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第1部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)基礎(chǔ)第3章數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì) 高級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及其應(yīng)用 第3章數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì) ER數(shù)據(jù)模型 3 1 EER數(shù)據(jù)模型 3 2 邏輯數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì) 映射ER EER模式到關(guān)系模式 3 3 關(guān)系模式求精與規(guī)范化 3 4 DB應(yīng)用 DB應(yīng)用定義 一個(gè)特定的數(shù)據(jù)庫(kù) 加上實(shí)現(xiàn)此數(shù)據(jù)庫(kù)查詢 更新的相關(guān)程序 概念設(shè)計(jì)是成功設(shè)計(jì)DB應(yīng)用的一個(gè)環(huán)節(jié) 實(shí)體 關(guān)系模型 Entity Relationmodel 簡(jiǎn)稱ER模型 是一種非常流行的概念數(shù)據(jù)模型 EER是基于ER的擴(kuò)展模型 EnhancedERmodel ER EER已被廣泛應(yīng)用于DB概念設(shè)計(jì) 它們均以圖形化方式描述和捕獲用戶需求 基于ER EER進(jìn)行概念設(shè)計(jì)的輸出為一組ER EER圖 基于概念模型的設(shè)計(jì) 最終都必須變換 轉(zhuǎn)換到可在DB中實(shí)現(xiàn)的邏輯數(shù)據(jù)模型 借助RDB設(shè)計(jì)有關(guān)規(guī)范理論 不僅可對(duì)轉(zhuǎn)換后的邏輯數(shù)據(jù)模式進(jìn)行規(guī)范 而且可對(duì)ER EER圖進(jìn)行求精 DB設(shè)計(jì)的主要階段與過程 DB設(shè)計(jì)的基本步驟 1 1 需求分析2 概念DB設(shè)計(jì)利用需求分析獲得的信息 建立DB數(shù)據(jù)的一個(gè)抽象描述 這一步通常利用ER EER模型 或其它高級(jí)數(shù)據(jù)概念模型 如UML類圖 來實(shí)現(xiàn) 3 邏輯DB設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換DB概念設(shè)計(jì)模式到指定DBMS邏輯模式 由于需求信息本身帶有很大主觀性 故基于需求信息構(gòu)造的ER EER圖只能提供數(shù)據(jù)的一個(gè)近似描述 4 模式細(xì)化5 物理DB設(shè)計(jì)6 安全設(shè)計(jì) DB設(shè)計(jì)的基本步驟 2 1 需求分析2 概念DB設(shè)計(jì)3 邏輯DB設(shè)計(jì)4 模式細(xì)化分析關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式的關(guān)系集 檢查潛在問題并進(jìn)行優(yōu)化 與需求分析和概念設(shè)計(jì)的主觀性特點(diǎn)不同 細(xì)化可得到強(qiáng)有力的規(guī)范理論支持 5 物理DB設(shè)計(jì)考慮應(yīng)用必須支持的一些典型預(yù)期負(fù)荷 并以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步求精DB設(shè)計(jì) 確保它能滿足預(yù)期的性能要求 這個(gè)步驟可能包括為一些表建立索引 或指定聚集存儲(chǔ)方式等 6 安全設(shè)計(jì) 3 1ER數(shù)據(jù)模型 3 1 1實(shí)體類型 實(shí)體集 屬性和鍵 3 1 2關(guān)系 關(guān)系類型和關(guān)系集 3 1 3ER模型的其他特性 ER模型簡(jiǎn)介 1 構(gòu)成ER模型的基本概念實(shí)體與屬性實(shí)體類型 實(shí)體集與鍵實(shí)體類型 定義了具有相同屬性的實(shí)體模式結(jié)構(gòu) 由名和屬性來描述 實(shí)體集 具有相同實(shí)體類型的所有實(shí)體集合 實(shí)體類型描述了相同結(jié)構(gòu)實(shí)體集的模式或內(nèi)涵 實(shí)體集則描述了實(shí)體類型的外延 ER圖中不區(qū)分實(shí)體類型和實(shí)體集 被視為同義詞 關(guān)系 關(guān)系類型和關(guān)系集ER模型的其它概念 ER圖表示規(guī)定實(shí)體集 用加矩形外框的名字來表示 屬性名 則用橢圓框起 并用直線與實(shí)體集相連 多值屬性 用雙線橢圓框起 復(fù)合屬性 用名字后加注結(jié)構(gòu)成份表示 鍵屬性 通過屬性名加下劃線來標(biāo)識(shí) ER圖表示規(guī)定關(guān)系集 用名字外加菱形框表示 并用直線將其與參與實(shí)體集的矩形框相連 ER圖設(shè)計(jì)舉例 1 ER圖設(shè)計(jì)舉例 2 ER模型的其它概念 關(guān)系屬性關(guān)系集也可以有自己的描述屬性 用來刻畫關(guān)系集本身的性質(zhì) 而不是某個(gè)參與實(shí)體集的性質(zhì) 關(guān)系約束指與關(guān)系集相關(guān)的約束 通過約束表達(dá)可限制參與關(guān)系各實(shí)體的可能組合 主要類型 基數(shù)詞約束 鍵約束和參與約束 弱實(shí)體集指只能附屬其它實(shí)體集而存在的實(shí)體集 在ER圖中表達(dá)關(guān)系基數(shù)詞和參與約束 弱實(shí)體集的幾種ER建模方法 圖3 5 3 2EER數(shù)據(jù)模型 3 2 1EER模型核心概念的形式定義 3 2 2子類 超類與類層次結(jié)構(gòu) 3 2 3特化與泛化 3 2 4利用union子類建模 3 2 5值集屬性與復(fù)合結(jié)構(gòu)屬性的建模表示 3 2 6EER與UML類圖比較 3 2 7EER作為知識(shí)表示模型 3 2 8為大型企業(yè) 組織進(jìn)行DB概念設(shè)計(jì) EER核心概念 1 類指實(shí)體的集合或?qū)嶓w集 這包括可對(duì)DB應(yīng)用域?qū)嶓w分組的任何EER模式構(gòu)造 如實(shí)體類 型 子類 超類和類別 EER中 任何類都允許參與一個(gè)關(guān)系 子類 超類子類S是一個(gè)類 子類中的實(shí)體必然是其超類C中實(shí)體的一個(gè)子集 即有關(guān)系 S C成立超類 子類關(guān)系也稱為ISA關(guān)系 記做C S 子類實(shí)體除了可以從超類實(shí)體中繼承所有的屬性外 還可以有自己專有的屬性和關(guān)系 EER核心概念 2 特化特化Z S1 S2 Sn 是具有相同超類G的一個(gè)子類集合 每個(gè)G Si是一個(gè)超類 子類關(guān)系 G被稱為泛化實(shí)體類型 用 特化 指代由特化過程所獲得的 特化子集 特化的種類 約束 完全特化與部分特化 不相交特化與重疊特化 兩類約束相互獨(dú)立 可以組合出四種約束 泛化是特化的逆過程 允許我們忽略多個(gè)實(shí)體集之間的性質(zhì)差異 找出它們的共同點(diǎn) 抽象出超類 特化是概念上的求精 而泛化則是概念上的綜合 顯然 由泛化獲得超類方法 易得到完全特化的子集 特化及其約束的EER表示 EER核心概念 3 類別 category 類別有時(shí)也被稱為union子類 類別T是一個(gè)類 它是n個(gè)判定超類D1 D2 Dn n 1 并集的一個(gè)子集 其形式表示為 T D1 D2 Dn union子類的約束完全約束 子類包含了其所有超類并集中的所有成員 部分約束 子類只包含并集的一個(gè)子集 UNION子類及其約束的EER表示 圖3 8 基本ER模型與UML類圖的特性對(duì)比 CompanyDB模式的EER表示 CompanyDB模式的UML表示 3 3邏輯數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì) 映射ER EER模式到關(guān)系模式 3 3 1映射常規(guī)實(shí)體集到關(guān)系表 3 3 2映射關(guān)系集到關(guān)系表 3 3 3映射弱實(shí)體集 3 3 4映射帶有聚集關(guān)系的ER圖 3 3 5映射EER擴(kuò)展結(jié)構(gòu) 3 3 6ER模型至關(guān)系模型映射小結(jié) 3 3映射ER EER模式到關(guān)系模式 ER EER模型適合于初始階段 抽象層次較高的DB概念設(shè)計(jì) 給定一個(gè)概念設(shè)計(jì)模式 ER EER圖 現(xiàn)已有一套標(biāo)準(zhǔn)方法可將它們映射到關(guān)系DB模式 但這種轉(zhuǎn)換還只是近似的 DB模式 一組表 約束集 基于SQL 92 我們尚無法捕獲隱含在ER EER設(shè)計(jì)中的所有約束 本節(jié)我們將介紹從ER EER模式創(chuàng)建關(guān)系模式的方法和過程 映射常規(guī)實(shí)體集到關(guān)系表 一個(gè)常規(guī)實(shí)體集可直接地映射到一個(gè)關(guān)系表 將實(shí)體集的每個(gè)屬性 作為關(guān)系表的一個(gè)屬性 用SQL 92DDL建表語(yǔ)句基本上可以完全捕獲這些信息 包括域約束和主鍵約束 映射關(guān)系集到關(guān)系表 一 映射含鍵約束的關(guān)系集方法1 獨(dú)立關(guān)系表法映射關(guān)系集R到獨(dú)立的關(guān)系表R 映射關(guān)系集到關(guān)系表 一 映射含鍵約束的關(guān)系集方法1 獨(dú)立關(guān)系表法方法2 外鍵方法將關(guān)系集的相關(guān)信息合并到具有鍵約束的參與實(shí)體集中 一對(duì)多關(guān)系的 一 端 映射關(guān)系集到關(guān)系表 一 映射含鍵約束的關(guān)系集方法1 獨(dú)立關(guān)系表法方法2 外鍵方法方法3 合并關(guān)系法若關(guān)系集的所有參與實(shí)體集都有鍵約束且都是完全參與 這時(shí) 也可合并所有參與實(shí)體集到一個(gè)關(guān)系 二 在映射關(guān)系集時(shí)考慮參與約束圖3 9 a 中的Manages 除了鍵約束 每部門至多有一經(jīng)理 外 還含有一完全參與約束 每部門至少需要有一經(jīng)理 考慮到這一點(diǎn) Dept Mgr ssn應(yīng)設(shè)置NOTNULL 三 無鍵約束和參與約束的關(guān)系集映射對(duì)這類關(guān)系集 一般只能用獨(dú)立關(guān)系表法 方法1 進(jìn)行映射 映射弱實(shí)體集 弱實(shí)體集總是參與一對(duì)多的二元關(guān)系 且有一個(gè)鍵約束和完全參與約束 前面討論的映射關(guān)系方法2 外鍵法 是一種較理想的轉(zhuǎn)換方法 但要考慮弱實(shí)體中只含有部分鍵這個(gè)情況 映射EER擴(kuò)展結(jié)構(gòu) 多值 復(fù)合結(jié)構(gòu)屬性 關(guān)系模式不支持多值屬性 必須為關(guān)系模式中的每個(gè)多值屬性 分別創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的關(guān)系 令關(guān)系模式為R MA是R的一個(gè)多值屬性 為MA創(chuàng)建的關(guān)系表為M M的屬性應(yīng)包含R的主鍵屬性k 以便關(guān)聯(lián)到R 原關(guān)系模式R中可去掉多值屬性MA 令關(guān)系模式為R CA是R的一個(gè)復(fù)合屬性 對(duì)于CA 有兩種建模方法 方法1 將復(fù)合屬性的每個(gè)結(jié)構(gòu)成份 分別作為一個(gè)屬性 加到所屬的關(guān)系表中 方法2 為復(fù)合屬性CA單獨(dú)建立一個(gè)關(guān)系表 映射EER擴(kuò)展結(jié)構(gòu) 類層次結(jié)構(gòu) 映射處理EER圖中的ISA層次結(jié)構(gòu) 假設(shè)超類C被特化為m個(gè)子類 S1 Sm Attr C k a1 an PK C k 方法1 映射超類和每個(gè)子類到一個(gè)不同的表 映射EER擴(kuò)展結(jié)構(gòu) 類層次結(jié)構(gòu) 方法1 映射超類和每個(gè)子類到一個(gè)不同的表 方法2 僅創(chuàng)建子類關(guān)系表 為每個(gè)子類Si 1 i m 創(chuàng)建一個(gè)關(guān)系Li 且有屬性Attr Li k a1 an Si的其它專有屬性 PK Li k 該方法只適用于超類完全參與的特化類型 方法3 僅創(chuàng)建含1個(gè)類標(biāo)志屬性的單個(gè)關(guān)系 方法4 僅創(chuàng)建含m個(gè)類標(biāo)志屬性的單個(gè)關(guān)系 該方法能適應(yīng)子類有重疊特化的情況 但會(huì)產(chǎn)生大量的null值 映射EER union子類 1 1 對(duì)超類實(shí)體集有各自不同鍵的情況在創(chuàng)建與union子類對(duì)應(yīng)的關(guān)系表時(shí) 通常需要指定一個(gè)新的鍵屬性 代理鍵 surrogatekey 2 對(duì)超類實(shí)體集有有相同鍵的情況這時(shí) 無需使用代理鍵 ER模型至關(guān)系模型映射小結(jié) 步驟1 映射常規(guī)實(shí)體集 步驟2 映射弱實(shí)體集 步驟3 映射ER模式中的關(guān)系集 步驟4 映射ER模式中的聚集關(guān)系集 步驟5 映射與EER模型相關(guān)的擴(kuò)展結(jié)構(gòu) 3 4關(guān)系模型求精與規(guī)范化 3 4 1模式求精問題 3 4 2函數(shù)依賴 3 4 3基本規(guī)范范式 3 4 4無損分解與依賴保持分解 3 4 5分解與規(guī)范化關(guān)系模式 3 4 6多值依賴與第四規(guī)范 3 4 1模式求精問題 綜述 模式求精的基本任務(wù)是基于分解技術(shù) 來處理初始關(guān)系模式中存在的問題 信息的冗余存儲(chǔ)是引發(fā)這些問題的根源 雖然分解能刪除冗余 但它也可能導(dǎo)致一些額外的問題 如信息損失或?qū)е履承?qiáng)制性約束丟失 必須慎重使用 一 冗余可能引發(fā)問題浪費(fèi)空間 更新異常 同樣的信息被存儲(chǔ)多份 如某份數(shù)據(jù)被更新 而其它份信息未做相應(yīng)更新 就會(huì)造成DB數(shù)據(jù)的不一致 插入異常 如果不附帶冗余存儲(chǔ)一些相關(guān)的信息 新的信息可能無法存儲(chǔ)到DB中 刪除異常 刪除某信息時(shí) 可能會(huì)附帶刪掉一些不希望刪除的信息 冗余可能引發(fā)問題舉例 考慮Hourly Emps ssn name lot rating hourly wages ours worked 縮寫為Hourly Emps SNLRWH 假定小時(shí)工資主要取決于員工等級(jí) 即給定R值 就可唯一確定W值 這是一個(gè)典型的函數(shù)依賴約束關(guān)系 它會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)冗余 其副作用有多個(gè)方面 同等級(jí)員工對(duì)應(yīng)的元組中 R W信息完全相同 同樣的信息被存儲(chǔ)多次 浪費(fèi)存儲(chǔ)空間 如果刪除了給定R值的所有元組 將丟失這組R W所隱含的IC約束信息 這是一種刪除異常 無法單獨(dú)記錄員工等級(jí)與小時(shí)工資的R W關(guān)系 這是一種插入異常 二 利用分解技術(shù)消除冗余 函數(shù)依賴約束 FDs 或其它相近的ICs可被用來識(shí)別冗余點(diǎn) 并給出處理冗余的指導(dǎo)性建議 分解技術(shù)的核心思想通過將原關(guān)系替換 分解 為一組更小關(guān)系 來解決冗余問題 例如 通過將Hourly Emps分解為如下的兩個(gè)小關(guān)系 就可以很好消除原有冗余引起的相關(guān)問題 Hourly Emps2 ssn name lot rating hours worked Wages rating hourly wage 三 分解可能引發(fā)的相關(guān)問題 分解能很好解決冗余問題 但必須慎重使用 否則可能會(huì)帶來其它問題 在使用分解時(shí) 須反復(fù)提問以下兩個(gè)重要問題 我們的確需要分解一個(gè)關(guān)系嗎 對(duì)該問題 已有若干規(guī)范來幫助回答這個(gè)問題 一個(gè)給定的分解會(huì)引起那些其它問題 對(duì)該問題 可借助分解的兩個(gè)重要特性來幫助回答用無損連接 lossless join 依賴保持 dependency preservasion 3 4 2函數(shù)依賴 functionaldependency FD 函數(shù)依賴 是DB中兩組屬性間存在的一種約束 是一類更廣義的鍵概念約束 其形式定義如下 令R代表一個(gè)關(guān)系模式 r是R的一個(gè)任意合法實(shí)例 X和Y是R的兩個(gè)非空屬性子集 如果對(duì)r中每個(gè)元組對(duì)t1和t2有t1 X t2 X 則必有t1 Y t2 Y 這時(shí) 我們就稱Y函數(shù)依賴于X 記為 X Y 兩類特殊的函數(shù)依賴完全函數(shù)依賴與部分函數(shù)依賴通常 模式設(shè)計(jì)者會(huì)顯式指定一組函數(shù)依賴 常用F表示在關(guān)系R上顯式指定的一組 FDs 函數(shù)依賴推理 1 在滿足F FDs 的所有合法關(guān)系實(shí)例中 通常還會(huì)隱含一些其它可從F推理獲得的函數(shù)依賴 例如 對(duì)Workers ssn name lot did since 顯式FDsFD1 ssn did FD2 did lot保持隱含F(xiàn)Ds通過傳遞推理 不難發(fā)現(xiàn) 在Workers中 FD3 ssn lot也能保持的結(jié)論 定義 隱含函數(shù)依賴f 給定FDs集F 如果FD f也能在滿足F的每個(gè)關(guān)系實(shí)例中保持 則稱FD f是隱含在F中的函數(shù)依賴 定義 函數(shù)依賴集閉包F 將包括給定的FDs集F 加上F所隱含的所有f 合稱為F閉包 簡(jiǎn)記為F 函數(shù)依賴推理 2 由給定FDs集F 推導(dǎo)或計(jì)算出F 的規(guī)則自反規(guī)則IR1 如X Y 則X Y 增廣規(guī)則IR2 如X Y 則XZ YZ Z是任意屬性組 傳遞規(guī)則IR3 如果X Y Y Z 則X Z 兩增補(bǔ)規(guī)則 合并或加法規(guī)則IR4 如果X Y X Z 則X YZ 分解或投影規(guī)則IR5 如果X YZ 則X Y X Z 定義 平凡函數(shù)依賴 如果X Y且X Y 則稱X Y是平凡的 trivial 顯然 利用自反規(guī)則IR1 我們不難由已知的FDs推出所有的平凡依賴關(guān)系 函數(shù)依賴推理 3 定義 函數(shù)依賴集覆蓋 對(duì)于函數(shù)依賴集F 如果另一個(gè)函數(shù)依賴集E中的每個(gè)函數(shù)依賴同時(shí)也在F 中 則稱F覆蓋了E 定義 函數(shù)依賴集等價(jià) 對(duì)于兩個(gè)函數(shù)依賴集E和F 如果E F 則稱E和F是等價(jià)的 定義 函數(shù)依賴集最小覆蓋 一個(gè)FDs集F的最小覆蓋是滿足以下三個(gè)條件的一組FDs集G G中的每個(gè)依賴關(guān)系都是規(guī)范的X A形式 這里 A是一個(gè)單屬性 閉包F 等價(jià)于閉包G 如果通過刪除G中的一個(gè)或多個(gè)依賴關(guān)系 或刪除G中依賴關(guān)系的屬性 得到另一個(gè)依賴集H 則必有H G 計(jì)算所有隱含F(xiàn)Ds的一個(gè)系統(tǒng)方法 尋找函數(shù)依賴集F的一個(gè)最小覆蓋G 3 4 3基本規(guī)范范式 1 第一范式對(duì)于一個(gè)關(guān)系R 如果它的每個(gè)字段只包含不可分割的原子值 即沒有復(fù)合值或值集字段 則R滿足第一范式 記為R 1NF 1NF獨(dú)立于鍵和函數(shù)依賴 關(guān)系模型能自然滿足1NF約束 第二范式對(duì)于一個(gè)關(guān)系R 如果它的每個(gè)非鍵屬性A都完全依賴于R的某個(gè)鍵 則R滿足第二范式 記為R 2NF 3 4 3基本規(guī)范范式 2 Boyce Codd范式令R是一關(guān)系模式 X和A分別是R的屬性子集 如果對(duì)R中保持的每個(gè)FD X A 能至少滿足以下兩條件之一 就稱R滿足Boyce Codd范式 簡(jiǎn)記為R BCNF 1 A X 即X A是一個(gè)平凡的FD 2 X是一個(gè)超鍵 可證明 判斷R BCNF 只需檢查F 中每個(gè)非平凡FD左邊是否為超鍵 直觀分析 滿足BCNF 的關(guān)系表BCNF能確保關(guān)系表在FD信息視角下無冗余 每個(gè)元組是 一個(gè)實(shí)體或一個(gè)關(guān)系 每個(gè)字段都存儲(chǔ)著無法從其它字段 利用FD 推導(dǎo)出的信息值 基本規(guī)范范式 3 第三規(guī)范令R是一關(guān)系模式 X與A分別是R的屬性子集 如果對(duì)R中保持的每個(gè)FD X A 能至少滿足以下三條件之一 就稱R滿足第三范式 簡(jiǎn)記為R 3NF A X 即X A是一個(gè)平凡的FD X是一個(gè)超鍵 A是R的部分鍵 3NF比BCNF多了第三個(gè)條件 也允許A是鍵的一部分 顯然 每個(gè)BCNF關(guān)系肯定是3NF關(guān)系 依賴關(guān)系X A違反3NF的兩種主要情形 1 X是某鍵K的一個(gè)屬性子集 這時(shí) 依賴關(guān)系X A是部分依賴 這種情形下 存儲(chǔ) X A 對(duì) 是一種冗余情況 R 2NF 2 X不是任何鍵K的完全屬性子集 這時(shí) 存在依賴鏈K X A 依賴關(guān)系X A是傳遞依賴 3 4 4無損分解與依賴保持分解 1 無損分解無損分解定義令R為一關(guān)系模式 F是R上的FDs集將R分解為兩個(gè)屬性組X和Y 如果對(duì)R的每個(gè)滿足F的實(shí)例r 滿足 x r y r r 就稱該分解是無損連接的 無損分解應(yīng)用將R分解為屬性組R1和R2是無損連接的 當(dāng)且僅當(dāng)R1 R2 R1或R1 R2 R2保持 舉例 Hourly Emps SNLRWH FD R W 一個(gè)不滿足無損連接的分解示例 圖3 14 3 4 4無損分解與依賴保持分解 2 依賴保持分解定義 依賴集投影 令關(guān)系R被分解為兩個(gè)屬性組X和Y F是R上保持的FDsF在X上的投影 FX 是F 中那些僅包含X中屬性的FDs依賴U V在Fx中 當(dāng)且僅當(dāng)U和V中的所有屬性都在X中 定義 依賴保持分解 帶有FDs集F的關(guān)系模式R 分解為X和Y兩個(gè)屬性組是依賴保持的 當(dāng)且僅當(dāng) FX FY F 依賴保持為什么考慮F閉包F 而不是F 3 4 5分解與規(guī)范化關(guān)系模式 1 分解關(guān)系到BCNF 3 4 5分解與規(guī)范化關(guān)系模式 2 分解關(guān)系到3NF 分解到BCNF與分解到3NF的實(shí)質(zhì)差別 對(duì)一個(gè)非BCNF的關(guān)系模式 通過無損連接分解 獲得一組滿足BCNF的關(guān)系模式總是可能的 但有可能不存在獲得一組BCNF關(guān)系的任何依賴保持分解 而將一個(gè)非BCNF關(guān)系分解為一組3NF關(guān)系的無損連接且依賴保持分解 則通常總是存在的