高級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)-2、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法與步驟

二、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)2.1數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)概述2.2數(shù)據(jù)庫(kù)需求分析2.3數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.4數(shù)據(jù)庫(kù)行為設(shè)計(jì)2.5數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)施和維護(hù)2.1數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)概述2.1.1數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)2.1.2數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法概述2.1.3數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的基本步驟

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)面臨的主要問(wèn)題同時(shí)具備數(shù)據(jù)庫(kù)與應(yīng)用業(yè)務(wù)知識(shí)的人很少。應(yīng)用業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的目標(biāo)是什么在一開(kāi)始往往不能很明確。缺乏完善的設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)方法。用戶(hù)的要求往往并不是一開(kāi)始就能完全說(shuō)清楚。應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)千差萬(wàn)別，很難找到一種適合所有應(yīng)用業(yè)務(wù)的工具和方法。成功的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)應(yīng)具備的特點(diǎn)功能強(qiáng)大。能準(zhǔn)確地表示業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。容易使用和維護(hù)。對(duì)最終用戶(hù)操作的響應(yīng)時(shí)間合理。便于數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。便于數(shù)據(jù)的檢索和修改。較少的數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)工作。有效的安全機(jī)制能確保數(shù)據(jù)安全。冗余數(shù)據(jù)最少或不存在。便于數(shù)據(jù)的備份和恢復(fù)。數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)對(duì)最終用戶(hù)透明。

2.1.1數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)（1）綜合性

涉及面廣，需包含計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)知識(shí)及業(yè)務(wù)系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)知識(shí)；要解決技術(shù)及非技術(shù)兩方面的問(wèn)題；（2）靜態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)行為設(shè)計(jì)是分離的

靜態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指數(shù)據(jù)庫(kù)的模式框架設(shè)計(jì)（包括語(yǔ)義結(jié)構(gòu)（概念）、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（邏輯）、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)（物理））；動(dòng)態(tài)行為設(shè)計(jì)是指應(yīng)用程序設(shè)計(jì)（動(dòng)作操縱：功能組織、流程控制）結(jié)構(gòu)和行為設(shè)計(jì)相互分離

部門(mén)數(shù)據(jù)分析功能分析概念模型設(shè)計(jì)邏輯模型設(shè)計(jì)物理數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)加載數(shù)據(jù)庫(kù)功能模型功能說(shuō)明事務(wù)設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)調(diào)試運(yùn)行2.1.2數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法概述

新奧爾良（NewOrleans）方法

需求說(shuō)明需求分析概念結(jié)構(gòu)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)物理結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)物理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法從本質(zhì)上看仍然是手工設(shè)計(jì)方法，其基本思想是過(guò)程迭代和逐步求精。

2.1.3數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的基本步驟需求分析概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)物理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)施數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行和維護(hù)2.2數(shù)據(jù)庫(kù)需求分析

分析用戶(hù)的要求:是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)；其結(jié)果將直接影響到后面各階段的設(shè)計(jì)；并影響到最終的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)能否被合理地使用。

2.2.1需求分析的任務(wù)

信息需求。處理需求。安全性與完整性要求。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)輸出處理2.2.2需求調(diào)查需求調(diào)查：調(diào)研現(xiàn)行系統(tǒng)的業(yè)務(wù)活動(dòng)規(guī)則，提取描述系統(tǒng)業(yè)務(wù)的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)模型。系統(tǒng)調(diào)查通常包括三方面內(nèi)容：業(yè)務(wù)現(xiàn)狀信息源流

外部要求調(diào)查方式：①檢查文檔

②面談③觀察操作中的業(yè)務(wù)④研究和問(wèn)卷調(diào)查

2.3數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)分為：數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)行為設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的概念結(jié)構(gòu)、邏輯結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。行為設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的功能組織和流程控制。

2.3.1概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

著重信息結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；是整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵；獨(dú)立于邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；獨(dú)立于DBMS。

概念模型的特點(diǎn)

有豐富的語(yǔ)義表達(dá)能力。

易于交流和理解。

易于更改。易于向各種數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的策略

自底向上。先定義局部應(yīng)用的概念結(jié)構(gòu)，然后按一定的規(guī)則把它們集成起來(lái)，從而得到全局概念模型。自頂向下：先定義全局概念模型，然后再逐步細(xì)化。由里向外：先定義最重要的核心結(jié)構(gòu)，然后再逐步向外擴(kuò)展?；旌喜呗?。將自頂向下和自底向上結(jié)合起來(lái)使用。

采用E-R模型方法的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)局部E-R模型E-R模型的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括確定局部E-R模型的范圍、定義實(shí)體、聯(lián)系以及它們的屬性。設(shè)計(jì)全局E-R模型將所有局部E-R圖集成為一個(gè)全局E-R圖，即全局E-R模型。優(yōu)化全局E-R模型設(shè)計(jì)局部E-R模型

概念結(jié)構(gòu)是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的一種抽象。所謂抽象是對(duì)實(shí)際的人、物、事和概念進(jìn)行人為處理，抽取所關(guān)心的共同特性，忽略非本質(zhì)細(xì)節(jié)，并把這些特性用各種概念準(zhǔn)確的加以描述。一般有三種抽象方法：

分類(lèi)概括聚集分類(lèi)學(xué)生張三李四王五…classIsamumberof概括學(xué)生本科生研究生超類(lèi)子類(lèi)Isasubsetof聚集學(xué)生…實(shí)體型屬性學(xué)號(hào)姓名性別Isapartof設(shè)計(jì)全局E-R模型

將局部E-R圖集成為全局E-R圖；需消除各分E-R圖合并時(shí)產(chǎn)生的沖突；解決沖突是合并E-R圖的主要工作和關(guān)鍵所在。沖突主要有三類(lèi)：屬性沖突：屬性域沖突、屬性取值單位沖突命名沖突：同名異義和異名同義

結(jié)構(gòu)沖突：同一對(duì)象在不同應(yīng)用中具有不同的抽象、同一實(shí)體在不同的局部E-R圖中所包含的屬性個(gè)數(shù)和屬性的排列次序不完全相同。

優(yōu)化全局E-R模型

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)體間聯(lián)系無(wú)冗余。局部ER圖nm產(chǎn)品產(chǎn)品號(hào)性能參數(shù)零件零件號(hào)價(jià)格組成零件個(gè)數(shù)nm材料材料號(hào)材料類(lèi)型零件零件號(hào)規(guī)格使用使用量庫(kù)存量合并示例nnm產(chǎn)品產(chǎn)品號(hào)性能參數(shù)零件零件號(hào)規(guī)格組成零件個(gè)數(shù)價(jià)格使用使用量材料號(hào)材料類(lèi)型庫(kù)存量材料2.3.2邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

步驟：將概念模型轉(zhuǎn)換為某種組織層數(shù)據(jù)模型；對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化。E-R模型向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換

一個(gè)實(shí)體轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系模式。實(shí)體的屬性就是關(guān)系的屬性，實(shí)體的標(biāo)識(shí)符就是關(guān)系的碼。對(duì)于實(shí)體間的聯(lián)系有以下不同的情況：一個(gè)1：1聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個(gè)獨(dú)立的關(guān)系模式，也可以與任意一端所對(duì)應(yīng)的關(guān)系模式合并。一個(gè)1：n聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個(gè)獨(dú)立的關(guān)系模式，也可以與n端所對(duì)應(yīng)的關(guān)系模式合并。一個(gè)m：n聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系模式。

三個(gè)或三個(gè)以上實(shí)體間的一個(gè)多元聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系模式。

具有相同碼的關(guān)系模式可以合并。

1:1轉(zhuǎn)換示例部門(mén)表（部門(mén)號(hào)，部門(mén)名，經(jīng)理號(hào)）經(jīng)理表（經(jīng)理號(hào)，經(jīng)理名，電話）或者：部門(mén)表（部門(mén)號(hào)，部門(mén)名）經(jīng)理表（經(jīng)理號(hào)，部門(mén)號(hào)，經(jīng)理名，電話）11經(jīng)理部門(mén)管理部門(mén)名部門(mén)號(hào)經(jīng)理號(hào)經(jīng)理名電話1:n轉(zhuǎn)換示例部門(mén)表（部門(mén)號(hào)，部門(mén)名）職工表（職工號(hào)，部門(mén)號(hào)，職工名，工資）

n1職工部門(mén)工作部門(mén)名部門(mén)號(hào)職工號(hào)職工名工資m:n轉(zhuǎn)換示例教師表（教師號(hào)，教師名，職稱(chēng)）課程表（課程號(hào)，課程名，學(xué)分）授課表（教師號(hào)，課程號(hào)，授課時(shí)數(shù)）nm課程教師授課教師名教師號(hào)課程號(hào)課程名學(xué)分職稱(chēng)授課時(shí)數(shù)

數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化

關(guān)系數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化通常以規(guī)范化理論為指導(dǎo)，并考慮系統(tǒng)的性能。具體方法為：確定各屬性間的數(shù)據(jù)依賴(lài)。消除冗余的聯(lián)系。確定最合適的范式。確定是否要對(duì)某些模式進(jìn)行分解或合并。對(duì)關(guān)系模式進(jìn)行必要的分解，以提高數(shù)據(jù)的操作效率和存儲(chǔ)空間的利用率。

水平分解以時(shí)間、空間、類(lèi)型等范疇屬性取值為條件，滿足相同條件的數(shù)據(jù)行為一個(gè)子表。分解的依據(jù)一般以范疇屬性取值范圍劃分?jǐn)?shù)據(jù)行。這樣在操作同表數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)空范圍相對(duì)集中，便于管理。

K#A1…AmK#A1…AmK#A1…Am水平分解示例工號(hào)姓名……工號(hào)姓名……在職職工退休返聘職工某大學(xué)學(xué)生數(shù)據(jù)庫(kù)

學(xué)生(學(xué)號(hào)，姓名，年齡，籍貫)

事實(shí)情況：多數(shù)查詢(xún)一次僅涉及其中的一類(lèi)學(xué)生

水平分割

1.本科生(…)

2.碩士生(…)

3.博士生(…)

垂直分解以非主屬性所描述的應(yīng)用對(duì)象生命歷程的先后為條件，對(duì)應(yīng)相同歷程的屬性為一個(gè)子表。分解的依據(jù)是將非主屬性按其數(shù)據(jù)生成的時(shí)間段劃分，描述相同時(shí)間段的屬性劃分在一個(gè)組中。使操作同表數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)空范圍相對(duì)集中，便于管理。K#A11…A1mA21…A2nK#A11…A1mK#A21…A2n垂直分解示例職工情況的關(guān)系模式

EMP(職工編號(hào),姓名,性別,年齡,職務(wù),工資,工齡,住址,電話)

事實(shí)情況：經(jīng)常查詢(xún)前六項(xiàng)，較少使用后三項(xiàng)

模式分解

1.EMP1(職工編號(hào),姓名,性別,年齡,職務(wù),工資)

2.EMP2(職工編號(hào),工齡,住址,電話)小結(jié)

同時(shí)存在經(jīng)常查詢(xún)和非經(jīng)常查詢(xún)的屬性，均可采用垂直分割的方法好處：1.節(jié)省存儲(chǔ)空間2.減少數(shù)據(jù)傳遞量3.提高查詢(xún)速度

設(shè)計(jì)外模式

將概念模型轉(zhuǎn)換為邏輯數(shù)據(jù)模型之后，還應(yīng)該根據(jù)局部應(yīng)用需求，并結(jié)合具體的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)用戶(hù)的外模式。外模式概念對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的視圖概念，設(shè)計(jì)外模式是為了更好地滿足局部用戶(hù)的需求。定義數(shù)據(jù)庫(kù)的模式主要是從系統(tǒng)的時(shí)間效率、空間效率、易維護(hù)等角度出發(fā)。定義外模式考慮事項(xiàng)使用更符合用戶(hù)習(xí)慣的別名。對(duì)不同級(jí)別的用戶(hù)定義不同的視圖，以保證數(shù)據(jù)的安全。簡(jiǎn)化用戶(hù)對(duì)系統(tǒng)的使用。

庫(kù)存銷(xiāo)售信息管理系統(tǒng)的ER模型及轉(zhuǎn)換

P車(chē)間倉(cāng)位產(chǎn)品客戶(hù)銷(xiāo)售員存儲(chǔ)出庫(kù)訂單入庫(kù)MNMPMNPMNN車(chē)間(車(chē)間號(hào),車(chē)間名,主任名)產(chǎn)品(產(chǎn)品號(hào)，產(chǎn)品名，單價(jià))倉(cāng)位(倉(cāng)位號(hào)，地址，主任名)客戶(hù)(客戶(hù)號(hào)，客戶(hù)名，聯(lián)系人，電話，地址，稅號(hào)，賬號(hào))銷(xiāo)售員(銷(xiāo)售員號(hào),姓名,性別,學(xué)歷,業(yè)績(jī)）入庫(kù)（入庫(kù)單號(hào),入庫(kù)量,入庫(kù)日期,經(jīng)手人,車(chē)間號(hào),倉(cāng)位號(hào),產(chǎn)品名）出庫(kù)（出庫(kù)單號(hào)，出庫(kù)量，出庫(kù)日期，經(jīng)手人，客戶(hù)號(hào)，產(chǎn)品名，倉(cāng)位號(hào)）訂單（訂單號(hào)，數(shù)量，折扣，總價(jià)，訂單日期，產(chǎn)品號(hào)，客戶(hù)號(hào)，銷(xiāo)售員號(hào)）

存儲(chǔ)(倉(cāng)位號(hào),產(chǎn)品號(hào),核對(duì)日期,核對(duì)員,存儲(chǔ)量)2.3.3物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)已確定的邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，利用DBMS提供的方法、技術(shù)，以較優(yōu)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存取路徑、合理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置以及存儲(chǔ)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(kù)結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)庫(kù)的物理設(shè)計(jì)通常分為兩步：確定數(shù)據(jù)庫(kù)的物理結(jié)構(gòu)；對(duì)物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)間和空間效率的評(píng)價(jià)。物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和方法

對(duì)于數(shù)據(jù)查詢(xún)，需要得到如下信息：查詢(xún)所涉及的關(guān)系；查詢(xún)條件所涉及的屬性；連接條件所涉及的屬性；查詢(xún)列表中涉及的屬性。對(duì)于更新數(shù)據(jù)的事務(wù)，需要得到如下信息：更新所涉及的關(guān)系；每個(gè)關(guān)系上的更新條件所涉及的屬性；更新操作所涉及的屬性。

確定存取方法

一般用戶(hù)可以通過(guò)建立索引的方法來(lái)加快數(shù)據(jù)的查詢(xún)效率。

建立索引的一般原則為：在經(jīng)常作為查詢(xún)條件的屬性上建立索引。在經(jīng)常作為連接條件的屬性上建立索引。在經(jīng)常作為分組依據(jù)列的屬性上建立索引。對(duì)經(jīng)常進(jìn)行連接操作的表可以建立索引。一個(gè)表可以建立多個(gè)索引，但只能建立一個(gè)聚簇索引。

確定存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)一般的存儲(chǔ)方式有：順序存儲(chǔ)散列存儲(chǔ)聚簇存儲(chǔ)一般情況下系統(tǒng)都會(huì)為數(shù)據(jù)選擇一種最合適的存儲(chǔ)方式。

物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法完全依賴(lài)于具體的DBMS，主要考慮的是操作開(kāi)銷(xiāo)，即為使用戶(hù)獲得及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)所需的開(kāi)銷(xiāo)和計(jì)算機(jī)的資源的開(kāi)銷(xiāo)。具體可分為如下幾類(lèi)：查詢(xún)和響應(yīng)時(shí)間更新事務(wù)的開(kāi)銷(xiāo)生成報(bào)告的開(kāi)銷(xiāo)主存儲(chǔ)空間的開(kāi)銷(xiāo)輔助存儲(chǔ)空間的開(kāi)銷(xiāo)

2.4數(shù)據(jù)庫(kù)行為設(shè)計(jì)

2.4.1功能需求分析2.4.2功能設(shè)計(jì)2.4.3事務(wù)設(shè)計(jì)2.4.1功能需求分析在進(jìn)行需求分析時(shí)，我們實(shí)際上進(jìn)行了兩項(xiàng)工作，一項(xiàng)是“數(shù)據(jù)流”的調(diào)查分析，另一項(xiàng)是“事務(wù)處理”過(guò)程的調(diào)查分析。數(shù)據(jù)流的調(diào)查分析為數(shù)據(jù)庫(kù)的信息結(jié)構(gòu)提供了最原始的依據(jù)，事務(wù)處理的調(diào)查分析是行為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

對(duì)行為特性要進(jìn)行的分析標(biāo)識(shí)所有的查詢(xún)、報(bào)表、事務(wù)及動(dòng)態(tài)特性，指出對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)所要進(jìn)行的各種處理；指出對(duì)每個(gè)實(shí)體所進(jìn)行的操作（增、刪、改、查）；給出每個(gè)操作的語(yǔ)義，包括結(jié)構(gòu)約束和操作約束；給出每個(gè)操作（針對(duì)某一對(duì)象）的頻率；給出每個(gè)操作（針對(duì)某一應(yīng)用）的響應(yīng)時(shí)間；給出該系統(tǒng)總的目標(biāo)。2.4.2功能設(shè)計(jì)

¨¨目標(biāo)功能2功能n功能1功能22功能23功能21例：“學(xué)籍管理”的功能結(jié)構(gòu)圖

學(xué)籍管理錄取分班入學(xué)報(bào)到…錄入修改查詢(xún)修課管理2.4.3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(guò)程，包括：輸入設(shè)計(jì)輸出設(shè)計(jì)功能設(shè)計(jì)等等

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)描述文檔輸出設(shè)計(jì)用途。區(qū)分輸出結(jié)果是給客戶(hù)的還是用于內(nèi)部或報(bào)送上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的。輸出設(shè)備的選擇