第四章 数据库设计基础
4．1 数据库的基本概念
一、基本概念
1、数据：指描述事物的符号记录
2、数据库：是数据的集合，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。
3、数据库管理系统：负责数据库中的数据组织、数据操纵、数据维护、控制及保护和数据服务等。它具有以下几方面功能：
（1）数据模式定义
（2）数据存取的物理构建
（3）数据操纵
（4）数据的完整性、安全性定义与检查
（5）数据库的并发控制与故障恢复
（6）数据的服务
数据库管理系统提供相应的语言进行管理，有：数据定义语言、数据操纵语言、数据控制语言。这些语言按使用的结构形式分为：交互式命令语言、宿主型语言
4、数据库管理员（DBA）：负责数据库设计，数据库维护，改善系统性能、提高系统效率。
5、数据库系统，由以下部分组成：数据库（数据）、数据库管理系统（软件）、数据库管理员（人员）、系统软件硬件平台。
6、数据库应用系统：数据库系统加上应用软件及应用界面组成。
二、数据库系统的发展
三个阶段：文件系统阶段、层次与网状数据库阶段、关系数据库阶段。
三、数据库系统的基本特点
1、数据的集成性
2、数据的高共享性与低冗余性
3、数据独立性（物理独立性和逻辑独立性）
4、数据统一管理与控制（完整性检查、安全性保护、并发控制）
四、数据库系统的内部结构体系
1、数据库系统的三级模式
（1）概念模式：是数据库系统中全局数据逻辑结构的描述，是全体用户公共数据视图。
（2）外模式：用户的数据视图。
（3）内模式：是数据库物理存储结构与物理存取方法。
2、数据库系统的两级映射：概念模式到内模式的映射和外模式到概念模式的映射。
4．2 数据模型
一、数据模型的基本概念
通过数据模型将现实世界要求反映到计算机中的物理世界，这个过程经过两个阶段：由现实世界到信息世界而至计算机世界。
数据模型描述的内容有三个方面：数据结构、数据操作与数据约束。
数据模型按不同的应用层次分成三种类型：概念模型、数据模型和物理模型。
二、E-R模型
1、基本概念
实体：是概念世界中的基本单位，它们是客观存在的且又能相互区别的事物。具有共性的实体组成的集合称实体集。
属性：它是每个实体均具有的特性，它刻画了实体的特征。一个属性的取值范围称作该属性的值域。
联系：现实世界中的事物间的关联称为联系。联系有一对一（1：1）、一对多（多对一）（1：M，M：1）、多对多（M：N）三种。
2、E-R模型三个基本概念之间的联接关系
（1）实体集与属性之间的联接关系：实体是概念世界中的基本单位，属性附属于实体。一个实体的所有属性取值构成的值集称作元组。一个实体的所有属性构成实体的型，属性值集构成属性的值。
（2）实体（集）与联系：实体集间无法建立直接联系，它只能通过联系才能建立起联接关系。
3、E-R模型的图示方法：用矩形表示实体集，用椭圆形表示属性，用菱形表示联系。实体与属性、实体与联系之间的联接关系用无向线段表示。
三、关系模型
1、关系的数据结构
关系模型采用二维表来表示。二维表应满足下面7个性质：元组个数据有限性、元组的唯一性、元组的次序无关性、元组分量的原子性、属性名唯一性、属性的次序无关性、分量值域的同一性。
凡能唯一标识元组的最小属性集称为该表的键或码。
二维表中可能有多个键，称作候选键或候选码。
从所有候选键中取一个作为用户使用的键称主键或主码。
表A中的某属性集是某表B的键，则称该属性集为A的外键或外码。
2、关系操纵：数据查询、数据删除、数据插入、数据修改。
3、关系中的数据约束
（1）实体完整性约束：主键中属性值不能为空值。
（2）参照完整性约束：关系中的外键要么是所关联关系中实际存在的元组，要么为空值。
（3）用户定义的完整性约束。
4．3 关系代数
关系模型的基本运算
1、插入：设关系R需插入若干元组，要插入的元组组成关系R’，则表示为：R∪R’。
2、删除：设关系R需删除一些元组，要删除的元组组成关系R’，则表示为：R-R’。
3、修改：修改关系R用下面两步实现
（1）设需修改的元组构成关系R’，则先做删除得：R-R’。
（2）设修改后的元组构成关系R”，此时将其插入即得到(R-R’)∪R”。
4、查询：
（1）投影：设关系R有n个域，A1，A2，…，An，则在R上对域Ai1,Ai2,…,Aim的投影可表示为：πAi1,Ai2,…Aim(R)。
（2）选择：从关系R中选择出一些符合条件的元组，表示为：σF(R)。
（3）笛卡尔积：将两个关系R、S的合并操作用笛卡尔积来表示：T=R×S。
4．4 数据库设计与管理
数据库设计主要有两种方法，一种是以以需求为主，称面向数据的方法，另一种是以处理需求为主，称面向过程的方法。
数据库设计主要分为四个阶段：需求分析阶段、概念设计阶段（画出E-R图，可以采用自顶向下、自底向上、由内向外的方法）、逻辑设计阶段（将E-R模型转换为关系模型）、物理设计阶段（在计算机上具体实现）。