Oracle5[数据库设计].ppt

snownightsCopyRight,数据库设计,第五章,2/31,第5章 数据库系统设计,5.1 数据库设计概述 数据库设计（database design）是建立数据库及其应用系统的技术，是信息系统开发和建设中的核心技术。 具体而言，数据库设计就是针对一个具体的应用环境，构造出最优的数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能过有效地存储数据，满足各种用户地应用需求（信息需求和处理需求）。 数据库设计的问题是数据库应用领域中最基本的研究与开发课题。,3/31,5.1.1 数据库系统设计内容,数据库设计包含两方面的内容： 1结构特性设计 结构特性设计通常是指数据库模式或数据库结构设计，它应该具有最小冗余的、能满足不同用户数据需求的、能实现数据共享的系统。数据库结构特性是静态的，应留有扩充余地，使系统容易改变。 2行为特性设计 行为特性设计是指数据库用户的行为和动作的设计。 也就是设计数据库查询，事务处理，和报表处理等应用程序，它是动态的。 3物理设计 根据应用处理的要求，在选定的DBMS环境下，将设计好的数据库模式加以物理实现。,4/31,数据库设计是一项综合性技术。“三分技术，七分管理，十二分基础数据”是数据库建设的基本规律。数据库设计的特点主要表现在两个结合上： 硬件、软件和管理界面相结合。 计算机应用领域常常涉及到计算硬件、计算机软件和计算机干件三个基本要素，其中，“干件”就是技术与管理的界面。数据库建设是“三件”的结合 结构设计和行为设计相结合。 数据库设计是与应用系统设计相结合的。即使说，整个设计过程中要把结构（数据）涉及和行为（处理）设计密切结合起来。,5.1.2 数据库设计特点,5/31,5.2 数据库设计步骤,人们把数据库应用系统从开始规划、设计、实现、维护到最后被新的系统取代而停止使用的整个过程，成为数据库系统的生命周期，它的实质是将数据库应用系统的开发分解成若干目标独立的阶段。 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（编码、测试阶段） 运行维护阶段,6/31,数据库设计采用上述的前四个阶段，并且重点以数据结构与模型设计为主线。用下图表示：,7/31,应用要求（数据，处理）,转换规则，规范化理论， DBMS要求，优化方法,应用要求，DBMS特征,应用程序使用频率,不满意,用户需求收集合分析,设计概念结构,设计逻辑结构,数据模型优化,设计物理结构,评价设计，性能预测,物理实现,实验性运行,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,不满意,不满意,数据库,结构设计,程序结,构设计,8/31,各阶段设计内容、设计方法,9/31,4.3 数据库结构设计,4.3.1 需求分析。 需求分析的目标是准确了解系统的应用环境，了解并分析用户对数据及数据处理的需求，也就是从调查用户单位着手，深入了解用户单位数据流程，数据的使用情况，数据的数量、流量、流向、数据性质，并且做出分析，最终按一定规范要求以文档形式作出数据的需求说明书。,10/31,需求调查,需求调查是需求分析的第一步，此时，调查者必须收集用户单位的有关资料，这些资料包括报表，台帐，单据，文档，档案，发票，收据等原始资料，此外还包括用户单位的组织机构及业务活动。其次，还需要召开座谈会，了解有关需求的情况，在特殊情况下需要做个别调查与专题调查，并作出记录。一般来讲， 收集用户对数据库的需求信息有： （1）信息需求：用户将从数据库中获得信息的内容、性质。也就是数据库需要存储那些数据。 （2）处理需求：用户要完成什么样的处理功能，响应时间、处理方式。 （3）安全性与完整性要求 。,11/31,需求分析,分析的过程是对所收集到的数据进行抽象的过程。 数据边界的确定 确定整个需求的数据范围，了解系统所需要的数据范围以及不属于系统考虑的数据范围，用此以建立整个系统的数据边界。数据边界确立了整个系统所注释的目标与对象。建立了整个数据领域所考虑的范围。 数据环境的确定 以数据边界为基础，确定系统周边环境，包括上/下，左/右，入/出，内/外间的数据及其关系，从而建立系统的整体联系。 数据内部关系 数据内部关系包括数据流动规律、流向、流量、频率、形式、存储量、存储周期。 数据字典 数据字典是对系统中数据的详细描述，包括数据元素和数据类。,12/31,数据元素是数据的基本单元，如姓名，性别，年龄等等，其特征是不可分解性。 数据类是数据元素的有机集合，它构成数据的逻辑单元，如人事系统中的人员基本情况，它由姓名、性别、年龄、党派、参加工作日期等数据元素构成，是一个基本数据逻辑单位。 数据字典中的数据元素和数据类还包括它们的一些性质，如数据类型、数量、安全性要求、完整性约束要求、数据来源、数据存储、数据处理过程等等。 数据性能需求 数据性能需求包括数据的精度要求、时间要求、灵活性要求、安全性、完整性、可靠性、运行环境要求，此外还包括数据的可维护性、可恢复性、可转换性的要求等。,13/31,3数据流图 数据库设计中采用数据流图（DFD：Data Flow Diagram）来描述系统的功能。DFD一般由下面图素构成。 ：数据及其流动方向，直线上方标明数据流名称 ：数据处理，圆圈内标明处理名称 ：数据流的终点和源点，方框内标明相应的名称 ：文件和数据存储，在其内标明相应名称,14/31,15/31,4数据字典 数据字典（DD：Data Dictionary）用于记载系统中的各种数据、数据元素以及它们的名字、性质、意义及各类约束条件，记录系统中用到的常量、变量、数组及其他数据单位，是系统开发与维护中不可缺少的重要文件。数据字典是关于数据库中数据的一种描述，而不是数据本身。数据字典是在需求分析阶段建立，在数据库设计过程中不断修改、充实、完善的。 数据字典产生于数据流图，是对数据流图中的五个成分（数据项、数据结构、数据流、数据存储和数据处理过程）描述的结果。,16/31,数据项描述：定义数据项，一般包括名称、含义、类型、长度、允许范围、取值含义等。 数据结构描述：反映数据间的组合关系，一般包括结构名称，结构组成。 数据流描述：定义数据结构在系统中的传输路径，一般包含若干数据结构，以及结构的来源、去向和流量。 数据存储描述：定义数据结构停留或保存的地方，一般包括指定的数据结构，存储的数据量、频率和存取方式（批处理/联机处理、检索/更新、顺序检索/随机检索等等）。 数据处理过程描述：描述处理过程的说明性信息，说明该过程的功能和功能要求 也就是该处理过程是用来实现什么功能的（这里不涉及如何做），以及处理的频率，数据量，响应时间，触发条件，错误处理等内容。,17/31,数据需求分析说明书,在调查与分析的基础上依据一定的规范要求编写数据需求分析说明书。 数据分析需求说明书一般依据一定规范要求编写。我国有国家标准与部委标准，也有企业标准，其制定的目的是为着规范说明书编写，规范需求分析的内容，同时也为了同一编写格式。 数据需求分析说明书一般用自然语言并辅之以一定表格书写，目前也有一些用计算机辅助的书写工具，但由于使用上存在一些问题，应用尚不够普及。,18/31,数据需求分析说明书的内容,数据需求分析说明书大致包括以下内容: 需求调查原始资料 数据边界、环境及数据内部关系 数据数量分析 数据字典 数据性能分析 根据不同规范，数据需求分析说明书在细节上可以有所不同，但是总体要求不外乎上述五点。,19/31,5.3.2 概念结构设计,概念结构的目标是将需求分析得到的用户需求抽象为数据库的概念结构，即概念模式。概念结构设计形成一个独立于具体DBMS的概念模型。描述概念模式的是ER图。它的作用是： 提供能够使别和理解系统要求的框架。 该模型为数据库提供一个说明性的结构，作为设计数据库逻辑结构的基础。 对概念模型的要求有： 能够充分反映现实世界中的各种数据要求； 表达自然，直观，容易理解，以便和不熟悉计算机的用户交换意见； 易于修改和扩充 便于向关系、网状、层次等各种数据模型转换。,20/31,数据库概念设计的主要方法是E-R方法。E-R方法中有五个基本概念：实体，属性。联系，嵌套与继承。实体与属性是基本对象，而联系、嵌套于继承则是与实体和属性之间的语义联系。,概念模型的设计步骤是： 设计局部E-R模型，即用户是图的设计 综合各局部E-R模型，形成总体E-R模型，即视图的集成,21/31,局部E-R模型设计,局部E-R模型（局部视图）设计是从数据流图出发确定实体和属性，并根据数据流图中表示的对数据的处理、确定实体之间的联系。设计的过程通常有下面几种次序： 自顶向下：首先从抽象级别高且普遍性强的对象开始逐步细化、具体化与特殊化。 自底向上：首先从具体的对象开始，逐步抽象化、普遍化与一般化。 自内向外：首先从最基本最明显的对象开始，逐步扩充至非基本的不明显的其他对象。,22/31,采用ER方法的数据库概念设计局部ER模式,23/31,局部模式,现有的教学 管理系统,初步分析系统的对象,根据服务种类分析教师子模块,局部ER图,24/31,其他局部模式,现有的教学 管理系统,初步分析系统的对象,根据服务种类分析学生子模块,局部ER图,25/31,其它局部模式,现有的教学 管理系统,初步分析系统的对象,根据服务种类分析课程子模块,局部ER图,26/31,视图设计过程中需注意的基本情况,区分实体与属性 实体与属性是视图中的基本单位，它们之间并无绝对的区分标准。但一般而言，人们从实践中总结出以下三原则用于分析时参考。 原子性原则：实体需要进一步描述，而属性则不具有描述性质。属性必须是不可分解的数据项，不可包含其它属性。 依赖性原则：属性仅单向依赖于某个实体，并且此种依赖是包含性依赖，不能与其它实体具有联系，例如学生实体中的学号、学生姓名等属性均单向依赖于学生。 一致性原则：一个实体有若干个属性组成，这些属性之间有着内在的关联性与一致性，例如学生实体有学号、姓名、年龄、专业等属性，它们分别独立表示实体的某种独特个性，并在总体上协调一致，互相配合，构成一个完整的整体。 需要特别说明的是，现实世界的事物能够作为属性看待的，应当尽量作为属性对待。,27/31,实体集的可嵌套性,在E-R模型中属性与实体（集）是两个不同的概念，但也可以将属性作为实体集，即使说，属性附属于实体集，而实体集也可附属于属性集，实体集具有可嵌套性质。 例如：设有实体集：大学（university）。大学有属性：校名（uname）、地址（uaddtess）、电话号码（utel）、校长（upresident）。校长有属性：姓名（pname）、性别（psex）、办公地址（proomno）、电话号码（Ptel）等。在这两个实体集中学校有属性：校长；校长也有自己的属性，也是实体集。,28/31,特殊的联系继承（inheritance）关系,我们可以建立一种特殊的联系叫做继承关系Is-a。Is-a联系表示了两个实体集之间的继承关系。即使说，如果有两个实体集A和B，而B是A的一个子集，同时具有比A更多的属性。这样，通过Is-a联系，B中实体可以继承A中的所有属性（B是A的子集，B中的实体必然出现在A中），同时B也有自己“独有”的属性。此时，A称为B的超（实体）集（super-entity set），B称为A的子（实体）集（sub-entity set）。 例如：设有学生（student）、研究生（graduatestudent）两个实体集。学生实体集有属性：学号（S#）、姓名（Sn）、系别（Sd）、年龄（Sa）；研究生也是学生，具有学生的所有属性，同时还有属性：导师姓名（adviser-name）、研究方向（reserch-field）。此时，“学生”与“研究生”之间可以建立起Is-a联系。该联系一旦建立，“研究生”即可继承“学生”的所有属性，即使说，“研究生”可以视为具有以下属性： S#、Sn、Sd、Sa和adviser-name、reserch-field。,29/31,30/31,联系、嵌套与继承的区分,联系、嵌套和继承建立了视图中属性与实体间的语义关联，从定义中来看，它们的语义是清楚的。 联系：实体间的一种广泛的语义联系，反映了实体间的内在逻辑关联。 嵌套：实体对属性的依赖关系，反映了实体的聚合与分解关系。 继承：实体间的分类与包含关系。 联系与嵌套间的区别 实际上是用联系也可以实现嵌套，联系是一种在语义上更为广泛的关联，只是为了求得设计上的完整性与独立性才用嵌套表示之。 联系与继承是两个完全不同的概念，两者不能相互替代。,31/31,实体与属性的详细描述 实体与属性名：实体与属性的命名需有一定的规则，它们应当清晰明了，便于记忆，并且尽可能采用用户熟悉的名称。名称还要有特点，减少冲突，方便使用，遵守缩写规则。 确定实体标识：实体标识就是该实体的关键字，首先要列出实体的所有候选关键字，在此基础上选择一个作为主关键字。 空值原则：在属性中可能出现空值，重要的是主关键字不可出现空值。 联系的详细描述 联系的种类：主要有存在联系 如学校有教师，教师有学生；功能性联系 如教师授课，教师参与管理学生等；事件联系，如学生借书，学生打网球等。使用上述三种联系可以检查需求中联系是否有遗漏。 实体联系的对应关系：11，1n，mn。 实体间联系的元数：实体间联系常用的是两个实体间的联系称为二元联系，偶尔也用到三个或者三个以上的联系，成为多元联系。特殊情形是一个实体内部的联系称为一元联系。,32/31,2总体E-R模型设计,总体E-R模型设计实质是所有局部视图统一与合并成一个完整的数据模式。在此过程中主要使用三种集成概念与方法，分别是等同、聚合、抽取。 等同：等同是指两个或者多个数据对象有相同的语义，它包括简单的属性等同、实体等同及其语义等同。等同的对象其语法形式表示可以不一致，例如某单位职工按身份证编号，属性“职工编号”与“职工身份证编号”有相同的语义。等同具有同义同名等同与同义异名等同两类。 聚合：聚合表示数据对象间的一种组成关系，如实体“学生”可由学号、姓名、性别等聚合而成，通过聚合可以将不同实体聚合成一个整体或者将他们连接起来。 抽取：抽取即将不同实体中相同属性提取成一个新的实体并构造成具有继承关系的结构。,33/31,下图是聚合与抽取的示例,34/31,E-R模型视图集成的步骤,预集成 预集成步骤的主要任务： 确定总的集成策略，包括集成的优先次序，一次集成视图数及初始集成序列等。 检查集成过程需要用到的信息是否齐全完整。 揭示和解决冲突，为下阶段视图规并奠定基础。 最终集成 最终集成步骤的主要任务： 完整性和正确性：全局视图必须是每一个局部视图正确全面的反映。 最小化原则：原则上是现实同一概念只在一个地方表示。 可理解性：应选择最为用户理解的模式结构。,35/31,冲突与解决,在集成过程中由于每个局部视图在设计时的不一致性，可能会产生冲突与矛盾。常见的冲突有下列几种： 命名冲突：在“学生视图”和“研究生”视图中的学生分别表示“大学生”和“研究生”，这是同名异义冲突；而中的有属性“何时入学”，中有“入学时间”，这是异名同义冲突。 概念冲突：同一概念在一处为实体而在另一处为属性或者联系。 域冲突：相同的属性在不同的视图中有不同的域，如学号在某视图中的域为字符串而在另一个视图中却为整数，有些属性采用不同的度量单位也属于域冲突。 约束冲突：不同视图可能有不同的约束，例如“选课”，这个联系大学生与研究生的最少与最多的数可能不一样。 上述冲突一般在集成时需要做统一处理，形成一致的表示，其办法即是对视图做适当的修改，如将前述两个视图中的“学生”，一个改为“大学生”，另一个改成“研究生”；又如将“入学时间”和“何时入学”统一改成“入学时间”，从而达到一致。,36/31,例子：三个局部ER图合并成一个ER图,37/31,5.3.3 逻辑结构设计,概念设计的结果是得到一个与DBMS无关的概念模式。而逻辑设计的目的是把概念模式设计阶段的全局E-R模式转换成与选用的具体机器上的DBMS所支持的数据模型相符合的逻辑结构。 逻辑结构即数据库模式，包括数据库内模式、模式和外模式。逻辑设计主要设计模式和外模式，关系数据库可以说是数据库表和视图等。（例如Oracle的逻辑结构包括表空间及数据库对象）。逻辑设计阶段一般分三个过程进行： 将概念结构转换为一般的关系、网状、层次模型； 将由概念结构转换来的模型向所选用DBMS支持的数据模型转换； 对数据模型进行优化,38/31,逻辑设计可表示如下示意形式,39/31,逻辑设计的步骤:,是,否,40/31,E-R图转换成关系模式集的规则,将每个实体类型转换成一个关系模式，实体的属性即为关系模式的属性，实体标识符即为关系模式的键 二元联系类型的转换，根据不同情况做不同的处理： 1）若实体间的联系是一对一的，可以在两个实体类型转换成的两个关系模式中的任意一个关系模式的属性中加入另一个关系模式的键和联系类型的属性。也可能做合并关系模式处理。 例：学院与院长之间是一对一，在学院关系模式中加入院长关系模式的键。 2）若实体间的联系是一对多的，则在多端实体类型转换成的关系模式中加入一端实体类型转换成的关系模式的键和联系类型的属性。 例：学院与教师之间是一对多，在教师关系模式中加入学院关系模式的键。,41/31,E-R图转换成关系模式集的规则,3）若实体间的联系是一对多的，而且在多端实体类型为弱实体，转换成的关系模式中将一端实体类型(父实体)的键作为外键放入多端的弱实体(子实体)中。弱实体的主键由父实体的主键与弱实体本身的候选键组成。也可以为弱实体建立新的标识ID。 例：学生与社会关系之间是一对多，社会关系是弱实体，在社会关系关系模式中加入学生关系模式的键学号，由学号和称呼两属性组成社会关系关系模式的主键。 4）若实体间的联系是多对多的，则将联系类型也转换成关系模式，其属性为与该联系相连的各个实体的码以及联系的属性，而键是与该联系相连的各个实体的码的组合，或者是与该联系相连的各个实体的码和联系的附加属性的组合。 例：学生与课程之间是多对多，建立学生课程联系关系模式，学号和课程号组成学生课程联系关系模式的键。,42/31,E-R图转换成关系模式集的规则,一元联系类型的转换:同二元联系 三元联系类型的转换 总是将三元联系类型转换成关系模式，其属性为三端实体类型的键加上联系类型的属性，而键为三端实体键的组合。,43/31,E-R模型到关系模型的转换实例,1,1,1,N,运动员（编号，姓名，性别，名次，上一名次编号，下一名次编号）,职工（工号，姓名，年龄，性别，经理工号）,44/31,E-R模型到关系模型的转换实例,M,N,M,N,P,零件（零件号，零件名，规格） 组成（零件号，子零件号，数量）,仓库（仓库号，仓库名，地址） 商店（商店号，商店名） 商品（商品号，商品名） 进货（商店号，商品名，仓库号，日期，数量）,45/31,例 库存销售信息管理系统的ER模型及转换,P,车间,仓位,产品,客户,销售员,存储,出库,订单,入库,M,N,M,P,M,N,P,M,N,N,库存系统E-R图,车间(车间号,车间名,主任名) 产品(产品号，产品名，单价) 仓位(仓位号，地址，主任名) 客户(客户号，客户名，联系人，电话， 地址，税号，账号) 销售员(销售员号,姓名,性别,学历,业绩）,实体,入库（入库单号,入库量,入库日期,经手人, 车间号,仓位号,产品名） 出库（出库单号，出库量，出库日期，经手人， 客户号，产品名，仓位号） 订单（订单号，数量，折扣，总价，订单日期， 产品号，客户号，销售员号） 存储(仓位号,产品号,核对日期,核对员,存储量),联系,46/31,弱实体,什么是弱实体 弱实体的表示方法 包含弱实体的ER图转换成关系模式,47/31,规范化处理、模式评价和模式修正,规范化处理 规范化的处理的目的是减少乃至消除关系模式中存在的各种异常，改善完整性、一致性和存储效率。 对于有经验的数据库设计人员而言，在进行E-R图的建立和关系模式转换时，已经考虑到规范化的要求，专门的规范化步骤往往指不能确定的实体类型、联系的关系转换。 一般的规范化过程是基于3NF或BCNF的标准进行的。在规范化模式合并和模式分解过程中，要特别注意保持依赖和无损连接要求。 模式评价 模式评价的目的是检查已给出的数据库模式是否完全满足用户的功能要求，是否具有较高的效率。并确定需要加以修改的部分。 模式修正 在逻辑设计阶段，还要设计出子模式，子模式体现各个用户对数据库的不同观点。,48/31,数据库设计三大范式,数据库的设计范式是数据库设计所需要满足的规范，满足这些规范的数据库是简洁的、结构明晰的，同时，不会发生插入（insert）、删除（delete）和更新（update）操作异常。 不符合范式的数据库设计，不仅给数据库的编程人员制造麻烦，而且面目可憎，可能存储了大量不需要的冗余信息。,49/31,1NF,第一范式（1NF）：数据库表中的字段都是单一属性的，不可再分。这个单一属性由基本类型构成，包括整型、实数、字符型、逻辑型、日期型等。 在当前的任何关系数据库管理系统（DBMS）中，不可能做出不符合第一范式的数据库，因为这些DBMS不允许你把数据库表的一列再分成二列或多列。因此，你想在现有的DBMS中设计出不符合第一范式的数据库都是不可能的。 简单的讲：一个table中的列是不可再分的（即列的原子性）,50/31,2NF,第二范式（2NF）：数据库表中不存在非关键字段对任一候选关键字段的部分函数依赖（部分函数依赖指的是存在组合关键字中的某些字段决定非关键字段的情况），也即所有非关键字段都完全依赖于任意一组候选关键字。 假定选课关系表为SelectCourse(学号, 姓名, 年龄, 课程名称, 成绩, 学分)，关键字为组合关键字(学号, 课程名称)，因为存在如下决定关系： (学号, 课程名称) (姓名, 年龄, 成绩, 学分) 这个数据库表不满足第二范式，因为存在如下决定关系： (课程名称) (学分) (学号) (姓名, 年龄) 即存在组合关键字中的字段决定非关键字的情况。 简单的讲就是：一个table中的行是可以唯一标示的，（即table中的行是不可以有重复的）,51/31,3NF,第三范式（3NF）：在第二范式的基础上，数据表中如果不存在非关键字段对任一候选关键字段的传递函数依赖则符合第三范式。所谓传递函数依赖，指的是如果存在“A B C“的决定关系，则C传递函数依赖于A。因此，满足第三范式的数据库表应该不存在如下依赖关系： 关键字段 非关键字段x 非关键字段y,52/31,例如：,员工表employee,在这个table中有一列dept_id(fk) 描述关于部门department(dept_id(pk)的信息， 若employee要满足3NF，则在employee中就不得再有除dept_id列的其它有关部门信息的列！ 一般数据库的设