第七章 數(shù)據(jù)庫設(shè)計-概念、邏輯、物理

AnIntroductiontoDatabaseSystem數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理AnIntroductiontoDatabaseSystem第七章數(shù)據(jù)庫設(shè)計AnIntroductiontoDatabaseSystem第七章數(shù)據(jù)庫設(shè)計7.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述7.2需求分析7.3概念結(jié)構(gòu)設(shè)計7.4邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計7.5數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計7.6數(shù)據(jù)庫實施7.7數(shù)據(jù)庫運行與維護7.8小結(jié)AnIntroductiontoDatabaseSystem數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述（續(xù)）什么是數(shù)據(jù)庫設(shè)計數(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)，滿足各種用戶的應(yīng)用需求（信息要求和處理要求）在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域內(nèi)，常常把使用數(shù)據(jù)庫的各類系統(tǒng)統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)。AnIntroductiontoDatabaseSystem7.1.1數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是信息系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)把信息系統(tǒng)中大量的數(shù)據(jù)按一定的模型組織起來提供存儲、維護、檢索數(shù)據(jù)的功能使信息系統(tǒng)可以方便、及時、準確地從數(shù)據(jù)庫中獲得所需的信息數(shù)據(jù)庫是信息系統(tǒng)的各個部分能否緊密地結(jié)合在一起以及如何結(jié)合的關(guān)鍵所在數(shù)據(jù)庫設(shè)計是信息系統(tǒng)開發(fā)和建設(shè)的重要組成部分AnIntroductiontoDatabaseSystem數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員應(yīng)該具備的技術(shù)和知識數(shù)據(jù)庫的基本知識和數(shù)據(jù)庫設(shè)計技術(shù)計算機科學(xué)的基礎(chǔ)知識和程序設(shè)計的方法和技巧軟件工程的原理和方法應(yīng)用領(lǐng)域的知識AnIntroductiontoDatabaseSystem數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟（續(xù)）二、數(shù)據(jù)庫設(shè)計的過程(六個階段)

⒈需求分析階段準確了解與分析用戶需求（包括數(shù)據(jù)與處理）是整個設(shè)計過程的基礎(chǔ)，是最困難、最耗費時間的一步AnIntroductiontoDatabaseSystem數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟（續(xù)）

⒉概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段是整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計的關(guān)鍵通過對用戶需求進行綜合、歸納與抽象，形成一個獨立于具體DBMS的概念模型AnIntroductiontoDatabaseSystem數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟（續(xù)）

⒊邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計階段將概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為某個DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型對其進行優(yōu)化AnIntroductiontoDatabaseSystem數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟（續(xù)）

⒋數(shù)據(jù)庫物理設(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）AnIntroductiontoDatabaseSystem數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟（續(xù)）

⒌數(shù)據(jù)庫實施階段運用DBMS提供的數(shù)據(jù)語言、工具及宿主語言，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)入庫并進行試運行AnIntroductiontoDatabaseSystem數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟（續(xù)）

⒍數(shù)據(jù)庫運行和維護階段數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過試運行后即可投入正式運行。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運行過程中必須不斷地對其進行評價、調(diào)整與修改。需求搜集和分析設(shè)計概念結(jié)構(gòu)設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型優(yōu)化設(shè)計物理結(jié)構(gòu)評價設(shè)計、性能預(yù)測使用、維護數(shù)據(jù)庫物理實現(xiàn)試運行需求分析階段概念設(shè)計階段邏輯設(shè)計階段物理設(shè)計階段數(shù)據(jù)庫實施階段數(shù)據(jù)庫運行維護階段AnIntroductiontoDatabaseSystem數(shù)據(jù)庫各級模式的形成過程應(yīng)用需求應(yīng)用1應(yīng)用需求應(yīng)用2應(yīng)用需求應(yīng)用3應(yīng)用需求應(yīng)用4邏輯模式內(nèi)模式綜合概念模式轉(zhuǎn)換映像映像外模式應(yīng)用1外模式應(yīng)用2外模式應(yīng)用3外模式應(yīng)用4AnIntroductiontoDatabaseSystem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)換成具體的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品支持的數(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AnIntroductiontoDatabaseSystem數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟（續(xù)）物理設(shè)計階段根據(jù)DBMS特點和處理的需要，進行物理存儲安排，建立索引，形成數(shù)據(jù)庫內(nèi)模式AnIntroductiontoDatabaseSystem第七章數(shù)據(jù)庫設(shè)計7.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述7.2需求分析7.3概念結(jié)構(gòu)設(shè)計7.4邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計7.5數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計7.6數(shù)據(jù)庫實施7.7數(shù)據(jù)庫運行與維護7.8小結(jié)7.3.2概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法與步驟設(shè)計概念結(jié)構(gòu)的四類方法自頂向下首先定義全局概念結(jié)構(gòu)的框架，然后逐步細化自底向上首先定義各局部應(yīng)用的概念結(jié)構(gòu)，然后將它們集成起來，得到全局概念結(jié)構(gòu)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法與步驟（續(xù)）逐步擴張首先定義最重要的核心概念結(jié)構(gòu)，然后向外擴充，以滾雪球的方式逐步生成其他概念結(jié)構(gòu)，直至總體概念結(jié)構(gòu)混合策略將自頂向下和自底向上相結(jié)合，用自頂向下策略設(shè)計一個全局概念結(jié)構(gòu)的框架，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)。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法與步驟（續(xù)）

自頂向下策略概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法與步驟（續(xù)）

自底向上策略概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法與步驟（續(xù)）

逐步擴張概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法與步驟（續(xù)）常用策略自頂向下地進行需求分析自底向上地設(shè)計概念結(jié)構(gòu)需求概念模式1.1概念模式1.2概念模式n.1概念模式n.2概念模式1概念模式n…需求1需求n…需求1.1需求1.2需求n.1需求n.2全局概念模式概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法與步驟（續(xù)）自底向上設(shè)計概念結(jié)構(gòu)的步驟第1步：抽象數(shù)據(jù)并設(shè)計局部視圖第2步：集成局部視圖，得到全局概念結(jié)構(gòu)需求分析DFDDD數(shù)據(jù)抽象、局部視圖的設(shè)計分E-R圖視圖集成總E-R圖邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計征求用戶意見直到滿意為止7.3.3數(shù)據(jù)抽象與局部視圖設(shè)計數(shù)據(jù)抽象局部視圖設(shè)計一、數(shù)據(jù)抽象概念結(jié)構(gòu)是對現(xiàn)實世界的一種抽象從實際的人、物、事和概念中抽取所關(guān)心的共同特性，忽略非本質(zhì)的細節(jié)把這些特性用各種概念精確地加以描述這些概念組成了某種模型數(shù)據(jù)抽象（續(xù)）數(shù)據(jù)抽象的用途對需求分析階段收集到的數(shù)據(jù)進行分類、組織（聚集），形成實體實體的屬性，標(biāo)識實體的碼確定實體之間的聯(lián)系類型(1:1，1:n，m:n)一、合并分E-R圖，生成初步E-R圖各分Ｅ－Ｒ圖存在沖突各個局部應(yīng)用所面向的問題不同由不同的設(shè)計人員進行設(shè)計

各個分E-R圖之間必定會存在許多不一致的地方合并分E-R圖的主要工作與關(guān)鍵所在：合理消除各分E-R圖的沖突合并分E-R圖，生成初步E-R圖（續(xù)）沖突的種類屬性沖突命名沖突結(jié)構(gòu)沖突AnIntroductiontoDatabaseSystem第七章數(shù)據(jù)庫設(shè)計7.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述7.2需求分析7.3概念結(jié)構(gòu)設(shè)計7.4邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計7.5數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計7.6數(shù)據(jù)庫實施7.7數(shù)據(jù)庫運行與維護7.8小結(jié)AnIntroductiontoDatabaseSystem邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計具體過程轉(zhuǎn)化為一般數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化為特定DBMS支持下的據(jù)模型

優(yōu)化模型概念結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計基本E-R圖特定DBMS的特點與限制優(yōu)化方法如規(guī)范化理論邏輯模型轉(zhuǎn)換規(guī)則AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）轉(zhuǎn)換內(nèi)容E-R圖由實體、實體的屬性和實體之間的聯(lián)系三個要素組成關(guān)系模型的邏輯結(jié)構(gòu)是一組關(guān)系模式的集合將E-R圖轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型：將實體、實體的屬性和實體之間的聯(lián)系轉(zhuǎn)化為關(guān)系模式。AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）轉(zhuǎn)換原則⒈一個實體型轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。關(guān)系的屬性：實體型的屬性關(guān)系的碼：實體型的碼例，有一個學(xué)生實體AnIntroductiontoDatabaseSystem

學(xué)生

學(xué)號出生日期年級所在系平均成績姓名學(xué)生實體可以轉(zhuǎn)換為如下關(guān)系模式：學(xué)生（學(xué)號，姓名，出生日期，所在系，年級，平均成績）AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）⒉一個m:n聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。關(guān)系的屬性：與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性關(guān)系的碼：各實體碼的組合 例，“選修”聯(lián)系是一個m:n聯(lián)系，它的E-R圖為：AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）課程選修學(xué)生mn成績AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）

按照上面規(guī)則可以將它轉(zhuǎn)換為如下關(guān)系模式，其中學(xué)號與課程號為關(guān)系的組合碼：選修（學(xué)號，課程號，成績）AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）⒊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端對應(yīng)的關(guān)系模式合并。1)轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式關(guān)系的屬性：與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性關(guān)系的碼：

n端實體的碼AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）⒊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端對應(yīng)的關(guān)系模式合并。2)與n端對應(yīng)的關(guān)系模式合并合并后關(guān)系的屬性：在n端關(guān)系中加入1端關(guān)系的碼和聯(lián)系本身的屬性合并后關(guān)系的碼：不變可以減少系統(tǒng)中的關(guān)系個數(shù)，一般情況下更傾向于采用這種方法AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）班級組成學(xué)生1nAnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）例，“組成”聯(lián)系為1:n聯(lián)系。 將其轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式的兩種方法：

1)使其成為一個獨立的關(guān)系模式：

2)將其學(xué)生關(guān)系模式合并：

組成（學(xué)號，班級號）學(xué)生（學(xué)號，姓名，出生日期，所在系，年級，班級號，平均成績）AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）⒋一個1:1聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式，也可以與任意一端對應(yīng)的關(guān)系模式合并。1)轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式關(guān)系的屬性：與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性關(guān)系的候選碼：每個實體的碼均是該關(guān)系的候選碼AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）⒋一個1:1聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式，也可以與任意一端對應(yīng)的關(guān)系模式合并。2)與某一端對應(yīng)的關(guān)系模式合并合并后關(guān)系的屬性：加入對應(yīng)關(guān)系的碼和聯(lián)系本身的屬性合并后關(guān)系的碼：不變AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）班級管理教師11AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）例，“管理”聯(lián)系為1:1聯(lián)系，可以有三種轉(zhuǎn)換方法：（1）轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式：管理（職工號，班級號）或管理（職工號，班級號）AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）例，“管理”聯(lián)系為1:1聯(lián)系，可以有三種轉(zhuǎn)換方法：（2）“管理”聯(lián)系與班級關(guān)系模式合并，則只需在班級關(guān)系中加入教師關(guān)系的碼，即職工號：班級：（班級號，學(xué)生人數(shù)，職工號）AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）例，“管理”聯(lián)系為1:1聯(lián)系，可以有三種轉(zhuǎn)換方法：（3）“管理”聯(lián)系與教師關(guān)系模式合并，則只需在教師關(guān)系中加入班級關(guān)系的碼，即班級號：教師：（職工號，姓名，性別，職稱，班級號，是否為優(yōu)秀班主任）AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）注意：從理論上講，1:1聯(lián)系可以與任意一端對應(yīng)的關(guān)系模式合并。但在一些情況下，與不同的關(guān)系模式合并效率會大不一樣。因此究竟應(yīng)該與哪端的關(guān)系模式合并需要依應(yīng)用的具體情況而定。由于連接操作是最費時的操作，所以一般應(yīng)以盡量減少連接操作為目標(biāo)。例如，如果經(jīng)常要查詢某個班級的班主任姓名，則將管理聯(lián)系與教師關(guān)系合并更好些。AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）⒌三個或三個以上實體間的一個多元聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。關(guān)系的屬性：與該多元聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性關(guān)系的碼：各實體碼的組合 例，“講授”聯(lián)系是一個三元聯(lián)系A(chǔ)nIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）課程教師1m參考書n課時講授AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）“講授”聯(lián)系是一個三元聯(lián)系，可以將它轉(zhuǎn)換為如下關(guān)系模式，其中課程號、職工號和書號為關(guān)系的組合碼：講授（課程號，職工號，書號，課時）AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）⒍同一實體集的實體間的聯(lián)系，即自聯(lián)系，也可按上述1:1、1:n和m:n三種情況分別處理。 例，如果教師實體集內(nèi)部存在領(lǐng)導(dǎo)與被領(lǐng)導(dǎo)的1:n自聯(lián)系A(chǔ)nIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）職工領(lǐng)導(dǎo)1nAnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）

教師實體集內(nèi)部存在領(lǐng)導(dǎo)與被領(lǐng)導(dǎo)的1:n自聯(lián)系，我們可以將該聯(lián)系與教師實體合并，這時主碼職工號將多次出現(xiàn)，但作用不同，可用不同的屬性名加以區(qū)分：教師：｛職工號，姓名，性別，職稱，系主任職工號｝AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換（續(xù)）⒎具有相同碼的關(guān)系模式可合并。目的：減少系統(tǒng)中的關(guān)系個數(shù)。合并方法：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（可能同名也可能不同名），并適當(dāng)調(diào)整屬性的次序。第七章數(shù)據(jù)庫設(shè)計7.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述7.2需求分析7.3概念結(jié)構(gòu)設(shè)計7.4邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計7.5數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計7.6數(shù)據(jù)庫實施7.7數(shù)據(jù)庫運行與維護7.8小結(jié)7.5數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計什么是數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計數(shù)據(jù)庫在物理設(shè)備上的存儲結(jié)構(gòu)與存取方法稱為數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)，它依賴于給定的計算機系統(tǒng)。為一個給定的邏輯數(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)的過程，就是數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計。7.5數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計的步驟確定數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)對物理結(jié)構(gòu)進行評價，評價的重點是時間和空間效率如果評價結(jié)果滿足原設(shè)計要求則可進入到物理實施階段，否則，就需要重新設(shè)計或修改物理結(jié)構(gòu)，有時甚至要返回邏輯設(shè)計階段修改數(shù)據(jù)模型。物理設(shè)計過程

數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計確定數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)評價數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)庫實施物理模型邏輯模型7.5.2關(guān)系模式存取方法選擇數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是多用戶共享的系統(tǒng)，對同一個關(guān)系要建立多條存取路徑才能滿足多用戶的多種應(yīng)用要求。物理設(shè)計的第一個任務(wù)就是要確定選擇哪些存取方法，即建立哪些存取路徑。關(guān)系模式存取方法選擇（續(xù)）DBMS常用存取方法索引方法，目前主要是B+樹索引方法聚簇（Cluster）方法HASH方法一、索引存取方法的選擇選擇索引存取方法的主要內(nèi)容

根據(jù)應(yīng)用要求確定對哪些屬性列建立索引對哪些屬性列建立組合索引對哪些索引要設(shè)計為唯一索引索引存取方法的選擇（續(xù)）選擇索引存取方法的一般規(guī)則如果一個(或一組)屬性經(jīng)常在查詢條件中出現(xiàn)，則考慮在這個(或這組)屬性上建立索引(或組合索引)如果一個屬性經(jīng)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(或一組)屬性經(jīng)常在連接操作的連接條件中出現(xiàn)，則考慮在這個(或這組)屬性上建立索引索引存取方法的選擇（續(xù)）關(guān)系上定義的索引數(shù)過多會帶來較多的額外開銷維護索引的開銷查找索引的開銷建立聚簇索引聚簇索引建立聚簇索引后，基表中數(shù)據(jù)也需要按指定的聚簇屬性值的升序或降序存放。也即聚簇索引的索引項順序與表中元組的物理順序一致。例：CREATECLUSTERINDEXStusnameONStudent(Sname)；在Student表的Sname（姓名）列上建立一個聚簇索引，而且Student表中的記錄將按照Sname值的升序存放建立聚簇索引在一個基本表上最多只能建立一個聚簇索引聚簇索引的用途：對于某些類型的查詢，可以提高查詢效率聚簇索引的適用范圍

很少對基表進行增刪操作很少對其中的變長列進行修改操作第七章數(shù)據(jù)庫設(shè)計7.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計