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1、第第7章章 数据库系统设计数据库系统设计重点概念：重点概念：u数据库设计的方法与步骤数据库设计的方法与步骤u概念结构设计和逻辑结构设计方法概念结构设计和逻辑结构设计方法1第第7章章 数据库系统设计数据库系统设计 数据库设计（数据库设计（Database Design）：是建立数）：是建立数据库及其应用系统的方法，具体而言，就是针对据库及其应用系统的方法，具体而言，就是针对给定的具体应用环境，构造出相对最优的数据库给定的具体应用环境，构造出相对最优的数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能够有效模式，建立数据库及其应用系统，使之能够有效的存储数据，满足各种用户的应用需求（信息需的存储数据，满足
2、各种用户的应用需求（信息需求和处理需求）。求和处理需求）。27.1 数据库设计概述数据库设计概述u 数据库设计方法数据库设计方法 主要是设计数据库系统结构中的三级模式结构。主要是设计数据库系统结构中的三级模式结构。（外模式（外模式模式模式内模式）内模式）u数据库设计步骤数据库设计步骤 数据库的设计过程可以分为六个阶段：数据库的设计过程可以分为六个阶段：1.需求分析需求分析2.概念结构设计阶段概念结构设计阶段3.逻辑结构设计阶段逻辑结构设计阶段4.物理结构设计阶段物理结构设计阶段5.数据库实施数据库实施6.数据库运行与维护数据库运行与维护37.1 数据库设计概述数据库设计概述1、需求分析、需求分
3、析 该阶段主要是对数据库应用系统所要处理的对该阶段主要是对数据库应用系统所要处理的对象进行全面了解，大量收集各类基础数据以及用户象进行全面了解，大量收集各类基础数据以及用户对数据库信息和对基础数据进行处理的要求等。对数据库信息和对基础数据进行处理的要求等。2、概念结构设计、概念结构设计 概念结构设计是整个数据库设计的关键，是对概念结构设计是整个数据库设计的关键，是对需求分析结果所做的进一步描述。概念设计的目标需求分析结果所做的进一步描述。概念设计的目标是产生反映需求信息的数据库概念结构。（设计概是产生反映需求信息的数据库概念结构。（设计概念模型）念模型）47.1 数据库设计概述数据库设计概述3
4、、逻辑结构设计、逻辑结构设计 将已设计好的概念模型转换为将已设计好的概念模型转换为DBMS支持支持的数据模型相符的逻辑结构。（建立逻辑模型）的数据模型相符的逻辑结构。（建立逻辑模型）4、物理结构设计、物理结构设计 数据库最终要存放在物理设备上，所以物数据库最终要存放在物理设备上，所以物理结构设计是根据理结构设计是根据DBMS和计算机系统所提供和计算机系统所提供的手段，为逻辑数据模型选取一个最适合应用的手段，为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构。（转化为内模式）环境的物理结构。（转化为内模式）57.1 数据库设计概述数据库设计概述5、数据库实施、数据库实施 数据库实施就是在计算机上建立
5、起实际数数据库实施就是在计算机上建立起实际数据库结构、装入数据、测试和试运行的过程。据库结构、装入数据、测试和试运行的过程。6、数据库的运行与维护、数据库的运行与维护 数据库系统正式运行，标志着数据库设计数据库系统正式运行，标志着数据库设计与应用开发工作的结束和维护阶段的开始。与应用开发工作的结束和维护阶段的开始。67.2 需求分析（系统分析）需求分析（系统分析）需求分析简而言之就是分析用户的需要与要求。需求分析简而言之就是分析用户的需要与要求。对系统的整个应用情况作全面的、详细的调对系统的整个应用情况作全面的、详细的调查，确定企业组织的目标，收集支持系统总的设查，确定企业组织的目标，收集支持
6、系统总的设计目标的基础数据和对这些数据的要求，确定用计目标的基础数据和对这些数据的要求，确定用户的需求，回答户的需求，回答“系统做什么系统做什么”，需求分析阶段，需求分析阶段的成果是产生系统分析报告，也就是系统说明书。的成果是产生系统分析报告，也就是系统说明书。77.3 系统设计系统设计 系统设计阶段要完成的主要问题是系统设计阶段要完成的主要问题是“系统如何系统如何做做”，即为实现系统目标具体规定数据结构和系统，即为实现系统目标具体规定数据结构和系统功能。功能。 系统设计的内容根据系统目标和处理的不同而系统设计的内容根据系统目标和处理的不同而各不相同。一般而言，它是从新信息系统的目标出各不相同
7、。一般而言，它是从新信息系统的目标出发，建立系统的数据模型和功能模型、确定系统发，建立系统的数据模型和功能模型、确定系统 的总体结构、规划系统规模、确立模块结构，并说的总体结构、规划系统规模、确立模块结构，并说明它们在整个系统中的作用及相互关系，选择必要明它们在整个系统中的作用及相互关系，选择必要的设备，采用合适的技术规范等，以保证总体目标的设备，采用合适的技术规范等，以保证总体目标的实现。的实现。87.3 系统设计系统设计在设计中应遵循以下原则：在设计中应遵循以下原则：u系统性：信息系统是作为一个整体而存在的，系统性：信息系统是作为一个整体而存在的，在系统设计中有关代码、规范、语言等，都要从
8、在系统设计中有关代码、规范、语言等，都要从整个全局的角度考虑，做到一致化。整个全局的角度考虑，做到一致化。u灵活性：要求信息系统的环境适应性强，信息灵活性：要求信息系统的环境适应性强，信息系统应具有较好的开放性和结构可变性。因此在系统应具有较好的开放性和结构可变性。因此在系统设计中，应尽量采用模块化的结构。系统设计中，应尽量采用模块化的结构。97.3 系统设计系统设计u可靠性：信息系统要具有较强的抵御外界干扰可靠性：信息系统要具有较强的抵御外界干扰的能力、检错和纠错能力以及故障恢复能力，安的能力、检错和纠错能力以及故障恢复能力，安全保密性好。全保密性好。u经济性：在满足系统需求情况下，尽可能减
9、少经济性：在满足系统需求情况下，尽可能减少系统开销。系统设计中应避免不必要的复杂化，系统开销。系统设计中应避免不必要的复杂化，各模块应尽量简洁，以便缩短流程。各模块应尽量简洁，以便缩短流程。 系统设计阶分为三个阶段：概念结构设计、系统设计阶分为三个阶段：概念结构设计、逻辑结构设计和物理结构设计。逻辑结构设计和物理结构设计。107.3 系统设计系统设计1、概念结构设计、概念结构设计 将需求分析得到的用户需求综合、归纳和抽将需求分析得到的用户需求综合、归纳和抽象为概念模型的过程就是概念结构设计。在数据象为概念模型的过程就是概念结构设计。在数据库的概念设计阶段，使用数据建模来创建一个抽库的概念设计阶
10、段，使用数据建模来创建一个抽象数据结构，用该数据结构来最真实的表示现实象数据结构，用该数据结构来最真实的表示现实世界中的对象。世界中的对象。117.3 系统设计系统设计概念结构设计应具备以下特点：概念结构设计应具备以下特点：u较强的语义表达能力，能方便、直接的表达应用中较强的语义表达能力，能方便、直接的表达应用中的各种语义知识。的各种语义知识。u简单、清晰、易于用户理解，易于用户与数据库设简单、清晰、易于用户理解，易于用户与数据库设计人员之间的交流。计人员之间的交流。u易于变动以反映用户需求和环境的变化。易于变动以反映用户需求和环境的变化。u易于向各种数据模型转换，概念模型不依赖与某一易于向各
11、种数据模型转换，概念模型不依赖与某一DBMS支持的数据模型，但应易于转换为与计算机上支持的数据模型，但应易于转换为与计算机上某一某一DBMS相关的数据模型。相关的数据模型。127.3 系统设计系统设计描述概念模型的工具：描述概念模型的工具：E-R图图概念结构设计的方法：概念结构设计的方法：1）自顶向下：）自顶向下： 首先定义全局概念结构的框架，然后首先定义全局概念结构的框架，然后逐步细化逐步细化137.3 系统设计系统设计2）自底向上：首先定义各局部应用的概念结构，然）自底向上：首先定义各局部应用的概念结构，然后将它们集成起来，得到全局概念结构后将它们集成起来，得到全局概念结构147.3 系统
12、设计系统设计3）逐步扩张：首先定义最重要的核心概念结构，然）逐步扩张：首先定义最重要的核心概念结构，然后向外扩充，以滚雪球的方式逐步生成其他概念结构，后向外扩充，以滚雪球的方式逐步生成其他概念结构，直至总体概念结构直至总体概念结构157.3 系统设计系统设计4）混合策略：将自顶向下和自底向上相结合，）混合策略：将自顶向下和自底向上相结合，用自顶向下策略设计一个全局概念结构的框架，用自顶向下策略设计一个全局概念结构的框架，以它为骨架集成由自底向上策略中设计的各局部以它为骨架集成由自底向上策略中设计的各局部概念结构。概念结构。167.3 系统设计系统设计常用策略常用策略177.3 系统设计系统设计
13、2、逻辑结构设计：、逻辑结构设计： 概念结构设计是独立于任何一张数据模型的信概念结构设计是独立于任何一张数据模型的信息结构，逻辑设计的目的是从概念模型导出特点的息结构，逻辑设计的目的是从概念模型导出特点的DBMS可以处理的数据库的逻辑结构，包括数据库可以处理的数据库的逻辑结构，包括数据库的模式和外模式。这些模式在功能、性能、完整性的模式和外模式。这些模式在功能、性能、完整性和一致性约束及数据库可扩充性等方面均应该满足和一致性约束及数据库可扩充性等方面均应该满足用户需求。用户需求。187.3 系统设计系统设计逻辑结构设计的基本步骤：逻辑结构设计的基本步骤：1）将）将E-R图按一定的转换规则转换成
14、关系模式。这图按一定的转换规则转换成关系模式。这一步要求解决两问题，一是如何将实体集和实体集一步要求解决两问题，一是如何将实体集和实体集之间的联系转换为关系模式，二是如何确定这些关之间的联系转换为关系模式，二是如何确定这些关系模式的属性和主键。系模式的属性和主键。2）规范化处理：其目的是消除异常，改善完整性、）规范化处理：其目的是消除异常，改善完整性、一致性和存储效率。规范化处理过程实际上是信息一致性和存储效率。规范化处理过程实际上是信息单一化过程，即让一个关系描述一个概念，一般要单一化过程，即让一个关系描述一个概念，一般要求达到求达到3NF。197.3 系统设计系统设计3）数据模式的优化：信
15、息系统数据库逻辑设计的结）数据模式的优化：信息系统数据库逻辑设计的结果模式不是唯一的，为了进一步提高数据库应用系果模式不是唯一的，为了进一步提高数据库应用系统的性能，还应该根据需要适当的修改调整数据模统的性能，还应该根据需要适当的修改调整数据模式。式。4）用户模式的设计：为了体现用户对数据库逻辑结）用户模式的设计：为了体现用户对数据库逻辑结构的看法，必须定义相应的用户模式。用户模式实构的看法，必须定义相应的用户模式。用户模式实际上是系统全局逻辑模式的一个子集，一般用定义际上是系统全局逻辑模式的一个子集，一般用定义用户视图的方法来实现。用户视图的方法来实现。207.3 系统设计系统设计3、物理结
16、构设计：、物理结构设计： 数据库的物理结构设计是对已确定的逻辑结构，数据库的物理结构设计是对已确定的逻辑结构，利用利用DBMS所提供的方法和技术，以最优的存储结所提供的方法和技术，以最优的存储结构与数据存取路径，设计出一个高效的、可实现的构与数据存取路径，设计出一个高效的、可实现的物理存储上的数据库结构。物理设计不仅影响数据物理存储上的数据库结构。物理设计不仅影响数据在存储设备中的位置，同时还影响系统的性能。在存储设备中的位置，同时还影响系统的性能。 数据库物理结构设计的主要目标有两个：一是数据库物理结构设计的主要目标有两个：一是提高数据库的性能，二是有效利用存储空间。提高数据库的性能，二是有
17、效利用存储空间。217.3 系统设计系统设计物理结构设计主要包含三个方面的内容：物理结构设计主要包含三个方面的内容：1）存储记录的格式设计：在对数据项的类型特征作）存储记录的格式设计：在对数据项的类型特征作分析的基础上，对存储记录进行格式化，考虑数据分析的基础上，对存储记录进行格式化，考虑数据的压缩和代码优化等。的压缩和代码优化等。2）存储方式的设计：需要全局考虑存储记录的物理）存储方式的设计：需要全局考虑存储记录的物理安排、是顺序存放、散列存放还是聚簇存放，是集安排、是顺序存放、散列存放还是聚簇存放，是集中式存放还是分布式存放等。中式存放还是分布式存放等。3）存取方式的设计：存取方式设计是为
18、存储在物理）存取方式的设计：存取方式设计是为存储在物理设备上的数据提供数据访问路径。设备上的数据提供数据访问路径。227.4 系统实施（数据库实施）系统实施（数据库实施） 数据库实施是开发信息系统的最后一个阶段，数据库实施是开发信息系统的最后一个阶段，其任务是实施系统设计阶段提出的数据结构、存储其任务是实施系统设计阶段提出的数据结构、存储结构和软件结构，按实施方案完成一个可实际运行结构和软件结构，按实施方案完成一个可实际运行的信息系统交付用户使用。的信息系统交付用户使用。该阶段的主要工作包括三个方面：该阶段的主要工作包括三个方面：1）利用）利用DBMS提供的数据定义语言（提供的数据定义语言（D
19、DL）对逻辑）对逻辑结构设计和物理结构设计的结果进行描述。从而建结构设计和物理结构设计的结果进行描述。从而建立实际的数据库结构。立实际的数据库结构。237.4 系统实施（数据库实施）系统实施（数据库实施）2）装入试验数据对应用程序进行测试以确认其功能）装入试验数据对应用程序进行测试以确认其功能和性能是否满足设计要求，并对数据库进行检查和和性能是否满足设计要求，并对数据库进行检查和评估。评估。3）装入实际数据（即数据库加载），建立起实际的）装入实际数据（即数据库加载），建立起实际的数据库。数据库。 在数据库中载入一定数据后，就可以开始对信在数据库中载入一定数据后，就可以开始对信息系统进行测试。测
20、试主要包括三种类型：模块测息系统进行测试。测试主要包括三种类型：模块测试、系统测试和验收测试。试、系统测试和验收测试。247.5 系统运行和维护系统运行和维护 数据库正式运行，标志着数据库设计与应用开数据库正式运行，标志着数据库设计与应用开发工作的结束，运行维护阶段的开始。在保证信息发工作的结束，运行维护阶段的开始。在保证信息系统正常运行的前提下，为提高系统运行的有效性系统正常运行的前提下，为提高系统运行的有效性而对数据库所做的修改和完善都称为数据库的系统而对数据库所做的修改和完善都称为数据库的系统维护。维护。257.5 系统运行和维护系统运行和维护数据库维护的主要任务：数据库维护的主要任务：
21、1）日常维护：以保持数据库系统按目前的水平正常）日常维护：以保持数据库系统按目前的水平正常运行。运行。u数据库的备份与恢复：数据库的备份与恢复：u安全维护：安全维护：u空间管理：空间管理：u并发控制：并发控制：2）监控与分析：新数据库系统的实际使用会显出预）监控与分析：新数据库系统的实际使用会显出预先未曾料到的困难和因素，在实际运行一段时间后，先未曾料到的困难和因素，在实际运行一段时间后，随着各种类型的事物执行和使用频度的增长，影响随着各种类型的事物执行和使用频度的增长，影响性能的瓶颈就显现出来了，所以，持续监控、收集性能的瓶颈就显现出来了，所以，持续监控、收集和分析统计数据就变得尤为重要了。和分析统计数据就变得尤为重要了。267.5 系统运行和维护系统运行和维护3）性能调整：）性能调整： 因为随着时间的推移，可能出现新的使用模式，因为随着时间的推移，可能出现新的使用模式，同时数据库的规模也在不断扩大，因此持续调整数同时数据库的规模也在不断扩大，因此持续调整数据库性能成为一项必备的工作。据库性能成为一项必备的工作。4）扩展与增强：）扩展与增强： 在数据库系统运行的过程中，必定会随着用户在数据库系统运行的过程中，必定会随着用户需求和环境的变化，要求系统作必要的扩展和增强，需求和环境的变化，要求系统作必要的扩展和增强，这是一个长期的、持续的过程。这是一个长期的、持续的过程。27
