第9章 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用高等院校計算機教材系列第9章數(shù)據(jù)庫設(shè)計9.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述9.2數(shù)據(jù)庫需求分析9.3數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計9.4數(shù)據(jù)庫行為設(shè)計9.5數(shù)據(jù)庫的實施和維護9.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述9.1.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計的特點9.1.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法概述9.1.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟

數(shù)據(jù)庫設(shè)計面臨的主要問題同時具備數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用業(yè)務(wù)知識的人很少。應(yīng)用業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的目標(biāo)是什么在一開始往往不能很明確。缺乏完善的設(shè)計工具和設(shè)計方法。用戶的要求往往并不是一開始就能完全說清楚。應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)千差萬別，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)庫系統(tǒng)應(yīng)具備的特點功能強大。能準(zhǔn)確地表示業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。容易使用和維護。對最終用戶操作的響應(yīng)時間合理。便于數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的改進。便于數(shù)據(jù)的檢索和修改。較少的數(shù)據(jù)庫維護工作。有效的安全機制能確保數(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)庫結(jié)構(gòu)對最終用戶透明。

9.1.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計的特點（1）綜合性

涉及面廣，需包含計算機專業(yè)知識及業(yè)務(wù)系統(tǒng)專業(yè)知識；要解決技術(shù)及非技術(shù)兩方面的問題；（2）靜態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計與動態(tài)行為設(shè)計是分離的

靜態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計是指數(shù)據(jù)庫的模式框架設(shè)計（包括語義結(jié)構(gòu)（概念）、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（邏輯）、存儲結(jié)構(gòu)（物理））；動態(tài)行為設(shè)計是指應(yīng)用程序設(shè)計（動作操縱：功能組織、流程控制）結(jié)構(gòu)和行為設(shè)計相互分離

部門數(shù)據(jù)分析功能分析概念模型設(shè)計邏輯模型設(shè)計物理數(shù)據(jù)庫設(shè)計加載數(shù)據(jù)庫功能模型功能說明事務(wù)設(shè)計程序設(shè)計調(diào)試運行9.1.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法概述

新奧爾良（NewOrleans）方法

需求說明需求分析概念結(jié)構(gòu)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計物理結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)物理設(shè)計數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法從本質(zhì)上看仍然是手工設(shè)計方法，其基本思想是過程迭代和逐步求精。

9.1.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本步驟需求分析概念結(jié)構(gòu)設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計物理設(shè)計數(shù)據(jù)庫實施數(shù)據(jù)庫運行和維護9.2數(shù)據(jù)庫需求分析

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

9.2.1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)存儲數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)輸出處理9.2.2需求調(diào)查需求調(diào)查：調(diào)研現(xiàn)行系統(tǒng)的業(yè)務(wù)活動規(guī)則，提取描述系統(tǒng)業(yè)務(wù)的RS模型。系統(tǒng)調(diào)查通常包括三方面內(nèi)容：業(yè)務(wù)現(xiàn)狀信息資源外部要求調(diào)查方式：①檢查文檔

②面談③觀察操作中的業(yè)務(wù)④研究和問卷調(diào)查

9.3數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計分為：數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)據(jù)庫行為設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計包括設(shè)計數(shù)據(jù)庫的概念結(jié)構(gòu)、邏輯結(jié)構(gòu)和存儲結(jié)構(gòu)。行為設(shè)計包括設(shè)計數(shù)據(jù)庫的功能組織和流程控制。

9.3.1概念結(jié)構(gòu)設(shè)計

著重信息結(jié)構(gòu)的設(shè)計；是整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵；獨立于邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計；獨立于DBMS。

概念模型的特點

有豐富的語義表達(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，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)，然后再逐步向外擴展。混合策略。將自頂向下和自底向上結(jié)合起來使用。

采用E-R模型方法的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

概念結(jié)構(gòu)是對現(xiàn)實世界的一種抽象。所謂抽象是對實際的人、物、事和概念進行人為處理，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：

分類概括聚集分類學(xué)生張三李四王五…classIsamumberof概括學(xué)生本科生研究生超類子類Isasubsetof聚集學(xué)生…實體型屬性學(xué)號姓名性別Isapartof設(shè)計全局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：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：同一對象在不同應(yīng)用中具有不同的抽象、同一實體在不同的局部E-R圖中所包含的屬性個數(shù)和屬性的排列次序不完全相同。

優(yōu)化全局E-R模型

實體個數(shù)盡可能少；實體所包含的屬性盡可能少；實體間聯(lián)系無冗余。局部ER圖nm產(chǎn)品產(chǎn)品號性能參數(shù)零件零件號價格組成零件個數(shù)nm材料材料號材料類型產(chǎn)品零件號規(guī)格使用使用量庫存量合并示例nnm產(chǎn)品產(chǎn)品號性能參數(shù)零件零件號規(guī)格組成零件個數(shù)價格使用使用量材料號材料類型庫存量材料9.3.2邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

一個實體轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。實體的屬性就是關(guān)系的屬性，實體的標(biāo)識符就是關(guān)系的碼。對于實體間的聯(lián)系有以下不同的情況：一個1：1聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式，也可以與任意一端所對應(yīng)的關(guān)系模式合并。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端所對應(yīng)的關(guān)系模式合并。一個m：n聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。

三個或三個以上實體間的一個多元聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。

具有相同碼的關(guān)系模式可以合并。

1:1轉(zhuǎn)換示例部門表（部門號，部門名，經(jīng)理號）經(jīng)理表（經(jīng)理號，經(jīng)理名，電話）或者：部門表（部門號，部門名）經(jīng)理表（經(jīng)理號，部門號，經(jīng)理名，電話）11經(jīng)理部門管理部門名部門號經(jīng)理號經(jīng)理名電話1:n轉(zhuǎn)換示例部門表（部門號，部門名）職工表（職工號，部門號，職工名，工資）

n1職工部門工作部門名部門號職工號職工名工資m:n轉(zhuǎn)換示例教師表（教師號，教師名，職稱）課程表（課程號，課程名，學(xué)分）授課表（教師號，課程號，授課時數(shù)）nm課程教師授課教師名教師號課程號課程名學(xué)分職稱授課時數(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。消除冗余的聯(lián)系。確定最合適的范式。確定是否要對某些模式進行分解或合并。對關(guān)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。

水平分解以時間、空間、類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，時空范圍相對集中，便于管理。

K#A1…AmK#A1…AmK#A1…Am垂直分解以非主屬性所描述的應(yīng)用對象生命歷程的先后為條件，對應(yīng)相同歷程的屬性為一個子表。分解的依據(jù)是將非主屬性按其數(shù)據(jù)生成的時間段劃分，描述相同時間段的屬性劃分在一個組中。使操作同表數(shù)據(jù)時時空范圍相對集中，便于管理。K#A11…A1mA21…A2nK#A11…A1mK#A21…A2n

設(shè)計外模式

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)庫管理系統(tǒng)的特點，設(shè)計用戶的外模式。外模式概念對應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的視圖概念，設(shè)計外模式是為了更好地滿足局部用戶的需求。定義數(shù)據(jù)庫的模式主要是從系統(tǒng)的時間效率、空間效率、易維護等角度出發(fā)。定義外模式考慮事項使用更符合用戶習(xí)慣的別名。對不同級別的用戶定義不同的視圖，以保證數(shù)據(jù)的安全。簡化用戶對系統(tǒng)的使用。

9.3.3物理結(jié)構(gòu)設(shè)計

對已確定的邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，利用DBMS提供的方法、技術(shù)，以較優(yōu)的存儲結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存取路徑、合理的數(shù)據(jù)存儲位置以及存儲分配，設(shè)計出一個高效的、可實現(xiàn)的物理數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計通常分為兩步：確定數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)；對物理結(jié)構(gòu)進行時間和空間效率的評價。物理結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容和方法

對于數(shù)據(jù)查詢，需要得到如下信息：查詢所涉及的關(guān)系；查詢條件所涉及的屬性；連接條件所涉及的屬性；查詢列表中涉及的屬性。對于更新數(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

一般用戶可以通過建立索引的方法來加快數(shù)據(jù)的查詢效率。

建立索引的一般原則為：在經(jīng)常作為查詢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。對經(jīng)常進行連接操作的表可以建立索引。一個表可以建立多個索引，但只能建立一個聚簇索引。

確定存儲結(jié)構(gòu)一般的存儲方式有：順序存儲散列存儲聚簇存儲一般情況下系統(tǒng)都會為數(shù)據(jù)選擇一種最合適的存儲方式。

物理結(jié)構(gòu)設(shè)計的評價

評價物理結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法完全依賴于具體的DBMS，主要考慮的是操作開銷，即為使用戶獲得及時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)所需的開銷和計算機的資源的開銷。具體可分為如下幾類：查詢和響應(yīng)時間更新事務(wù)的開銷生成報告的開銷主存儲空間的開銷輔助存儲空間的開銷

9.4數(shù)據(jù)庫行為設(shè)計

9.4.1功能需求分析9.4.2功能設(shè)計9.4.3事務(wù)設(shè)計9.4.1功能需求分析在進行需求分析時，我們實際上進行了兩項工作，一項是“數(shù)據(jù)流”的調(diào)查分析，另一項是“事務(wù)處理”過程的調(diào)查分析。數(shù)據(jù)流的調(diào)查分析為數(shù)據(jù)庫的信息結(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)計的基礎(chǔ)。

對行為特性要進行的分析標(biāo)識所有的查詢、報表、事務(wù)及動態(tài)特性，指出對數(shù)據(jù)庫所要進行的各種處理；指出對每個實體所進行的操作（增、刪、改、查）；給出每個操作的語義，包括結(jié)構(gòu)約束和操作約束；給出每個操作（針對某一對象）的頻率；給出每個操作（針對某一應(yīng)用）的響應(yīng)時間；給出該系統(tǒng)總的目標(biāo)。9.4.2功能設(shè)計

¨¨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)報到…錄入修改查詢修課管理9.4.3事務(wù)設(shè)計

事務(wù)處理是計算機模擬人處理事務(wù)的過程，包括：輸入設(shè)計輸出設(shè)計功能設(shè)計等等

輸入設(shè)計

原始單據(jù)的設(shè)計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)計用途。區(qū)分輸出結(jié)果是給客戶的還是用于內(nèi)部或報送上級領(lǐng)導(dǎo)的。輸出設(shè)備的選擇。是僅僅顯示出來，還是要打印出來或需要永久保存。輸出量。輸出格式。9.5數(shù)據(jù)庫的實施和維護

9.5.1數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的加載和試運行9.5.2數(shù)據(jù)庫的運行和維護9.5.1數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的加載和試運行數(shù)據(jù)加載在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，一般數(shù)據(jù)量都很大，各應(yīng)用環(huán)境差異也很大。為了保證數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)正確、無誤，必須十分重視數(shù)據(jù)的校驗工作。在將數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，應(yīng)該進行多次的校驗。

對于重要的數(shù)據(jù)的校驗更應(yīng)該反復(fù)多次，確認(rèn)無誤后再進入到數(shù)據(jù)庫中。

9.5.1數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的加載和試運行數(shù)據(jù)庫的試運行在有一部分?jǐn)?shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)庫之后，就可以開始對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行聯(lián)合調(diào)試了，這個過程又稱為數(shù)據(jù)庫試運行。這一階段要實際運行數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序，執(zhí)行對數(shù)