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

39. 4.3 关系代数

40. 4.3 关系代数 • （4）除（Division） • 笛卡尔乘积的逆运算

41. 4.4 数据库设计与管理

42. 4.4.1 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

43. 4.4.1 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 • 在数据库设计中采用前四个阶段，并且重点以数据结构与模型的设计为主线

44. 4.4.2 数据库设计的需求分析 • 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 • 重点：是“数据”和“处理” • 方法：结构化分析方法、和面向对象的方法 • 对数据库设计来讲，数据字典是进行详细的数据收集和数据分析所获得的主要结果 • 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

45. 4.4.3 数据库概念设计 • 概念设计的方法 • 集中式模式设计法 • 视图集成设计法 • 数据库概念设计的过程 • 选择局部应用 • 视图设计： • 三种方法：自顶向下、由底向上、由内向外 • 视图集成:解决局部设计中的冲突 • 命名冲突 • 概念冲突 • 域冲突 • 约束冲突

46. 4.4.4 数据库的逻辑设计 • 任务 • 概念模型进一步转化成相应的数据模型 • 主要步骤 • 从E-R图向关系模式转换 • 逻辑模式规范化及调整、实现 • 关系视图设计

47. 4.4.5 数据库的物理设计 • 主要目标: • 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 • 物理设计的内容: • 索引设计 • 集簇设计 • 分区设计

48. 4.4.6 数据库管理 • 数据库的建立 • 数据模式的建立 • 数据加载 • 数据库的调整 • 数据库的重组 • 数据库安全性控制与完整性控制 • 数据库的故障恢复 • 数据库监控

49. 典型考题分析

50. 【例4-1】数据库技术的根本目标是要解决数据的______。【例4-1】数据库技术的根本目标是要解决数据的______。 A）存储问题 B）共享问题 C）安全问题 D）保护问题