数据库技术及应用-数据库系统的设计

数据库技术与应用数据库系统的设计2023/5/271目录2023/5/272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物理结构的设计数据库的实施和维护1数据库系统设计概述2023/5/273数据库设计是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)。1.1数据库系统设计的概念1数据库系统设计概述2023/5/2741.2数据库系统设计流程数据库设计一般遵循软件的生命周期理论，分为六个阶段进行：需求分析阶段；概念设计阶段；逻辑设计阶段；物理设计阶段；数据库实施阶段；数据库运行和维护阶段。如图：

2023/5/2752系统需求分析2023/5/2762.1需求分析的任务了解将要开发的系统要管理什么样的数据（数据要求）、对这些数据要进行怎样的处理（处理要求）、系统的安全性和完整性方面有什么样的要求等。要彻底弄清这些情况往往是很困难的。因为用户可能不知道计算机能做什么，不能做什么，往往不能准确、全面地表达自己的需求，而设计员可能不了解领域专业知识，不能够准确领会用户的意图。因此必须经过充分交流、讨论才能达成共识。

2系统需求分析2023/5/2772.2需求分析的方法需求分析步骤：调查组织机构情况了解该组织的部门组成情况，各部门的职责，为分析信息流程做准备调查各部门的业务活动情况(重点）了解各部门的输入和使用什么样的数据如何加工这些数据输出什么信息输出到什么部门信息输出结果的格式

2系统需求分析2023/5/2782.2需求分析的方法协助用户明确对新系统的各种要求（重点）信息要求、处理要求、安全性与完整性要求确定新系统的边界确定那些由计算机来完成，那些由人工来完成。

2系统需求分析2023/5/2792.2需求分析的方法需求分析调查方法：跟班作业

参加业务工作来了解业务活动的情况，此种方法可以准确地了解用户的需求，但是比较耗费时间。开会调查召集用户开座谈会，了解业务活动情况，座谈时，参加者之间可以相互启发。请专人介绍

请熟悉业务情况的专家或用户代表介绍业务情况。询问对尚存有疑惑的问题，或用户没有提出但认为应该考虑的问题，可随时询问。设计调查表请用户填写如果调查表设计的合理，这种方法是很有效，也易于为用户接受。查阅记录通过查阅业务活动记录和各种数据报表，了解业务的活动内容和规律。

2系统需求分析2023/5/27102.2需求分析的方法做需求调查时，往往需要同时采用上述多种方法。但是无论采用何种方法，都需要用户的配合。了解用户需求后，通过分析和总结，将需求分析结果用数据流图和数据字典表示出来。

2系统需求分析2023/5/27112.3数据流图数据流图是软件工程中专门描绘信息在系统中流动和处理过程的图形化工具，是逻辑系统的图形化表示。数据流图是有层次的，层次越高其表现的业务逻辑越抽象，层次越低则表现的业务逻辑越具体。数据流图的主要表示符号如图：

2023/5/27122系统需求分析2023/5/27132.4数据字典

数据流图表达了数据和处理的关系，数据字典则是系统中各类数据描述的集合，是进行详细的数据收集和分析之后所获得的主要成果，数据字典在数据库设计中占有很重要的作用。数据字典通常包括数据项、数据结构、数据流、数据存储和处理过程五个部分。。

1.数据项数据项是不可再分的数据单位。数据项的描述为：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，与其它数据项的逻辑关系，数据项之间的联系}2.数据结构数据结构可以由数据项或其它数据结构组成，用于反映数据之间的组合关系。数据结构的描述为：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}}2023/5/27143.数据流是数据结构在系统内的传输路径，描述为：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}数据流来源是说明该数据流来自哪个过程数据流去向是说明该数据流将到哪个过程去平均流量是指在单位时间（每天、每周、每月等）里的传输次数高峰期流量则是指在高峰时期的数据流量2023/5/27154.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。可以是手工文档或手工凭单，也可以是计算机文档。数据存储描述={数据存储名，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}流入的数据流：指出数据来源流出的数据流：指出数据去向数据量：每次存取多少数据，每天（或每小时、每周等）存取几次等信息存取方法：批处理/联机处理；检索/更新；顺序检索/随机检索2023/5/27165.处理过程对处理过程进行简明扼要的描述，具体处理逻辑用判定树表示。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}}简要说明：说明该处理过程的功能及处理要求，功能是指该处理过程用来干什么处理要求包括处理频度要求，如单位时间里处理多少事务、多少数据量、响应时间。2023/5/27173概念结构设计2023/5/2718什么是概念结构的设计？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结构设计，它可用实体-关系（Entity-Relation，E-R）图进行描述概念结构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。概念结构设计是整个数据库设计的关键

3概念结构设计2023/5/27193.1概念模型的设计方法和步骤概念模型的设计方法大致有4种：自顶向下的方法；自底向上的方法；逐步扩张的方法；混合策略方法。最常采用的方法是自底向上的方法，即自顶向下进行需求分析，然后自底向上设计概念结构。3概念结构设计2023/5/27203.1概念模型的设计方法和步骤概念模型设计的步骤可以分成两步，首先抽象数据并设计局部视图，其次集成局部视图，得到全局概念结构。其设计步骤如图：3概念结构设计2023/5/27213.2数据抽象与局部视图设计1、数据抽象抽象就是选取需要关注的人、物、事和概念的特性，用各种概念精确地加以描述。抽象的方法有：分类定义具有某些共同特性和行为的一组对象的类型（即定义实体）。聚集定义某一类型的组成成分（即描述实体的构成成分--型）。概括定义类型之间的一种子集联系。如学生是一个实体型，本科生、研究生也分别是一个实体型。本科生和研究生是学生的子集，学生是超类(Superclass)，本科生、研究生是子类(Subclass)3概念结构设计2023/5/27223.2数据抽象与局部视图设计2、局部视图的设计

概念结构设计就是利用抽象机制，将需求分析得到的数据进行分类、聚集、概括，确定系统有哪些实体，各实体由哪些属性组成，实体间是否有子集关系，以及实体之间是1:1、1:n还是m:n联系，实体的码是什么，并用分E--R图表示出来。通常的做法是：对每一个相对独立的子系统，根据其数据流图和数据字典，设计出E—R图。3概念结构设计2023/5/27233.3视图的集成各子系统的分E-R图设计好之后，就要将各分E-R图综合成一个系统的总E-R图。视图集成的方式有两种：

多个分E-R图一次集成复杂，难度大

逐步集成用累加的方法一次集成两个分E-R图

每次只集成两个分E-R图，可以降低复杂度

无论采用以上那种方式，每次集成局部E-R图都要分两步走：1、合并解决各分E-R图的冲突，将各分E-R图合并起来

生成初步的E-R图。属性冲突属性类型、表示或计量单位冲突命名冲突同名异义和异名同义3概念结构设计2023/5/27243.3视图的集成结构冲突同一对象在不同应用上有不同的抽象，同一实体在不同的分E-R图中所包含的属性个数和属性排列次序不完全相同。2、修改和重构消除不必要的冗余属性或联系，生成基本E-R图。方法：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的逻辑关系的说明来消除冗余。用规范化理论中函数依赖的概念来消除冗余4逻辑结构设计2023/5/27254.1逻辑结构设计过程逻辑结构分三步进行：将概念结构转换成一般的关系、层次、网状模型将转换来的关系、层次、网状模型向特定的DBMS支持下的数据模型转换

对数据模型进行优化4逻辑结构设计2023/5/27264.2概念模型向关系模型的转换将E-R图中的实体、属性和实体之间的联系转换为关系模式，这种转换遵循如下规则：实体集的转换规则实体集间联系的转换规则1:1联系的转换方法1:n联系的转换方法M:n联系的转换方法3个或3个以上实体集间的多元联系的转换方法关系合并规则

4逻辑结构设计2023/5/27274.3设计用户子模式用户子模式(Subschema)也称外模式，它是数据库用户(包括应用程序员和最终用户)能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据视图。一般DBMS都提供了视图的概念，可利用这一功能为局部用户设计更合适的用户外模式，并考虑下列因素：使用更符合用户习惯的别名可以对不同级别的用户定义不同的View，以保证系统的安全性简化用户对系统的使用

5物理结构设计2023/5/2728数据库物理设计阶段的任务是根据具体计算机系统(DBMS和硬件等)的特点，为给定的数据库模型确定合理的存储结构和存取方法，并对物理结构进行评价。数据库的物理设计通常分为两步：确定数据库的物理结构—存取方法和存储结构对物理结构进行评价，重点是时间和空间效率

5物理结构设计2023/5/27295.1确定关系模式存取方法

存取方法用于快速存取数据库中的数据。常用的存取方法有：索引存取方法—常用B+树方法对于经常要查询的属性（组）、经常用于最大值或最小值统计的属性以及经常用于连接条件的属性（组）应建立索引。聚簇（Cluster）存取方法一个表（关系）只能建立一个聚簇索引。聚簇索引是将某个属性（组）上值相同的记录存放在连续的物理磁盘块中，以减少按这个属性（组）存取记录时的I/O次数和磁头定位次数。5物理结构设计2023/5/27305.1确定关系模式存取方法当很少对一个表增删记录和修改某个属性（组）的值时，若有下列需求，可考虑在这个属性（组）上建立聚簇索引。

●经常在这个属性（组）上查询或连接

●这个属性（组）的值大量重复●经常按这个属性（组）分组或排序结果HASH存取方法如果满足下列诸条件，可以考虑选择HASH存取方法。表的记录数和记录长度基本不变属性（组）只进行相等比较或等值连接5物理结构设计2023/5/27315.2确定数据库的存储结构

确定数据的存放位置如将数据的易变部分与稳定部分、频繁存取与不频繁存取部分分开存放；将索引与数据、日志与数据、大数据库的数据分开存放到不同的磁盘上均可有效地改善系统的性能。确定系统的配置如限制同时使用数据库的用户数、每个用户可用的内存大小、封锁粒度、CPU时间片大小等。5物理结构设计2023/5/27325.3评价物理结构评价物理数据库的方法完