数据库设计与实体-关系模型详解

### 数据库设计与实体 - 关系模型详解 #### 1. 数据库开发流程概述 数据库开发是一个系统的过程，主要包括需求分析、数据建模、组件设计和实施等阶段。 需求分析是数据库开发的首要步骤，其目的是明确用户对数据库的需求。用户需求的来源广泛，主要有以下几种： - 用户访谈：通过与新信息系统的用户进行交流，了解他们的实际需求和期望。 - 现有表单、报告、查询、应用程序和网站：分析这些现有资源，获取业务流程和数据使用的相关信息。 - 用例：描述用户使用新信息系统的方式，包括用户角色、活动场景、输入和输出等。用例不仅是需求的来源，还可用于验证数据模型、数据库设计和实际实现。 - 业务规则：约束数据库活动的规则，通常源于业务政策和实践。例如，在学术数据库中，学生必须先声明专业才能选课；研究生课程只有绩点达到 3.70 及以上的大三或大四学生才能选修等。 在需求分析过程中，还需要记录数据项的特征，如数据类型、属性和值的限制。同时，系统开发者要记录业务规则，这些规则对数据库活动的操作起到约束作用。 #### 2. 数据模型的重要性 系统需求虽然是数据库设计的基础，但仅靠这些需求还不足以设计出有效的数据库。为了将需求转化为可用于数据库设计的形式，需要将其转换为数据模型。数据模型就像程序开发中的流程图或对象图，是对数据需求的一种抽象表示。 #### 3. 实体 - 关系数据模型 实体 - 关系（E - R）模型是创建数据模型最常用的技术，由 Peter Chen 在 1976 年首次提出，后来发展为扩展的 E - R 模型。E - R 模型的主要元素包括实体、属性、标识符和关系。 ##### 3.1 实体 实体是用户想要跟踪的对象，例如客户、采购、产品等。具有相同类型的实体被归为一个实体类，在表示时通常使用大写字母。实体类是实体的集合，为该类中的实体提供结构。而实体实例是实体类中的具体出现，例如某个特定的客户。 在开发数据模型时，开发者会分析各种系统需求，实体通常是表单或报告的主题，或者是其中的主要部分。例如，名为“产品数据输入表单”的表单可能暗示存在一个名为“PRODUCT”的实体类。 ##### 3.2 属性 属性用于描述实体的特征，如员工姓名、入职日期等。E - R 模型假设同一实体类的所有实例具有相同的属性。每个属性都有数据类型（如字符、数字、日期等）和属性，这些属性由需求决定，包括是否必需、是否有默认值、值的限制等。 ##### 3.3 标识符 标识符是用于命名或识别实体实例的属性。一个实体实例的标识符可以由一个或多个属性组成，由两个或以上属性组成的标识符称为复合标识符。标识符可以是唯一的，也可以是非唯一的。唯一标识符的值能唯一确定一个实体实例，而非唯一标识符的值可以标识一组实例。每个实体类至少需要有一个唯一标识符。 在数据模型中，实体可以以不同的详细程度展示，有时会显示实体及其所有属性，此时唯一标识符通常位于实体顶部，并在其后画一条水平线；在大型数据模型中，为避免图表过于复杂，可能只显示标识符或仅显示实体名称。 需要注意的是，标识符与关系模型中的键类似，但有两个重要区别：一是标识符是一个逻辑概念，用户认为它能表示实体的出现，但在数据库设计中可能不被表示为键；二是主键和候选键必须是唯一的，而标识符可以是唯一的，也可以是非唯一的。 ##### 3.4 关系 实体之间可以通过关系相互关联。E - R 模型包含关系类和关系实例，关系类是实体类之间的关联，关系实例是实体实例之间的关联。在现代实践中，通常只有实体具有属性，关系一般不具有属性。 关系的复杂程度可以用度数来衡量，即参与关系的实体类的数量。常见的关系类型有： - 二元关系：涉及两个实体类的关系，是最常见的关系类型。二元关系又可分为三种： - 一对一（1:1）关系：一个实体实例与另一个实体实例一一对应。例如，“LOCKER - ASSIGNMENT”关系表示一个员工只能分配一个储物柜，一个储物柜也只能分配给一个员工。 - 一对多（1:N）关系：一个实体实例可以与多个另一个实体实例相关联。例如，“ITEM - QUOTE”关系中，一个物品可以有多个报价，但一个报价只对应一个物品。在 1:N 关系中，通常将位于“一”方的实体称为父实体，位于“多”方的实体称为子实体。 - 多对多（N:M）关系：多个实体实例可以与多个另一个实体实例相关联。例如，“ITEM - SOURCE”关系表示一个物品可以由多个供应商供应，一个供应商也可以供应多个物品。 - 三元关系：涉及三个实体类的关系，如“PARENT”关系涉及母亲、父亲和孩子三个实体类。 关系还具有最大基数和最小基数。最大基数表示参与关系实例的实体实例的最大数量，例如“ITEM - QUOTE”关系的最大基数为 1:N。最小基数表示参与关系实例的实体实例的最小数量，最小基数为 0 表示实体参与关系是可选的，为 1 表示是强制的。可以通过在关系线上放置哈希标记或椭圆来表示最小基数，哈希标记表示该实体必须参与关系，椭圆表示可选。 实体 - 关系（E - R）图是用于表示 E - R 模型的图形化工具，具有一定的标准。通常用矩形表示实体类，用菱形表示关系，关系的最大基数显示在菱形内，最小基数通过椭圆或哈希标记显示在实体旁边。 #### 4. E - R 模型的变体 目前，E - R 模型有多种不同的版本，主要包括以下几种： - Information Engineering（IE）Crow’s Foot 模型：由 James Martin 在 1990 年