項(xiàng)目1
　　設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫
　　【項(xiàng)目要點(diǎn)】
　　* 數(shù)據(jù)庫的基本概念。
　　* 數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展歷史。
　　* 數(shù)據(jù)庫的三級模式結(jié)構(gòu)。
　　* 數(shù)據(jù)模型的概念、組成和類型。
　　* 概念數(shù)據(jù)模型的概念。
　　* 實(shí)體-聯(lián)系模型的基本概念和E-R圖。
　　* 邏輯數(shù)據(jù)模型的概念和類型。
　　* 關(guān)系模型的基本概念。
　　* 關(guān)系代數(shù)。
　　* 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的方法和步驟。
　　【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
　　* 掌握數(shù)據(jù)庫的基本概念、數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展歷史和數(shù)據(jù)庫三級模式結(jié)構(gòu)。
　　* 掌握數(shù)據(jù)模型的概念、組成和類型。
　　* 掌握概念數(shù)據(jù)模型的概念。
　　* 掌握實(shí)體-聯(lián)系模型的基本概念。
　　* 掌握E-R圖的組成和畫法。
　　* 掌握關(guān)系模型的基本概念。
　　* 掌握關(guān)系代數(shù)表達(dá)式的書寫。
　　* 掌握數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的方法和步驟。
　　1.1  數(shù)據(jù)庫的基本概念
　　1.1.1  數(shù)據(jù)庫
　　信息（Information）是現(xiàn)實(shí)世界事物的存在方式或運(yùn)動狀態(tài)的反映，其內(nèi)容描述的是事物之間的相互聯(lián)系和相互作用。
　　數(shù)據(jù)（Data）是描述事物的符號記錄。數(shù)據(jù)包括文字、圖形、圖像、聲音等。數(shù)據(jù)包括兩個(gè)方面，即型和值。型是指數(shù)據(jù)的類型，是數(shù)值類、字符類還是日期類等；值是指數(shù)據(jù)在給定類型下的值，比如數(shù)值類的值可以是12、字符類的值可以是“中國”、日期類的值可以是“2015-3-22”等。
　　數(shù)據(jù)和信息之間存在著聯(lián)系，信息通過數(shù)據(jù)表示，而信息是數(shù)據(jù)的含義。
　　數(shù)據(jù)庫（Database，DB）是一個(gè)長期存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)的、有組織的、有共享的、統(tǒng)一管理的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是按照一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述和存儲的，有較小的冗余度、較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性和易擴(kuò)展性。
　　1.1.2  數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)
　　數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Database Management System，DBMS）是使用和管理數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)軟件，位于用戶與操作系統(tǒng)之間，負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制。所有對數(shù)據(jù)庫的操作都交由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)完成，這使得數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性得以保證。
　　數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要具備6個(gè)功能：數(shù)據(jù)定義，數(shù)據(jù)的組織、存儲和管理，數(shù)據(jù)操縱，數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行管理和安全保護(hù)，數(shù)據(jù)庫的維護(hù)，通信和互操作。
　　數(shù)據(jù)定義功能用于建立和修改數(shù)據(jù)庫的庫結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)定義語言（Data Definition Language，DDL）來完成數(shù)據(jù)定義功能。
　　數(shù)據(jù)的組織、存儲和管理功能的目標(biāo)是提高存儲空間利用率，選擇合適的存取方法提高存取效率。數(shù)據(jù)的組織、存儲與管理功能主要包括DBMS如何分類組織、存儲和管理各種數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)字典、用戶數(shù)據(jù)、存取路徑等，需確定以何種文件結(jié)構(gòu)和存取方式在存儲級上組織這些數(shù)據(jù)，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。
　　數(shù)據(jù)操縱功能用于用戶對數(shù)據(jù)庫插入、更新、刪除和查詢數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)操縱語言（Data Manipulation Language，DML）來完成數(shù)據(jù)操縱功能。
　　數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行管理和安全保護(hù)功能確保數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的正常運(yùn)行，內(nèi)容包括多用戶環(huán)境下的并發(fā)控制、安全性檢查、存取限制控制、完整性檢查、日志的管理、事務(wù)的管理和發(fā)生故障后數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)控制語言（Data Control Language，DCL）來完成數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行管理和安全保護(hù)功能。
　　數(shù)據(jù)庫的維護(hù)功能包括數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)輸入、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)儲、數(shù)據(jù)庫的重組織、數(shù)據(jù)庫性能監(jiān)視和分析等功能，這些功能是由若干實(shí)用程序和管理工具來完成的。
　　通信和互操作功能是指數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的通信和不同數(shù)據(jù)庫之間的互操作。
　　1.1.3  數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
　　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（Database Systems，DBS）是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中引入了數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)，專門用于完成特定的業(yè)務(wù)信息處理。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括硬件、軟件和用戶。其中，軟件包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、應(yīng)用開發(fā)工具和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序。用戶包括系統(tǒng)分析員、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員、程序開發(fā)人員、數(shù)據(jù)庫管理員和最終用戶。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。
　　數(shù)據(jù)庫管理員（Database Administrator，DBA）是專門負(fù)責(zé)管理和維護(hù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的人。通常，數(shù)據(jù)庫管理員的工作職責(zé)包括參與或負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，根據(jù)應(yīng)用來創(chuàng)建和修改數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)系統(tǒng)存儲方案并制定未來的存儲需求計(jì)劃，維護(hù)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)安全性、完整性、并發(fā)控制，安裝和升級數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及應(yīng)用程序工具，管理和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫的用戶，監(jiān)控和優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的性能，制定數(shù)據(jù)庫備份計(jì)劃，定期進(jìn)行數(shù)據(jù)庫備份，在災(zāi)難出現(xiàn)時(shí)對數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行恢復(fù)，等等。在實(shí)際工作中，一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可能有一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)庫管理員，也可能數(shù)據(jù)庫管理員同時(shí)也負(fù)責(zé)系統(tǒng)中的其他工作。
　　數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)（Database Application Systems，DBAS）是指由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序組成的軟件系統(tǒng)。
　　1.1.4  數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展
　　數(shù)據(jù)管理技術(shù)是指對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、組織、編碼、存儲、檢索和維護(hù)的技術(shù)。數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展大致劃分為3個(gè)階段，即人工管理階段、文件系統(tǒng)階段和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段。
　�。�1） 人工管理階段。20世紀(jì)50年代中期之前，計(jì)算機(jī)剛剛出現(xiàn)，主要用于科學(xué)計(jì)算。硬件存儲設(shè)備只有磁帶、卡片和紙帶；軟件方面還沒有操作系統(tǒng)，沒有專門管理數(shù)據(jù)的軟件。因此，程序員在程序中不僅要規(guī)定數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，還要設(shè)計(jì)其物理結(jié)構(gòu)，包括存儲結(jié)構(gòu)、存取方法、輸入輸出方式等。數(shù)據(jù)的組織面向應(yīng)用，不同的計(jì)算程序之間不能共享數(shù)據(jù)，使得不同的應(yīng)用之間存在大量的重復(fù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)與程序不獨(dú)立。數(shù)據(jù)通過批處理方式進(jìn)行處理，處理結(jié)果不保存，難以重復(fù)使用。
　�。�2） 文件系統(tǒng)階段。20世紀(jì)50年代中期到60年代中期，隨著計(jì)算機(jī)大容量存儲設(shè)備（如硬盤）和操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)管理進(jìn)入文件系統(tǒng)階段。在文件系統(tǒng)階段，數(shù)據(jù)以文件為單位存儲在外存，且由操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理。用戶通過操作系統(tǒng)的界面管理數(shù)據(jù)文件。文件的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)相獨(dú)立，程序和數(shù)據(jù)分離。用戶的程序與數(shù)據(jù)可分別存放在外存儲器上，各個(gè)應(yīng)用程序可以共享一組數(shù)據(jù)，通過文件來進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。但是，數(shù)據(jù)在文件中的組織方式仍然是由程序決定，因此必然存在相當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)冗余。數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和應(yīng)用程序相關(guān)聯(lián)，一方修改，必然導(dǎo)致另一方也要隨之修改。此外，簡單的數(shù)據(jù)文件不能體現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，只能交由應(yīng)用程序來進(jìn)行處理，缺乏獨(dú)立性。
　�。�3） 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段。20世紀(jì)60年代后，隨著計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，數(shù)據(jù)管理開始運(yùn)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，進(jìn)入了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段。數(shù)據(jù)庫技術(shù)以數(shù)據(jù)為中心組織數(shù)據(jù)，采用一定的數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)模型不僅體現(xiàn)數(shù)據(jù)本身的特征，而且體現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，數(shù)據(jù)集成性高。根據(jù)數(shù)據(jù)模型建成的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)冗余小，易修改、易擴(kuò)充，便于共享，程序和數(shù)據(jù)有較高的獨(dú)立性。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理與控制數(shù)據(jù)庫，保證了數(shù)據(jù)的安全性和完整性，可以有效地控制并發(fā)管理。
　　20世紀(jì)80年代中期以來，數(shù)據(jù)庫技術(shù)與其他新技術(shù)相結(jié)合，陸續(xù)產(chǎn)生了多種類型的數(shù)據(jù)庫，如面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫、分布式數(shù)據(jù)庫、并行數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫、模糊數(shù)據(jù)庫、時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、知識數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫等。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，各行各業(yè)不僅越來越多地面對海量數(shù)據(jù)，更迫切需求信息的挖掘和決策的制定，從而推動數(shù)據(jù)管理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
　　1.1.5  數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
　　從數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)角度看，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常采用三級模式結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由外模式、模式和內(nèi)模式三級組成，如圖1-1所示。
　　圖1-1  數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)三級模式結(jié)構(gòu)圖
　　* 模式：模式也稱邏輯模式或概念模式，是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特性的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。模式和數(shù)據(jù)的物理存儲及硬件無關(guān)，也和使用的應(yīng)用程序無關(guān)。一個(gè)數(shù)據(jù)庫只有一個(gè)模式。
　　* 外模式：外模式也稱子模式或用戶模式，是數(shù)據(jù)庫用戶能夠使用的部分?jǐn)?shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是用戶的數(shù)據(jù)視圖。外模式面向用戶，描述用戶所關(guān)心的數(shù)據(jù)，是模式的子集。一個(gè)數(shù)據(jù)庫可以有多個(gè)外模式。
　　* 內(nèi)模式：內(nèi)模式也稱物理模式或存儲模式，是數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)物理結(jié)構(gòu)和存儲方式的描述，是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的表示方式。一個(gè)數(shù)據(jù)庫只有一個(gè)內(nèi)模式。
　　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式滿足了數(shù)據(jù)庫的不同層面的需求。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在三級模式結(jié)構(gòu)之間提供了兩層映像，即外模式/模式映像和模式/內(nèi)模式映像。這種兩層映像機(jī)制保證了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獨(dú)立性。數(shù)據(jù)獨(dú)立性包括邏輯獨(dú)立性和物理獨(dú)立性。
　　* 外模式/模式映像：每個(gè)外模式和模式之間存在外模式/模式映像，是外模式所描述的數(shù)據(jù)局部邏輯結(jié)構(gòu)和模式所描述的全局邏輯結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)模式改變時(shí)，只要修改外模式/模式的映像，使得外模式保持不變，那么使用外模式的應(yīng)用程序也保持不變，從而保證了數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性。邏輯獨(dú)立性將數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用程序相分離，減少了修改應(yīng)用程序的工作量。
　　* 模式/內(nèi)模式映像：模式和內(nèi)模式之間存在模式/內(nèi)模式映像，是模式所描述的全局邏輯結(jié)構(gòu)和內(nèi)模式所描述的物理存儲結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)內(nèi)模式改變時(shí)，只要修改模式/內(nèi)模式的映像，使得模式保持不變，那么外模式以及相關(guān)的應(yīng)用程序都不用修改，從而保證了數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性。
　　1.2  數(shù) 據(jù) 模 型
　　1.2.1  數(shù)據(jù)模型的概念
　　數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫的核心和基礎(chǔ)，是對現(xiàn)實(shí)世界的抽象描述。數(shù)據(jù)模型描述現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系、數(shù)據(jù)的語義和完整性約束。數(shù)據(jù)模型應(yīng)能夠比較真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)世界，容易被人們理解，便于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。通過數(shù)據(jù)模型的建立，人們完成了從現(xiàn)實(shí)世界到信息世界和機(jī)器世界之間信息的抽象和表示，使得現(xiàn)實(shí)中的問題通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得到精準(zhǔn)的描述和解決。
　　1.2.2  數(shù)據(jù)模型的組成
　　數(shù)據(jù)模型描述了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的靜態(tài)特征、動態(tài)特征和完整性約束條件。數(shù)據(jù)模型包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和完整性約束3個(gè)部分。
　　1. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
　　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)庫中所有對象類型的集合，是對系統(tǒng)靜態(tài)特征的描述。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)模型的核心。通常根據(jù)數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型來命名數(shù)據(jù)模型，如將采用層次結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和關(guān)系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型命名為層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型。
　　2. 數(shù)據(jù)操作
　　數(shù)據(jù)操作是基于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并對數(shù)據(jù)庫中對象可執(zhí)行的操作和操作規(guī)則的集合，是對系統(tǒng)動態(tài)特征的描述。數(shù)據(jù)操作主要包括數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的插入、更新、修改和查詢的操作。數(shù)據(jù)模型必須定義這些操作的確切含義、操作符號、操作規(guī)則及實(shí)現(xiàn)操作的語言。
　　3. 完整性約束
　　完整性約束是一組完整性規(guī)則的集合。完整性約束規(guī)定了數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)本身及數(shù)據(jù)之間所需要遵守的約束條件，以便確保數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的正確、有效和相容。
　　1.2.3  數(shù)據(jù)模型的類型
　　用計(jì)算機(jī)解決現(xiàn)實(shí)中的問題，這其實(shí)就是建立不同階段的數(shù)據(jù)模型的過程。通過建立不同階段的數(shù)據(jù)模型，人們將現(xiàn)實(shí)世界的特征抽象出來，然后轉(zhuǎn)化為能用計(jì)算機(jī)建立的模型，從而達(dá)到解決實(shí)際問題的目的。
　　根據(jù)數(shù)據(jù)建模的不同階段，數(shù)據(jù)模型分為概念數(shù)據(jù)模型、邏輯數(shù)據(jù)模型和物理數(shù)據(jù)模型3個(gè)類型。
　　1. 概念數(shù)據(jù)模型
　　概念數(shù)據(jù)模型，也稱概念模型，能夠真實(shí)地反映現(xiàn)實(shí)世界，包括事物和相互之間的聯(lián)系，能滿足用戶對數(shù)據(jù)的處理要求，是表示現(xiàn)實(shí)世界的一個(gè)抽象模型。概念數(shù)據(jù)模型是用戶與數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員之間進(jìn)行交流的語言。概念數(shù)據(jù)模型不依賴于特定的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，但可以轉(zhuǎn)換為特定的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所支持的數(shù)據(jù)模型。因此，概念數(shù)據(jù)模型要易于理解、易于擴(kuò)充和易于向各種類型的邏輯數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換。
　　概念數(shù)據(jù)模型有實(shí)體-聯(lián)系模型、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型、二元數(shù)據(jù)模型、語義數(shù)據(jù)模型、函數(shù)數(shù)據(jù)模型等。下面主要介紹實(shí)體-聯(lián)系（E-R）模型。
　　實(shí)體-聯(lián)系模型是采用E-R圖來描述現(xiàn)實(shí)世界的概念模型。E-R圖由簡單的圖形構(gòu)成，可以直觀地表示現(xiàn)實(shí)世界中各類對象的特征和對象之間的聯(lián)系。
　　1）??E-R圖的介紹
　　E-R圖的組成元素包括實(shí)體集、屬性、聯(lián)系。E-R圖中，實(shí)體集用矩形表示，內(nèi)有實(shí)體集名稱；屬性用橢圓形表示，內(nèi)有屬性名稱，并以直線與所屬實(shí)體集或聯(lián)系相連；聯(lián)系用菱形表示，內(nèi)有聯(lián)系名稱，并以直線與實(shí)體集相連，并在聯(lián)系旁邊注明聯(lián)系的類型（1∶1、1∶n或者m∶n）。如果聯(lián)系有屬性，那么也要用直線將屬性和聯(lián)系相連。
　　2） 實(shí)體-聯(lián)系模型中的基本概念
　�。�1） 實(shí)體：實(shí)體是現(xiàn)實(shí)世界中可區(qū)分的客觀對象或抽象概念。例如，一個(gè)學(xué)生、一門課程。
　�。�2） 屬性：屬性是實(shí)體所具有的特征。一個(gè)實(shí)體往往有多個(gè)屬性。例如，每個(gè)學(xué)生都有學(xué)號、姓名、性別、班級、出生日期等屬性。
　�。�3） 實(shí)體集：實(shí)體集是具有相同屬性描述的實(shí)體的集合。例如，所有學(xué)生、所有課程。
　　（4） 實(shí)體型：實(shí)體型將實(shí)體集抽象為實(shí)體的名稱和所有屬性來表示該類實(shí)體。例如，學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，班級，出生日期）就是學(xué)生實(shí)體集的實(shí)體型。
　　（5） 碼：碼也稱鍵，是可以將實(shí)體集中每個(gè)實(shí)體進(jìn)行區(qū)分的屬性或?qū)傩约�。例如，每個(gè)學(xué)生的學(xué)號絕不相同，學(xué)號這個(gè)屬性可以作為學(xué)生實(shí)體集的鍵。
　　（6） 域：域是實(shí)體集的各個(gè)屬性的取值范圍。例如，學(xué)生的性別屬性取值為“男”或“女”。
　�。�7） 聯(lián)系：兩個(gè)實(shí)體集之間存在一對一、一對多和多對多3種聯(lián)系。例如，一個(gè)班主任只管理一個(gè)班級，一個(gè)班級只有一個(gè)班主任，班主任和班級之間是一對一的聯(lián)系；一個(gè)班級有多個(gè)學(xué)生，一個(gè)學(xué)生只屬于一個(gè)班級，班級和學(xué)生之間是一對多的聯(lián)系；一門課程有多個(gè)學(xué)生選修，一個(gè)學(xué)生選修多門課程，課程和學(xué)生之間是多對多的聯(lián)系。兩個(gè)實(shí)體集之間的3種聯(lián)系如圖1-2所示。
　　?（a）??1∶1聯(lián)系    ?    （b）??1∶n聯(lián)系        （c）??m∶n聯(lián)系
　　圖1-2  兩個(gè)實(shí)體集之間的聯(lián)系圖
　　單一實(shí)體集之間也存在一對一、一對多和多對多3種聯(lián)系。例如，領(lǐng)導(dǎo)和職工之間，一個(gè)領(lǐng)導(dǎo)可以管理多個(gè)職工，而領(lǐng)導(dǎo)本人也是職工，如圖1-3所示。
　　兩個(gè)以上的實(shí)體集之間也存在一對一、一對多和多對多3種聯(lián)系。例如，一門課程由多個(gè)教師講授，一門課程有多個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)，一個(gè)學(xué)生的一門課程可能由多個(gè)教師講授（因?yàn)橛锌赡艽嬖谘a(bǔ)考和重修），如圖1-4所示。
　　圖1-3  單個(gè)實(shí)體集之間的一對多聯(lián)系圖         圖1-4  3個(gè)實(shí)體集之間的多對多聯(lián)系圖
　　班主任、班級、學(xué)生、課程4個(gè)實(shí)體集組成的E-R圖如圖1-5所示。
　　圖1-5  班主任、班級、學(xué)生、課程實(shí)體集的E-R圖
　　2. 邏輯數(shù)據(jù)模型
　　邏輯數(shù)據(jù)模型，也稱邏輯模型，是與特定的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)模型。邏輯模型設(shè)計(jì)的要求是把概念模型轉(zhuǎn)換成所選用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所支持的特定類型的邏輯模型。
　　現(xiàn)有的邏輯模型主要包括層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型。
　　1） 層次模型
　　層次模型的總體結(jié)構(gòu)為樹形結(jié)構(gòu)，其中結(jié)點(diǎn)表示記錄類型，每個(gè)記錄類型包含多個(gè)字段，結(jié)點(diǎn)之間的連線表示記錄類型之間的聯(lián)系。層次模型有且只有一個(gè)根結(jié)點(diǎn)，除根結(jié)點(diǎn)外的所有結(jié)點(diǎn)向上有且只有一個(gè)父結(jié)點(diǎn)，向下可以有一個(gè)或多個(gè)子結(jié)點(diǎn)。層次模型的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，完整性支持良好，但僅適用于數(shù)據(jù)具有層次性聯(lián)系的場合，插入和刪除結(jié)點(diǎn)操作的限制較多，查詢必須逐級通過父結(jié)點(diǎn)。
　　2） 網(wǎng)狀模型
　　網(wǎng)狀模型允許每個(gè)結(jié)點(diǎn)有零個(gè)或多個(gè)父結(jié)點(diǎn)，還允許結(jié)點(diǎn)之間有多個(gè)聯(lián)系。網(wǎng)狀模型較層次模型相比更接近現(xiàn)實(shí)，存取效率高，但數(shù)據(jù)獨(dú)立性復(fù)雜，在存取時(shí)要指定路徑，應(yīng)用程序訪問困難。
　　3） 關(guān)系模型
　　關(guān)系模型建立在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)概念基礎(chǔ)上，是當(dāng)前流行的邏輯模型。以二維表為基本結(jié)構(gòu)所建立的模型稱為關(guān)系模型。關(guān)系模型中，表是基礎(chǔ)邏輯結(jié)構(gòu)，由行和列組成，如表1-1所示。
　　表1-1  教師信息表
　　教師工號
　　姓  名
　　性  別
　　出生日期
　　職  稱
　　09001
　　王斌
　　男
　　1975-3-26
　　副教授
　　09002
　　李梅
　　女
　　1977-6-2
　　講師
　　09003
　　金志明
　　男
　　1957-12-15
　　教授
　　09004
　　王思思
　　女
　　1981-3-2
　　助教
　　關(guān)系模型中以表來表示實(shí)體以及實(shí)體之間的聯(lián)系，以表來存儲記錄，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，存取路徑透明，具有良好的數(shù)據(jù)獨(dú)立性和安全保密性。關(guān)系模型中的基本概念如下。
　　* 關(guān)系：表。
　　* 元組：也稱記錄，是表中的一行，代表該關(guān)系所包含的一個(gè)實(shí)體。
　　* 屬性：也稱字段，是表中的一列，代表該關(guān)系所具有的一個(gè)特性。
　　* 碼：表中可以唯一確定一個(gè)元組的屬性或者屬性組。
　　* 候選碼：表中所有可以唯一確定一個(gè)元組的屬性或者屬性組的集合。其中，屬性組中應(yīng)沒有可去除的屬性。
　　* 主碼：表中唯一確定一個(gè)元組的屬性或者屬性組。一個(gè)表只能有一個(gè)主碼。
　　* 外碼：不是表中的碼，但與另一個(gè)表中的主碼相對應(yīng)的屬性或者屬性組。
　　* 域：屬性的取值范圍。
　　* 分量：一個(gè)元組中的某個(gè)屬性值。
　　* 關(guān)系模式：對關(guān)系的描述，可寫成“關(guān)系名（屬性1,屬性2,…,屬性n）”。
　　關(guān)系具有以下7個(gè)性質(zhì)。
　　* 關(guān)系中元組的個(gè)數(shù)有限。
　　* 關(guān)系中的元組不能重復(fù)，
　　* 關(guān)系中的元組可以交換順序。
　　* 關(guān)系中的屬性具有原子性，不可分解。
　　* 關(guān)系中各屬性的名稱不能重復(fù)。
　　* 關(guān)系中的屬性可以交換順序。
　　* 關(guān)系中各元組同一屬性值的值域是相同的。
　　關(guān)系模型的數(shù)據(jù)操作主要包括查詢、插入、更新和刪除。
　　關(guān)系模型的完整性分為實(shí)體完整性、參照完整性和域完整性3類。其中，實(shí)體完整性是指關(guān)系的主碼值不能為空值；參照完整性是指關(guān)系的外碼值必須為空值或者等于所對應(yīng)主碼所在關(guān)系中某個(gè)元組的主碼值；域完整性是指關(guān)系的屬性值滿足特定的語義要求。
　　1.2.4  數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化
　　既然關(guān)系模型是用關(guān)系來保存數(shù)據(jù)，那么是不是關(guān)系中只要能裝入所有數(shù)據(jù)就行了呢？答案是否定的。關(guān)系模式不是隨意設(shè)計(jì)的。關(guān)系模式設(shè)計(jì)不佳，會導(dǎo)致后續(xù)使用出現(xiàn)如數(shù)據(jù)冗余量過大、插入異常、更新異常、刪除異常等問題。
　　因此，關(guān)系模式的設(shè)計(jì)必須滿足一定的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是范式。關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系模式必須滿足一定級別的范式。范式是符合某一種級別的關(guān)系模式的集合。目前，關(guān)系模式有6種范式，即第一范式（1NF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）、改進(jìn)的第三范式（BCNF）、第四范式（4NF）和第五范式（5NF）。滿足最低要求的范式是第一范式（1NF）。在第一范式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步滿足更多要求的稱為第二范式（2NF），其余范式依次類推。
　　第一范式是指關(guān)系模式的每一個(gè)屬性都是不可分割的基本數(shù)據(jù)項(xiàng)，同一行同一列中不能有多個(gè)值。在任何一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，第一范式是對關(guān)系模式的基本要求，不滿足第一范式的數(shù)據(jù)庫就不是關(guān)系數(shù)據(jù)庫。例如，學(xué)生表包含學(xué)號、學(xué)生姓名、班級編號和聯(lián)系方式，其中聯(lián)系方式不能將電話、地址和郵編3類數(shù)據(jù)合在一列中顯示，解決的方法是在學(xué)生表中設(shè)置電話、地址和郵編3個(gè)屬性，分別保存這3部分?jǐn)?shù)據(jù)。
　　第二范式建立在第一范式的基礎(chǔ)上，即滿足第二范式必須先滿足第一范式。第二范式要求關(guān)系模式的非主屬性完全函數(shù)依賴于碼，不能存在對碼的部分函數(shù)依賴。例如，成績表包含學(xué)號、學(xué)生姓名、班級編號、課程編號、成績，主碼是學(xué)號、課程編號和班級編號。但是，只知道學(xué)號和課程編號就可以查出該學(xué)生的成績，不需要知道學(xué)生的班級編號，因此成績表的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不符合第二范式。這樣設(shè)計(jì)的表在使用中有很多問題，插入一個(gè)學(xué)生的所有課程成績將反復(fù)插入該生的基本信息，如果刪除該生的所有課程成績將導(dǎo)致刪除該生的基本信息，如果該生的基本信息有變化又需要將其所有的成績記錄進(jìn)行更新。為了解決數(shù)據(jù)冗余和重復(fù)操作的問題，可以將其中的學(xué)號和班級編號分解出來，形成學(xué)生表，原有的成績表保留學(xué)號、學(xué)生姓名、課程編號和成績。學(xué)生表的主碼是學(xué)號，成績表的主碼是學(xué)號和課程編號，這樣調(diào)整使得兩個(gè)表均滿足第二范式。
　　第三范式建立在第二范式的基礎(chǔ)上，要求關(guān)系模式中的非主屬性不依賴于其他非主屬性，也就是不存在傳遞依賴。例如，班級表包含班級編號、班級名稱、系編號、系名稱，主碼是班級編號。如果插入同一個(gè)系的兩個(gè)班級的信息，將產(chǎn)生兩條記錄，其中系編號和系名稱完全一樣。其實(shí)，系編號決定了系名稱，這樣又會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余�？梢蕴砑酉当�，系表包含系編號、系名稱、系簡介，主碼是系編號，在班級表中刪除系名稱和系簡介，添加系編號。這樣使得關(guān)系模式滿足第三范式。
　　BCNF建立在第三范式的基礎(chǔ)上，是指關(guān)系模式的所有非主屬性完全函數(shù)依賴于碼，所有主屬性完全函數(shù)依賴于不包含它的碼，沒有屬性完全函數(shù)依賴于非碼的任何屬性組。例如，排課表包含課程編號、教師編號和學(xué)號。一名教師教一門課程，一名學(xué)生上一門課程，一門課程有多名教師任教。由此可見，知道學(xué)號和教師編號便可推斷課程編號，但根據(jù)教師編號也可以推斷課程編號。這個(gè)關(guān)系模式有學(xué)號和教師編號及教師編號兩個(gè)碼，雖然滿足第三范式，但不滿足BCNF。可以將這個(gè)關(guān)系模式分解成任教表和選課表，任教表包含教師編號和課程編號，選課表包含學(xué)號和教師編號。這兩個(gè)關(guān)系模式滿足了BCNF。
　　第一范式到第五范式的6種范式之間的關(guān)系：第五范式高于第四范式高于BCNF高于第三范式高于第二范式高于第一范式。但并不是說關(guān)系模式分解的數(shù)量越多越好，表的數(shù)量過多反而會導(dǎo)致連接操作的代價(jià)增大，影響數(shù)據(jù)庫的使用效率。一般說來，工程項(xiàng)目中關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)只需滿足第三范式（3NF）就行了。
　　1.3  關(guān) 系 代 數(shù)
　　關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是關(guān)系，也就是表。對于關(guān)系中元組的操作包括插入、更新、刪除和查詢4種。這些操作可以使用數(shù)學(xué)理論來進(jìn)行表述，其中最重要的是關(guān)系代數(shù)。
　　1.3.1  傳統(tǒng)的集合運(yùn)算
　　關(guān)系代數(shù)中，傳統(tǒng)的集合運(yùn)算包括并、差、交和笛卡兒積。
　�。�1） 并：假設(shè)關(guān)系R和關(guān)系S，R和S的關(guān)系模式完全一樣，則R和S并運(yùn)算的結(jié)果是由關(guān)系R和關(guān)系S中所有的元組組成（重復(fù)元組需要去除），記作R∪S，如圖1-6所示。
　　圖1-6  并運(yùn)算示意圖
　�。�2） 差：假設(shè)關(guān)系R和關(guān)系S，R和S的關(guān)系模式完全一樣，則R和S差運(yùn)算的結(jié)果是僅存在于關(guān)系R而不存在于關(guān)系S的元組組成，記作R-S，如圖1-7所示。
　　圖1-7  差運(yùn)算示意圖
　�。�3） 交：假設(shè)關(guān)系R和關(guān)系S，R和S的關(guān)系模式完全一樣，則R和S交運(yùn)算的結(jié)果是由關(guān)系R和關(guān)系S共同存在的元組組成，記作R∩S，如圖1-8所示。
　　圖1-8  交運(yùn)算示意圖
　�。�4） 笛卡兒積：假設(shè)關(guān)系R和關(guān)系S，則R和S笛卡兒積運(yùn)算的結(jié)果是由關(guān)系R的元組和關(guān)系S的元組拼接組成，笛卡兒積的關(guān)系模式同樣也是R和S的關(guān)系模式的拼接結(jié)果，記作R×S，如圖1-9所示。
　　圖1-9  笛卡兒積運(yùn)算示意圖
　　1.3.2  專門的關(guān)系運(yùn)算
　　關(guān)系代數(shù)中，專門的關(guān)系運(yùn)算包括選擇、投影、連接和除運(yùn)算。
　　在使用關(guān)系運(yùn)算時(shí)，往往還會使用到比較運(yùn)算符和邏輯運(yùn)算符。比較運(yùn)算符包括>、>=、<、<=、=和<>（代表不等于）。邏輯運(yùn)算符包括∧（與）、∨（或）和非（?）。比較運(yùn)算符和邏輯運(yùn)算符可以組合使用，就是邏輯表達(dá)式。例如，a=0、b<3∧c>=10、?（a='abc'∧b<10）。邏輯表達(dá)式的結(jié)果只能為邏輯值“真”或者“假”。
　　（1） 選擇：選擇運(yùn)算是在關(guān)系R中選擇滿足給定條件F的元組，記作?F（R），其中的F是一個(gè)邏輯表達(dá)式。選擇運(yùn)算是對關(guān)系進(jìn)行水平分解，也就是說運(yùn)算結(jié)果的模式和原關(guān)系的模式完全一樣。例如，在關(guān)系R中選擇屬性A值為“a”并且屬性C值為1的元組，表達(dá)式寫作?A='a'∧C=1（R），如圖1-10所示。
　　?A='a'∧C=1（R）也可以寫作?1='a'∧3=1（R），這里的1='3'的意思是第一屬性列的值等于3，3=1的意思是第三屬性列的值等于1。
　�。�2） 投影：選擇運(yùn)算是在關(guān)系R中選擇所需的屬性列，記作?A（R），其中的A是R中的屬性列。投影運(yùn)算是對關(guān)系進(jìn)行垂直分解，也就是說運(yùn)算結(jié)果的模式和原關(guān)系的模式不完全一樣，屬性列少于或等于原有關(guān)系，如果出現(xiàn)重復(fù)行則需要去除。例如，在關(guān)系R中對屬性A和屬性B進(jìn)行投影，表達(dá)式寫作A,B（R），如圖1-11所示。
　　圖1-10  選擇運(yùn)算示意圖                      圖1-11  投影運(yùn)算示意圖
　�。�3） 連接：連接也稱?連接。連接運(yùn)算是從關(guān)系R和關(guān)系S的笛卡兒積運(yùn)算結(jié)果中選擇屬性值之間滿足條件的元組，記作。其中，i和j分別是關(guān)系R和關(guān)系S上的屬性組，值具備可比性，?是比較運(yùn)算符。
　　連接運(yùn)算中有兩種最重要的運(yùn)算，分別是等值運(yùn)算和自然連接。等值運(yùn)算是指?為“=”的連接運(yùn)算。等值運(yùn)算從是從關(guān)系R和關(guān)系S的笛卡兒積運(yùn)算結(jié)果中選擇屬性值相等的元組，記作。自然連接將關(guān)系R和關(guān)系S中相同屬性組具有相同值的元組進(jìn)行等值連接，結(jié)果中相同屬性需要去重，記作RS。連接、等值連接和自然連接如圖1-12所示。
　�。�4） 除：假設(shè)關(guān)系R（X,Y）和關(guān)系S（Y,Z），其中X，Y，Z為屬性組。R中的Y與S中的Y可以有不同的屬性名，但必須出自相同的域集。R與S的除運(yùn)算得到一個(gè)新的關(guān)系P（X），P是R中滿足下列條件的元組在X屬性列上的投影：元組在X上分量值x的象集Yx包含S在Y上投影的集合。記作R÷S，如圖1-13所示。
　　圖1-12  連接、等值連接、自然連接運(yùn)算示意圖
　　圖1-13  除運(yùn)算示意圖
　　1.4  數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的方法和步驟
　　數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是指將基于特定的信息內(nèi)容、操作方法和應(yīng)用環(huán)境來設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模式。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的目標(biāo)是為用戶提供一個(gè)高效、安全的數(shù)據(jù)庫，滿足用戶的使用需求。大型數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，要求數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員既要具有堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)庫知識，還要具備應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的能力，同時(shí)要了解應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)使用。因此，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是一項(xiàng)涉及多學(xué)科的綜合性技術(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師、程序設(shè)計(jì)師、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶代表也應(yīng)參與整個(gè)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)過程。
　　1.4.1  數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的方法
　　目前常用的各種數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方法都屬于規(guī)范設(shè)計(jì)法，即都是運(yùn)用軟件工程的思想與方法，根據(jù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，提出了各種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與設(shè)計(jì)規(guī)程。這種工程化的規(guī)范設(shè)計(jì)方法也是在目前技術(shù)條件下設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的最實(shí)用的方法。規(guī)范設(shè)計(jì)法中，最著名的是新奧爾良（New Orleans）方法。新奧爾良方法采用軟件工程的思想，按照軟件開發(fā)生命周期來完成數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，開發(fā)過程采取工程化方法，按照步驟來進(jìn)行，確保數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的質(zhì)量。
　　1.4.2  數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的步驟
　　按照常用的規(guī)范設(shè)計(jì)法——新奧爾良方法來劃分，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)分為6個(gè)階段，即需求分析、概念設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫的實(shí)施和部署、數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行和維護(hù)。
　　1. 需求分析
　　需求分析的內(nèi)容是充分調(diào)查研究，收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，了解系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，明確用戶需求，確定新系統(tǒng)的功能，最終得到系統(tǒng)需求分析說明書，作為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的依據(jù)。需求分析所調(diào)查的重點(diǎn)是數(shù)據(jù)和處理，以獲得用戶對數(shù)據(jù)庫的以下要求：①用戶需要從數(shù)據(jù)庫中獲得信息的內(nèi)容與性質(zhì)；②用戶要完成什么處理功能，處理有哪些業(yè)務(wù)規(guī)則；③數(shù)據(jù)操作、系統(tǒng)吞吐量、并發(fā)訪問的性能要求；④安全性和數(shù)據(jù)完整性的要求；⑤數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)的環(huán)境要求。
　　在做需求分析時(shí)，首先要了解用戶單位的組織機(jī)構(gòu)組成，然后調(diào)查用戶單位的日常業(yè)務(wù)活動流程。在此基礎(chǔ)上，明確用戶的信息需求和系統(tǒng)概念需求，明確用戶對系統(tǒng)的性能和成本的要求，確認(rèn)數(shù)據(jù)項(xiàng)，產(chǎn)生系統(tǒng)需求說明書。需求分析的調(diào)查方法包括跟班作業(yè)、開調(diào)查會、請專人調(diào)查、發(fā)放用戶調(diào)查表和查閱原系統(tǒng)有關(guān)記錄。
　　經(jīng)過需求分析，可以產(chǎn)生數(shù)據(jù)字典、數(shù)據(jù)流圖、判定表和判定樹等。①數(shù)據(jù)字典是系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)及其處理的描述信息的集合。數(shù)據(jù)字典由數(shù)據(jù)項(xiàng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)存儲、處理過程組成。②數(shù)據(jù)流圖是結(jié)構(gòu)化分析方法中使用的圖形化工具，描繪數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中流動和處理的過程。數(shù)據(jù)流圖中包括數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)源、對數(shù)據(jù)的加工處理和數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)流圖根據(jù)層級不同分為頂層數(shù)據(jù)流圖、中層數(shù)據(jù)流圖和底層數(shù)據(jù)流圖。頂層數(shù)據(jù)流圖經(jīng)過細(xì)化可以產(chǎn)生中層數(shù)據(jù)流圖和底層數(shù)據(jù)流圖。③判定表和判定樹是描述加工的圖形工具，分別是表格和樹狀結(jié)構(gòu)，適合描述問題處理中具有多個(gè)判斷，而且每個(gè)決策與若干條件有關(guān)。判定表和判定樹給出判定條件和判定決策，以及判定條件的從屬關(guān)系、并列關(guān)系、選擇關(guān)系。
　　2. 概念設(shè)計(jì)
　　概念設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)需求分析說明書對現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行數(shù)據(jù)抽象，建立概念模型。概念模型的作用是與用戶溝通，確認(rèn)系統(tǒng)的信息和功能，與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)無關(guān)。
　　概念設(shè)計(jì)方法有4種，分別是自頂向下、自底向上、逐步擴(kuò)張和混合策略。①自頂向下是指先設(shè)計(jì)概念模型的總體框架，再逐步細(xì)化。②自底向上是指先設(shè)計(jì)局部概念模型，再合并成總體。③逐步擴(kuò)張是指先設(shè)計(jì)概念模型的主要部分，再逐步擴(kuò)充。④混合策略是指將自頂向下和自底向上相結(jié)合，先設(shè)計(jì)概念模型的總體框架，再根據(jù)框架來合并各局部概念模型。
　　概念模型有實(shí)體-聯(lián)系模型、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型、二元數(shù)據(jù)模型、語義數(shù)據(jù)模型、函數(shù)數(shù)據(jù)模型等。
　　采用實(shí)體-聯(lián)系模型進(jìn)行概念模型設(shè)計(jì)的步驟如下。
　�。�1） 設(shè)計(jì)局部實(shí)體-聯(lián)系模型。具體任務(wù)是確定局部實(shí)體-聯(lián)系模型中的實(shí)體、實(shí)體的屬性、關(guān)鍵字、實(shí)體之間的聯(lián)系和屬性，畫出局部E-R圖。
　�。�2） 設(shè)計(jì)全局實(shí)體-聯(lián)系模型。具體任務(wù)是合并局部E-R圖，生成全局E-R圖，并消除局部E-R圖合并時(shí)產(chǎn)生的沖突。這里的沖突包括屬性沖突、命名沖突和結(jié)構(gòu)沖突，僅在合并E-R圖時(shí)才會發(fā)現(xiàn)。①屬性沖突是指同名的屬性的類型、值域或單位不同；②命名沖突是指業(yè)務(wù)內(nèi)容相同的屬性命名不同或業(yè)務(wù)內(nèi)容不同的屬性命名相同；③結(jié)構(gòu)沖突是指實(shí)體在其他圖中作為聯(lián)系或?qū)傩猿霈F(xiàn)，或是同一實(shí)體的屬性不同。
　　（3） 優(yōu)化全局E-R模型。具體任務(wù)是修改全局E-R圖，消除冗余屬性、消除冗余聯(lián)系，得到最終的E-R圖。
　　3. 邏輯設(shè)計(jì)
　　邏輯模型設(shè)計(jì)的任務(wù)是把概念模型轉(zhuǎn)換為所使用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所支持的邏輯模型，定義數(shù)據(jù)完整性、安全性，評估性能。
　　將實(shí)體-聯(lián)系模型轉(zhuǎn)換成關(guān)系模型的步驟如下。
　�。�1） 將E-R圖轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式集合。在轉(zhuǎn)換時(shí)，E-R圖中的一個(gè)實(shí)體轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系模式，實(shí)體的屬性轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式的屬性，實(shí)體的碼轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式的關(guān)鍵字。E-R圖中的聯(lián)系也要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換方法如下：①一對一的聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換成單個(gè)關(guān)系模式，也可以與任意一端的實(shí)體型轉(zhuǎn)換成的關(guān)系模式合并；②一對多的聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換成單個(gè)關(guān)系模式，也可以與多端的實(shí)體型轉(zhuǎn)換成的關(guān)系模式合并；③多對多、3個(gè)及3個(gè)以上的聯(lián)系只能轉(zhuǎn)換成單個(gè)關(guān)系模式。
　　（2） 對關(guān)系模式集合進(jìn)行規(guī)范化處理，滿足一定的范式。規(guī)范化目的是使結(jié)構(gòu)更合理，消除存儲異常，使數(shù)據(jù)冗余盡量小，便于插入、刪除和更新。在對關(guān)系模式進(jìn)行規(guī)范化時(shí)，必須遵從概念單一化原則，即一個(gè)關(guān)系模式描述一個(gè)實(shí)體或?qū)嶓w間的一種聯(lián)系。規(guī)范化的操作方法是確定數(shù)據(jù)依賴，用關(guān)系來表示E-R圖中的所有實(shí)體，對所有數(shù)據(jù)依賴進(jìn)行極小化處理，對需要分解的關(guān)系模式逐一進(jìn)行分解，分解后的關(guān)系模式集合必須保證不丟失原有關(guān)系的信息。實(shí)際操作時(shí)，并不一定要求全部模式都達(dá)到BCNF，有時(shí)會故意保留部分冗余便于數(shù)據(jù)查詢。
　　（3） 設(shè)計(jì)外模式。外模式是提供給數(shù)據(jù)庫不同用戶的使用接口。對于關(guān)系數(shù)據(jù)庫來說，外模式就是視圖。視圖能夠?yàn)橛脩羝帘尾恍枰�的�?shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，按用戶的需求顯示數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。同時(shí)，視圖使得用戶在使用數(shù)據(jù)庫時(shí)，只能使用被視圖引用的數(shù)據(jù)，而不能使用數(shù)據(jù)庫中其他數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)庫的安全性。在數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，只需要修改視圖的定義，用戶的使用接口保持不變，從而保證了與數(shù)據(jù)庫相關(guān)的應(yīng)用程序無須修改，達(dá)到了數(shù)據(jù)獨(dú)立性。
　�。�4） 評價(jià)數(shù)據(jù)庫性能并優(yōu)化關(guān)系模式。
　　4. 物理設(shè)計(jì)
　　物理設(shè)計(jì)是要選取一個(gè)最適合數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用環(huán)境的物理結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)庫的存儲記錄格式、存儲記錄安排和存取方法，使得數(shù)據(jù)庫具有良好的響應(yīng)速度、足夠的事務(wù)流量和適宜的存儲空間。它與系統(tǒng)硬件環(huán)境、存儲介質(zhì)性能和DBMS有關(guān)。
　　在關(guān)系模型數(shù)據(jù)庫中，物理設(shè)計(jì)主要包括存儲記錄結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存放位置和存取方法。其中，存儲記錄結(jié)構(gòu)包括記錄的組成、數(shù)據(jù)項(xiàng)的類型和長度，以及邏輯記錄到存儲記錄的映像。數(shù)據(jù)存放位置是指是否要把經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起。存取方法是指聚集索引和非聚集索引的使用。物理設(shè)計(jì)還要對綜合分析影響數(shù)據(jù)庫的因素，確定系統(tǒng)配置，建立最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使空間利用率達(dá)到最大，系統(tǒng)數(shù)據(jù)操作負(fù)荷最小。
　　5. 數(shù)據(jù)庫的實(shí)施和部署
　　數(shù)據(jù)庫實(shí)施的內(nèi)容包括使用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)創(chuàng)建實(shí)際數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、加載初始數(shù)據(jù)、編制和調(diào)試相應(yīng)的應(yīng)用程序、測試數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用程序。
　　數(shù)據(jù)庫部署的內(nèi)容是指將完成并通過測試的數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用程序，包括相關(guān)的系統(tǒng)軟件安裝在規(guī)定的硬件平臺上，在數(shù)據(jù)庫中裝入完整的數(shù)據(jù)，配置系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，對系統(tǒng)的用戶進(jìn)行操作培訓(xùn)，提交用戶手冊及系統(tǒng)使用文檔。
　　6. 數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行和維護(hù)
　　數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行和維護(hù)主要是由數(shù)據(jù)庫管理員來負(fù)責(zé)。數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行和維護(hù)主要包括調(diào)整數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)，重組與重構(gòu)數(shù)據(jù)庫，調(diào)整數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性條件，制定合理的數(shù)據(jù)備份計(jì)劃，完成備份以及故障恢復(fù)任務(wù)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫性能并優(yōu)化數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。
　　1.5  小型案例實(shí)訓(xùn)
　　創(chuàng)建一個(gè)學(xué)生成績數(shù)據(jù)庫，所涉及的信息包括校內(nèi)所有的系、班級、學(xué)生、課程、教師和學(xué)生成績。
　　學(xué)生成績數(shù)據(jù)庫的信息內(nèi)容如下：每個(gè)系有系號、系名和系主任，每個(gè)班級有班號、班名、入學(xué)年份、人數(shù)、系號和班主任，每個(gè)學(xué)生有學(xué)號、姓名、性別、出生日期，每門課程有課程號、課程名、學(xué)分和學(xué)時(shí)，每個(gè)教師有教師號、姓名、性別、出生日期、職稱。每位學(xué)生屬于一個(gè)班級，每個(gè)班級屬于一個(gè)系，每個(gè)班級有一個(gè)班主任，每個(gè)系有一個(gè)系主任，每個(gè)學(xué)生修多門課程，每門課程有多個(gè)學(xué)生選修，并有課程成績。學(xué)生成績需要記錄該課程的授課教師、學(xué)期、成績。
　　先畫出學(xué)生成績數(shù)據(jù)庫的E-R圖，再轉(zhuǎn)換成關(guān)系模型。E-R圖和關(guān)系模式中加下劃線的屬性分別是該實(shí)體集的和關(guān)系模式的主碼。
　　由題意可知，學(xué)生成績數(shù)據(jù)庫Ｅ-R圖中包含5個(gè)實(shí)體，即系、班級、學(xué)生、課程和教師。各實(shí)體的屬性設(shè)計(jì)如下：系（系號,系名,系主任號），班級（班號,班名,入學(xué)年份,人數(shù),系號,班主任號），學(xué)生（學(xué)號,姓名,性別,出生日期,班號），課程（課程號,課程名,學(xué)分,學(xué)時(shí)），教師（教師號,姓名,性別,出生日期,職稱,系號）。各實(shí)體之間的聯(lián)系包括：班級與系之間的隸屬關(guān)系，學(xué)生與班級之間的隸屬關(guān)系，教師與系之間的隸屬關(guān)系，學(xué)生選修課程之間的“選修”聯(lián)系，“選修”聯(lián)系應(yīng)有成績屬性。根據(jù)以上分析，得到學(xué)生成績數(shù)據(jù)庫的E-R圖，如圖1-14所示。
　　圖1-14  學(xué)生成績數(shù)據(jù)庫E-R圖
　　根據(jù)學(xué)生成績數(shù)據(jù)庫E-R圖，轉(zhuǎn)換得到學(xué)生成績數(shù)據(jù)庫關(guān)系模式如下。
　　系（系號,系名,系主任號）
　　班級（班號,班名,入學(xué)年份,人數(shù),系號,班主任號）
　　學(xué)生（學(xué)號,姓名,性別,出生日期,班號）
　　課程（課程號,課程名,學(xué)分,學(xué)時(shí)）
　　教師（教師號,姓名,性別,出生日期,職稱,系號）
　　成績（學(xué)號,課程號,教師號,成績,學(xué)期）
　　小    結(jié)
　　數(shù)據(jù)庫（Database，DB）是一個(gè)長期存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)的、有組織的、有共享的、統(tǒng)一管理的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是按照一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述和存儲的，有較小的冗余度、較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性和易擴(kuò)展性。
　　數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Database Management System，DBMS）是使用和管理數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)軟件，位于用戶與操作系統(tǒng)之間，負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制。所有對數(shù)據(jù)庫的操作都交由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)完成，這使得數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性得以保證。
　　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（Database Systems，DBS）是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中引入了數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)，專門用于完成特定的業(yè)務(wù)信息處理。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括硬件、軟件和用戶。其中，軟件包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、應(yīng)用開發(fā)工具和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序。用戶包括系統(tǒng)分析員、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員、程序開發(fā)人員、數(shù)據(jù)庫管理員和系統(tǒng)用戶。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。
　　數(shù)據(jù)管理技術(shù)是指對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、組織、編碼、存儲、檢索和維護(hù)的技術(shù)。數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展大致劃分為3個(gè)階段，即人工管理階段、文件系統(tǒng)階段和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)階段。
　　從數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)角度看，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常采用三級模式結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由外模式、模式和內(nèi)模式三級組成。兩層映像機(jī)制保證了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獨(dú)立性，數(shù)據(jù)獨(dú)立性包括邏輯獨(dú)立性和物理獨(dú)立性。
　　數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，是對現(xiàn)實(shí)世界的抽象描述。數(shù)據(jù)模型描述現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系、數(shù)據(jù)的語義和完整性約束。數(shù)據(jù)模型包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和完整性約束3部分。數(shù)據(jù)模型分為概念數(shù)據(jù)模型、邏輯數(shù)據(jù)模型和物理數(shù)據(jù)模型3類。
　　實(shí)體-聯(lián)系模型是采用E-R圖來描述現(xiàn)實(shí)世界的概念模型。E-R圖的組成元素包括實(shí)體集、屬性和聯(lián)系。
　　現(xiàn)有的邏輯模型主要包括層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型。以二維表為基本結(jié)構(gòu)所建立的模型稱為關(guān)系模型。
　　關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系模式必須滿足一定級別的范式。目前關(guān)系模式有6種范式，即第一范式（1NF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）、改進(jìn)的第三范式（BCNF）、第四范式（4NF）和第五范式（5NF）。一般說來，工程項(xiàng)目中關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)只需滿足第三范式（3NF）即可。
　　關(guān)系代數(shù)中，傳統(tǒng)的集合運(yùn)算包括并、差、交和笛卡兒積，專門的關(guān)系運(yùn)算包括選擇、投影、連接和除運(yùn)算。
　　目前常用的各種數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方法都屬于規(guī)范設(shè)計(jì)法，最著名的是新奧爾良（New Orleans）方法。按照常用的規(guī)范設(shè)計(jì)法——新奧爾良方法來劃分，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)分為6個(gè)階段，即需求分析、概念設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫實(shí)施和部署、數(shù)據(jù)庫運(yùn)行和維護(hù)。
　　習(xí)    題
　　1. 填空題
　�。�1） 數(shù)據(jù)庫是一個(gè)____________________________________的數(shù)據(jù)集合。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)是按照一定的____________________________________組織、描述和存儲的，有較小的_______________________________、較高的__________________________________和____________________________________。
　　（2）??__________________________用于建立和修改數(shù)據(jù)庫的庫結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供__________________________來完成該功能。________________________用于用戶對數(shù)據(jù)庫插入、更新、刪除和查詢數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供__________________________來完成該功能。______________________________確保數(shù)庫系統(tǒng)的正常運(yùn)行，內(nèi)容包括多用戶環(huán)境下的并發(fā)控制、安全性檢查、存取限制控制、完整性檢查、日志的管理、事務(wù)的管理和發(fā)生故障后數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供____________________________來完成該功能。
　　（3） 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括硬件、軟件和用戶。其中，軟件包括_______________________。用戶包括_____________________。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心是__________________________。
　�。�4） 數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展大致劃分為3個(gè)階段，即___________________________、____________________________和_______________________________。
　　（5） 從數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)角度看，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常采用三級模式結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)由_______________________________三級組成。_______________________________保證了邏輯獨(dú)立性，________________________________保證了物理獨(dú)立性。
　�。�6） 數(shù)據(jù)模型包括____________________________、__________________________和____________________________3部分。
　�。�7） 根據(jù)數(shù)據(jù)建模的不同階段，數(shù)據(jù)模型分為_________、________和________三類。
　�。�8）??____________________________是用戶與數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員之間進(jìn)行交流的語言。
　�。�9）??____________________________是采用E-R圖來描述現(xiàn)實(shí)世界的概念模型。E-R圖的組成元素包括___________________________。___________________________用矩形表示，____________________________用橢圓形表示，___________________________用菱形表示，兩個(gè)實(shí)體集之間存在_____________________________3種聯(lián)系。
　�。�10） 現(xiàn)有的邏輯模型主要包括____________________________________。
　�。�11） 以____________________________________為基本結(jié)構(gòu)所建立的模型稱為關(guān)系模型。關(guān)系模型中，表是基礎(chǔ)邏輯結(jié)構(gòu)，由____________________________________組成。
　�。�12） 第一范式是指___________________________。第二范式要求關(guān)系模式的非主屬性完全函數(shù)依賴于碼，不能存在對碼的________________________。第三范式要求關(guān)系模式中的非主屬性不依賴于其他非主屬性，也就是不存在____________________________。_______________________________是指關(guān)系模式的所有非主屬性完全函數(shù)依賴于碼，所有主屬性完全函數(shù)依賴于不包含它的碼，沒有屬性完全函數(shù)依賴于非碼的任何屬性組。
　�。�13） 關(guān)系代數(shù)中，傳統(tǒng)的集合運(yùn)算包括____________________________________，專門的關(guān)系運(yùn)算包括____________________________________。
　　（14） 按照常用的規(guī)范設(shè)計(jì)法——____________________________________來劃分，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)分為6個(gè)階段，即____________________________________。
　　2. 操作題
　　設(shè)計(jì)一個(gè)圖書館管理數(shù)據(jù)庫。圖書館管理數(shù)據(jù)庫的信息內(nèi)容如下：
　　每種圖書屬于一個(gè)圖書類別，每個(gè)圖書類別有多種圖書。每種圖書有ISBN、書名、版次、類型、作者、出版社、價(jià)格、可借數(shù)量和庫存數(shù)量。每種圖書有多本。每本圖書有圖書編號、ISBN、狀態(tài)和狀態(tài)更新時(shí)間。
　　每個(gè)讀者屬于一個(gè)讀者類型，每個(gè)讀者類型有多個(gè)讀者。每個(gè)讀者有讀者編號、姓名、類型、證件號、性別、聯(lián)系方式、登記日期、有效日期、已借書數(shù)量和是否掛失。
　　每個(gè)讀者可以借閱多本圖書，每本圖書可以被多次借閱。每次借閱記錄有借閱編號、圖書編號、讀者編號、借閱日期、到期日期、處理日期和狀態(tài)。
　　先畫出圖書館管理數(shù)據(jù)庫的E-R圖，再轉(zhuǎn)換成關(guān)系模型。

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