第五章数据库系统设计ppt课件

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1、第五章 数据库系统设计,本章主要内容: 数据库应用系统设计方法 数据库应用系统设计内容,5.1 数据库设计概述,要建立一个数据库应用系统,需要根据数据处理的规模,对应用系统的性能要求等选择合适的计算机硬件配置(如计算机的选型,是否上网等)、软件配置(如操作系统)、选定数据库管理系统,开发语言和工具软件等,组织开发人员小组,在熟悉计算机软硬件及DBMS的基础上,完成整个应用系统的设计工作。,5.1 数据库设计概述,如何建立一个高效实用的数据库应用系统,是数据库应用领域研究的一个主要课题。 数据库设计是一项软件工程,应该把软件工程的原理和方法应用到数据库设计中。 与一般软件工程相比,数据库设计与应

2、用环境联系紧密,应用系统的信息结构复杂,加之数据库系统本身的复杂性,因此数据库设计具有自身的特点,形成了数据库设计方法学。,专业人员应具备的技术和知识 数据库的基本知识和数据库设计技术 计算机科学的基础知识和程序设计的方法和技巧 软件工程的原理和方法 应用领域的知识,5.1 数据库设计概述,数据库设计方法,数据库设计内容分为二部分:结构设计和行为设计。 结构设计主要是确定数据库的模式; 行为设计是数据库应用系统的设计,包括模块设计、界面设计、事务的划分和编写程序代码。 数据库设计一般分为多个阶段 ,每个阶段都是设计中的重要环节。 数据库设计有多种方法,如基于E-R模型的数据库设计方法,基于3N

3、F的设计方法等,可以在数据库设计的不同阶段采用不同的设计方法。,数据库设计的基本步骤,数据库的设计可分为以下六个阶段: 1. 需求分析 2. 概念设计 3. 逻辑设计 4. 物理设计 5. 数据库实施和运行 6. 数据库的使用和维护,5.2 需求分析,需求分析的任务 需求分析要获得数据库设计所必需的数据信息。这些信息包括用户的: 信息要求 指设计范围内涉及的所有信息的内容、特征、需要存储的数据。 处理要求 用户对信息加工处理的要求,包括发生的频度,响应时间,批处理还是联机处理。 安全性与完整性要求,5.2 需求分析的方法,需求分析的方法 调查用户需求。 分析和表达用户的需求。 结构化分析方法(

4、自顶向下,逐层分解) 数据流图表达了数据和处理过程的关系 确定系统边界。,主管 部门,已核对的 定单数据,核对 价格,顾客,定单数据,已核对的数据,核对 账目,批准 定单,核对定单数据,批准/不批准,已批准的定单,批准/不批准,应收账款,顾客账 目状况,产品描述,当前 价格,应收账款,接受定单的数据流图,数据字典,数据字典在数据库设计中占有很重要的地位。数据字典是系统中各类数据描述的集合,是对数据收集和数据分析的详细描述。 数据字典包括: (1) 数据项(属性、数据类型、长度、取值范围、联系) (2) 数据结构 (结构名、属性组或结构) (3) 数据流(数据流名、来源、去向、数据组成、流量)

5、(4) 数据存储(文件名、存储和存取方式、存取频度) (5) 处理过程 (判断、处理公式等),5.3 概念结构设计,概念结构设计 将需求分析得到的用户需求抽象为信息结构即概念模型。概念结构设计是整个数据库设计的关键。 概念模型独立于数据模型,与采用的DBMS无关。 设计概念结构的方法 自顶向下 自底向上 逐步扩张 (从核心结构开始) 混合策略,自顶向下策略,概念结构设计的方法与步骤(续),自底向上策略,概念结构设计的方法与步骤(续),逐步扩张,5.3 概念结构的E-R图表示,概念模型最常用的表示方法是E-R图 E-R图表示: 实体(矩形) 属性(椭圆形) 实体间的联系(菱形) 实体之间的联系可

6、以分为三类: 一对一联系(1:1) 一对多联系(1:n) 多对多联系(m:n),实体型之间的联系可以分为三类: 一对一联系(1:1) 实体集A中的一个实体,在实体集B中至多有一个实体与之有联系,反之亦然。,一对多联系(1:n) 实体集A中的一个实体,在实体集B中有n( n0)个实体与之有联系,反之,在实体集B中的实体,在实体集A中至多只有一个实体与之有联系 。,多对多联系(m:n) 实体集A中的一个实体,在实体集B中有n ( n0)个实体与之有联系,反之,在实体集B中的实体,在实体集A中也有m (m0)个实体与之有联系 。,二个实体间的不同联系,二个实体间联系的E-R图表示,E-R模型的表示,

7、5.3.3 数据抽象与局部视图设计,一般有三种抽象: 分类 定义某一类概念作为现实世界中一组对象的类型。对个体进行分类。 聚集 定义某一类型的组成成分。由不同属性组成实体。 例如:某个人预订了某航空公司 某天某航班的飞机票。 概括 定义类型之间的一种子集联系。 超类、子类间的关系。,。 。,5.3.3 数据抽象与局部视图设计,概念设计主要是确定:实体、属性、实体标识符、实体间的联系。 划分实体与属性的准则 属性不能再用属性描述,是不可再分的数据项。 属性不能与其它实体有联系。 例如:价格、职称,局部设计后得到各个分E-R图。,5.3.4 视图的集成,视图的集成是将各子系统的分E-R图综合成一个

8、总的E-R图。 视图集成一般有两种方式: 多个分E-R图一次集成 逐步集成,如用累加的方式一次集成两个分E-R图,5.3.4 视图的集成,集成分E-R图: (1)合并 解决各分E-R图之间的冲突,将各分E-R合成初步E-R图。 冲突: 属性冲突 :类型、取值范围、长度 命名冲突:同名异义、异名同义 结构冲突:属性数、作为实体或属性 联系类冲突,两类属性冲突 属性域冲突: 属性值的类型、取值范围或取值集合不同。 例1,某些部门将学号定义为整数形式, 而另一些部门将学号定义为字符型形式。 例2, 某些部门以出生日期形式表示学生的年龄,而另一些部门用整数形式表示学生的年龄。 属性取值单位冲突。 例:

9、学生的身高,有的以米为单位,有的以厘米为单位,有的以尺为单位。,两类命名冲突 同名异义(一名多义) 不同对象在不同的局部应用中具有相同的名字 例,局部应用A中 将 教室 称为房间 局部应用B中 将 学生宿舍 称为房间 异名同义(一义多名) 同一意义的对象在不同的局部应用中具有不同的名字 例,有的部门把 教科书 称为 课本 有的部门则把 教科书 称为 教材,两类结构冲突 同一对象在不同应用中具有不同的抽象 例,“课程”在某一局部应用中被当作实体 在另一局部应用中则被当作属性 解决方法:通常是把属性变换为实体。 同一实体在不同局部视图中所包含的属性不同。 例,学生(学号,姓名,平均成绩) 学生(学

10、号,姓名,年龄,所在系) 学生(学号,姓名,政治面貌,籍贯) 解决方法:使该实体的属性取各分E-R图中属性的并集。,联系冲突 实体间的联系在不同局部视图中呈现不同的类型 例,实体E1与E2有多对多或一对多联系 例,实体E1、E2、E3三者之间有联系。 解决方法:根据应用语义对实体联系的类型进行综合或调整。,5.3.4 视图的集成,集成分E-R图的步骤 (2)消除冗余 消除不必要的冗余, 生成基本E-R图。 冗余数据、冗余联系的例子,5.4 逻辑结构设计,逻辑结构设计 把概念结构设计阶段设计好的基本E-R图转换为与选用DBMS产品所支持的数据模型相符合的逻辑结构。 概念结构是独立于任何一种数据模

11、型的信息结构。 逻辑结构设计是与具体的DBMS相关的。,逻辑结构设计的方法: 1. 将概念结构转换为一般的关系、网状、层状模型; 2. 将转换来的关系、网状、层状模型向特定DBMS支持下的数据模型转换; 3. 对数据模型进行优化。,5.4.1 E-R图向关系模型的转换,将实体和实体间的联系转换为关系模式的一般转换原则: 一个实体型转换为一个关系模式。 一个联系转换为一个关系模式。 (1)一个1:1联系可以转为一个独立的关系模式。 (2)一个1:n联系可以转为一个独立的关系模式。 (3)一个m:n联系转换为一个关系模式。 (4)三个或三个以上实体间的一个多元联系可以转换为一个关系模式。 具有相同

12、键的关系模式可合并。,三个或三个以上实体间的一个多元联系转换为一个关系模式。 关系的属性:与该多元联系相连的各实体的键以及联系本身的属性 关系的键:各实体键的组合,一个1:1联系转换为一个独立的关系模式 关系的属性:与该联系相连的各实体的键以及联系本身的属性 关系的候选键:每个实体的键均是该关系的候选键,一个1:n联系可以转换为一个独立的关系模式。 关系的属性:与该联系相连的各实体的键以及联系本身的属性 关系的键:n端实体的键,一个m:n联系可以转换为一个独立的关系模式。 关系的属性:与该联系相连的各实体的键以及联系本身的属性 关系的键:两个实体键的组合是该关系的键,5.4.1 E-R图向关系

13、模型的转换,将E-R图转换为关系模型 部门(部门号,, 经理的职工号) 职工(职工号,, 部门号) 产品(产品号,, 组长职工号) 零件(零件号,) 供应商(供应商号,) 领导(部门号,经理的职工号) 属于(职工号,部门号) 负责(产品号,组长职工号) 参加(职工号,产品号,天数) 供应(供应商号,零件号,产品号,供应量),5.4.2 数据模型的优化,数据模型的优化(规范化理论为基础) 1. 确定数据依赖 职工号部门号 领导.职工号部门号 部门号领导.职工号 职工号领导.职工号 2. 对于各个关系模式之间 的数据依赖进行最小化 处理,消除冗余的联系。,5.4.2 数据模型的优化(续),数据模型

14、的优化 3. 按照数据依赖的理论对关系模式逐一进行分析,考察是否存在部分函数依赖、传递函数依赖、多值依赖等,确定各关系模式分别属于第几范式。 产品: 产品号、产品名、规格、型号、销售日期、销量、库存量 并非规范化程度越高越好,一般的,设计到3NF或BCNF。,5.4.2 数据模型的优化,数据模型的优化(续) 4. 对关系模式进行必要分解,提高数据库操作的效率和储存空间的利用率。 水平分解以提高效率 水平分解可以实现数据分布 垂直分解要保持无损连接性和保持函数依赖 例如:职工(职工号,姓名, ,籍贯,),5.4.3 设计用户子模式,定义数据库全局模式主要是从系统的时间效率、空间效率、易维护等角度

15、出发。 由于用户子模式与模式是相对独立的,在定义用户子模式时注重考虑用户的方便与习惯。包括: (1)使用更符合用户习惯的别名。 (2)可以对不同级别的用户定义不同的View以保证系统的安全性。 (3)简化用户对系统的使用。,5.4.3 设计用户子模式(续),例: 教师关系模式中包括:职工号、姓名、性别、出生日期、婚姻状况、学历、学位、政治面貌、职称、职务、工资、工龄、教学效果等属性。 学籍管理应用 只能查询教师的职工号、姓名、性别、职称数据; 课程管理应用 只能查询教师的职工号、姓名、性别、学历、学位、职称、教学效果数据; 教师管理应用 可以查询教师的全部数据。,5.4.3 设计用户子模式(续

16、),定义两个外模式: 教师_学籍管理(职工号,姓名,性别,职称) 教师_课程管理(工号,姓名,性别,学历, 学位,职称,教学效果) 授权学籍管理应用 只能访问 教师_学籍管理视图 授权课程管理应用 只能访问 教师_课程管理视图 授权教师管理应用 能访问教师表 防止用户非法访问本来不允许他们查询的数据,保证了系统的安全性。,5.5 数据库的物理设计,数据库的物理设计 为一个给定的逻辑数据模型选取一个最适合应用要求的物理结构的过程。 数据库物理设计的步骤: (1)确定数据库的物理结构,在关系数据库中主要指存取方法和储存结构。 (2)对物理结构进行评价,评价的重点是时间和空间效率。,5.5.1 数据库物理设计的内容和方法,设计原则 事务响应时间小 存储空间利用率高 事务吞吐率大 对于数据库查询事务,需要得到如下信息 查询的关系 查询条件所涉及的属性 连接条件所涉及的属性 查询的投影属性,5.5.1 数据库物理设计的内容和方法(续),对于数据的更新,需要得到如下信息 被更新的关系 每

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