期間課件-第2章數(shù)據庫設計

第2章數(shù)據庫設計主要內容數(shù)據庫設計概述需求分析概念結構設計邏輯結構設計數(shù)據庫的物理設計數(shù)據庫實施、使用與維護2.1數(shù)據庫設計概述什么是數(shù)據庫設計數(shù)據庫設計是指對于一個給定的應用環(huán)境，構造最優(yōu)的數(shù)據庫模式，建立數(shù)據庫及其應用系統(tǒng)，使之能夠有效地存儲數(shù)據，滿足各種用戶的應用需求（信息要求和處理要求）在數(shù)據庫領域內，常常把使用數(shù)據庫的各類系統(tǒng)統(tǒng)稱為數(shù)據庫應用系統(tǒng)。一、概述數(shù)據庫和信息系統(tǒng)數(shù)據庫是信息系統(tǒng)的核心和基礎把信息系統(tǒng)中大量的數(shù)據按一定的模型組織起來提供存儲、維護、檢索數(shù)據的功能使信息系統(tǒng)可以方便、及時、準確地從數(shù)據庫中獲得所需的信息數(shù)據庫是信息系統(tǒng)的各個部分能否緊密地結合在一起以及如何結合的關鍵所在數(shù)據庫設計是信息系統(tǒng)開發(fā)和建設的重要組成部分二、數(shù)據庫設計的特點1、數(shù)據庫建設是硬件、軟件和干件的結合三分技術，七分管理，十二分基礎數(shù)據技術與管理的界面稱之為“干件”

2、數(shù)據庫設計應該與應用系統(tǒng)設計相結合結構（數(shù)據）設計：設計數(shù)據庫框架或數(shù)據庫結構行為（處理）設計：設計應用程序、事務處理等三、數(shù)據庫設計方法手工試湊法設計質量與設計人員的經驗和水平有直接關系缺乏科學理論和工程方法的支持，工程的質量難以保證數(shù)據庫運行一段時間后常常又不同程度地發(fā)現(xiàn)各種問題，增加了維護代價規(guī)范設計法典型方法：新奧爾良（NewOrleans）方法、基于E-R模型的設計方法、3NF設計方法、面向對象的方法本質上仍是手工設計方法，其基本思想：過程迭代和逐步求精四、數(shù)據庫設計的基本步驟按照規(guī)范設計的方法，考慮數(shù)據庫及其應用系統(tǒng)開發(fā)全過程，將數(shù)據庫設計分為以下六個階段：需求分析；概念結構設計；邏輯結構設計；物理結構設計；數(shù)據庫實施；數(shù)據庫運行和維護。

需求收集和分析，結果得到數(shù)據字典描述的數(shù)據需求(和數(shù)據流圖描述的處理需求)對用戶需求進行綜合、歸納與抽象，形成獨立于具體DBMS的概念模型，可用E-R圖表示將概念結構轉換為某個DBMS所支持的數(shù)據模型(例如關系模型)，并對其進行優(yōu)化為邏輯數(shù)據模型選取一個最適合應用環(huán)境的物理結構(包括存儲結構和存取方法)運用DBMS提供的數(shù)據語言(如SQL)及其宿主語言(如C)，建立數(shù)據庫，編制調試應用程序，組織數(shù)據入庫，試運行數(shù)據庫應用系統(tǒng)經過試運行后即可投入正式運行。但必須不斷地對其進行評價、調整與修改2.2需求分析需求分析就是分析用戶的需要與要求需求分析是設計數(shù)據庫的起點需求分析的結果是否準確地反映了用戶的實際要求，將直接影響到后面各個階段的設計，并影響到設計結果是否合理和實用2.2.1需求分析的任務需求分析的任務通過詳細調查現(xiàn)實世界要處理的對象(組織、部門、企業(yè)等)，充分了解原系統(tǒng)(手工系統(tǒng)或計算機系統(tǒng))工作概況，明確用戶的各種需求在此基礎上確定新系統(tǒng)的功能。新系統(tǒng)必須充分考慮今后可能的擴充和改變，不能僅僅按當前應用需求來設計數(shù)據庫需求分析的重點是調查、收集與分析用戶在數(shù)據管理中的信息要求、處理要求、安全性與完整性要求。信息要求。用戶需要從數(shù)據庫中獲得信息的內容與性質。由用戶的信息要求可以導出數(shù)據要求，即在數(shù)據庫中需要存儲哪些數(shù)據處理要求。對處理功能的要求；對處理的響應時間的要求；對處理方式的要求新系統(tǒng)的功能必須能夠滿足用戶的信息要求、處理要求、安全性與完整性要求。需求分析的難點：確定用戶最終需求用戶缺少計算機知識，開始時無法確定計算機究竟能做什么，不能做什么，因此無法準確地表達自己的需求，他們所提出的需求往往不斷地變化。設計人員缺少用戶的專業(yè)知識，不易理解用戶的真正需求，甚至誤解用戶的需求。新的硬件、軟件技術的出現(xiàn)也會使用戶需求發(fā)生變化。解決方法設計人員必須采用有效的方法，與用戶不斷深入地進行交流，才能逐步確定用戶的實際需求6.2.2需求分析的方法進行需求分析首先應調查清楚用戶的實際需求，與用戶達成共識，然后分析與表達這些需求調查用戶需求的具體步驟：⑴首先調查組織機構情況

⑵然后調查各部門的業(yè)務活動情況

⑶協(xié)助用戶明確對新系統(tǒng)的各種要求

⑷確定新系統(tǒng)的邊界常用調查方法⑴跟班作業(yè)⑵開調查會⑶請專人介紹⑷詢問⑸設計調查表請用戶填寫⑹查閱記錄通過調查了解了用戶需求后，還需要進一步分析和表達用戶的需求分析和表達用戶需求的方法主要包括自頂向下和自底向上兩類方法。自頂向下的結構化分析方法（StructuredAnalysis，簡稱SA方法）從最上層的系統(tǒng)組織機構入手，采用逐層分解的方式分析系統(tǒng)，并且每一層用數(shù)據流圖和數(shù)據字典描述。需求分析的過程2.2.3數(shù)據字典數(shù)據字典是各類數(shù)據描述的集合，是進行詳細的數(shù)據收集和數(shù)據分析所獲得的主要結果數(shù)據字典通常包括數(shù)據項、數(shù)據結構、數(shù)據流、數(shù)據存儲和處理過程五個部分。數(shù)據項是數(shù)據的最小組成單位若干個數(shù)據項可以組成一個數(shù)據結構數(shù)據字典通過對數(shù)據項和數(shù)據結構的定義來描述數(shù)據流、數(shù)據存儲的邏輯內容。

2.3.1概念結構什么是概念結構設計需求分析階段描述的用戶應用需求是現(xiàn)實世界的具體需求將需求分析得到的用戶需求抽象為信息結構即概念模型的過程就是概念結構設計概念結構是各種數(shù)據模型的共同基礎，它比數(shù)據模型更獨立于機器、更抽象，從而更加穩(wěn)定。概念結構設計是整個數(shù)據庫設計的關鍵2.3概念結構設計概念結構設計的特點能真實、充分地反映現(xiàn)實世界，包括事物和事物之間的聯(lián)系，能滿足用戶對數(shù)據的處理要求。是對現(xiàn)實世界的一個真實模型。易于理解，從而可以用它和不熟悉計算機的用戶交換意見，用戶的積極參與是數(shù)據庫的設計成功的關鍵。易于更改，當應用環(huán)境和應用要求改變時，容易對概念模型修改和擴充。易于向關系、網狀、層次等各種數(shù)據模型轉換。2.3.2概念結構設計的方法與步驟設計概念結構通常有四類方法：

自頂向下

自底向上

逐步擴張

混合策略選擇局部應用需求分析階段，已用多層數(shù)據流圖和數(shù)據字典描述了整個系統(tǒng)。設計分E-R圖首先需要根據系統(tǒng)的具體情況，在多層的數(shù)據流圖中選擇一個適當層次的數(shù)據流圖，讓這組圖中每一部分對應一個局部應用，然后以這一層次的數(shù)據流圖為出發(fā)點，設計分E-R圖。通常以中層數(shù)據流圖作為設計分E-R圖的依據。原因：高層數(shù)據流圖只能反映系統(tǒng)的概貌中層數(shù)據流圖能較好地反映系統(tǒng)中各局部應用的子系統(tǒng)組成低層數(shù)據流圖過細2、逐一設計分E-R圖任務：標定局部應用中的實體、屬性、碼，實體間的聯(lián)系將各局部應用涉及的數(shù)據分別從數(shù)據字典中抽取出來，參照數(shù)據流圖，標定各局部應用中的實體、實體的屬性、標識實體的碼，確定實體之間的聯(lián)系及其類型（1:1，1:n，m:n）如何抽象實體和屬性實體：現(xiàn)實世界中一組具有某些共同特性和行為的對象就可以抽象為一個實體。對象和實體之間是“ismemberof"的關系。例：在學校環(huán)境中，可把張三、李四等對象抽象為學生實體。屬性：對象類型的組成成分可以抽象為實體的屬性。組成成分與對象類型之間是“ispartof"的關系。 例：學號、姓名、專業(yè)、年級等可以抽象為學生實體的屬性。其中學號為標識學生實體的碼。如何區(qū)分實體和屬性實體與屬性是相對而言的。同一事物，在一種應用環(huán)境中作為“屬性”，在另一種應用環(huán)境中就必須作為“實體”。 例：學校中的系，在某種應用環(huán)境中，它只是作為“學生”實體的一個屬性，表明一個學生屬于哪個系；而在另一種環(huán)境中，由于需要考慮一個系的系主任、教師人數(shù)、學生人數(shù)、辦公地點等，這時它就需要作為實體了。判斷屬性的一般準則屬性不能再具有需要描述的性質。即屬性必須是不可分的數(shù)據項，不能再由另一些屬性組成。屬性不能與其他實體具有聯(lián)系。聯(lián)系只發(fā)生在實體之間。符合上述兩條特性的事物一般作為屬性對待。為了簡化E-R圖的處置，現(xiàn)實世界中的事物凡能夠作為屬性對待的，應盡量作為屬性。設計分E-R圖的步驟（1）以數(shù)據字典為出發(fā)點定義E-R圖。數(shù)據字典中的“數(shù)據結構”、“數(shù)據流”和“數(shù)據存儲”等已是若干屬性的有意義的聚合（2）按上面給出的準則進行必要的調整。例：學籍管理局部應用中主要涉及的實體包括學生、宿舍、檔案材料、班級、班主任。實體之間的聯(lián)系：宿舍與學生之間是1:n的聯(lián)系班級與學生之間也是1:n的聯(lián)系班主任與學生之間也是1:n的聯(lián)系學生和他自己的檔案材料之間是1:1的聯(lián)系班級與班主任之間是1:1的聯(lián)系同樣方法可以得到課程管理局部應用的分E-R圖一、合并分E-R圖，生成初步E-R圖各分Ｅ-Ｒ圖存在沖突各個局部應用所面向的問題不同合并分E-R圖的主要工作與關鍵所在：合理消除各分E-R圖的沖突沖突的種類屬性沖突命名沖突結構沖突概念設計總結概念結構設計的步驟抽象數(shù)據并設計局部視圖集成局部視圖，得到全局概念結構驗證整體概念結構設計局部視圖⒈選擇局部應用⒉逐一設計分E-R圖標定局部應用中的實體、屬性、碼，實體間的聯(lián)系用E-R圖描述出來集成局部視圖1.合并分E-R圖，生成初步E-R圖消除沖突屬性沖突命名沖突結構沖突2.修改與重構消除不必要的冗余，設計生成基本E-R圖分析方法規(guī)范化理論6.4邏輯結構設計邏輯結構設計的任務為了能夠用某一DBMS實現(xiàn)用戶需求，還必須將概念結構進一步轉化為相應的數(shù)據模型，即把概念結構設計階段設計好的基本E-R圖轉換為與選用DBMS產品所支持的數(shù)據模型相符合的邏輯結構。因此設計邏輯結構首先應該選擇最適于描述與表達相應概念結構的數(shù)據模型，然后選擇最合適的DBMS。邏輯結構設計的步驟:將概念結構轉化為關系、網狀、層次模型將轉化來的關系、網狀、層次模型向特定DBMS支持下的數(shù)據模型轉換對數(shù)據模型進行優(yōu)化邏輯結構設計轉化為一般數(shù)據模型轉化為特定DBMS支持下的據模型

優(yōu)化模型概念結構設計數(shù)據庫物理設計基本E-R圖轉換規(guī)則特定DBMS的特點與限制優(yōu)化方法如規(guī)范化理論邏輯模型6.4.1E-R圖向關系模型的轉換轉換內容E-R圖由實體、實體的屬性和實體之間的聯(lián)系三個要素組成關系模型的邏輯結構是一組關系模式的集合將E-R圖轉換為關系模型：將實體、實體的屬性和實體之間的聯(lián)系轉化為關系模式。轉換原則1、一個實體型轉換為一個關系模式關系的屬性：實體型的屬性關系的碼：實體型的碼例，學生實體可以轉換為如下關系模式：學生（學號，姓名，出生日期，所在系，年級，平均成績）同樣，性別、宿舍、班級、檔案材料、教師、課程、教室、教科書都分別轉換為一個關系模式。2、一個m:n聯(lián)系轉換為一個關系模式關系的屬性：與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性關系的碼：各實體碼的組合

例，“選修”聯(lián)系是一個m:n聯(lián)系，可以將它轉換為如下關系模式，其中學號與課程號為關系的組合碼：選修（學號，課程號，成績）3、一個1:n聯(lián)系可以轉換為一個獨立的關系模式，也可以與n端對應的關系模式合并1)轉換為一個獨立的關系模式關系的屬性：與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性關系的碼：n端實體的碼

例，前面的例子中，“組成”聯(lián)系為1:n聯(lián)系，將其轉換為關系模式一種方法是使其成為一個獨立的關系模式：

組成（學號，班級號）

其中學號為“組成”關系的碼2)與n端對應的關系模式合并合并后關系的屬性：在n端關系中加入1端關系的碼和聯(lián)系本身的屬性合并后關系的碼：不變可以減少系統(tǒng)中的關系個數(shù)，一般情況下更傾向于采用這種方法

例，前面的例子中，“組成”聯(lián)系為1:n聯(lián)系，將其學生關系模式合并，這時學生關系模式為：

組成（學號，班級號）

其中學號為“組成”關系的碼2.4.2數(shù)據模型的優(yōu)化數(shù)據庫邏輯設計的結果不是唯一的。得到初步數(shù)據模型后，還應該適當?shù)匦薷?、調整數(shù)據模型的結構，以進一步提高數(shù)據庫應用系統(tǒng)的性能，這就是數(shù)據模型的優(yōu)化。關系數(shù)據模型的優(yōu)化通常以規(guī)范化理論為指導。優(yōu)化數(shù)據模型的方法1、確定數(shù)據依賴按需求分析階段所得到的語義，分別寫出每個關系模式內部各屬性之間的數(shù)據依賴以及不同關系模式屬性之間數(shù)據依賴。 例，“課程”關系模式內部存在下列數(shù)據依賴：課程號→課程名，課程號→學分，課程號→教室號“選修”關系模式中存在下列數(shù)據依賴：（學號，課程號）→成績“學生”關系模式中存在下列數(shù)據依賴：學號→姓名 學號→性別學號→出生日期 學號→所在系 學號→年級 學號→班級號學號→平均成績 學號→檔案號“學生”關系模式的學號與“選修”關系模式的學號之間存在數(shù)據依賴：學生.學號→選修.學號6.4.3設計用戶子模式將概念模型轉換為全局邏輯模型后，還應該根據局部應用需求，結合具體DBMS的特點，設計用戶的外模式。定義數(shù)據庫全局模式主要是從系統(tǒng)的時間效率、空間效率、易維護等角度出發(fā)。定義用戶外模式時應該更注重考慮用戶的習慣與方便。包括三個方面：(1)使用更符合用戶習慣的別名合并各分E-R圖曾做了消除命名沖突的工作，以使數(shù)據庫系統(tǒng)中同一關系和屬性具有唯一的名字。這在設計數(shù)據庫整體結構時非常必要。但對于某些局部應用，由于改用了不符合用戶習慣的屬性名，可能會使他們感到不方便，因此在設計用戶的子模式時可以重新定義某些屬性名，使其與用戶習慣一致。例：負責學籍管理的用戶習慣于稱教師模式的職工號為教師編號。因此可以定義視圖，在視圖中職工號重定義為教師編號(2)針對不同級別的用戶定義不同的外模式，以滿足系統(tǒng)對安全性的要求。例： “教師”關系模式中包括職工號、姓名、性別、出生日期、婚姻狀況、學歷、學位、政治面貌、職稱、職務、工資、工齡、教學效果等屬性。

學籍管理應用只能查詢教師的職工號、姓名、性別、職稱數(shù)據；

課程管理應用只能查詢教師的職工號、姓名、性別、學歷、學位、職稱、教學效果數(shù)據；

教師管理應用則可以查詢教師的全部數(shù)據。(3)簡化用戶對系統(tǒng)的使用如果某些局部應用中經常要使用某些很復雜的查詢，為了方便用戶，可以將這些復雜查詢定義為視圖。6.5數(shù)據庫的物理設計什么是數(shù)據庫的物理設計數(shù)據庫在物理設備上的存儲結構與存取方法稱為數(shù)據庫的物理結構，它依賴于給定的