第五章数据库设计ppt课件.ppt

第五章数据库设计主要内容：数据库设计概述需求分析概念结构设计逻辑结构设计物理结构设计、实施、运行与维护,数据库设计(DatabaseDesign)是指对于一个给定的应用需求，构造良好的数据库结构，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。由于实际应用系统的复杂性，数据库结构是“循环往复，精益求精”的过程。数据库设计过程可以分为6个步骤，依次是需求分析、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与维护。,第一节数据库设计概述,需求分析的主要任务是明确用户的各种需求，产生数据流图和数据字典，然后在此基础上确定新系统的功能，并产生需求说明书。调查、收集用户需求的具体做法是：(1)了解组织机构的情况，调查这个组织由哪些部门组成，各部门的职责是什么，为分析信息流程做准备。(2)了解各部门的业务活动情况，调查各部门输入和使用什么数据，如何加工处理这些数据。输出什么信息，输出到什么部门，输出的格式等。(3)确定新系统的边界。确定哪些功能由计算机完成或将来准备让计算机完成，哪些活动由人工完成。,第二节需求分析,调查了解用户的需求后，还需要进一步分析和抽象用户的需求，使之转换为后续各设计阶段可用的形式。在众多分析和表达用户需求的方法中，结构化分析(StructuredAnalysis，SA)是一个简单实用的方法。SA方法采用自顶向下，逐层分解的方式分析系统，用数据流程图(DataFlowDiagram，DFD)、数据字典(DataDictionary，DD)来描述系统。,第二节需求分析,数据流程图是描述系统中数据处理流程的工具，它将数据独立抽象出来，通过图形方式描述系统中数据的来龙去脉。数据流程图的基本成分包括外部实体、处理过程、数据存储和数据流四个组成部分。,第二节需求分析,例5.1下图展示了一个简单的DFD，表示数据流“付款单”从外部实体“客户”（源点）流出，经过处理过程“账务处理”转换为数据流“明细”，再经过处理过程“打印账目”转换为数据流“账目”，最后流向外部实体“会计”。在“打印账目”处理时，从数据存储“总账目”中读取账目序号数据。,第二节需求分析,元数据是描述数据的数据，通常由数据结构的描述组成，主要描述数据及其使用环境，例如数据精度、来源、产生时间、使用范围、注解等。数据字典是一种用户可以访问的、记录数据库和应用程序元数据的集合，通常是用来解释数据表、数据字段等数据结构的意义，数据字段的取值范围、数据值代表的意义等。简而言之，数据字典是描述数据的信息集合，是系统中所有数据的定义集合。数据字典通常由数据项、数据结构、数据流、数据存储和处理过程组成。,第二节需求分析,概念结构设计主要是将需求分析阶段得到的用户需求抽象为概念模型，抽象方法一般有3种：分类、聚集和概括。分类是定义某一种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，即抽象了实体与实体集之间的“成员”语义。聚集是定义某种类型的组成部分，抽象了对象类型和对象成分（例如属性）之间的“组成部分”语义。概括定义了对象类型之间的一种子集联系，抽象了类型间“所属”的语义。抽象的结果是由现实世界的事物得到概念模型的实体集和属性。,第三节概念结构设计,（1）E-R模型E-R模型在将现实世界的含义和相互关联映射到概念模式时，采用三个基本概念：实体集、联系和属性。实体是现实世界中可区别于其他对象的事物，可以是抽象的或具体的。实体集是具有相同性质的实体集合，一般用矩形框表示实体集。联系是指多个实体间的相互关联。联系集是同类联系的集合，一般用菱形框表示联系，用无向边将矩形框与菱形框连接起来，边上标明联系类型。实体有很多特性，每一个特性称为属性。除了实体具有属性外，某些联系也具有属性。,第三节概念结构设计,例5.2在银行应用中，有用户、员工和支行实体集。其中用户实体集包括用户号、姓名、年龄、性别、住址属性，员工实体集包括员工号、姓名、性别、岗位、工资属性，支行集实体包括支行名、经理名、地址、联系电话属性。用户与员工之间的联系是员工为用户提供服务，员工与支行的联系是支行聘用员工。,第三节概念结构设计,第三节概念结构设计,第三节概念结构设计,用E-R模型方法进行数据库概念设计时，有时需要对E-R模型作一些变换操作。引入弱实体集。所谓弱实体集，是指一个实体集对于另一个（些）实体集具有很强的依赖联系，而且该实体集的码部分或全部从其父实体集中获得。在E-R模型中，弱实体集用双线矩形框表示，与弱实体集直接相关的联系用双线菱形框表示。,第三节概念结构设计,多值属性变换。对于多值属性，如果在数据库的实施过程中不作处理，将会产生大量冗余数据，并且有可能造成数据的不一致。因此要对多值属性进行变换。主要有两种变换方法，第一种变换方法是对多值属性进行分解，即把原来的多值属性分解成几个新的属性，并在原E-R图中用分解后的新属性替代原多值属性。,第三节概念结构设计,第三节概念结构设计,如果一个多值属性的值较多，在分解变换时可能会增加数据库的冗余量。因此，可以采用另一种变换方法：增加一个弱实体集，原多值属性提升为弱实体集，其多个值转变为该弱实体集的多个属性。增加的弱实体集依赖于原实体集而存在，并增加一个联系，且弱实体集与原实体集之间是一对一联系。,第三节概念结构设计,复合属性变换。对于复合属性可以用层次结构来表示。例如“地址”作为支行实体的一个属性，它可以进一步分为多个子属性。复合属性不仅能够更准确地模拟现实世界的复合层次信息结构，而且当用户既需要把复合属性作为一个整体使用，又需要单独使用各子属性时，属性的复合结构就显得十分重要了。,第三节概念结构设计,对复合属性来说，可以将其提升为一个实体集，也可以简单的当做普通属性，需要依据具体情况而定。一般来说，当复合属性的值对其他属性值或者实体集产生影响，进而需要进一步分析其各个部分的属性值时，需要将其提升为一个单独的实体集。例如，当某公司的员工福利待遇（车补）与其住址相关时，就应该将复合属性“住址”提升为实体集。,第三节概念结构设计,分解变换。如果实体集的属性较多，可以进行分解。例如，对于员工实体集，其属性为员工号、姓名、性别、生日、（所属）支行名、岗位、工资、奖金。,第三节概念结构设计,可以把员工信息分解为两部分，一部分属于固定信息，一部分属于变动信息。为了区别这两部分信息，产生一个新的实体和一个新的联系。,第三节概念结构设计,（2）设计方法数据库概念结构设计的方法主要有两种：一种是集中式设计，另一种是视图集成设计。视图集成设计方法由视图设计和视图合并两阶段组成。在视图设计阶段，设计者根据每个应用的需求，独立地为每个用户和应用设计一个概念模型，这里每个应用的概念模型都称为视图。在视图合并阶段，设计者把所有视图有机地合并成统一的概念模型，这个最终的概念模型支持所有的应用。,第三节概念结构设计,概念结构设计的策略主要分为自顶向下、自底向上、自内向外和混合策略四种。这些方法中最常用的是自底向上方法：首先设计局部概念模式，然后综合局部概念模式成全局概念模式，最后对全局概念模式进行评估和优化。首先，通过分类、聚集、概括等方法将用户需求抽象为概念模型，确定实体集之间的联系，设计相应的E-R模型。,第三节概念结构设计,然后，利用E-R模型对数据库进行概念设计，可以分成三步进行：第一步设计局部E-R模型，第二步把各局部E-R模型综合成一个全局E-R模型，第三步对全局E-R模型进行优化，得到最终的概念模型。设计局部E-R模型。首先根据用户需求局部结构范围，然后定义实体集和联系。实体集定义的任务就是从信息需求和局部范围定义出发，确定每一个实体集类型的属性和码，确定用于刻画实体集之间的联系。,第三节概念结构设计,例5.3假设在一次运动会比赛中，有运动队和运动会两个方面的实体集。其中，运动队方面，实体集包括：运动队（队伍号，队伍名，教练名），运动员（姓名，性别，参赛项目）。一支运动队包含多名运动员，一名运动员仅属于一支运动队，一支队伍有一名教练，并且同一队中没有重名的运动员。运动会方面，实体集包括：运动员（编号，姓名，性别，队伍号），比赛项目（项目名，比赛场地）。其中，一个比赛项目可供多名运动员参加，一名运动员可参加多个项目。根据上述条件，分别设计运动队和运动会两个局部E-R图。,第三节概念结构设计,第三节概念结构设计,集成全局E-R模型。局部E-R模型之间可能存在很多冲突和重复，主要有属性冲突、结构冲突、命名冲突和约束冲突。集成的第一步是修改局部E-R模型，解决冲突。属性冲突。属性冲突又包括属性域冲突和属性取值单位冲突。命名冲突。主要指属性名，实体名，联系名之间的冲突。解决以上两种冲突比较容易，只要通过讨论，协商一致即可。,第三节概念结构设计,结构冲突。结构冲突又包括两种情况：一种是指同一对象在不同应用中具有不同的抽象，即用不同的概念表示结构。如在一个概念模式中被表示为实体，而在另一个模式中被表示为属性。解决这种冲突的方法通常是把属性变换为实体集或把实体集转换为属性。另一种结构冲突是同一实体在不同的局部E-R图中所包含的属性个数和属性的排列次序不完全相同。解决这种冲突的方法是让该实体的属性为各局部E-R图中的属性的并集。,第三节概念结构设计,约束冲突。主要指实体之间的联系在不同的局部E-R图中呈现不同的类型。如在某一应用中被定义为多对多联系，而在另一应用中则被定义为一对多联系。集成全局E-R模型的第二步是确定公共实体类型。在集成为全局E-R模型之前，首先要确定各局部结构中的公共实体类型。在选择时，首先寻找同名实体类型，将其作为公共实体类型的一类候选，其次需要相同键的实体类型，将其作为公共实体类型的另一类候选。,第三节概念结构设计,集成全局E-R模型的最后一步是合并局部E-R模型。合并局部E-R模型有多种方法，常用的是二元阶梯合成法，该方法首先进行两两合并，先合并那些现实世界中联系较为紧密的局部结构，并且合并从公共实体类型开始，最后再加入独立的局部结构。集成全局E-R模型的目标是使各个局部E-R模型合并成为能够被全系统中所有用户共同理解和接受的统一的概念模型。,第三节概念结构设计,例5.4将例5.3中的局部E-R图合并为一个全局E-R图。求解过程：解决各局部E-R图中存在的冲突，确定公共实体类型，合并局部E-R模型。解决命名冲突。运动员的参赛项目属性与比赛项目的项目名属性含义相同，但属性名不同，可以统一命名为项目名。解决结构冲突。比赛项目在两个局部E-R图中，一个作为属性，一个作为实体集，解决的办法是消除运动员实体集中的参赛项目属性，转化为实体集。运动员实体集在两个局部E-R图中所包含的属性个数不同，码也不同，解决的方法是让该实体集的属性为两个局部E-R图中的属性的并集，即运动员实体集包含5个属性，并将编号作为码。,第三节概念结构设计,第三节概念结构设计,第三节概念结构设计,优化全局E-R模型。优化全局E-R模型能够提高数据库系统的效率，可从以下几个方面考虑进行优化：第一，合并相关实体，尽可能减少实体个数。第二，消除冗余。在合并后的E-R模型中，消除可能存在的冗余属性与冗余联系。消除冗余主要采用分析方法，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。此外，还可利用规范化理论中函数依赖的概念来消除冗余。,第三节概念结构设计,第三节概念结构设计,概念结构设计的结果是一个全局的E-R模型。E-R模型独立于任何一种数据模型，也与任何具体的DBMS无关。为了建立满足实际应用需求的数据库，需要根据具体的DBMS把概念模型转换为逻辑数据模型。数据库逻辑结构设计阶段的主要任务是将概念结构设计阶段得到的全局E-R模型转换为与某一DBMS产品支持的数据模型相符合的逻辑结构，其步骤包括：(1)将概念模型转换成为一般的逻辑模型，包括关系、网状、层次模型，这里主要讨论概念模型到关系模型的转换；(2)将转换得到的逻辑模型进一步转换为所选用DBMS支持的数据模型；(3)对得到的数据模型进行优化。,第四节逻辑结构设计,（1）E-R模型转换为关系模型将E-R模型转换为关系模型时需要解决两个问题，一是如何将实体集、属性以及联系转换成为关系模式，二是如何确定得到的关系模式的属性和主码。在将E-R模型转换为关系模型时，基本的转换原则包括：(1)一个实体集转换为关系模型中的一个关系模式。关系模式的属性即为实体集的属性，关系模式的主码即为实体型的码；(2)一个一对一联系可以转换为一个独立的关系模式，也可以与任意一端的关系模式合并。转换为一个独立的关系模式时，关系的属性与该联系相连的各实体集的码以及联系本身的属性，并且每个实体集的码都是该关系的候选码。与任意一端的关系模式合并时，在合并关系中增加联系本身的属性，以及另一端实体集的码；,第四节逻辑结构设计,(3)一个一对多(1:n)联系可以转换成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。转换为一个独立的关系模式时，关系的属性为与该联系相连的各实体集的码以及联系本身的属性，关系的码是n端实体集的码。与n端对应的关系模式合并时，在n端关系中加入1端关系的码和联系本身的属性，合并后关系的码不变。一般情况下是与n端合并；(4)一个多对多联系转换为一个关系模式。关系的属性为与该联系相连的各实体集的码以及联系本身的属性，各实体集的码作为关系的主码或主码的一部分。(5)同一实体集内部的三种联系，转换方法与(1)、(2)、(3)相同；,第四节逻辑结构设计,(6)三个或三个以上实体集间的多元联系可以转换为一个关系模式，方法是将与该联系相连的各实体集的主码以及联系本身的属性作为该关系的属性，各实体集的码作为关系的主码或主码的一部分；(7)具有相同码的关系模式可合并。合并方法：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，并去掉其中的同义属性。,第四节逻辑结构设计,例5.5右图中展示了用户（用户号，姓名，年龄）与账户（账户号，余额）实体集之间的一对一联系。其中用户实体集的码为用户号，账户实体集的码为账户号，试将该一对一联系转换为关系模型。,第四节逻辑结构设计,求解过程：给出三种转换方法，将一对一联系转换为独立的关系模式，以及将该联系与任意一端的实体集合并。转换为独立的关系模式，得到：用户（用户号，姓名，年龄）账户（账户号，余额）拥有（用户号，账户号）与用户实体集合并，得到：用户（用户号，姓名，年龄，账户号）账户（账户号，余额）,第四节逻辑结构设计,与账户实体集合并，得到：用户（用户号，姓名，年龄）账户（账户号，余额，用户号）对上述三种转换进行比较，第一种转换产生三个关系，增加系统的复杂性。第二种转换产生的用户关系中，对于那些尚未开通账户的用户来说，账户号属性值为空，可能产生较多的空值。第三种转换中，只有开通账户的用户号才会出现在账户关系中，因此是较为合理的转换。,第四节逻辑结构设计,例5.6右图中展示了支行（支行名，地址，经理名）与账户（账户号，余额）实体集之间的一对多联系。其中支行实体集的码为支行名，账户实体集的码为账户号，一个支行管理一定数量的账户。试将该一对多联系转换为关系模型。,第四节逻辑结构设计,求解过程：给出两种转换方法，将一对多联系转换为独立的关系模式，以及将该联系与n端的实体集合并。转换为独立的关系模式，得到：支行（支行名，地址，经理名）账户（账户号，余额）管理（账户号，支行名，数量）与账户实体集合并，得到：支行（支行名，地址，经理名）账户（账户号，余额，支行名，数量）,第四节逻辑结构设计,例5.7右图中展示了员工（员工号，姓名，年龄，职务）与用户（用户号，姓名，年龄）实体集之间的多对多联系。其中员工实体集的码为员工号，用户实体集的码为用户号，员工为用户提供多种类型的服务。试将该多对多联系转换为关系模型。,第四节逻辑结构设计,求解过程：将多对多联系转换为独立的关系模式，得到：员工（员工号，姓名，年龄，职务）用户（用户号，姓名，年龄）服务（员工号，用户号，类型）,第四节逻辑结构设计,例5.8右图中展示了员工（员工号，姓名，年龄，职务）实体集内部的一对多联系。其中一名经理领导多名普通员工，一个部门有一名经理。试将该联系转换为关系模型。,第四节逻辑结构设计,求解过程：给出两种转换方法，将实体集内部的一对多联系转换为独立的关系模式，以及将该联系与实体集合并。转换为独立的关系模式，得到：员工（员工号，姓名，年龄，职务）领导（员工号，部门）与员工实体集合并，得到：员工（员工号，姓名，年龄，职务，部门）,第四节逻辑结构设计,例5.9右图中展示了支行（支行名，地址，经理名）、用户（用户号，姓名，年龄）与账户（账户号，余额）实体集之间的联系。其中一个支行拥有多个用户和账户。试将该联系转换为关系模型。,第四节逻辑结构设计,求解过程：将多个实体集间的一对多联系转换为独立的关系模式，得到：支行（支行名，地址，经理名）用户（用户号，姓名，年龄）账户（账户号，余额）拥有（支行名，用户号，账户号）,第四节逻辑结构设计,（2）关系模型优化E-R模型转换为关系模型时，得到的结果并不一定是最优的。对关系模型进行优化的方法包括：确定数据依赖。其中数据项之间的数据依赖由数据字典的数据项中记录的“与其它数据项的逻辑关系”分析得到。同一关系模式中属性间的数据依赖和不同关系模式中属性间的数据依分别由需求分析阶段得到的语义分析得到。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。依据第四章介绍的规范化理论对关系模式进行分析，确定各个关系模式的范式。,第四节逻辑结构设计,依据应用需求分析关系模式是否合适，列出需要进行合并或分解的关系模式。一般来说，达到3NF或BCNF的关系模式就能很好的满足需求了，但还需要结合实际应用。有时并不是规范化程度越高越好，甚至可能会需要对部分关系模式降低其范式，称为反规范化。,第四节逻辑结构设计,对关系模式进行必要的分解，以优化数据库结构。通常使用水平分解和垂直分解方法进行关系模式的分解。其中，水平分解是以关系的元组为划分单位，将关系分为若干子集，每个子集定义为一个新关系，例如将经常访问的元组集合分解为一个新的关系。垂直分解是以关系模式中的属性为划分单位，将关系分为若干子集，每个子集定义为一个新关系，例如将经常访问的属性集合分解为一个新的关系。对关系进行垂直分解时，需要保证分解的无损连接性和保持函数依赖性。,第四节逻辑结构设计,（3）设计外模式外模式也称为子模式或用户模式，是数据库中普通用户可见的局部数据的结构特征，关系数据库中提供的视图就是用户和应用程序相关的外模式。将概念模型转换为全局逻辑模型后，还应根据局部应用需求，结合具体DBMS，设计用户的外模式。外模式与模式相对独立，因此在设计外模式时更多考虑的是用户的使用需求和相应的安全性要求，而数据库系统本身的性能和运行维护问题则是次要的。,第四节逻辑结构设计,利用关系数据库管理系统提供的视图来设计外模式时，需要考虑的问题如下：使用符合用户习惯的别名针对不同级别的用户定义不同的视图，以满足对安全性的要求简化用户对系统的使用,第四节逻辑结构设计,（1）物理设计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，它依赖于选定的DBMS。为一个给定的逻辑结构设计一个最适合应用环境的物理结构，就是数据库物理设计的内容。数据库物理设计的步骤如下：(1)确定数据库的物理结构，对于关系数据库来说，主要是指存储结构和存取方法。(2)对得到的物理结构进行评估，其中的重点是数据存储与访问的时间和空间效率。如果评估结果满足预定要求，则物理结构设计阶段完成，进入数据库实施阶段。否则，需要重新进行本阶段的设计工作，有时甚至要返回之前的设计阶段修改相应的模型。,第五节物理结构设计、实施、运行与维护,数据库物理设计的重要内容包括存取方法和存储结构设计。现有的RDBMS产品中，常用存取方法包括：索引方法（目前主要是B+树索引方法，它是一种经典的存取方法，使用最为普遍）、聚簇（Cluster）方法和HASH方法。索引方法的主要内容是根据应用要求确定对哪些属性列建立索引、对哪些属性列建立组合索引，以及对哪些索引要设计为唯一索引等。,第五节物理结构设计、实施、运行与维护,聚簇方法是指为了提高某个属性(或属性组)的查询速度，把相应属性（称为聚簇码）上具有相同值的元组集中存放在连续的物理块中。一旦某个表上使用了聚簇方法，这个表就称为聚簇表。HASH存取方法是对数组存取方法的一种改进。在数组方法中，要依据某条数据的部分值来查找数据位置时，一般需要要遍历整个数组才能得出结果。而HASH方法则是通过函数，依据数据的部分值直接计算数据的位置，从而实现快速访问。,第五节物理结构设计、实施、运行与维护,存储结构主要是指数据的存放位置和存储结构，在数据库中，主要包括关系、索引、聚簇、日志、备份等文件的物理存储位置和存储结构，以及系统配置。在确定数据存放位置和存储结构时应该考虑的因素包括存取时间、存储空间利用率，以及维护代价。,第五节物理结构设计、实施、运行与维护,（2）数据库实施、运行与维护数据库实施主要是根据逻辑结构设计和物理结构设计的结果，在DBMS中建立实际的数据库结构、导入数据以及进行程序的调试。具体地说，需要建立的数据库结构应包括以下几个方面：(1)数据库模式与子模式，以及数据库空间的描述。(2)数据完整性的描述。(3)数据安全性描述。(4)数据库物理存储参数的描述。,第五节物理结构设计、实施、运行与维护,当有部分数据装入数据库以后，就可以进入数据库的试运行阶段，数据库的试运行也称为联合调试。数据库的试运行对于系统设计的性能检测和评价是十分重要的，因为某些DBMS参数的最佳值只有在试运行中才能确定。数据库试运行合格后，数据库即可投入正式运行。数据库系统正式投入运行，意味着数据库的设计与开发阶段的基本结束，运行与维护阶段的开始。数据库的运行和维护是个长期的工作，是数据库设计工作的延续和提高。,第五节物理结构设计、实施、运行与维护,数据库的运行和维护阶段的主要工作有：对数据库性能的监测、分析和改善。数据库的转储和恢复。维持数据库的安全性和完整性。数据库的重组和重构。,第五节物理结构设计、实施、运行与维护,1、填空题(1)数据库设计过程可以分为6个步骤，依次是、逻辑结构设计、数据库实施和。(2)在需求分析阶段，结构化分析方法采用自顶向下，逐层分解的方式分析系统，用和来描述系统。(3)概念结构设计主要是将需求分析阶段得到的用户需求抽象为概念模型，抽象方法一般有3种：、和。(4)在概念结构设计过程中，最常用的模型是模型。(5)E-R模型在将现实世界的含义和相互关联映射到概念模式时，采用三个基本概念：、和。,第五章习题,(6)数据库概念结构设计的方法中，视图集成设计的策略主要分为、和四种。(7)利用E-R模型对数据库进行概念设计时，第一步，第二步，第三步。(8)在集成全局E-R模型时，可能存在的冲突类型包括、属性冲突、，以及。(9)对关系数据库而言，逻辑结构设计阶段需要将概念模型转换为。(10)在关系模型的优化方法中，第一步是要确定。,第五章习题,2、选择题(1)在数据库设计中，用E-R图来描述信息结构是属于数据库设计的（）。A需求分析阶段B概念设计阶段C逻辑设计阶段D物理设计阶段(2)在关系数据库设计中，设计关系模式是（）的任务。A需求分析阶段B概念设计阶段