第3章 数据库系统设计的步骤和方法.ppt

2020 1 5 数据库系统原理及应用 机械工业出版社 2 第3章数据库系统设计的步骤和方法 3 1数据库系统设计概述3 1 1数据库系统设计的内容3 1 2数据库系统设计应注意的问题3 1 3数据库系统设计方法3 1 4数据库设计的基本步骤3 2系统需求分析3 2 1需求分析的任务和方法3 2 2数据字典及其表示3 3数据库逻辑结构设计的实例3 3 1概念结构的特点及设计方法3 3 2数据抽象与局部视图设计3 3 3视图的集成 3 本章教学目标 重点和难点 本章教学目标 使学生了解数据库设计的基本内容和应注意的问题 掌握数据库系统设计方法和基本步骤 精通概念模型向关系模型的转换方法 教学重点 数据库设计方法和数据库设计的基本步骤 需求分析方法 数据库概念模型的设计方法 概念模型向关系模型的转换方法 教学难点 概念模型的设计方法 概念模型向关系模型的转换方法 4 3 1数据库系统设计概述 3 1 1数据库系统设计的内容目标 对于给定的应用环境 建立一个性能良好的 能满足不同用户使用要求的 又能被选定的DBMS所接受的数据库系统模式 按照该数据库系统模式建立的数据库系统 应当能够完整地反映现实世界中信息及信息之间的联系 能够有效地进行数据存储 能够方便地执行各种数据检索和处理操作 并且有利于进行数据维护和数据控制管理的工作 5 3 1数据库系统设计概述 内容 数据库的结构特性设计 数据库结构设计 其结果是得到一个合理的数据模型 以反映真实的事物间的联系 静态的 数据库的行为特性设计 应用程序设计 如查询 报表处理等 它确定用户的行为和动作 动态的 数据库的物理模式设计将数据库的结构特性设计和行为特性设计结合起来 相互参照 同步进行 才能较好地达到设计目标 6 考虑到计算机硬件 软件和干件的实际情况 1 数据库系统的硬件条件 2 DBMS和主语言系统的特点 3 数据库用户的技术水平和管理水平使结构特性设计和行为特性设计紧密结合 3 1 2数据库系统设计应注意的问题 7 8 3 1 3数据库系统设计方法 规范设计法比较著名的新奥尔良方法 将数据库设计分为四个阶段 需求分析 概念设计 逻辑设计 物理设计 具体的实现技术与实现方法 基于E R模型的数据库设计方法 基于3NF的设计方法 基于抽象语法规范的设计方法 规范设计法在具体使用中又分为两种 手工设计和计算机辅助设计 如计算机辅助设计工具OracleDesigner2000 RationalRose 9 数据库系统设计应分6个阶段进行 这6个阶段是需求分析 概念结构设计 逻辑结构设计 物理结构设计 数据库实施和数据库运行和维护 3 1 4数据库设计的基本步骤 10 11 1 需求分析阶段 准确了解并分析用户对系统的需要和要求 弄清系统要达到的目标和实现的功能 2 概念结构设计阶段 对用户需求进行综合 归纳和抽象 形成一个独立于具体计算机和DBMS的概念模型 3 逻辑结构设计阶段 将概念结构转换为DBMS所支持的数据模型 并将其性能进行优化 4 数据库物理设计阶段 为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构 包括数据存储结构和存取方法 5 数据库实施阶段 运用DBMS提供的数据操作语言和宿主语言 根据数据库的逻辑设计和物理设计的结果建立数据库 编制与调试应用程序 组织数据入库并进行系统试运行 6 数据库运行和维护阶段 不断地对其结构性能进行评价 调整和修改 3 1 4数据库设计的基本步骤 12 3 2系统需求分析 系统开发中最重要的一步 认识现实世界 了解企业需求是设计数据库的基础 否则 即使有先进的技术 高超的水平 也不可能设计出用户所需的系统 目标 详细调查要处理的对象 了解原系统 手工 以前计算机系统 情况 确定新系统功能 目标 虽然 技术含量不高 但非常重要 是系统成功与否的关键 并且强调用户参与 离开用户将寸步难行 13 3 2 1需求分析的任务和方法任务 调查现实世界要处理的对象 了解原系统的概况和发展前景 明确用户的各种需求 收集基础数据及其处理方法 确定新系统的功能和边界 1 系统需求调查的内容 1 数据库中的信息内容数据库中需存储哪些数据 包括用户将从数据库中直接获得或间接导出的信息内容和性质 2 数据处理内容用户要完成什么数据处理功能 用户对数据处理响应时间的要求 数据处理的工作方式 3 数据安全性和完整性要求数据的保密措施和存取控制要求 数据自身的或数据间的约束限制 3 2系统需求分析 分析用户的要求 将分析结果用数据流程图和数据字典表示 14 3 2 1需求分析的任务和方法1 需求分析的任务 是通过详细调查现实世界要处理的对象 部门 企业 充分了解原系统 手工系统或老计算机系统 工作概况 明确各用户的各种需求 在此基础上确定新系统的功能和边界 新系统的设计不仅要考虑现时的需求还要为今后的扩充和改变留有余地 要有一定的前瞻性 3 2系统需求分析 15 调查四步 1 调查组织机构情况 2 调查各部门的业务活动情况 3 协助用户明确对新系统的各种要求 4 对前面调查结果进行初步分析 确定系统的边界 2 系统需求的调查步骤 16 1 跟班作业 数据库设计人员亲身参加业务工作 2 开调查会 通过与用户座谈的方式来了解业务活动情况及用户需求 3 请专人介绍 请业务熟练的专家或用户介绍业务专业知识和业务活动情况 设计人员从中了解并询问相关问题 4 询问 对某些调查中的问题 可以找专人询问 5 设计调查表请用户填写 数据库设计人员可以提前设计一个合理的 详细的业务活动及数据要求调查表 并将此表发给相关的用户 6 查阅现实世界的数据记录 查阅与原系统有关的数据记录 包括帐本 档案或文献等 3 系统需求调查的方法 17 4 系统需求分析方法 调查了解用户的需求以后 需要进一步分析和表达用户的需求 常用的有结构化分析方法 1 自顶向下的设计方法 2 自底向上的设计方法 3 逐步扩张的设计方法 4 混合策略设计的方法 18 分析四步 分析用户的活动 确定新系统功能包括的范围 分析用户活动所涉及的数据 分析系统数据 1 分析用户的活动 用户活动图2 确定系统的边界在上述用户活动图中确定计算机与人工分工的界线 19 3 分析用户活动所涉及的数据在处理功能逐步分解的同时 他们所用的数据也逐级分解形成若干层次的数据流图 数据流图 DFD DataFlowDiagram 从数据流的角度描述一个组织业务活动的图 从数据和数据加工两方面来表达数据处理系统工作过程 是用户和设计人员都能容易理解的一种表达系统功能的描述方式 20 一个数据流程图的实例 21 22 4 分析系统数据数据字典 DD DataDictionary 是进行详细的数据收集与分析所得到的主要成果 是对数据流图中出现的所有数据元素给出逻辑定义和描述 也是数据库设计者与用户交流的又一个有力工具 可以供系统设计者 软件开发者 系统维护者和用户参照使用 23 数据字典是各类数据描述的集合1 数据项 数据项是不可再分的数据单位 2 数据结构 数据结构反映了数据之间的组合关系 3 数据流 据流是数据结构在系统内传输的路径 4 数据存储 数据存储是数据及其结构停留或保存的地方 也是数据流的来源和去向之一 数据存储可以是手工文档 手工凭单或计算机文档 5 处理过程 用判定表或判定树来描述 3 2 2数据字典及其表示 24 3 3概念结构的设计 概念结构设计阶段就是将用户需求抽象为信息结构即概念模型的过程 实体 联系模型 E R模型 EntityRelationshipModel 为该阶段的设计提供了强有力的工具 概念结构的设计步骤 自底向上方法 首先抽象数据并设计各局部应用的局部E R图 然后将各局部E R图集成形成全局的E R图 3 3 1概念结构的特点及设计方法 25 3 3概念结构的设计 1 三种数据抽象方法分类 ismemberof 定义某一类概念作为现实世界中一组对象的类型 这些对象具有某些共同的特性和行为 在E R模型中 实体集就是这种抽象 聚集 ispartof 定义某一类型的组成部分 它抽象了对象内部的类型和 组成部分 的语义 概括 issubsetof 定义类型之间的一种子集联系 它抽象了类型之间的 所属 的语义 3 3 2数据抽象与局部视图设计 26 3 3概念结构的设计 2 设计分E R图概念结构设计是利用抽象机制对需求分析阶段收集到的数据分类 组织 聚集 形成实体集 属性和码 确定实体集之间的联系类型 进而设计分E R图 总体原则是现实中的事物能做 属性 处理的就不要做 实体 对待 决定事物作为属性来对待的准则 此事物不能再包含别的属性此事物不能与其它实体发生联系 联系只能发生在实体之间 3 3 2数据抽象与局部视图设计 27 3 3 3视图的集成 1 合并分E R图 生成初步E R图 1 属性冲突1 属性域冲突 即属性值的类型 取值范围或取值集合不同 2 属性取值单位冲突 2 命名冲突1 同名异义冲突 即不同意义的对象在不同的局部应用中具有相同的名字 2 异名同义冲突 即意义相同的对象在不同的局部应用中有不同的名字 3 结构冲突1 同一对象在不同的应用中具有不同的抽象 2 同一实体在不同分E R图中的属性组成不一致 3 实体之间的联系在不同的分E R图中呈现不同的类型 2 消除不必要的冗余 设计基本E R图 28 冗余 破坏DB完整性 维护起来困难冗余数据 由基本数据导出的数据 冗余联系 由基本联系导出的联系 方法 分析方法 以数据流图和数据字典为依据 根据逻辑关系消除 规范化理论 29 3 4数据库逻辑结构的设计 3 4 1概念模型向网状模型转换 略 30 3 4 2概念模型向关系模型的转换 实体集的转换规则概念模型中的一个实体集转换为关系模型中的一个关系 实体的属性就是关系的属性 实体的码就是关系的码 关系的结构是关系模式 2 实体集间联系的转换规则 1 1 1联系的转换方法1 将1 1联系转换为一个独立的关系 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关系的属性 且每个实体的码均是该关系的候选码 2 将1 1联系与某一端实体集所对应的关系合并 则需要在被合并关系中增加属性 其新增的属性为联系本身的属性和与联系相关的另一个实体集的码 31 例3 1 将图中E R图转换为关系模型 方案1 联系形成的关系独立存在 职工 职工号 姓名 年龄 产品 产品号 产品名 价格 负责 职工号 产品号 方案2 负责 与 职工 两关系合并 职工 职工号 姓名 年龄 产品号 产品 产品号 产品名 价格 方案3 负责 与 产品 两关系合并 职工 职工号 姓名 年龄 产品 产品号 产品名 价格 职工号 32 2 1 n联系的转换方法 一种方法是将联系转换为一个独立的关系 其关系的属性由与该联系相连的各实体集的码以及联系本身的属性组成 而该关系的码为n端实体集的码 另一种方法是在n端实体集中增加新属性 新属性由联系对应的1端实体集的码和联系自身的属性构成 新增属性后原关系的码不变 33 例3 2 将含有1 n联系的E R图转换为关系模型 方案1 联系形成的关系独立存在 仓库 仓库号 地点 面积 产品 产品号 产品名 价格 仓储 仓库号 产品号 数量 方案2 联系形成的关系与n端对象合并 仓库 仓库号 地点 面积 产品 产品号 产品名 价格 仓库号 数量 34 3 m n联系的转换方法 在向关系模型转换时 一个m n联系转换为一个关系 转换方法为 与该联系相连的各实体集的码以及联系本身的属性均转换为关系的属性 新关系的码为两个相连实体码的组合 该码为多属性构成的组合码 35 例3 4 将图中含有m n二元联系的E R图 转换为关系模型 转换的关系模型为 学生 学号 姓名 年龄 性别 课程 课程号 课程名 学时数 选修 学号 课程号 成绩 36 4 三个或三个以上实体集间的多元联系的转换方法 1 对于一对多的多元联系 转换为关系模型的方法是修改1端实体集对应的关系 即将与联系相关的其他实体集的码和联系自身的属性作为新属性加入到1端实体集中 2 对于多对多的多元联系 转换为关系模型的方法是新建一个独立的关系 该关系的属性为多元联系相连的各实体的码以及联系本身的属性 码为各实体码的组合 37 例3 6 将图中含有多实体集间的多对多联系的E R图转换为关系模型 供应商 供应商号 供应商名 地址 零件 零件号 零件名 单价 产品 产品号 产品名 型号 供应 供应商号 零件号 产品号 数量 38 3 关系合并规则在关系模型中 具有相同码的关系 可根据情况合并为一个关系 39 3 4 3用户子模式的设计 使用更符合用户习惯的别名对不同级别的用户可以定义不同的子模式简化用花对系统的使用 40 3 4 4数据库逻辑结构设计的实例 假如要为某基层单位建立一个 基层单位数据库 通过调查得出 用户要求数据库中存储下列基本信息 部门 部门号 名称 领导人编号 职工 职工号 姓名 性别 工资 职称 照片 简历 工程 工程号 工程名 参加人数 预算 负责人 办公室 地点 编号 电话 这些信息的关联语义为 每个部门有多个职工 每个职工只能在一个部门工作 每个部门只有一个领导人 领导人不能兼职 每个部门可以同时承担若干工程项目 数据库中应记录每个职工参加项目的日期 一个部门可又多个办公室 每个办公室只有一部电话 数据库中还用存放每个职工在所参加的工程项目中承担的具体职务 41 1 1 1 n n n 1 n 1 n m n 1 42 职工 职工号 姓名 性别 工资 职称 照片 简历 部门号 部门 部门号 名称 领导人号 工程 工程号 工程名 参加人数 预算 负责人 部门号 办公室 编号 地点 电话 部门号 参加 职工号 工程号 日期 具体职务 43 数据库设计题 一个图书借阅数据库系统要求提供下述服务 可随时查询书库中现有书籍的名称 品种 数量与存放位置 所有各类书籍均可由书号唯一标识 可随时查询书籍借还情况 包括借书人单位 姓名 借书证号 借书日期和还书日期 约定 任何人可借多种书 任何一种书可为多个人所借 借书证号具有唯一性 当需要时 可通过数据库中保存的出版社电报编号 电话 邮编及地址等信息向有关书籍的出版社增购有关书籍 约定 一个出版社可出版多种书籍 同一本书仅为一个出版社出版 出版社名具有唯一性 1 根据上述语义画出ER图 要求在图中画出属性并注明联系的类型 2 将ER模型转换成关系模型 并指出每个关系模式的主键和外键 44 2 将ER模型转换成关系模型 并指出每个关系模式的主键和外键 45 2 书籍 书号 名称 品种 数量 存放位置 出版社名 出版社名为外键出版社 出版社名 电报编号 电话 邮编 地址 无外键借书人 借书证号 姓名 单位 无外键借阅 书号 借书证号 借书日期 还书日期 书号和借书证号都是外键其中下划线表示主键 或把出版联系单独形成一个关系模式 即5个关系模式 46 3 5数据库的物理设计 数据库物理设计 对于给定的逻辑数据模型选取一个最适合的应用环境的物理结构 数据库物理设计可以分为两步 1 确定数据的物理结构 即确定数据库的存取方法和存储结构 2 对物理结构进行评价 对物理结构评价的重点是时间和效率 47 3 5 1数据库物理设计的内容和方法数据库物理设计没有通用的设计方法可资遵循 仅有一般的设计内容和设计原则供数据库设计者参考 数据库设计者在确定数据库存取方法时 必须清楚3种相关信息 1 数据库查询事务的信息 2 数据库更新事务的信息 3 每个事务在各关系上运行的频率和性能要求 48 3 5 1数据库物理设计的内容和方法关系数据库物理设计的内容主要指选择存取方法和存储结构 包括确定关系 索引 聚簇 日志 备份等