介紹
設計一個穩健且高效的資料庫系統，是開發圖書館管理系統的關鍵步驟。此過程包含多個階段，從實體關係圖（ERD）設計開始，接著進行正規化，最後建立資料庫結構。在本文中，我們將逐一說明這些階段，展示如何將一個概念轉化為結構良好且優化的圖書館系統資料庫。
從ERD、正規化到資料庫結構的資料模型設計流程
- 實體關係圖（ERD）
設計圖書館系統資料庫的第一步是建立實體關係圖（ERD）。ERD是系統中資料實體及其關係的視覺化呈現。以下是需要考慮的一些關鍵組成部分：
a. 實體：識別圖書館系統中的主要實體。這些可能包括書籍、作者、讀者、員工以及交易。
b. 屬性：為每個實體定義屬性或特徵。例如，「書籍」實體可能具有ISBN、標題、作者、出版日期等屬性。
c. 關係：確定實體之間的關係。例如，「讀者」實體可能與「書籍」實體具有「借閱」關係，以表示書籍的借閱行為。
d. 基數：指定關係的基數，表明一個實體與另一個實體之間關聯的實例數量。例如，一位讀者可以借閱多本書，但每本書在同一時間只能由一位讀者借閱。
- 正規化
正規化是將資料庫中的資料進行組織，以消除冗餘並提升資料完整性。目標是減少資料重複，並確保每筆資訊都儲存在最合適的位置。以下是正規化圖書館系統資料庫所涉及的步驟：
a. 識別函數依賴性：分析實體中的屬性，並判斷哪些屬性依賴於其他屬性。例如，在「書籍」實體中，作者姓名依賴於書籍的ISBN。
b. 應用正規化規則：使用正規化規則（例如第一正規化、第二正規化、第三正規化）將複雜的實體拆解為較簡單的實體，並為相關資訊建立獨立的資料表。
c. 建立關係：使用主鍵和外鍵在正規化後的資料表之間建立關係，以維持資料完整性。
d. 消除冗餘：確保每筆資料僅儲存在一個位置。例如，作者資訊應儲存在獨立的「作者」資料表中，而非在每筆書籍記錄中重複儲存。
- 資料庫結構
當您的資料庫完全正規化後，即可進行資料庫結構的建立。結構定義了資料庫的架構，包括資料表、欄位、資料類型和約束。以下是建立圖書館系統資料庫結構的步驟：
a. 定義資料表：根據ERD中識別出的實體以及正規化後的資料建立資料表。每個資料表應代表一個特定實體（例如「書籍」、「作者」、「讀者」）。
b. 定義欄位：為每個資料表指定欄位，以代表ERD中識別出的屬性。確保資料類型和約束（例如主鍵、外鍵、唯一性約束）正確設定。
c. 建立關係：使用外鍵在資料表之間建立關係，連結相關資料。例如，「書籍」資料表可能包含一個指向「作者」資料表的外鍵。
d. 索引：在經常用於搜尋的欄位上建立索引，以提升查詢效能。
案例研究：圖書館系統
實體關係圖
我們已定義四個資料表：作者、書籍、讀者與交易。以下是各資料表所代表的內容：
- 作者：儲存書籍作者的資訊。其主鍵為AuthorID，並包含Name屬性。
- 書籍：代表書籍的詳細資訊。包含ISBN（主鍵）、標題、出版日期，以及一個外鍵AuthorID，用以參考作者資料表，建立書籍與作者之間的關係。
- 讀者：儲存圖書館讀者的資訊。其主鍵為PatronID，並包含Name屬性。
- 交易：此資料表記錄讀者借閱書籍的交易資訊。包含TransactionID（主鍵）、BookID（外鍵，指向書籍資料表）、PatronID（外鍵，指向讀者資料表）以及DueDate。
這些資料表之間的關係如下所示：
- 作者和書籍之間通過一對多的關係相連，表示一位作者可以撰寫多本著作。
- 書籍與交易之間相連，表示每本書可以出現在多筆交易中，但每筆交易僅對應一本書。
- 借閱者與交易相連，表示每位借閱者可以有多筆交易，但每筆交易僅屬於一位借閱者。
規範化流程
我們來走一遍使用表格對圖書館系統資料庫進行規範化的流程。我們將從一組初始表格開始，逐步將它們規範化至第一正規化形式（1NF）、第二正規化形式（2NF）和第三正規化形式（3NF）。
初始表格：
- 書籍
- ISBN（主鍵）
- 書名
- 出版日期
- 作者編號（外鍵）
- 作者
- 作者編號（主鍵）
- 姓名
- 借閱者
- 借閱者編號（主鍵）
- 姓名
- 交易
- 交易編號（主鍵）
- 書籍編號（外鍵）
- 借閱者編號（外鍵）
- 到期日
第一正規化形式（1NF）：
在第一正規化形式中，每個表格都應具有主鍵，且任何欄位中都不應有重複群組或陣列。我們的初始表格已符合1NF，因為它們具有主鍵，且每個單元格僅包含單一值。
第二正規化形式（2NF）：
要達到2NF，我們必須確保非鍵屬性依賴於整個主鍵。在我們的初始表格中，書籍表格存在部分依賴，因為書名和出版日期僅依賴於ISBN，而非整個主鍵。我們將把書籍表格拆分為兩個表格：
書籍（2NF）：
- ISBN（主鍵）
- 作者編號（外鍵）
書籍詳情（2NF）：
- ISBN（外鍵）
- 書名
- 出版日期
現在，每個表格的屬性都依賴於整個主鍵。
第三範式（3NF）：
在3NF中，我們消除傳遞依賴。借閱者表格沒有傳遞依賴，但交易表格透過BookID對書籍存在傳遞依賴。為了消除此依賴，我們將為交易建立一個新表格：
交易（3NF）：
- 交易編號（主鍵）
- 借閱者編號（外鍵）
- 應還日期
借閱書籍（3NF）：
- 交易編號（外鍵）
- 書籍編號（外鍵）
現在，交易表格僅依賴於借閱者編號，而借閱書籍表格則管理交易與書籍之間的關係。
我們在3NF下的規範化表格如下：
書籍（3NF）：
- ISBN（主鍵）
- 作者編號（外鍵）
書籍詳情（3NF）：
- ISBN（外鍵）
- 書名
- 出版日期
作者（3NF）：
- 作者編號（主鍵）
- 姓名
借閱者（3NF）：
- 借閱者編號（主鍵）
- 姓名
交易（3NF）：
- 交易編號（主鍵）
- 讀者編號 (外鍵)
- 到期日
借閱書籍 (第三正規化):
- 交易編號 (外鍵)
- 書籍編號 (外鍵)
透過遵循將資料庫規範化至第三正規化過程，我們提升了資料完整性，減少冗餘，並消除了不希望的依賴關係，進而建立了一個結構良好且規範化的圖書館系統資料庫。
資料庫結構
— 作者資料表
建立資料表 Authors (
AuthorID INT 主鍵,
Name VARCHAR(255)
);
— 書籍資料表
建立資料表 Books (
ISBN VARCHAR(13) 主鍵,
AuthorID INT,
外鍵 (AuthorID) 參照 Authors(AuthorID)
);
— 書籍詳情資料表
建立資料表 BookDetails (
ISBN VARCHAR(13),
書名 VARCHAR(255),
出版日期 DATE,
外鍵 (ISBN) 參照 Books(ISBN)
);
— 讀者資料表
建立資料表 Patrons (
PatronID INT 主鍵,
Name VARCHAR(255)
);
— 交易表
建立資料表 Transactions (
TransactionID INT 主鍵,
PatronID INT,
DueDate DATE,
外鍵 (PatronID) 參考 Patrons(PatronID)
);
— 借閱書籍表（用於表示交易與書籍之間的多對多關係）
建立資料表 BorrowedBooks (
TransactionID INT,
ISBN VARCHAR(13),
外鍵 (TransactionID) 參考 Transactions(TransactionID),
外鍵 (ISBN) 參考 Books(ISBN)
);
結論
設計圖書館管理系統的資料庫是一項複雜但不可或缺的任務。透過從實體關係圖（ERD）出發，進行資料規範化，再建立結構良好的資料庫結構，可以確保資料完整性，減少重複資料，並優化資料庫效能。這種結構化的方法為可靠且高效的圖書館系統奠定基礎，使其能有效管理書籍、作者、讀者及交易。