數(shù)據(jù)庫原理及應用教程（第5版） （微課版）課件 第6章　數(shù)據(jù)庫設計

北京林業(yè)大學數(shù)據(jù)庫原理與應用數(shù)據(jù)庫設計概述數(shù)據(jù)庫設計的任務數(shù)據(jù)庫設計的內容數(shù)據(jù)庫設計的特點數(shù)據(jù)庫設計方法簡述本章目錄CONTENTS數(shù)據(jù)庫設計的步驟數(shù)據(jù)庫設計是指根據(jù)用戶需求研制數(shù)據(jù)庫結構和行為的過程。對于一個給定的應用環(huán)境，構造最優(yōu)的數(shù)據(jù)庫模式，建立數(shù)據(jù)庫及其應用系統(tǒng)；有效地存儲數(shù)據(jù)，滿足用戶的信息要求和處理要求。數(shù)據(jù)庫設計的任務數(shù)據(jù)庫設計的內容概念設計、邏輯設計和物理設計用戶對數(shù)據(jù)庫的操作結構設計行為設計結構源于行為——強調結構設計與行為設計相結合行為總是變化——“反復探尋，逐步求精”數(shù)據(jù)庫設計的特點數(shù)據(jù)庫設計的特點直觀設計法也稱為手工試湊法，它是最早使用的數(shù)據(jù)庫設計方法。這種方法依賴于設計者的經驗和技巧，缺乏科學理論和工程原則的支持，設計的質量很難保證。常常是數(shù)據(jù)庫運行一段時間后又發(fā)現(xiàn)各種問題，這樣再重新進行修改，增加了系統(tǒng)維護的代價。數(shù)據(jù)庫設計方法簡述直觀設計法數(shù)據(jù)庫設計方法簡述常用的規(guī)范設計法：用E-R圖構造一個反映現(xiàn)實世界實體之間聯(lián)系的概念模式基于E-R模型的數(shù)據(jù)庫設計方法確定數(shù)據(jù)庫中的全部屬性和屬性間的依賴關系，分析不符合3NF的約束條件，將其進行投影分解，規(guī)范成若干個3NF關系模式的集合?；?NF的數(shù)據(jù)庫設計方法先從分析各個應用的數(shù)據(jù)著手，并為每個應用建立自己的視圖，然后再把這些視圖匯總起來合并成整個數(shù)據(jù)庫的概念模式?；谝晥D的數(shù)據(jù)庫設計方法計算機輔助設計法是指在數(shù)據(jù)庫設計的某些過程中模擬某一規(guī)范化設計的方法，并以人的知識或經驗為主導，通過人機交互方式實現(xiàn)設計中的某些部分。數(shù)據(jù)庫設計方法簡述計算機輔助設計法圍繞軟件工程的思想，通常以E-R圖設計為主體，輔以3NF設計和視圖設計實現(xiàn)模式的評價和優(yōu)化，吸收各種設計方法的優(yōu)勢。為提高設計的協(xié)同效率和規(guī)范化程度，現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫設計過程還會通過計算機輔助設計工具獲得規(guī)范的數(shù)據(jù)庫設計結果。數(shù)據(jù)庫設計方法簡述現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫設計方法數(shù)據(jù)庫設計分為六個階段數(shù)據(jù)庫設計的步驟1．系統(tǒng)需求分析——收集信息內容和處理要求，進行分析2．概念結構設計——表達用戶需求的概念模型3．邏輯結構設計——由概念模型得出的數(shù)據(jù)模型4．物理結構設計——存儲結構和存取方法5．數(shù)據(jù)庫實施——數(shù)據(jù)入庫，編寫數(shù)據(jù)庫存取程序6．數(shù)據(jù)庫運行與維護——收集和記錄實際系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)系統(tǒng)需求分析系統(tǒng)需求分析是數(shù)據(jù)庫設計的起點，為以后的具體設計做準備。需求分析的結果是否準確地反映了用戶的實際要求，將直接影響到后面各個階段的設計，并影響到設計結果是否合理和實用。系統(tǒng)需求分析的不正確或誤解，直到系統(tǒng)測試階段才發(fā)現(xiàn)許多錯誤，糾正起來要付出很大代價。需求分析的任務需求分析的方法案例的需求分析本章目錄CONTENTS調查分析用戶活動，明確用戶的需求目標收集和分析需求數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)邊界需求分析的任務編寫需求分析報告，組織專家評審需求分析的方法（a）自頂向下的需求分析（b）自底向上的需求分析用命名的箭頭表示數(shù)據(jù)流用圓圈表示處理用不封閉的矩形或其他形狀表示存儲用封閉的矩形表示來源和輸出數(shù)據(jù)流圖需求分析的方法數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)來源處理數(shù)據(jù)輸出處理需求信息需求數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)字典是對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的詳細描述，是各類數(shù)據(jù)結構和屬性的清單。在需求分析階段，它通常包含以下五部分內容：數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)結構數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)存儲處理過程需求分析的方法最終形成的數(shù)據(jù)流圖和數(shù)據(jù)字典為系統(tǒng)分析報告的主要內容，這是下一步進行概念結構設計的基礎。案例描述案例將圍繞本科教學環(huán)節(jié)中的核心業(yè)務——任課和選課。案例的需求分析任課業(yè)務僅關心教師教授課程情況。選課業(yè)務主要記錄哪些學生選擇了哪些課程，以及這門課程的得分。案例的數(shù)據(jù)流圖——任課業(yè)務案例的需求分析案例的數(shù)據(jù)流圖——選課業(yè)務案例的需求分析學生自然情況信息：學生的學號、姓名、年齡和院系等。課程信息：課程的編號、名字和授課教師等。教師信息：教師的編號、名字、教師的性別、職稱和教授課程等。任課信息：課程名和授課教師名等。學生選課信息：學生名、課程名和教師名等。課程分數(shù)信息：學生名、課程名和分數(shù)等。案例的數(shù)據(jù)字典案例的需求分析除上述信息外，還需進一步分析該系統(tǒng)中是否還有隱含的數(shù)據(jù)結構。實際調研結果表明高校的管理通常以系別為單位，如果不劃分系別，則各院系學生和教師的信息將混雜在一起，不便于開展各項業(yè)務。因此，還需要對系的數(shù)據(jù)項進行定義。系別：系的編號、名稱、系的老師和系的學生。案例的數(shù)據(jù)字典案例的需求分析概念結構設計概念結構設計的必要性概念結構設計就是將需求分析得到的用戶需求抽象為信息結構，即概念模型。從邏輯設計中分離出概念設計以后，各階段的任務相對單一化，設計復雜程度大大降低，便于組織管理。概念模型不受特定的DBMS的限制，也獨立于存儲安排和效率方面的考慮，因而比邏輯模型更為穩(wěn)定。概念模型不含具體的DBMS所附加的技術細節(jié)，更容易為用戶所理解，因而更有可能準確反映用戶的信息需求。概念模型特點語義表達能力豐富易于交流和理解概念模型的特點易于修改和擴充易于向數(shù)據(jù)模型轉換概念模型的E-R表示方法E-R圖的基本成分學生學號選修（a）實體型（b）屬性（c）聯(lián)系1:11:nm:n

E-R模型是最著名、最實用的一種是概念模型。概念模型的E-R表示方法實體及其聯(lián)系圖的形式系主任領導系11學生屬于系n1學生選修課程nm成績（a）兩個實體型之間的聯(lián)系概念模型的E-R表示方法職工領導n1供應商供應項目零件mnn數(shù)量（b）多個實體型之間的聯(lián)系（c）同一實體集內部的聯(lián)系實體及其聯(lián)系圖的形式概念模型的E-R表示方法舉例說明學生與課程聯(lián)系的完整的E-R圖m課程課程號課程名學分學生學號姓名性別年齡系別選修成績n自頂向下——逐步求細自底向上——由精細到整體逐步擴張——由核心逐漸向外擴充混合策略——自頂向下+自底向上概念結構設計的方法與步驟概念結構設計的方法概念結構設計的方法與步驟需求分析概念結構設計的步驟DFD，DD數(shù)據(jù)抽象，局部視圖設計局部E-R圖視圖集成全局E-R圖邏輯結構設計征求用戶意見概念結構設計的方法與步驟數(shù)據(jù)抽象分類聚集將一組具有共同特性和行為的對象抽象為一個實體將對象類型的組成成分抽象為實體的屬性①屬性必須是不可分的數(shù)據(jù)項，不能再由另一些屬性組成。②屬性不能與其他實體具有聯(lián)系，聯(lián)系只能發(fā)生在實體之間。局部E-R模型設計概念結構設計的方法與步驟局部E-R模型設計概念結構設計的方法與步驟局部E-R模型設計學生學號姓名性別年齡系別n系別學生人數(shù)教室人數(shù)辦公地點學生學號姓名性別年齡屬于1系主任系別作為一個屬性或實體概念結構設計的方法與步驟局部E-R模型設計職稱作為一個屬性或實體教師學號性別職稱教師姓名性別n聘任1職稱分配11住房多元集成法，一次性將多個局部E-R圖合并。二元集成法，首先集成兩個重要的局部E-R圖，以后用累加的方法逐步集成新的E-R圖。視圖集成的方法：概念結構設計的方法與步驟全局E-R模型設計概念結構設計的方法與步驟局部E-R圖合并（消除沖突）優(yōu)化（消除不必要的冗余）基本E-R圖初步E-R圖分析規(guī)范化理論合并局部E-R圖，消除局部E-R圖之間的沖突，生成初步E-R圖概念結構設計的方法與步驟合并沖突屬性沖突命名沖突結構沖突值域沖突取值單位沖突同名異義異名同義同一對象在不同應用中有不同的抽象同一實體在不同應用中屬性組成不同同一聯(lián)系在不同應用中呈現(xiàn)不同類型消除不必要的冗余，生成基本E-R圖。概念結構設計的方法與步驟優(yōu)化冗余指冗余的數(shù)據(jù)和實體之間冗余的聯(lián)系。冗余的數(shù)據(jù)是指可由基本的數(shù)據(jù)導出的數(shù)據(jù)。冗余的聯(lián)系是由其他的聯(lián)系導出的聯(lián)系。一個學生可選修多門課程，一門課程可為多個學生選修，因此，學生和課程是多對多的聯(lián)系。一個教師可講授多門課程，一門課程可為多個教師講授，因此，教師和課程也是多對多的聯(lián)系。案例的概念結構設計案例的局部E-R模型設計一個系可有多個教師，一個教師只能屬于一個系，因此，系和教師是一對多的聯(lián)系，同樣系和學生也是一對多的聯(lián)系。案例的概念結構設計課程課程號課程名學生系學號姓名性別年齡平均成績名稱m選修開課擁有成績11mmn教師號學生選課局部E-R圖案例的概念結構設計教師任課局部E-R圖教師教師號姓名性別職稱m講授課程號屬于課程mn單位1單位編號單位名電話案例的概念結構設計教師管理系統(tǒng)的初步E-R圖系系編號系名電話m屬于擁有m學生1平均成績姓名性別學號年齡1姓名性別教師號職稱開課選修1m教師講授課程教師號成績課程號課程名mnmn案例的概念結構設計教師管理系統(tǒng)的基本E-R圖系系編號系名電話m屬于擁有m學生1姓名性別學號年齡1姓名性別教師號職稱選修m教師講授課程成績課程號課程名mnn邏輯結構設計邏輯結構設計的任務和步驟初始關系模式設計關系模式規(guī)范化模式評價是否改進模式改進是否實現(xiàn)設計階段E—R圖以DBMS語法描述網狀模型、層次模型和關系模型概念結構設計邏輯結構設計物理結構初始關系模式設計E—R圖實體屬性聯(lián)系關系模式轉換原則初始關系模式設計轉換原則實體：一個實體轉換為一個關系模式，實體的屬性就是關系的屬性，實體的碼為關系的主碼。如果聯(lián)系為1:1，則每個實體的主碼都是關系的候選碼；如果聯(lián)系為1:n，則n端實體的主碼是關系的主碼；如果聯(lián)系為n:m，則每個實體的主碼的組合是關系的主碼。聯(lián)系的處理：一個聯(lián)系轉換為一個關系模式，有三種情況：初始關系模式設計具體做法（1）把每一個實體轉換為一個關系模式。（2）把每一個聯(lián)系轉換為關系模式。初始關系模式設計（1）把每一個實體轉換為一個關系模式。學生（學號，姓名，性別，年齡）系（系編號，系名，電話）課程（課程號，課程名）教師（教師號，姓名，性別，職稱）初始關系模式設計（2）把每一個聯(lián)系轉換為關系模式。屬于（教師號，系編號）講授（教師號，課程號）選修（學號，課程號，成績）擁有（系編號，學號） 初始關系模式設計具體做法（3）特殊情況的處理。

多個實體之間的聯(lián)系供應商供應數(shù)量零件項目mnn三個或三個以上實體間的一個多元聯(lián)系，與該多元聯(lián)系相連的各實體的主碼及聯(lián)系本身的屬性均轉換成為關系的屬性，轉換后主碼為各實體碼的組合。供應（供應商號，項目號，零件號，數(shù)量）關系模式規(guī)范化確定范式級別實施規(guī)范化處理需求分析階段概念結構設計階段邏輯結構設計階段用函數(shù)依賴的概念分析和表示各個數(shù)據(jù)項之間的聯(lián)系以規(guī)范化理論為指導，確定關系主碼，消除初步E-R圖中冗余的聯(lián)系從E-R圖向數(shù)據(jù)模型轉換過程中，用模式合并與分解方法達到指定的數(shù)據(jù)庫規(guī)范化級別模式評價與改進模式評價對實際性能進行估計，包括邏輯記錄的存取數(shù)、傳送量以及物理結構設計算法的模型等。性能評價（執(zhí)行效果）對照需求分析的結果，檢查規(guī)范化后的關系模式集合是否支持用戶所有的應用要求。功能評價（出現(xiàn)問題，回溯分析）模式評價與改進模式改進如果因為系統(tǒng)需求分析、概念結構設計的疏漏導致某些應用不能得到支持，則應該增加新的關系模式或屬性。如果因為性能考慮而要求改進，則可采用合并或分解的方法。（1）合并：

減少連接操作，提高查詢效率。（2）分解：提高數(shù)據(jù)操作的效率和存儲空間的利用率。案例的邏輯結構設計依據(jù)轉換原則，將概念模型中得到的全局E-R模型中四個實體和四個聯(lián)系分別轉換成四個關系模式。案例的初始關系模式設計由于上述轉換基于的是全局E-R模型，因此，上述轉換得到的模式滿足3NF。案例關系模式的規(guī)范化案例的邏輯結構設計對關系模式進行合并處理，合并具有相同主碼的關系模式。案例關系模式的評價和改進學生（學號，姓名，性別，年齡）系（系編號，系名，電話）課程（課程號，課程名）教師（教師號，姓名，性別，職稱）屬于（教師號，系編號）講授（教師號，課程號）選修（學號，課程號，成績）擁有（系編號，學號） 學生（學號，姓名，性別，年齡，系編號）系（系編號，系名，電話）課程（課程號，課程名）教師（教師號，姓名，性別，職稱，系編號）講授（教師號，課程號）選修（學號，課程號，成績）物理結構設計物理結構設計對于給定邏輯模型，選取一個最適合應用環(huán)境的物理結構的過程。任務有效地實現(xiàn)邏輯模式，確定所采取的存取策略。物理結構設計確定物理結構在關系數(shù)據(jù)庫中主要指存取方法和存儲結構。評價物理結構評價的重點是時間和空間效率。確定物理結構存取方法的設計聚集——針對重復的存儲和高頻的查詢。索引——保證數(shù)據(jù)的完整性，提高查詢效率，但注意維護成本。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是多用戶共享的系統(tǒng)，對同一個關系要建立多條存取路徑才能滿足多用戶的多種應用要求。物理結構設計的任務之一是根據(jù)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)支持的存取方法確定選擇哪些存取方法。

存取方法是快速獲取數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的技術。確定物理結構存取方法的設計聚集——針對重復的存儲和高頻的查詢。為了提高查詢速度，把在一個（一組）屬性上具有相同值的元組集中存放在一個物理塊中，這個（這組）屬性稱為聚集碼。對經常在一起進行連接操作的關系可以建立聚集。如果一個關系的一組屬性經常出現(xiàn)在相等比較條件中，則該單個關系可建立聚集。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集。即對應每個聚集碼值的平均元組數(shù)不能太少，太少則聚集的效果不明顯。確定物理結構存取方法的設計索引——保證數(shù)據(jù)的完整性，提高查詢效率，但注意維護成本。如果一個（或一組）屬性經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。確定物理結構系統(tǒng)配置的設計DBMS產品一般都提供了一些系統(tǒng)配置變量、存儲分配參數(shù)，供設計人員和DBA對數(shù)據(jù)庫進行物理優(yōu)化。數(shù)據(jù)存放位置的設計為了提高系統(tǒng)性能，應該根據(jù)應用情況將數(shù)據(jù)的易變部分、穩(wěn)定部分、經常存取部分和存取頻率較低部分分開存放。多磁盤下：將表和索引、日志和數(shù)據(jù)庫對象分開存儲。評價物理結構評價重點是時間效率和空間效率。評價物理數(shù)據(jù)庫的方法完全依賴于所選用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，主要是從定量估算各種方案的存儲空間、存取時間入手，對估算結果進行權衡、比較，選擇出一個較優(yōu)的、合理的物理結構。數(shù)據(jù)庫實施與維護數(shù)據(jù)庫實施數(shù)據(jù)庫實施指根據(jù)邏輯結構設計和物理結構設計的結果，在計算機上建立實際的數(shù)據(jù)庫結構、裝入數(shù)據(jù)、進行測試和試運行的過程。建立實際數(shù)據(jù)庫結構裝入數(shù)據(jù)應用程序編碼與調試數(shù)據(jù)庫試運行整理文檔建立實際數(shù)據(jù)庫結構DBMS提供的數(shù)據(jù)定義語言（DDL）可以定義數(shù)據(jù)庫結構。裝入數(shù)據(jù)裝入數(shù)據(jù)又稱為數(shù)據(jù)庫加載（Loading），是數(shù)據(jù)庫實施階段的