《第讲概念模型》课件

第一讲概念模型概念模型是数据库设计过程中的核心环节，它为我们提供了一种抽象而直观的方式来表示现实世界中的数据结构和关系通过概念模型，我们能够将复杂的业务需求转化为可理解的数据模型，为后续的逻辑设计和物理实现奠定坚实基础课程概述概念模型基础图建模技术模型转换方法ER本课程将全面介绍数据库设计中概深入学习实体关系图的构建技-念模型的核心理论和实践方法概巧，包括实体识别、关系建立、属念模型作为数据库设计的起始点，性定义等关键技能这些技能将帮为整个设计过程提供了统一的框架助您准确表达复杂的业务需求和数和标准据关系学习目标理解基本概念深入理解概念模型的定义、作用和在数据库设计中的核心地位，建立扎实的理论基础掌握图技能ER熟练掌握图的各种组成元素、表示方法和绘制技巧，能够独立完成复ER杂系统的概念建模学会模型转换掌握概念模型向关系模型转换的完整规则体系，能够系统化地完成转换过程解决实际问题能够运用所学知识分析和解决真实的数据库设计问题，具备独立设计能力概念模型简介设计起点系统无关性概念模型是数据库设计的第一概念模型独立于具体的数据库管步，它为整个设计过程确定了方理系统，这种独立性使得同一个向和框架通过概念模型，我们概念模型可以适用于不同的数据能够将抽象的业务需求转化为具库平台，提高了设计的通用性和体的数据结构描述可移植性沟通桥梁概念模型是设计者与用户之间重要的沟通工具，它使用直观的图形化表示方法，帮助各方更好地理解和验证业务需求概念模型的特点抽象性1专注于核心概念的表达独立性2不依赖特定数据库系统清晰性3易于理解和沟通交流基础性4后续设计的重要基础概念模型的这些特点使其成为数据库设计中不可或缺的重要环节抽象性帮助我们专注于本质问题，独立性保证了设计的通用性，清晰性促进了有效沟通，而基础性则确保了后续设计的质量这四个特点相互支撑，共同构成了概念模型的核心价值概念模型与数据库设计过程1需求分析收集和分析用户需求，确定系统功能和数据要求，为概念设计提供详细的业务规则和约束条件2概念设计构建概念模型，使用图等工具表示实体、属性和关系，形成与平台ER无关的抽象数据模型3逻辑设计将概念模型转换为特定数据模型（如关系模型），定义表结构、键约束和完整性规则4物理设计根据具体特点进行物理实现，包括存储结构、索引策略和性能DBMS优化措施模型概述ER模型起源广泛应用实体关系模型（）由著名计算机科模型自诞生以来就成为最受欢迎和最广泛使用的概念建模方-Entity-Relationship ModelER学家于年在《数据库系统汇刊》上首次提法它的成功在于其简单性、直观性和强大的表达能力，能够有Peter Chen1976ACM出这一模型的提出标志着数据库概念建模领域的重大突破效地处理各种复杂的数据建模需求教授的创新在于提供了一种直观的图形化方法来表示现实从小型应用系统到大型企业数据仓库，模型都展现出了卓越Chen ER世界中的数据结构和关系，使得复杂的业务逻辑能够通过简洁明的适用性和实用价值，成为数据库设计师必须掌握的核心技能了的图形进行表达模型的基本元素ER实体属性联系Entity AttributeRelationship客观存在并可相互区描述实体特征的数据实体之间的相互关联分的事物，是现实世项，反映实体的静态和依存关系，反映现界中具有独立意义的特性属性为实体提实世界中对象间的动概念、事件或对象供了详细的描述信态交互联系描述了实体具有属性，可以息，使得实体的特征实体如何相互作用和被唯一标识，是模能够被准确地记录和影响ER型的基本构建块识别基数约束定义参与联系的实体数量限制，规定了联系的具体形式和参与程度基数约束确保了数据的完整性和业务规则的正确执行实体Entity实体定义1客观存在并可相互区分的事物实体特征2具有属性且可被唯一标识实体实例3学生、课程、教师、部门等具体对象实体是模型中最基础的概念，它代表现实世界中那些具有独立存在意义的对象每个实体都具有一组描述其特征的属性，并且能够ER通过这些属性被唯一地识别和区分实体集则是同一类型实体的集合，比如所有学生构成学生实体集，所有课程构成课程实体集理解实体的概念是掌握建模的第一步ER实体的类型弱实体子类实体依赖于其他强实体存在的实体，不能独立标识，需要借助其所依继承父类实体属性的特殊实体类赖的强实体的主键来确定唯一型，具有自己独特的属性和行性例如家属信息依赖于员工实为例如本科生和研究生都是学强实体超类实体体生的子类独立存在的实体，具有自己的主作为其他实体父类的抽象实体，键属性，不依赖其他实体就能唯包含子类共同的属性和特征子一标识例如学生、教师、课程类实体继承超类的所有属性并可等都是强实体扩展自己的特殊属性2314属性Attribute属性定义属性是描述实体特征的数据项，它为实体提供了详细的描述信息每个属性都有其特定的取值范围和数据类型，用于刻画实体的各种性质和特征属性示例以学生实体为例，其属性包括学号、姓名、年龄、性别、专业、入学时间等这些属性从不同角度描述了学生的基本信息和特征属性分类根据不同的分类标准，属性可以分为简单属性与复合属性、单值属性与多值属性、存储属性与派生属性等多种类型，每种类型都有其特定的用途和表示方法属性的分类简单属性与复合属性单值属性与多值属性存储属性与派生属性简单属性是不可再分的基本数据项，如单值属性对于每个实体实例只有一个存储属性的值直接存储在数据库中，如学号、姓名等复合属性可以进一步细值，如学号、出生日期多值属性可以出生日期派生属性的值可以从其他属分为更小的组成部分，如地址可以分解有多个值，如一个人可能有多个电话号性计算得出，如年龄可以从出生日期和为省份、城市、街道等子属性码、多个电子邮件地址当前日期计算得到•简单属性学号、年龄、性别•单值属性身份证号、出生日期•存储属性出生日期、工资•复合属性地址、姓名（姓+名）•多值属性电话号码、爱好•派生属性年龄、工作年限属性的表示简单属性表示使用椭圆形来表示简单属性，椭圆形内部写上属性名称这是图中最基本ER的属性表示方法，简洁明了地展示了属性的基本信息键属性标记键属性使用带下划线的椭圆形表示，下划线强调了该属性的唯一标识作用键属性是实体集中用于唯一标识每个实体实例的重要属性多值属性符号多值属性用双层椭圆形表示，外层椭圆突出了该属性可以包含多个值的特性这种表示方法有助于设计者快速识别需要特殊处理的属性类型复合属性结构复合属性通过主椭圆连接多个子属性椭圆来表示，清晰地展现了属性的层次结构和组成关系，便于理解属性之间的包含关系联系Relationship联系实例联系定义学生选修课程、教师讲授课程、员联系表示实体之间的相互关联和依存关1工所属部门等都是典型的联系实例，系，是连接不同实体的桥梁，反映了现2它们描述了不同实体间的具体关联方实世界中对象间的动态交互模式式联系属性联系集合4联系本身也可以具有属性，用于描述联联系集是同一类型联系的集合，如所有3系的特征信息，如选修联系可以有成绩的选修关系构成选修联系集，所有的讲属性，雇佣联系可以有雇佣日期属性授关系构成讲授联系集联系的度Degree1一元联系只涉及一个实体集内部的联系，如员工的管理关系2二元联系涉及两个不同实体集之间的联系，是最常见的联系类型3三元联系同时涉及三个实体集的复杂联系，如学生-课程-教师的授课关系NN元联系涉及N个实体集的高度复杂联系，在实际应用中较少出现联系的度数决定了联系的复杂程度和处理难度二元联系是最常见且最容易理解的类型，在大多数数据库设计中占主导地位三元及以上的联系虽然能够表达更复杂的业务关系，但会增加模型的复杂性，在设计时需要谨慎考虑是否真正必要二元联系的类型一对一一对多多对多1:11:N M:N每个实体最多与另一个实体相关联一个实体可与多个实体关联，但反方向只两个方向都可以是一对多的关系能一对一二元联系的类型决定了数据库设计中表结构的组织方式一对一联系通常可以合并为一个表，一对多联系通过外键实现，而多对多联系则需要创建中间关联表正确识别联系类型是成功进行数据库设计的关键步骤，直接影响到后续的表结构设计和查询效率基数约束的表示表示法最大基数表示法Min-Max使用的形式表示参与只标注最大基数值，使用、、min,max1N联系的实体数量范围例如等符号这是最简洁的表示方0,1M表示可选参与且最多一个，法，适用于大多数基本的联系类1,n表示必须参与且可以是多个这型，易于理解和绘制种方法能够精确表达参与约束箭头标记法使用箭头指向一的一方，在多的一方不使用箭头这种方法直观明了，能够快速识别联系的方向性和基数特征弱实体与依赖关系1弱实体特点弱实体无法独立存在，必须依赖于其他强实体它没有完整的主键，只有部分键，需要结合所依赖实体的主键才能唯一标识2标识性依赖弱实体的唯一标识依赖于强实体，强实体的主键成为弱实体标识的组成部分这种依赖关系在图中用双线框表示ER3存在性依赖弱实体的存在完全依赖于强实体，强实体消失时弱实体也必须消失这种强烈的依赖关系体现了现实世界中的包含关系4图形表示方法弱实体用双线矩形表示，标识性联系用双线菱形表示，弱实体的部分键用虚下划线标注，这些特殊符号突出了弱实体的依赖特性图的扩展ER关系泛化与特化重叠与分离约束ISA表示是一个的继承关系，泛化是从特殊到一般的抽象重叠约束允许一个实体同时子类实体继承父类的所有属过程，特化是从一般到特殊属于多个子类，分离约束要性和联系，同时可以拥有自的细化过程这两个过程帮求实体只能属于一个子类己独特的属性这种关系模助我们更好地组织和管理复这些约束定义了子类间的互拟了面向对象中的继承概杂的实体层次结构斥性规则念完全性约束完全性约束要求超类中的每个实体都必须属于至少一个子类，部分性约束则允许超类实体不属于任何子类图的绘制技巧ER识别核心实体首先分析业务需求，识别出系统中的主要实体对象核心实体通常是业务流程中的关键参与者，如客户、产品、订单等确定实体间联系分析实体之间的相互关系，确定联系的类型和基数约束注意区分强联系和弱联系，正确设置参与约束添加属性信息为每个实体和联系添加相应的属性，注意区分键属性、普通属性、多值属性和派生属性，确保属性的完整性和准确性标注约束条件明确标注各种约束条件，包括基数约束、参与约束、完整性约束等，确保模型能够准确反映业务规则检查并优化检查模型的完整性、一致性和准确性，根据业务需求进行必要的调整和优化，确保模型质量符合设计要求图示例图书管理系统ER核心实体设计联系与约束分析图书管理系统包含四个核心实体读者、图书、借阅记录和出版读者与图书之间存在借阅的多对多联系，一个读者可以借阅多社读者实体具有读者、姓名、联系方式等属性；图书实体包本图书，一本图书也可以被多个读者借阅出版社与图书之间是ID含、书名、作者、价格等属性一对多的出版联系ISBN•读者读者ID主键、姓名、电话、地址•借阅联系借阅日期、归还日期、续借次数•图书ISBN主键、书名、作者、价格、库存•出版联系出版日期、印刷次数•出版社出版社编号主键、名称、地址图示例学生选课系统ER课程实体教师实体课程号主键、课程名、学教师号主键、姓名、职称、分、课时、开课学期等属性，所属院系、联系方式等属性，学生实体表示教学内容的基本单位代表授课人员信息选修联系学号主键、姓名、性别、年学生与课程的多对多联系，包龄、专业、入学年份等属性，含成绩、选课时间等属性；教代表系统中的学习者角色师与课程的一对多授课联系2314图示例医院管理系统ER1实体识别2复杂联系设计医院管理系统涉及医生、患医生与患者之间存在诊断联者、科室、处方、药品等核心系，包含诊断时间、诊断结实体医生具有医生编号、姓果、治疗建议等属性医生开名、职称、专业领域等属性；具处方的联系中，处方作为弱患者包含患者、姓名、年实体依赖于医生和患者ID龄、病史等信息3弱实体应用处方记录作为弱实体，其存在依赖于医生和患者实体，处方编号结合医生编号和患者才能唯一标识一张处方，体现了弱实体的典型应用ID场景图绘制工具介绍ERVisual Paradigm专业的UML和数据库建模工具，提供完整的ER图绘制功能，支持正向和逆向工程，能够自动生成数据库脚本，适合企业级项目使用Lucidchart基于云端的在线图表绘制工具，支持实时协作编辑，提供丰富的ER图模板和图形库，使用简单，适合团队协作和轻量级建模需求Microsoft Visio微软出品的专业图表绘制软件，集成Office套件，提供标准的ER图形库和智能连接功能，适合Windows环境下的企业用户使用概念模型评估完整性评估1检查是否涵盖所有业务需求准确性验证2确认模型正确反映现实世界简洁性检查3避免不必要的冗余和复杂性可理解性测试4确保模型易于理解和沟通概念模型的质量直接影响后续设计和实现的成功完整性确保所有业务需求都得到体现，准确性保证模型与现实的一致，简洁性提高模型的可维护性，可理解性促进团队协作这四个维度构成了完整的评估体系，帮助设计者持续改进模型质量从概念模型到逻辑模型转换必要性概念模型虽然能够清晰表达业务需求，但无法直接在计算机系统中实现必须将其转换为特定数据模型（如关系模型）才能进行物理实现和系统开发转换基本原则转换过程应遵循信息保持、结构优化、约束传递等基本原则，确保转换后的逻辑模型能够完整准确地体现原始概念模型的语义和约束转换主要步骤包括实体转换、联系转换、属性映射、约束设置等系统化步骤，每个步骤都有相应的转换规则和最佳实践指导，确保转换的系统性和准确性关系模型基础关系与元组关系模式与实例码的概念关系是一个二维表格，由行和列组关系模式是关系的结构描述，定义了码是能够唯一标识元组的属性或属性成每一行称为元组，代表一个实体关系的名称、属性集合和约束条件组合主码是选定的候选码，外码是实例；每一列称为属性，描述实体的关系实例是关系模式在某一时刻的具引用其他关系主码的属性，用于建立某个特征关系名通常对应实体名或体数据内容，随时间变化而动态更关系间的联系和维护参照完整性联系名新图转换为关系模型的规则ER1实体转换规则每个强实体转换为一个关系表，实体属性对应表的列，主键属性成为表的主键弱实体转换时需要包含所依赖强实体的主键作为外键2联系转换规则根据联系类型采用不同转换策略联系可合并或独立建表，联系通1:11:N过外键实现，联系必须创建独立的联系表M:N3属性转换规则简单属性直接对应表列，复合属性需要展开，多值属性创建独立表，派生属性可选择存储或计算方式键属性转换为主键或外键4约束转换规则图中的各种约束转换为关系模型的完整性约束，包括实体完整性、参ER照完整性和用户定义完整性约束实体转换规则强实体转换转换示例每个强实体直接转换为一个关系表，实体名成为表名，所有属性学生实体转换为学生关系成为表的列键属性自动成为主键，确保每个元组的唯一性学生学号姓名年龄专业入学年份,,,,其中学号为主键，用下划线标识每个属性都有相应的数据类型转换后保持实体的所有语义信息，属性的数据类型、长度限制等和约束条件，如学号为字符型主键，年龄为整数型且有合理取值约束条件也需要在关系模式中明确定义，确保数据的完整性和一范围致性一对一联系的转换1:1独立转换方法创建独立的联系表，包含两个实体的主键作为外键，以及联系的属性这种方法保持了概念模型的原始结构，但会增加表的数量合并转换方法将联系合并到其中一个实体对应的关系中，添加另一个实体的主键作为外键选择哪个实体进行合并需要考虑业务逻辑和查询频率全参与优化如果某个实体具有全部参与约束，优先选择将联系合并到该实体的关系中，这样可以避免空值的出现，提高数据质量和查询效率方法选择原则根据具体业务需求选择最适合的转换方法，考虑因素包括查询频率、数据更新模式、空值处理和系统性能要求等多个维度一对多联系的转换1:N外键转换方法独立表转换方法在端实体对应的关系中增加端实体的主键作为外键，这是处创建独立的联系表，包含两端实体的主键和联系属性虽然这种N1理一对多联系最常用和最有效的方法外键建立了两个表之间的方法在概念上更直观，但会增加系统复杂性和查询开销引用关系，确保数据的参照完整性适用于联系属性较多或联系本身具有重要业务意义的情况例如如果联系具有属性，这些属性也一并加入到端关系中这种方员工与部门的从属关系，如果需要记录详细的调动历史，独立表N法避免了创建额外的表，减少了存储开销和查询复杂度，是实际方案更为合适应用中的首选方案多对多联系的转换M:N创建联系表复合主键设计多对多联系必须转换为独立的关系表，联系表以两端实体的主键组合作为复合1这是唯一有效的转换方法，无法通过外主键，确保联系记录的唯一性，避免重2键简单处理复的联系实例出现转换示例属性处理4学生选修课程的关系转换为选修学联系的所有属性都成为联系表的普通属3号课程号成绩选课时间，学号和课,,,性，记录联系的详细信息和特征数据程号构成复合主键弱实体的转换1独立关系创建2复合主键构成弱实体转换为独立的关系表，但其主键构成方式与强实体不弱实体的主键由其自身的部分键和所依赖强实体的主键共同构同弱实体表必须包含所依赖强实体的主键作为外键，体现其成这种复合主键设计确保了弱实体实例在其依赖范围内的唯依赖特性一性标识3参照完整性约束4转换实例弱实体表中的外键必须设置严格的参照完整性约束，包括级联员工家属关系转换为家属员工编号家属姓名关系年龄，,,,删除规则，确保当强实体被删除时，相关的弱实体也被自动删其中员工编号和家属姓名构成复合主键，员工编号同时作为外除键多值属性的转换创建新关系1为每个多值属性创建独立的关系表包含主实体键2新表包含原实体的主键作为外键构成复合主键3外键与多值属性值共同构成主键多值属性的转换是关系模型规范化的重要体现由于关系模型要求每个属性都是原子性的，多值属性必须分离到独立表中例如，员工的电话号码属性转换为电话表电话员工编号电话号码，其中员工编号和电话号码共同构成主键，确保每个员工的每个电话号码,都被唯一记录复合属性的转换展开为简单属性作为整体保留转换为单独关系将复合属性分解为多个简单将复合属性作为单一字段存为复合属性创建独立的关系属性，每个子属性成为关系储，适用于很少需要单独访表，适用于属性结构复杂或的独立列这是最常用的方问子属性的情况现代数据需要支持多值的情况这种法，便于查询和维护，如地库支持等复杂数据类方法提供了最大的灵活性，JSON址展开为省份、城市、街道型，使这种方法更加可行但增加了系统复杂度等列选择合适方法根据业务需求、查询模式和系统性能要求选择最适合的转换方法需要综合考虑存储效率、查询便利性和维护成本等因素派生属性的转换视图实现1通过数据库视图动态计算存储实现2直接存储并维护一致性省略处理3完全省略，需要时临时计算派生属性的处理需要在存储效率和计算成本之间做出权衡对于计算简单且查询频繁的派生属性，如年龄，可以选择存储方式并通过触发器维护一致性对于计算复杂但查询较少的属性，临时计算更为经济视图方式提供了良好的抽象，使派生属性对应用程序透明，是推荐的实现方式关系的转换ISA单表策略多表策略子类表策略创建包含所有属性的单一关系表，使用为超类和每个子类分别创建关系表，子只为每个子类创建关系表，包含超类的类型字段区分不同子类这种方法查询类表包含超类主键作为外键这种方法所有属性这种方法适用于超类实例很简单，但可能产生大量空值，适用于子避免了空值问题，但增加了查询复杂少直接使用的情况，避免了连接操作，类属性差异较小的情况度，适用于子类属性差异较大的情况但可能导致数据冗余•优点查询简单，连接操作少•优点避免空值，结构清晰•优点查询效率高，无连接操作•缺点存在空值，表结构复杂•缺点查询需要连接，更新复杂•缺点数据冗余，维护复杂•适用子类属性相似，查询频繁•适用子类属性差异大，更新频繁•适用超类抽象，子类独立性强转换示例图书管理系统原图回顾ER回顾图书管理系统的ER图设计读者、图书、出版社三个强实体，借阅多对多联系，出版一对多联系，各实体的详细属性和约束条件关系模式设计转换后的关系模式读者读者ID,姓名,电话,地址；图书ISBN,书名,作者,价格,库存,出版社编号；出版社出版社编号,名称,地址；借阅读者ID,ISBN,借阅日期,归还日期外键关联设计图书表中的出版社编号作为外键引用出版社表；借阅表中的读者ID和ISBN分别作为外键引用读者表和图书表，同时构成借阅表的复合主键最终关系模型形成完整的关系模型，包含4个关系表，明确的主外键关系，以及相应的完整性约束规则，能够完整支持图书管理业务需求转换示例学生选课系统实体转换结果学生、课程、教师三个强实体分别转换为对应的关系表学生学号姓名性别,,,年龄专业；课程课程号课程名学分课时；教师教师号姓名职称院系,,,,,,,多对多联系处理学生选修课程的多对多联系转换为独立的选修关系选修学号课程号成绩,,,选课时间，学号和课程号构成复合主键，成绩和选课时间为联系属性一对多联系设计教师讲授课程的一对多联系通过在课程表中添加教师号外键实现课程课程号课程名学分课时教师号，建立了课程与教师的引用关系,,,,完整关系模型最终形成包含个关系的完整模型，支持学生选课、成绩管理、教师授4课等核心业务功能，具备良好的数据完整性和查询效率。