【数据库原理】（31）数据库设计-逻辑结构设计

逻辑结构设计的核心是将信息世界的概念模型（E-R图）转化为计算机世界的数据模型，并针对特定的数据库管理系统（DBMS）进行优化。以关系模型为例，这一过程涉及将E-R图中的实体、属性及它们之间的联系转化为关系模式。转换过程中遵循的原则和方法如下：

一.E-R图转换为数据模型

1. 实体转换为关系：

   • 每个实体对应一个关系模式，实体的属性和主键转换为关系的属性和主键。
   • 例如：
   • 教师实体转换为教师关系模式：教师(职工号, 姓名, 性别, 出生日期, 职称)。
   • 学生实体转换为学生关系模式：学生(学号, 姓名, 性别, 出生日期)。
   • 班级实体转换为班级关系模式：班级(班级号, 学生人数)。

2. 联系转换为关系模式：

   • m:n型的联系：转换为独立的关系模式，联系中各实体的主键和联系自身的属性构成这个关系模式的属性，如“指导”联系转化为指导(职工号, 班级号, 考评成绩)。
   • 1:n型的联系：有两种转换方法：一是转换为独立的关系模式，二是合并到“n”端实体的关系模式中，如“组成”联系可以转换为组成(学号, 班级号)或合并到学生模式中。
   • 1:1型的联系：类似1:n型，可转换为独立关系模式或合并到任一实体的关系模式中。

3. 多元联系转换为关系模式：

   • 三个或以上实体的多元联系转换为独立的关系模式，相关实体的主键和联系属性构成新模式的属性。如果有如住宿（学生，宿舍，床位）这样的三元联系，可以转换为住宿(学生号, 宿舍号, 床位号)。

4. 实体自联系的转换：

   • 同一实体集的内部联系，转换方法类似于普通的实体间联系。比如教师指导教师，可以转换为指导(指导教师号, 被指导教师号)。

5. 具有相同主键的关系模式合并：

   • 当两个关系模式有相同的主键时，可以考虑合并，以减少重复和提高查询效率。如学生(学号, 姓名, 性别, 出生日期)和所属班级(学号, 班级号)，由于主键相同，可以合并为学生(学号, 姓名, 性别, 出生日期, 班级号)。

二.关系规范化

通过分解或合并关系模式，对从E-R图转换得到的数据模型进行初步优化。规范化理论指导着这一过程，主要目的是减少数据冗余和避免不良的数据依赖，从而提高数据库的效率和一致性。以下是规范化的基本步骤：

1. 考察关系模式的函数依赖关系：

   • 分析并提炼各个关系模式中的函数依赖关系。
   • 对这些函数依赖进行极小化处理，消除冗余的依赖，确保每个依赖都是必要的。

2. 应用数据依赖理论进行关系模式的分解：

   • 将关系模式分解，至少达到第三范式（3NF）。
   • 第三范式的目标是消除部分函数依赖和传递依赖。

关系模式的分解是一个平衡过程。虽然高度的规范化可以减少数据冗余，但同时也可能增加数据库操作的复杂性，尤其是在执行连接操作时。因此，在实际应用中，通常认为达到第三范式（3NF）就足够了。在3NF中，每个非主属性都直接依赖于主键，而不是部分依赖或传递依赖。

举例说明：

假设有一个关系模式 学生(学号, 姓名, 性别, 出生日期, 班级号, 院系)，其中存在以下函数依赖：

• 学号 → 姓名, 性别, 出生日期
• 班级号 → 院系

在这个例子中，院系依赖于班级号，而不是直接依赖于学号，这构成了传递依赖。为了达到3NF，我们可以将原关系模式分解为两个关系模式：

• 学生(学号, 姓名, 性别, 出生日期, 班级号)
• 班级(班级号, 院系)

这样的分解消除了传递依赖，同时减少了数据冗余。通过这种方式，数据库设计旨在平衡规范化的需要和系统性能之间的关系。

三.数据模型的优化

目标是提高数据库应用系统的性能。这通常涉及到对已经产生的关系模式进行修改、调整和重构。关键点在于，虽然规范化理论旨在减少数据冗余并提高数据的一致性，但在某些情况下，适当增加冗余可以显著提高数据库的查询效率和性能。

优化策略

1. 添加适当的冗余：

   • 通过在关系模式中引入冗余数据，可以减少复杂查询的频率，提高查询效率。
   • 冗余不应该随意添加，而是基于系统使用频率和性能要求进行有目的的设计。

2. 考虑查询频率和性能要求：

   • 分析数据库的使用模式，确定哪些查询是频繁进行的。
   • 针对这些高频率查询优化数据模型。

3. 平衡规范化与性能：

   • 在规范化与查询性能之间找到平衡点。
   • 在必要时，可以适当降低规范化级别来提高性能。

举例说明

以“班级”和“学生”关系的例子来说明。假设在规范化的数据库中，我们有以下两个关系模式：

• 学生(学号, 姓名, 班级号)
• 班级(班级号, 院系)

在这种设计中，要计算每个班级的学生人数，需要通过对“学生”关系中的“班级号”进行计数。这种计算如果频繁进行，会导致性能问题。因此，可以通过在“班级”关系中添加一个“人数”属性来优化此模型：

• 班级(班级号, 院系, 学生人数)

这里的“学生人数”是一个冗余属性，因为它可以通过统计“学生”关系中相同“班级号”的记录数来计算得出。然而，这种冗余可以显著提高查询“每个班级的学生人数”的效率，因为不再需要每次都去统计“学生”关系。

在实际应用中，数据库设计师需要在保持数据一致性的前提下，对数据模型进行这样的优化，以提高数据库的整体性能。

四.设计外模式

设计外模式（也称为子模式或用户模式）是一个重要步骤。外模式是数据库系统中逻辑结构设计的一部分，它提供了数据与应用程序之间的独立性，并且是确保数据库安全性的关键机制。

外模式的目的和作用：

1. 实现数据与应用程序的独立性：

   • 通过外模式，可以在不改变应用程序的情况下修改数据库的内部结构，从而维护数据的逻辑独立性。

2. 保护数据库的安全性：

   • 每个用户或用户组只能看见和访问他们对应的外模式中的数据，这样数据库中的其余数据对他们是不可见的。

3. 定义外模式/模式映像：

   • 外模式/模式映像定义了外模式与数据库系统模式之间的对应关系。
   • 当系统模式变化时，数据库管理员可以更新外模式/模式映像，而不影响外模式，保持应用程序的不变。

设计外模式时的注意事项：

1. 用户友好的命名：

   • 在外模式中，应按照用户的习惯进行命名，包括关系名、属性名等。
   • 即使外模式的属性与系统模式的属性本质相同，也可以采用不同的命名方式，以适应用户的理解和使用习惯。

2. 根据用户级别定义不同的外模式：

   • 为不同级别的用户或用户组定义不同的外模式，以确保数据访问的安全性和合适的数据可见性。

3. 构造必要的外模式以简化操作：

   • 设计外模式时，应考虑用户操作的便利性，简化用户对数据的访问和操作，提高效率。

通过这些策略，外模式成为实现数据独立性、维护安全性和简化用户操作的有效工具。在数据库系统中，外模式的设计是连接用户与底层数据的桥梁，它使得用户能够以更直观和安全的方式与数据库交互。