第5章 數(shù)據(jù)庫設計

第5章數(shù)據(jù)庫設計主要內容：

●

DB設計及過程；●

需求分析；●概念設計；●邏輯設計；●物理設計；●實現(xiàn)與維護。重點：

●DB概念設計；

●關系DB邏輯設計。一、什么是DB設計？DB設計：從用戶對數(shù)據(jù)的需求出發(fā)，研究并構造數(shù)據(jù)庫結構的過程。DB設計的應用：計算機信息管理系統(tǒng)。DB設計的主要目標：

⑴滿足應用功能需求

·將用戶當前和可預知的將來應用的數(shù)據(jù)及其聯(lián)系全部準確地存入DB中。

·滿足用戶對數(shù)據(jù)進行的存、取、查詢、刪、改等操作要求。

⑵具有良好的DB性能指對數(shù)據(jù)的高效率存取和空間的節(jié)省，并且具有良好數(shù)據(jù)共享性、完整性、一致性及安全保密性。5.1數(shù)據(jù)庫設計的步驟二、DB設計的步驟1、DBS生存期數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)生存期：把數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)從開始規(guī)劃、分析、設計、實現(xiàn)，投入運行后的維護到最后為新的系統(tǒng)取代而停止使用的整個期間稱為DBS的生存期。規(guī)劃階段需求分析階段概念設計階段邏輯設計階段物理設計階段實現(xiàn)階段運行與維護階段DBS生存期的7個階段：2、DB設計步驟DB設計隸屬于DBS生存期中。需求分析物理設計邏輯設計概念設計DB設計過程包括：用戶要求DBMS性能要求硬件和OS特征⑴需求分析目標：調查與分析用戶的信息要求及應用處理要求和安全性和完整性的要求；將結果按一定的格式寫成需求說明書。交下一階段設計使用。⑵概念設計目標：對需求說明書提供的所有信息，應用處理要求，安全性和完整性的要求進行抽像與綜合處理，按一定的方法構造相應的概念模型。（如ER模型：獨立于DBMS）⑶邏輯設計目標：將概念模型轉換成等價的并為某個特定的DBMS所接受的DB邏輯結構。⑷物理設計目標：將邏輯DB結構轉換成特定的計算機系統(tǒng)所接受的物理DB結構。關系：前一階段的結果作為后一階段工作的依據(jù)；若前一階段出現(xiàn)錯誤，相應地要修改后階段的有關內容。

一、需求分析的步驟步驟：①確定數(shù)據(jù)庫的范圍

②數(shù)據(jù)應用過程的分析

③數(shù)據(jù)收集與分析

④文檔整理及系統(tǒng)評審二、需求分析的內容1、確定數(shù)據(jù)庫的范圍確定DB應支持哪些應用功能。盡可能考慮到將來的應用要求，提高DB的應變能力。手段：借助機構與職能關系圖確定DB范圍，可作為概念設計的局部化處理和子模式設計。例：公司機構與職能關系圖：公司財務科生產科銷售科銷售產品設計產品制造日常報銷成本計算統(tǒng)計報表業(yè)務核算5.2需求分析2、數(shù)據(jù)應用過程分析當DB范圍確定后，進行應用過程分析。 每一個部門或業(yè)務要用到哪些元數(shù)據(jù)（metadata）。數(shù)據(jù)使用的順序 對數(shù)據(jù)作何種處理及處理的策略 處理的結果等用數(shù)據(jù)流程圖（DFD）和數(shù)據(jù)字典（DD）描述業(yè)務流程和記載數(shù)據(jù)。手段：數(shù)據(jù)流程圖（DFD）描述業(yè)務流程：數(shù)據(jù)流，處理框，存儲信息框，實體。 數(shù)據(jù)字典（DD）：登記DFD中,數(shù)據(jù)流，處理框，存儲信息框和實體的詳細數(shù)據(jù)。3、數(shù)據(jù)的收集與分析數(shù)據(jù)收集與分析的對象：報表，文件，單據(jù)及各種原始資料等。

主要內容：數(shù)據(jù)收集與分析的內容：靜態(tài)數(shù)據(jù)結構動態(tài)數(shù)據(jù)結構數(shù)據(jù)約束⑴靜態(tài)數(shù)據(jù)結構內容：整理和登記每個數(shù)據(jù)的靜態(tài)特征：數(shù)據(jù)名，用途，主人，用戶，來源，去向，存檔時間，數(shù)據(jù)量，意義，類型，長度等。⑵動態(tài)數(shù)據(jù)結構指施加于數(shù)據(jù)之上的操作以后的數(shù)據(jù)狀況。內容：整理和登記每個數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)操作特征：操作類型：建立，查詢，輸入，制表，統(tǒng)計，修改，刪除等。執(zhí)行時間和操作頻率：單位時間執(zhí)行的次數(shù)及數(shù)據(jù)量等。

⑶數(shù)據(jù)約束數(shù)據(jù)的安全保密；數(shù)據(jù)的完整性；數(shù)據(jù)的響應時間；數(shù)據(jù)恢復：指轉儲及恢復的時機與范圍等要求。

4、文檔整理及評審需求分析文檔資料：是需求分析階段的重要資料，以需求分析說明書的形式整理成冊。需求分析說明書的主要內容：

⑴明確標明DB的功能目標，應用范圍和應達到的應用處理功能。

⑵標明不同用戶視圖范圍，確定不同部門或功能的局部視圖范圍。

⑶應用處理過程需求說明：

⑷數(shù)據(jù)流程圖和數(shù)據(jù)字典各類的原始資料：單據(jù)，報表，文件等資料

⑸數(shù)據(jù)量的統(tǒng)計

⑹數(shù)據(jù)約束描述評審由有關專家組成的評審小組，對《需求說明書》進行審查。5.3概念結構設計一、概念模型概念設計的任務：是在需求分析階段產生的需求分析說明書的基礎上，按照特定的方法抽象或合成滿足需求的用戶信息結構，該信息結構通常稱為概念模型。1、概念模型概念模型是表達概念設計的結果工具。

①概念模型是現(xiàn)實世界到計算機世界過度的一種中間層次：（企業(yè)模型）客觀事物概念模型DBMS支持的數(shù)據(jù)模型現(xiàn)實世界信息世界計算機世界抽象、合成轉換②概念模型的特點

概念模型是現(xiàn)實世界的抽像和概括，它能真實充分地反映現(xiàn)實世界的事物及事物之間的聯(lián)系，有豐富的語義表達能力，能表達用戶各種需求及對數(shù)據(jù)對象的處理要求。概念模型獨立于任何軟件與硬件，易于理解，方便用戶與DB設計人員交流。概念模型易于變動，有利于修改和擴充。概念模型易于向關系，層次，網狀等各種數(shù)據(jù)模型轉換，即易于從概念模型導出DB的邏輯模型。③常用的概念模型是E-R模型2、基本E-R模型基本E-R模型由：實體（方框），聯(lián)系（棱形框）和屬性（圓或橢圓框）組成。如：SNOAGESEXSNMAECNOCNAMELOCAGRADESTUDENTCOURSESCnm3.聯(lián)系的分解與合并如：分解教師教師課程課程擔任主講輔導nmmnn1合并：合并聯(lián)系類型必須定義在相同的實體類型組合中，否則為不合法合并：如：ACBCBAA-CB-CA-B-C不合法二、基于E-R模型的概念設計DB概念設計步驟：構造局部的E-R模型合并成全局的E-R模型優(yōu)化全局的E-R模型

1、構造局部的E-R模型步驟：確定局部結構范圍選擇實體選擇關鍵字確定實體間的聯(lián)系確定實體內部屬性

⑴確定局部結構的范圍確定的基本準則：按行政部門或用戶對信息功能相對獨立的要求歸類構成局部的結構?？紤]的因素：范圍的劃分自然，易于管理；界面清晰，相互影響小。范圍的大小要適度，?？砂?-9個原始實體為宜。（范圍大：造成內部結構復雜，不便于分析；范圍?。菏乖O計繁瑣，綜合困難大）⑵選擇實體通常選擇實際工作中習慣使用的信息單位為選擇實體的基礎。⑶選擇實體的關鍵字實體的存在依賴于其關鍵字的存在。實體關鍵字的確定除了能唯一標識實體外，還應注意實際應用中的習慣與方便。⑷聯(lián)系的確定

方法：將局部范圍的實體逐一取出與該范圍內的其他實體試行匹配，考察能否找到與試配的兩實體間都有關的問題或同一任務中均使用了兩個實體值，若是則建立聯(lián)系，并為聯(lián)系取唯一的名字。確定聯(lián)系是1:1或1:n或n:m?？紤]是否有冗余的聯(lián)系（由其它聯(lián)系導出），有則消除。⑸確定實體的屬性屬性分為：標識屬性：用作實體的關鍵字 說明屬性：描述實體的一般特征注：確定實體的屬性就是確定說明屬性。確定說明屬性的工作：①確定屬性 ②把屬性分配到有關實體或聯(lián)系中。確定屬性的原則：說明屬性應是單值的。即不允許嵌套屬性和重復組屬性在實體中出現(xiàn)。說明屬性從功能上應從屬于標識屬性。即屬性分配到實體中是否合理，取決于該屬性是否通過該實體中的關鍵字找到，且它們之間在應用中具有某種聯(lián)系。不同實體的屬性之間應無直接關聯(lián)關系。⑹確定實體與屬性的調整原則在構造局部E-R圖中，關鍵是：如何劃分實體與屬性？實體與屬性之間不存在嚴格的界限。劃分實體與屬性的總體原則：首先按現(xiàn)實世界中事物的自然劃分來定義實體與屬性，然后再進行必要的調整。調整的原則：①實體與描述它的屬性間保持1:1或n:1的聯(lián)系。如：職工實體的屬性：年齡，性別，民族等就符合這一原則。一個職工只能有一個年齡值，一種性別，屬于一個民族；可以有許多職工具有同一年齡，同一性別，同屬于一個民族。按自然劃分可能出現(xiàn)實體與屬性為1:n的聯(lián)系。如：職工實體與屬性子女之間就屬于1：n情況：一個職工可能有多個子女。姓名年齡民族性別子女姓名性別年齡因此，完全按照自然劃分就不符合這里的原則①，可進行如下調整：（子女作實體）職工子女姓名年齡民族性別姓名性別年齡親屬1n②描述實體的屬性本身不能再有需要描述的性質。例如：上例職工實體中屬性子女不但違反了原則①，而且違反了原則②。又如：下列圖書實體中“作者”屬性就違反了原則②。書號書名類別作者姓名單位圖書作者著作書號書名類別姓名單位1n將“作者”化為實體③基本數(shù)據(jù)項作為屬性，導出數(shù)據(jù)項（或復合項）一般不作為屬性。如：商品商品號商品名單價數(shù)量總額其中：總額=單價數(shù)量為導出數(shù)據(jù)項不能作屬性商品商品號商品名單價數(shù)量2、構造全局的E-R圖例：從化工廠的技術部門設計的局部的E-R圖如下：指在同一時刻，只考慮兩個局部信息結構的合并，且只產生一個信息結構作為合并的結果。⑴合并的方法：二元合并法將局部的E-R圖合并成全局的E-R圖。而從供應部門可設計另一局部E-R圖如下：合并：找兩個性質相同的實體合并：產品組成零件產品號性能參數(shù)零件數(shù)材料名耗用量零件號mn產品號產品使用倉庫材料存放電話地址倉庫名存放量庫存量材料價格材料名用量產品價格mnmn材料價格產品材料倉庫零件構成存放使用組成性能參數(shù)產品價格產品號零件數(shù)用量耗用量零件號庫存量材料名存放量電話地址庫存名mmnnmnnm在合并過程中，會存在不同用戶觀點下產生的數(shù)據(jù)的不一致性和數(shù)據(jù)冗余，即沖突問題。

沖突分為三類：

材料名①屬性沖突：

屬性域沖突：屬性值的類型，取值范圍或取值集合的不同，如：零件號的編碼方式不同。

屬性取值單位沖突：如重量用公斤或用頓。②結構沖突：同一對象在不同的應用中的不同抽象。如職工在某應用中為實體，而在別一應用中為屬性。同一實體在不同局部E-R圖中屬性組成不同，包括：個數(shù)，次序。實體的聯(lián)系在不同局部E-R圖中呈現(xiàn)不同的類型。在某一應用中為1:1，在另一應用中為n:m等。③命名沖突包括：屬性名，實體名，聯(lián)系名之間的沖突：同名異義，異名同義：解決方法重新命名。在合并時，消除以上沖突。⑵優(yōu)化全局E-R模型優(yōu)化全局E-R模型的方法：實體類型的合并。消除冗余的屬性和聯(lián)系。①實體類型的合并（減少實體個數(shù)及聯(lián)系個數(shù)，提高處理效率）相關實體類型的合并。一般把1：1聯(lián)系的兩個實體類型合并。合并具有相同關鍵字實體類型。②消除冗余的屬性在合并后可能會產生全局范圍內的冗余屬性。（存在屬性可由其它屬性導出）利用分析方法消除冗余屬性。如上例E-R圖中：“用量”屬性可由“零件數(shù)”屬性和“耗用量”導出，所以“用量”屬性可以去掉，“庫存量”屬性可由“存放量”及其它數(shù)據(jù)導出，所以“庫存量”屬性可以去掉。③消除冗余的聯(lián)系（可由基本聯(lián)系導出）方法：利用規(guī)范化理論消除冗余聯(lián)系。如：上E-R圖中：“使用”聯(lián)系可由產品與零件，零件與材料的聯(lián)系導出，因此：“使用”可去掉。材料價格產品材料倉庫零件構成存放組成性能參數(shù)產品價格產品號零件數(shù)耗用量零件號材料名存放量電話地址庫存名mnmnnm上例優(yōu)化后全局E-R模型：材料名例：在教學管理中有如下幾個實體：

“教師”實體包括：教師號，姓名，職稱，專業(yè)屬性。

“學生”實體包括：學號，姓名，專業(yè)，入學時間屬性。

“課程”實體包括：課程號，課程名，學時。假定：在某個時間某個地點一位教師可指導多個學生，但某個學生在某一時間和地點只能被一位教師所指導。一個教師可講多門課程，一門課程可被多個教師所講授。試畫出教師與學生聯(lián)系的E-R圖。E-R圖如下：教師號教師指導學生姓名職稱專業(yè)姓名專業(yè)入學時間1m時間學號地點課程講授mn課程號課程名學時

5.4邏輯結構設計將概念模型轉換成為等價的，并為特定的DBMS所支持的邏輯模型。即：現(xiàn)實世界所需管理的數(shù)據(jù)概念模型關系模型網狀模型層次模型一、DB邏輯設計的步驟1、將概念模型轉換成等價的DB邏輯模型2、關系模式規(guī)范化對關系模型來說，將轉換成的關系模式進行初步優(yōu)化,步驟：利用規(guī)范化理論，考察關系模式的函數(shù)依賴關系，確定范式等級（一般3NF可以）。對關系模式進行合并和分解。3、模式優(yōu)化為了提高對數(shù)據(jù)的存取效率，對產生的關系模式進行優(yōu)化，即修改、調整和重構模式。二、E-R模型向關系模型的轉換轉換規(guī)則：1、實體型轉換方法一個實體型轉換成一個關系模式。實體的名，屬性名及關鍵字均可作為關系模式名，屬性名和關鍵字。（亦可重新取名）2、聯(lián)系轉換的方法：⑴對E-R圖中每個K（K>2）元聯(lián)系集產生一個對應的關系模式。該關系模式的關鍵字為與之相聯(lián)系的實體型的關鍵字的組合組成，如果聯(lián)系帶有屬性，則作為該關系模式的屬性。三元聯(lián)系EE轉換一個對應的新關系模式：EE（K1，K2，K3）E1E2E3EEK1K3K2如：K1,k2,k3分別是E1，E2,E3的主關鍵字零件零件號單價零件名產品產品號型號產品名mpn供應數(shù)量供應商供應商號供應商名地址供應商（供應商號，供應商名，地址）；零件（零件號，零件名，單價）；產品（產品號，產品名，型號）；供應（供應商號，零件號，產品號，數(shù)量）。其中，供應關系中的供應商號，零件號，產品號分別是該關系的三個外關鍵字組成的主關鍵字。例:三元聯(lián)系轉換⑵對于“多對多”二元聯(lián)系，則產生一個對應的新關系模式。該關系模式的關鍵字是與之相聯(lián)系的實體關鍵字組合而成，如果該聯(lián)系帶有屬性，則作為新關系模式的屬性。如：E1EEE2K1K2nm則：“多對多”的二元聯(lián)系EE產生一個對應的新關系模式：EE（K1，k2）

（K1和K2是EE的復合關鍵字）例：多對多二元聯(lián)系的E-R圖轉換為一個新關系模式

nm學生選修課程學號姓名性別課程號學時數(shù)課程名成績

學生（學號，姓名，性別）；課程（課程號，課程名，學時數(shù)）；

選修（學號，課程號，成績）。其中，學號和課程號分別為該關系“選修”的兩個外關鍵字。

⑶對“1對多”二元聯(lián)系，則不產生對應的新關系模式，只要將為1的一方的實體的主關鍵字放入為“多”的一方的關系模式中即可，如果該聯(lián)系帶有屬性則將該屬性也放入為“多”的一方的關系模式中。如：二元聯(lián)系EE不產生新關系模式，其轉換方式：E1（K1，……）E2（K2，K1，……）（E2的主關鍵字為K2；K1為外來關鍵字，它起到聯(lián)系的作用）E1EEE2K1K21n例：“一對多”二元聯(lián)系的E-R圖轉換的關系模式n1倉庫存儲產品倉庫號地點面積產品號價格產品名數(shù)量倉庫（倉庫號，地點，面積）；產品（產品號，產品名，價格，倉庫號，數(shù)量）。倉庫號是外關鍵字⑷對于“1對1”二元聯(lián)系，其轉換可能有以下三種方案：

不產生新關系模式的方案：②方案：E1（K1，……）E2（K2，……，K1，S）（K1為外關鍵字）③方案：E1（K1，……，K2，S）（K2為外關鍵字）

E2（K2，……）常采用的方法：將任意一方的主關鍵字放到對方轉換的關系模式中，作外關鍵字。E1EEE2K1K211s①方案：產生新關系模式E1（K1，……）E2（K2，……）EE（K1，K2，S）（k1和K2組合為EE主關鍵字）11職工負責產品職工號姓名年齡產品號價格產品名方法1：將1:1聯(lián)系“負責”形成獨立的關系，轉換后的關系模型為：職工（職工號，姓名，年齡）；產品（產品號，產品名，價格）；負責（職工號，產品號）。不產生關系模式的方案：方法2：將“產品”主鍵產品號放到“職工”關系中，就取得了“負責”聯(lián)系。轉換后的關系模型為：職工（職工號，姓名，年齡，產品號）；產品（產品號，產品名，價格）。方法3：將“職工”主鍵職工號放到“產品”關系中，也可以取得“負責”的聯(lián)系。，轉換后的關系模型為：職工（職工號，姓名，年齡）；產品（產品號，產品名，價格，職工號）。上面的三種方法中不難發(fā)現(xiàn)，方法1中的關系多，增加了系統(tǒng)的復雜性；方法2中由于并不是每個職工都負責產品，這樣會造成產品號屬性空值較多；綜合比較方法3較合理。三、DB的E-R圖和邏輯設計例子如：圖書借閱管理系統(tǒng)中：圖書：書號，書名，數(shù)量，存放位置。借書人：借書證號，姓名，單位，借書日期和還書日期。出版社：出版社名，電話，地址。聯(lián)系如下：任何人可借多種書，任何一種書可為多個人所借。一個出版社可出版多種書籍，同一本書僅為一個出版社出版。試作如下設計：⑴構造滿足需求的E-R圖。⑵轉換為等價的關系模型結構。解：（1）數(shù)量⑵轉換后的關系模型借書人（借書證號，姓名，單位）圖書（書號，書名，數(shù)量，存放位置,出版社名）出版社（出版社名，電話，地址）

借閱（借書證號，書號，借書日期，還書日期）借書證號借書人出版社圖書借閱出版姓名單位出版社名借書日期還書日期地址電話書號位置書名mnm1

5.5物理結構設計對于一個給定的DB邏輯結構選取一個最適合應用環(huán)境的物理結構的過程，稱為DB物理設計。一、物理設計的主要任務及步驟1、主要任務確定DB在物理存儲設備上的存儲結構及訪問方法。確定DB的存儲結構:選擇物理塊的大小，緩沖區(qū)的個數(shù)和大小，數(shù)據(jù)壓縮等。確定數(shù)據(jù)的訪問方法。2、物理設計步驟：⑴存儲記錄結構的設計：記錄的組成，數(shù)據(jù)項的類型和長度，邏輯記錄到物理記錄的映射。⑵確定數(shù)據(jù)存儲安排：利用聚集技術處理數(shù)據(jù)在不同的存儲區(qū)中。⑶訪問方法的設計。⑷完整性和安全性的考慮。⑸程序設計。3、物理設計說明書

存儲記錄格式。內容：存儲記錄位置分布及訪問方法。

對硬件，軟件系統(tǒng)的約束。4、物理設計的性能指標：⑴查詢響應時間⑵更新事務的開銷⑶報表生成的開銷⑷重組步驟的開銷⑸主存空間⑹輔存空間二、關系DB的物理設計關系DB的物理設計的特點之一，不需要存儲結構和訪問方法的設計，因而其物理設計比較簡單。關系DB的物理設計的主要任務：對關系建立索引和聚集來實現(xiàn)和改善存取效率。1、建立索引目的：加快查找速度，提高查找效率，但浪費存儲空間。對象：對使用頻率較高的屬性建立索引。方式：靜態(tài)：指應用人員預先建立的索引，適用于多個用戶，且周期較長。