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第一章数据库设计 1 1数据库系统设计概述1 2需求分析1 3概念设计1 4逻辑设计1 5物理设计1 6数据库实施1 7数据库运行和维护实训一ER模型和关系模型的设计 1 1数据库系统设计概述 1 1 1数据库设计的概念1 1 2数据库设计的方法1 1 3数据库设计的步骤 1 1 1数据库设计的概念 1 数据库设计 数据库设计 指对于一个给定的应用环境 构造最优的数据库模式 建立数据库及其应用系统 使之能够有效地存储数据 满足各种用户的应用需求 信息要求和处理要求 在数据库领域内 常常把使用数据库的各类系统统称为数据库应用系统 2 数据库设计的目标和特点 数据库设计的目标 在数据库管理系统 DatabaseManagementSystem 简称DBMS 的支持下 按照应用的要求 为某一应用设计一个结构合理 使用方便 效率较高的数据库及其应用系统 数据库设计的特点如下 1 数据库建设是硬件 软件和干件的结合 其中 技术与管理的界面称之为干件 2 数据库设计过程是结构设计和行为设计的密切结合 结构设计是设计数据库结构 行为设计是设计应用程序 事务处理等 1 1 2数据库设计的方法 1 原型化法 原型法是为了动态地确定用户对系统的需求 逐步弄清楚不确定因素而提出的一种试验保证方法 设计质量与设计人员的经验和水平有直接关系 缺乏科学理论和工程方法的支持 工程质量难保证 数据库运行一段时间后常常又不同程度地发现各种问题 增加了维护代价 2 规范设计法 运用软件工程的思想与方法 根据数据库设计的特点 提出了各种设计准则与设计规程 规范设计方法是在目前技术条件下设计数据库的最实用的方法 基本思想是过程迭代和逐步求精 3 典型的规范设计方法 1 新奥尔良 NewOrleans 方法将数据库设计分为四个阶段 需求分析 分析用户要求 概念设计 信息分析和定义 逻辑设计 设计实现 和物理设计 物理数据库设计 2 S B Yao方法将数据库设计分为六个步骤 需求分析 模式构成 模式汇总 模式重构 模式分析和物理数据库设计 3 I R Palmer方法主张把数据库设计当成一步接一步的过程 并采用一些辅助手段实现每一过程 4 规范设计方法分类 1 手工设计手工数据库设计的工作量较大 数据库的设计质量与设计人员的经验和水平有直接关系 2 计算机辅助数据库设计计算机辅助数据库设计可以减轻数据库设计的工作强度 提高数据库设计的效率和质量 常用的计算机辅助设计软件有SybasePowerDesigner OracleDesigner2000等 1 1 3数据库设计的步骤 1 准备工作 准备工作阶段主要包括选定参加设计的人员 1 分析员 数据库设计的核心人员 2 用户 主要参加需求分析和数据库的运行维护 3 程序员 参与系统实施阶段 负责编制程序 4 操作员 参与系统实施阶段 准备软硬件环境 2 数据库设计的过程 1 需求分析阶段 2 概念模型设计阶段 3 逻辑模型设计阶段 4 数据库物理设计阶段 5 数据库实施阶段 6 数据库运行和维护阶段 设计一个数据库应用系统往往是上述六个阶段的不断反复 3 数据库设计各阶段的模式形成 1 需求分析阶段综合各个用户的应用需求 2 概念模型设计阶段 形成独立于计算机特点 独立于各个DBMS产品的概念模型 ER模型 3 逻辑模型设计阶段首先将ER模型转换成具体DBMS支持的数据模型 如关系模型 形成数据库模式 然后根据用户处理的要求 安全性的考虑 在基本表的基础上再建立必要的视图 View 形成数据库的外模式 4 数据库物理设计阶段根据DBMS特点和处理需要 进行物理存储安排 建立索引 形成数据库的内模式 1 2需求分析 1 2 1需求分析的任务1 2 2需求分析的步骤1 2 3数据字典 1 2 1需求分析的任务 1 需求分析的任务 需求分析的任务是通过详细调查现实世界要处理的对象 组织 部门 企业等 充分了解原系统 手工系统或计算机系统 工作概况 明确用户的各种需求 然后在此基础上确定新系统的功能 新系统必须充分考虑今后可能的扩充和改变 不能仅仅按当前应用需求来设计数据库 2 重点和难点 1 重点调查 收集与分析用户在数据管理中的信息要求 处理要求 安全性与完整性要求 2 难点用户缺少计算机知识 开始时无法确定计算机究竟能为自己做什么 不能做什么 因此无法准确地表达自己的需求 他们所提出的需求往往不断地变化 设计人员缺少用户的专业知识 不易理解用户的真正需求 甚至误解用户的需求 同时 新的硬 软件技术的出现也会使用户需求发生变化 1 2 2需求分析的步骤 1 调查用户需求 1 调查与初步分析用户需求调查组织机构情况调查各部门的业务活动情况协助用户明确对新系统的各种要求确定新系统的边界 2 常用调查方法跟班作业开调查会请专人介绍询问设计调查表查阅记录 2 分析和表达用户需求 自顶向下的SA方法 1 根据调查分析 得到系统高层抽象图 2 分解处理功能和数据 分解处理功能 将处理功能的具体内容分解为若干子功能 再将每个子功能继续分解 分解数据 形成若干层次的数据流图 3 将分析结果再次提交给用户 征得用户的认可 3 数据流图 SA方法中的数据流图是对数据及处理的工作过程的一种图形表示法 通常包括四个基本成分 数据流 用箭头表示 加工或处理 用圆圈表示 文件 用双线表示 外部实体 用矩形框表示 1 2 3数据字典 1 数据项 数据项 不可再分的数据单位数据项描述 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 与其他数据项的逻辑关系 对数据库设计来讲 数据字典是进行数据收集和数据分析所获得的主要成果 数据字典是各类数据描述的集合 2 数据结构 数据结构 反映数据之间的组合关系数据结构描述 数据结构名 含义说明 组成 数据项或数据结构 3 数据流 数据流 数据流是数据结构在系统内传输的路径数据流描述 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 4 数据存储 数据存储 数据存储是数据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描述 数据存储名 说明 编号 流入的数据流 流出的数据流 组成 数据结构 数据量 存取方式 1 处理过程 处理过程 数据字典中只需要描述处理过程的说明性信息处理过程描述 处理过程名 说明 输入 数据流 输出 数据流 处理 简要说明 1 3概念设计 1 3 1概念模型设计概述1 3 2概念模型设计方法1 3 3概念模型设计的ER方法 1 3 1概念模型设计概述 1 概念模型设计 需求分析阶段描述的用户应用需求是现实世界的具体需求 将需求分析得到的用户需求抽象为信息结构即概念模型的过程就是概念模型设计 概念模型是各种数据模型的共同基础 它比数据模型更独立于机器 更抽象 从而更加稳定 概念模型设计是整个数据库设计的关键 2 概念模型设计的特点 1 能真实 充分地反映现实世界 包括事物和事物之间的联系 能满足用户对数据的处理要求 是对现实世界的一个真实模型 2 易于理解 从而可以用它和不熟悉计算机的用户交换意见 用户的积极参与是数据库设计成功的关键 3 易于更改 当应用环境和应用要求改变时 概念模型容易修改和扩充 4 易于向关系 网状 层次等各种数据模型转换 3 描述概念模型的工具 实体联系模型 实体联系模型 ER模型 是直接从现实世界中抽象出实体类型及实体间联系 然后用实体联系图 ER图 表示的数据模型 实体联系模型是目前广泛被采用的概念模型的设计方法 1 3 2概念模型设计方法 1 自顶向下 先定义全局概念模型的框架 再逐步细化 2 自底向上 先定义各局部概念模型 再集成 3 逐步扩张 先定义最重要的核心概念模型 再扩充 4 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模型的框架 以它为骨架集成由自底向上策略中设计的各局部概念模型 通常的方法是 自顶向下地进行需求分析 自底向上地设计概念模型设计 1 3 3概念模型设计的ER方法 采用ER模型进行数据库概念模型设计 通常分三步进行 设计局部ER模型将局部ER模型集成为全局ER模型 全局ER模型进行优化 得到最终的ER模型 即概念模型 1 设计局部ER模型 1 选择局部应用设计局部ER模型的第一步 就是要根据系统的具体情况 在多层的数据流图中选择一个适当层次的 经验很重要 数据流图 让这组图中每一部分对应一个局部应用 可以从这一层次的数据流图为出发点 设计局部ER模型 2 逐一设计局部ER模型抽象实体和属性区分实体和属性 2 设计全局ER模型 1 合并各个局部ER模型 2 消除各局部ER模型的冲突属性冲突 属性域冲突 属性取值单位冲突命名冲突 同名异义 异名同义结构冲突同一对象在不同应用中具有不同的抽象同一实体在不同局部ER模型中所包含的属性个数和排列次序不完全相同实体之间的联系在不同局部ER模型中呈现不同的类型 3 全局ER模型的优化 1 基本任务 消除不必要的冗余 2 消除冗余方法分析法 以数据字典和数据流图为依据 根据数据字典中数据项间逻辑关系的说明来消除冗余规范化理论 函数依赖的概念提供了消除冗余联系的形式化工具 1 4逻辑设计 1 4 1逻辑模型设计概述1 4 2ER模型向关系模型的转换1 4 3数据模型的优化1 4 4设计用户子模式 1 4 1逻辑模型设计概述 1 辑模型设计的任务 概念模型是独立于任何一种数据模型的信息结构 逻辑模型设计的任务就是把概念模型设计阶段设计好的基本ER模型转换为所选用的DBMS产品所支持的逻辑模型 2 逻辑模型设计的步骤 1 将概念模型转化为关系 网状或层次模型 2 将转化的关系 网状或层次模型转换为特定DBMS支持下的数据模型 3 对数据模型进行优化 1 4 2ER模型向关系模型的转换 1 转换内容 ER模型由实体 实体的属性和实体之间的联系三个要素组成 而关系模型的逻辑模型是一组关系模式的集合 将ER模型转换为关系模型 实际上是如何将实体 实体的属性和实体间的联系转换为关系模式 以及如何确定这些关系模式的属性和主键 2 转换原则 实体转换 一个实体转换为一个关系模式将一个实体型转换为一个关系模式时 关系模式的属性就是实体的属性 关系模式的主键就是实体标识符 1 一个1 1联系可以转换为一个独立的关系模式 也可以与任意一端对应的关系模式合并 若与某一端实体对应的关系模式合并 则需在该关系模式中加入另一端实体的实体标识符和联系本身的属性 该实体标识符同时为外键 合并后关系模式的主键不变 2 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 与n端对应的关系模式合并 则须在n端关系模式中加入1端实体的实体标识符和联系本身的属性 该实体标识符同时为外键 合并后关系模式的主键不变 3 一个m n联系转换为一个关系模式 与该联系相连的各实体的实体标识符以及联系本身的属性均是关系模式的属性 各实体的实体标识符组合为关系模式的主键 且各实体标识符同时为外键 2 转换原则 两个实体间联系转换 2 转换原则 多元联系转换 三个或三个以上实体间的多元联系转换 与该多元联系相连的各实体的实体标识符以及联系本身的属性均是关系模式的属性 各实体的实体标识符的组合是关系模式的主键 且各实体标识符同时为外键 3 具有相同主键的关系模式可以合并 为了减少系统中的关系模式的个数 如果两个关系模式具有相同的主键 可以考虑合并为一个关系模式 合并方法是将其中一个关系模式的全部属性加入到另一个关系模式中 然后去掉其中的同义属性 可能同名也可能不同名 并适当调整属性的次序 4 向特定DBMS规定的模型进行转换 转换的主要依据是所选用DBMS的功能及限制 没有通用规则 对于关系模型来说 这种转换通常都比较简单 1 4 3数据模型的优化 1 确定数据依赖 2 对于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 3 确定各关系模式分别属于第几范式 确定是否要对它们进行合并或分解 对关系模式进行必要的合并或分解 1 4 4设计用户子模式 1 使用更符合用户习惯的别名 2 针对不同级别的用户定义不同的视图 3 简化用户对系统的使用 1 5物理设计 1 5 1确定物理结构1 5 2评价物理结构 1 5 1确定物理结构 1 确定数据的存储结构 时间 空间和维护代价 2 设计数据的存取路径 确定如何建立索引 3 确定数据的存放位置 易变部分与稳定部分 经常存取部分和存取频率较低部分分开存放 4 确定系统配置 1 5 2评价物理结构 评价物理数据库的方法完全依赖于所选用的DBMS 主要是从定量估算各种方案的存储空间 存取时间和维护代价入手 对估算结果进行权衡 比较 选择出一个较优的合理的物理结构 如果该结构不符合用户需求 则需要修改设计 1 6数据库实施 1定义数据库结构2数据装载3编制与调试应用程序4数据库试运行 1定义数据库结构 确定了数据库的逻辑结构与物理结构后 就可以用所选用的DBMS提供的数据定义语言 DDL 来严格描述数据库结构 2数据装载 小型系统人工式方法数据装载的操作步骤为 1 筛选数据 2 转换数据格式 3 输入数据 4 校验数据对于中大型系统 由于数据量极大 用人工方式组织数据入库将会耗费大量人力物力 而且很难保证数据的正确性 因此应该设计一个数据输入子系统由计算机辅助完成数据的入库工作 3编制与调试应用程序 数据库应用程序的设计应该与数据设计并行进行 在数据库实施阶段 当数据库结构建立好后 就可以开始编制与调试数据库的应用程序 也就是说 编制与调试应用程序是与组织数据入库同步进行的 调试应用程序时由于数据入库尚未完成 可先使用模拟数据 4数据库试运行 主要工作包括 1 功能测试即实际运行应用程序 执行对数据库的各种操作 测试应用程序的各种功能 2 性能测试即测量系统的性能指标 分析是否符合设计目标 1 7数据库运行和维护 1数据库转储和恢复2数据库安全性 完整性控制3数据库性能监督 分析和改进4数据库重组织和重构造 1数据库转储和恢复 定期对数据库和事务日志文件进行备份 以保证一旦发生故障 能利用数据库备份和事务日志备份 尽快将数据库恢复到某种一致性状态 并尽可能减少对数据库的破坏 2数据库安全性 完整性控制 DBA必须对数据库安全性和完整性控制负起责任 根据用户的实际需要授予不同的操作权限 另外 由于应用环