數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用：第5章 數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述、需求分析

第五章數(shù)據(jù)庫設(shè)計數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用PrincipleandApplicationofDatabaseSystem第五章數(shù)據(jù)庫設(shè)計5.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述5.2需求分析5.3概念結(jié)構(gòu)設(shè)計5.4邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計5.5物理結(jié)構(gòu)設(shè)計5.6數(shù)據(jù)庫實(shí)施和維護(hù)5.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述5.1.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計的任務(wù)5.1.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計的特點(diǎn)5.1.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法5.1.4數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟5.1.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計的任務(wù)數(shù)據(jù)庫設(shè)計是指對于一個給定的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)造最優(yōu)的數(shù)據(jù)庫模式，建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)，使之能夠有效地存儲數(shù)據(jù)，滿足各種用戶的信息要求和處理要求。也就是把現(xiàn)實(shí)世界中的數(shù)據(jù)，根據(jù)各種應(yīng)用要求，加以合理地組織，滿足硬件和操作系統(tǒng)的特性，利用已有的DBMS來建立能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)的數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計信息需求處理需求數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序DBMS硬件和操作系統(tǒng)特性圖5.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計的任務(wù)5.1.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計的特點(diǎn)數(shù)據(jù)庫設(shè)計是一項涉及多學(xué)科的綜合性技術(shù)，它的建設(shè)是硬件、軟件和干件的結(jié)合。技術(shù)與管理的界面稱之為“干件”。數(shù)據(jù)庫設(shè)計應(yīng)該與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計相結(jié)合結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)）設(shè)計：數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計是指根據(jù)給定的應(yīng)用環(huán)境，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的模式或子模式等的設(shè)計。它包括數(shù)據(jù)庫的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計和物理結(jié)構(gòu)設(shè)計。行為（處理）設(shè)計：指用戶對數(shù)據(jù)庫的操作，這些要通過應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)，所以數(shù)據(jù)庫的行為設(shè)計就是應(yīng)用程序的設(shè)計。數(shù)據(jù)庫設(shè)計的特點(diǎn)（續(xù)）現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)分析用戶業(yè)務(wù)活動分析概念設(shè)計功能模型邏輯設(shè)計事務(wù)設(shè)計物理設(shè)計程序說明子模式設(shè)計應(yīng)用程序設(shè)計加載試驗數(shù)據(jù)程序編碼調(diào)試性能考核滿意?是否加載數(shù)據(jù)庫運(yùn)行和維護(hù)5.1.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法可分為：手工試湊法、規(guī)范設(shè)計法、計算機(jī)輔助設(shè)計法。手工試湊法是最早使用的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法。這種方法依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗和技巧，缺乏科學(xué)理論和工程原則的支持，設(shè)計的質(zhì)量很難保證，常常是數(shù)據(jù)庫運(yùn)行一段時間后又發(fā)現(xiàn)各種問題，這樣再重新進(jìn)行修改，增加了系統(tǒng)維護(hù)的代價。因此這種方法越來越不適應(yīng)發(fā)展的需要。數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法（續(xù)）為了改變這種情況，1978年10月，來自三十多個國家的數(shù)據(jù)庫專家在美國新奧爾良（NewOrleans）市專門討論了數(shù)據(jù)庫設(shè)計問題，他們運(yùn)用軟件工程的思想和方法，提出了數(shù)據(jù)庫設(shè)計的規(guī)范，這就是著名的新奧爾良法，它是目前公認(rèn)的比較完整和權(quán)威的一種規(guī)范設(shè)計法。新奧爾良法將數(shù)據(jù)庫設(shè)計分成需求分析（分析用戶需求）、概念設(shè)計（信息分析和定義）、邏輯設(shè)計（設(shè)計實(shí)現(xiàn)）和物理設(shè)計（物理數(shù)據(jù)庫設(shè)計）。目前，常用的規(guī)范設(shè)計方法大多起源于新奧爾良法，并在設(shè)計的每一階段采用一些輔助方法來具體實(shí)現(xiàn)。下面簡單介紹幾種常用的規(guī)范設(shè)計方法。數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法（續(xù)）1．基于E-R模型的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法

基于E-R模型的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法是由P.P.S.chen于1976年提出的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法，其基本思想是在需求分析的基礎(chǔ)上，用E-R（實(shí)體—聯(lián)系）圖構(gòu)造一個反映現(xiàn)實(shí)世界實(shí)體之間聯(lián)系的概念模型，然后再將此概念模型轉(zhuǎn)換成基于某一特定的DBMS的數(shù)據(jù)模型。2．基于3NF的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法基于3NF的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法是由S·Atre提出的結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法，其基本思想是在需求分析的基礎(chǔ)上，確定數(shù)據(jù)庫模式中的全部屬性和屬性間的依賴關(guān)系，將它們組織在一個單一的關(guān)系模式中，然后再分析模式中不符合3NF的約束條件，將其進(jìn)行投影分解，規(guī)范成若干個3NF關(guān)系模式的集合。除了以上兩種方法外，規(guī)范化設(shè)計方法還有基于視圖的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法、實(shí)體分析法、屬性分析法和基于抽象語義的設(shè)計方法等，這里不再詳細(xì)介紹。規(guī)范設(shè)計法從本質(zhì)上來說仍然是手工設(shè)計方法，其基本思想是過程迭代和逐步求精。數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法簡述（續(xù)）計算機(jī)輔助設(shè)計法是指在數(shù)據(jù)庫設(shè)計的某些過程中模擬某一規(guī)范化設(shè)計的方法，并以人的知識或經(jīng)驗為主導(dǎo)，通過人機(jī)交互方式實(shí)現(xiàn)設(shè)計中的某些部分。目前許多計算機(jī)輔助軟件工程（ComputerAidedSoftwareEngineering，CASE）工具可以自動或輔助設(shè)計人員完成數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程中的很多任務(wù)。比如SYSBASE公司的PowerDesigner和Oracle公司的Designer2000。

5.1.4數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟按照規(guī)范設(shè)計法，考慮數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)全過程，我們可將數(shù)據(jù)庫設(shè)計分為以下六個階段：

⒈需求分析階段

2.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階級

3.邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計階段

4.物理結(jié)構(gòu)設(shè)計階段

5.數(shù)據(jù)庫實(shí)施階段

6.數(shù)據(jù)庫運(yùn)行和維護(hù)階段YYNN需求分析階段應(yīng)用需求（數(shù)據(jù)、處理）需求收集和分析概念模型設(shè)計轉(zhuǎn)換規(guī)則，規(guī)范化理論邏輯模型設(shè)計用戶應(yīng)用要求、DBMS特征物理模型設(shè)計性能評價與預(yù)測符合要求？物理實(shí)現(xiàn)試運(yùn)行滿意？使用與維護(hù)概念設(shè)計階段邏輯設(shè)計階段物理設(shè)計階段數(shù)據(jù)庫實(shí)階施段數(shù)據(jù)庫運(yùn)行維護(hù)階段數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟（續(xù)）需求分析階段分析用戶數(shù)據(jù)需求與處理需求。概念設(shè)計階段對用戶需求進(jìn)行綜合、歸納與抽象，形成獨(dú)立于具體DBMS的概念模型(E-R圖)數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟（續(xù)）邏輯設(shè)計階段首先將E-R圖轉(zhuǎn)換成具體的DBMS支持的數(shù)據(jù)模型，如關(guān)系模型，形成數(shù)據(jù)庫邏輯模式然后根據(jù)用戶處理的要求、安全性的考慮，在基本表的基礎(chǔ)上再建立必要的視圖(View)，形成數(shù)據(jù)的外模式物理結(jié)構(gòu)設(shè)計階段為邏輯數(shù)據(jù)模型選取一個最適合應(yīng)用環(huán)境的物理結(jié)構(gòu)（包括存儲結(jié)構(gòu)和存取方法）數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟（續(xù)）數(shù)據(jù)庫實(shí)施階段設(shè)計人員運(yùn)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(yīng)用程序，組織數(shù)據(jù)入庫，并進(jìn)行試運(yùn)行。數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟（續(xù)）數(shù)據(jù)庫運(yùn)行與維護(hù)階段數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過試運(yùn)行后即可投入正式運(yùn)行，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運(yùn)行過程中不斷進(jìn)行評價、調(diào)整、修改等維護(hù)工作。整個設(shè)計步驟既是數(shù)據(jù)庫設(shè)計的過程，也包括數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計過程，在設(shè)計過程中將數(shù)據(jù)設(shè)計與處理設(shè)計緊密結(jié)合起來，將這兩個方面的需求分析、抽象、設(shè)計、實(shí)現(xiàn)在各個階段同時進(jìn)行，相互參照，相互補(bǔ)充。

IPO表……輸入：輸出：處理：Creat……Load……Main()……if……then……end

分區(qū)1

分區(qū)2……邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計概念結(jié)構(gòu)設(shè)計物理設(shè)計設(shè)計階段

設(shè)計描述數(shù)據(jù)處理需求分析

數(shù)據(jù)字典、全系統(tǒng)中數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)存儲的描述數(shù)據(jù)流圖和判定表（判定樹）、數(shù)據(jù)字典中處理過程的描述

概念模型（E-R圖）

系統(tǒng)說明書包括：

①新系統(tǒng)要求、方案和概圖

②反映新系統(tǒng)信息流的數(shù)據(jù)流圖

某種數(shù)據(jù)模型關(guān)系非關(guān)系

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（模塊結(jié)構(gòu)）

存儲安排方法選擇存取路徑建立

模塊設(shè)計

IPO表實(shí)施階段

編寫模式裝入數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫試運(yùn)行

程序編碼、編譯聯(lián)結(jié)、測試運(yùn)行、維護(hù)

性能監(jiān)測、轉(zhuǎn)儲/恢復(fù)數(shù)據(jù)庫重組和重構(gòu)

新舊系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、運(yùn)行、維護(hù)（修正性、適應(yīng)性、改善性維護(hù)）設(shè)計過程中形成的數(shù)據(jù)庫各級模式概念模式邏輯模式內(nèi)模式應(yīng)用要求應(yīng)用要求應(yīng)用要求應(yīng)用要求外模式外模式外模式外模式綜合轉(zhuǎn)換映象映象應(yīng)用1應(yīng)用2應(yīng)用3應(yīng)用4應(yīng)用1應(yīng)用2應(yīng)用3應(yīng)用4需求分析階段概念設(shè)計階段邏輯設(shè)計階段邏輯設(shè)計階段物理設(shè)計階段第五章數(shù)據(jù)庫設(shè)計5.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述5.2需求分析5.3概念結(jié)構(gòu)設(shè)計5.4邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計5.5物理結(jié)構(gòu)設(shè)計5.6數(shù)據(jù)庫實(shí)施和維護(hù)5.2需求分析5.2.1需求分析的任務(wù)5.2.2需求分析的方法需求分析（續(xù)）需求分析就是分析用戶的需要與要求需求分析是設(shè)計數(shù)據(jù)庫的起點(diǎn)需求分析的結(jié)果是否準(zhǔn)確地反映了用戶的實(shí)際要求，將直接影響到后面各個階段的設(shè)計，并影響到設(shè)計結(jié)果是否合理和實(shí)用5.2.1需求分析的任務(wù)從數(shù)據(jù)庫設(shè)計的角度來看，需求分析的任務(wù)是：對現(xiàn)實(shí)世界要處理的對象（組織、部門、企業(yè)）等進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，通過對原系統(tǒng)的了解，明確用戶的各種需求，在此基礎(chǔ)上確定新系統(tǒng)的功能。

具體地說，需求分析階段的任務(wù)包括以下二項：1．調(diào)查分析用戶的活動通過對新系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)的研究，對現(xiàn)行系統(tǒng)所存在的主要問題的分析以及制約因素的分析，明確用戶總的需求目標(biāo)，確定這個目標(biāo)的功能域和數(shù)據(jù)域。具體做法是：(1)調(diào)查組織機(jī)構(gòu)情況，包括該組織的部門組成情況，各部門的職責(zé)和任務(wù)等。(2)調(diào)查各部門的業(yè)務(wù)活動情況，包括各部門輸入和輸出的數(shù)據(jù)、如何加工處理這些數(shù)據(jù)、輸入輸出的部門等。2．收集和分析需求數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)邊界在熟悉業(yè)務(wù)活動的基礎(chǔ)上，協(xié)助用戶明確對新系統(tǒng)的各種需求，包括用戶的信息需求、處理需求、安全性和完整性的需求等。（1）信息需求指目標(biāo)范圍內(nèi)涉及的所有實(shí)體、實(shí)體的屬性以及實(shí)體間的聯(lián)系等數(shù)據(jù)對象，也就是用戶需要從數(shù)據(jù)庫中獲得信息的內(nèi)容與性質(zhì)。由信息要求可以導(dǎo)出數(shù)據(jù)要求，即在數(shù)據(jù)庫中需要存儲哪些數(shù)據(jù)。（2）處理需求指用戶為了得到需求的信息而對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理的要求。（3）安全性和完整性的需求。在定義信息需求和處理需求的同時必須相應(yīng)確定安全性和完整性約束。在收集各種需求數(shù)據(jù)后，對前面調(diào)查的結(jié)果進(jìn)行初步分析，確定新系統(tǒng)的邊界，確定哪些功能由計算機(jī)完成或?qū)頊?zhǔn)備讓計算機(jī)完成，哪些活動由人工完成。由計算機(jī)完成的功能就是新系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的功能。5.2.2需求分析的方法在數(shù)據(jù)需求分析階段，一方面用戶缺少計算機(jī)知識，無法確定計算機(jī)究竟能為自己做什么，往往不能準(zhǔn)確地表達(dá)自己的需求，另一方面設(shè)計人員缺少用戶的專業(yè)知識，不易理解用戶的真正需用，因此設(shè)計人員必須不斷深入地與及戶交流，才能逐步確定用戶的實(shí)際需求。用于需求分析的方法有多種，主要方法有自頂向下和自底向上兩種(a)

自頂向下的需求分析(b)

自底向上的需求分析………………需求需求……需求…需求需求需求需求需求需求需求需求需求需求…需求…其中自頂向下的結(jié)構(gòu)化分析方法（StructuredAnalysis，簡稱SA方法）是最簡單實(shí)用的方法。SA方法從最上層的系統(tǒng)組織機(jī)構(gòu)入手，采用逐層分解的方式分析系統(tǒng)，用數(shù)據(jù)流圖（DataFlowDiagram，DFD）和數(shù)據(jù)字典（DataDictionary，DD）描述系統(tǒng)。下面對數(shù)據(jù)流圖和數(shù)據(jù)字典作些簡單的介紹。一．?dāng)?shù)據(jù)流圖使用SA方法，任何一個系統(tǒng)都可抽象為下面的數(shù)據(jù)流圖。數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)來源處理數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)流圖有四種基本符號：正方形（或立方體）表示數(shù)據(jù)的源點(diǎn)或終點(diǎn)；圓角矩形（或圓形）代表數(shù)據(jù)的處理；開口矩形（或兩條平行橫線）代表數(shù)據(jù)存儲；箭頭表示數(shù)據(jù)流，即特定數(shù)據(jù)的流動方向。下圖是一個簡單的數(shù)據(jù)流圖。付款憑證報銷單報銷人審查報銷登記表一個簡單的系統(tǒng)可用一張數(shù)據(jù)流圖來表示。當(dāng)系統(tǒng)比較復(fù)雜時，為了便于理解，控制其復(fù)雜性，可以采用分層描述的方法。一般用第一層描述系統(tǒng)的全貌，第二層分別描述各子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還比較復(fù)雜，那么可以繼續(xù)細(xì)化，直到表達(dá)清楚為止。在處理功能逐步分解的同時，它們所用的數(shù)據(jù)也逐級分解，形成若干層次的數(shù)據(jù)流圖。數(shù)據(jù)流圖表達(dá)了數(shù)據(jù)和處理過程的關(guān)系。二、數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)字典是對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的詳細(xì)描述，是各類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和屬性的清單。它與數(shù)據(jù)流圖互為注釋。數(shù)據(jù)字典的內(nèi)容數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)存儲處理過程⒈數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)項是不可再分的數(shù)據(jù)單位對數(shù)據(jù)項的描述

數(shù)據(jù)項描述＝｛數(shù)據(jù)項名，數(shù)據(jù)項含義說明，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)項的邏輯關(guān)系｝例：學(xué)生學(xué)籍管理子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)字典。數(shù)據(jù)項，以“學(xué)號”為例：數(shù)據(jù)項：學(xué)號含義說明：唯一標(biāo)識每個學(xué)生別名：學(xué)生編號類型：字符型長度：8

取值范圍：00000000至99999999取值含義：前兩位標(biāo)別該學(xué)生所在年級，后六位按順序編號⒉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。一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以由若干個數(shù)據(jù)項組成，也可以由若干個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成，或由若干個數(shù)據(jù)項和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)混合組成。對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述

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)項或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)｝｝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以“學(xué)生”為例 “學(xué)生”是該系統(tǒng)中的一個核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：學(xué)生含義說明：是學(xué)籍管理子系統(tǒng)的主體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義了一個學(xué)生的有關(guān)信息組成：學(xué)號，姓名，性別，年齡，所在系，年級

⒊數(shù)據(jù)流

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?。對?shù)據(jù)流的描述

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｝數(shù)據(jù)流來源是說明該數(shù)據(jù)流來自哪個過程數(shù)據(jù)流去向是說明該數(shù)據(jù)流將到哪個過程去平均流量是指在單位時間（每天、每周、每月等）里的傳輸次數(shù)高峰期流量則是指在高峰時期的數(shù)據(jù)流量數(shù)據(jù)流“體檢結(jié)果”可如下描述：數(shù)據(jù)流：體檢結(jié)果說明：學(xué)生參加體格檢查的最終結(jié)果數(shù)據(jù)流來源：體檢數(shù)據(jù)流去向：批準(zhǔn)組成：……平均流量：……高峰期流量：……⒋數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)存儲是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)停留或保存的地方，也是數(shù)據(jù)流的來源和去向之一。對數(shù)據(jù)存儲的描述

數(shù)據(jù)存儲描述＝｛數(shù)據(jù)存儲名，說明，編號，流入的數(shù)據(jù)流，流出的數(shù)據(jù)流，組成:｛數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)｝，數(shù)據(jù)量，存取方式｝流入的數(shù)據(jù)流：指出數(shù)據(jù)來源流出的數(shù)據(jù)流：指出數(shù)據(jù)去向數(shù)據(jù)量：每次存取多少數(shù)據(jù)，每天（或每小時、每周等）存取幾次等信息存取方法：批處理/聯(lián)機(jī)處理；檢索/更新；順序檢索/隨機(jī)檢索數(shù)據(jù)存儲“學(xué)生登記表”可如下描述：數(shù)據(jù)存儲：學(xué)生登記表說明：