项目5 设计教学管理数据库
数据库设计步骤、概念设计、逻辑设计方法
设计教学管理数据库
了解数据库设计
需求分析
概念结构设计
逻辑结构设计
物理结构设计
数据库的实施和维护
什么是数据库设计？
数据库设计（Database Design）是指对于一个给定的应用环境，设
计出优化的数据库逻辑模式和物理结构，并在此基础上建立数据库及
其应用系统，使之能够有效存储和管理数据，满足各种用户的应用需
求，包括信息管理要求和数据操作要求。
信息管理要求是指在数据库中应该存储和管理哪些数据对象；数据操
作要求是指对数据对象需要进行哪些操作，如查询、增加、删除、修
改、统计等。
数据库设计基本步骤
数据库设计基本步骤
需求分析 - 信息的收集、确定数据
概念设计 - 绘制ER模型图
逻辑设计 - 转化成关系表
物理设计 - 建表
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数据库的实施和维护
需求分析
需求分析简单地说就是分析用户的要求。需求分析是设计数据库的起点，
其结果是否准确，是否反映用户的实际要求，将直接影响到后面各阶段的
设计。
需求分析的任务是通过详细调查现实世界中要处理的对象（组织、部门、
企业等），充分了解原系统（手工系统或者之前的计算机系统）的工作概
况，明确用户的各种需求，然后在此基础上确定新系统的功能。
需求分析
在需求分析阶段，设计人员和用户需要进行深入的沟通，以避免理解不准确
导致后续的工作出现问题。
（1）收集数据。可以利用数据流图等工具辅助分析与理解。
（2）解决冲突。解决冲突包括解决命名冲突、属性冲突、结构冲突。
（3）为数据形成一些标准。
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需求分析
概念结构设计
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数据库的实施和维护
概念模型中的基本概念
(1) 实体（Entity）
客观存在并可相互区别的事物称为实体。
实体可以是具体的人、事、物，也可以是抽象的概念或联系.
(2) 属性（Attribute）
实体所具有的某一特性称为属性。
一个实体可以由若干个属性来刻画。
(3) 码（Key）
唯一标识实体的属性集称为码。例如，学号是学生实体的码。
概念模型中的基本概念(续)
(4) 实体型（Entity Type）
用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体称为实体型。例如，
学生（学号，姓名，性别，出生年月，所在院系，入学时间）就
是一个实体型。
(5) 实体集（Entity Set）
同一类型实体的集合称为实体集。例如，全体学生就是一个实体集。
概念模型中的基本概念(续)
(6) 联系（Relationship）
现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界中反映为实体内
部的联系和实体之间的联系。
实体内部的联系通常是指组成实体的各属性之间的联系
实体之间的联系通常是指不同实体集之间的联系
实体之间的联系
一对一联系（1:1）
实例
一个班级只有一个正班长
一个班长只在一个班中任职
定义：
如果对于实体集 A 中的每一个实体，实体集 B 中至
多有一个（也可以没有）实体与之联系，反之亦然，则
称实体集A与实体集B具有一对一联系，记为1:1。
班级
班级-班长
班长
1
1
1:1联系
1.两个实体之间的联系
实体之间的联系 (续)
一对多联系（1：n）
实例
一个班级中有若干名学生，
每个学生只在一个班级中学习
定义：
如果对于实体集A中的每一个实体，在实体集B中
有n个实体（n≥0）与之联系，反之，对于实体
集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个
实体与之联系，则称实体集A与实体集B有一对
多联系，记为1:n
班级
组成
学生
1
n
1:n联系
实体之间的联系 (续)
多对多联系（m:n）
实例
课程与学生之间的联系：
一门课程同时有若干个学生选修
一个学生可以同时选修多门课程
定义：
如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实
体（n≥0）与之联系，反之，对于实体集B中的每
一个实体，实体集A中也有m个实体（m≥0）与之联
系，则称实体集A与实体B具有多对多联系，记为
m:n
课程
选修
学生
m
n
m:n联系
实体之间的联系(续)
实例：
课程、教师与参考书三个实体型，一门课程可
以有若干个教师讲授，使用若干本参考书，每
一个教师只讲授一门课程，每一本参考书只供
一门课程使用。
课程
讲授
教师
1
m
两个以上实体型间1:n联系
参考书
n
2.两个以上实体之间的联系
一般的，两个以上实体之间也存在一对一、一对多、
多对多联系。
实体之间的联系(续)
两个以上实体型间的多对多联系
实例
供应商、项目、零件三个实体型
一个供应商可以供给多个项目多种零件，
每个项目可以使用多个供应商供应的零件，
每种零件可由不同供应商供给
供应商
供应
项目
m
p
两个以上实体型间m:n联系
零件
n
一对多联系
实例
职工实体型内部具有领导与被领导的联系
某一职工（干部）“领导”若干名职工
一个职工仅被另外一个职工直接领导
这是一对多的联系
职工
领导
1 n
单个实体型内部
1:n联系
3.单个实体内的联系
实体之间的联系(续)
同一个实体集内的各实体之间也可以存在一对一、
一对多、多对多联系。
E-R 图
E-R 图提供了表示实体、属性和联系的方法
用E-R图来描述现实世界的概念模型
E-R图也称为E-R模型
表示方法：
（1）实体用矩形表示，矩形框内写明实体名。
（2）属性用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来。
（3）联系用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边分别与有关实
体连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1∶1、1∶n 或 m∶n）。
E-R 图
实体型
用矩形表示，矩形框内写明实体名。
属性
用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来
学生 教师
E-R图(续)
联系
用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边分别与有关实
体连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1:1、1:n或m:n）
班长
属于
班级
1
1
1:1联系
课程
选修
学生
m
n
m:n联系
班级
拥有
学生
1
n
1:n联系
联系的属性
联系的属性：
联系本身也是一种实体型，也 可以有
属性。如果一个联系具有属性，则这
些属性也要用无向边与该联系连接起
来
E-R 图
【例 】根据用户需求信息设计 E-R 图。
某网上商城系统在进行数据库设计时，收集到的用户需求包括：网站可以
进行用户的注册，注册需要填写用户名、密码、E-mail、手机号、真实姓
名等信息；每一个用户可以有多个派送地址，每个用户在下单时可以选择
相应的派送地址；商品信息包括商品 ID、商品名称、价格、库存数量、生
产厂家等信息；用户可以直接购买多种商品，同时下单；每个订单可以有
订单详情，用于记录用户所购买的商品信息、数量等信息；此外，用户随
着消费累计金额的增长而属于不同的等级，不同的用户等级决定用户享受
的折扣。
E-R 图
概念结构设计过程
1．实体和属性的划分原则
为了简化 E-R 图，现实世界中的事物能作为属性对待的尽量作为属性对待。符合
以下条件的事物一般作为属性对待。
（1）作为属性，不能有需要描述的性质，即属性必须是不可分的数据项，不能包
含其他属性。
（2）属性不能与其他实体具有联系，即 E-R 图所表示的联系是实体之间的联系。
概念结构设计过程
2．E-R 图的集成
在开发一个大型信息系统时，最经常采用的策略是自顶向下进行需求分析，再自
底向上设计概念结构。也就是首先设计各子系统的分 E-R 图，然后将它们集成起来，
得到全局 E-R 图。E-R图的集成一般需要分为以下两步。
（1）合并。解决各分 E-R 图之间的冲突，将分 E-R 图合并起来生成初步 E-R 图。
（2）修改和重构。消除不必要的冗余，生成基本 E-R 图。
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数据库的实施和维护
关系模型
逻辑结构模型是指数据库中数据的组织形式和联系方式，简称数据模型。现有的
数据库管理系统都基于某种数据模型。按照数据库中数据采取的不同联系方式，数据
模型分为层次模型、网状模型和关系模型。
关系模型是目前最重要的一种数据模型。1970 年，美国 IBM 公司的研究员埃德
加·弗兰克·科 德（Edgar Frank Codd，），首次提出了数据库系统的关
系模型。
从用户观点看，关系模型由一组关系组成，每个关系的数据结构是一张规范化的
二维表。
关系模型
1.关系术语
（1）关系。一个关系就是一个二维表，都有一个关系名。
（2）记录（元组）。表中的一行即为一个记录，又称元组。
（3）字段（属性）。表中的一列即为一个字段，又称属性。
（4）域。域就是属性的取值范围，即不同记录对同一个属性的取值予以限定的范
围。例如，“性别”属性的域为（男,女），“成绩”属性的域是 0~100。
（5）码（key）。码也称为关键字，是表中的一个属性或属性组，它的值可以唯一
确定一个元组。
例如，表 5-1 中的学号可以唯一确定一个学生，因此成为学生关系的码。
（6）关系模式。对关系的描述称为关系模式，一般表示如下。
关系名（属性 1,属性 2,…,属性 n）
一个关系模型通常是若干个相联系的关系模式的集合。
关系模型
2.规范化的关系
关系模型要求关系必须是规范化的，即要求关系必须满足一定的规范条件，这些规范
条件有以下几点。
（1）关系的每个属性都是不可分割的数据单元，即属性不能再分，不允许“表中有
表”。
（2）在同一个关系中不能出现相同的属性名。
（3）任意交换列的次序，不会改变关系的实际意义。
（4）关系中的行又称为元组，代表一个实体，因此关系中不存在完全相同的两行。
（5）任意交换行的次序，不会改变关系的实际意义。
E-R图转换成关系模型
1.转换规则
（1）一个实体转换为一个关系模式，关系的属性就是实体的属性，关系的码就是实
体的码。
（2）一个 1∶1 联系可以与任意一端对应的关系模式合并，合并时需要在该关系模
式的属性中加入另一个关系模式的码和联系本身的属性。
（3）一个 1∶n 联系通常与 n 端对应的关系模式合并，即在 n 端关系中加入 1 端
关系的码和联系本身的属性，其中，1 端关系的码加入 n 端关系后应作为关系的外
码。
（4）一个 m∶n 联系将转换为一个关系模式，与该联系相连的各实体的码及联系本
身的属性均转换为关系的属性，各实体的码组成关系的码或关系码的一部分。
E-R图转换成关系模型
1.转换规则
（5）3 个或 3 个以上实体间的一个多元联系可以转换为一个关系模式。与该多元
联系相连的各实体的码及联系本身的属性均转换为关系的属性，各实体的码组成关
系的码或关系码的一部分。
（6）同一实体集的实体间的联系，即实体内部的联系，可参照实体间的联系 1∶1
、1∶n、m∶n 3 种情况分别处理。
（7）具有相同码的关系模式可合并。合并方法是将其中一个关系模式的全部属性加
入另一个关系模式，去掉其中的同义属性，调整属性的次序。
E-R图转换成关系模型
【例 】继续设计例 中的网上购物系统数据库，将图 5-8 所示的 E
-R 图转化为关系模型。
用户（用户名，密码，E-mail，手机号，真实姓名，消费金额，等级）。
商品（商品 id，商品名称，价格，库存数量，生产厂家）。
地址（地址 id，地址名称，用户名）。
订单（订单 id，用户名，订单金额，下单时间，邮寄地址，是否付款）。
订单详情（详情 id，订单 id，商品 id，购买数量）。
经过分析，转换后的关系模型如下：
关系模型的优化
在数据库逻辑设计过程中，为了避免不规范的数据库出现数据冗余，造成插入、
删除、更新等操作异常情况，需要满足一定的规范化要求，这就是范式（Normal
Form）。
根据要求的程度不同，范式有多种级别，常用的有第一范式（1NF）、第二范式
（2NF）和第三范式（3NF），它们由 于 1971 年相继提出。后来又有人提
出了 BC 范式（Boyce_x0002_Codd Normal Form，BCNF）、第四范式（4NF）和第五范
式（5NF）等。一般来说，数据库设计只需满足第三范式即可。
关系模型的优化
1.第一范式（1NF）
第一范式（1NF）是指数据表的每一列都是不可分割的基本数据项，同一列中不
能有多个值，即实体中的某个属性不能有多个值，或不能有重复的属性。第一范式遵
从原子性，即属性不可再分。
学 号 联系方式
101 李伟 邮箱：liwei@，手机号：18900000000
102 张兰 邮箱：zhanglan@，手机号：15900000000、17300000000
学 号 姓名 邮箱 手机号 手机号
101 李伟 liwei@ 18900000000
102 张兰 zhanglan@ 15900000000 17300000000
关系模型的优化
2.第二范式（2NF）
第二范式是在第一范式的基础上建立起来的，满足第二范式必须先满足第一范式。
第二范式要求实体的属性完全依赖于主键，不能仅依赖主键的一部分（对于复合主键而
言）。简而言之，第二范式遵从唯一性，非主键字段需完全依赖主键。
学号 姓名 性别 专业 所属院系 院系地址 课程号 成绩
101 李伟 男 计算机应用 信息工程系 笃信楼 C01 85
101 李伟 男 计算机应用 信息工程系 笃信楼 C02 78
102 张兰 女 软件技术 信息工程系 笃信楼 C02 90
103 王艳 女 数控技术 机电工程系 智造楼 C02 65
学号和课程号组成了复合主键，成绩完全依赖于复合主键，而姓名、性别和专业等学生信息只依
赖于学号。
关系模型的优化
2.第二范式（2NF）
学号 姓名 性别 专业 所属院系 院系地址
101 李伟 男
计算机应
用
信息工程系 笃信楼
101 李伟 男
计算机应
用
信息工程系 笃信楼
102 张兰 女 软件技术 信息工程系 笃信楼
103 王艳 女 数控技术 机电工程系 智造楼
学号 课程号 成绩
101 C01 85
101 C02 78
102 C02 90
103 C02 65
关系模型的优化
3.第三范式（3NF）
第三范式（3NF）是在第二范式的基础上建立起来的，即满足第三范式必须先满足
第二范式。第三范式要求一个数据表的每一列数据都和主键直接相关，而不能间接相
关。
简而言之，第三范式就是非主键字段不能相互依赖。
学号 姓名 性别 专业 所属院系 院系地址
101 李伟 男
计算机应
用
信息工程系 笃信楼
101 李伟 男
计算机应
用
信息工程系 笃信楼
102 张兰 女 软件技术 信息工程系 笃信楼
103 王艳 女 数控技术 机电工程系 智造楼
同一院系的地址在同一个地方，所以院系地址依赖于所属院系，与主键学号不直接相关，
而是间接相关
关系模型的优化
3.第三范式（3NF）
学号 姓名 性别 专业
101 李伟 男 计算机应用
101 李伟 男 计算机应用
102 张兰 女 软件技术
103 王艳 女 数控技术
专业 所属院系
计算机应用 信息工程系
软件技术 信息工程系
数控技术 机电工程系
院系名称 院系地址
信息工程系 笃信楼
机电工程系 智造楼
拆分后的学生表、专业表和院系表都满足第
三范式。
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物理结构设计
物理结构设计阶段的任务是把逻辑设计阶段得到的数据库逻辑在物理上加以实现，
其主要内容是根据 DBMS 提供的各种手段，设计数据的存储形式和存取路径，如文件结
构、数据类型、索引设计等，即设计数据库的内模式或存储模式。
一.索引存取方法
B-Tree 索引和 Hash 索引是数据库中经典的存取方法。
1.使用 B-Tree 索引规则
一般来说，符合下列条件可以使用 B-Tree 索引。
（1）如果一个（或一组）字段经常在查询条件中出现，则考虑在这个（或这组）字
段上建立索引（或组合索引）。
（2）如果一个字段经常作为最大值和最小值等聚集函数的参数，则考虑在这个字段
上建立索引。
（3）如果一个（或一组）字段经常在连接操作的连接条件中出现，则考虑在这个
（或这组）属性上建立索引。
一.索引存取方法
物理结构设计
2．使用 Hash 索引规则
选择 Hash 索引的规则如下。
如果一个表的字段主要出现在等值连接条件或等值比较选择条件中，且满足下列两
个条件之一，则此表可以选择 Hash 索引。
（1）一个表的大小可预知，而且不变。
（2）表的大小动态改变，但 DBMS 提供了动态 Hash 存取方法。
MySQL 数据库目前仅有 MEMORY 存储引擎和 HEAP 存储引擎支持这类索引。其中，
MEMORY 存储引擎支持 B-Tree 索引和 Hash 索引，且将 Hash 索引当成默认索引。
二、MySQL存储引擎
物理结构设计
数据库的存储引擎决定了表在计算机中的存储方式。存储引擎就是存储数据、为存
储的数据建立索引和更新、查询数据等技术的实现方法。
MySQL 支持的存储引擎有 MEMORY、MRG_MYISAM、CSV、FEDERATED、
PERFORMANCE_SCHEMA、MyISAM、InnoDB、BLACKHOLE 和 ARCHIVE 9 种。不同的存储
引擎都有各自的特点，以适应不同的需求。MySQL 默认的存储引擎是 InnoDB。
MySQL 常用的存储引擎有 InnoDB、MyISAM 和 MEMORY 3 种。
set default_storage_engine=MyISAM;
二、MySQL存储引擎
物理结构设计
1．InnoDB 存储引擎
MySQL 选择 InnoDB 作为默认存储引擎。InnoDB 是事务型数据库的首选引擎，
也是具有提交、回滚和崩溃恢复能力的事务安全存储引擎，支持行锁定和外键约束。
2．MyISAM 存储引擎
MyISAM 存储引擎曾经是 MySQL 的默认存储引擎。MyISAM 存储引擎不支持事务、外
键约束，但访问速度快，对事务完整性没有要求，适用于以查询和增加数据的操作
为主的表。
3．MEMORY 存储引擎
MEMORY 存储引擎是 MySQL 中一类特殊的存储引擎。MEMORY 存储引擎使用存储在内
存 中的内容来创建表，并且所有数据也存放在内存中。
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逻辑结构设计
物理结构设计
数据库的实施和维护
数据库的实施和维护
1．数据的载入及应用程序的编码和调试
数据库实施阶段包括两项重要的工作，一项是数据的载入，另一项是应用程序的编
码和调试。
2．数据库的试运行
在一小部分原有系统的数据已输入数据库后，就可以开始对数据库系统进行联合调
试了，这又称为数据库的试运行。
3．数据库的运行和维护
数据库试运行合格后，数据库开发工作基本完成，就可以投入正式运行了。
项目小结
本项目介绍了数据库设计的基本步骤、数据库设计各阶段的工作内容
和方法，以及关系模型的范式理论。学习完本项目，读者能够对数据库设
计过程有一个清晰且全面的认识。
下课了。。。
休息一会儿。。。
