需求分析数据库设计.ppt

第5章 数据库设计,学习要点,数据库设计的特点 数据库设计的基本步骤,51 数据库设计概述,数据库设计 对于一个给定的应用环境构造最优的数据库模式 数据库应用系统 使用数据库的各类系统 信息系统 信息系统是提供信息，辅助人们对应用环境进行控制和进行决策的系统 数据库是信息系统的核心和基础,数据库设计必备的技术知识,数据库基本知识和设计技术 计算机科学基础知识、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,补充知识,数据库设计的内容,硬件、软件、技术与管理的综合体 “三分技术，七分管理，十二分基础数据” 数据库设计与应用系统相结合 过去的结构化设计和逐步求精设计方法 着重于处理过程的特性，而推迟数据结构的设计 早期的数据库设计 致力于对数据建模法，而忽视行为设计（P204图）,现实世界,数据分析,概念模型分析,逻辑数据库设计,物理数据库设计,子模式设计,数据库运行,数据分析,功能模型,事务设计,程序说明,应用程序设计,程序编码调试,功能说明,图5-1 结构和行为分离和并行的设计,数据库设计的目标,数据库设计的核心问题：是如何建立一个好的模型。 一般而言，这个好的模型应该满足若干准则，这些准则可以分为两类：结构准则和性能准则。 结构准则：讨论如何保持数据的特性。 性能准则：主要是考虑资源合理使用、系统使用方便和效率高的数据库。 具体而言，数据库设计应该达到以下的目标：,1满足用户的信息需求和处理需求。 2准确模拟现实世界 3具有DBMS的支持 4具有良好的性能,数据库设计的目标,四、 数据库设计的基本步骤,按照规范设计的方法，考虑数据库及其应用系统开发全过程，将数据库设计分为以下六个阶段 ： 需求分析； 概念结构设计； 逻辑结构设计； 物理结构设计； 数据库实施； 数据库运行和维护。,数据库设计的基本步骤,需求收集和分析,设计概念结构,设计逻辑结构,数据模型优化,设计物理结构,设计评价，性能预测,物理实现,试验性运行,使用、维护数据库,需求分析阶段,概念设计阶段,逻辑设计阶段,物理设计阶段,数据库实施阶段,数据库运行维护阶段,应用需求 (数据、处理),转换规则、 DBMS功能、 优化方法,应用要求 DBMS详细特征,不满意,不满意,需求文档 数据字典 数据流图等,用E-R图描述 的概念模型,某种数据模型 并优化,存储安排 方法选择 存取路径建立,编写模式 数据装入 数据库试运行,性能检测、转储/恢复 数据库重组和重构,按照规范化设计的方法,过程迭代、逐步求精的设计思想,需求收集和分析，结果得到数据字典描述的数据需求(和数据流图描述的处理需求),对用户需求进行综合、归纳与抽象，形成独立于具体DBMS的概念模型，可用E-R图表示,将概念结构转换为某个DBMS所支持的数据模型(例如关系模型)，并对其进行优化,为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构(包括存储结构和存取方法),运用DBMS提供的数据语言(如SQL)及其宿主语言(如C)，建立数据库，编制调试应用程序，组织数据入库，试运行,数据库应用系统经过试运行后即可投入正式运行。但必须不断地对其进行评价、调整与修改,设计过程各个阶段的设计描述：,数据库设计方法简述,手工试凑法 和技术人员水平和经验有关 规范设计法 将数据库设计分阶段进行 E-R模型、关系范式理论等方法应用于设计的不同阶段 本质上还是手工设计法，基本思想是设计过程迭代、逐步求精 自动数据库设计工具 Design 2000(ORACLE), PowerDesigner(SYBASE) 数据设计和应用设计同时进行 很多计算机辅助软件工程（CASE，Computer Aided Software Engineering）工具,Sybase建模工具:PowerDesigner10.0,满足企业对所有业务、数据和对象建模的需求 建模工具集 数据建模、UML建模和业务流程建模 将商业需求与应用技术紧密结合，不论终端用户的技术水平如何 保证了所有企业所用来开发软件服务的一种语言或多种语言、组件及应用都能够被全面支持 对UML的全面支持 扩大了现有的Java, C+, Corba IDL, PowerBuilder和XML的编码生成 增加了对Microsoft .Net平台上的最流行语言的支持,数据库设计工具,数据库设计 阶段,数据库的设计必须与数据处理的设计在每一各设计步骤中紧密结合，相互参照，相互补充,设计过程中形成的数据库各级模式,概念模式,逻辑模式,内模式,应用要求,应用要求,应用要求,应用要求,外模式,外模式,外模式,外模式,综合,转换,映象,映象,应用1,应用2,应用3,应用4,应用1,应用2,应用3,应用4,需求分析 阶段,概念设计 阶段,逻辑设计 阶段,逻辑设计 阶段,物理设计 阶段,6.2.1 规划 6.2.2 需求调查 6.2.3 需求分析 6.2.4 需求报告,6.2 需求分析,输入：,数据库设计步骤：,工作：,59页,建立数据库的必要性及可行性分析， 确定数据库系统在组织中和信息系统中的地位， 确定各个数据库之间的联系。,返回,6.2.1 规划阶段,1、规划阶段的主要任务,实例：图书馆图书管理系统需求分析,内容包括：信息范围、信息来源、人力资源、设备资源、软件及支持工具资源、开发成本估算、开发进度计划、现行系统向新系统过渡计划等。,返回,6.2.1 规划阶段,2、规划阶段的工作,规划工作完成后应写出详尽的 可行性分析报告 数据库系统规划纲要,6.2.2 需求调查（第1步）,需求分析的任务：调查、收集、记录用户对数据库的要求 信息要求 需存储的数据 处理要求 要完成的功能、响应时间、处理方式等 安全性与完整性要求 用户管理、数据管理、数据一致性等,1、调查用户需求的步骤,调查组织机构情况 调查各部门的业务活动情况 熟悉业务活动，明确新系统的各种要求 确定新系统的边界(需计算机化的部分) 企业限制,调查用户需求的方法,跟班作业 开调查会 请专人介绍 询问 填写调查表 查阅原系统的工作记录,需求分析的内容： 分析用户对数据库的要求 信息要求分析 需存储的数据 处理要求分析 要完成的功能、响应时间、处理方式等 安全性与完整性要求分析 用户管理、数据管理、数据一致性等,6.2.3 需求分析（第2步）,1、需求的内容,2、需求分析的步骤,（1）分析用户活动，产生用户活动图。 （2）确定系统范围，产生系统范围图。 （3）分析用户活动所涉及的数据，产生数据流图。 （4）分析系统数据，产生数据字典。,需求分析阶段的活动主要由以下的四个步骤组成。,结构化分析(SA)方法 自顶向下、逐层分解 形成需求文档、数据字典(DD)及多层数据流图(DFD),数据来源,数据存储,数据输出,处理,某一层次的抽象图,3、 需求分析方法,4、数据流图,（1）数据流图（Data Flow Diagram，DFD）是描述系统的重要工具，它力图从数据传递和处理的角度以图形的方式表示数据处理系统的工作状况，较好地抓住问题的本质，具有直观、容易理解的优点，便于一组人同时进行审查。,（2）绘制数据流程图的符号,数据源点或终点：指本系统之外的人或单位，他们与本系统有信息传递关系。,数据存储文件：指通过数据文件、文件夹或账本等存储数据。,数据处理：数据处理对进入的数据流进行特定的加工的过程，处理后将产生新的数据流,数据流：表示流动着的数据，它可以是一项数据，也可以是一组数据。,（3）数据流图分解,为了很好地表达数据处理过程的数据加工情况，需要采用层次结构的数据流图。,顶层图：将整个系统作为一个数据加工项，着重描述系统与外部实体的联系。明确系统的边界。,第0层图：对顶层图中的数据加工进行分解，形成系统较详细的数据流程图,第一层图：对顶层图中的数据加工进一步分解，形成系统更详细的数据流程图。,5、 需求分析的过程,调查组织 机构总体 情况,明确 用户需求,熟悉 业务活动,概念 设计,确定 系统边界,DFD,DD,用户,设计员,6.2.5 图书管理系统需求分析,1、需求调查 组织机构,图书管理员要为每个学生建立学生借阅账户，并给学生发放不同类别的借阅卡，账户内存储学生的个人基本信息和借阅记录信息。 持有借阅卡的学生可以通过管理员（作为学生的代理人与系统交互）借阅、归还图书，不同类别的学生可借阅图书的范围、数量和期限不同。 学生可通过互联网或图书馆内查询终端查询图书信息和个人借阅情况，以及进行续借图书（系统审核符合续借条件）。,1、业务流程,借阅图书时，先输入学生的借阅卡号，系统验证借阅卡的有效性和学生是否可继续借阅图书，无效则提示其原因，有效则显示学生的基本信息（包括照片），供管理员人工核对。然后输入要借阅的书号，系统查阅图书信息数据库，显示图书的基本信息，供管理员人工核对。最后提交借阅请求，若被系统接受则存储借阅纪录，并修改可借阅图书的数量。,归还图书时，输入学生借阅卡号和图书号，系统验证是否有此借阅纪录以及是否超期借阅，无则提示，有则显示学生和图书的基本信息供管理员人工审核。如果有超期借阅或丢失情况，先转入过期罚款或图书丢失处理。然后提交还书请求，系统接受后删除借阅纪录，修改可借阅图书的数量。 图书管理员定期或不定期对图书信息进行入库、修改、删除等图书信息管理以及注销（不外借），包括图书类别和出版社管理。,3、数据流图,根据之前的描述，建立了图书管理系统的顶层数据流程图。,顶层数据流图,第0层数据流图,然而，顶层数据流图毕竟太抽象了，从这张图上对图书管理系统所能了解到的信息非常有限。下面再对它一步一步地分解，把基本模型细化，描述系统的主要功能。分解时要注意下层数据流必须与上层数据流图保持一致。下一层的数据流图必须有上图的所有输入/输出数据流和外部实体。 把顶层数据流图分解后得到如图5-5所示的图书管理系统第0层图。,第0层数据流图,第1层数据流图,接下来应该对功能级数据流图中描绘的系统主要功能进一步细化。,（1）图书管理,第1层数据流图,。,（2）学生管理,第1层数据流图,（3）借阅管理,4、数据字典,。,所谓数据字典就是对数据流程图中的各个数据元素做更进一步的详细说明。数据流程图配以数据字典，就可以从图形和文字两个方面对系统的逻辑模型作进一步完整地描述。 数据字典的内容如下：,数据项 数据流 数据存储 处理过程,4、 数据字典,（1）数据项。数据项是不可再分的数据单位。对数据项的描述通常包括以下内容：,数据项名称：借书证号 别 名：借书证编号 数据项含义：唯一地标识学生借阅身份的号码 定 义：借书证号6数字字符6 位 置：学生信息、借阅信息,数据字典,（2）数据流。数据流可以是数据项，也可以是数据结构，表示某一加工处理过程的输入或输出数据。对数据流的描述应该包括以下内容：,数据流名称：借书信息 别 名：BORROW 说 明：学生到图书管理员那里完成借阅图书 数据流来源：图书管理员 数据流去向：图书管理系统 平均流量 ：200次/天 高峰流量 ：280次/天 数据组成 ：借书证号ISBN借书时间+应还时间,数据字典,（3）数据存储。数据存储是数据保留或保存的地方，也是数据流的来源和去向之一。它可以是手工文档或手工凭单，也可以是计算机文档。对数据存储的描述通常包括以下内容：,数据存储名：图书信息表 别 名：BOOK 说 明：数据库存放，记录图书的详细信息 编 号：D2 数据组成 ：ISBN+书名+作者+价格+复本数+库存量 数 据 量：350本/天 存取频率 ：450本/天,数据字典,（4）处理过程。处理过程说明某个具体的加工处理工作。,处理过程名：图书管理 别 名：Bookmanage 说 明：图书管理员将图书基本信息录入系统， 学生给定查询条件完成图书查找。 编 号：P1 触发条件 ：图书管理员送来图书信息，学生给出查 询条件。 输 入：图书情况、图书查询条件 输 出：图书信息 加工逻辑 ：图书管理的处理算法，此书不赘述。,领书单 进书通知,购书单 缺书单,6.2.6 售书系统需求分析,学 生,教材 购销 系统,书库保管员,售书系统,顾客,P1 销售,P2 采购,供应商,F1 配件库存,P3 会计,付款,付款,收据,应付款通知,收款通知,到货通知,订货单,订货单,发货单,发货单,例子：销售采购管理系统 第1层数据流程图,F2 配件目录,顾客,P1.1 编辑 订货单,业务员,P1.3 确定 订货,P1.5 产生暂存 订货单,P1.2 登录 新顾客,F3 顾客,P1.4 开发货单 修改库存,P1.6 对照暂存 订货单,采购,F4 暂存订货单,P1.8 编制销售、 库存报表,P1.7 检索 库存,F1 配件库存,经理,F5 销售历史,F10 应收款明细帐,第2层数据流程图之一（销售）,发货单,订货单,不合格,合格,新顾客,不满足的订货,可发的订货,到货通知,F4 暂存订货单,P2.1 按配件汇总,P2.2 确定订货的配件,P2.5 修改库存、待订数量,F6 待订货的配件,P2.6 编制到货通知,P2.4 核对 发货单,F1 配件库存,P2.3 按供应商汇总,F8 向供应商的订货单,F9 应付款明细帐,销售,供应商,订货单,发货单,错误发货单,正确发货单,第2层数据流程图之二（采购）,顾客,P3.1 开收据并 修改明细帐,P3.5 编制会计报表,经理,P3.4 修改总帐,F10 应收款明细帐,F11 总帐,P3.3 付款并修改明细帐,P3.2 核对 付款单,F9 应付款明细帐,供应商,第2层数据流程图之三（会计）,应付款通知,付款,收据,数据字典,描述系统中的数据，包括数据项、数据结构、数据流、数据存储和处理过程 数据项描述 = 数据项名，数据项含义说明，别名，数据类型，长度，取值范围，取值含义，与其它数据项的逻辑关系，数据项之间的联系 数据结构描述 = 数据结构名，含义说明，组成：数据项或数据结构 数据流描述 = 数据流名，说明，数据流来源，数据流去向，组成：数据结构，平均流量，高峰期流量 数据存储描述 = 数据存储名，说明，编号，输入的数据流，输出的数据流，组成：数据结构，数据量，存取频度，存取方式 处理过程描述 = 处理过程名，说明，输入：数据流，输出：数据流，处理：简要说明,6.2.7 需求分析说明书,需求分析的结果反馈给用户审定 需求分析需要考虑需求变更和扩充，强调用户参与,6.3 概念结构设计,概念结构 将在需求分析阶段得到的应用需求抽象为信息世界的结构，常用E-R模型来描述 独立于机器 概念结构的特点 真实充分地反映客观世界 易于理解 易于更改 易于转换成为数据模型,概念结构设计的方法,自顶向下 首先定义全局概念结构的框架，然后逐步细化 自底向上 首先定义各局部应用的概念结构，然后集成 逐步扩张 首先定义最重要的核心概念结构，然后向外扩充 混合策略 首先用自顶向下策略设计全局概念结构的框架，再集成用自底向上策略设计的各局部概念结构,P214图,概念结构设计的步骤,需求分析,逻辑结构设计,数据抽象 局部视图设计,视图集成,用户反馈 直至满意,DD DFD,局部E-R图,总E-R图,数据抽象,数据抽象 抽象出对客观世界中的概念、对象的本质特性 用于在需求分析阶段将收集到的数据进行分类、组织(聚集)，从而形成实体、实体的属性，标识实体的码，确定实体间的联系类型，以便设计相应的E-R图 三类数据抽象机制 分类 聚集 概括,数据抽象机制之一,分类 将一类具有共同特性和行为的对象定义为一种某类型，在E-R模型中的实体型就是这种抽象，如学生，课程 抽象了对象的值和型之间“is member of”语义,学生,“is member of”,张英,王平,赵斌,实体型,课程,“is member of”,C语言,数据库,操作系统,实体型,数据抽象机制之二,聚集 定义某类型的组成成分，对应E-R模型中实体的属性 抽象了对象类型和其成分之间的“is part of”语义,学生,学号,姓名,专业,班级,仓库号,面积,主任,仓库,姓名,年龄,性别,工资,“is part of”,实体型,属性,数据抽象机制之三,概括 定义类型之间的子集联系，形成超(父)类、子类 抽象了类型之间“is subset of”语义 概括的重要性质：继承，即子类集成超类的所有抽象 是E-R模型的抽象机制的扩充,学生,本科生,研究生,概括的E-R表示,“is subset of”,超类,子类,学号, 姓名, 性别, 年龄,专业， 综合排名,导师， 研究方向,概念设计的第一步,利用抽象机制，对需求分析阶段收集到的数据进行分类、组织（聚集） 形成实体，实体的属性，标识实体的码，确定实体间的联系类型 设计局部E-R图,局部E-R图设计方法,选择局部应用：中层数据流图为依据 如物资管理、人事管理、销售管理等 逐一设计局部E-R图 根据数据抽象后所的得DD，并参照DFD，标定局部应用中的实体、实体属性、实体码，确定实体间的联系及类型 设计准则(某事物作为实体还是作为属性更恰当？) 能作为属性对待的事物尽量作为属性对待 能作为属性的事物必须 不能再具有需要描述的性质 不能与其他实体具有联系(E-R图中的联系是实体之间的联系),职工,职工号,姓名,年龄,职称,职工,职工号,姓名,年龄,职称,职称代号号,工资,住房标准,附加福利,聘任,当职称没有需进一步描述的特性时，作属性,当职称有需进一步描述的特性时，作实体,如：,P219,如销售管理子系统的局部E-R图,顾客,应收帐,订单,订单细则,折扣规则,产品描述,组成,参照1,参照2,订货,支付,1,n,n,1,n,1,n,1,n,1,顾客号，顾客名， 地址，电话，,顾客号，订单号，发票号， 应收金额，支付日期，,订单号，顾客号，订货日期，,订单号，细则号， 零件号，订货数， 金额，,产品号，产品名，单价，,产品号，订货量，折扣,P220,如公司部门管理系统的E-R图,部门,项目,职工,电话,包括,承担,n,1,n,1,房间号，面积,项目号，预算费,参与,m,n,办公室,包含,1,n,包括,n,1,职务,承担,1,1,部门号，预算费， 领导人职工号,电话号码，说明,职工号，姓名，办公电话,工资情况,E-R图集成,集成方式 多个局部E-R图一次集成，或以累加方式逐步集成 集成步骤 合并局部E-R图，生成初步E-R图 依靠协商或应用语义消除各局部E-R图之间的 属性冲突：如属性的类型、取值范围冲突，或属性取值单位冲突 命名冲突：如同名异义，或一义多名 结构冲突：如不同应用中，同一对象有不同的抽象或同一实体包含的属性不完全相同 修改和重构，生成基本E-R图 依据分析和规范化理论来消除冗余,6.4 逻辑结构设计,逻辑结构设计的任务 将基本E-R图转换为与选用DBMS所支持的数据模型相符合的逻辑结构 逻辑结构设计的步骤,E-R图向关系模型的转换,任务 将实体和实体的属性及实体间的联系转换为关系模式 确定关系模式的属性和码,E-R图向关系模型的转换原则,一个实体转换为一个关系模式，实体的属性就是关系的属性，实体的码就是关系的码 对实体间的联系 一个1:1联系可以转换为一个独立的关系模式，也可以与任意对应的关系模式合并 一个1:n联系可以转换为一个独立的关系模式，也可以与n端对应的关系模式合并 一个m:n联系转换为一个关系模式 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 具有相同码的关系模式可以合并,如公司部门管理系统的E-R图及其转换成的关系模式,部门,项目,职工,电话,包括,承担,n,1,n,1,办公室号，面积,项目号，预算费,参与,m,n,办公室,包含,1,n,包括,n,1,职务,承担,1,1,部门号，预算费， 领导人职工号,电话号码，说明,职工号，姓名，办公电话,担任时期，工资,分担任务,数据模型的优化,优化通常以规范化理论为指导 优化方法 确定数据依赖 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 按照数据依赖的理论对关系模式逐一分析，确定各关系模式属于第几范式 按用户需求分析这些模式是否合适，是否需合并或分解 对关系模式进行必要的分解，提高数据操作效率和存储空间利用率,设计用户子模式,根据局部应用需求设计用户子模式 设计用户子模式的目的 保证系统安全性 简化用户对系统的使用 DBMS中一般采用视图(View)机制,6.5 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定一个最合适应用要求的物理结构的过程 数据库的物理设计的依据 应用环境对所需处理的事务、所涉及到的数据，各种操作的运行频率及响应时间等性能要求 数据库的物理设计的目标 事务响应时间小、存储空间利用率高、事物吞吐率大,数据库的物理设计,数据库的物理结构 数据库在物理设备上的存储结构与存取方法 依赖于给定的计算机系统 关系数据库的物理设计内容 设计关系、索引等数据库文件的物理存储结构 为关系模式选择存取方法 数据库的物理设计步骤 确定数据库的物理结构 对物理结构进行评价,数据库的物理设计步骤(一),确定数据库的物理结构 确定需要存储的数据对象 如关系、索引、聚簇、日志、备份等 确定数据的存放位置 如区分稳定数据和易变数据、经常存取部分和不常存取部分、机密数据和普通数据等，分开存放 确定数据的存储结构 如顺序结构、随机结构、链表结构、树状结构等 确定数据的存取方法 如索引(如B树、B+树、R树等)、聚簇、 HASH法等 确定系统配置 如同时使用数据库的最大用户数、同时打开的数据库对象数、内存分配参数、缓冲区分配参数、存储分配参数、物理块大小、物理块装填因子、时间片大小、数据库大小、锁的数目等,对物理结构进行评价 分析时间效率、空间效率、维护代价及用户要求等,数据库的物理设计步骤(二),关系模式存取方法选择,一般对同一关系建立多条存取路径以满足多用户系统的不同应用的数据存取要求 常用的存取方法 索引法 为加快按某个属性(组)进行存取的效率，根据该属性(组)建立索引，如B+树 索引建立在单个关系上,关系模式存取方法选择(续),聚簇(Cluster)法 为提高按聚簇码进行查询的效率，将聚簇码上具有相同值的元组存放在连续物理块 一个数据库可以建立多个聚簇，但一个关系只能由一个聚簇 聚簇可以建立在单表上，也可建立在进行连接操作的多个表上 SQL中与聚簇有关的操作如ORDER BY, GROUP BY, UNION, DISTINCT等 HASH法 设计合理的HASH函数，根据关键字值计算得到存储地址 对可能出现的地址冲突现象设计合理的解决方案 当某属性(组)主要出现在等连接条件或相等比较条件中，而且关系的大小可以预知，或关系大小动态变化而DBMS提供了HASH存取方法时，可考虑选用,6.6 数据库的实施和维护,数据库实施阶段的任务 模式定义 使用选定DBMS支