数据库-第5章数据库物理模型

第五章数据库物理模型设计1数据库原理及应用电子科技大学•学习概念数据模型或逻辑数据模型转换为物理数据模型的方法。•了解如何将实体的1:1、1：N和N:M关系表示为表关系•了解数据库设计范式和规范化•通过实践案例学习从概念数据模型转换物理数据模型的一般步骤【学习目标】2数据库原理及应用电子科技大学一、数据库模型转换5.1数据库设计模型转换数据库设计分为概念数据模型设计、逻辑数据模型设计、物理数据模型设计三个层次。在常规的数据库设计中，将依次对这三种模型进行转换设计。各个模型之间的元素对应关系如下表3数据库原理及应用电子科技大学二、数据模型转换方案数据模型转换设计有两种方案一种是由概念数据模型生成对应的逻辑数据模型，再从逻辑数据模型转换生成物理数据模型；另一种是从概念数据模型直接转换为对应的物理数据模型4数据库原理及应用电子科技大学数据模型之间转化概念数据模型(CDM)物理数据模型(PDM)现实世界转化逻辑数据模型(LDM)转化转化抽取5数据库原理及应用电子科技大学当使用关系数据库时，物理数据模型即为关系模型，其基本转换原理如下：1）将每一个实体转换成一个表，实体的属性转换为表的列，实体的标识符转换为表的主键2）将实体关系转化为表间的参照完整性约束，即通过设置外键来参照主键。根据关系的不同类型，通过外键参照主键的方式有所不同数据模型转换6数据库原理及应用电子科技大学1.表表是数据库中用来保存信息的一种数据结构，由数据模型中的实体转化而来。一个表中记录着关于实体的信息，它是数据库组织的基本对象。2.列列是组成表的基本单位，由数据模型中的属性转化而来。一个表由多个列组成，每个列都有一个数据类型。三、将实体转化为表7数据库原理及应用电子科技大学主键是用来唯一标识表中每个记录的一个或多个列的集合，由数据模型中的主标识符转化而来。在物理数据模型中，每张表必须有一个主键。主键通常用pk表示.候选键也是用来唯一标识表中记录的一个或多个列的集合，通常由数据模型中的次标识符转化而来。候选键通常用ak表示3.主键与候选键8数据库原理及应用电子科技大学外键是与其它表连接的公共列，这个列通常是其它表的主键。外键一般是由数据模型中的实体关系产生。外键通常用fk表示在系统物理数据模型设计中，对上述基本数据库对象进行设计外，还包括数据库的存储过程、触发器、视图、索引、约束规则等设计。4.外键9数据库原理及应用电子科技大学将实体转换为表首先，为每个实体定义一个表，表名与实体名相同。将实体的标识符作为表的主键。然后，实体的属性转换为表中的列，实体的标识符转换为表的主键10数据库原理及应用电子科技大学确定代理键在关系数据库设计中，当数据表中的候选键都不适合当主键时（例如，候选键的内容太大或者复合候选键包含的属性太多），就会定义代理键作为主键。代理键由DBMS自动生成数字键值，且永不改变。11数据库原理及应用电子科技大学定义列的特性实体属性转换为表的列后，必须为每个列指定其特性，包括数据类型、空值状态、默认值及数值的约束。数据类型：每个DBMS都有自己的数据类型定义，对于每一列，应指明在该列中存储何种类型的数据。空值状态：在表中插入新行时，某些列必须有值，对于这样的列，将其标注为NOTNULL；某些列允许不输入值，将其标注为NULL。默认值：默认值是指当插入新行时，如果用户没有显式输入某个列的值，则由DBMS自动设置为预先设定的值。数值的约束：一些列中的数据值可能有限制，这些限制称为数据约束。12数据库原理及应用电子科技大学数据模型转换数据库设计步骤为每个实体创建一个表规范化所有表创建表之间的主外键约束概念模型关系模型（物理模型）第1步第2步第3步13数据库原理及应用电子科技大学四、弱实体的转换表示前面描述的实体转换为表的过程适用于所有的实体类型，但弱实体有时候需要特别的处理。弱实体在逻辑上依赖于另一个实体。非ID依赖弱实体14数据库原理及应用电子科技大学ID依赖弱实体的标识符应该含有它所依赖实体的标识符，因此需要将被依赖实体的标识符放入ID依赖弱实体转换生成的表中，和ID依赖弱实体的标识符共同转换成复合主键。ID依赖弱实体15数据库原理及应用电子科技大学五、实体关系的转换表示1:1实体关系的转换我们可以有两种转换方案，一种是将学生表的主键“学号”放入助研金账号表中做外键；另一种是将助研金账号表的主键“账号”放入学生表中做外键。这两种方案均是可行的，由设计者根据应用情况自主做出选择。16数据库原理及应用电子科技大学17数据库原理及应用电子科技大学1:N实体关系的转换1：N实体关系的转换方法很简单，两个实体分别转换为表，然后将父实体表的主键放入子实体表中做外键。将图5-9所示的实体关系转换为表参照约束18数据库原理及应用电子科技大学19数据库原理及应用电子科技大学M:N实体关系的转换N:M实体关系不能像1:1和1:N实体关系那样直接转换。将任一个实体表的主键放置到另一个实体表中做外键都是无法实现的。20数据库原理及应用电子科技大学必须要重新产生一张新表，用于表示两个实体之间的关系。新表的名称通常有两种命名方法，一种是以N:M关系的名称命名，一种是用下划线连接N:M关系两侧的实体名称作为新表的名称。21数据库原理及应用电子科技大学实体继承关系的转换当实体继承关系转换到物理数据模型时，首先父实体和子实体都各自转换为表，其属性均转换为表的列。在处理继承关系转换时，将父表中的主键放置到子表中，既做主键又做外键。22数据库原理及应用电子科技大学23数据库原理及应用电子科技大学实体递归关系的转换对于1：N的实体递归关系转换，首先将递归实体转换为表，其属性转换为列，标识符转换为主键，这些处理方式和前面描述的两个实体间的转换时一致的。实体递归关系处理的特殊性在于关系连接的是同一个实体，我们可以理解为要在同一个表对象间去实现这种关系。因此，在逻辑上将顾客表看做两张表，按照前面阐述的1：N实体关系处理方法，将1侧表的主键放入N侧表中做外键。24数据库原理及应用电子科技大学25数据库原理及应用电子科技大学对于M:N的实体递归关系，是指在同一个实体间所发生的多对多关系。例如，“医生”实体间的M:N实体递归关系26数据库原理及应用电子科技大学每个医生都可能会给其他医生看病，自己也可能接受其他医生的治疗，这是一个多对多的实体递归关系。按照前面对N:M实体关系的转换处理，将关系两侧的实体分别转换为表，还要派生出一个新的关联表，其表名是关系的名称。27数据库原理及应用电子科技大学5.2数据库表规范化设计数据库表规范化设计是指在数据库中减少数据冗余和定义一个规范的表间结构，实现数据完整性与一致性。所谓数据冗余是指一组数据重复出现在数据库的多个表中。在数据库设计中，尽量避免表间的重复数据列。规范化数据库设计为数据库系统带来如下益处：冗余数据被消除，同一数据在数据库中仅保存一份，有效降低维护数据一致性的工作量。设计合理的表间依赖关系和约束关系，便于实现数据完整性和一致性。设计合理的数据库结构，便于系统对数据高效访问处理。28数据库原理及应用电子科技大学一、函数依赖理论函数依赖（FunctionalDependency)是数据依赖的一种，它反映属性或属性组之间相互依存、互相制约的关系，即反映现实世界的数据约束关系在函数依赖理论中，定义下列符号：R表示一个关系的模式，U={A1，A2，…，An}是R的所有属性的集合，F是R中函数依赖的集合，r是R所取的值，t[X]表示元组t在属性X上的取值。29数据库原理及应用电子科技大学函数依赖的定义定义：设有一关系模式R（U），X和Y为其属性U的子集，即，。设t，s是关系R中的任意两个元组，如果t[X]=s[X]，则t[Y]=s[Y]。那么称Y函数依赖于X，或X函数决定Y。也可称在关系模式R（U）上成立。一个函数依赖要能成立，不但要求关系的当前值都能满足函数依赖条件，而且还要求关系的任一可能值都能满足函数依赖条件。对于当前关系r的任意两个元组，如果X值相同，则要求Y值也相同。即有一个X值就有一个Y值与之对应。或者说，Y值由X值决定，因而这种依赖称为函数依赖。30数据库原理及应用电子科技大学31数据库原理及应用电子科技大学部分函数依赖32数据库原理及应用电子科技大学属性传递依赖33数据库原理及应用电子科技大学多值依赖34数据库原理及应用电子科技大学二、规范化范式范式（NormalForma，NF）是指关系表的规范程度状态。范式的种类与数据依赖有着直接的联系。在关系模式中存在函数依赖时就有可能存在数据冗余，引出数据操作异常现象。数据冗余不仅浪费存储空间，而且会使数据库难以保持数据的一致性。范式可以用于确保数据库模式中没有各种类型的异常和不一致性。35数据库原理及应用电子科技大学规范化是把一组有异常的关系分解成更小的、结构良好的关系的过程，使得这些关系有最小的冗余或没有冗余。规范化是决定关系中属性如何分组的一个形式化过程。理论上讲，关系数据库有六种范式：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）。满足最低要求的范式是第一范式（1NF）。在第一范式的基础上进一步满足更多要求的称为第二范式（2NF），其余范式以次类推。高级范式总是包含了低级范式的全部要求。36数据库原理及应用电子科技大学第1规范式（1NF）：如果关系中的属性不可再细分，该关系满足第1范式。第2规范式（2NF）：如果关系满足第1范式，并消除了关系中的属性部分依赖，该关系满足第2范式。例有一个关系（A,B,N,O,P）,其复合主键为（A,B）,那么N,O,P这三个非键属性都不存在只依赖A或只依赖B情况，则该关系满足第2范式,反之,不满足第2范式。37数据库原理及应用电子科技大学第3规范式（3NF）：如果关系满足第2范式，并切断了关系中的属性传递依赖，该关系满足第3范式。例若有一个关系（A,N,O,P）,主键为（A）,那么非键属性N,O或P都不能由单个的N,O或P或它们的组合所确定。该关系满足第3范式。BCNF范式：在关系中，所有函数依赖的决定因子都是候选键，该关系满足BCNF范式。例：关系STUDENT(StudentNum,Name,Email)中，决定因子StudentNum也是候选键，该关系满足BCNF范式。38数据库原理及应用电子科技大学第4规范式（4NF）：如果关系满足BCNF范式，并消除了多值依赖，该关系满足第4范式。多值依赖：假设关系模式为R（A，B，C），其中A，B为主键属性。如果在A取特定值，而在B上取值的集合与在C上取值的集合无关，则称多值依赖。39数据库原理及应用电子科技大学例：设学校中某一门课程由多个教师讲授，他们使用相同的一套参考书。用关系模式Teaching（Course，Teacher，Book）来表示课程、教师和参考书之间的关系。该关系Teaching（Course，Teacher，Book），属于BCNF范式；但是它存在以下问题：1.数据冗余度大，有多少名任课教师，课程名、参考书名就要存储多少次；2.增加操作复杂，当某一课程增加一名任课教师时，该课程有多少本参考书，就必须插入多少个元组；3.修改操作复杂，某一门课程要修改一门参考书，该课程有多少名教师，就必须修改多少个元组。40数据库原理及应用电子科技大学产生这些问题的原因是参考书和教师的取值彼此独立，它们都只取决于课程名，也就是存在多值依赖。41数据库原理及应用电子科技大学学生学号姓名课程号成绩系名住址联系方式练习：学生关系规范化问题：它满足第1范式？42数据库原理及应用电子科技大学第1规范式：如果关系中的属性不可再细分，该关系满足第1范式。学生关系现在满足第1范式学生学号姓名课程号成绩系名住址电话电子邮件本关系不满足1范式，因为“联系方式”属性可以再细分“电话”、“电子邮件”等。问题：它满足第2范式吗？43数据库原理及应用电子科技大学第2规范式：如果关系满足第1范式，并消除了关系中的属性部分依赖，该关系满足第2范式。分析：主键（