数据库原理及应用 教学课件 ppt 作者 麦中凡 何玉洁 第6章 数据库设计

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1、数据库原理与应用,人民邮电出版社,第6章 数据库设计,6.1 数据库设计概述 6.2 数据库需求分析 6.3 数据库结构设计 6.4 数据库行为设计 6.5 数据库实施 6.6 数据库的运行和维护,6.1 数据库设计概述,6.1.1 数据库设计的特点 6.1.2 数据库设计方法概述 6.1.3 数据库设计的基本步骤,6.1.1数据库设计的特点,（1）综合性 涉及面广，需包含计算机专业知识及业务系统专业知识； 要解决技术及非技术两方面的问题； （2）结构设计与行为设计是分离的 结构设计是指数据库的模式结构设计，包括概念结构、逻辑结构和存储结构 ； 行为设计是指应用程序设计，包括功能组织、流程控制

2、等方面的设计。,数据库设计的特点,数据库设计与传统的软件工程的做法正好相反。 数据库设计的主要精力首先是放在数据结构的设计上，比如数据库的表结构、视图等。,6.1.2 数据库设计方法概述,为了使数据库设计更合理更有效，需要有效的指导原则，这种原则就称为数据库设计方法。 一个好的数据库设计方法学，应该能在合理的期限内，以合理的工作量，产生一个有实用价值的数据库结构。 数据库设计方法还应具有足够的灵活性和通用性，不但能够为具有不同经验的人使用，而且不受数据模型及DBMS的限制。 数据库设计方法应该是可再生的，即不同的设计者使用同一方法设计同一问题时，可以得到相同或相似的设计结果。,新奥尔良（New

3、 Orleans）方法,将数据库设计分为四个阶段：需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计和物理结构设计,数据库设计方法从本质上看仍然是手工设计方法，其基本思想是过程迭代和逐步求精。,6.1.3 数据库设计的基本步骤,需求分析 结构设计 行为设计 数据库实施 数据库运行和维护,数据库设计全过程,6.2 数据库需求分析,6.2.1 需求分析的任务 6.2.2 需求分析的方法,6.2.1需求分析的任务,需求分析阶段的主要任务是对现实世界要处理的对象（公司，部门，企业）进行详细调查，在了解现行系统的概况、确定新系统功能的过程中，收集支持系统目标的基础数据及其处理方法。 需求分析是在用户调查的基础上，通过

4、分析，逐步明确用户对系统的需求，包括数据需求和围绕这些数据的业务处理需求。,用户调查的重点是“数据”和“处理”。 信息需求 定义数据库系统用到的所有信息，明确用户将向数据库中输入什么样的数据，从数据库中要求获得哪些内容，将要输出哪些信息。同时还要描述数据间的联系等。 处理需求 定义系统数据处理的操作功能，描述操作的优先次序，包括操作的执行频率和场合，操作与数据间的联系 。明确用户要完成哪些处理功能，每种处理的执行频度，用户需求的响应时间以及处理的方式。 安全性与完整性要求 安全性要求描述系统中不同用户对数据库的使用和操作情况，完整性要求描述数据之间的关联关系以及数据的取值范围要求。,数据处理流

5、图,在需求分析中，通过自顶向下、逐步分解的方法分析系统。任何一个系统都可以抽象为数据流图的形式。,6.2.2 需求分析的方法,首先要调查清楚用户的实际需求，与用户达成共识，然后再分析和表达这些需求。 重点是“数据”和“处理”，为达到这一目的，在调查前要拟定调查提纲。调查时要抓住 “信息流”和“处理流”，而且调查中要不断地将这两个“流”结合起来。 调查的任务是调研现行系统的业务活动规则，并提取描述系统业务的现实系统模型。,调查用户的需求包括的内容,业务现状，包括：业务方针政策，系统的组织机构，业务内容，约束条件和各种业务的全过程。 信息源流，包括：各种数据的种类、类型及数据量，各种数据的源头、流

6、向和终点，各种数据的产生、修改、查询及更新过程和频率以及各种数据与业务处理的关系。 外部要求，包括：对数据保密性的要求，对数据完整性的要求，对查询响应时间的要求，对新系统使用方式的要求，对输入方式的要求，对输出报表的要求，对各种数据精度的要求，对吞吐量的要求，对未来功能、性能及应用范围扩展的要求。,发现事实的方法,检查文档 面谈 观察业务的运转 研究 问卷调查,6.3 数据库结构设计,6.3.1 概念结构设计 6.3.2 逻辑结构设计 6.3.3 物理结构设计,数据库设计分类,数据库设计分为：数据库结构设计和数据库行为设计。 结构设计包括设计数据库的概念结构设计、逻辑结构设计和物理结构设计。

7、行为设计包括设计数据库的功能组织和流程控制。,数据库结构设计包含内容,概念结构设计：形成DB概念模式，用语义层模型描述，如ER图 。 逻辑结构设计：形成DB逻辑模式与外模式，用结构层模型描述，例基本表、视图等。 物理结构设计：形成DB内模式，用文件级术语描述。例DB文件或目录、索引。,6.3.1 概念结构设计,概念结构设计的重点在于信息结构的设计，它将需求分析得到的用户需求抽象为信息结构即概念层数据模型， 是整个数据库系统设计的关键， 独立于逻辑结构设计和数据库管理系统。,概念模型的特点,有丰富的语义表达能力。 易于交流和理解。 易于更改。 易于向各种数据模型转换，易于导出与DBMS有关的逻辑

8、模型 。,概念结构设计的策略,自底向上。先定义局部应用的概念结构，然后按一定的规则把它们集成起来，从而得到全局概念模型。 自顶向下：先定义全局概念模型，然后再逐步细化。 由里向外：先定义最重要的核心结构，然后再逐步向外扩展。 混合策略。将自顶向下和自底向上结合起来使用。,采用E-R模型方法的概念结构设计,设计局部E-R模型 E-R模型的设计内容包括确定局部E-R模型的范围、定义实体、联系以及它们的属性。 设计全局E-R模型 将所有局部E-R图集成为一个全局E-R图，即全局E-R模型。 优化全局E-R模型,设计局部E-R模型,概念结构是对现实世界的一种抽象。 抽象是对实际的人、物、事和概念进行人

9、为处理，抽取所关心的共同特性，忽略非本质细节，并把这些特性用各种概念准确的加以描述。 一般有三种抽象方法： 分类 概括 聚集,分类,（1）在相似的个体之间提取共性，建立“类”的概念（集合）。 个体与个体之间：具有相似的状态与行为，有相同的描述结构，相互用主码值区分。 个体与类之间：个体Is a mumber of 类（子类有且仅有一个超类）。,概括,聚集,设计全局E-R模型,将局部E-R图集成为全局E-R图； 需消除各分E-R图合并时产生的冲突； 解决冲突是合并E-R图的主要工作和关键所在。 冲突主要有三类： 属性冲突：属性域冲突、属性取值单位冲突 命名冲突：同名异义和异名同义 结构冲突：同一

10、对象在不同应用中具有不同的抽象、同一实体在不同的局部E-R图中所包含的属性个数和属性的排列次序不完全相同。,优化全局E-R模型,实体个数尽可能少； 实体所包含的属性尽可能少； 实体间联系无冗余。,局部E-R图,合并示例,6.3.2 逻辑结构设计,把概念结构设计阶段设计好的基本E-R模型转换为具体的数据库管理系统支持的数据模型，也就是导出特定的DBMS可以处理的数据库逻辑结构（数据库的模式和外模式），这些模式在功能、性能、完整性和一致性约束方面满足应用要求。 步骤： 将概念模型转换为某种组织层数据模型； 对组织层数据模型进行优化。,E-R模型向关系模型的转换,一个实体转换为一个关系模式。实体的属

11、性就是关系的属性，实体的标识符就是关系的码。 实体间的联系分情况考虑。,1：1 联系,可以转换为一个独立的关系模式，也可以与任意一端所对应的关系模式合并。 如果可以转换为一个独立的关系模式，则与该联系相连的各实体的码以及联系本身的属性均转换为此关系模式的属性，每个实体的码均是该关系模式的候选键。 如果是与联系的任意一端实体所对应的关系模式合并，则需要在该关系模式的属性中加入另一个实体的码和联系本身的属性。,1n 联系,可以转换为一个独立的关系模式，也可以与n端所对应的关系模式合并。 如果转换为一个独立的关系模式，则与该联系相连的各实体的码以及联系本身的属性均转换为此关系模式的属性，且关系模式的

12、码为n端实体的码。 如果与n端对应的关系模式合并，则需要在该关系模式中加入1端实体的码以及联系本身的属性。,mn 联系,必须转换为一个独立的关系模式。 与该联系相连的各实体的码以及联系本身的属性均转换为此关系模式的属性，且关系模式的主键包含各实体的码。 三个或三个以上实体间的多元联系可以转换为一个关系模式。与该多元联系相连的各实体的码以及联系本身的属性均转换为此关系模式的属性，而此关系模式的主键包含各实体的码。 具有相同主键的关系模式可以合并。,1:1转换示例,部门表（部门号，部门名，经理号） 经理表（经理号，经理名，电话） 或者： 部门表（部门号，部门名） 经理表（经理号，部门号，经理名，电

13、话）,1:n转换示例,部门表（部门号，部门名） 职工表（职工号，部门号，职工名，工资）,m:n转换示例,教师表（教师号，教师名，职称） 课程表（课程号，课程名，学分） 授课表（教师号，课程号，授课时数）,数据模型的优化,关系数据模型的优化通常以规范化理论为指导，并考虑系统的性能。具体方法： 确定各属性间的函数依赖关系。 对各个关系模式之间的数据依赖进行极小化处理，消除冗余的联系。 判断每个关系模式的范式，根据实际需要确定最合适的范式。 确定是否要对某些模式进行分解或合并。 对关系模式进行必要的分解，以提高数据的操作效率和存储空间的利用率。,水平分解,以时间、空间、类型等范畴属性取值为条件，满足

14、相同条件的数据行为一个子表。 分解的依据一般以范畴属性取值范围划分数据行。这样在操作同表数据时，时空范围相对集中，便于管理。,垂直分解,以非主属性所描述的应用对象生命历程的先后为条件，对应相同历程的属性为一个子表。 分解的依据是将非主属性按其数据生成的时间段划分，描述相同时间段的属性划分在一个组中。 使操作同表数据时时空范围相对集中，便于管理。,设计外模式,将概念模型转换为逻辑数据模型之后，还应该根据局部应用需求，并结合具体的数据库管理系统的特点，设计用户的外模式。 外模式概念对应关系数据库的视图概念，设计外模式是为了更好地满足局部用户的需求。 定义数据库的模式主要是从系统的时间效率、空间效率

15、、易维护等角度出发。,定义外模式考虑事项,使用更符合用户习惯的别名。 对不同级别的用户定义不同的视图，以保证数据的安全。 简化用户对系统的使用。,保证数据安全示例,假设有关系模式： 职工(职工号,姓名,工作部门,学历,专业,职称,联系电话,基本工资,浮动工资)。 在这个关系模式上建立了两个视图： 职工1(职工号,姓名,工作部门,专业,联系电话) 职工2 (职工号,姓名,学历,职称,联系电话,基本工资,浮动工资) 职工1视图中只包含一般职工可以查看的基本信息，职工2视图中包含允许领导查看的信息。,6.3.3 物理结构设计,对已确定的逻辑数据结构，利用DBMS提供的方法、技术，以较优的存储结构、数

16、据存取路径、合理的数据存储位置以及存储分配，设计出一个高效的、可实现的物理数据库结构。 数据库的物理设计通常分为两步： 确定数据库的物理结构； 对物理结构进行时间和空间效率的评价。,物理结构设计的内容和方法,对于数据查询，需要得到如下信息： 查询所涉及的关系； 查询条件所涉及的属性； 连接条件所涉及的属性； 查询列表中涉及的属性。 对于更新数据的事务，需要得到如下信息： 更新所涉及的关系； 每个关系上的更新条件所涉及的属性； 更新操作所涉及的属性。,物理结构设计主要内容,确定数据的存取方法 存取方法是快速存取数据库中数据的技术，数据库管理系统一般都提供多种存取方法. 具体采取哪种存取方法由系统根据数据的存储方式决定，一般用户不能干预。 一般用户可以通过建立索引的方法来加快数据的查询效率。 确定数据的存储结构。,建立索引的一般原则,在经常作为查询条件的属性上建立索引。 在经常作为连接条件的属性上建立索引。 在经常作为分组依据列的属性上建立索引。 对经常进行连接操作的表可以建立索引。 一个表可以建立多个索引，但只能建立一个聚簇索引。,确定存储结构,一般的存储方式有： 顺序存储