第3章數(shù)據(jù)庫設計

1、第3章 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設計方法 導入案例： 現(xiàn)要開發(fā)高校圖書管理系統(tǒng)，經過初步的需求調查，該系統(tǒng)要完成下面的功能： （1）讀者注冊 （2）讀者借書 （3）讀者還書 （4）圖書查詢問題： 1、如何將高校圖書管理活動中的事物及事物之間的聯(lián)系在計算機中表示？ 2、如何編寫高校圖書管理系統(tǒng)應用程序？客觀世界人物抽象概念聯(lián)系信息世界信息模型計算機世界數(shù)據(jù)庫應用程序需求分析概念結構設計邏輯結構設計物理結構設計實施需求分析系統(tǒng)設計編碼測試結構特性設計行為特性設計3.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計概述 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計是指對一個給定的應用環(huán)境，構造最優(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)，

2、滿足各種用戶的應用需求。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設計包含兩方面的內容： 結構特性設計 結構特性設計通常是指數(shù)據(jù)庫模式或數(shù)據(jù)庫結構設計，它應該具有最小冗余的、能滿足不同用戶數(shù)據(jù)需求。 行為特性設計 行為特性設計是指應用程序、事物處理的設計。 數(shù)據(jù)庫的設計工作通常分階段進行，不同的階段完成不同的設計內容。新奧爾良(New Orleans)方法將數(shù)據(jù)庫設計分為四個階段：需求分析、概念結構設計、邏輯結構設計和物理結構設計。目前數(shù)據(jù)庫規(guī)范設計方法通常分為6個階段。 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，得到設計系統(tǒng)所必須的需求信息。 概念結構設計。概念結構設計是整個數(shù)據(jù)庫設計的關鍵。它通過對用戶的需求進

3、行綜合、歸納與抽象，形成一個獨立于具體DBMS的概念模型。 邏輯結構設計。在概念模型的基礎上導出一種DBMS支持的邏輯數(shù)據(jù)庫模型（如關系型、網(wǎng)狀型或層次型），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。 物理結構設計。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提供的各種手段設計數(shù)據(jù)庫的內模式，即設計數(shù)據(jù)的存儲結構和存取方法。 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)邏輯設計和物理設計的結果建立數(shù)據(jù)庫，編制與調試應用程序，組織數(shù)據(jù)入庫，并進行試運行。 數(shù)據(jù)庫運行和維護。 不 滿 意 用 戶 需 求 收 集 和 分 析 設 計 概 念

4、結 構 設 計 邏 輯 結 構 數(shù) 據(jù) 模 型 優(yōu) 化 設 計 物 理 結 構 評 價 設 計 ， 性 能 預 測 物 理 實 現(xiàn) 實 驗 性 運 行 使 用 、 維 護 數(shù) 據(jù) 庫 需 求 分 析 階 段 概 念 設 計 階 段 邏 輯 設 計 階 段 物 理 設 計 階 段 數(shù) 據(jù) 庫 實 施 階 段 數(shù) 據(jù) 庫 運 行 、 維 護 不 滿 意 不 滿 意 數(shù) 據(jù) 庫 結 構 設 計 程 序 結 構 設 計 1） 需求分析的任務 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：3.2 需求分析 確定設計范圍。通過詳細調查現(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

5、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。 數(shù)據(jù)收集與分析。需求分析的重點是在調查研究的基礎上，獲得數(shù)據(jù)庫設計所必須的數(shù)據(jù)信息。2） 需求分析的基本步驟3）數(shù)據(jù)流圖 數(shù)據(jù)流圖（Data Flow Diagram，簡稱DFD）是一種最常用的結構化分析工具，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。數(shù)據(jù)流圖有4種基本符號。 4）數(shù)據(jù)字典 數(shù)據(jù)項：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。 數(shù)據(jù)結構：反映了數(shù)據(jù)之間的組合關系。 數(shù)據(jù)流：數(shù)據(jù)流是數(shù)據(jù)結構在系統(tǒng)內傳輸?shù)穆窂健?數(shù)據(jù)存儲：數(shù)據(jù)存儲是數(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。處理過程：

6、對數(shù)據(jù)的加工處理。 5）需求分析應用實例 現(xiàn)要開發(fā)高校圖書管理系統(tǒng)。經過初步的需求調查，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。 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

7、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，即構建這些處理的第1層數(shù)據(jù)流圖。下面的圖分別給出了借書、還書、查詢子功能的第1層數(shù)據(jù)流圖。系統(tǒng)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)結構描述名稱：讀者類別含義說明：定義了一個讀者類別的有關信息組成結構：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信息組成結構：姓名+性別+所在部門+讀者

8、類別名稱：圖書含義說明：定義了一本圖書的有關信息組成結構：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：存放圖書有關信息組成結構：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構：讀者+卡號+卡狀態(tài)+辦

9、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、還書信息組成結構：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：審核借書證處理過程名稱：審核借書證輸入：借書證輸入：借書證輸出：認定合格的借書證輸出：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，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，否則是無效定，那么借書證是有效的借書證，否則是無效的借書證。的借書證。1）概念結構設計的方法和步驟3.

10、3 數(shù)據(jù)庫概念結構的設計三種數(shù)據(jù)抽象方法三種數(shù)據(jù)抽象方法 （1）分類 分類是將具有某些共同特性和行為的實體劃分成一組的過程，分類的結果得到實體集。 （2）聚集 聚集是定義某一類型的組成部分，它抽象了實體集屬性的組成語義。若干屬性的聚集組成了實體型。 （3）概括 概括定義了類型之間的一種子集聯(lián)系，它抽象了類型之間的“所屬”的語義。 確定實體集和屬性確定實體集和屬性 運用數(shù)據(jù)抽象的三種方法，結合數(shù)據(jù)流圖和數(shù)據(jù)字典中的相關描述內容確定實體集及其屬性。在某些情況下，一個數(shù)據(jù)項可以作為屬性，而在另一些情況下它又可以作為實體集。一般能作為屬性對待的盡量作為屬性，在解決這個問題時應當遵循兩條基本準則： （1

11、）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。職工職工號姓名年齡職稱職工職工號姓名年齡職稱職稱號名稱工資標準住房標準聘任1m“職稱”由屬性上升為實體集 （2）屬性不能與其他實體集之間具有聯(lián)系。病人住院號姓名病房號病人住院號姓名病房醫(yī)生住醫(yī)療1mn1確定實體集間的聯(lián)系確定實體集間的聯(lián)系 依據(jù)需求分析結果，考察任意兩個實體集之間是否存在聯(lián)系，若有，則確定其類型（一對一，一對多或多對多）。 在確定實體集之間聯(lián)系的時候應該注意以下幾個問題: 正確確定多元聯(lián)系 多元聯(lián)系是指與聯(lián)系有關的實體集數(shù)超過二個的聯(lián)系。例如，“供應商”、“項目”和“零件”之間的“供應”聯(lián)系是多元的m：n聯(lián)系。

12、 凡能定義為一個多元聯(lián)系的問題，一般不應定義多個二元聯(lián)系來代替。 避免連接陷阱 在定義聯(lián)系時需要注意避免扇形陷阱、斷層陷阱等聯(lián)系結構。 扇形聯(lián)系是指由一個實體值能引出多個同一類型的聯(lián)系值的聯(lián)系。如果由一個實體集引出兩種不同類型的扇形聯(lián)系，形成所謂雙扇結構。雙扇結構容易出現(xiàn)扇形陷阱。扇形陷阱 斷層陷阱 因傳遞聯(lián)系而掩蓋了某些特定的直接聯(lián)系的現(xiàn)象稱為斷層陷阱。 畫出局部E-R圖 確定了實體集及實體集間的聯(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

13、實體集、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。 各個局部視圖建立好后，還需要對它們進行合并，集成為一個整體的概念結構，即總E-R圖。屬性沖突、命名沖突、結構沖突。2）概念結構設計實例標識圖書管理系統(tǒng)中的實體集和屬性 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集的屬性為：讀者：卡號,姓名,性別,部門, 辦卡日期,卡狀態(tài)讀者類別：類別代碼,類別名稱,可借閱天數(shù),可借閱數(shù)量，超期罰款額圖書：書號，書名，作者，價格，出版社，庫存數(shù)量借還記錄：卡號，書號，借書日期，還書日期其中有下劃線的屬性為實體的碼。確定實體間的聯(lián)系返回本節(jié)返回本節(jié)1邏輯結構設計

14、 邏輯結構設計的主要目標是將概念結構轉換為一個特定的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。邏輯結構的設計過程如圖所示。概念模型向邏輯模型的轉換過程分為3步進行：把概念模型轉換為一般的數(shù)據(jù)模型。將一般的數(shù)據(jù)模型轉換成特定的DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型。通過優(yōu)化方法將其轉化為優(yōu)化的數(shù)據(jù)模型。1）實體集的轉換規(guī)則 將E-R圖中的每一個實體集轉換為一個關系，實體集的屬性就是關系的屬性，實體集的碼就是關系的碼。2）實體間聯(lián)系的轉換規(guī)則 一個1：1聯(lián)系可以轉換為一個獨立的關系，也可以與任意一端所對應的關系合并。 一個1 : n聯(lián)系可以轉換為一個獨立的

15、關系，也可以與n端所對應的關系合并。 一個m : n聯(lián)系轉換為一個關系。轉換的方法為：與該聯(lián)系相連的各實體集的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉換為關系的屬性，新關系的碼為兩個相連實體集碼的組合。 三個或三個以上實體間的多元聯(lián)系轉換：概念模型向關系模型轉換概念模型向關系模型轉換 3）關系合并規(guī)則 為了減少系統(tǒng)中的關系個數(shù)，如果兩個關系模式具有相同的主碼，可以考慮將它們合并為一個關系模式。合并的方法是將其中一個關系模式的全部屬性加入到另一個關系模式中，然后去掉其中的同義屬性，并適當調整屬性的次序。q對于一對多的多元聯(lián)系轉換為關系模型的方法是新建一個獨立的關系，該關系的屬性為多元聯(lián)系相連的各實體集的碼以及聯(lián)

16、系本身的屬性，碼為多方實體集碼的組合。q對于多對多的多元聯(lián)系，轉換為關系模型的方法是新建一個獨立的關系，該關系的屬性為多元聯(lián)系相連的各實體集的碼以及聯(lián)系本身的屬性，碼為各實體集碼的組合。 案例：根據(jù)高校圖書管理系統(tǒng)的E-R圖，將其轉換為關系模型。 將高校圖書管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫概念結構轉換成關系模型，可得高校圖書管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫邏輯結構，結果如下： 讀者類別（類別代碼，類別名稱，可借閱天數(shù)，可借閱數(shù)量，超期罰款額） 讀者（卡號，姓名，性別，部門，辦卡日期，卡狀態(tài)，類別代碼） 圖書（書號，書名，作者，出版社，價格，庫存數(shù)量） 借還（卡號，書號，借書日期，還書日期） 數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化 確定各屬性之間的數(shù)據(jù)依

17、賴。 對各個關系模式之間的數(shù)據(jù)依賴進行極小化處理，消除冗余的聯(lián)系。 判斷每個關系的范式，根據(jù)實際需要確定最合適的范式。 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。 對關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。設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。 應用外模式可以簡化使用、方便查詢。將復雜查詢定義為視圖，用戶每次只對定義好的視圖進行查詢，避免了每次查詢都要對其重復描述。數(shù)據(jù)庫的物理設

18、計 數(shù)據(jù)庫物理結構設計是對于給定的邏輯數(shù)據(jù)模型，選擇一個適合的物理結構，主要涉及存取方法與存儲結構，它依賴于計算機系統(tǒng)。一、數(shù)據(jù)庫物理設計的內容一、數(shù)據(jù)庫物理設計的內容 1確定數(shù)據(jù)庫的物理結構 （1）存取方法設計。 索引方法、聚簇方法和HASH方法。 （2）存儲結構的設計。 順序存儲、鏈式存儲和散列存儲等，存放位置的設計。在關系型DBMS中，存儲結構的設計不需要考慮是采用順序存儲、鏈式存儲還是散列存儲的問題，設計者主要考慮關系的結構，數(shù)據(jù)文件和日志文件的存放位置。 2評價物理結構 評價物理數(shù)據(jù)庫的方法完全依賴于所選用的DBMS，主要是從定量估算各種方案的存儲空間、存取時間和維護代價入手，對估算

19、結果進行權衡、比較，選擇出一個較優(yōu)的合理的物理結構。如果該結構不符合用戶需求，則需要修改設計。二、關系模式存取方法的選擇二、關系模式存取方法的選擇 1、索引存取方法的選擇 選擇索引存取方法實際上就是根據(jù)應用要求確定對關系的哪些屬性列建立索引，哪些屬性列建立組合索引，哪些索引建立唯一索引等。選擇索引方法的基本原則是： 如果一個屬性經常在查詢條件中出現(xiàn)，則考慮在這個屬性上建立索引：如果一組屬性經常在查詢條件中出現(xiàn)，則考慮在這組屬性上建立組合索引。 如果一個屬性經常作為最大值和最小值等聚集函數(shù)的參數(shù)，則考慮在這個屬性上建立索引。 如果一個屬性經常在連接操作的連接條件中出現(xiàn)，則考慮在這個屬性上建立索引

20、；同理，如果組屬性經常在連接操作的連接條件中出現(xiàn)，則考慮在這組屬性上建立索引。 關系上定義的索引數(shù)要適當，并不是越多越好，因為系統(tǒng)維護索引要付出代價。 2、聚簇存取方法的選擇 為了提高某個屬性或屬性組的查詢速度，把這個屬性或屬性組上具有相同值的元組集中存放在連續(xù)的物理塊上的處理稱為聚簇，這個屬性或屬性組稱為聚簇碼。 一個數(shù)據(jù)庫可以建立多個聚簇，但一個關系只能加入一個聚簇，選擇聚簇存取方法就是確定需要建立多少個聚簇，確定每個聚簇中包括哪些關系。 聚簇設計的步驟： 根據(jù)規(guī)則確定候選聚簇。 設計候選聚簇的原則是： ）對經常在一起進行連接操作的關系可以建立聚簇。 ）如果一個關系的一組屬性經常出現(xiàn)在相等

21、、比較條件中，則該單個關系可建立聚簇。 ）如果一個關系的一個(或一組)屬性上的值重復率很高，則此單個關系可建立聚簇。 ）如果關系的主要應用是通過聚簇碼進行訪問或連接，而其他屬性訪問關系的操作很少時，可以使用聚簇。尤其當SQL語句中包含有與聚簇有關的ORDER BY，GROUP BY、UNION，DISTINCT等子句或短語時，使用聚簇特別有利，可以省去對結果集的排序操作。反之，當關系較少利用聚簇碼操作時，最好不要使用聚簇。 從候選聚簇中去除不必要的關系。 檢查候選聚簇，取消其中不必要關系的方法是： ）從聚簇中刪除經常進行全表掃描的關系。 ）從聚簇中刪除更新操作遠多于連接操作的關系。 ）不同的聚

22、簇中可能包含相同的關系，一個關系可以在某一個聚簇中，但不能同時加入多個聚簇。要從這多個聚簇方案(包括不建立聚簇)中選擇一個較優(yōu)的，其標準是在這個聚簇上運行各種事物的總代價最小。 建立聚簇應注意的問題 聚簇雖然提高了某些應用的性能，但是建立與維護聚簇的開銷是相當大的； 對已有的關系建立聚簇，將導致關系中的元組移動其物理存儲位置，這樣會使關系上原有的索引無效，要想使用原索引就必須重建原有索引。 當一個元組的聚簇碼值改變時，該元組的存儲位置也要做相應移動，所以聚簇碼值應當相對穩(wěn)定，以減少修改聚簇碼值所引起的維護開銷。 三、確定數(shù)據(jù)庫的存儲結構三、確定數(shù)據(jù)庫的存儲結構 1、確定數(shù)據(jù)的存放位置 為了提高

23、系統(tǒng)性能，應該根據(jù)應用情況將數(shù)據(jù)的易變部分與穩(wěn)定部分、經常存取部分和存取頻率較低部分分開存放。對于有多個磁盤的計算機，可以采用下面幾種存取位置的分配方案： 將表和索引放在不同的磁盤上，這樣在查詢時，由于兩個磁盤驅動器并行工作，可以提高物理I/O讀寫的效率。 將比較大的表分別放在兩個磁盤上，以加快存取速度，這在多用戶環(huán)境下特別有效。 將日志文件、備份文件與數(shù)據(jù)庫對象(表，索引等)放在不同的磁盤上，以改進系統(tǒng)的性能。 對于經常存取或存取時間要求高的對象(如表、索引)應放在高速存儲器(如硬盤)上，對于存取頻率小或存取時間要求低的對象(如數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)備份和日志文件備份等只在故障恢復時才使用)，如果數(shù)據(jù)

24、量很大，可以存放在低速存儲設備上。 2、確定系統(tǒng)配置 根據(jù)應用環(huán)境優(yōu)化DBMS的環(huán)境變量的取值，以提升DBMS的性能。 3、評價物理結構 物理設計過程中需要對時間效率、空間效率、維護代價和物理設計過程中需要對時間效率、空間效率、維護代價和各種用戶要求進行權衡，其結果可能會產生多種設計方案。數(shù)各種用戶要求進行權衡，其結果可能會產生多種設計方案。數(shù)據(jù)庫設計人員必須對這些方案進行詳細地評價，從中選擇一個據(jù)庫設計人員必須對這些方案進行詳細地評價，從中選擇一個較優(yōu)的方案作為數(shù)據(jù)庫的物理結構。較優(yōu)的方案作為數(shù)據(jù)庫的物理結構。 案例：根據(jù)高校圖書管理系統(tǒng)的邏輯結構設計其物理結構。案例：根據(jù)高校圖書管理系統(tǒng)的邏輯結構設計其物理結構。數(shù)據(jù)庫實施定義數(shù)據(jù)庫結構定義數(shù)據(jù)庫結構 利用給定的利用給定的DBMS所提供的命令和用戶界面，建立數(shù)據(jù)所提供的命令和用戶界面，建立數(shù)據(jù)庫的模式、外模式和內