第3章--数据库系统设计的步骤和方法ppt课件

第3章数据库系统设计的步骤和方法,数据库系统设计概述系统需求分析概念结构的设计数据库逻辑结构的设计数据库的物理设计数据库的实施和维护,3.1数据库系统设计概述,数据库系统设计的目标,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。应能够完整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。,数据库系统设计的内容数据库的结构特性设计、行为特性设计和物理模式设计。结构特性设计起关键作用，行为特性设计起辅助作用。结构特性设计、行为特性设计两者结合起来，相互参照，同步进行，才能较好地达到设计目标。,1.数据库的结构特性设计数据库的结构特性设计是指逻辑结构特征或静态结构设计。过程是：先将现实世界中的事物、事物间的联系用E-R图表示。再将各个分E-R图汇总，得出数据库的概念结构模型。最后将概念结构模型转化为数据库的逻辑结构模型表示。,2.数据库的行为特性设计确定数据库用户的行为和动作，并根据其行为特性设计出数据库的子模式。设计步骤是：首先要将现实世界中的数据及应用情况用数据流程图和数据字典表示，并详细描述其中的数据操作要求，进而得出系统的功能模块结构和数据库的子模式。,是指数据的查询和统计、事务处理及报表处理等。,3数据库的物理模式设计根据库结构的动态特性（即数据库应用处理要求），在选定的DBMS环境下，把数据库的逻辑结构模型加以物理实现，从而得出数据库的存储模式和存取方法。,考虑计算机硬件、软件、干件硬件条件DBMS和主语言系统的特点用户技术和管理水平结构特性设计和行为特性设计结合数据库设计过程是自上而下、逐步逼近设计目标的过程。,数据库系统设计应注意的问题,数据库系统设计方法手工试凑法。使用手工试凑法设计数据库与设计人员的经验和水平有直接关系。规范的数据库设计方法-新奥尔良（NewOrleans）方法。数据库设计分为4个阶段：需求分析、概念设计、逻辑设计和物理设计。许多科学家认为数据库设计应分6个阶段进行：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。,数据库设计过程,数据库设计的基本步骤,需求分析需求分析是数据库设计的第一步，也是最困难、最耗时的一步，它的任务是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功能。概念结构设计整个数据库设计的关键。设计者要对用户需求进行综合、归纳、抽象，形成一个独立于具体计算机和DBMS的概念模型。,逻辑结构设计主要任务是将概念结构转换为某个DBMS所支持的数据模型，并进行优化。数据库物理设计主要任务是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。,数据库实施系统设计人员要运用DBMS提供的数据操纵语言和宿主语言，根据数据库的逻辑设计和物理设计的结果建立数据库、编制与调试程序、组织数据入库并进行系统测试。数据库运行和维护阶段数据库应用系统经过试运行后即可投入正式运行。在数据库系统运行过程中，必须不断地对其结构性能进行评测、调整和修改。,3.2系统需求分析,1.需求分析的任务和方法主要任务是：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）的概况和发展前景；明确用户的各种需求；收集支持系统目标的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数据库中的信息内容。数据处理内容。数据安全性和完整性要求。,了解现实世界的组织机构情况。数据库系统与哪些部门有关，这些部门及下属的联系和职责是什么。了解相关部门的业务活动情况。各部门需要输入和使用什么数据，如何加工处理这些数据，输出数据格式是什么。确定新系统的边界。哪些功能由计算机完成，哪些功能由人工完成。,2)系统需求的调查步骤,对新系统的要求：信息要求、处理要求、安全性和完整性要求。方法：跟班作业亲自参加业务工作开调查会请专人介绍询问设计调查表查阅现实世界的数据记录,3)系统需求调查的方法,常用的有结构化分析方法（StructureAnalysis，简称SA方法）:SA方法从最上层的系统组织机构入手，采用自顶向下、逐层分解的方式分析系统。,4)系统需求分析方法,数据流图（DataFlowDiagram简称DFD)从数据和对数据的加工两方面表达数据处理系统工作过程的一种图形表示法，具有直观、易于被用户和软件人员都理解的一种表达系统功能的描述方式。DFD有四种成分数据流用箭头表示；加工和处理用圆圈表示；文件或数据库用双线段表示数据流的源点或终点用方框表示。,2.数据字典及其表示,数据项数据项是不可再分的数据单位。它的描述为：数据项=数据项名，数据项含义说明，别名，类型，长度，取值范围，与其他数据项的逻辑关系,定义数据完整性约束条件，是数据完整性检验依据,数据字典是进行详细的数据收集和数据分析所获得的主要结果。它是各类数据描述的集合，一般由下面五部分组成。,数据结构数据结构的描述为：数据结构=数据结构名，含义说明，组成，数据项或数据结构。数据结构反映数据之间的组合关系。数据流数据流是数据结构在系统内传输的路径。数据流的描述通常为：数据流=数据流名，说明，流出过程，流入过程，组成：数据结构，平均流量，高峰期流量。,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。数据存储的描述为：数据存储=数据结构名，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。,处理过程处理过程的具体处理逻辑一般用判定表或判定树来描述。数据字典中只需要描述处理过程的说明性信息。处理过程说明性信息，通常为：处理过程=处理过程名，说明，输入：数据流，输出：数据流，处理：简要说明。,需求分析注意,需求分析阶段一定要收集将来应用所涉及的数据。需求分析必须要有用户参与。,3.3数据库的概念结构设计,数据库概念设计的基本方法了解数据库概念设计所用的数据模型以及概念设计的基本方法。视图设计重点掌握局部视图的设计方法。视图集成了解视图集成过程中常见的几种冲突以及解决方法。,1概念结构的特点及设计方法,概念结构设计是将系统需求分析得到的用户需求抽象为信息结构过程，概念结构独立于数据库逻辑结构和支持数据库的DBMS系统。概念结构设计的结果是数据的概念模型，它是数据库设计的关键。,概念模型是对现实世界的一个真实模型。概念模型应当易于理解。概念模型应当易于更改。概念模型应当易于向数据模型转换。,1）概念结构的特点,自顶向下的设计方法：先定义全局概念结构的框架，然后逐步细化为完整的全局概念结构自底向上的设计方法：先定义各局部应用的概念结构，后将它们集成，得到全局概念结构。逐步扩张的设计方法：先定义最重要的核心部分，后向外扩充，生成其他概念结构。混合策略设计的方法：用自顶向下与自底向上相结合的方法。,2）概念结构的设计方法,常用的是自底向上的方法,需求分析,概念结构设计,3)概念结构设计步骤,2、数据抽象与局部视图设计,（1）三种数据抽象方法分类（Classification）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。聚集（Aggregation）定义某一类型的组成部分，它抽象了对象内部类型和对象内部“组成部分”的语义。若干属性的聚集组成了实体型。概括（Generalization)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。,概括一个重要性质是继承性，继承性指子类继承超类中定义的所有抽象。,（2）设计分E-R图,步骤：确定范围；确定实体、属性及其标识；定义实体间的联系；给实体及联系加上描述属性。,确定范围有两条原则供参考：关系最密切的若干功能域所涉及的数据可包含在一个局部视图内。一个局部视图所包含的实体数不能太多，以免过于复杂，不便理解和管理。,确定实体及其标识,主要包括：数据对象的分类确认实体与属性对象的命名确定实体的标识,数据对象的分类分类有一个准则：归在某一类中的对象，在这个类的概念上应具有共性。,确认实体与属性,区分实体与属性的一般原则：,实体一般需要描述信息，而属性不需要；属性不能与其他实体具有联系。,n,1,对象的命名原则与规定：熟悉尽可能采用用户熟悉的名字，力求清晰、明了、便于记忆。特点尽可能多的反映数据对象的特点。遵循缩写规则、命名规则。以上规定可以避免命名冲突。确定实体的标识,定义实体间的联系联系的识别与定义识别指南：*存在性联系*功能性联系*事件联系定义联系识别联系的类型（一对一、一对多、多对多）,（3）视图集成,视图集成的意义,视图集成的任务,揭示矛盾、识别共性、消除冗余、解决冲突,视图集成的实质：统一与归并,视图的集成有两种方法：1）多个分E-R图一次集成。2）逐步集成。,注意：每次集成局部E-R时，分两步进行合并E-R解决各分E-R图之间的冲突。修改和重构初步E-R图消除E-R图中的实体集冗余和联系冗余。,合并分E-R，生成初步E-R,合理消除各个分E-R图的冲突是进行合并的主要工作和关键所在。冲突主要有三类：属性冲突、命名冲突、结构冲突（1）属性冲突属性域冲突：类型、取值范围、取值集合不同属性取值单位冲突（2）命名冲突同名异义冲突异名同义冲突,（3）结构冲突同一对象在不同的应用中具有不同的抽象同一实体在不同分E-R图中的属性组成不一致实体之间的联系在不同分E-R图中呈现不同的类型,消除不必要的冗余，设计基本E-R图,冗余数据指可由基本数据导出的数据冗余联系指可由其他联系导出的联系消除冗余的方法有：用分析方法消除冗余用规范化理论消除冗余,例1、为某企业设计一个库存订购数据库。,库存是指在仓库中存放器件，具体工作是由仓库的职工来管理的。具体管理模式的语义描述如下：,4、概念数据模型-实例研究,在一个仓库中可以存放多种器件，一种器件也可以存放在多个仓库中；一个仓库有多个职工，而一个职工只能在一个仓库工作；一个职工可以保管一个仓库中的多种器件，由于一种器件可以存放在多个仓库中，当然也可以由多名职工保管。,根据以上语义，我们可以画出描述库存业务的局部E-R图：,例2,例3：设有如下教学环境，一个班级有多名学生，一个学生只属于一个班。一个学生可以选修若干门课程，一门课程只有一位教师主讲。每位教师属于一个教研室，一个教研室有若干位教师。请用E-R图画出概念模型。,例4:已知有若干供应者和若干零件，一个供应者可供应多种零件，一种零件可以被多个供应者提供。各种零件之间存在组成关系，一种零件可以由多种其他零件所组成，一种零件也可以是其他多种零件的组成部分。请画出E-R图。,解：,m,n,n,m,例5、假定一个部门的数据库包括以下的信息：,试画出该数据库的E-R图。,职工信息：职工号、姓名、住址、部门部门信息：部门所有职工、经理、销售的产品产品信息：产品名、制造商、价格、型号、产品编号制造商信息：制造商名称、地址、生产的产品名、价格,例6：一个图书借阅管理数据库要求提供下述服务：,可随时查询书库中现有书籍的品种、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，借书证具有唯一性。,根据以上情况和假设，构造满足需求的E-R图。,当需要时，可通过数据库中保存的出版社的电报编号、电话、邮政及地址等信息向有关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，出版社具有唯一性。,3.4数据库逻辑结构的设计,逻辑结构的设计的任务:把概念模型结构转换成某个具体的DBMS所支持的数据模型。转换过程：把概念模型转换成一般的数据模型。将一般的数据模型转换成特定的DBMS所支持的数据模型。通过优化方法将其转化为优化的数据模型。,1、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。,概念模型向关系模型的转换,2、实体集间联系的转换规则(1)1:1联系的转换方法将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。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.,例：将图中E-R图转换为关系模型,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）。,(2)1:n联系的转换方法方法一：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；方法二：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。,例：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（产品号，仓库号，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）,(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）。,例：将图中含有m:n二元联系的E-R图，转换为关系模型。该例题转换的关系模型为：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）,例：将图中含有同实体集间m:n联系的E-R图转换为关系模型零件（零件号，名称，价格）组装（组装件号，零件号，数量）,例：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）。,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。,3.5数据库的物理设计,定义数据库的物理设计是对于给定的逻辑数据模型选取一个最适应应用环境的物理结构。任务利用DBMS所提供的手段,以有效的存储结构,把概念模式转换为内模式。目标提高数据库的性能节省存储量,物理设计步骤确定数据的物理结构，即存取方法和存储结构对物理结构进行评价重点是时间和效率,3.5.1数据库的物理设计的内容和方法,物理数据结构设计目标：事物在数据库上运行时响应时间少、存储空间利用率高和事物吞吐率大的要求。设计人员要分析事务、DBMS功能、DBMS提供的物理环境和工具、存储结构、存取方法。确定存取方法，要清楚3种相关信息：数据库查询事物的信息数据库更新事物的信息每个事物在各关系上运行的频率和性能要求,关系数据库的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、备份等的存储安排和存储结构，确定系统配置。,3.5.2关系模式存取方法的选择,关系数据库常用的存取方法索引方法、聚簇方法索引存取方法的选择给文件选择索引结构是物理设计的一个重要任务。确定对关系的哪些属性上建索引,哪些属性上不建索引，哪些属性建组合索引，哪些属性建唯一索引。,选择索引方法的基本原则,主键和外键的属性。应用中经常要用到该属性进行查询或经常要用该属性与其他属性进行连接再进行查询的属性。等值查询(=)，元组数=,)，建簇集索引，如已在其他属性上建立簇集索引，且满足条件的元组数一般15，可以考虑建立非簇集索引。如可从索引直接得到查询结果，可建索引。例如：查询某属性的AVG等聚集函数。查询某属性值的EXISTS或NOEXISTS,一定不建索引的属性：属性值很少应用中很少用到查询的频率很低文件中的记录数很少小表不需建索引（6个物理块以下）,聚簇存取方法的选择把有关的元组集中在一个物理块内或物理上相邻的区域，以提高某些数据访问速度。建立聚簇的必要性大大提高按聚簇码进行查询的效率。,建立聚簇的基本原则一个数据库可以建立多个聚簇，但一个关系只能加入一个聚簇。,设计候选聚簇原则经常在一起进行连接操作的关系关系中的一组属性经常出现在相等、比较条件中关系中的一个（组）属性上的值重复率很高对应每个簇集键值平均元组数不能太少太少,簇集的效益不明显,甚至浪费空间。应用中主要是通过簇集键进行访问或连接时,检查后选聚簇，取消不必要关系的方法是：从聚簇中删除经常进行表扫描的关系从聚簇中删除更新操作远多于连接操作的关系,建立聚簇注意的问题聚簇虽然提高某些应用性能，但建立和维护聚簇的开销是相当大的。对已有的关系建立聚簇，将导致关系中的元组移动其物理存储位置，使关系上的原索引无效。当一个元组聚簇码值改变，该元组的存储位置也要做相对移动，所以应尽量稳定。,3.5.3确定数据库的存储结构,确定数据的存放位置和存储结构要考虑：存取时间存储空间利用率维护代价,在关系数据库中,有三种常用的可供选择的存储机制