《數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理與應用（第二版）》課件第8章

第八章數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計8.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述8.2需求分析8.3概念結(jié)構(gòu)設(shè)計8.4邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計8.5數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計8.6數(shù)據(jù)庫實施8.7數(shù)據(jù)庫運行與維護8.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述

數(shù)據(jù)庫設(shè)計是指對一個給定的應用環(huán)境，構(gòu)造最優(yōu)的、最有效的數(shù)據(jù)庫模式，建立數(shù)據(jù)庫及其應用系統(tǒng)，使之能夠高效率地存取數(shù)據(jù)，滿足各種用戶的應用需求。數(shù)據(jù)庫設(shè)計通常是在一個通用的DBMS支持下進行的，本書都是以關(guān)系數(shù)據(jù)庫—SQLServer2005為基礎(chǔ)來設(shè)計數(shù)據(jù)庫的。1.數(shù)據(jù)庫的設(shè)計分為6個階段（1）需求分析。收集和分析用戶對系統(tǒng)的信息需求和處理需求，得到設(shè)計系統(tǒng)所必須的需求信息，建立系統(tǒng)說明文檔。（2）概念結(jié)構(gòu)設(shè)計。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計的關(guān)鍵。它通過對用戶的需求進行綜合、歸納與抽象，形成一個獨立于具體DBMS的概念模型。（3）邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計。在概念模型的基礎(chǔ)上導出一種DBMS支持的邏輯數(shù)據(jù)庫模型（如關(guān)系型、網(wǎng)絡型或?qū)哟涡停?，該模型應滿足數(shù)據(jù)庫存取、一致性及運行等各方面的用戶需求。（4）物理結(jié)構(gòu)設(shè)計。從一個滿足用戶需求的已確定的邏輯模型出發(fā)，在限定的軟、硬件環(huán)境下，利用DBMS提供的各種手段設(shè)計數(shù)據(jù)庫的內(nèi)模式，即設(shè)計數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)和存取方法。（5）數(shù)據(jù)庫實施。運用DBMS提供的數(shù)據(jù)語言及宿主語言，根據(jù)邏輯設(shè)計和物理設(shè)計的結(jié)果建立數(shù)據(jù)庫，編制與調(diào)試應用程序，組織數(shù)據(jù)入庫，并進行試運行。（6）數(shù)據(jù)庫運行和維護2.數(shù)據(jù)庫各級模式的設(shè)計數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計不同階段設(shè)計的最終目標是要完成數(shù)據(jù)庫不同級別的數(shù)據(jù)模式設(shè)計

8.2.1需求分析的任務8.2需求分析根據(jù)需求分析的目標，需求分析這一階段的任務主要有兩項：（1）確定設(shè)計范圍。通過詳細調(diào)查現(xiàn)實世界要處理的對象（組織、部門和企業(yè)等），弄清現(xiàn)行系統(tǒng)（手工系統(tǒng)或計算機系統(tǒng)）的功能劃分、總體工作流程，明確用戶的各種需求。（2）數(shù)據(jù)收集與分析。需求分析的重點是在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，獲得數(shù)據(jù)庫設(shè)計所必須的數(shù)據(jù)信息。8.2.2需求分析的基本步驟1．調(diào)查與初步分析用戶的需求，確定系統(tǒng)的邊界（1）首先調(diào)查組織機構(gòu)情況。（2）然后調(diào)查各部門的業(yè)務活動情況。（3）在熟悉了業(yè)務活動的基礎(chǔ)上，協(xié)助用戶明確對新系統(tǒng)的各種要求，包括信息要求、處理要求、安全性與完整性要求，這是調(diào)查的又一個重點。（4）最后對前面調(diào)查的結(jié)果進行初步分析，確定新系統(tǒng)的邊界，確定哪些功能由計算機完成或?qū)碛捎嬎銠C完成，哪些活動由人工完成2．分析和表達用戶的需求（1）數(shù)據(jù)流圖數(shù)據(jù)流圖（DataFlowDiagram，簡稱DFD）是一種最常用的結(jié)構(gòu)化分析工具，它用圖形的方式來表達數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中信息的變換和傳遞過程。如圖8-4所示，數(shù)據(jù)流圖有4種基本符號。（2）數(shù)據(jù)字典(DD)1）數(shù)據(jù)項條目：數(shù)據(jù)項是不可再分的數(shù)據(jù)單位，它直接反映事物的某一特征。2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)條目：反映了數(shù)據(jù)之間的組合關(guān)系。3）數(shù)據(jù)流條目：數(shù)據(jù)流是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)內(nèi)傳輸?shù)穆窂健?）數(shù)據(jù)文件條目：數(shù)據(jù)文件是數(shù)據(jù)項停留或保存的地方，也是數(shù)據(jù)流的來源和去向之一。5）處理過程條目。8.2.3需求分析應用實例現(xiàn)要開發(fā)高校圖書管理系統(tǒng)。經(jīng)過可行性分析和初步的需求調(diào)查，確定了系統(tǒng)的功能邊界，該系統(tǒng)應能完成下面的功能：（1）讀者注冊；（2）讀者借書；（3）讀者還書；（4）圖書查詢。1．數(shù)據(jù)流圖通過對系統(tǒng)的信息及業(yè)務流程進行初步分析后，首先抽象出該系統(tǒng)最高層的數(shù)據(jù)流圖，即把整個數(shù)據(jù)處理過程看成是一個加工的頂層數(shù)據(jù)流圖，如圖所示頂層數(shù)據(jù)流圖反映了圖書管理系統(tǒng)與外界的接口，但未表明數(shù)據(jù)的加工要求，需要進一步細化。根據(jù)前面圖書管理系統(tǒng)功能邊界的確定，再對圖書管理系統(tǒng)頂層數(shù)據(jù)流圖中的處理功能做進一步分解，可分解為讀者注冊、借書、還書和查詢四個子功能，這樣就得到了圖書管理系統(tǒng)的第0層數(shù)據(jù)流圖，如圖所示從圖書管理系統(tǒng)第0層數(shù)據(jù)流圖中可以看出，在圖書管理的不同業(yè)務中，借書、還書、查詢這幾個處理較為復雜，使用到不同的數(shù)據(jù)較多，因此有必要對其進行更深層次的分析，即構(gòu)建這些處理的第1層數(shù)據(jù)流圖。下面的圖8-7分別給出了借書、還書、查詢子功能的第1層數(shù)據(jù)流圖。2．數(shù)據(jù)字典

（1）數(shù)據(jù)項描述數(shù)據(jù)項名稱：借書證號別名：卡號含義說明：惟一標識一個借書證類型：字符型長度：20（2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述名稱：讀者類別含義說明：定義了一個讀者類別的有關(guān)信息組成結(jié)構(gòu)：類別代碼+類別名稱+可借閱數(shù)量+借閱天數(shù)+超期罰款額名稱：讀者含義說明：定義了一個讀者的有關(guān)信息組成結(jié)構(gòu)：姓名+性別+所在部門+讀者類型名稱：圖書含義說明：定義了一本圖書的有關(guān)信息組成結(jié)構(gòu)：圖書編號+圖書名稱+作者+出版社+價格

（3）數(shù)據(jù)流（非數(shù)據(jù)項）說明數(shù)據(jù)流名稱：借書單含義：讀者借書時填寫的單據(jù)來源：讀者去向：審核借書數(shù)據(jù)流量：250份/天組成：借書證編號+借閱日期+圖書編號數(shù)據(jù)流名稱：還書單含義：讀者還書時填寫的單據(jù)來源：讀者去向：審核還書數(shù)據(jù)流量：250份/天組成：借書證編號+還書日期+圖書編號（4）數(shù)據(jù)存儲說明

數(shù)據(jù)存儲名稱：圖書信息表含義說明：存放圖書有關(guān)信息組成結(jié)構(gòu)：圖書+庫存數(shù)量說明：數(shù)量用來說明圖書在倉庫中的存放數(shù)數(shù)據(jù)存儲名稱：讀者信息表含義說明：存放讀者的注冊信息組成結(jié)構(gòu)：讀者+卡號+卡狀態(tài)+辦卡日期說明：卡狀態(tài)是指借書證當前被鎖定還是正常使用數(shù)據(jù)存儲名稱：借書記錄含義說明：存放讀者的借書、還書信息組成結(jié)構(gòu)：卡號+書號+借書日期+還書日期說明：要求能立即查詢并修改

（5）處理過程說明處理過程名稱：審核借書證輸入：借書證輸出：認定合格的借書證加工邏輯：根據(jù)讀者信息表和讀者借書證，如果借書證在讀者信息表中存在并且沒有被鎖定，那么借書證是有效的借書證，否則是無效的借書證。8.3.1概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法和步驟1．自頂向下設(shè)計法2．自底向上設(shè)計法3．由里向外設(shè)計法4．混合策略設(shè)計法8.3概念結(jié)構(gòu)設(shè)計首先將需求分析結(jié)果綜合成一個一致、統(tǒng)一的需求說明。然后，在此基礎(chǔ)上設(shè)計一個全局概念結(jié)構(gòu)，再根據(jù)該結(jié)構(gòu)為不同的用戶或應用設(shè)計局部的概念結(jié)構(gòu)1．自頂向下設(shè)計法

2．自底向上設(shè)計法這種方法首先以各部分的需求說明為基礎(chǔ)，設(shè)計出各自的局部概念結(jié)構(gòu)，這些局部的概念結(jié)構(gòu)相當于各部分的局部視圖。然后將各局部視圖集成起來，形成全局的概念結(jié)構(gòu)

3．由里向外設(shè)計法這種方法是首先定義系統(tǒng)核心概念結(jié)構(gòu)，然后向外擴充，生成其他概念結(jié)構(gòu)，直至完成總體的概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計4．混合策略設(shè)計法這種方法采用自頂向下與自底向上相結(jié)合的方法。首先用自頂向下的策略設(shè)計一個全局概念結(jié)構(gòu)的框架，然后以它為骨架，集成由自底向上策略中設(shè)計的各局部概念結(jié)構(gòu)

在進行數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計時，最常采用的設(shè)計方法是自底向上的設(shè)計方法，它通常分為兩步：第一步是抽象數(shù)據(jù)并設(shè)計局部視圖，得到局部的概念結(jié)構(gòu)；第二步是集成局部視圖，得到全局的概念結(jié)構(gòu)。其設(shè)計步驟如圖8-9所示

8.3.2局部視圖設(shè)計局部視圖設(shè)計是根據(jù)系統(tǒng)的具體情況，在多層的數(shù)據(jù)流圖中選擇一個適當層次的數(shù)據(jù)流圖，作為設(shè)計分E-R圖的出發(fā)點，并讓數(shù)據(jù)流圖中的每一個部分都對應一個局部應用。選擇好局部應用之后，就可以對每個局部應用逐一設(shè)計分E-R圖了。局部E-R圖的設(shè)計分為如下的幾個步驟，如圖8-10所示。

實體和屬性之間沒有嚴格的區(qū)別界限，但對于屬性來講，可以用下面的兩條準則作為依據(jù)：（1）作為屬性必須是不可再分的數(shù)據(jù)項，也就是屬性中不能再包含其他的屬性。（2）屬性不能與其他實體之間具有聯(lián)系。1．確定實體類型和屬性

依據(jù)需求分析結(jié)果，考察任意兩個實體類型之間是否存在聯(lián)系，若有，則確定其類型（一對一，一對多或多對多），接下來要確定哪些聯(lián)系是有意義的，哪些聯(lián)系是冗余的，并消除冗余的聯(lián)系。所謂冗余的聯(lián)系是指無意義的或可以從其他聯(lián)系導出的聯(lián)系。2．確定實體間的聯(lián)系

確定了實體及實體間的聯(lián)系后，可用E-R圖描述出來。形成局部E-R圖之后，還必須返回去征求用戶意見，使之如實地反映現(xiàn)實世界，同時還要進一步規(guī)范化，以求改進和完善。每個局部視圖必須滿足：（1）對用戶需求是完整的。（2）所有實體、屬性、聯(lián)系都有惟一的名字。（3）不允許有異名同義、同名異義的現(xiàn)象。（4）無冗余的聯(lián)系。3．畫出局部E-R圖8.3.3視圖的集成

各個局部視圖建立好后，還需要對它們進行合并，集成為一個整體的數(shù)據(jù)概念結(jié)構(gòu)，即總E-R圖。集成局部E-R圖型，設(shè)計全局E-R模型的步驟如圖8-12所示。1．合并局部E-R圖，生成初步E-R圖

把局部E-R圖集成為全局E-R圖時，一般采用兩兩集成的方法，即：先將具有相同實體的兩個E-R圖，以該相同實體為基準進行集成。如果還有相同實體的E-R圖，再次集成，這樣一直下去，直到所有的具有相同實體的局部E-R圖都被集成，從而初步得到總的E-R圖。將局部的E-R圖集成為全局的E-R圖時，可能存在三類沖突：（1）屬性沖突。（2）命名沖突。（3）結(jié)構(gòu)沖突2．修改和重構(gòu)初步E-R圖，消除冗余，生成基本E-R圖（1）用分析的方法消除冗余。分析方法是消除冗余的主要方法。（2）用規(guī)范化理論消除冗余。

產(chǎn)品使用材料的用量可以由組成產(chǎn)品的零件數(shù)和每個零件消耗的材料數(shù)據(jù)（即圖中的“耗用量”）推導出來，因此“用量”屬于冗余數(shù)據(jù)，應該予以消除。產(chǎn)品與材料間的m：n的聯(lián)系屬于也冗余聯(lián)系，它可以從產(chǎn)品與零件、零件與材料的聯(lián)系中推導出來，因此也應該去掉8.3.4概念結(jié)構(gòu)設(shè)計實例參照數(shù)據(jù)字典中對數(shù)據(jù)存儲的描述，可初步確定三個實體的屬性為：讀者：｛卡號，姓名，性別，部門，類別、辦卡日期，卡狀態(tài)｝圖書：｛書號，書名，作者，價格，出版社，庫存數(shù)量｝借還記錄：｛卡號，書名，借書日期，還書日期｝其中有下劃線的屬性為實體的碼。1．標識圖書管理系統(tǒng)中的實體和屬性2．確定實體間的聯(lián)系8.4.1邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務和步驟

邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目標是將概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為一個特定的DBMS可處理的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)庫模式。該模型必須滿足數(shù)據(jù)庫的存取、一致性及運行等各方面的用戶需求。邏輯結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程如圖8-18所示。8.4邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計從圖8-18中可以看出，概念模型向邏輯模型的轉(zhuǎn)換過程分為3步進行：（1）把概念模型轉(zhuǎn)換為一般的數(shù)據(jù)模型。（2）將一般的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換成特定的DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型。（3）通過優(yōu)化方法將其轉(zhuǎn)化為優(yōu)化的數(shù)據(jù)模型。8.4.2概念模型轉(zhuǎn)換為一般的關(guān)系模型（1）一個1：1聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式，也可以與任意一端所對應的關(guān)系模式合并。（2）一個1:n聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式，也可以與n端所對應的關(guān)系模式合并。（3）一個m:n聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。轉(zhuǎn)換的方法為：與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關(guān)系的屬性，新關(guān)系的碼為兩個相連實體碼的組合。（4）三個或三個以上實體間的多元聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。1．實體的轉(zhuǎn)換規(guī)則將E-R圖中的每一個常規(guī)實體轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系，實體的屬性就是關(guān)系的屬性，實體的碼就是關(guān)系的碼。2．實體間聯(lián)系的轉(zhuǎn)換規(guī)則3．關(guān)系合并規(guī)則為了減少系統(tǒng)中的關(guān)系個數(shù)，如果兩個關(guān)系模式具有相同的主碼，可以考慮將它們合并為一個關(guān)系模式。合并的方法是將其中一個關(guān)系模式的全部屬性加入到另一個關(guān)系模式中，然后去掉其中的同義屬性，并適當調(diào)整屬性的次序。8.4.3邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計綜合實例下面仍以圖書管理系統(tǒng)的基本E-R模型（圖8-17）為例，說明基本E-R模型轉(zhuǎn)換成初始關(guān)系模型的規(guī)則：（1）將圖8-17中的實體轉(zhuǎn)換成關(guān)系模式。（2）將圖8-17中的1:n聯(lián)系“屬于”轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型。（3）將圖8-17中的m:n聯(lián)系“借還”轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型。（4）將具有相同碼的關(guān)系合并。數(shù)據(jù)性質(zhì)關(guān)系名屬性說明實體讀者借書證號，姓名，性別，部門，類別代碼，辦證日期，借書證狀態(tài)類別代碼為與“屬于”聯(lián)系合并后新增的屬性實體讀者類別類別代碼，類別名稱，可借閱數(shù)量，可借閱天數(shù)，超期罰款額

實體圖書書號，書名，作者，價格，出版社，庫存數(shù)量

聯(lián)系借還借書證號，書號，借書日期，還書日期

表8-1圖書管理系統(tǒng)的關(guān)系模型信息8.4.4將一般的關(guān)系模型轉(zhuǎn)換為SQLServer2005下的關(guān)系模型字段代碼字段名稱字段類型長度小數(shù)是否為空CARDID卡號char20

NOTNULLNAME姓名char16

NOTNULLSEX性別bit

NULLDEPT部門char30

NULL（1）READER（讀者表）

字段代碼字段名稱字段類型長度小數(shù)是否為空ClASSID類別代碼int

NOTNULLBZDATE辦卡日期datetime

NULLCARDSTATE卡狀態(tài)bit

NULL（1）READER（讀者表）續(xù)

（2）DZCLASS（讀者類別表）字段代碼字段名稱字段類型長度小數(shù)是否為空CLASSID類別代碼int

NOTNULLCLASSNAME類別名稱char16

NOTNULLPERMITDAY可借閱天數(shù)int

NULLPERMITQTY可借閱數(shù)量int

NULLPENALTY超期罰款額money

NULL（3）BOOK（圖書表）字段代碼字段名稱字段類型長度小數(shù)是否為空BOOKID書號char20

NOTNULLBOOKNAME書名varchar20

NOTNULLEDITER作者varchar8

NULLPRICE價格money

NULLPUBLISHER出版社varchar20

NULLQTY庫存數(shù)量int

NOTNULL（4）BORROW（借還表）字段代碼字段名稱字段類型長度小數(shù)是否為空CARDID借書證號char20

NOTNULLBOOKID書號char20

NOTNULLBDATE借書日期datetime

NOTNULLSDATE還書日期datetime

NULL返回本節(jié)8.4.5數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化（1）確定各屬性之間的數(shù)據(jù)依賴。（2）對各個關(guān)系模式之間的數(shù)據(jù)依賴進行極小化處理，消除冗余的聯(lián)系。（3）判斷每個關(guān)系的范式，根據(jù)實際需要確定最合適的范式。（4）根據(jù)需求分析階段得到的處理要求，分析這些模式是否適用于用戶的應用環(huán)境，從而確定是否要對某些模式進行分解或合并。（5）對關(guān)系模式進行必要的分解，以提高數(shù)據(jù)的操作效率和存儲空間的利用率。8.4.6設(shè)計用戶外模式在定義外模式時可以考慮以下因素：（1）使用更符合用戶習慣的別名。（2）對不同級別的用戶定義不同的外模式，以保證數(shù)據(jù)的安全。（3）簡化用戶對系統(tǒng)的使用。8.5數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計1．確定數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)2．評價物理結(jié)構(gòu)1．確定數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)

1）順序存儲。2）散列存