數(shù)據(jù)庫第5章數(shù)據(jù)庫物理模型課件

第五章數(shù)據(jù)庫物理模型設計,1,PPT學習交流,學習概念數(shù)據(jù)模型或邏輯數(shù)據(jù)模型轉換為物理數(shù)據(jù)模型的方法。了解如何將實體的1:1、1：N和N:M關系表示為表關系了解數(shù)據(jù)庫設計范式和規(guī)范化通過實踐案例學習從概念數(shù)據(jù)模型轉換物理數(shù)據(jù)模型的一般步驟,【學習目標】,2,PPT學習交流,一、數(shù)據(jù)庫模型轉換,5.1數(shù)據(jù)庫設計模型轉換,數(shù)據(jù)庫設計分為概念數(shù)據(jù)模型設計、邏輯數(shù)據(jù)模型設計、物理數(shù)據(jù)模型設計三個層次。在常規(guī)的數(shù)據(jù)庫設計中，將依次對這三種模型進行轉換設計。各個模型之間的元素對應關系如下表,3,PPT學習交流,二、數(shù)據(jù)模型轉換方案,數(shù)據(jù)模型轉換設計有兩種方案一種是由概念數(shù)據(jù)模型生成對應的邏輯數(shù)據(jù)模型，再從邏輯數(shù)據(jù)模型轉換生成物理數(shù)據(jù)模型；另一種是從概念數(shù)據(jù)模型直接轉換為對應的物理數(shù)據(jù)模型,4,PPT學習交流,數(shù)據(jù)模型之間轉化,概念數(shù)據(jù)模型(CDM),物理數(shù)據(jù)模型(PDM),現(xiàn)實世界,轉化,邏輯數(shù)據(jù)模型(LDM),轉化,轉化,抽取,5,PPT學習交流,當使用關系數(shù)據(jù)庫時，物理數(shù)據(jù)模型即為關系模型，其基本轉換原理如下：1）將每一個實體轉換成一個表，實體的屬性轉換為表的列，實體的標識符轉換為表的主鍵2）將實體關系轉化為表間的參照完整性約束，即通過設置外鍵來參照主鍵。根據(jù)關系的不同類型，通過外鍵參照主鍵的方式有所不同,數(shù)據(jù)模型轉換,6,PPT學習交流,表,表是數(shù)據(jù)庫中用來保存信息的一種數(shù)據(jù)結構，由數(shù)據(jù)模型中的實體轉化而來。一個表中記錄著關于實體的信息，它是數(shù)據(jù)庫組織的基本對象。,2.列,列是組成表的基本單位，由數(shù)據(jù)模型中的屬性轉化而來。一個表由多個列組成，每個列都有一個數(shù)據(jù)類型。,三、將實體轉化為表,7,PPT學習交流,主鍵是用來唯一標識表中每個記錄的一個或多個列的集合，由數(shù)據(jù)模型中的主標識符轉化而來。在物理數(shù)據(jù)模型中，每張表必須有一個主鍵。主鍵通常用pk表示.候選鍵也是用來唯一標識表中記錄的一個或多個列的集合，通常由數(shù)據(jù)模型中的次標識符轉化而來。候選鍵通常用ak表示,3.主鍵與候選鍵,8,PPT學習交流,外鍵是與其它表連接的公共列，這個列通常是其它表的主鍵。外鍵一般是由數(shù)據(jù)模型中的實體關系產(chǎn)生。外鍵通常用fk表示在系統(tǒng)物理數(shù)據(jù)模型設計中，對上述基本數(shù)據(jù)庫對象進行設計外，還包括數(shù)據(jù)庫的存儲過程、觸發(fā)器、視圖、索引、約束規(guī)則等設計。,4.外鍵,9,PPT學習交流,將實體轉換為表,首先，為每個實體定義一個表，表名與實體名相同。將實體的標識符作為表的主鍵。然后，實體的屬性轉換為表中的列，實體的標識符轉換為表的主鍵,10,PPT學習交流,確定代理鍵,在關系數(shù)據(jù)庫設計中，當數(shù)據(jù)表中的候選鍵都不適合當主鍵時（例如，候選鍵的內(nèi)容太大或者復合候選鍵包含的屬性太多），就會定義代理鍵作為主鍵。代理鍵由DBMS自動生成數(shù)字鍵值，且永不改變。,11,PPT學習交流,定義列的特性,實體屬性轉換為表的列后，必須為每個列指定其特性，包括數(shù)據(jù)類型、空值狀態(tài)、默認值及數(shù)值的約束。數(shù)據(jù)類型：每個DBMS都有自己的數(shù)據(jù)類型定義，對于每一列，應指明在該列中存儲何種類型的數(shù)據(jù)。空值狀態(tài)：在表中插入新行時，某些列必須有值，對于這樣的列，將其標注為NOTNULL；某些列允許不輸入值，將其標注為NULL。默認值：默認值是指當插入新行時，如果用戶沒有顯式輸入某個列的值，則由DBMS自動設置為預先設定的值。數(shù)值的約束：一些列中的數(shù)據(jù)值可能有限制，這些限制稱為數(shù)據(jù)約束。,12,PPT學習交流,數(shù)據(jù)模型轉換數(shù)據(jù)庫設計步驟,為每個實體創(chuàng)建一個表,規(guī)范化所有表,創(chuàng)建表之間的主外鍵約束,概念模型,關系模型（物理模型）,第1步,第2步,第3步,13,PPT學習交流,四、弱實體的轉換表示,前面描述的實體轉換為表的過程適用于所有的實體類型，但弱實體有時候需要特別的處理。弱實體在邏輯上依賴于另一個實體。,非ID依賴弱實體,14,PPT學習交流,ID依賴弱實體的標識符應該含有它所依賴實體的標識符，因此需要將被依賴實體的標識符放入ID依賴弱實體轉換生成的表中，和ID依賴弱實體的標識符共同轉換成復合主鍵。,ID依賴弱實體,15,PPT學習交流,五、實體關系的轉換表示,1:1實體關系的轉換,我們可以有兩種轉換方案，一種是將學生表的主鍵“學號”放入助研金賬號表中做外鍵；另一種是將助研金賬號表的主鍵“賬號”放入學生表中做外鍵。這兩種方案均是可行的，由設計者根據(jù)應用情況自主做出選擇。,16,PPT學習交流,17,PPT學習交流,1:N實體關系的轉換,1：N實體關系的轉換方法很簡單，兩個實體分別轉換為表，然后將父實體表的主鍵放入子實體表中做外鍵。將圖5-9所示的實體關系轉換為表參照約束,18,PPT學習交流,19,PPT學習交流,M:N實體關系的轉換,N:M實體關系不能像1:1和1:N實體關系那樣直接轉換。將任一個實體表的主鍵放置到另一個實體表中做外鍵都是無法實現(xiàn)的。,20,PPT學習交流,必須要重新產(chǎn)生一張新表，用于表示兩個實體之間的關系。新表的名稱通常有兩種命名方法，一種是以N:M關系的名稱命名，一種是用下劃線連接N:M關系兩側的實體名稱作為新表的名稱。,21,PPT學習交流,實體繼承關系的轉換,當實體繼承關系轉換到物理數(shù)據(jù)模型時，首先父實體和子實體都各自轉換為表，其屬性均轉換為表的列。,在處理繼承關系轉換時，將父表中的主鍵放置到子表中，既做主鍵又做外鍵。,22,PPT學習交流,23,PPT學習交流,實體遞歸關系的轉換,對于1：N的實體遞歸關系轉換，首先將遞歸實體轉換為表，其屬性轉換為列，標識符轉換為主鍵，這些處理方式和前面描述的兩個實體間的轉換時一致的。實體遞歸關系處理的特殊性在于關系連接的是同一個實體，我們可以理解為要在同一個表對象間去實現(xiàn)這種關系。因此，在邏輯上將顧客表看做兩張表，按照前面闡述的1：N實體關系處理方法，將1側表的主鍵放入N側表中做外鍵。,24,PPT學習交流,25,PPT學習交流,對于M:N的實體遞歸關系，是指在同一個實體間所發(fā)生的多對多關系。例如，“醫(yī)生”實體間的M:N實體遞歸關系,26,PPT學習交流,每個醫(yī)生都可能會給其他醫(yī)生看病，自己也可能接受其他醫(yī)生的治療，這是一個多對多的實體遞歸關系。按照前面對N:M實體關系的轉換處理，將關系兩側的實體分別轉換為表，還要派生出一個新的關聯(lián)表，其表名是關系的名稱。,27,PPT學習交流,5.2數(shù)據(jù)庫表規(guī)范化設計,數(shù)據(jù)庫表規(guī)范化設計是指在數(shù)據(jù)庫中減少數(shù)據(jù)冗余和定義一個規(guī)范的表間結構，實現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性與一致性。所謂數(shù)據(jù)冗余是指一組數(shù)據(jù)重復出現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫的多個表中。在數(shù)據(jù)庫設計中，盡量避免表間的重復數(shù)據(jù)列。規(guī)范化數(shù)據(jù)庫設計為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)帶來如下益處：冗余數(shù)據(jù)被消除，同一數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中僅保存一份，有效降低維護數(shù)據(jù)一致性的工作量。設計合理的表間依賴關系和約束關系，便于實現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性和一致性。設計合理的數(shù)據(jù)庫結構，便于系統(tǒng)對數(shù)據(jù)高效訪問處理。,28,PPT學習交流,一、函數(shù)依賴理論,函數(shù)依賴（FunctionalDependency)是數(shù)據(jù)依賴的一種，它反映屬性或?qū)傩越M之間相互依存、互相制約的關系，即反映現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)約束關系,在函數(shù)依賴理論中，定義下列符號：R表示一個關系的模式，U=A1，A2，An是R的所有屬性的集合，F(xiàn)是R中函數(shù)依賴的集合，r是R所取的值，tX表示元組t在屬性X上的取值。,29,PPT學習交流,函數(shù)依賴的定義,定義：設有一關系模式R（U），X和Y為其屬性U的子集，即，。設t，s是關系R中的任意兩個元組，如果tX=sX，則tY=sY。那么稱Y函數(shù)依賴于X，或X函數(shù)決定Y。也可稱在關系模式R（U）上成立。,一個函數(shù)依賴要能成立，不但要求關系的當前值都能滿足函數(shù)依賴條件，而且還要求關系的任一可能值都能滿足函數(shù)依賴條件。對于當前關系r的任意兩個元組，如果X值相同，則要求Y值也相同。即有一個X值就有一個Y值與之對應?；蛘哒f，Y值由X值決定，因而這種依賴稱為函數(shù)依賴。,30,PPT學習交流,31,PPT學習交流,部分函數(shù)依賴,32,PPT學習交流,屬性傳遞依賴,33,PPT學習交流,多值依賴,34,PPT學習交流,二、規(guī)范化范式,范式（NormalForma，NF）是指關系表的規(guī)范程度狀態(tài)。范式的種類與數(shù)據(jù)依賴有著直接的聯(lián)系。在關系模式中存在函數(shù)依賴時就有可能存在數(shù)據(jù)冗余，引出數(shù)據(jù)操作異?，F(xiàn)象。數(shù)據(jù)冗余不僅浪費存儲空間，而且會使數(shù)據(jù)庫難以保持數(shù)據(jù)的一致性。范式可以用于確保數(shù)據(jù)庫模式中沒有各種類型的異常和不一致性。,35,PPT學習交流,規(guī)范化是把一組有異常的關系分解成更小的、結構良好的關系的過程，使得這些關系有最小的冗余或沒有冗余。規(guī)范化是決定關系中屬性如何分組的一個形式化過程。,理論上講，關系數(shù)據(jù)庫有六種范式：第一范式（1NF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）、巴斯-科德范式（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）。在第一范式的基礎上進一步滿足更多要求的稱為第二范式（2NF），其余范式以次類推。高級范式總是包含了低級范式的全部要求。,36,PPT學習交流,第1規(guī)范式（1NF）：如果關系中的屬性不可再細分，該關系滿足第1范式。,第2規(guī)范式（2NF）：如果關系滿足第1范式，并消除了關系中的屬性部分依賴，該關系滿足第2范式。,例有一個關系（A,B,N,O,P）,其復合主鍵為（A,B）,那么N,O,P這三個非鍵屬性都不存在只依賴A或只依賴B情況，則該關系滿足第2范式,反之,不滿足第2范式。,37,PPT學習交流,第3規(guī)范式（3NF）：如果關系滿足第2范式，并切斷了關系中的屬性傳遞依賴，該關系滿足第3范式。,例若有一個關系（A,N,O,P）,主鍵為（A）,那么非鍵屬性N,O或P都不能由單個的N,O或P或它們的組合所確定。該關系滿足第3范式。,BCNF范式：在關系中，所有函數(shù)依賴的決定因子都是候選鍵，該關系滿足BCNF范式。,例：關系STUDENT(StudentNum,Name,Email)中，決定因子StudentNum也是候選鍵，該關系滿足BCNF范式。,38,PPT學習交流,第4規(guī)范式（4NF）：如果關系滿足BCNF范式，并消除了多值依賴，該關系滿足第4范式。,多值依賴：假設關系模式為R（A，B，C），其中A，B為主鍵屬性。如果在A取特定值，而在B上取值的集合與在C上取值的集合無關，則稱多值依賴。,39,PPT學習交流,例：設學校中某一門課程由多個教師講授，他們使用相同的一套參考書。用關系模式Teaching（Course，Teacher，Book）來表示課程、教師和參考書之間的關系。,該關系Teaching（Course，Teacher，Book），屬于BCNF范式；但是它存在以下問題：,1.數(shù)據(jù)冗余度大，有多少名任課教師，課程名、參考書名就要存儲多少次；,2.增加操作復雜，當某一課程增加一名任課教師時，該課程有多少本參考書，就必須插入多少個元組；,3.修改操作復雜，某一門課程要修改一門參考書，該課程有多少名教師，就必須修改多少個元組。,40,PPT學習交流,產(chǎn)生這些問題的原因是參考書和教師的取值彼此獨立，它們都只取決于課程名，也就是存在多值依賴。,41,PPT學習交流,練習：學生關系規(guī)范化,問題：它滿足第1范式？,42,PPT學習交流,第1規(guī)范式：如果關系中的屬性不可再細分，該關系滿足第1范式。,學生關系現(xiàn)在滿足第1范式,本關系不滿足1范式，因為“聯(lián)系方式”屬性可以再細分“電話”、“電子郵件”等。,問題：它滿足第2范式嗎？,43,PPT學習交流,第2規(guī)范式：如果關系滿足第1范式，并消除了關系中的屬性部分依賴，該關系滿足第2范式。,分析：主鍵（學號，課程號）（學號）系名（學號）住址存在部分依賴，不滿足第2范式處理辦法：對學生關系進行分解,44,PPT學習交流,“學生”關系和“課程成績”關系均滿足第2范式,問題：它滿足第3范式嗎？,45,PPT學習交流,第3規(guī)范式：如果關系滿足第2范式，并切斷了關系中的屬性傳遞依賴，該關系滿足第3范式。,分析：（學號）系名，（系名）住址，故（學號）住址。存在傳遞依賴，不滿足第3范式.處理辦法：對學生關系再進行分解,46,PPT學習交流,“學生”、“系信息”、“課程成績”關系均滿足第3范式,問題：它滿足BCNF范式嗎？,47,PPT學習交流,“學生”、“系信息”、“課程成績”關系均滿足BCNF范式,問題：它滿足第4范式嗎？,BCNF范式：在關系中，所有函數(shù)依賴決定因子都是主鍵，該關系滿足BCNF范式。,48,PPT學習交流,分析：（系編號）辦公電話，（系編號）學生住址，而系辦公電話與學生住址不相關、學生住址可能有多處，故存在多值依賴，不滿足第4范式處理辦法：對“系信息”關系進行分解,第4規(guī)范式：如果關系滿足BCNF范式，并消除了多值依賴，該關系滿足第4范式。,49,PPT學習交流,各關系均滿足第4范式,50,PPT學習交流,三、反規(guī)范化處理,規(guī)范化減少了數(shù)據(jù)冗余，易于保證數(shù)據(jù)的完整性，但規(guī)范化也會導致數(shù)據(jù)庫性能降低，因此，在利用規(guī)范化設計數(shù)據(jù)庫時要平衡兩者的關系。,規(guī)范化帶來結構的完整和精確性，但同時也可能帶來負面的效果。也正是基于此，人們提出了反規(guī)范化設計的基本思想。,51,PPT學習交流,所謂的反規(guī)范化，就是適當降低甚至拋棄范式約束，不再要求一個表只表述其表自身，而是適當冗余性添加帶有某種依賴關系的數(shù)據(jù)。,反規(guī)范化處理的主要手段有如下2種：（1）增加冗余列或派生列如果應用系統(tǒng)的常用操作需要關聯(lián)其他表中的數(shù)據(jù)，則在進行表設計時，應直接將該列融入當前表中，使其冗余存在，稱為冗余列。（2）表的合并和分割,52,PPT學習交流,執(zhí)行反規(guī)范化設計，表的數(shù)量往往也就會減少，而這也就降低了表連接運算的壓力，可以有力提升性能。,但反規(guī)范化的使用也會帶來以下問題：（1）數(shù)據(jù)冗余的存在（2）降低了數(shù)據(jù)庫的完整性,反規(guī)范化是把雙刃劍，并不具有普遍意義，需要就事論事，用不好會傷及自身,53,PPT學習交流,5.3PowerDesigner項目實踐,在第四章中我們設計并完成了圖書館管理系統(tǒng)概念模型設計，最終得到如下的概念數(shù)據(jù)模型設計圖,54,PPT學習交流,一、CDM到LDM轉換設計,在PowerDesigner建模工具中，點取