第七章 數據庫設計1(精簡)

數據庫系統概論AnIntroductiontoDatabaseSystem第七章數據庫設計第七章數據庫設計7.1數據庫設計概述7.2需求分析7.3概念結構設計7.4邏輯結構設計7.5數據庫的物理設計7.6數據庫實施和維護7.7小結數據庫設計概述數據庫設計數據庫設計是指對于一個給定的應用環(huán)境，構造（設計）優(yōu)化的數據庫邏輯模式和物理結構，并據此建立數據庫及其應用系統，使之能夠有效地存儲和管理數據，滿足各種用戶的應用需求，包括信息管理要求和數據操作要求。目標：為用戶和各種應用系統提供一個信息基礎設施和高效率的運行環(huán)境7.1數據庫設計概述7.1.1數據庫設計的特點7.1.2

數據庫設計方法7.1.3數據庫設計的基本步驟7.1.4數據庫設計過程中的各級模式7.1.1數據庫設計的特點數據庫建設的基本規(guī)律三分技術，七分管理，十二分基礎數據管理數據庫建設項目管理企業(yè)（即應用部門）的業(yè)務管理基礎數據收集、入庫更新數據結構（數據）設計和行為（處理）設計相結合將數據庫結構設計和數據處理設計密切結合數據庫設計的特點（續(xù)）現實世界概念模型設計子模式設計物理數據庫設計邏輯數據庫設計建立數據庫數據分析功能分析功能模型功能說明事務設計程序說明應用程序設計程序編碼調試結構和行為分離的設計

7.1數據庫設計概述7.1.1數據庫設計的特點7.1.2數據庫設計方法7.1.3數據庫設計的基本步驟7.1.4數據庫設計過程中的各級模式7.1.2數據庫設計方法手工與經驗相結合方法設計質量與設計人員的經驗和水平有直接關系數據庫運行一段時間后常常不同程度地發(fā)現各種問題，增加了維護代價規(guī)范設計法基本思想：過程迭代和逐步求精數據庫設計方法（續(xù)）新奧爾良（NewOrleans）方法將數據庫設計分為若干階段和步驟

基于E-R模型的數據庫設計方法概念設計階段廣泛采用3NF（第三范式）的設計方法邏輯階段可采用的有效方法ODL（ObjectDefinitionLanguage）方法面向對象的數據庫設計方法數據庫設計方法（續(xù)）計算機輔助設計ORACLEDesigner2000SYBASEPowerDesigner7.1數據庫設計概述7.1.1數據庫設計的特點7.1.2數據庫設計方法7.1.3數據庫設計的基本步驟7.1.4數據庫設計過程中的各級模式7.1.3數據庫設計的基本步驟數據庫設計分6個階段需求分析概念結構設計邏輯結構設計物理結構設計數據庫實施數據庫運行和維護

需求分析和概念設計獨立于任何數據庫管理系統邏輯設計和物理設計與選用的DBMS密切相關數據庫設計的基本步驟（續(xù)）一、數據庫設計的準備工作：選定參加設計的人1.系統分析人員、數據庫設計人員

自始至終參與數據庫設計2.用戶和數據庫管理員主要參加需求分析和數據庫的運行維護3.應用開發(fā)人員（程序員和操作員）在系統實施階段參與進來，負責編制程序和準備軟硬件環(huán)境數據庫設計的基本步驟（續(xù)）二、數據庫設計的過程(六個階段)

⒈需求分析階段準確了解與分析用戶需求（包括數據與處理）最困難、最耗費時間的一步

數據庫設計的基本步驟（續(xù)）

⒉概念結構設計階段整個數據庫設計的關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 ⒊邏輯結構設計階段將概念結構轉換為某個DBMS所支持的數據模型對其進行優(yōu)化數據庫設計的基本步驟（續(xù)）

⒋數據庫物理設計階段為邏輯數據模型選取一個最適合應用環(huán)境的物理結構（包括存儲結構和存取方法）

⒌數據庫實施階段運用DBMS提供的數據庫語言（如SQL）及宿主語言，根據邏輯設計和物理設計的結果建立數據庫編制與調試應用程序組織數據入庫進行試運行數據庫設計的基本步驟（續(xù)）

⒍數據庫運行和維護階段數據庫應用系統經過試運行后即可投入正式運行在數據庫系統運行過程中必須不斷地對其進行評價、調整與修改數據庫設計的基本步驟（續(xù)）設計一個完善的數據庫應用系統往往是上述六個階段的不斷反復（P202圖7.2）把數據庫設計和對數據庫中數據處理的設計緊密結合起來將這兩個方面的需求分析、抽象、設計、實現在各個階段同時進行，相互參照，相互補充，以完善兩方面的設計數據庫設計各個階段的設計描述7.1數據庫設計概述7.1.1數據庫設計的特點7.1.2數據庫設計方法7.1.3數據庫設計的基本步驟7.1.4數據庫設計過程中的各級模式7.1.4數據庫設計過程中的各級模式數據庫設計不同階段形成的數據庫各級模式第七章數據庫設計7.1數據庫設計概述7.2需求分析7.3概念結構設計7.4邏輯結構設計7.5數據庫的物理設計7.6數據庫實施和維護7.7小結需求分析的任務詳細調查現實世界要處理的對象（組織、部門、企業(yè)等）充分了解原系統（手工系統或計算機系統）明確用戶的各種需求確定新系統的功能充分考慮今后可能的擴充和改變需求分析的重點調查的重點是“數據”和“處理”，獲得用戶對數據庫要求信息要求（用戶需要從數據庫中獲得信息的內容與性質，即在數據庫中需要保存哪些數據）處理要求（用戶要完成什么處理功能及要求）安全性與完整性要求需求分析的難點確定用戶最終需求用戶缺少計算機知識設計人員缺少用戶的專業(yè)知識解決方法設計人員必須不斷深入地與用戶進行交流需求分析的方法調查需求、達成共識、分析表達需求⑴調查組織機構情況⑵調查各部門的業(yè)務活動情況⑶在熟悉業(yè)務活動的基礎上，協助用戶明確對新系統的各種要求⑷確定新系統的邊界常用調查方法(1)跟班作業(yè)(2)開調查會(3)請專人介紹(4)詢問(5)設計調查表請用戶填寫(6)查閱記錄進一步分析和表達用戶需求結構化分析方法（StructuredAnalysis，簡稱SA方法）從最上層的系統組織機構入手自頂向下、逐層分解分析系統數據流數據流數據存儲信息要求數據來源處理數據輸出處理要求需求分析過程需求分析過程

數據字典數據流圖表達了數據和處理的關系數據字典是系統中各類數據描述的集合數據字典的內容數據項數據結構數據流數據存儲處理過程⒈數據項數據項是不可再分的數據單位對數據項的描述

數據項描述＝｛數據項名，數據項含義說明，別名， 數據類型，長度，取值范圍，取值含義， 與其他數據項的邏輯關系，數據項之間的 聯系｝⒉數據結構數據結構反映了數據之間的組合關系。一個數據結構可以由若干個數據項組成，也可以由若干個數據結構組成，或由若干個數據項和數據結構混合組成。對數據結構的描述

數據結構描述＝｛數據結構名，含義說明，組成:｛數據項或數據結構｝｝⒊數據流數據流是數據結構在系統內傳輸的路徑。對數據流的描述

數據流描述＝｛數據流名，說明，數據流來源，數據流去向，組成:｛數據結構｝，平均流量，高峰期流量｝⒋數據存儲數據存儲是數據結構停留或保存的地方，也是數據流的來源和去向之一。對數據存儲的描述

數據存儲描述＝｛數據存儲名，說明，編號， 輸入的數據流，輸出的數據流， 組成:｛數據結構｝，數據量，存取頻度，存取方式｝⒌處理過程具體處理邏輯一般用判定表或判定樹來描述處理過程說明性信息的描述

處理過程描述＝｛處理過程名，說明，輸入:｛數據流｝，輸出:｛數據流｝，處理:｛簡要說明｝｝數據字典舉例例：學生學籍管理子系統的數據字典。

數據項，以“學號”為例：數據項：學號含義說明：唯一標識每個學生別名：學生編號類型：字符型長度：8

取值范圍：00000000至99999999取值含義：前兩位標別該學生所在年級,后六位按順序編號與其他數據項的邏輯關系：處理過程（續(xù)） 數據結構，以“學生”為例 “學生”是該系統中的一個核心數據結構：數據結構：學生含義說明：是學籍管理子系統的主體數據結構，定義了一個學生的有關信息組成：學號，姓名，性別，年齡，所在系，年級

處理過程（續(xù)）數據流，“體檢結果”可如下描述：數據流：體檢結果說明：學生參加體格檢查的最終結果數據流來源：體檢數據流去向：批準組成：……平均流量：……高峰期流量：……處理過程（續(xù)）數據存儲，“學生登記表”可如下描述：數據存儲：學生登記表說明：記錄學生的基本情況流入數據流：……

流出數據流：……

組成：……

數據量：每年3000張存取方式：隨機存取

處理過程（續(xù)）處理過程“分配宿舍”可如下描述：處理過程：分配宿舍說明：為所有新生分配學生宿舍輸入：學生，宿舍輸出：宿舍安排處理：在新生報到后，為所有新生分配學生宿舍。要求同一間宿舍只能安排同一性別的學生，同一個學生只能安排在一個宿舍中。每個學生的居住面積不小于3平方米。安排新生宿舍其處理時間應不超過15分鐘。

數據字典數據字典是關于數據庫中數據的描述，是元數據，而不是數據本身數據字典在需求分析階段建立，在數據庫設計過程中不斷修改、充實、完善

需求分析小結設計人員應充分考慮到可能的擴充和改變，使設計易于更改，系統易于擴充必須強調用戶的參與第七章數據庫設計7.1數據庫設計概述7.2需求分析7.3概念結構設計7.4邏輯結構設計7.5數據庫的物理設計7.6數據庫實施和維護7.7小結7.3.1概念結構什么是概念結構設計將需求分析得到的用戶需求抽象為信息結構即概念模型的過程就是概念結構設計概念結構是各種數據模型的共同基礎，它比數據模型更獨立于機器、更抽象，從而更加穩(wěn)定概念結構設計是整個數據庫設計的關鍵概念結構（續(xù)）概念結構設計的特點能真實、充分地反映現實世界易于理解易于更改易于向關系、網狀、層次等各種數據模型轉換描述概念模型的工具E-R模型7.3.2概念結構設計的方法與步驟設計概念結構的四類方法自頂向下

首先定義全局概念結構的框架，然后逐步細化自頂向下策略7.3.2概念結構設計的方法與步驟自底向上

首先定義各局部應用的概念結構，然后將它們集成起來，得到全局概念結構概念結構設計的方法與步驟（續(xù)）逐步擴張

首先定義最重要的核心概念結構，然后向外擴充，以滾雪球的方式逐步生成其他概念結構，直至總體概念結構逐步擴張策略概念結構設計的方法與步驟（續(xù)）混合策略將自頂向下和自底向上相結合，用自頂向下策略設計一個全局概念結構的框架，以它為骨架集成由自底向上策略設計的各局部概念結構。概念結構設計的方法與步驟（續(xù)）常用策略自頂向下地進行需求分析自底向上地設計概念結構概念結構設計的方法與步驟（續(xù)）自底向上設計概念結構的步驟

第1步：抽象數據并設計局部視圖 第2步：集成局部視圖，得到全局概念結構7.3概念結構設計7.3.1概念結構7.3.2概念結構設計的方法與步驟7.3.3數據抽象與局部視圖設計7.3.4視圖的集成數據抽象抽象是對實際的人、物、事和概念中抽取所關心的共同特性，忽略非本質的細節(jié)，并把這些特性用各種概念精確地加以描述。概念結構是對現實世界的一種抽象三種常用抽象

1.分類（Classification）定義某一類概念作為現實世界中一組對象的類型抽象了對象值和型之間的“ismemberof”的語義數據抽象（續(xù)）數據抽象（續(xù)）2.聚集（Aggregation）定義某一類型的組成成分抽象了對象內部類型和成分之間“ispartof”的語義數據抽象（續(xù)）復雜的聚集，某一類型的成分仍是一個聚集更復雜的聚集數據抽象（續(xù)）3.概括（Generalization）定義類型之間的一種子集聯系抽象了類型之間的“issubsetof”的語義繼承性

局部視圖設計概念設計的第一步是利用抽象機制對需求分析階段收集到的數據進行分類、組織（聚集），形成實體、實體的屬性，標識實體的碼，確定實體之間的聯系類型，設計分E-R圖。⒈選擇局部應用⒉逐一設計分E-R圖選擇局部應用在多層的數據流圖中選擇一個適當層次的數據流圖，作為設計分E-R圖的出發(fā)點

通常以中層數據流圖作為設計分E-R圖的依據逐一設計分E-R圖任務將各局部應用涉及的數據分別從數據字典中抽取出來參照數據流圖，標定各局部應用中的實體、實體的屬性、標識實體的碼確定實體之間的聯系及其類型（1:1，1:n，m:n）兩條準則屬性不能再具有需要描述的性質。即屬性必須是不可分的數據項，不能再由另一些屬性組成屬性不能與其他實體具有聯系。聯系只發(fā)生在實體之間逐一設計分E-R圖（續(xù)）職稱作為一個實體逐一設計分E-R圖（續(xù)）病房作為一個實體逐一設計分E-R圖（續(xù)）倉庫作為一個實體逐一設計分E-R圖（續(xù)）［實例］銷售管理子系統分E-R圖的設計銷售管理子系統的主要功能：處理顧客和銷售員送來的訂單工廠是根據訂貨安排生產的交出貨物同時開出發(fā)票收到顧客付款后，根據發(fā)票存根和信貸情況進行應收款處理逐一設計分E-R圖（續(xù)）下圖是第一層數據流圖，虛線部分劃出了系統邊界圖7.18銷售管理子系統第一層數據流圖

逐一設計分E-R圖（續(xù)）上圖中把系統功能又分為4個子系統，下面四個圖是第二層數據流圖

圖7.19接收訂單

逐一設計分E-R圖（續(xù)）圖7.20處理訂單

逐一設計分E-R圖（續(xù)）圖7.21開發(fā)票

逐一設計分E-R圖（續(xù)）圖7.22支付過賬

逐一設計分E-R圖（續(xù)）分E-R圖的框架

逐一設計分E-R圖（續(xù)）參照第二層數據流圖和數據字典，遵循兩個準則，進行如下調整：(1)訂單與訂單細節(jié)是1∶n的聯系(2)原訂單和產品的聯系實際上是訂單細節(jié)和產品的聯系。(3)圖7.21中“發(fā)票主清單”是一個數據存儲，不必作為實體加入分E-R圖(4)工廠對大宗訂貨給予優(yōu)惠逐一設計分E-R圖（續(xù)）得到分E-R圖如下圖所示

銷售管理子系統的分E-R圖

逐一設計分E-R圖（續(xù)）對每個實體定義的屬性如下：顧客：{顧客號，顧客名，地址，電話，信貸狀況，賬目余額}訂單：{訂單號，顧客號，訂貨項數，訂貨日期，交貨日期，工種號，生產地點}訂單細則：{訂單號，細則號，零件號，訂貨數，金額}應收賬款：{顧客號，訂單號，發(fā)票號，應收金額，支付日期，支付金額，當前余額，貨款限額}產品描述：{產品號，產品名，單價，重量}折扣規(guī)則：{產品號，訂貨量，折扣}7.3概念結構設計7.3.1概念結構7.3.2概念結構設計的方法與步驟7.3.3數據抽象與局部視圖設計7.3.4視圖的集成7.3.4視圖的集成各個局部視圖即分E-R圖建立好后，還需要對它們進行合并，集成為一個整體的數據概念結構即總E-R圖。視圖集成的兩種方式多個分E-R圖一次集成一次集成多個分E-R圖通常用于局部視圖比較簡單時視圖的集成（續(xù)）逐步集成用累加的方式一次集成兩個分E-R圖視圖的集成（續(xù)）集成局部E-R圖的步驟1.合并2.修改與重構視圖的集成（續(xù)）視圖集成

合并分E-R圖，生成初步E-R圖各分E-R圖存在沖突各個分E-R圖之間必定會存在許多不一致的地方合并分E-R圖的主要工作與關鍵合理消除各分E-R圖的沖突沖突的種類屬性沖突命名沖突結構沖突⒈屬性沖突兩類屬性沖突屬性域沖突屬性值的類型取值范圍取值集合不同屬性取值單位沖突⒉命名沖突兩類命名沖突同名異義：不同意義的對象在不同的局部應用中具有相同的名字異名同義（一義多名）：同一意義的對象在不同的局部應用中具有不同的名字⒊結構沖突三類結構沖突同一對象在不同應用中具有不同的抽象同一實體在不同分E-R圖中所包含的屬性個數和屬性排列次序不完全相同實體之間的聯系在不同局部視圖中