数据库概念结构设计

佟格湾

已于 2025-04-13 08:59:01 修改

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分类专栏： # 数据库基础数据库文章标签：数据库

于 2025-04-13 06:32:54 首次发布

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概念结构设计是数据库设计的关键阶段，其目标是建立一个抽象的、与具体数据库管理系统（DBMS）无关的概念模型，以清晰地表示用户的数据需求和数据之间的关系。这个概念模型通常使用 E-R 图（Entity-Relationship Diagram）来表示。

一、概念结构设计概述

1. 概念结构设计的目标

准确地捕捉现实世界的信息： 将用户的数据需求转化为信息结构，真实地反映现实世界中的事物及其联系。
提供一种抽象的、与 DBMS 无关的表示： 概念模型独立于任何特定的 DBMS，便于数据库移植和修改。
作为进一步设计的基础： 概念模型是逻辑结构设计和物理结构设计的基础，为后续设计提供指导。
便于用户理解： 提供一个高层次的抽象，便于开发团队、用户及其他利益相关者之间的沟通。

2. 方法：E-R 图法

E-R 图法是概念结构设计中最常用的方法，由 P.P. Chen 在 1976 年提出。它使用三种基本成分来描述现实世界的信息：

实体型（Entity Type）：具有相同属性的实体的集合。例如，“学生”、“课程”、“教师”等。
属性（Attribute）：实体或联系所具有的性质。例如，学生实体可以具有“学号”、“姓名”、“年龄”等属性。
联系（Relationship）：实体之间的连接或关系。例如，“学生”和“课程”之间可以有“选课”联系。

E-R 图使用以下符号表示这些成分：

矩形： 表示实体型。
椭圆形： 表示属性。
菱形： 表示联系。
箭头或线段： 表示联系的方向和类型（如 1:1, 1:N, M:N）。

实体之间的联系分为三种类型：

一对一联系（1:1）
举例：一个班级只有一个班主任，一个班主任也只能管理一个班级，则班级”与班主任”之间是一对一联系。

一对多联系（1:N）
举例：一个班级可以有多个学生，但一个学生只能属于一个班级，则班级”与学生”之间是一对多联系。

多对多联系（M:N）
举例：一个学生可以选择多门课程，一门课程也可以被多个学生选择，则学生”与课程”之间是多对多联系。

3. E-R 图对事物的抽象的三种方法

E-R 图通过以下三种方式对现实世界的事物进行抽象：

分类（Classification）： 将具有相同特征的事物归为一类，形成一个实体型。例如，将所有的学生归为“学生”实体型。
聚集（Aggregation）： 将几个不同实体型的属性聚集在一起，形成一个更高层次的实体型。例如，将“学生”实体型和“成绩”实体型聚集为“学生成绩”实体型。
概括（Generalization）： 将几个具有共同属性的实体型概括为一个更一般的实体型，形成超类和子类的关系。例如，“本科生”和“研究生”可以概括为“学生”超类。

4. 超类、子类的概念

超类（Superclass）：也称为父类，是一个更一般的实体型，它包含了多个子类的共同属性和联系。
子类（Subclass）：也称为子类，是继承自超类的更具体的实体型，它除了具有超类的属性和联系外，还可以有自己的特殊属性和联系。

例如，在“学生”超类下，可以有“本科生”和“研究生”两个子类。“学生”超类具有“学号”、“姓名”等共同属性，而“本科生”子类可以有自己的特殊属性“班级”，“研究生”子类可以有自己的特殊属性“导师”。

二、概念结构设计的一般步骤

概念结构设计工作步骤包括：选择局部应用、注意设计分E-R图、和E-R图合并。

1. 选择局部应用

根据系统的功能需求，将整个系统划分为若干个局部应用。每个局部应用都应该是一个相对独立的功能模块，例如在一个企业管理系统中，可以将销售管理、采购管理、库存管理等作为不同的局部应用。选择局部应用时，要考虑到系统的功能划分和用户的使用习惯，以便更好地进行后续的设计。

2. 逐一设计分 E - R 图

针对每个局部应用，进行详细的需求分析，确定该局部应用中涉及的实体、实体的属性以及实体之间的联系。
例如，在销售管理局部应用中，可能有 “客户” 实体，其属性有 “客户编号”“客户名称”“联系人” 等；“产品” 实体，其属性有 “产品编号”“产品名称”“价格” 等；以及 “销售订单” 实体，其属性有 “订单编号”“订单日期”“金额” 等。“客户” 与 “销售订单” 之间存在 “下单” 联系，“产品” 与 “销售订单” 之间存在 “包含” 联系。
根据这些分析结果，绘制出每个局部应用的分 E - R 图，清晰地展示局部应用中的数据结构和关系。

3. E - R 图合并

在完成各个局部应用的分 E - R 图设计后，需要将这些分 E - R 图合并为一个全局 E - R 图，以形成整个数据库系统的概念模型。合并过程并非简单地将各个分 E - R 图进行叠加，而是要综合考虑各个局部应用之间的关系，消除其中存在的不一致性和冲突，确保全局 E - R 图能够准确、完整地反映整个系统的数据需求。这一步骤需要仔细分析各个分 E - R 图中实体、属性和联系的定义，找出它们之间的相同点和不同点，通过合理的调整和整合，使全局 E - R 图在逻辑上保持一致，同时满足系统的整体功能要求。

合并时的冲突解决

属性冲突：包括属性值域冲突和属性取值单位冲突。例如，在不同的局部应用中，“年龄” 属性可能在一个应用中定义为整数类型，而在另一个应用中定义为字符串类型，这就产生了值域冲突；或者 “重量” 属性在一个应用中以 “千克” 为单位，在另一个应用中以 “克” 为单位，这是取值单位冲突。解决方法是统一属性的定义和取值范围。
命名冲突：分为同名异义冲突和异名同义冲突。同名异义是指不同的实体或属性具有相同的名称，但含义不同；异名同义则是指不同的名称表示相同的含义。例如，在不同的局部应用中，“部门” 这个词可能既表示公司的行政部门，又表示产品的研发部门，这是同名异义冲突；而 “职工” 和 “员工” 表示的是同一类对象，这是异名同义冲突。对于命名冲突，需要通过协商和统一命名规则来解决。
结构冲突：包括同一对象在不同局部应用中具有不同的抽象，以及实体之间的联系在不同局部应用中呈现不同的类型。例如，在一个局部应用中，“产品” 被抽象为实体，而在另一个局部应用中，“产品” 被作为 “订单” 实体的一个属性，这就是结构冲突中的不同抽象问题；又如，“学生” 与 “课程” 之间的联系在一个局部应用中是多对多联系，而在另一个局部应用中被定义为一对多联系，这是联系类型的结构冲突。解决结构冲突需要对不同的结构进行调整和统一，以确保概念模型的一致性。

优化操作

实体类型的合并：如果两个或多个实体具有相似的属性和行为，并且在系统中具有相同的作用，可以考虑将它们合并为一个实体。例如，“临时工” 和 “正式工” 实体，它们都具有 “姓名”“年龄”“工作岗位” 等共同属性，并且在工资计算、工作管理等方面有相似的操作，可以将它们合并为 “员工” 实体。
冗余属性的消除：检查 E - R 图中是否存在可以通过其他属性推导出来的属性，如果存在，则可以将其删除。例如，在 “订单” 实体中，已经有 “产品单价” 和 “产品数量” 属性，那么 “订单金额” 属性可以通过 “产品单价” 乘以 “产品数量” 计算得出，因此 “订单金额” 就是冗余属性，可以考虑删除。
冗余联系的消除：有些联系可能是多余的，例如通过其他联系可以间接得到的联系。例如，在一个学校管理系统中，“学生” 与 “课程” 之间通过 “选课” 联系已经建立了关系，而 “学生” 与 “教师” 之间通过 “授课” 联系也建立了关系，此时如果再存在 “学生” 与 “教师” 之间的直接联系，且这种联系可以通过 “选课” 和 “授课” 联系间接得到，那么这个直接联系就是冗余联系，可以考虑删除。通过这些优化操作，可以使概念模型更加简洁、清晰，提高数据库的性能和可维护性。