第15讲 数据库概念设计
数据库设计概念
数据库设计概念在当今数字化的时代，数据成为了企业和组织运营的核心资产。
无论是处理客户信息、管理库存，还是分析业务趋势，都离不开高效可靠的数据库。
而数据库设计，就是构建这些数据存储和管理系统的关键环节。
那么，什么是数据库设计呢？简单来说，数据库设计就是根据用户的需求，在选定的数据库管理系统基础上，建立一个合适的数据模型，并对其进行优化，以实现高效的数据存储、检索和更新。
数据库设计并非一蹴而就的过程，它通常包括需求分析、概念设计、逻辑设计和物理设计等多个阶段。
需求分析是数据库设计的第一步，也是最为关键的一步。
在这个阶段，设计师需要与用户进行充分的沟通，了解他们的业务流程、数据需求以及对系统的期望。
这就好比盖房子之前要知道住户的生活习惯和需求一样。
比如，一个电商网站需要存储用户的个人信息、购物订单、商品详情等数据；而一个医院的信息系统则需要管理患者的病历、诊断结果、用药记录等。
只有明确了这些需求，才能为后续的设计工作提供坚实的基础。
在完成需求分析后，就进入了概念设计阶段。
这时候，设计师要运用抽象的思维，将现实世界中的业务对象和关系转化为概念模型。
常用的概念模型工具是 ER 图（实体关系图）。
通过 ER 图，可以清晰地表示出实体（如用户、商品、订单等）之间的关系（如购买、包含等）。
这个阶段不考虑具体的数据库实现细节，主要是为了建立一个对业务的整体理解。
接下来是逻辑设计。
逻辑设计是将概念模型转化为数据库管理系统所支持的逻辑模型。
常见的逻辑模型有关系模型、层次模型和网状模型，其中关系模型是目前应用最为广泛的。
在关系模型中，数据被组织成一张张二维的表格，通过主键和外键来建立表与表之间的联系。
比如，在电商数据库中，“用户表”和“订单表”可以通过“用户ID”这个主键和外键进行关联，从而能够查询到每个用户的订单信息。
物理设计则是根据所选用的数据库管理系统和硬件环境，来确定数据库的存储结构和访问方式。
这包括选择合适的数据类型、索引的创建、表的分区等。
数据库的概念设计是
数据库的概念设计是数据库的概念设计是指在构建数据库系统时所进行的一个重要阶段，是确定数据库的结构、内容和相关规则的过程。
该设计过程旨在满足用户的需求，确保数据库能够有效地存储、管理和检索数据。
下面将从多个方面对数据库的概念设计进行详细阐述。
首先，数据库的概念设计是一个高层次的设计过程，不涉及具体的数据存储和查询细节。
在这个阶段，数据库管理员与用户合作，通过分析用户需求来确定数据库的概念模型，包括数据结构、数据类型、实体关系以及约束条件等。
通过这一过程，数据库管理员可以更好地了解用户业务需求，并将之理解为一个结构化的概念模型。
其次，数据库的概念设计关注的是数据的结构化，即如何组织和管理数据，以便于高效地存储和检索。
在概念设计阶段，应该考虑实体之间的关系和属性，选择合适的数据模型，并使用关系型数据库、面向对象数据库或其他适合的数据库模型来定义数据库的结构。
例如，可以使用实体关系模型（ER模型）来表示实体、属性和关系之间的联系，以及用E-R图表示这些关系。
此外，数据库的概念设计还要考虑数据的一致性和完整性。
一致性是指数据库中的数据应该符合一定的逻辑和业务规则，如主键和外键的约束条件。
完整性是指对数据的有效性和准确性进行保证，以确保数据库不包含不一致或失效的数据。
在概念设计阶段，数据库管理员应该定义适当的约束条件和触发器，来保证数据的一致性和完整性。
另外，数据库的概念设计还要考虑数据的安全性和保密性。
在设计数据库时，应该考虑如何保护数据不受非法访问和破坏。
可以使用访问控制和权限管理机制来限制对数据库的访问，并使用加密技术来保护敏感数据的安全。
最后，数据库的概念设计还要考虑数据库的性能和可扩展性。
在设计数据库时，需要考虑如何通过合理的索引设计和查询优化来提高数据库的查询性能。
此外，还需要考虑数据库的扩展性，即如何通过增加硬件设备或调整数据库的结构来增加数据库的容量和并发处理能力。
综上所述，数据库的概念设计是一个关键的过程，它涉及了多个方面，包括数据结构、实体关系、完整性、安全性和性能等。
数据库概念设计
数据库概念设计
数据库概念设计，是一项广大范围而深入的工作，是软件开发的基础性技术，
参与到了系统设计、编程、实现及维护的各个阶段。
它结合了数据库的基本原理，在互联网上构建起网站的基础设施。
数据库概念设计基于数据库理论，根据不同的应用场景，分析识别数据及信息
间的特点，并考虑实体、属性、联系人和约束，透彻地揭示、描述数据之间的潜在逻辑联系，综合表示数据和逻辑关系，以实现系统中有效、高效的管理和处理数据的目的。
有效的数据库概念设计，有利于提高数据库的存储和管理效率，是建立数据库
的重要环节。
它能有效的保存和管理数据，提高数据库的信息处理效率，为实现数据库真正的多元、高效的管理提供了可能。
另外，数据库概念设计在互联网开发中也很重要。
互联网数据库与一般的数据
库有明显的不同，一般用于存储特定类型的复杂嵌套数据，而互联网系统为了满足高并发、海量数据存储和快速响应的需要，需要具有能够支持不同数据结构、分布式存储、弹性拓展和高可用性的数据构架设计。
数据库概念设计是软件开发的基础，是构建在互联网上的基础设施的关键技术，它的意义重大，贯穿于软件开发的各个阶段，是实现数据有效、高效管理的基础。
只有有效地实现这一步，才能构建良好的数据库，实现信息处理的要求，最终为客户提供更优质的互联网服务。
数据库概念设计
数据库概念设计数据库概念设计是指在设计数据库时所使用的一种方法。
“概念”指的是数据库中所需要记录和管理的信息的概念，“设计”指的是根据这些信息的概念来确定数据库的结构和关系。
数据库概念设计需要考虑以下几个方面：1. 实体：实体是指数据中的一个对象或者事物，比如学生、课程、教师等。
在数据库中，每个实体都有唯一的标识符，称为主键。
2. 属性：属性是实体的特征或者描述。
比如学生的属性可以包括姓名、年龄、性别等。
每个属性都有数据类型，比如字符型、整型、日期型等。
3. 关系：关系是不同实体之间的联系。
比如学生和课程之间存在选课关系，教师和课程之间存在授课关系。
关系通常用关联来表示，比如学生实体和课程实体之间的关系可以用学生ID属性关联课程ID属性。
4. 范式：范式是数据库设计的规范，用于避免数据冗余和不一致的问题。
常见的范式有第一范式、第二范式和第三范式。
第一范式要求每个属性都是原子的，第二范式要求每个非主键属性都完全依赖于主键，第三范式要求非主键属性之间不应该存在传递依赖。
数据库概念设计的过程包括以下几个步骤：1. 需求分析：确定数据库的需求和功能，了解用户对数据库的期望和要求。
这包括确定需要记录的实体和属性，以及实体之间的关系。
2. 概念设计：根据需求分析的结果，设计数据库的概念模型。
这包括确定实体的属性和关系，确定主键和外键。
3. 逻辑设计：将概念模型转化为逻辑模型。
逻辑设计的目标是根据数据库管理系统的特性和限制来确定数据库的结构和关系。
这包括确定表的结构、数据类型和约束条件，以及确定表之间的关系。
4. 物理设计：将逻辑模型转化为物理模型。
物理设计的目标是根据数据库管理系统的特性和硬件限制来确定数据库的物理存储结构和访问路径。
这包括确定表的分布、索引和分区，以及确定数据的备份和恢复策略。
数据库概念设计是数据库设计的重要步骤，它能够帮助设计人员全面理解和把握数据库的需求，从而设计出合理、高效的数据库结构。
数据库的概念结构设计
数据库的概念结构设计数据库的概念结构设计是指在设计数据库之前，需要进行的一个抽象模型化的过程，它描述了数据库中各种对象和它们之间关系的逻辑结构。
数据库的概念结构设计是数据库设计的一个重要环节，它的目的是确定数据库的基本结构和用于描述和组织数据的各种概念、规则、关系和约束。
1.实体和实体类型：实体是现实世界中具有独立存在和区分性质的事物，实体类型是指一类具有相同性质的实体的集合。
在概念结构设计中，需要确定数据库中包含哪些实体类型，以及每个实体类型包含哪些属性。
2.属性和属性域：属性是指实体具有的其中一种特性或性质，属性可以是简单的或复杂的。
属性域是属性可能取值的范围或类型，例如整数、字符串等。
在概念结构设计中，需要确定每个实体类型包含哪些属性，并为每个属性定义属性域。
5.约束和规则：约束是指对数据库中数据有效性的限制，可以是简单的或复杂的逻辑条件。
规则是指对数据库中数据操作的限制和规范，例如插入、删除、更新等操作的规则。
在概念结构设计中，需要确定数据库中存在哪些约束和规则。
6.数据流和过程：数据流是指数据库中数据的流动过程，过程是指对数据库中数据进行操作的方法，例如查询、修改等过程。
在概念结构设计中，需要确定数据库中的数据流和过程，以及它们之间的关系和约束。
数据库的概念结构设计是数据库设计的基础，它为后续的物理结构设计、逻辑结构设计和实施提供了指导。
一个好的概念结构设计可以使数据库的性能和效率得到最大的提升，同时也可以保证数据库中数据的一致性和完整性。
因此，在进行数据库设计时，需要认真进行概念结构设计的工作，合理地组织和描述数据的逻辑结构，为后续的数据库设计和实施奠定良好的基础。
第15讲 数据库概念设计总结
6.3 数据库概念设计
（2）特殊化和概括 ③属性继承的相内容。
属性继承是指通过特殊化或概括所产生的低层实体将继承高层实
体的所有属性。 例如，图6.27中的低层实体选修课和必修课都继承了课程实体的 属性，因此选修课实体具有课程号、课程名、学分、周学时、人 数上限和人数下限等属性，必修课实体具有课程号、课程名、学 分、周学时和课程负责人等属性。同理，共同限选课则具有课程 号、课程名、学分、周学时、人数上限、人数下限和模块号等属 性。
6.3 数据库概念设计
3.E-R模型的扩充
尽管在大部分情况下，使用前面介绍的基本E-R模型已经
可以满足数据库建模的需要，即可以将现实世界中的事 物及其相互间的联系描述清楚。
但是，在有些时候却还不尽如人意。因此，需要对基本
的E-R模型进行扩充。
6.3 数据库概念设计
（1）弱实体。在现实世界中，有些实体的存在必须依赖于 其他实体，这样的实体称为弱实体，其他实体则被称为常规 实体。
6.3 数据库概念设计
2.概念结构设计的步骤
对于自底向上的设计方法来说，概念结构的步骤分为两步（如图6.14
所示）：
（1）进行数据抽象，设计局部E-R模型。
（2）集成各局部E-R模型，形成全局E-R模型。
6.3 数据库概念设计
6.3.4
概念模型
1.概念模型与信息的3个世界 （1）现实世界
6.3 数据库概念设计
将概念结构设计从设计过程中独立出来，可 以带来以下好处：
（1）任务相对单一化，降低了数据库设计的复杂
程度，更便于管理。
（2）概念模式不受具体的DBMS的限制，独立于
数据库概念设计的内容
数据库概念设计的内容嘿，朋友们！今天咱来聊聊数据库概念设计这档子事儿。
你说这数据库概念设计啊，就好比是给一个大城堡搭框架。
咱得想好怎么布局，哪里是房间，哪里是走廊，哪里放宝贝。
要是一开始就没弄好，那后面可就麻烦啦！想象一下，数据库就像是一个超级大的仓库，里面要放各种各样的东西。
概念设计呢，就是决定怎么划分区域，怎么给这些区域起名字，让我们能快速准确地找到想要的东西。
这可不是随随便便就能搞定的呀！比如说，我们要设计一个关于学生信息的数据库。
那得想好要包含哪些信息吧，名字、年龄、性别、成绩……这些就像是仓库里的不同物品，得给它们安排合适的地方。
如果没设计好，那找个学生的成绩可能就像大海捞针一样难。
这就跟咱收拾房间似的，要是东西乱丢乱放，等找的时候可就抓瞎了。
但要是整理得井井有条，啥都能一下子找到，多爽啊！在数据库概念设计里，还有个重要的东西叫实体和关系。
实体就好比是一个个具体的物件，学生啊、课程啊之类的。
关系呢，就是这些物件之间的联系，比如哪个学生选了哪门课。
这可得好好琢磨，不然整个数据库就乱套啦。
而且啊，设计的时候还得考虑以后的扩展性。
就像盖房子，不能说现在够住就行了，万一以后家里人口多了呢？数据库也一样，说不定以后业务扩展了，要加很多新的信息进去，要是一开始没留好余地，那不就傻眼了嘛。
还有啊，一定要注意数据的一致性和完整性。
不能这个地方说张三是男生，另一个地方又说张三是女生，那可不行！这就像一个人不能一会儿说自己是中国人，一会儿又说自己是外国人一样，太奇怪啦！总之呢，数据库概念设计可不是闹着玩的，得认真对待。
这就像是给数据库打下坚实的基础，基础打好了，后面才能盖起高楼大厦。
要是基础不牢，那可就危险咯！所以啊，大家在做数据库概念设计的时候，一定要多花心思，多考虑各种情况。
别嫌麻烦，现在麻烦一点，以后就轻松多啦。
不然等出了问题再改，那可就费劲啦！这可是我的经验之谈哦，希望能对大家有帮助！数据库概念设计真的很重要，大家可千万别小瞧它呀！。
第15讲 数据库概念设计
6.3 数据库概念设计
3.E-R模型的扩充
尽管在大部分情况下，使用前面介绍的基本E-R模型已经
可以满足数据库建模的需要，即可以将现实世界中的事 物及其相互间的联系描述清楚。
但是，在有些时候却还不尽如人意。因此，需要对基本
的E-R模型进行扩充。
6.3 数据库概念设计
（1）弱实体。在现实世界中，有些实体的存在必须依赖于 其他实体，这样的实体称为弱实体，其他实体则被称为常规 实体。
或者属性的排列次序不完全相同。
设计属性的次序。
产生原因：不同的局部应用关心的是该实体的不同侧面。 解决方法：使该实体的属性取各分E-R图中属性的并集，再适当
实体之间的联系在不同局部视图中呈现不同的类型。 解决方法：根据应用语义对实体联系的类型进行综合或调整。
6.3 数据库概念设计
（2）消除不必要的冗余，设计基本E-R图。 冗余的数据是指可由基本数据导出的数据，冗余的联系 是指可由其他联系导出的联系。 冗余数据和冗余联系容易破坏数据库的完整性，给数据 库维护增加困难。 并不是所有的冗余数据与冗余联系都必须加以消除，有 时为了提高某些应用的效率，不得不以冗余信息作为代 价。 简单的说冗余是实体间联系的纽带。 设计数据库概念结构时，哪些冗余信息必须消除，哪些 冗余信息允许存在，需要根据用户的整体需求来确定。
6.3 数据库概念设计
③结构冲突。有三类，分别如下：
同一对象在不同应用中具有不同的抽象。 例如“用户”在某一局部应用中被当作实体在另一局部应用中则 被当作属性。 解决方法：通常是把属性变换为实体或把实体变换为属性，使同 一对象具有相同的抽象。 同一实体在不同局部视图中所包含的属性不完全相同，
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依赖于建筑物的存在，因此单元住宅是弱实体；
再如，软件产品与其发行版之间同样存在着依赖关系，发行版是弱
实体。
6.3 数据库概念设计
（2Leabharlann 特殊化和概括 ①特殊化的相关内容。 观察一下课程实体，它具有课程号、课程名、学分和周学
6.3 数据库概念设计
（2）特殊化和概括 ③属性继承的相内容。
属性继承是指通过特殊化或概括所产生的低层实体将继承高层实
体的所有属性。 例如，图6.27中的低层实体选修课和必修课都继承了课程实体的 属性，因此选修课实体具有课程号、课程名、学分、周学时、人 数上限和人数下限等属性，必修课实体具有课程号、课程名、学 分、周学时和课程负责人等属性。同理，共同限选课则具有课程 号、课程名、学分、周学时、人数上限、人数下限和模块号等属 性。
设计者必须对用户所提供的原始数据进行综合，抽象 出数据库系统所要研究的数据，将现实世界中的事物 及其联系转换成信息世界中的实体及其联系。
6.3 数据库概念设计
（3）数据世界
数据世界指信息世界中的信息在计算机中的数据存储。
信息世界中的实体及其联系将被转换成数据世界中的数 据及联系，这种联系是用数据模型表示的。 数据模型是基于计算机系统和数据库的数据模型，它直 接面向的是数据库的逻辑结构，是对现实世界的第二层 抽象。
6.3 数据库概念设计
4.局部E-R模型的设计
利用E-R方法进行数据库的概念设计，可以分两步进行。
首先设计出局部E-R模型 然后再将各局部E-R一个全局E-R模型，在综合过程中同时对全
局E-R模型优化，得到最终的E-R模型，即概念模型。
6.3 数据库概念设计
（1）局部E-R模型的设计步骤。局部E-R模型的设计步 骤如图6.30所示。
交换意见，用户的积极参与是数据库的设计成功的关键。
6.3 数据库概念设计
6.3.3
概念结构的设计方法和步骤
1. 概念结构的设计方法
（1）自顶向下。首先定义全局概念结构的框架，然后逐步细
化。 （2）自底向上。首先定义各局部应用的概念结构，然后将它 们集成起来，得到全局概念结构。 （3）逐步扩张。首先定义最重要的核心概念结构，然后向外 扩充，以滚雪球的方式逐步生成其他概念结构，直至总体概 念结构。 （4）混合策略。将自顶向下和自底向上相结合，用自顶向下 策略设计一个全局概念结构的框架，以它为骨架集成由自底 向上策略中设计的各局部概念结构。
6.3 数据库概念设计
6.3.2
概念模型设计的特点
（1）能真实、充分地反映现实世界，包括事物和事物之
间的联系，能满足用户对数据的处理要求。是对现实世 界的一个真实抽象。 概念模型维护和扩充。
（2）易于更改，当应用环境和应用要求改变时，容易对 （3）易于理解，可以用概念模型与不熟悉计算机的用户 （4）易于向其他数据模型转换。
（1）一次集成法。一次集成多个分E-R图，通常用于局部视图比
较简单时。 （2）逐步累积式。首先集成两个局部视图（通常是比较关键的 两个局部视图），以后每次将一个新的局部视图集成进来。
6.3 数据库概念设计
不管用哪种方法，集成局部E-R图的都分为两个步 骤。
（1）合并。解决各个局部E-R图之间的冲突，将各个局
式，而由于用户编号不用参与运算，因此另一些部分将用户编号 定义为字符型形式。
6.3 数据库概念设计
②命名冲突。
命名不一致可能发生在实体名、属性名或联系名之间，其中属性的
命名冲突更为常见。一般表现为同名异义或异名同义。同名异义： 不同意义的对象在不同的局部应用中具有相同的名字。异名同义 （一义多名）：同一意义的对象在不同的局部应用中具有不同的名 字。 命名冲突可能发生在属性级、实体级、联系级上。其中属性的命名 冲突更为常见。解决命名冲突的方法是通常用讨论、协商等行政手 段加以解决。
6.3 数据库概念设计
3.E-R模型的扩充
尽管在大部分情况下，使用前面介绍的基本E-R模型已经
可以满足数据库建模的需要，即可以将现实世界中的事 物及其相互间的联系描述清楚。
但是，在有些时候却还不尽如人意。因此，需要对基本
的E-R模型进行扩充。
6.3 数据库概念设计
（1）弱实体。在现实世界中，有些实体的存在必须依赖于 其他实体，这样的实体称为弱实体，其他实体则被称为常规 实体。
设计局部 E-R 模型 有 全局 确定局部结 构的联系 还有局部 结构要设 计？ E-R 无 模型 的设 计
需 求 分 析 结 果 确定局部结 构的范围
确定局部结 构的实体
确定局部结 构的属性
6.3 数据库概念设计
5.全局E-R模型的设计
各个局部视图即分E-R图建立好后，还需要对它们进行合
并，集成为一个整体的概念数据结构即全局E-R图，即视 图的集成。视图的集成有两种方式：
6.3 数据库概念设计
UML是由世界著名的面向对象技术专家发起的，是在综合了 著名的Booch方法（一种面向对象的分析和设计方法）、对 象模型技术（Object Modeling Technique，OMT）方法和 面向对象软件工程（Object Oriented Software Engineering， OOSE）方法的基础上而形成的一种建模技术，它通过用例 图、类图、交互图、活动图等模型来描述复杂系统的全貌及 其相关部件之间的联系。 UML是一种面向对象的、通用的建模语言，其表达能力很强， 综合了各种面向对象方法的优点，自提出之日起就受到了广 泛的重视并得到了工业界的支持。UML统一和概括了软件工 程、业务建模和管理、数据库设计等许多方法学。
6.3 数据库概念设计
③结构冲突。有三类，分别如下：
同一对象在不同应用中具有不同的抽象。 例如“用户”在某一局部应用中被当作实体在另一局部应用中则 被当作属性。 解决方法：通常是把属性变换为实体或把实体变换为属性，使同 一对象具有相同的抽象。 同一实体在不同局部视图中所包含的属性不完全相同，
6.3 数据库概念设计
6.3.5 实体-联系方法
1. E-R模型的表示方法（P247） 2. E-R模型的设计问题
（1）确定实体和属性。一般来说，可以作为属性的事物
应符合如下两条原则：
①除了复合属性，其他属性都不能具有需要描述的特性。 ②属性不能与其他实体发生联系。
6.3 数据库概念设计
6.3 数据库概念设计
2.概念结构设计的步骤
对于自底向上的设计方法来说，概念结构的步骤分为两步（如图6.14
所示）：
（1）进行数据抽象，设计局部E-R模型。
（2）集成各局部E-R模型，形成全局E-R模型。
6.3 数据库概念设计
6.3.4
概念模型
1.概念模型与信息的3个世界 （1）现实世界
第15讲 数据库概念设计
旧课回顾 数据库概念设计必要性 数据库概念设计步骤
课堂小结
回顾旧课
新奥尔良方法
数据库设计的方法 数据字典 数据流图（DFD）
E—R模型方法
3NF方法
6.3 数据库概念设计
6.3.1
概念结构设计的必要性
将需求分析得到的用户需求抽象为概念模型的过程就是 概念结构设计 概念结构是各种数据模型的共同基础 它与数据模型相比更独立于机器、更抽象，从而更加稳 定 它是整个数据库设计的关键。
现实世界是指存在于人们头脑之外的客观世界，其中存在着各种事
物，事物间又具有不同的联系。
为了用数据库系统来解决现实世界中的问题，必须先深入实际，把
要解决的问题调查清楚，分析与问题有关的事物及其联系。
6.3 数据库概念设计
（2）信息世界
信息世界是指现实世界在人的头脑中的反应。 例如，在设计前面提到的教学管理子系统时，数据库
在实体内部进行分组的过程称为特殊化。对课程实体进行特殊化 可以产生如下实体：选修课，具有人数上限和人数下限属性；必 修课，具有课程负责人属性。
6.3 数据库概念设计
（2）特殊化和概括
②概括的相关内容。 特殊化的过程是一个自顶向下的设计过程，在该过程
中对高层实体进行分组可以产生若干个低层实体。而 概括则是特殊化过程的逆过程。 例如，假设先设计出了选修课和必修课实体，其中选 修课实体具有课程号、课程名、学分、周学时、人数 上限和人数下限等属性，而必修课实体具有课程号、 课程名、学分、周学时和课程负责人等属性。 就所具有的属性而言，选修课和必修课实体间存在着 共性，从这种共性中可以概括出课程实体。
2. E-R模型的设计问题
（2）确定实体间的联系 （3）二元联系和n元联系问题。
任何一个n（n>2）元联系都可以用一组二元联系来代替。在
此，简单地设n=3。
实体A、B、C之间存在着一个三元联系R，现用实体E代替联
系R，联系R的属性即为实体E的属性（若联系R本身没有属性， 则需为实体E设置一个标识属性），这样就可以用联系RA （联系实体E和实体A）、RB（联系实体E和实体B）和RC （联系实体E实体C）来代替原来的联系R （图6-23）
或者属性的排列次序不完全相同。
设计属性的次序。
产生原因：不同的局部应用关心的是该实体的不同侧面。 解决方法：使该实体的属性取各分E-R图中属性的并集，再适当
实体之间的联系在不同局部视图中呈现不同的类型。 解决方法：根据应用语义对实体联系的类型进行综合或调整。
6.3 数据库概念设计