第七章-数据库设计-概念、逻辑、物理

AnIntroductiontoDatabaseSystem数据库系统原理AnIntroductiontoDatabaseSystem第七章数据库设计第1页AnIntroductiontoDatabaseSystem第七章数据库设计7.1数据库设计概述7.2需求分析7.3概念结构设计7.4逻辑结构设计7.5数据库物理设计7.6数据库实施7.7数据库运行与维护7.8小结第2页AnIntroductiontoDatabaseSystem数据库设计概述（续）什么是数据库设计数据库设计是指对于一个给定应用环境，结构最优数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存放数据，满足各种用户应用需求（信息要求和处理要求）在数据库领域内，经常把使用数据库各类系统统称为数据库应用系统。第3页AnIntroductiontoDatabaseSystem7.1.1数据库和信息系统数据库是信息系统关键和基础把信息系统中大量数据按一定模型组织起来提供存放、维护、检索数据功效使信息系统能够方便、及时、准确地从数据库中取得所需信息数据库是信息系统各个部分能否紧密地结合在一起以及怎样结合关键所在数据库设计是信息系统开发和建设主要组成部分第4页AnIntroductiontoDatabaseSystem数据库设计人员应该具备技术和知识数据库基本知识和数据库设计技术计算机科学基础知识和程序设计方法和技巧软件工程原理和方法应用领域知识第5页AnIntroductiontoDatabaseSystem数据库设计基本步骤（续）二、数据库设计过程(六个阶段)

⒈需求分析阶段准确了解与分析用户需求（包含数据与处理）是整个设计过程基础，是最困难、最花费时间一步第6页AnIntroductiontoDatabaseSystem数据库设计基本步骤（续）

⒉概念结构设计阶段是整个数据库设计关键经过对用户需求进行综合、归纳与抽象，形成一个独立于详细DBMS概念模型第7页AnIntroductiontoDatabaseSystem数据库设计基本步骤（续）

⒊逻辑结构设计阶段将概念结构转换为某个DBMS所支持数据模型对其进行优化第8页AnIntroductiontoDatabaseSystem数据库设计基本步骤（续）

⒋数据库物理设计阶段为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境物理结构（包含存放结构和存取方法）第9页AnIntroductiontoDatabaseSystem数据库设计基本步骤（续）

⒌数据库实施阶段利用DBMS提供数据语言、工具及宿主语言，依据逻辑设计和物理设计结果建立数据库编制与调试应用程序组织数据入库并进行试运行第10页AnIntroductiontoDatabaseSystem数据库设计基本步骤（续）

⒍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停地对其进行评价、调整与修改。第11页需求搜集和分析设计概念结构设计逻辑结构数据模型优化设计物理结构评价设计、性能预测使用、维护数据库物理实现试运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维护阶段第12页AnIntroductiontoDatabaseSystem数据库各级模式形成过程应用需求应用1应用需求应用2应用需求应用3应用需求应用4逻辑模式内模式综合概念模式转换映像映像外模式应用1外模式应用2外模式应用3外模式应用4第13页AnIntroductiontoDatabaseSystem数据库设计基本步骤（续）逻辑设计阶段首先将E-R图转换成详细数据库产品支持数据模型，如关系模型，形成数据库逻辑模式然后依据用户处理要求、安全性考虑，在基本表基础上再建立必要视图(View)，形成数据外模式第14页AnIntroductiontoDatabaseSystem数据库设计基本步骤（续）物理设计阶段依据DBMS特点和处理需要，进行物理存放安排，建立索引，形成数据库内模式第15页AnIntroductiontoDatabaseSystem第七章数据库设计7.1数据库设计概述7.2需求分析7.3概念结构设计7.4逻辑结构设计7.5数据库物理设计7.6数据库实施7.7数据库运行与维护7.8小结第16页7.3.2概念结构设计方法与步骤设计概念结构四类方法自顶向下首先定义全局概念结构框架，然后逐步细化自底向上首先定义各局部应用概念结构，然后将它们集成起来，得到全局概念结构第17页概念结构设计方法与步骤（续）逐步扩张首先定义最主要关键概念结构，然后向外扩充，以滚雪球方式逐步生成其它概念结构，直至总体概念结构混合策略将自顶向下和自底向上相结合，用自顶向下策略设计一个全局概念结构框架，以它为骨架集成由自底向上策略中设计各局部概念结构。第18页概念结构设计方法与步骤（续） 自顶向下策略第19页概念结构设计方法与步骤（续）

自底向上策略第20页概念结构设计方法与步骤（续）

逐步扩张第21页概念结构设计方法与步骤（续）惯用策略自顶向下地进行需求分析自底向上地设计概念结构第22页需求概念模式1.1概念模式1.2概念模式n.1概念模式n.2概念模式1概念模式n…需求1需求n…需求1.1需求1.2需求n.1需求n.2全局概念模式第23页概念结构设计方法与步骤（续）自底向上设计概念结构步骤第1步：抽象数据并设计局部视图第2步：集成局部视图，得到全局概念结构第24页需求分析DFDDD数据抽象、局部视图设计分E-R图视图集成总E-R图逻辑结构设计征求用户意见直到满意为止第25页7.3.3数据抽象与局部视图设计数据抽象局部视图设计第26页一、数据抽象概念结构是对现实世界一个抽象从实际人、物、事和概念中抽取所关心共同特征，忽略非本质细节把这些特征用各种概念准确地加以描述这些概念组成了某种模型第27页数据抽象（续）数据抽象用途对需求分析阶段搜集到数据进行分类、组织（聚集），形成实体实体属性，标识实体码确定实体之间联络类型(1:1，1:n，m:n)第28页一、合并分E-R图，生成初步E-R图各分Ｅ－Ｒ图存在冲突各个局部应用所面向问题不一样由不一样设计人员进行设计

各个分E-R图之间必定会存在许多不一致地方合并分E-R图主要工作与关键所在：合理消除各分E-R图冲突第29页合并分E-R图，生成初步E-R图（续）冲突种类属性冲突命名冲突结构冲突第30页AnIntroductiontoDatabaseSystem第七章数据库设计7.1数据库设计概述7.2需求分析7.3概念结构设计7.4逻辑结构设计7.5数据库物理设计7.6数据库实施7.7数据库运行与维护7.8小结第31页AnIntroductiontoDatabaseSystem逻辑结构设计逻辑结构设计详细过程转化为普通数据模型转化为特定DBMS支持下据模型

优化模型概念结构设计数据库物理设计基本E-R图特定DBMS特点与限制优化方法如规范化理论逻辑模型转换规则第32页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）转换内容E-R图由实体、实体属性和实体之间联络三个要素组成关系模型逻辑结构是一组关系模式集合将E-R图转换为关系模型：将实体、实体属性和实体之间联络转化为关系模式。第33页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）转换标准⒈一个实体型转换为一个关系模式。关系属性：实体型属性关系码：实体型码例，有一个学生实体第34页AnIntroductiontoDatabaseSystem

学生

学号出生日期年级所在系平均成绩姓名学生实体能够转换为以下关系模式：学生（学号，姓名，出生日期，所在系，年级，平均成绩）第35页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）⒉一个m:n联络转换为一个关系模式。关系属性：与该联络相连各实体码以及联络本身属性关系码：各实体码组合 例，“选修”联络是一个m:n联络，它E-R图为：第36页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）课程选修学生mn成绩第37页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）按照上面规则能够将它转换为以下关系模式，其中学号与课程号为关系组合码：选修（学号，课程号，成绩）第38页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）⒊一个1:n联络能够转换为一个独立关系模式，也能够与n端对应关系模式合并。1)转换为一个独立关系模式关系属性：与该联络相连各实体码以及联络本身属性关系码：n端实体码第39页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）⒊一个1:n联络能够转换为一个独立关系模式，也能够与n端对应关系模式合并。2)与n端对应关系模式合并合并后关系属性：在n端关系中加入1端关系码和联络本身属性合并后关系码：不变能够降低系统中关系个数，普通情况下更倾向于采取这种方法第40页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）班级组成学生1n第41页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）例，“组成”联络为1:n联络。 将其转换为关系模式两种方法：1)使其成为一个独立关系模式：2)将其学生关系模式合并：

组成（学号，班级号）学生（学号，姓名，出生日期，所在系，年级，班级号，平均成绩）第42页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）⒋一个1:1联络能够转换为一个独立关系模式，也能够与任意一端对应关系模式合并。1)转换为一个独立关系模式关系属性：与该联络相连各实体码以及联络本身属性关系候选码：每个实体码均是该关系候选码第43页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）⒋一个1:1联络能够转换为一个独立关系模式，也能够与任意一端对应关系模式合并。2)与某一端对应关系模式合并合并后关系属性：加入对应关系码和联络本身属性合并后关系码：不变第44页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）班级管理教师11第45页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）例，“管理”联络为1:1联络，能够有三种转换方法：（1）转换为一个独立关系模式：管理（职员号，班级号）或管理（职员号，班级号）第46页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）例，“管理”联络为1:1联络，能够有三种转换方法：（2）“管理”联络与班级关系模式合并，则只需在班级关系中加入教师关系码，即职员号：班级：（班级号，学生人数，职员号）第47页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）例，“管理”联络为1:1联络，能够有三种转换方法：（3）“管理”联络与教师关系模式合并，则只需在教师关系中加入班级关系码，即班级号：教师：（职员号，姓名，性别，职称，班级号，是否为优异班主任）第48页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）注意：从理论上讲，1:1联络能够与任意一端对应关系模式合并。但在一些情况下，与不一样关系模式合并效率会大不一样。所以终究应该与哪端关系模式合并需要依应用详细情况而定。因为连接操作是最费时操作，所以普通应以尽可能降低连接操作为目标。比如，假如经常要查询某个班级班主任姓名，则将管理联络与教师关系合并更加好些。第49页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）⒌三个或三个以上实体间一个多元联络转换为一个关系模式。关系属性：与该多元联络相连各实体码以及联络本身属性关系码：各实体码组合 例，“讲授”联络是一个三元联络第50页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）课程教师1m参考书n课时讲授第51页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）“讲授”联络是一个三元联络，能够将它转换为以下关系模式，其中课程号、职员号和书号为关系组合码：讲授（课程号，职员号，书号，课时）第52页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）⒍同一实体集实体间联络，即自联络，也可按上述1:1、1:n和m:n三种情况分别处理。 例，假如教师实体集内部存在领导与被领导1:n自联络第53页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）职员领导1n第54页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）教师实体集内部存在领导与被领导1:n自联络，我们能够将该联络与教师实体合并，这时主码职员号将屡次出现，但作用不一样，可用不一样属性名加以区分：教师：｛职员号，姓名，性别，职称，系主任职员号｝第55页AnIntroductiontoDatabaseSystemE-R图向关系模型转换（续）⒎含有相同码关系模式可合并。目标：降低系统中关系个数。合并方法：将其中一个关系模式全部属性加入到另一个关系模式中，然后去掉其中同义属性（可能同名也可能不一样名），并适当调整属性次序。第56页第七章数据库设计7.1数据库设计概述7.2需求分析7.3概念结构设计7.4逻辑结构设计7.5数据库物理设计7.6数据库实施7.7数据库运行与维护7.8小结第57页7.5数据库物理设计什么是数据库物理设计数据库在物理设备上存放结构与存取方法称为数据库物理结构，它依赖于给定计算机系统。为一个给定逻辑数据模型选取一个最适合应用环境物理结构过程，就是数据库物理设计。第58页7.5数据库物理设计数据库物理设计步骤确定数据库物理结构对物理结构进行评价，评价重点是时间和空间效率假如评价结果满足原设计要求则可进入到物理实施阶段，不然，就需要重新设计或修改物理结构，有时甚至要返回逻辑设计阶段修改数据模型。第59页物理设计过程

数据库物理设计确定数据库物理结构评价数据库物理结构逻辑结构设计数据库实施物理模型逻辑模型第60页7.5.2关系模式存取方法选择数据库系统是多用户共享系统，对同一个关系要建立多条存取路径才能满足多用户各种应用要求。物理设计第一个任务就是要确定选择哪些存取方法，即建立哪些存取路径。第61页关系模式存取方法选择（续）DBMS惯用存取方法索引方法，当前主要是B+树索引方法聚簇（Cluster）方法HASH方法第62页一、索引存取方法选择选择索引存取方法主要内容

依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对哪些索引要设计为唯一索引第63页索引存取方法选择（续）选择索引存取方法普通规则假如一个(或一组)属性经常在查询条件中出现，则考虑在这个(或这组)属性上建立索引(或组合索引)假如一个属性经常作为最大值和最小值等聚集函数参数，则考虑在这个属性上建立索引假如一个(或一组)属性经常在连接操作连接条件中出现，则考虑在这个(或这组)属性上建立索引第64页索引存取方法选择（续）关系上定义索引数过多会带来较多额外开销维护索引开销查找索引开销第65页建立聚簇索引聚簇索引建立聚簇索引后，基表中数据也需要按指定聚簇属性值升序或降序存放。也即聚簇索引索引项次序与表中元组物理次序一致。例：CREATECLUSTERINDEXStusnameONStudent(Sname)；在Student表Sname（姓名）列上建立一个聚簇索引，而且Student表中统计将按照Sname值升序存放第66页建立聚簇索引在一个基本表上最多只能建立一个聚簇索引聚簇索引用途：对于一些类型查询，能够提升查询效率聚簇索引适用范围

极少对基表进行增删操作极少对其中变长列进行修改操作第67页第七章数据库设计7.1数据