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1、,第5章 数据库设计,主编：严冬梅,科学出版社,第5章 数据库设计,5.1 数据库设计概述 5.2 需求分析 5.3 概念结构设计 5.4 逻辑结构设计 5.5 数据库物理设计 5.6 数据库实施 5.7 数据库运行和维护 5.8 本章小结 5.9 习题,5.1 数据库设计概述,5.1.1 数据库设计的内容 5.1.2 数据库设计的基本步骤 5.1.3 数据库设计方法,5.1.1 数据库设计的内容,数据库设计的内容主要包括: 数据库的结构特性设计 数据库结构特性设计是指数据库结构的设计，设计结果能否得到一个合理的数据模型，这是数据库设计的关键。由于数据库的结构特性是静态的，一般情况下不会轻易变
2、动，所以数据库的结构特性设计又称为数据库的静态结构设计。首先要将现实世界中的事物以及事物间的联系用E-R图表示出来，再将各个分E-R图进行汇总，得出数据库的概念结构模型，然后将概念结构模型转化为数据库的逻辑结构模型表示，最后进行数据库物理设计，并建立数据库。 数据库的结构特性设计起着关键的作用。 行为特性设计 数据库的行为特性设计是指应用程序、事务处理的设计。数据库的行为特性设计是基于数据库用户的行为和动作进行设计，而用户行为总是更新数据库内容的操作，用户行为特性是动态的，所以数据库的行为特性设计又称为数据库的动态特性设计。首先要将现实世界中的数据用数据流程图和数据字典表示，并详细描述其中的数
3、据操作要求，进而得出系统的功能模块结构和数据库的子模式。,5.1.2 数据库设计的基本步骤,1. 需求分析阶段 2. 概念结构设计阶段 3. 逻辑结构设计阶段 4. 物理结构设计阶段 5. 数据库实施阶段 6. 数据库运行和维护阶段,5.1.3 数据库设计方法,早期的数据库设计采用手工试凑法进行，随着计算机技术的飞速发展，人们也在不断努力探索各种各样非手工的数据库设计方法，并提出了多种数据库设计的准则和规范，这些设计方法被称为规范设计法。非手工方法的主要代表有基于LRA方法、New orleans 方法、E-R模型方法等。其中New orleans 方法，即新奥尔良法是规范设计中比较著名的一种
4、方法。本章节中所介绍的数据库设计的基本步骤正是按照新奥尔良法所提出的数据库设计的六个阶段进行操作的。数据库工作者们十几年来一直致力于研究和开发数据库设计工具，以减轻数据库设计人员的工作量，辅助他们更好的完成设计任务，特别是大型数据库的设计更需要自动设计工具的支持。,5.2 需求分析,5.2.1 需求分析的主要任务 5.2.2 需求分析的主要工作 5.2.3 需求分析应注意的问题,5.2.1需求分析的主要任务,需求分析的主要任务是详细调查现实世界的组织机构情况，充分了解系统概况和发展前景，明确用户的各种需求，收集支持系统目标的基础数据及其处理方法，确定新系统的功能和边界。 调查是需求分析的重要手
5、段，只有通过对用户的调查研究，才能获取数据库系统所需数据情况和数据处理要求。调查的具体内容包括： 1. 数据库信息内容 2. 数据处理内容 3. 数据安全性和完整性要求,5.2.2需求分析的主要工作,需求分析阶段的工作主要有下面四部分组成： 1. 分析用户活动，产生用户活动图 这一步主要是了解现实社会的机构组织及用户当前的业务活动情况，搞清楚其业务流程，对一个比较复杂的处理，可划分为若干子处理，分析之后画出用户活动图。 2. 确定系统范围，产生系统范围图 这一步主要是确定系统的边界。哪些功能由人工完成，哪些功能由计算机实现。由计算机完成的功能就是新系统应该实现的功能。 3. 分析用户活动涉及的
6、数据，产生数据流图 这一步主要是深入分析用户的业务处理，以数据流图形式表示出数据的流向和对数据所进行的加工。 4. 分析系统数据，产生数据字典,5.2.3 需求分析应注意的问题,需求分析阶段一定要收集未来应用所涉及的数据。如果数据库设计人员仅仅按照当前应用来设计，新数据的加入就会在操作中显得十分困难，不仅会影响数据库的概念结构，而且将影响逻辑结构和物理结构。所以设计人员必须有前瞻性，充分考虑到未来应用可能的扩充和改变，使设计易于变动。 需求分析必须有用户的积极参与。由于用户缺少计算机专业知识，有时不能准确表达自己的要求；而设计人员缺少用户的专业知识，不易理解用户的真正需求，这就是确定用户最终需
7、求成为一件非常困难的事情。只有两者加强沟通，互相交流，及时反馈用户意见，才能够较好的完成需求分析。因此，用户的积极参与是数据库设计中不可缺少的环节。,5.3 概念结构设计,5.3.1 概念模型 5.3.2 概念设计的策略和主要步骤 5.3.3 数据抽象方法 5.3.4 E-R方法简介 5.3.5 采用E-R方法的数据库概念设计,5.3.1 概念模型,表达概念设计结果的工具称为概念模型。通常是将客观对象首先抽象为概念模型，然后再把概念模型转换成机器世界中的数据模型。所以概念结构的设计在数据库设计中是非常重要的一步。 通常对概念模型有以下要求： 概念模型是对现实世界的抽象和概括，应有丰富的语义表达
8、能力，能表达用户的各种需求，包括描述现实世界中各种对象及其复杂的联系，及用户对数据库对象的处理要求等。 概念模型应简洁明晰，易于交流和理解。概念模型要求方便应用系统开发人员和用户之间交流意见，使用户能积极参与数据库的设计工作。 概念模型应易于变动。概念模型要能灵活地加以修改和补充，以适应用户需求和应用环境的变化。 概念模型应易于向关系、层次和网络等各种数据模型转换，易于从概念模型导出与数据库管理系统有关的逻辑模型。,5.3.2 概念设计的策略和主要步骤,设计概念结构的策略主要有以下几种： 自顶向下：首先定义全局概念结构框架，然后逐步细化为完整的全局概念结构。 自底向上：首先定义每一局部应用的概
9、念结构，然后按一定的规则把它们集成，从而得到全局概念结构。 由里向外：首先定义最重要的那些核心概念结构，再逐渐向外扩充生成其它概念结构，直至完成总体概念结构。 混合策略：混合策略是把自顶向下和自底向上结合起来的方法，它先采用自顶向下的策略设计一个全局概念结构的框架，然后以它为骨架，再自底向上设计局部概念结构，并把他们集成。,5.3.2 概念设计的策略和主要步骤,最常用的策略是自底向上设计策略，其主要步骤如下所示： 进行数据抽象，设计局部概念模式。局部用户的信息需求是构建全局概念模式的基础。因此，首先要根据用户的需求为其建立相应的局部概念结构。 将局部概念模式综合成全局概念模式。在把局部概念模式
10、综合的过程中，主要处理各局部模式对各种对象定义不一致的问题。把各个局部结构合并，还会产生冗余问题，或导致对信息需求的再调整与分析，以确定确切的含义。 进行评审、改进。消除了所有冲突后，就可以把全局概念结构提交评审。评审分为用户评审和系统开发人员评审。前者的重点在于确认全局概念模式是否完整准确地反映用户信息需求；而后者则侧重于确认全局结构是否完整，成份划分是否合理，是否存在不一致性等。如果在评审中发现问题，应及时改进。,5.3.3 数据抽象方法,进行数据抽象是完成概念设计的第一步。所谓抽象是对现实世界中的人、事、物的人为处理，抽取人们关心的共同特性，忽略非本质的细节，并把这些特性用各种概念精确地
11、加以描述，形成某种模型。 抽象有两种形式，一种是系统状态的抽象，即抽象对象；另一种是系统转换的抽象，即抽象运算。在数据库设计中，概念设计的目的就是要定义抽象对象的关系结构。 以下介绍数据抽象的三种基本方法，分类、聚集和概括。 1. 分类 2. 聚集 3. 概括,5.3.4 E-R方法简介,概念设计方法最著名，最实用的是P.P.S.Chen于1976年提出的“实体-联系法”（Entity-Relationship Approach，简称E-R方法）。这种方法将现实世界的信息结构统一用属性，实体以及实体之间的联系，即E-R图来描述。 E-R方法的基本术语和E-R图的表示如1.4节所示。,5.3.5
12、 采用E-R方法的数据库概念设计,采用E-R方法的数据库概念设计可分为三步进行： 设计局部E-R模型 设计全局E-R模型 全局E-R模型优化,5.4 逻辑结构设计,5.4.1 E-R图转换为数据模型 5.4.2 关系规范化 5.4.3 数据模型的优化 5.4.4 设计外模式,5.4.1 E-R图转换为数据模型,逻辑结构设计将信息世界的概念模型E-R图转化为计算机世界的数据模型，需要遵循以下原则： 1. 实体转换为关系 每个实体可以转换为一个单独的关系模式，实体的属性就是关系的属性，实体的码就是关系的码。 2. 联系转换为关系模式 （1）m：n型的联系 （2）1：n型的联系 （3）1：1型的联系
13、 （4）多元联系转换为关系模式 （5）实体自联系转换为关系模式 3. 具有相同码的关系模式可合并,5.4.2 关系规范化,关系规范化是指将E-R图转换为数据模型后，通常以规范化理论为指导，对关系进行分解或合并，这是关系模式的初步优化。一般按照以下步骤进行： 考察关系模式的函数依赖关系。按照需求分析得到的语义关系，将各个关系模式中的函数依赖关系提炼出来，并进行极小化处理，消除冗余。 按照数据依赖理论，将关系模式分解，至少达到第三范式，即消除部分函数依赖和传递依赖。并不是规范化程度越高关系就越优，因为规范化程度越高，系统就会越经常做连接运算，这是以效率为代价的。一般地说，第三范式就足够了。,5.4
14、.3 数据模型的优化,为了进一步提高数据库应用系统的性能，还可以对产生的关系模式进行进一步优化，即修改、调整和重构。根据需要，可以添加适当的“冗余”，以提高效率。例如，实体班级和学生的关系为1：n，经过规范化后，学生中加入属性“所在班级”，通过对相同班号的学生求和就可以得到某班的人数，可是这种求班级人数的工作是经常做的，而且对于班级来说，其人数也是非常重要的属性，因此，可以在班级中加入属性“人数”，虽然这是冗余字段，可是能提高数据库的整体效率，这是很值得的。如果一个关系的某个属性可以由本关系的其它属性计算得到，这绝对是冗余属性；如果一个关系的某个属性是由其它关系的属性计算得来的，则这个属性在某
15、些时候可以加在此关系中。,5.4.4 设计外模式,外模式是保护数据库安全性的一个有力措施。每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据，数据库中的其余数据对他们来说是不可见的。同时，对于每一个外模式，数据库系统都有一个外模式/模式映像，它定义了该外模式与模式之间的对应关系。这些映像定义通常包含在各自外模式的描述中。当模式改变时，由数据库管理员对数据库外模式/模式映像作相应改变，可以使外模式保持不变。从而应用程序不必修改，保证了数据的逻辑独立性。 在设计外模式时，要注意以下几点： 按照用户习惯进行命名，包括关系名、属性名。外模式与模式的属性本质即使相同也可以取不同的名字。 针对用户的不同级别定义
16、不同的外模式，以保护系统的安全性。 构造必要的外模式，以简化用户操作。,5.5 数据库物理设计,5.5.1 物理结构设计 5.5.2 评价物理结构,5.5.1 物理结构设计,1. 存储记录的格式设计 对数据项类型特征做分析，对存储记录进行格式化，决定如何进行数据压缩或代码化。可使用“垂直分割法”，对含有校对属性的关系，按其中属性的使用频率不同进行分割；或使用“水平分割方法”，对含有较多记录的关系，按某些条件进行分割。并把分割后的关系定义在相同或不同类型的物理设备上，或在同一设备不同区域上。 2. 存储方法设计 顺序存放，平均查询次数为记录个数的二分之一 。 杂凑存放，查询次数由杂凑算法决定。 索引存放，要确定建何种索引，及建立索引的表的属性。 聚簇存放，记录聚簇是指将不同类型的记录分配到相同的物理区域中去 3. 访问方法设计 为存储在物理设备上的数据提供存储结构和查询路径，与DBMS有很大关系。 4. 完整性和安全性考虑 根据逻辑设计说明书中提供的对数据库的约束条件、具体的DBMS、OS的性能特征和硬件环境，设计数据库的完整性和安全措施。 5. 应用设计 包括人机
