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高中信息技术 第4章 数据库设计基础课件 沪教版选修4


第4章 数据库设计基础 章

1

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。
2<

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4.1 数据库系统的基本概念

3

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
4

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
5

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
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
– 数据库语言
? 数据定义语言DDL ? 数据操纵语言DML ? 数据控制语言DCL 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
7

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

8

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) 用户

9

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

10

4.1.2 数据库系统的发展
? 人工管理阶段
用户 1 用户 2 用户 3 应用程序 1 应用程序 2 应用程序 3 应用程序 4
… … … … …

数据组 1 数据组 2 数据组 3 数据组 4

用户 m

应用程序 n

数据组 n

11

4.1.2 数据库系统的发展
? 文件系统阶段

12

4.1.2 数据库系统的发展
? 数据库系统阶段

13

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
14

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
应用 A 应用 B 应用 C 应用 D 应用 E

外模式 1

外模式 2

外模式 3 外模式/逻辑模式映象

? 二级映射
– 概念级到内部级的映射 – 外部级到概念级的映射

逻辑模式 内模式/逻辑模式映象 内模式

DB

15

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。 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
16

– 外部级摸式

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
17

4.2 数据模型

18

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。
19

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
20

4.2.2 E-R模型
– 3.E-R型的图示法 ? 实体集:用矩形表示,矩形框内写明实体名。 ? 属性:用椭圆形表示,并用无向边将其与相应 的实体连接起来。 ? 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
学生 M 选课 N 课程

学号 姓名 性别 出生年月



课号

课程名

学分

成绩

选修时间

21

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

22

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

23

4.2.5 关系模型
? 1.关系的数据结构
表框架

属性

学号 2005410 2 2005410 3 2006930 1 元组 2006930 2

姓名 张洁然 李一明 王文燕 刘宏

性别 男 男 女 男

出生年月 07-07-87 05-01-86 11-06-88 10-17-87

籍贯 上海 安徽合肥 山东青岛 江苏南京
24

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 )
25

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
26

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

27

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

28

4.3 关系代数

29

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
30

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。
31

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)

R U S = {t | t ∈ R or t ∈ S}

– 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:
R ? S = {t | t ∈ R and t ? S}
32

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

R I S = {t | t ∈ R and t ∈ S} = R ? ( R ? S )

– 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。

R × S = {t r t s | t r ∈ R and

t s ∈ S}
33

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。

34

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:

σ F ( R) = {t | t ∈ R and F (t ) =' 真'}
– (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:

πA

i 1 , Ai 2 ,L, Aik

( R ) = {t[ Ai1 , Ai 2 , L , Aik ] | t ∈ R}
35

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:

( 学生 ) – 查询所有学生的“姓名”、“性别”,表达式 为:
出生年份 ≥ 1980

σ

π 姓名,性别 (学生)

36

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:
AθB – 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:

R ∞ S = {t r t s | t r ∈ R and t s ∈ S and t r [ A ]θ t s [ B ]}

r s r s r s – 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 A= B 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:

R ∞ S = {t t | t ∈ R and t ∈ S and t [ A] = t [ B ]}

?

R∞S = {t r t s | t r ∈ R and t s ∈ S and t r [ B] = t s [ B]} 37

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

38

4.3 关系代数

39

4.3 关系代数
? (4)除(Division)
– 笛卡尔乘积的逆运算

40

4.4 数据库设计与管理

41

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

42

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
43

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
44

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
45

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

46

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
47

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
48

典型考题分析

49

? 【例4-1】数据库技术的根本目标是要解决 数据的______。(2006年9月)
A)存储问题 B)共享问题 C)安全问题 D)保护问题

? 答案 B
50

? 【例4-2】数据库DB,数据库系统DBS,数 据库管理系统DBMS之间的关系是______。 (2006年4月)
A DB A)DB包含DBS和DBMS DBS DBMS B)DBMS包含DB和DBS C)DBS包含DB和DBMS D)没有任何关系

? 答案 C
51

? 【例4-3】数据库系统的核心是______。 (2005年9月)
A)数据模型 C)数据库 B)数据库管理系统 D)数据库管理员

? 答案 B

52

? 【例4-4】DBA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DBA职 责的是______。
A 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

? 答案 D
53

? 【例4-5】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______。 (2005年9月) ? 答案 数据库系统

54

? 【例4-6】数据独立性是数据库技术的重要 特点之一。所谓数据独立性是指______。 (2005年4月)
A 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

? 答案 D
55

? 【例4-7】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,基于逻辑结构 的应用程序不必修改,称为______。 (2006年4月) ? 答案 物理独立性

56

? 【例4-8】在数据库系统中,用户所见的数 据模式为______。(2006年9月)
A)概念模式 B)外模式 C)内模式 D)物理模式

? 答案 B
57

? 【例4-9】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______。
A)内模式 B)外模式 C)概念模式 D)子模式

? 答案 C
58

? 【例4-10】数据库的3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

? 答案:B
59

? 【例4-11】数据库三级模式体系结构的划 分,有利于保持数据库的______。 ? 答案 数据独立性

60

? 【例4-12】用树形结构表示实体之间联系 的模型是______。(2005年4月)
A)关系模型 B)网状模型 C)层次模型 D)以上三个都是

? 答案 C
61

? 【例4-13】“商品”与“顾客”两个实体集 之间的联系一般是______。(2006年4月)
A)一对一 B)一对多 C)多对一 D)多对多

? 答案 D
62

? 【例4-14】在E-R图中,用来表示实体的图 形是______。(2006年4月)
A)矩形 B)椭圆形 C)菱形 D)三角形

? 答案 A
63

? 【例4-15】在下面列出的数据模型中, ______是概念数据模型。
A)关系模型 C)网状模型 B)层次模型 D)实体-联系模型

? 答案 D

64

? 【例4-16】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______。 (2006年4月、2005年4月) ? 答案 关系

65

? 【例4-17】一个关系表的行称为______。 (2006年9月) ? 答案 元组

66

? 【例4-18】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, 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______。
A)连接码 B)主码 C)外码 D)候选码

? 答案 D

67

? 【例4-19】设属性A是关系R的主属性,则 属性A不能取空值(NULL)。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

? 答案 A
68

? 【例4-20】设有如下三个关系表

下列操作中正确的是______。(2006年9月) A)T=R∩S B)T=R∪S C)T=R×S D)T=R/S

? 答案 C

69

? 【例4-21】设有如下关系表:

则下列操作中正确的是______。(2005年9月) A)T=R∩S B)T=R∪S C)T=R×S D)T=R/S

? 答案 B

70

? 【例4-22】设关系R是4元关系,关系S是一 个5元关系,关系T是R与S的笛卡尔积,即 T=R×S,则关系T是______元关系。
A)9 C)20 B)11 D)40

? 答案 A

71

? 【例4-23】关系数据库管理系统能实现的 专门关系运算包括______。
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

? 答案 B

72

? 【例4-24】下列关系运算中,______不要 求关系R和S具有相同的属性个数。
A)R∪S C)R-S B)R∩S D)R×S

? 答案 D

73

?

【例4-25】数据库设计的四个阶段是:需求分 析、概念设计、逻辑设计和______。(2006年 9月)
A)编码设计 B)测试阶段 C)运行阶段 D)物理设计

?

答案 D

74

? 【例4-26】在数据库设计中,将E-R图转换 成关系模型的过程属于______。
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

? 答案 B
75

? 【例4-27】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______。
A)数据库定义 B)数据通信 C)数据定义 D)数据维护

? 答案 C

76

? 【例4-28】将E-R图转换到关系模式时,实 体与联系都可以表示成______。
A)属性 C)键 B)关系 D)域

? 答案 B

77

? 【例4-29】在关系数据库设计中,设计视 图(View)是______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

? 答案 C
78

? 【例4-30】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

? 答案 D
79


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