數據庫設計方法學：創建出色數據庫的藍圖！

各位同學好！歡迎來到數據庫設計的世界。想像一下，你就像一個建築師，只不過你設計的不是建築物，而是組織有序的系統來儲存資訊。一個好的設計至關重要！它能確保你的數據可靠、高效且易於使用。糟糕的設計？那就好比建了一間沒有門的屋子——一團糟！

在這一章，我們將學習如何從零開始規劃和構建數據庫。我們會涵蓋如何繪製數據藍圖（稱為實體關係圖，簡稱ER圖）、如何整齊地組織數據（透過規範化過程），以及如何確保數據安全。唔使擔心聽落好複雜，我們會一步一步透過簡單例子拆解。準備好，一齊嚟學嘢啦！


藍圖：實體關係圖 (ER圖)

在建造任何東西之前，你都需要一個計劃。在數據庫設計中，我們的計劃就是實體關係圖 (ERD或ER圖)。它是一種視覺化方式，展示我們需要儲存哪些數據，以及不同數據片段之間如何互相連接。

ER圖的構建基石

ER圖有幾個關鍵組成部分。一齊嚟認識一下符號！

  • 實體 (Entity)：我們想儲存資訊的人、地方、物件或概念。把它想成名詞。例子：學生 (Student)、書本 (Book)、課程 (Course)。

  • 屬性 (Attribute)：實體的性質或特徵。例子：一個學生有「學生姓名」，一本書有「書名」。

  • 鍵屬性 (Key Attribute)：能唯一識別一個實體的屬性。這將成為主鍵 (Primary Key)。沒有兩個實體可以在此屬性上擁有相同的值。例子：學生編號 (Student ID)。

  • 關係 (Relationship)：兩個或多個實體之間的連接方式。把它想成動詞。例子：一個學生借閱 (borrows) 一本書。

ER圖符號速查表

這些是考試中你必須知道的官方符號。請務必正確使用它們！

實體：一個長方形

屬性：一個橢圓形

鍵屬性：一個橢圓形，名稱帶有底線

關係：一個菱形


事物如何連接：關係的類型

ER圖中連接實體的線段，告訴我們關係的類型，這也稱為基數 (cardinality)。它描述了一個實體的多少個實例可以與另一個實體的實例相關聯。

1. 一對一 (1:1) 關係

實體A的一個實例僅連接到實體B的一個實例。

例子：在一所學校裏，一個校長負責一所學校。

2. 一對多 (1:M) 關係

實體A的一個實例可以連接到實體B的多個實例，但實體B的每個實例只連接到實體A的一個實例。

例子：一位老師可以在一個班級裏教導多位學生。

3. 多對多 (M:N) 關係

實體A的多個實例可以連接到實體B的多個實例，反之亦然。

例子：許多學生可以選修許多不同的課程。一個學生可以修讀多個課程，而一個課程也可以有多個學生選修。


那些小線和圓圈又代表甚麼呢？參與限制

有時你會在連接到關係菱形的線段上看到額外的符號。這些符號告訴我們該關係是強制性還是可選性。

  • 強制參與 ( | )：實體必須參與該關係。這就像在說：「每個學生都必須修讀至少一門課程。」

  • 可選參與 ( O )：實體不必參與該關係。這就像在說：「一位教授可以受僱於大學，但他可能正在休研究假，目前沒有教授任何課程。」


重點回顧：關係

關係定義了數據如何互動的規則。正確地掌握基數 (1:1, 1:M, M:N) 是數據庫設計中最重要的步驟之一！


創建ER圖：逐步指南

讓我們先為學校圖書館設計一個簡單的數據庫。場景是：「學生可以借閱多本書籍，而一本書也可以在不同時間被多個學生借閱。」

步驟1：識別實體 (名詞)

主要事物是學生 (Student) 和書本 (Book)。

步驟2：識別每個實體的屬性

  • 對於學生 (Student)：學生編號 (StudentID)、學生姓名 (StudentName)、班級 (Class)

  • 對於書本 (Book)：書本編號 (BookID)、書名 (Title)、作者 (Author)

步驟3：識別主鍵

學生編號 (StudentID)唯一識別每個學生。書本編號 (BookID)唯一識別每本書。讓我們把它們劃上底線。

步驟4：確定關係 (動詞)

學生借閱書本。所以，關係是借閱 (Borrows)。

步驟5：確定基數

  • 一個學生可以借閱多本書嗎？可以。

  • 一本書可以被多個學生借閱嗎？可以 (隨著時間推移)。

這是一個典型的多對多 (M:N) 關係。

步驟6：繪圖！

你會繪製一個長方形代表「學生」，另一個代表「書本」，然後在中間繪製一個菱形代表「借閱」，並用線段連接它們。在實體周圍添加橢圓形代表屬性。最後，用「M」和「N」標記關係線。


重點回顧：繪製ER圖

遵循這些步驟：實體 (E) -> 屬性 (A) -> 主鍵 (P) -> 關係 (R) -> 基數 (C) (簡稱EAP-RC)。這個過程能將一個現實世界的問題轉化為清晰的數據庫計劃。


清理混亂：數據冗餘和規範化

想像一下，你在教科書的每一頁都寫上你的完整地址。這會浪費空間，如果你搬家，你就必須更新每一頁！這個問題就稱為數據冗餘 (data redundancy)。

數據冗餘是數據庫中不必要的數據重複。這很糟糕，因為它可能導致：

  • 更新異常 (Update Anomaly)：如果你在一個地方更改數據，你可能會忘記在所有地方都更改它。
  • 插入異常 (Insertion Anomaly)：除非另一部分信息已經存在，否則你無法添加新信息。
  • 刪除異常 (Deletion Anomaly)：刪除一部分數據可能會意外刪除其他不相關的數據。

我們用來解決這個問題並減少冗餘的過程稱為規範化 (Normalisation)。把它想像成整理一個非常混亂的房間，把所有東西都放回正確的抽屜裡。

規範化有幾個層次，或稱「規範形式」，但對於香港中學文憑考試 (HKDSE)，你需要知道前三個。

第一規範形式 (1NF)：每個單元格只有一個值

規則：如果表格的每個單元格都包含單一、原子性 (不可再分割) 的值，並且沒有重複的組，則該表格處於1NF。

不良例子 (非1NF)：

一個學生在一個單元格中有多個電話號碼。

如何修正：為每個電話號碼創建一個獨立的行，重複學生的信息。

第二規範形式 (2NF)：沒有部分依賴

規則：表格必須處於1NF，並且每個非鍵屬性都必須依賴於整個主鍵。此規則僅在你有複合主鍵 (composite primary key) (由兩個或更多欄位組成的主鍵) 時才重要。

部分依賴 (Partial Dependency)：這是指非鍵屬性只依賴於複合主鍵的一部分。

如何修正：如果你發現部分依賴，則拆分該表格。將部分依賴的欄位，連同它們所依賴的主鍵部分，移到一個新表格中。

第三規範形式 (3NF)：沒有傳遞依賴

規則：表格必須處於2NF，並且沒有傳遞依賴 (transitive dependencies)。

傳遞依賴：這是指一個非鍵屬性依賴於另一個非鍵屬性，而不是直接依賴於主鍵。(想像：A -> B -> C。C依賴於B，而B依賴於A。關鍵是A)。

例子：一個表格有學生編號 (StudentID)、老師姓名 (TeacherName) 和老師辦公室 (TeacherOffice)。老師辦公室 (TeacherOffice) 依賴於老師姓名 (TeacherName)，而不是學生編號 (StudentID)。這就是傳遞依賴。

如何修正：再次拆分表格！將傳遞依賴的欄位 (以及它們所依賴的欄位) 移到一個新表格中。


記憶口訣：「鍵，全鍵，唯鍵」
  • 1NF：數據依賴於主鍵。(單一值)
  • 2NF：數據依賴於整條主鍵。(沒有部分依賴)
  • 3NF：數據只依賴於主鍵。(沒有傳遞依賴)

重點回顧：規範化

規範化是創建高效、可靠數據庫的關鍵過程，它能消除數據冗餘和異常。大多數設計良好的數據庫都處於3NF。


回頭看：何時使用反規範化

等等，經過這麼一番整理後，為什麼我們還會想讓它再次混亂呢？有時，擁有太多拆分的表格 (高度規範化) 會導致數據檢索速度變慢。為了生成一個簡單的報告，電腦可能需要連接許多表格，這會花費時間。

反規範化 (Denormalisation) 是指有意地將一些冗餘數據重新添加回數據庫，以提高查詢性能的過程。這是一種權衡：你犧牲了部分數據的「純淨度」以換取速度。這是一種進階技術，通常在速度絕對關鍵時使用。


從藍圖到現實：將ER圖轉換為表格

當你的ER圖完美無瑕且數據結構已經規範化後，就是時候創建實際的數據庫表格了。以下是相關規則：

規則1：映射實體
ER圖中的每個實體都會成為數據庫中的一個表格。實體的名稱會成為表格的名稱。

規則2：映射屬性
每個屬性都會成為該表格中的一個欄位 (column)。鍵屬性會成為主鍵欄位。

規則3：映射關係 (重要部分！)

  • 對於一對多 (1:M) 關係：取「一」方的主鍵，並將其作為新欄位添加到「多」方的表格中。這個新欄位稱為外鍵 (foreign key)。它將兩個表格連結起來。

  • 對於多對多 (M:N) 關係：你無法直接連結它們！你必須創建一個新表格，稱為連結表 (linking table) 或連接表 (junction table)。
    - 這個新表格將包含兩個原始表格的主鍵。這些鍵作為外鍵。
    - 這兩個外鍵通常共同構成連結表的複合主鍵。
    - 這個過程成功地將M:N關係「解決」為兩個1:M關係。


例子：我們的圖書館ER圖

我們的 `Student` (多) -- `Borrows` -- (多) `Book` ER圖將變成三個表格：

1. 學生表格 (Student Table) (學生編號, 學生姓名, 班級)

2. 書本表格 (Book Table) (書本編號, 書名, 作者)

3. 借閱表格 (連結表) (Borrows Table (Linking Table)) (學生編號, 書本編號, 借閱日期)現在，「學生」表格與「借閱」表格之間存在一對多關係，而「書本」表格也與「借閱」表格之間存在一對多關係。問題解決了！


重點回顧：轉換ER圖

將ER圖映射到表格是一個有明確規則的機械化過程。最重要的一條規則是記住如何透過創建連結表來處理多對多 (M:N) 關係。


誰掌握鑰匙？數據私隱與存取權限

數據庫包含有價值的資訊。你肯定不希望一個學生能夠查看或更改另一個學生的成績，對不對？這就是數據私隱發揮作用的地方。

我們透過控制誰可以做什麼來保護數據。這透過存取權限 (access rights) (也稱為許可權) 來管理。

把它想像成辦公大樓裡的門禁卡。CEO的卡可以打開所有門，而實習生的卡可能只能打開主入口和休息室。

在數據庫中，我們可以為不同的用戶授予特定的權限，例如：

  • SELECT (查詢)：讀取/查看數據的權限。
  • INSERT (插入)：添加新數據的權限。
  • UPDATE (更新)：更改現有數據的權限。
  • DELETE (刪除)：刪除數據的權限。

透過僅授予用戶完成工作所需的最低權限 (這稱為最小權限原則 (Principle of Least Privilege))，我們可以確保數據的私隱和安全。例如，圖書館前台職員可能對借閱記錄表格擁有 `SELECT` 和 `INSERT` 權限，但他們不會對主要學生資訊表格擁有 `DELETE` 權限。


重點回顧：存取權限

使用存取權限對於保護數據至關重要。它確保只有經授權的人才能查看或修改敏感資訊，這是構建安全可靠系統的核心部分。