第7章_數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

1、第7章數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)：指利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，針對具體的應(yīng)用對象，構(gòu)造合適的數(shù)據(jù)庫模式，建立基于數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用系統(tǒng)或信息系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的一般策略：自頂向下（Top-Down）與自底向上（Bottom - Up） 但通常是把兩種方法綜合起來使用。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的步聚：數(shù)據(jù)庫是某個(gè)企業(yè)、組織或部門所涉及的數(shù)據(jù)的綜合，它不僅反映數(shù)據(jù)本身的內(nèi)容，而且反映數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。在數(shù)據(jù)庫中，是用 數(shù)據(jù)摸型.來抽象、表示、處理實(shí)現(xiàn)世界中的數(shù)據(jù)和信息的。根據(jù)模型應(yīng)用的不同目的，將數(shù)據(jù)模型分成兩個(gè)層次：概念模型和具體的數(shù)據(jù)模型。概念模型是用戶和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員之間進(jìn)行交流的工具。數(shù)據(jù)模型是由概念模型轉(zhuǎn)化而來的，是

2、按照計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的觀點(diǎn)來對數(shù)據(jù)建模。產(chǎn)生具體數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)即為邏輯設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的六個(gè)階段：用戶需求分析階段概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段（即信息分析和定義階段）邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)庫實(shí)施階段數(shù)據(jù)庫運(yùn)行和維護(hù)階段一、用戶需求分析階段：需求分析的目的，是準(zhǔn)確了解與分析用戶的需求。包括兩個(gè)步聚：需求調(diào)查需求分析1、需求調(diào)查任務(wù)，主要是了解用戶現(xiàn)行系統(tǒng)的概況、存在問題和對新系統(tǒng)的各 種要求，包括：1）信息要求：用戶需要對哪些數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和分析，數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如何，以及最后要得到什么樣的信息2）處理要求：用戶需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行何種處理，每一種處理有哪些輸入、輸出要 求，處理的方式如何，

3、每一種處理有無特殊要求等。3）系統(tǒng)要求：包括安全性要求、使用方式要求和可擴(kuò)充性要求等三個(gè)方面。2、需求分析階段的工作內(nèi)容主要有三個(gè)方面：1）分析需求調(diào)查所得到的資料，明確計(jì)算機(jī)應(yīng)當(dāng)處理和能夠處理的范圍，確定 新系統(tǒng)應(yīng)具備的功能。2）綜合各種信息所包含的數(shù)據(jù)，各種數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，數(shù)據(jù)的類型、取值范圍 和流向。3）將需求調(diào)查文檔化，文檔既要為用戶所理解，又要方便數(shù)據(jù)庫的概念結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)。需求分析的結(jié)果應(yīng)及時(shí)與用戶進(jìn)行交流，反復(fù)修改，直到得到用戶的認(rèn)可。需求分析階段最常使用的兩個(gè)工具是 數(shù)據(jù)流程圖和數(shù)據(jù)字典：（1）數(shù)據(jù)流程圖（DFD, Data Flow Diagram）由四個(gè)要素組成，即： 數(shù)據(jù)流代

4、表數(shù)據(jù)流的有向線代表數(shù)據(jù)處理邏輯的代表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)外部實(shí)體代表系統(tǒng)之外數(shù)據(jù)提供者或使用者構(gòu)造DFD的目的是為了系統(tǒng)分析師與用戶能夠進(jìn)行明確的交流，以便指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并為一下工作打下基礎(chǔ)。所以要求 DFD既要簡單，又要易于理解。構(gòu)造DFD通常采用Top Down,逐層分解，直到功能細(xì)化為止，形成若干層次 的 DFD。（2）數(shù)據(jù)字典（DD）數(shù)據(jù)字典是將數(shù)據(jù)流程圖中各個(gè)要素的具體內(nèi)容和特征，以特定格式記錄下來，所形成的文檔。它主要包括：數(shù)據(jù)項(xiàng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流、加工、文件、外部實(shí)體等 內(nèi)容。在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)過程中，數(shù)據(jù)字典被不斷地充實(shí)、修改和完善。（關(guān)于DF/口 DD在P125 126有一個(gè)有關(guān)學(xué)生成績管

5、理子系統(tǒng)的例子）需求分析階段是整個(gè)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)過程的前提和基礎(chǔ)。本階段的工作最繁瑣，最 困難也最耗時(shí)，但同時(shí)也是最關(guān)鍵的階段。就象一幢大樓的地基一樣，將決定著整個(gè) 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。所以必須做好本階段的工作。、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)，是通過對用戶需求進(jìn)行綜合、歸納與抽象，形成一個(gè)獨(dú)立于具體DBMS 的概念模型。這個(gè)階段，設(shè)計(jì)人員是從用戶的角度看待數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)處理的要求和約束，產(chǎn)生一個(gè)反映用戶觀點(diǎn)的概念模型。設(shè)計(jì)人員與用戶，以這個(gè)概念模型為媒介，相互交流意見，并對該概念模型進(jìn)行修改，最后達(dá)到共識(shí)。所以要求概念模型必須具有下列四個(gè)特點(diǎn)：豐富的語義表達(dá)能力。能表達(dá)用戶的各種需求，

6、反映現(xiàn)實(shí)世界中各種數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)間的各種復(fù)雜聯(lián)系，以及用戶對數(shù)據(jù)處理的要求。易于交流與理解，概念模型是設(shè)計(jì)人員與用戶交流的工具。易于修改，概念模型只有不斷地修改，才能最終符合用戶的需求。易于向各種數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換。概念模型，是系統(tǒng)分析師、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員和用戶三方共同完成的。但它本身并不能在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，必須轉(zhuǎn)換成具體DBMS 所能支持的數(shù)據(jù)模型。目前最常用、最有名的概念模型是E R 模型（實(shí)體聯(lián)系模型）這一階段所提供的概念模型，除反映各業(yè)務(wù)部門所涉及的各種實(shí)體及實(shí)體間聯(lián)系外， 還要明確對每一個(gè)實(shí)體中數(shù)據(jù)進(jìn)行增、刪、 改所需遵循的業(yè)務(wù)規(guī)則及各種完整性約束。三、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的任務(wù)是將

7、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段所得到的概念模型 轉(zhuǎn)換為具體DBMS 所能支持的數(shù)據(jù)模型 （即邏輯結(jié)構(gòu)），并對其進(jìn)行優(yōu)化。1、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段主要有以下輸入信息：E R 模型：概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段所得到的所有的局部和全局E R 模型處理需求：需求分析階段產(chǎn)生的業(yè)務(wù)活動(dòng)分析結(jié)果：用戶需求、數(shù)據(jù)的使用頻率和數(shù)據(jù)庫的規(guī)模。DBMS 特性：即特定的DBMS 所支持的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如RDBMS 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是二維表。下面就以關(guān)系數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)為例，繼續(xù)學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：2、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段需要完成的任務(wù)有：將 E R 模型轉(zhuǎn)換為等價(jià)的關(guān)系模式。按需要對關(guān)系模式進(jìn)行規(guī)范化。對規(guī)范化后的模式進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)局部應(yīng)用的需要，設(shè)計(jì)用戶外模式。3

8、、模式評價(jià)模式評價(jià)可以檢查規(guī)范化后的關(guān)系模式，是否滿足用戶的各種功能要求和性能要求，并確定需要修正的模式部分。（ 1） 功能評價(jià)關(guān)系模式中必須包含用戶可能訪問的所有屬性。涉及多個(gè)關(guān)系模式的連接應(yīng)用時(shí)，應(yīng)確保連接具有無損性。對于檢查出有冗余的關(guān)系模式和屬性，應(yīng)分析產(chǎn)生冗余的原因，分清楚是為了提高查詢效率和應(yīng)用擴(kuò)展而有意安排的冗余，還是由于某種疏忽或錯(cuò)誤造成的冗余。（ 2） 性能平價(jià)對數(shù)據(jù)庫模式的性能評價(jià)比較困難，因?yàn)槿狈ο鄳?yīng)的評價(jià)手段。一般采用的是LRA 評價(jià)技術(shù)進(jìn)行估算，以提出改進(jìn)意見。LRA即Logical Record Access （邏輯記錄存取），是一種算法。它主要用于估算 數(shù)據(jù)庫操縱

9、的邏輯記錄傳送量及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。4、邏輯模式的修正目的 ：改善數(shù)據(jù)庫的性能、節(jié)省存儲(chǔ)空間。在關(guān)系模式規(guī)范化過程中，很少注意數(shù)據(jù)庫的性能問題，一般認(rèn)為，數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)庫的性能關(guān)系更密切一些，事實(shí)上邏輯設(shè)計(jì)的好壞對它也有很大的影響。除了性能評價(jià)提出的模式修改意見外，還要考慮以下幾個(gè)方面：（ 1）盡量減少連接運(yùn)算在數(shù)據(jù)庫操作中，連接運(yùn)算的開銷很大。參與連接的關(guān)系越多、越大，開銷也越大。所以，對于一些常用的、性能要求比較高的數(shù)據(jù)查詢，最好是單表操作。這與規(guī)范化理論相矛盾。有時(shí)為了保證性能，不得不把規(guī)范化了的關(guān)系再連接起來，即反規(guī)范化。 當(dāng)然， 這又可能會(huì)帶來數(shù)據(jù)冗余和更新異常等問題，需要在數(shù)

10、據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序中加以控制。（ 2）減小關(guān)系的大小和數(shù)據(jù)量關(guān)系的大小對查詢的速度影響也很大。有時(shí)為了提高查詢的速度，需要把一個(gè) 大關(guān)系從縱向或橫向劃分成多個(gè)小關(guān)系。關(guān)系的元組個(gè)數(shù)太多時(shí)，需要從橫向進(jìn)行劃分。如學(xué)生關(guān)系，可把全校學(xué)生放在一個(gè)關(guān)系中，也可按系建立學(xué)生關(guān)系，前者可方便全校學(xué)生的查詢，后者可提高按系查詢的速度。當(dāng)然也可按年級建立學(xué)生關(guān)系?？傊凑諔?yīng)用的具體情況確定不同的劃分策略。關(guān)系的屬性太多時(shí)，需要從縱向劃分關(guān)系，可將常用的和不常用的屬性分別放在不同的關(guān)系中，以提高查詢關(guān)系的速度。（ 3）為每個(gè)屬性的選擇合適的數(shù)據(jù)類型關(guān)系中每個(gè)屬性都要求有一定的數(shù)據(jù)類型，為屬性選擇合適的數(shù)

11、據(jù)類型不但可以提高數(shù)據(jù)的完整性，還可以提高數(shù)據(jù)庫的性能，節(jié)省系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間。使用變長的數(shù)據(jù)類型：當(dāng)用戶和 DBA不能確定一個(gè)屬性數(shù)據(jù)的實(shí)際長度時(shí)， 可使用變長的數(shù)據(jù)類型。如 Varbinary（）和Varchar（粒很多DBMS都支持的變長數(shù)據(jù) 類型。預(yù)期屬性值的最大長度：在關(guān)系設(shè)計(jì)中，必須能預(yù)期屬性的最大長度，只有這樣才能為屬性定制最有效的數(shù)據(jù)類型。如表示人的年齡可選擇Tinyint（ 2 bytes） ；如表示書的頁數(shù)，就可選擇Smallint（ 4 bytes） 。使用用戶自定義的數(shù)據(jù)類型如果使用的DBMS 支持用戶自定義的數(shù)據(jù)類型，則利用它可以更好地提高系統(tǒng)性能，更有效地提高存儲(chǔ)效率，

12、并能保證數(shù)據(jù)安全。5、設(shè)計(jì)用戶外模式外模式也叫子模式，是用戶可直接訪問的數(shù)據(jù)模式。同一系統(tǒng)中，不同用戶可有不同的外模式。外模式來自邏輯模式，但在結(jié)構(gòu)和形式上可能不同于邏輯模式，所以它不是邏輯模式的簡單子集。外模式主要有三個(gè)作用：通過外模式對邏輯模式的屏蔽，為應(yīng)用程序提供了一定的邏輯獨(dú)立性；更好地適應(yīng)不同用戶對數(shù)據(jù)的不同需求為不同用戶劃定了訪問數(shù)據(jù)的不同范圍，有利于數(shù)據(jù)的保密。在關(guān)系型DBMS 中，都提供了視圖功能。設(shè)計(jì)符合局部用戶需要的視圖，再加上與局部用戶有關(guān)的基本表，就構(gòu)成了用戶的外模式。在設(shè)計(jì)外模式時(shí)，可以參照局部E R 模型，因?yàn)镋 R 模型本來就是用戶對數(shù) 據(jù)需求的反映。四、數(shù)據(jù)庫物

13、理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為邏輯數(shù)據(jù)模型選取一個(gè)最適合應(yīng)用環(huán)境的物理結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)：主要由存儲(chǔ)記錄格式、記錄在物理設(shè)備上的安排及訪問的路徑（存取方法）等構(gòu)成。數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括以下三個(gè)方面：存儲(chǔ)記錄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)記錄布局存取方法設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的，是為了在數(shù)據(jù)檢索中盡量減少I/O操作的次數(shù)以 提高數(shù)據(jù)檢索的效率，以及在多用戶共享系統(tǒng)中，減少多用戶對磁盤的訪問沖突，均衡I/O負(fù)荷，提高I/O的并行性，縮短等待時(shí)間，提高查詢效率。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，存儲(chǔ)記錄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)記錄布局主要由RDBMS 自動(dòng)完成。存取方法是快速存取數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的技術(shù)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是多用戶共享的

14、系統(tǒng)，只有對同一個(gè)關(guān)系建立多條存取路徑，才能滿足多個(gè)用戶的多種應(yīng)用要求。在數(shù)據(jù)庫中建立存取路徑 最普遍的方法就是建立索引 。索引是用于提高查詢性能的，但它要犧牲額外的存儲(chǔ)空間，增大更新維護(hù)的代價(jià)。所以，必須根據(jù)用戶的需求和應(yīng)用的需要來合理使用和設(shè)計(jì)索引。索引從物理上分為聚簇索引和普通索引。確定索引的一般順序是：（ 1） 確定關(guān)系的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，即記錄的存放是無序的，還是按某屬性（或?qū)傩越M）聚簇存放；（ 2）確定不宜建立索引的屬性或表。1） 太小的表2） 經(jīng)常更新屬性或表：需要對索引的進(jìn)行頻繁地維護(hù)，代價(jià)太大。3）屬性值很少的表：如“性別”，只有兩個(gè)值4） 過長的屬性：索引所占存儲(chǔ)空間較大，有不利之

15、處5） 一些特殊數(shù)據(jù)類型的屬性：如大文本、多媒體數(shù)據(jù)等6） 不出現(xiàn)或很少出現(xiàn)在查詢條件中的屬性。3）確定宜建立索引的屬性。1） 關(guān)系的主碼或外碼一般應(yīng)建立索引。因?yàn)閿?shù)據(jù)進(jìn)行更新時(shí)，系統(tǒng)對主碼 和外碼分別作唯一性和參照完整性檢查，建立索引，可加快之。2） 對于以查詢?yōu)橹骰蛑蛔x的表，可以多建索引。3）對于范圍查詢，即以=、&、等比較符確定查詢范圍的，可在有關(guān)的屬性上建立索引。4）使用聚集函數(shù)（Min、Max、Avg、Sum、Count:）或需要排序輸出的屬性最好建立索引。在 RDBMS 中，索引是改善存取路徑的重要手段。使用索引的最大優(yōu)點(diǎn)是可以減少檢索的CPU 服務(wù)時(shí)間和I/O 服務(wù)時(shí)間，

16、提高檢索效率。如果沒有索引，系統(tǒng)只能通過順序掃描數(shù)據(jù)表來尋找相匹配的檢索對象，時(shí)間開銷太大。但是不能在頻繁作存儲(chǔ)操作的關(guān)系上，建立過多的的索引。因?yàn)?，?dāng)進(jìn)行存儲(chǔ)操作（增、刪、改）時(shí)，不僅要對關(guān)系本身作存儲(chǔ)操作，而且還要增加一定的CPU開銷， 來對各個(gè)有關(guān)的索引作相應(yīng)的修改。因此， 關(guān)系上過多的索引會(huì)影響存儲(chǔ)操作的性能。五、數(shù)據(jù)庫實(shí)施階段在數(shù)據(jù)庫實(shí)施階段，設(shè)計(jì)人員運(yùn)用DBMS 提供的數(shù)據(jù)語言及其宿主語言，根據(jù)邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)的結(jié)果建立數(shù)據(jù)庫，編制與調(diào)試應(yīng)用程序，組織數(shù)據(jù)入庫，并進(jìn)行試運(yùn)行和評價(jià)。在數(shù)據(jù)庫實(shí)施階段，包括三個(gè)方面的內(nèi)容：1、建立實(shí)際的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)2、加載必要的數(shù)據(jù)3、數(shù)據(jù)庫試運(yùn)行和評

17、價(jià)其中建立實(shí)際的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)又分為以下四個(gè)主要內(nèi)容：1）數(shù)據(jù)庫模式與子模式，以及數(shù)據(jù)庫空間等描述2）數(shù)據(jù)庫完整性描述3）數(shù)據(jù)庫安全性描述4）數(shù)據(jù)庫物理存儲(chǔ)參數(shù)描述這四個(gè)內(nèi)容中最重要的是數(shù)據(jù)庫的完整性描述，因?yàn)閿?shù)據(jù)庫的完整性是指數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的有效性、正確性和一致性。在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中如果沒有一定的措施確保數(shù)據(jù)的完整性，就無法從數(shù)據(jù)庫中獲得可信的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫的完整性約束一般包括如下四個(gè)方面：（1）對表中列的約束。包括：列的數(shù)據(jù)類型、列取值約束，如 Not Null、 Unique、Primary Key、Foreign Key、列的 Check檢查等；（2）對表的約束。主要指對表的 Check檢查（多個(gè)

18、屬性之間的關(guān)系）（ 3）表間參照完整性約束。指多個(gè)表之間的數(shù)據(jù)一致性，主要是外部碼的定義 與檢查。（ 4）對復(fù)雜的業(yè)務(wù)規(guī)則的約束?？梢杂腥N方法實(shí)現(xiàn)它：用DBMS的Trigger等工具，定義在數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)中，由系統(tǒng)自動(dòng)控制。寫入設(shè)計(jì)說明，提示編程人員以代碼形式在應(yīng)用程序中加以控制。寫入用戶手冊，由用戶來執(zhí)行。關(guān)于數(shù)據(jù)庫實(shí)施階段的其它詳細(xì)內(nèi)容，請同學(xué)們參照有關(guān)的參考書。六、數(shù)據(jù)庫運(yùn)行和維護(hù)階段數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)施，并試運(yùn)行合格后即可交付使用，投入正式運(yùn)行。正式運(yùn)行標(biāo)志著數(shù)據(jù)庫維護(hù)工作的開始。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運(yùn)行過程中必須不斷地對其進(jìn)行評價(jià)、調(diào)整與修改。這個(gè)階段主要包括三個(gè)方面的工作：1、對數(shù)據(jù)庫性能的監(jiān)測與