數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計

數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計1.數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計步驟按規(guī)范設(shè)計方法可將數(shù)據(jù)庫設(shè)計分為以下六個階段（1）需求分析;（2）概念結(jié)構(gòu)設(shè)計;（3）邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計;（4）數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計;（5）數(shù)據(jù)庫實施;（6）數(shù)據(jù)庫運(yùn)行和維護(hù)。2.需求分析需求搜集和分析是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計第一階段。明確地把它作為數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計第一步是十分關(guān)鍵。這一階段搜集到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和一組數(shù)據(jù)流圖（DataFlowDiagram———DFD）是下一步設(shè)計概念結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。概念結(jié)構(gòu)是整個組中全部用戶關(guān)心信息結(jié)構(gòu)，對整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計含有深刻影響。而要設(shè)計好概念結(jié)構(gòu)，就必需在需求分析階段用系統(tǒng)見解來考慮問題、搜集和分析數(shù)據(jù)及其處理。怎樣分析和表示用戶需求呢?在眾多分析方法中，結(jié)構(gòu)化分析（StructuredAnalysis，簡稱SA方法）是一個簡單實用方法。SA方法用自頂向下、逐層分解方法分析系統(tǒng)。用數(shù)據(jù)流圖、數(shù)據(jù)字典描述系統(tǒng)。然后把一個處理功效具體內(nèi)容分解為若干子功效，每個子功效繼續(xù)分解，直到把系統(tǒng)工作過程表示清楚為止。在處理功效逐步分解同時，它們所用數(shù)據(jù)也逐層分解，形成若干層次數(shù)據(jù)流圖。數(shù)據(jù)流圖表示了數(shù)據(jù)和處理過程關(guān)系。處理過程處理邏輯常常見判定表或判定樹來描述。數(shù)據(jù)字典（DataDictionary，簡稱DD）則是對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)詳盡描述，是各類數(shù)據(jù)屬性清單。對數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計來講，數(shù)據(jù)字典是進(jìn)行具體數(shù)據(jù)搜集和數(shù)據(jù)分析所取得關(guān)鍵結(jié)果。數(shù)據(jù)字典是各類數(shù)據(jù)描述集合，它通常包含以下5個部分:（1）數(shù)據(jù)項，是數(shù)據(jù)最小單位。（2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是若干數(shù)據(jù)項有意義集合。（3）數(shù)據(jù)流，能夠是數(shù)據(jù)項，也能夠是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。表示某一處理過程輸入輸出。（4）數(shù)據(jù)存放，處理過程中存取數(shù)據(jù)。常常是手工憑證、手工文檔或計算機(jī)文件。（5）處理過程。3.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計如同軟件工程中重視需求分析和規(guī)范說明思想一樣，數(shù)據(jù)庫設(shè)計中一樣十分重視數(shù)據(jù)分析、抽象和概念結(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)計關(guān)鍵之一。概念結(jié)構(gòu)獨(dú)立于數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)，獨(dú)立于支持?jǐn)?shù)據(jù)庫DBMS，也獨(dú)立于具體計算機(jī)軟件和硬件系統(tǒng)。歸納總結(jié)，其關(guān)鍵特點(diǎn)是:（1）能充足地反應(yīng)現(xiàn)實世界，包含實體和實體之間聯(lián)絡(luò)，能滿足用戶對數(shù)據(jù)處理要求，是現(xiàn)實世界一個真實模型，或靠近真實模型。（2）易于了解，從而能夠和不熟悉計算機(jī)用戶交換意見。用戶主動參與是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計成功是否關(guān)鍵。（3）易于更動。當(dāng)現(xiàn)實世界改變時輕易修改和擴(kuò)充，尤其是軟件、硬件環(huán)境改變時更應(yīng)如此。（4）易于向關(guān)系、網(wǎng)狀或?qū)哟蔚榷喾N數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換。概念結(jié)構(gòu)是多種數(shù)據(jù)模型共同基礎(chǔ)，它比任意一個數(shù)據(jù)模型更獨(dú)立于機(jī)器，更抽象，從而愈加穩(wěn)定。描述概念結(jié)構(gòu)有力工具是E-R模型。P.P.S.Chen把用E-R模型定義概念結(jié)構(gòu)稱為組織模式。設(shè)計概念結(jié)構(gòu)策略有3種:（1）自頂向下首先定義全局概念結(jié)構(gòu)框架，然后逐步細(xì)化。（2）自底向上首先定義各局部應(yīng)用概念結(jié)構(gòu)，然后將它們集成，得到全局概念結(jié)構(gòu)。（3）混合策略自頂向下和自底向上相結(jié)合方法。用自頂向下策略設(shè)計一個全局概念結(jié)構(gòu)框架，以它為骨架集成由自底向上策略中設(shè)計各局部概念結(jié)構(gòu)。現(xiàn)介紹自底向上設(shè)計概念結(jié)構(gòu)策略。根據(jù)這種策略，概念結(jié)構(gòu)設(shè)計可按下面步驟進(jìn)行。（1）數(shù)據(jù)抽象和局部視圖設(shè)計E-R模型是對現(xiàn)實世界一個抽象。通常地講，所謂抽象是對實際人、物、事和概念人為處理。它抽取大家關(guān)心共同特征，忽略非本質(zhì)細(xì)節(jié)，并把這些特征用多種抽象概念正確地加以描述。這些概念組成了現(xiàn)實世界一個模型表示。有3種抽象方法形成了抽象機(jī)制，來對數(shù)據(jù)進(jìn)行組織:①分類（Classification）定義某一概念作為現(xiàn)實世界中一組對象類型。這些對象含有一些共同特征和行為。它抽象了對象值和型之間“isamemberof”語義。在E-R模型中，實體型就是這種抽象。②聚集（Aggregation）定義某一類型組成成份。它抽象了對象內(nèi)部屬性類型和整體和部分之間“isapartof”語義。在E-R模型中若干屬性聚集組成了實體型，就是這種抽象。③概括（Generalization）定義類型之間一個子集聯(lián)絡(luò)。它抽象了類型之間“isasubsetof”語義。概括含有一個很關(guān)鍵性質(zhì):繼承性。子類繼承超類上定義全部抽象性質(zhì)。當(dāng)然，子類能夠增加自己一些特殊屬性。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計第一步就是利用上面介紹抽象機(jī)制對需求分析階段搜集到數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，形成實體、實體屬性，標(biāo)識實體碼，確定實體之間聯(lián)絡(luò)類型（1∶1、1∶n、n∶m），設(shè)計成部分E-R圖。（2）視圖集成視圖集成就是把上一步得到各個部分E-R圖綜合成一個總體E-R圖。視圖集成能夠有兩種方法:①多個部分E-R圖一次集成。②逐步集成。用累加方法一次集成兩個部分E-R圖。不管哪種方法，每次集成可分兩步走。第一步是合并，處理各部分E-R圖之間沖突問題，生成初步E-R圖。第二步是修改和重構(gòu)，消除無須要冗余，生成基礎(chǔ)E-R圖。4.邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)就是把概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為選擇DBMS所支持?jǐn)?shù)據(jù)模型過程。設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)按理應(yīng)選擇對某個概念結(jié)構(gòu)最好數(shù)據(jù)模型，然后對支持這種數(shù)據(jù)模型多種DBMS進(jìn)行比較，選出最適宜DBMS。但實際情況常常是已給定了某臺機(jī)器，設(shè)計人員沒有選擇DBMS余地。現(xiàn)行DBMS通常只支持關(guān)系、網(wǎng)狀或?qū)哟稳N模型中某一個，對某一個數(shù)據(jù)模型，各個機(jī)器系統(tǒng)又有很多不一樣限制，提供不一樣環(huán)境和工具。所以我們把設(shè)計過程分三步進(jìn)行。首先把概念結(jié)構(gòu)向通常關(guān)系模型轉(zhuǎn)換，然后向特定DBMS支持下數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換，最終進(jìn)行模型優(yōu)化。（1）E-R圖向關(guān)系數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換下面給出把E-R圖轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型轉(zhuǎn)換規(guī)則。①一個實體轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。實體屬性就是關(guān)系屬性，實體碼就是關(guān)系碼。②一個聯(lián)絡(luò)轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式，和該聯(lián)絡(luò)相連各實體碼和聯(lián)絡(luò)屬性轉(zhuǎn)換為關(guān)系屬性。該關(guān)系碼則有三種情況:若聯(lián)絡(luò)為1∶1，則每個實體碼均是該關(guān)系候選碼。若聯(lián)絡(luò)為1∶n，關(guān)系碼為n端實體碼。若聯(lián)絡(luò)為n∶m，則關(guān)系碼為諸實體碼組合。含有相同碼關(guān)系模式可合并。形成了通常數(shù)據(jù)模型后，下一步就向特定DBMS要求模型轉(zhuǎn)換。設(shè)計人員必需熟知所用DBMS功效及限制。這一步轉(zhuǎn)換是依靠于機(jī)器，不能給出一個普遍規(guī)則。轉(zhuǎn)化后模型必需進(jìn)行優(yōu)化。對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化是指調(diào)整數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)，以提升數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)性能。性能有動態(tài)性能和靜態(tài)性能兩種。靜態(tài)性能分析輕易實現(xiàn)。依據(jù)應(yīng)用要求，選出適宜模型是一項復(fù)雜工作。（2）規(guī)范化理論應(yīng)用規(guī)范化理論是數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計指南和工具，具體地講可應(yīng)用在下面多個具體方面:第一，在數(shù)據(jù)分析階段用數(shù)據(jù)依靠概念分析和表示各數(shù)據(jù)項之間關(guān)系。第二，在設(shè)計概念結(jié)構(gòu)階段，用規(guī)范化理論為工具消除初步E-R圖中冗余聯(lián)絡(luò)。第三，由E-R圖向數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換過程中用模式分解概念和算法指導(dǎo)設(shè)計?，F(xiàn)在，不管選擇DBMS是支持哪種數(shù)據(jù)模型，均先把概念結(jié)構(gòu)向關(guān)系模型轉(zhuǎn)換。然后，充足利用規(guī)范化理論結(jié)果優(yōu)化關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式設(shè)計。設(shè)計措施是:①確定數(shù)據(jù)依靠把E-R圖中每個實體內(nèi)各個屬性按數(shù)據(jù)分析階段所得到語義寫出其數(shù)據(jù)依靠。實體之間聯(lián)絡(luò)用實體主碼之間聯(lián)絡(luò)來表示。②用關(guān)系來表示E-R圖中每一個實體每個實體對應(yīng)一個關(guān)系模式Ri<Ui，∑i>，其中Ui就是該實體所包含諸屬性，∑i就是∑在Ui上投影。③對于實體之間那些數(shù)據(jù)依靠進(jìn)行極小化處理設(shè)函數(shù)依靠集為F，求F和最小覆蓋G差集。D=F-G逐一考察D中函數(shù)依靠，確定是否應(yīng)該去掉，因為規(guī)范化理論受泛關(guān)系假設(shè)限制，應(yīng)注意下面兩個問題:冗余聯(lián)絡(luò)一定在D中，而D中聯(lián)絡(luò)不一定是冗余。當(dāng)實體之間存在多個聯(lián)絡(luò)時應(yīng)該利用子類概念將實體之間聯(lián)絡(luò)形式上單一化，然后才能進(jìn)行極小化處理。④用關(guān)系表示實體之間聯(lián)絡(luò)每個聯(lián)絡(luò)對應(yīng)一個關(guān)系模式Rj<Uj，∑j>Ujo由相互聯(lián)絡(luò)諸實體（二個或多個實體）主碼屬性和描述該聯(lián)絡(luò)性質(zhì)屬性組成?！苆就是∑在Ui上投影。對于不一樣實體非主碼屬性之間聯(lián)絡(luò)一樣也要形成一個關(guān)系模式。這么就得到了一組關(guān)系模式。根據(jù)數(shù)據(jù)依靠理論，逐一分析這組模式?？疾槭欠翊嬖诓糠趾瘮?shù)依靠、傳輸依靠、多值依靠等，確定它們分別屬于第幾范式。然后根據(jù)數(shù)據(jù)分析階段得到多種應(yīng)用對數(shù)據(jù)處理要求，分析對于這么應(yīng)用環(huán)境這模式是否適宜，確定是否要對它們進(jìn)行合并或分解。⑤關(guān)系模式分解，對于需要進(jìn)行分解關(guān)系模式進(jìn)行分解，對產(chǎn)生多種模式進(jìn)行評價，選出較適宜模式。規(guī)范化理論給出了判定關(guān)系模式優(yōu)劣理論標(biāo)準(zhǔn)，幫助估計模式可能出現(xiàn)問題，提供了自動產(chǎn)生多種模式算法工具，所以是設(shè)計人員有力工具，也使數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計工作有了嚴(yán)格理論基礎(chǔ)。5.數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計物理設(shè)計內(nèi)容關(guān)鍵包含:（1）確定數(shù)據(jù)存放結(jié)構(gòu)從DBMS所提供存放結(jié)構(gòu)中選擇一個適宜加以實現(xiàn)。確定存放結(jié)構(gòu)關(guān)鍵原因是存取時間、存放空間利用率和維護(hù)代價三個方面。設(shè)計者常常要對這些原因進(jìn)行權(quán)衡。通常DBMS也總是含有一定靈活性供你選擇。比如，若引入一些冗余數(shù)據(jù)，則可能降低物理I/O次數(shù)提升檢索效率。相反節(jié)省存放空間檢索代價就會增加。當(dāng)然應(yīng)該盡可能尋求優(yōu)化方法，使這三方面性能全部很好。折衷有時是必需。（2）存取路徑選擇和調(diào)整數(shù)據(jù)庫必需支持多個用戶多個應(yīng)用，所以必需提供對數(shù)據(jù)庫多個存取入口，也就是對同一數(shù)據(jù)存放要提供多條存取路徑。物理設(shè)計任務(wù)應(yīng)確定建立哪些存取路徑。設(shè)計者應(yīng)該進(jìn)行定量分析，依據(jù)計算結(jié)果確定存取路徑。（3）確定數(shù)據(jù)存放位置首先按數(shù)據(jù)應(yīng)用情況劃分為不一樣組，然后確定存放位置。通常應(yīng)把數(shù)據(jù)易變部分和穩(wěn)定部分分開，把常常存取和不常存取數(shù)據(jù)分開。常常存取或存取時間要求高統(tǒng)計應(yīng)存放在高速存放器上，如硬盤。存取頻率小或存取時間要求低放在低速存放器上，如軟盤、磁帶。對于同一數(shù)據(jù)文件也可依據(jù)情況進(jìn)行水平劃分或垂直劃分。（4）確定存放分配很多DBMS提供了存放分配參數(shù)供設(shè)計者物理優(yōu)化處理用。比如溢出空間大小和分布參數(shù)、塊長度、塊因子大小、裝填因子、緩沖區(qū)大小和個數(shù)等等，它們?nèi)恳谖锢碓O(shè)計中確定。這些參數(shù)大小影響存取時間和存放空間分配。物理設(shè)計過程需要對時間、空間效率、維護(hù)代價和多種用戶要求進(jìn)行權(quán)衡，其結(jié)果能夠產(chǎn)生多個方案。在實施數(shù)據(jù)庫前對這些方案進(jìn)行方案進(jìn)行細(xì)致評價，以選擇一個較優(yōu)方案是十分必需。6.數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)實施和維護(hù)對數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計初步評價完成后就可建立數(shù)據(jù)庫了。數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)實施對應(yīng)于軟件工程編碼、調(diào)試階段。設(shè)計人員利用DBMS提供數(shù)據(jù)定義語言將邏輯設(shè)計和物理設(shè)計結(jié)果嚴(yán)格地描述出來，成為DBMS可接收源代碼，經(jīng)過調(diào)試產(chǎn)生目標(biāo)模式。然后組織數(shù)據(jù)入庫。組織數(shù)據(jù)入庫是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)實施階段最關(guān)鍵工作。（1）數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)載入和應(yīng)用程序開發(fā)因為數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)量通常全部很大，而且這些數(shù)據(jù)起源于一個組織各個部門，分散在多種數(shù)據(jù)文件或原始憑證中。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式通常也不符合數(shù)據(jù)庫要求，還要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。所以組織數(shù)據(jù)入庫是一件花費(fèi)大量人力物力工作。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和組織對于小系統(tǒng)能夠用人工方法完成。不過，人工轉(zhuǎn)換效率低、質(zhì)量差。通常來說，應(yīng)設(shè)計一個數(shù)據(jù)輸入子系統(tǒng)讓計算機(jī)完成這個工作。輸入子系統(tǒng)關(guān)鍵功效是:原始數(shù)據(jù)輸入、抽取、校驗、分類、轉(zhuǎn)換和綜合，最終把數(shù)據(jù)組織成符合數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)形式。然后把數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、分類和綜合常常要經(jīng)過數(shù)次才能完成，所以輸入子系統(tǒng)設(shè)計和實施亦是比較復(fù)雜，要編寫很多應(yīng)用程序。輸入子系統(tǒng)設(shè)計不能等物理設(shè)計完成后才動手，應(yīng)該和數(shù)據(jù)庫設(shè)計工作并行開展。為了確保數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)正確無誤，必需高度重視數(shù)據(jù)檢驗工作。在輸入子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該進(jìn)行數(shù)次檢驗，每次檢驗方法亦不要相同。對于關(guān)鍵數(shù)據(jù)校驗更應(yīng)該反復(fù)數(shù)次，確定正確后方可入庫。數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用程序設(shè)計應(yīng)該和數(shù)據(jù)庫模式設(shè)計并行。數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)實施階段另一項工作便這是這些應(yīng)用程序編碼、調(diào)試工作。有了裝載實際數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序，就建立了數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，能夠試運(yùn)行了。（2）數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)試運(yùn)行在完成上述工作以后，便可進(jìn)入數(shù)據(jù)庫試運(yùn)行階段，或稱聯(lián)合調(diào)試階段。這階段關(guān)鍵工作是:①實際運(yùn)行應(yīng)用程序，實施對數(shù)據(jù)庫多種操作，測試應(yīng)用程序功效。②測量系統(tǒng)性能指標(biāo)，分析是否符合設(shè)計目標(biāo)。即使已在物理設(shè)計過程中進(jìn)行了性能估計，不過僅僅估價了時間和空間指標(biāo)，而且在性能估價過程中作了很多簡化和假設(shè)，忽略了許數(shù)次要原因，所以估價是粗糙并可能失真。必需在試運(yùn)行階段進(jìn)行實際測量和評價。有些參數(shù)最好值往往是經(jīng)過運(yùn)行調(diào)試后才找到。假如實際結(jié)果不符合設(shè)計目標(biāo)，則需返回物理設(shè)計階段，調(diào)整物理結(jié)構(gòu)，修改參數(shù)。有時，可能還需要返回邏輯設(shè)計階段，調(diào)整邏輯結(jié)構(gòu)。最終還須指出兩點(diǎn)。第一，上面已看到組織數(shù)據(jù)入庫是十分費(fèi)事，假如運(yùn)行調(diào)試后又要修改數(shù)據(jù)庫設(shè)計則又要重新組織數(shù)據(jù)入庫。所以應(yīng)分批分期輸入數(shù)據(jù)，逐步完成運(yùn)行評價。第二，數(shù)據(jù)庫實施和調(diào)試不是一朝一夕能完成，在此期間軟硬件錯誤隨時可能發(fā)生。加上數(shù)據(jù)庫剛剛建立，工作人員對系統(tǒng)還不熟悉，對其規(guī)律更缺乏深入了解，輕易發(fā)生操作錯誤。所以必需做好數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)儲和恢復(fù)工作，這就要求設(shè)計人員了解DBMS這個功效，并依據(jù)調(diào)試方法和特點(diǎn)首先實施，盡可能降低對數(shù)據(jù)庫破壞并簡化故障恢復(fù)。（3）數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)投入運(yùn)行標(biāo)志著開發(fā)任務(wù)基礎(chǔ)完成和維護(hù)工作開始，但并不意味著設(shè)計過程結(jié)束。任何數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)只要它存在一天，它設(shè)計就得不不停地進(jìn)行評價、調(diào)整、修改，甚至完全改革。所以數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)維護(hù)不僅是維護(hù)其正?；顒佣沂窃O(shè)計工作繼續(xù)和提升。維護(hù)階段關(guān)鍵工作是:①數(shù)據(jù)庫安全性、完整性控制及系統(tǒng)轉(zhuǎn)儲和恢復(fù);②性能監(jiān)督、分析和改善;③數(shù)據(jù)庫重組織和重結(jié)構(gòu)。下面簡單介紹數(shù)據(jù)庫重組織和重結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)庫運(yùn)行一段時間后，因為統(tǒng)計不停增、刪、改，會使數(shù)據(jù)庫物理存放變壞。比如，邏輯上屬于同一統(tǒng)計型或同一關(guān)