数据库原理及应用教程 第6章

1、数据库原理及应用教程 （第4版）中国工信出版集团 人民邮电出版社“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材微课版，对重点和难点进行视频详解北京林业大学 信息学院第6章 数据库设计第6章北京林业大学 信息学院本章重点已经介绍了数据库基本概念，操作方法，规范化的方法。如何根据客户需求，完成软件系统的数据库设计是软件开发的关键性工作。本章将系统的讨论数据库设计步骤。数据库设计概念结构设计逻辑结构设计6.1 数据库设计概述6.2 系统需求分析6.3 概念结构设计6.4 逻辑结构设计6.5 物理结构设计6.6 数据库实施6.7 数据库运行和维护6.8 小结北京林业大学 信息学院第6章北京林业大学 信息学院

2、6.1 数据库设计概述6.1.1 数据库设计的任务、内容和特点数据库设计的任务 数据库设计是指根据用户需求研制数据库结构和行为的过程。 数据库设计的内容 结构设计行为设计概念设计、逻辑设计和物理设计 应用程序使用数据库的方法第6章北京林业大学 信息学院6.1 数据库设计概述数据库设计的特点 结构源于行为强调结构设计与行为设计相结合行为总是变化“反复探寻，逐步求精”第6章北京林业大学 信息学院6.1.2 数据库设计方法简述6.1 数据库设计概述直观设计 规范设计法 人工分析 软件工程语言基于E-R模型的数据库设计方法基于图构造基于3NF的数据库设计方法基于属性和属性依赖 基于视图的数据库设计方法

3、基于各类应用模式自动化方法第6章北京林业大学 信息学院6.1 数据库设计概述6.1.3 数据库设计的步骤按规范设计法可将数据库设计分为六个阶段 1系统需求分析阶段确定边界，数据字典2概念结构设计阶段 表达用户需求的概念模型3逻辑结构设计阶段 由概念模型得出的数据模型4物理结构设计阶段存储结构和存取方法5数据库实施阶段 数据入库，转存到用户系统中6数据库运行与维护阶段 保持数据完整性第6章北京林业大学 信息学院6.1 数据库设计概述6.1.4 数据库系统的设计案例描述为便于读者理解具体数据库系统的设计过程，本章将使用案例驱动模式，介绍数据库设计的操作过程。案例将围绕本科教学环节中的核心业务任课和

4、选课。第6章北京林业大学 信息学院6.2 系统需求分析需求分析的任务：6.2.1 需求分析的任务1.调查分析用户活动2.收集和分析需求数据，确定系统边界3.编写需求分析报告第6章北京林业大学 信息学院6.2 系统需求分析数据流图（行为）6.2.2 需求分析的方法用命名的箭头表示数据流 用圆圈表示处理 用不封闭的矩形或其他形状表示存储 数据流数据流数据存储数据来源处理数据输出处理需求信息需求图6.6 数据流图第6章北京林业大学 信息学院6.2 系统需求分析数据流数据流数据存储数据来源处理数据输出处理需求信息需求付款凭证报销单报销登记报销人审查分录数据流图示例第6章北京林业大学 信息学院6.2 系

5、统需求分析数据字典（结构）数据字典是对系统中数据的详细描述，是各类数据结构和属性的清单 。在需求分析阶段，它通常包含以下五部分内容： 数据项 最终形成的数据流图和数据字典为系统分析报告的主要内容，这是下一步进行概念结构设计的基础。 数据结构 数据存储数据流 处理过程 第6章北京林业大学 信息学院6.2 系统需求分析案例的数据流图6.2.3 案例的需求分析图6-8 任课业务的DFD第6章北京林业大学 信息学院6.2 系统需求分析案例的数据流图图6-9 选课业务的DFD第6章北京林业大学 信息学院案例的数据字典在进行数据项的定义过程中，有两方面注意事项：一方面是每一个数据结构在实际生活中都存在诸多

6、数据项，不会将所有内容都定义为数据项，仅会根据业务需求，选择适量的数据项。另一方面，除定义数据结构和数据项外，还需定义数据流、数据存储和数据处理过程。6.2 系统需求分析第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计概念结构设计就是将需求分析得到的用户需求抽象为信息结构，即概念模型。6.3.1 概念结构设计的必要性（1）从逻辑设计中分离出概念设计以后，各阶段的任务相对单一化，设计复杂程度大大降低，便于组织管理。（2）概念模型不受特定的DBMS的限制，也独立于存储安排和效率方面的考虑，因而比逻辑模型更为稳定。（3）概念模型不含具体的DBMS所附加的技术细节，更容易为用户所理解，因而更有可能准确

7、反映用户的信息需求。第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计图6-10 数据库各级模型的形成（a）（b）第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计6.3.2 概念模型的特点语义表达能力丰富 易于交流和理解 易于修改和扩充 易于向各种数据模型转换 概念模型特点第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计6.3.3 概念模型的E-R表示方法学生学号选修（a）实体型（b）属性（c）联系1:11:nm:n E-R图的基本成分E-R模型是最著名、最实用的一种是概念模型。第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计实体之间的联系，有一对一（1:1），一对多（1:n）和多对多（m:n）

8、三种联系类型。系主任成绩领导系学生属于系学生选修课程111nnmE-R图的几种关系（a）两个实体型之间的联系第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计E-R图的两个以上实体间的联系 数量供应商供应零件n1项目n领导职工1n（b）多个实体型之间的联系（c）同一实体集内部的联系 第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计举例说明图6-13 学生与课程联系的完整的E-R图第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计6.3.4 概念结构设计的方法与步骤概念结构设计的方法自顶向下逐步求细 自底向上 由精细到整体逐步扩张 由核心逐渐向外扩充混合策略 自顶向下+自底向上第6章北京林业大学 信

9、息学院6.3 概念结构设计概念结构设计的步骤需求分析DFD，DD数据抽象，局部视图设计视图集成局部E-R图全局E-R图逻辑结构设计征求用户意见图6-15 自底向上方法的设计步骤第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计数据抽象与局部E-R模型设计E-R方法描述现实世界概念结构模型的有效方法。用E-R方法建立的概念结构模型称为E-R模型，或称为E-R图。数据抽象 分类 聚集 将一组具有某些共同特性和行为的对象抽象为一个实体 将对象类型的组成成分抽象为实体的属性 第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计数据抽象与局部E-R模型设计局部E-R模型设计属性必须是不可分的数据项，不能再由另

10、一些属性组成。属性不能与其他实体具有联系，联系只能发生在实体之间。 第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计局部E-R模型设计 例如，学生是一个实体，学号、姓名、性别、年龄和系别等是学生实体的属性。这时，系别只表示学生属于哪个系，不涉及系的具体情况，换句话说，没有需要进一步描述的特性，即是不可分的数据项，则根据原则可以作为学生实体的属性。但如果考虑一个系的系主任、学生人数、教师人数、办公地点等，则系别应作为一个实体。第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计图6-16 系别作为一个属性或实体第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计局部E-R模型设计 又如，职称为教师实体的

11、属性，但在涉及住房分配时，由于分房与职称有关，即职称与住房实体之间有联系，则根据原则，职称应作为一个实体。第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计图6-17 职称作为一个属性或实体第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计全局E-R模型设计 视图集成的方法：多元集成法，一次性将多个局部E-R图合并。二元集成法，首两个重要的局部E-R图合并。第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计局部E-R图合并（消除冲突）优化（消除不必要的冗余）基本E-R图初步E-R图分析规范化理论图6-19 视图集成第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计合并合并局部E-R图，消除局部E-R图

12、之间的冲突，生成初步E-R图冲突属性冲突 命名冲突 结构冲突 值域 冲突 取值单位 冲突 同名 异义 异名 同义 同一对象在不同应用中有不同的抽象 同一实体在不同应用中属性组成不同 同一联系在不同应用中呈现不同类型 第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计优化消除不必要的冗余，生成基本E-R图。 所谓冗余，在这里指冗余的数据和实体之间冗余的联系。 冗余的数据是指可由基本的数据导出的数据，冗余的联系是由其他的联系导出的联系。 通常采用分析的方法消除冗余。第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计6.3.5 案例的概念结构设计案例的局部E-R模型设计（1）一个学生可选修多门课程，一门

13、课程可为多个学生选修，因此，学生和课程是多对多的联系。（2）一个教师可讲授多门课程，一门课程可为多个教师讲授，因此，教师和课程也是多对多的联系。（3）一个系可有多个教师，一个教师只能属于一个系，因此，系和教师是一对多的联系，同样系和学生也是一对多的联系。第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计图6-20 学生选课局部E-R图第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计图6-21 教师任课局部E-R图第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计案例的全局E-R模型设计在局部E-R模型设计基础上，进行局部E-R模型的合并，生成初步E-R图。第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结

14、构设计图6-22 教学管理系统的初步E-R图第6章北京林业大学 信息学院6.3 概念结构设计图6-23 教学管理系统的基本E-R图第6章北京林业大学 信息学院6.4 逻辑结构设计6.4.1 逻辑结构设计的任务和步骤初始关系模式设计 ER图关系模式规范化 模式评价 是否改进以DBMS语法描述 模式改进 是否网状模型、层次模型和关系模型概念结构设计逻辑结构设计物理结构实现设计阶段第6章北京林业大学 信息学院6.4.2 初始关系模式设计转换原则6.4 逻辑结构设计ER图实体属性联系关系模式第6章北京林业大学 信息学院6.4 逻辑结构设计总体原则：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，

15、实体的码为关系的主码。联系的处理：一个联系转换为一个关系模式，有三种情况：如果联系为1:1，则每个实体的主码都是关系的候选码；如果联系为1:n，则n端实体的主码是关系的主码；如果联系为n:m，则每个实体的主码的组合是关系的主码。 转换原则第6章北京林业大学 信息学院具体做法6.4 逻辑结构设计（1）把每一个实体转换为一个关系。（2）把每一个联系转换为关系模式。（3）特殊情况的处理。图6-25 多个实体之间的联系第6章北京林业大学 信息学院6.4.3 关系模式规范化6.4 逻辑结构设计确定范式级别 实施规范化处理 需求分析阶段 概念结构设计阶段 逻辑结构设计阶段 用函数依赖的概念分析和表示各个数

16、据项之间的联系 以规范化理论为指导，确定关系主码，消除初步E-R图中冗余的联系 从E-R图向数据模型转换过程中，用模式合并与分解方法达到指定的数据库规范化级别 第6章北京林业大学 信息学院6.4.4 模式评价与改进6.4 逻辑结构设计模式评价功能评价 （出现问题，回溯分析）对照需求分析的结果，检查规范化后的关系模式集合是否支持用户所有的应用要求。 性能评价 （执行效果）对实际性能进行估计，包括逻辑记录的存取数、传送量以及物理结构设计算法的模型等 。第6章北京林业大学 信息学院6.4.4 模式评价与改进6.4 逻辑结构设计模式改进如果因为系统需求分析、概念结构设计的疏漏导致某些应用不能得到支持，

17、则应该增加新的关系模式或属性。如果因为性能考虑而要求改进，则可采用合并或分解的方法。（1）合并：减少连接操作，提高查询效率。（2）分解：提高数据操作的效率和存储空间的利用率。第6章北京林业大学 信息学院6.4.5 案例的逻辑结构设计6.4 逻辑结构设计案例的初始关系模式设计依据6.4.2中介绍的转换原则，将全局E-R模型（图6-23）中四个实体和四个联系分别转换成四个关系模式。案例关系模式的规范化由于上述转换基于的是全局E-R模型，因此，上述转换得到的模式满足3NF。第6章北京林业大学 信息学院6.4.5 案例的逻辑结构设计6.4 逻辑结构设计案例关系模式的评价和改进对关系模式进行合并处理，合

18、并具有相同主码的关系模式。第6章北京林业大学 信息学院6.5.1 确定物理结构6.5 物理结构设计存储记录结构的设计确定物理结构：在关系数据库中主要指存取方法和存储结构。评价物理结构：评价的重点是时间和空间效率。聚集针对重复的存储和高频的查询。索引保证数据的完整性，提高查询效率，但注意维护成本。第6章北京林业大学 信息学院6.5 物理结构设计访问方法的设计存储结构：限定了可能访问的路径和存储记录。检索机构：主访问路径还是辅访问路径。数据存放位置的设计为了提高系统性能，应该根据应用情况将数据的易变部分、稳定部分、经常存取部分和存取频率较低部分分开存放多磁盘下：将表和索引、日志和数据库对象分开存储。第6章北京林业大学 信息学院6.5 物理结构设计系统配置的设计DBMS产品一般都提供了一些系统配置变量、存储分配参数，供设计人员和DBA对数据库进行物理优化。评价重点是时间效率和空间效率。6.5.2 评价物理结构第6章北京林业大学 信息学院6.6.1 建立实际数据库结构6.6 数据库实施DBMS提供的数据定义语言（DDL）可以定义数据库结构。6.6.2 装入数据装入数据又称为数据库加载（Loading），是数据库实施阶段的主要工作。为了保证装入数据库中数据的正确无误，必须高度重视数据的校验