数据库系统概论_第6章

第六章数据库设计 6 1数据库设计概述6 2需求分析6 3概念结构设计6 4逻辑结构设计6 5数据库的物理设计6 6数据库的实施和维护 数据库技术是计算机信息处理的基础和核心技术之一 数据库设计是信息系统开发与设计过程中必不可少的重要组成部分 通常将使用数据库各类信息系统称为数据库应用系统 数据库设计是指利用现有的数据库管理系统针对具体的应用对象 构造合适的数据库模式 建立数据库及其应用系统 以便有效地存储和存取数据 满足各类用户的需求 一个数据库设计者必须对数据库系统和实际应用对象两方面的知识要有相当的了解 由于数据库设计所涉及的应用面较广 因此要设计一个性能较好的数据库并不是一件容易的事情 6 1数据库设计概述 6 1 1数据库和信息系统6 1 2数据库设计的特点6 1 3数据库设计方法简述6 1 4数据库设计的基本步骤 6 1 1数据库和信息系统 数据库设计是信息系统开发和建设的重要组成部分 它是信息系统的核心和基础 它把信息系统中大量的数据按一定的模型组织起来 提供存储 维护和检索数据的功能 使信息系统可以方便 及时而准确地从数据库中获取所需的信息 虽然 数据库设计只是管理信息系统设计中的一步 但却是最关键和最复杂的一步 其开发周期较长 花费较大 且具有一定的风险性 一个管理信息系统的开发通常要经过以下几步 1 系统请求 2 可行性研究 3 系统调查 4 系统分析 5 系统设计 6 数据库设计 7 系统运行 8 系统维护 一个性能良好的数据库是管理信息系统优质的基础和保证 对于从事数据库设计的专业人员来说 必须具备多方面的技能和知识 1 数据库的基本知识和数据库设计技术 2 计算机科学的基础知识和程序设计的方法及技巧 3 软件工程的原理和方法 4 应用领域的各种知识 数据库设计在今天来说 它已经超越了计算机领域的界限 成为几乎所有领域的共同的基础性学科技术 6 1 2数据库设计的特点 数据库设计是一项涉及多学科的综合性技术的庞大的工程项目 数据库设计的特点 1 数据库设计是硬件 软件和技术与管理界面相结合的综合产物 2 数据库设计应该和应用系统的设计相结合 主要体现在对数据模型和结构特性的设计上 6 1 3数据库设计方法简述 数据库设计方法一般有下列几种 基本设计法 关系模型设计法 NewOrleans设计法 信息结构求精法 LRAM法 一 基本设计法 1 创建用户视图 用轮廓图描述具体用户的信息 2 汇总用户视图 得出概念模型 3 修改概念模型 验证概念模型的正确性 4 转换并定义概念模型 用DBMS语言定义模型 5 设计优化物理模型 决定较优的存储策略 二 关系模型设计方法 1 静态结构特性设计 确定实体 属性 相互关系和约束 2 动态结构特性设计 设计数据查询 事务处理等应用程序 3 物理设计 在DBMS环境下实现数据的物理存储 三 NewOrleans 新奥尔良 设计法 1 共同需求分析 2 信息分析和定义 3 逻辑设计 包括 1 初始模式设计 2 子模式设计 3 应用程序设计 4 模式评价 5 模式求精 4 物理设计 5 性能评价 四 信息结构求精法 1 逻辑设计 包括 1 信息结构设计 视图模型化及汇总 2 信息结构求精 定义和合并各逻辑信息结构 将逻辑DB结构形式化 对逻辑DB结构求精 2 物理设计 其主要解决 1 存取路径的选择 2 记录聚集的分析和设计 3 决定块的大小 缓冲区的大小 数据压缩技术 4 完整性和安全性技术 五 LRAM LogicalRecordAccessMethod 法 LRAM方法主要是提供了一种可以估计要检索一个记录所需的I O次数 及度量各种性能的工具 它是逻辑结构求精的一种辅助手段 6 1 4数据库设计的基本步骤 按照规范设计的方法 结合数据库及其应用系统开发的全过程 一般地 将数据库设计分为六个阶段 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 6 2需求分析 6 2 1需求分析的任务6 2 2需求分析的方法6 2 3数据字典 6 2 1需求分析的任务 需求分析是整个数据库设计中最重要的一步 其任务是通过详细调查现实世界要处理的各个对象 组织 部门 企业等 充分了解原系统 手工系统或计算机系统 的工作概况 明确用户的各种需求 并在此基础上确定新系统的各种功能 通过调查 收集与分析 获得用户对数据库的要求 1 信息要求 2 处理要求 3 安全性与完整性要求 6 2 2需求分析的方法 进行需求分析时 首先要了解用户的实际要求 调查用户需求的具体步骤是 1 调查组织机构情况 2 调查各部门的业务活动情况 3 在熟悉了业务活动的基础上 协助用户明确对新系统的各种要求 包括信息要求 处理要求 安全性与完整性要求等 4 确定新系统的边界 区分人工与计算机所完成的功能 6 2 3数据字典 数据字典 DataDictionary 是系统中各类数据描述的集合 它在数据库设计中占有很重要的地位 关于数据的数据称为元数据 MetaData 数据字典通常包括了 数据项 数据结构 数据流 数据存储和处理过程等内容 1 数据项 是不可再分的数据单位 2 数据结构 反映了数据之间的组合关系 3 数据流 是数据结构在系统内的传输路径 4 数据存储 是数据结构停留或保留的地方 5 处理过程 一般用判别表或判定树来描述 一般地 凡是与数据库系统有关的信息都可以保存在数据字典中 数据字典的主要功能是 1 描述数据库系统的主要对象 如实体 属性 记录类 数据项 用户标识 口令 物理文件及其位置 文件组织方法等 2 描述数据库系统各种对象之间的交叉联系 如哪个用户使用哪个子模式 哪个记录分配在哪个区域 存储在哪个物理设备上等 3 登记所有对象在不同场合 不同视图中的名称对照表 4 描述模式 子模式 物理模式的改动 数据字典的作用 主要有 1 管理数据资源 2 数据标准化 3 文本化 4 作为设计和分析的工具 5 供DBMS进行存取控制和管理用 6 供数据库管理员 DBA 进行各种查询 以便了解系统性能 空间使用 各种统计信息 及时掌握数据库的动态 6 3概念结构设计 6 3 1概念结构6 3 2概念结构设计的方法与步骤6 3 3数据抽象与局部视图设计6 3 4视图的集成 6 3 1概念结构 概念结构设计是整个数据库设计的关键 概念结构的主要特点是 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 满足用户对数据处理的各种要求 2 易于理解 3 易于更改 4 易于向关系 网状 层次等各种数据库模型转换 6 3 2概念结构设计的方法与步骤 设计概念结构通常有四种方法 1 自上而下 即首先定义各局部应用的概念结构 其基本含义是首先识别用户所关心的实体实体及实体间的联系 建立一个初步的概念模型框架 然后再加上逐步求精的方式加上必要的描述属性 2 自底向上 即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 此法也称为属性综合法 基本上就是将需求分析说明书中的数据元素作为基本输入 通过对这些数据元素的分析 把它们综合成相应的实体和联系 在此基础上再进一步综合成全局模式 3 逐步扩张 首先定义最重要的概念结构 然后向外扩充 逐步生成其他概念结构 直至总体概念结构 4 混合策略 即将自顶向下和自底向上策略相结合 用自顶向下的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概念结构 6 3 3数据抽象与局部视图设计 一 数据抽象抽象 是对客观对象进行人为处理 抽取有意义的共同特性 忽略非本质的细节 运用各种概念对这些特性进行精确的描述 有三种抽象 1 分类 Classification 分类定义了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 2 聚集 Aggregation 聚集定义了某一类型的组成成分 3 概括 Generalization 概括定义了类型之间的一种子集联系 它有一个很重要的性质 继承性 二 局部视图设计1 选择局部应用根据某个系统的具体情况 一般地 在多层的数据流图中选择一个适当层次的数据流图 作为设计分E R图的依据 2 逐一设计分E R图选择好局部应用之后 就要对每个局部应用逐一设计分E R图 6 3 4视图的集成 视图的集成有两种方式 多个分E R图一次集成 逐步集成 用累加的方式一次集成两个分E R图 一 合并分E R图 生成初步E R图由于局部应用所面向的问题不同 在由不同的设计人员设计时将导致各个分E R图存在某些不一致的地方 这些不一致 称为冲突 各分E R图之间的冲突主要有 1 属性冲突2 命名冲突3 结构冲突二 消除不必要的冗余 设计基本E R图消除冗余主要采用分析方法 即以数据字典和数据流图为依据 根据数据字典中关于数据项之间逻辑关系的说明来消除冗余 6 4逻辑结构设计 6 4 1E R图向关系模型的转换6 4 2数据模型的优化6 4 3设计用户子模式 逻辑结构设计的任务就是把概念结构设计阶段设计好的基本的E R图转换为与选用DBMS产品所支持的数据模型相符合的逻辑结构 设计逻辑结构一般分为三步 1 将概念结构转换为一般的关系 网状 层次模型 2 将转换来的关系 网状 层次模型向特定DBMS支持下的数据模型转换 3 对数据模型进行优化 6 4 1E R图向关系模型的转换 E R图向关系模型的转换要解决的问题是如何将实体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码 一般遵循以下原则 1 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 2 一个1 1的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 3 一个1 n的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 4 一个m n的联系转换为一个关系模式 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 而关系的码为各实体码的组合 5 三个或三个以上的实体间的一个多元联系可以转换为一个关系模式 与该多元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 而关系的码为各实体码的组合 6 具有相同码的关系可以合并 6 4 2数据模型的优化 关系数据模型的优化通常以规范化理论为指导 方法是 1 确定函数依赖 2 对各个关系模式之间的数据依赖进行极小化处理 消除冗余的联系 3 按照数据依赖的理论对关系模式逐一进行分析 考察是否存在部分函数依赖 传递函数依赖 多值依赖等 确定各关系模式分别属于第几范式 4 按照需求分析阶段得到的处理要求 分析这些模式对于这样的应用环境是否合适 确定是否要对某些模式进行合并或分解 5 对关系模式进行必要的分解 提高数据操作的效率和存储空间的利用率 6 4 3设计用户子模式 定义用户的子模式要考虑用户的习惯与方便 主要包括 1 使用更符合用户习惯的别名 2 可以对不同级别的用户定义不同的视图 以保证系统的安全性 3 简化用户对系统的使用 6 5数据库的物理设计 6 5 1数据库的物理设计的内容和方法6 5 2关系模式存取方法选择6 5 3确定数据库的存储结构6 5 4评价物理结构 数据库在物理设备上的存储结构与存取方法称为数据库的物理结构 它依赖于给定的计算机系统 对于一个给定的逻辑数据模型 选取一个最适合应用环境的物理结构的过程 就称为数据库的物理设计 数据库的物理设计分为两步 1 确定数据库的物理结构 2 评价物理结构的性能 评价的重点是时间和空间的效率 若满足 就继续向下进行 否则要重新修改设计 6 5 1数据库的物理设计的内容和方法 不同的数据库产品所提供的物理环境 存取方法和存储结构有很大的差别 因此 没有通用的物理设计方法可遵循 一般来说 总是希望设计一个优化的物理数据库结构 使得在数据库上运行的各种事务的响应时间小 存储空间的利用率高 事务的吞吐量大 因而首先对所要运行的事务进行详细的分析 以便获得选择数据库设计所要的各种参数 其次 要充分地了解所用的DBMS的内部特征 特别是系统提供的存取方法和存取结构 例如 DBTG提供了三种存取方式 经由式 计算式 直接式等 IMS提供了四种存取方法 HSAM HISAM HDAM HIDAM 对于一个设计人员来说 必须了解每一种存贮结构的使用方式 特点及优缺点 除此之外 还要了解应用环境 了解各用户的数据视图 使用频率 使用要求 以及了解外存设备的特性 如 分块的原则 块因子大小的规定 设备的I O特性等等 对数据库的查询事务 需要得到的信息为 查询的关系 查询条件所涉及的属性 连接条件所涉及的属性 查询的投影属性 对数据的更新事务 需要得到的信息为 被更新的关系 每个关系上的更新操作条件所涉及的属性 修改操作要改变的属性值 6 5 2关系模式存取方法选择 一 索引存取方法的选择二 聚簇存取方法的选择三 HASH存取方法的选择 6 5 3确定数据库的存储结构 确定数据库的存储结构 主要是指确定数据的存放位置和存储结构 包括确定关系 索引 聚簇 日志 备份等的存储安排和存储结构以及确定系统的配置等 6 5 4评价物理结构 在数据库的物理设计过程中 需要对时间效率 空间效率 维护代价和各种用户的要求进行权衡 在所产生的多个方案中 数据库设计人员