電工與電子技術(shù)電子商務(wù)電子課件數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用教程（基于Linux的MySQL和NoSQL應(yīng)用）第4章ppt

1、第4章 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方法數(shù)據(jù)庫原理及應(yīng)用教程（基于Linux的MySQL和NoSQL應(yīng)用）CONTENTS數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)概述1需求分析2概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5數(shù)據(jù)庫行為設(shè)計(jì)6數(shù)據(jù)庫實(shí)施7數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行與維護(hù)8數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)概述1數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計(jì)，即將數(shù)據(jù)按一定的分類、分組系統(tǒng)和邏輯層次組織起來，是面向用戶的。4.1.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的內(nèi)容數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)面臨的主要困難計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)庫，同時(shí)具備這兩方面知識的人很少在開始時(shí)往往不能明確應(yīng)用業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)目標(biāo)。缺乏很完善的設(shè)計(jì)工具和方法。用戶在設(shè)計(jì)過程中不斷地提出新的要求很難找到一種適合所有應(yīng)用業(yè)務(wù)的工具和方法。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是指對于

2、一個(gè)給定的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)造（設(shè)計(jì)）優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫邏輯模式和物理結(jié)構(gòu)，并據(jù)此建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)，使之能夠有效地存儲和管理數(shù)據(jù)，滿足各種用戶的應(yīng)用需求。一個(gè)成功的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)具備如下特點(diǎn)：4.1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的特點(diǎn)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是與用戶的業(yè)務(wù)需求緊密相關(guān)的，因此它有很多自身的特點(diǎn)。主要特點(diǎn)如下：三分技術(shù)，七分管理，十二分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)綜合性結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)）設(shè)計(jì)和行為（處理）設(shè)計(jì)相結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)給定的應(yīng)用環(huán)境，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫模式或子模式的設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)。行為設(shè)計(jì)：確定數(shù)據(jù)庫用戶的行為和動(dòng)作，用戶的行為和動(dòng)作就是對數(shù)據(jù)庫的操作，這些操作通過應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)，它包括功能組織、流程控制等方面

3、的設(shè)計(jì)。4.1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方法要求為了使數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)更合理、更有效，需要有效的指導(dǎo)原則，這種原則稱為數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方法。S.B.Yao等人新奧爾良(New Orleans)方法有實(shí)用價(jià)值的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)靈活性和通用性可以再生數(shù)據(jù)庫規(guī)范設(shè)計(jì)法+設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的四個(gè)階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)+行為設(shè)計(jì)（共5階段）基于E-R模型的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方法3NF（第三范式）的設(shè)計(jì)方法ODL (Object Definition Language)方法面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)方法4.1.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的階段按照規(guī)范設(shè)計(jì)的方法，同時(shí)考慮數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的全過程，可以將數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)分為6個(gè)階段：需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4、、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫實(shí)施以及數(shù)據(jù)庫運(yùn)行和維護(hù)。4.1.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的階段設(shè)計(jì)步驟各個(gè)階段的描述4.1.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的階段設(shè)計(jì)步驟各個(gè)階段的描述設(shè)計(jì)一個(gè)完善的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)是不可能一蹴而就的，往往是上述6個(gè)階段的不斷反復(fù)需求分析2需求分析就是分析用戶的需求。需求分析是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的起點(diǎn)，這一階段收集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)流圖是下一步概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。4.2.1 需求描述與分析需求分析階段的目標(biāo)需求分析放在整個(gè)設(shè)計(jì)的第一步通過詳細(xì)調(diào)查現(xiàn)實(shí)世界要處理的對象（組織、部門、企業(yè)等），充分了解原系統(tǒng)（手工系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）的工作概況，確定企業(yè)的組織目標(biāo)，明確用戶的各種需求，進(jìn)而確定新系統(tǒng)的功能，并把這些

5、需求寫成用戶和數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)者都能夠接受的文檔。需求分析階段必須強(qiáng)調(diào)用戶的參與。在新系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮系統(tǒng)在今后可能出現(xiàn)的擴(kuò)充和改變，使設(shè)計(jì)更符合未來發(fā)展的趨勢，并易于改動(dòng)，以減少系統(tǒng)維護(hù)的代價(jià)。4.2.2 需求分析分類定義了未來系統(tǒng)用到的所有信息，描述了實(shí)體、屬性、組合及聯(lián)系的性質(zhì)定義了未來系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理操作，描述了操作的先后次序、頻率和場合、數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系主要內(nèi)容是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖和數(shù)據(jù)字典4.2.3 需求分析的內(nèi)容、方法和步驟1.需求分析的內(nèi)容： 通常情況下，調(diào)查用戶的需求包括三方面的內(nèi)容進(jìn)行需求分析首先是調(diào)查清楚用戶的實(shí)際要求，與用戶達(dá)成共識，然后分析與表達(dá)這些需求。系統(tǒng)的業(yè)務(wù)現(xiàn)狀信息源

6、外部要求2.需求分析的方法跟班作業(yè)開調(diào)查會檢查文檔問卷調(diào)查4.2.3 需求分析的內(nèi)容、方法和步驟數(shù)據(jù)流圖有4個(gè)基本成分：數(shù)據(jù)流（用箭頭表示）、加工或處理（用圓圈表示）、文件（用雙線段表示）和外部實(shí)體（數(shù)據(jù)流的源點(diǎn)和終點(diǎn)，用方框表示）。自頂向下、逐步細(xì)化4.2.4 數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)字典是系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)描述的集合，它的功能是存儲和檢索各種數(shù)據(jù)描述，并為DBA提供有關(guān)的報(bào)告。對數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)來說，數(shù)據(jù)字典是進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析所獲得的主要成果，包含5個(gè)部分：1.數(shù)據(jù)項(xiàng)：數(shù)據(jù)的最小單位，是不可再分的數(shù)據(jù)單位數(shù)據(jù)項(xiàng)描述=數(shù)據(jù)項(xiàng)名，數(shù)據(jù)項(xiàng)含義說明，別名，數(shù)據(jù)類型，長度，取值范圍，取值含義，與其他數(shù)據(jù)項(xiàng)的邏

7、輯關(guān)系，數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的聯(lián)系其中，“取值范圍”、“與其他數(shù)據(jù)項(xiàng)的邏輯關(guān)系”定義了數(shù)據(jù)的完整性約束條件，是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)驗(yàn)功能的依據(jù)。4.2.4 數(shù)據(jù)字典2.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)反映了數(shù)據(jù)之間的組合關(guān)系。一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以由若干數(shù)據(jù)項(xiàng)組成，也可以由干個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成，或由若干數(shù)據(jù)項(xiàng)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)混合組成。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)名，含義說明，組成：數(shù)據(jù)項(xiàng)或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3.數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流可以是數(shù)據(jù)項(xiàng)，也可以是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，表示某一加工處理過程的輸入或輸出數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流描述=數(shù)據(jù)流名，說明，數(shù)據(jù)流來源，數(shù)據(jù)流去向，組成：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，平均流量，高峰期流量4.2.4 數(shù)據(jù)字典4.數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)存儲是處理過程中要存儲的數(shù)據(jù)，可以是手工文檔或手工

8、憑單，也可以是計(jì)算機(jī)文檔。數(shù)據(jù)存儲描述=數(shù)據(jù)存儲名，說明，編號，輸入的數(shù)據(jù)流，輸出的數(shù)據(jù)流組成：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)量，存取頻度，存取方式5.處理過程處理過程的具體處理邏輯一般用判定表或判定樹來描述。數(shù)據(jù)字典中只需要描述處理過程的說明性信息。處理過程描述=處理過程名，說明，輸入：數(shù)據(jù)流，輸出：數(shù)據(jù)流，處理：簡要說明概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3將需求分析得到的用戶需求抽象為信息結(jié)構(gòu)，即概念模型的過程就是概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。概念模型獨(dú)立于計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)，獨(dú)立于數(shù)據(jù)庫的DBMS。4.3.1 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要性及要求將概念設(shè)計(jì)從數(shù)據(jù)庫過程中獨(dú)立出來具有以下優(yōu)點(diǎn)：4.3.1 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必

9、要性及要求在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)時(shí)，通常是將現(xiàn)實(shí)世界中的客觀對象首先抽象為不依賴于任何具體機(jī)器的信息結(jié)構(gòu)，這種信息結(jié)構(gòu)不是DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型，而是概念模型。然后再把概念模型轉(zhuǎn)換為具體機(jī)器上DBMS支持的數(shù)據(jù)模型，設(shè)計(jì)概念模型的過程稱為概念設(shè)計(jì)。各階段的任務(wù)相對單一，設(shè)計(jì)復(fù)雜程度大大降低更容易為用戶所理解不受特定的DBMS的限制4.3.1 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要性及要求概念模型的要求應(yīng)真實(shí)、充分地反映現(xiàn)實(shí)世界中事物和事物之間的聯(lián)系應(yīng)易于更改應(yīng)簡潔、清晰、獨(dú)立于機(jī)器，易于理解應(yīng)該易于向關(guān)系、網(wǎng)狀、層次等各種數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換4.3.2 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法與步驟(1)自頂向下方法1.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法4.3.

10、2 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法與步驟(2)自底向上方法1.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法4.3.2 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法與步驟通常分為兩步：1.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法4.3.2 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法與步驟(3)逐步擴(kuò)張方法1.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法4.3.2 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法與步驟(4)混合策略方法：將自頂向下和自底向上方法相結(jié)1.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法4.3.2 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法與步驟1)進(jìn)行局部數(shù)據(jù)抽象，設(shè)計(jì)局部概念模式。2)將局部概念模式綜合成為全局概念模式。 主要處理各局部模式對各種對象定義的不一致性問題3)評審。 評審分為用戶評審與DBA及應(yīng)用開發(fā)人員評審兩部分。2.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟4.3.3 采用E-R模型設(shè)計(jì)

11、概念結(jié)構(gòu)的方法1.設(shè)計(jì)局部E-R模型實(shí)體聯(lián)系模型簡稱E-R模型，由于通常用圖形表示，又稱E-R圖。它是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中最常用的概念模型設(shè)計(jì)方法之一。采用E-R模型設(shè)計(jì)方法分為如下3步。(1) 分類(classification)：將現(xiàn)實(shí)世界中具有共同特征和行為的對象作為一個(gè)類型。它抽象了對象值和型之間的“is member of”（是的成員）的語義4.3.3 采用E-R模型設(shè)計(jì)概念結(jié)構(gòu)的方法1.設(shè)計(jì)局部E-R模型(2) 概括 (generalization)：定義類型之間的一種子集聯(lián)系。它抽象了類型之間的“is subset of”（是的子集）的語義。(3) 聚集( aggregation)：定義

12、某一類型的組成成分。它抽象了對象內(nèi)部類型和成分之間“is part of”（是的一部分）的語義。4.3.3 采用E-R模型設(shè)計(jì)概念結(jié)構(gòu)的方法局部E-R模型的設(shè)計(jì)過程4.3.3 采用E-R模型設(shè)計(jì)概念結(jié)構(gòu)的方法2.設(shè)計(jì)全局E-R模型各分E-R圖之間的沖突：屬性沖突命名沖突結(jié)構(gòu)沖突4.3.3 采用E-R模型設(shè)計(jì)概念結(jié)構(gòu)的方法3.優(yōu)化全局E-R圖一個(gè)好的全局E-R圖除了能準(zhǔn)確、全面地反映用戶功能需求外，還應(yīng)滿足如下條件：實(shí)體個(gè)數(shù)盡可能少。實(shí)體所包含的屬性盡可能少。實(shí)體間的聯(lián)系無冗余。全局E-R模型的優(yōu)化原則有：(1)實(shí)體的合并(2)冗余屬性的消除(3)冗余聯(lián)系的消除邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是

13、把概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)好的基本E-R圖轉(zhuǎn)換為與選用DBMS產(chǎn)品所支持的數(shù)據(jù)模型相符合的邏輯結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)時(shí)一般包括三個(gè)步驟4.4.2 關(guān)系模式規(guī)范化應(yīng)用規(guī)范化理論對上述產(chǎn)生的關(guān)系的邏輯模式進(jìn)行初步優(yōu)化，以減少乃至消除關(guān)系模式中存在的各種異常，改善完整性、一致性和存儲效率。規(guī)范化理論是數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計(jì)的指南和工具，規(guī)范化過程可分為兩個(gè)步驟：確定范式級別實(shí)施規(guī)范化處理規(guī)范化理論在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中有如下幾方面的應(yīng)用(1)在需求分析階段，用數(shù)據(jù)依賴概念分析和表示各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的聯(lián)系。(2)在概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，以規(guī)范化理論為指導(dǎo)，確定關(guān)系鍵，消除初步E-R圖中冗余的聯(lián)系。(3)在邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，從E-R

14、圖向數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換過程中，用模式合并與分解方法達(dá)到規(guī)范化級別。4.4.3 模式評價(jià)與改進(jìn)模式評價(jià)的目的是檢查所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫模式是否滿足用戶的功能要求、效率要求，確定加以改進(jìn)的部分。功能評價(jià)性能評價(jià)根據(jù)結(jié)果，對已生成的模式進(jìn)行改進(jìn)增加新的關(guān)系模式或?qū)傩圆捎煤喜⒒蚍纸夂喜⒎纸?.5 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的方法、技術(shù)，對已經(jīng)確定的數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)，以較優(yōu)的存儲結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存取路徑、合理的數(shù)據(jù)庫存儲位置及存儲分配，設(shè)計(jì)出一個(gè)高效的、可實(shí)現(xiàn)的物理數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常分為兩步：1)確定數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中主要指存取方法和存儲結(jié)構(gòu)。2)對物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行評

15、價(jià)，評價(jià)的重點(diǎn)是時(shí)間和空間效率。4.5.1 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和方法1)確定數(shù)據(jù)的存取方法（建立存取路徑）。通常關(guān)系數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括：索引方法聚簇方法HASH方法2)確定數(shù)據(jù)的物理存儲結(jié)構(gòu)。順序存儲。平均查找次數(shù)是表中記錄數(shù)的一半。散列存儲。平均查找次數(shù)由散列算法決定聚簇存儲。4.5.2 評價(jià)物理結(jié)構(gòu)評價(jià)物理結(jié)構(gòu)的方法完全依賴于所選用的DBMS，主要考慮操作開銷，即為使用戶獲得及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)所需的開銷和計(jì)算機(jī)資源的開銷。1)查詢和響應(yīng)時(shí)間。2)更新事務(wù)的開銷，主要是修改索引、重寫數(shù)據(jù)塊或文件以及寫校驗(yàn)方面的開銷。3)生成報(bào)告的開銷，主要包括索引、重組、排序和結(jié)果顯示的開銷。4

16、)主存儲空間的開銷，包括程序和數(shù)據(jù)所占的空間。對數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)者來說，一般可以對緩沖區(qū)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤?)輔助存儲空間的開銷，輔助存儲空間分為數(shù)據(jù)塊和索引塊，設(shè)計(jì)者可以控制索引塊的大小。4.6 數(shù)據(jù)庫行為設(shè)計(jì)1.功能分析數(shù)據(jù)庫行為設(shè)計(jì)一般分為如下步驟：功能分析、功能設(shè)計(jì)和事務(wù)設(shè)計(jì)等。2.功能設(shè)計(jì)4.6 數(shù)據(jù)庫行為設(shè)計(jì)3.事務(wù)設(shè)計(jì)事務(wù)處理是計(jì)算機(jī)模擬人處理事務(wù)的過程，它包括輸入設(shè)計(jì)、輸出設(shè)計(jì)。(1)輸入設(shè)計(jì)原始單據(jù)的設(shè)計(jì)格式制成輸入一覽表制作輸入數(shù)據(jù)描述文檔(2)輸出設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫行為設(shè)計(jì)一般分為如下步驟：功能分析、功能設(shè)計(jì)和事務(wù)設(shè)計(jì)等。4.7 數(shù)據(jù)庫實(shí)施注意：第一，由于數(shù)據(jù)入庫工作量太大，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，所以應(yīng)分期分批地組織數(shù)據(jù)入庫。先輸入小批量數(shù)據(jù)供調(diào)試用，待試運(yùn)行基本合格后再大批量輸入數(shù)據(jù)，逐步增加數(shù)據(jù)量，逐步完成運(yùn)行評價(jià)。第二，在數(shù)據(jù)庫試運(yùn)行階段，系統(tǒng)還不穩(wěn)定，硬、軟件故障隨時(shí)都可能發(fā)生。而系統(tǒng)的操作人員對新系統(tǒng)還不熟悉，誤操作也不可避免，因此應(yīng)首先調(diào)試運(yùn)行DBMS的恢復(fù)功能，做好數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)儲和恢復(fù)工作。一旦故障發(fā)生，能使數(shù)據(jù)庫盡快恢復(fù)，盡量減少對數(shù)據(jù)庫的破壞。