2022年关系数据库设计

第6章关系数据库设计Chapter6DesignofRelationDatabase本章重点本章要求了解数据库设计的方法、特点和步骤，掌握需求分析、概念结构、逻辑结构、物理结构、数据库实施、数据库运行和维护六个阶段设计的目标、方法和应注意的事项，重点掌握概念结构和逻辑结构设计这二个阶段。

6.1数据库设计概述

数据库设计是建立数据库及其应用系统的技术，是信息系统开发和建设中的核心技术。具体说，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)。这个问题是数据库在应用领域的主要研究课题。在数据库领域内，常常把使用数据库的各类系统统称为数据库应用系统。数据库设计是信息系统开发和建设的重要组成部分。下面介绍数据库设计的方法、特点和步骤。

6.1.1数据库设计的方法1、规范设计法（1）比较著名的有新奥尔良(NewOrleans)方法，它将数据库设计分为四个阶段。（2）S.B.Yao等又将数据库设计分为五个步骤。步的过程，并采用一些辅助手段实现每一过程。（4）基于E-R模型的数据库设计方法，基于3NF的设计方法，基于抽象语法规范的设计方法等，是在数据库设计的不同阶段上支持实现的具体技术和方法。2、计算机辅助数据库设计

(1)Design2000是Oracle公司的数据库设计工具软件。(2)PowerDesigner是Sybase公司的数据库设计工具软件。(3)计算机辅助软件工程（CASE）则强凋数据库设计和应用设计的结合,按照一定的设计规程，用工程化方法设计数据库是最实用的方法。

6.1.2数据库设计的特点

数据库设计既是一项涉及多学科的综合性技术，又是一项庞大的工程项目。其特点之一是：硬件、软件、技术与管理的界面的互相结合；其特点之二是：在整个设计过程中，强调结构(数据)设计和行为(处理)设计的紧密结合。图6.1结构和行为设计分离的设计6.1.3数据库设计的步骤

我们按规范设计的方法将数据库设计分为以下六个阶段：需求分析阶段第1步：了解和分析用户的应用需求（包括数据与处理），进行需求收集和分析。概念结构设计阶段第2步：对用户需求进行综合、归纳与抽象，形成一个独立于具体RDBMS的概念模型。逻辑结构设计阶段第3步：按照一组转换规则，将概念模型转换为某个RDBMS支持的关系模型；第4步：根据规范化理论，对关系模型进行优化。若对逻辑结构设计不满意，则转第3步进行。物理结构设计阶段第5步：为关系模型选取一个最适合应用环境的物理结构（包括存储结构和存取方法）；第6步：对此物理结构进行评价设计和性能预测。若对物理结构设计不满意，则转第3或第5步进行。数据库实施阶段第7步：运用RDBMS提供的数据语言及其宿主语言，根据逻辑设计和物理设计的结果建立数据库，编制与调试应用程序，并组织数据入库；第8步：系统的试验性运行。若对数据库实施不满意，则转第5步进行。数据库运行和维护阶段第9步：数据库应用系统经过试运行后即可投入正式运行。在数据库系统的运行过程中必须不断地对其进行评价、调整与修改。6.2需求分析6.2.1需求分析的任务和方法

需求分析阶段的任务是通过详细调查现实世界要处理的对象(组织、部门、企业等)，充分了解原系统的工作概况，明确用户的各种需求，然后在此基础上确定新系统的功能。新系统必须充分考虑今后可能的扩充和改变，不能仅按当前应用需求来设计数据库。

调查的重点是“数据”和“处理”，通过调查要从中获得每个用户对数据库的如下要求：1.信息要求2．处理要求3.安全性和完整性的要求为了很好地完成调查的任务，设计人员必须不断地与用户交流，与用户达成共识，以便逐步确定用户的实际需求，然后分析与表达这些需求。

6.2.2数据字典数据字典(DataDictionary，简称DD)则是对系统中数据的详尽描述，是各类数据属性的清单。对数据库设计来讲，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。数据字典是各类数据描述的集合，它通常包括以下五个部分：●数据项，是数据的最小单位。●数据结构，是若干数据项有意义的集合。●数据流，可以是数据项，也可以是数据结构。表示某一处理过程的输入或输出。●数据存储，处理过程中存取的数据．常常是手工凭证、手工文档或计算机文件。●处理过程。用数据流图，数据字典描述系统。●数据结构，是若干数据项有意义的集合。分考虑到可能的扩充和改变，使设计易于更动。安全性和完整性的要求例如学生是一个实体型，概念结构独立于数据库逻辑结构，独立于支持数据库的DBMS，其主要特点是：●数据项，是数据的最小单位。分考虑到可能的扩充和改变，使设计易于更动。Yao等又将数据库设计分为五个步骤。第9步：数据库应用系统经过试运行后即可投入正式运行。第7步：运用RDBMS提供的数据语言及其宿主语言，根据逻辑设计和物理设计的结果建立数据库，编制与调试应用程序，并组织数据入库；定义某一类型的组成成分。数据库设计是信息系统开发和建设的重要组成部例2某工厂管理信息系统的视图集成（基本E-R图）6.2.3数据流图如何分析和表达用户的需求，这是一个重要的问题。在众多的分析方法中，结构化分析(StructuredAnalysis,简称SA方法)是一个简单实用的方法。SA方法用自顶向下、逐层分解的方式分析系统。用数据流图，数据字典描述系统。任何一个系统都可以抽象为如图6.2所示的情况。

图6.2系统高层抽象图数据流图表达了数据和处理过程的关系。

最后要指出两点：1、需求分析阶段一个重要而困难的任务是收集将来应用所涉及的数据。若设计人员仅按当前应用来设计数据库，以后再想加入新的实体，新的数据项和实体间新的联系就会十分困难。新数据的加入必定会影响数据库的概念结构、逻辑结构和物理结构，因此设计人员应充分考虑到可能的扩充和改变，使设计易于更动。

2、必须强调用户的参与，这是数据库应用系统设计的特点。在数据分析阶段，任何调查研究没有用户的积极参加是寸步难行的。设计人员应该和用户取得共同的语言，帮助不熟悉计算机的用户建立数据库环境下的共同概念，并对设计工作的最后结果承担共同的责任。6.3概念结构设计

概念结构独立于数据库逻辑结构，独立于支持数据库的DBMS，其主要特点是：1．能充分地反映现实世界，包括实体和实体之间的联系，能满足用户对数据处理的要求，是现实世界的一个真实模型。2.易于理解。从而可以和不熟悉计算机的用户交换意见，用户的积极参与是数据库设计成功与否的关键。3.易于更动。当现实世界改变时容易修改和扩充。4.易于向关系、网状或层次等各种数据模型转换。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。

现介绍自底向上设计概念结构的方法。按照这种方法，概念结构的设计可按下面步骤进行，见图6.3所示。图6.3概念结构设计步骤

6.3.2数据抽象与局部视图设计1、数据抽象E-R模型是对现实世界的一种抽象。所谓抽象是对实际的人、物、事和概念的进行人为处理，抽取人们关心的共同特性，忽略非本质的细节，并把这些特性用各种概念精确地加以描述，这些概念组成了某种模型。一般有如下三种抽象：（1）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，它抽象了对象值和型之间的“ismemberof”的语义，在E-R模型中，实体型就是这种抽象，如图6.4所示。

图6.4分类

（2）聚集(Aggregation)定义某一类型的组成成分。它抽象了对象内部类型和成分之间“ispartof”的语义，在E-R模型中，若示。图6.5聚集

（3）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“issubsetof”的语义。例如学生是一个实体型，本科生、研究生也是实体型。本科生、研究生均是学生的子集。把学生称为超类(Superclass)，本科生、研究生称为学生的子类(Subclass)。图6.7概括（2）逐一设计分E-R图每个局部应用对应一组数据流图，局部应用涉及的数据已收集在数据字典中，将这些数据从数据字典中抽取出来，参照数据流图，标定该应用中的实体、属性和实体之间的联系及其类型。

在给定的应用环境中，能够作为属性对待的，应尽量作为属性对待，目的在于简化E-R图的处置。在实体和属性的调整中，要遵循的二条基本准则是：

作为“属性”，不能再具有需要描述的性质。即属性不能是另一些属性的聚集。

属性不能与其他实体具有联系。即E-R图中的联系是实体之间的联系。符合上述两条的“事物”一般作为属性来对待，否则作为实体对待。

请参见书上的举例。

例1销售管理子系统分E-R图的设计实例某工厂开发管理信息系统，经过可行性分析和详细调查，确定了该系统由物资管理、销售管理、劳动人事管理等子系统组成。为每个子系统组成了开发小组。销售管理子系统开发小组的成员经过调查研究、信息流程分析和数据收集，明确了该子系统的主要功能是：处理顾客和销售员送来的订单；工厂是根据订货安排生产的；交出货物同时开出发票；收到顾客付款后，根据发票存根和信贷情况进行应收款处理，可得到该子系统的数据流图和数据字典，见下图6.10所示。

先设计该分E-R图的草图，如图6.11所示。图6.11分E-R图的草图然后参照数据流图和数据字典中的详尽描述，遵循前面给出的二个准则，进行了一些调整（详细叙述见书上），最后得到分E-R图如下图6.12所示。

图6.12销售管理子系统的分E-R图

对每个实体定义的属性如下：顾客：{顾客号，顾客名，地址，电话，信贷状况，账目余额}订单：{订单号，顾客号，订货项数，订货日期，交货日期，工种号，生产地点}订单细则：{订单号，细则号，零件号，订货数，金额}应收帐款：{顾客号，订单号，发票号，应收金额，支付日期，当前余额，贷款限额}产品描述：{产品号，产品名，单价，重量}折扣规则：{产品号，订货量，折扣}(注：为了节省篇幅，实体与属性的关系没有用图形表示，实体的键码用下划线表示)

6.3.3视图的集成

视图集成就是把上一步得到的各个分E-R图综合成一个总E-R图。视图集成可以有两种方式：多个分E-R图一次集成。逐步集成，用累加的方式一次集成两个分E-R图。第一种方式比较复杂，第二种方式每次只集成两个分E-R图，可降低复杂度。无论哪种方式，每次集成可分两步走。第一步是合并，解决各分E-R图之间的冲突问题，生成初步E-R图。第二步是修改和重构，清除不必要的冗余，生成基本E-R图。

1、清除冲突，合并分E-R图由于各类应用不同,不同的应用通常又由不同的设计人员进行概念结构的设计，因此分E-R图之间不可避免地会有很多不一致，我们称之为冲突。冲突的类型有：（1）属性冲突。属性域冲突、属性取值单位冲突。（2）结构冲突。同一对象在不同应用中的不同抽象、同一实体在不同分E-R图中属性组成不同、实体之间的联系在不同分E-R图中呈现不同的类型。（3）命名冲突包括属性名、实体名、联系名之间的冲突：同名异义、异名同义。属性冲突和命名冲突通常用讨论、协商等行政手段解决。结构冲突则要认真分析后用技术手段解决。

2、消除不必要的冗余，设计基本E-R图在初步E-R图中可能存在冗余的数据和实体间冗余