数据库技术讲义 第6章 数据库设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第六章 数据库设计,1,6.1,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，具体说，数据库设计是指对于一个给定的应用环境，构造最优的数据库设计模式，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。,2,6.1,数据库设计概述,数据库设计准则,数据库必须正确反映现实世界，能为某个,DBMS,所接受,应用系统有良好的性能，有利于实施和维护,数据库能满足当前和今后相当长时期内的数据需求，使数据库有较长的使用寿命,当软件和硬件环境发生变化时容易修改和移植,能满足安全性要求，当系统发生故障时，容易恢复数据库,数据库存取效率、查询效率要高,3,6.1.1,数据库和信息系统,从使用者角度看，信息系统是提供信息、辅助人们对环境进行控制和进行决策的系统。数据库是信息系统的核心和基础。一个信息系统的各个部分能否紧密地结合在一起以及如何结合，关键在数据库。也只有对数据库进行合理的逻辑设计和有效的物理设计才能开发出完善而高效的信息系统。,4,6.1.1,数据库和信息系统,大型数据库的设计和开发是一项庞大的工程，是涉及多学科的综合性技术。其开发周期长、耗资多、失败的风险也大。必须把软件工程的原理和方法应用到数据库建设中来。对于数据库设计人员来说应具备多方面的知识：,数据库的基本知识和数据库设计技术,计算机科学的基础知识和程序设计的方法和技巧,软件工程的原理和方法,应用领域的知识,5,6.1.2,数据库设计的特点,数据库设计是硬件、软件和干件的结合,数据库设计应该和应用系统设计相结合,传统软件工程忽视对应用中数据语义的分析和抽象。数据库模式是各应用程序共享的结构，是稳定的，永久的，不像以文件系统为基础的应用系统，是某一应用程序私用的。早期的数据库设计致力于数据模型的和建模方法的研究，没有考虑到应用环境的要求与数据结构的关系，因此结构设计与行为设计是分离的。,6,6.1.3,数据库设计方法简述,由于信息结构复杂，应用环境多样，在相当长的一段时期内数据库设计主要采取手工试凑法，这和设计人员的经验和水平有直接的联系，为此人们结合软件工程的思想提出了各种规范的方法。比较有名的有新奥尔良法，将数据库设计分为四个阶段：需求分析、概念设计、逻辑设计和物理设计。基于,E-R,图的设计方法，基于,3NF,的设计方法等是在不同阶段上支持实现的具体技术和方法。,7,6.1.4,数据库设计的基本步骤,按照规范设计的方法，考虑数据库及其应用系统开发全过程，将数据库设计分为以下六个阶段,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,数据库运行和维护,8,9,6.2,需求分析,需求分析简单地说就是分析用户的要求,需求分析的任务,需求分析的任务是通过详细调查现实世界要处理的对象，充分了解原系统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，不能仅仅按当前应用需求来设计数据库。,10,6.2,需求分析,调查的重点是“数据”和“处理”，通过调查、收集和分析，获得用户对数据库的如下要求：,信息要求,处理要求,安全性与完整性要求,11,6.2,需求分析,需求分析的方法,进行需求分析首先是调查清楚用户的实际要求，与用户达成共识，然后分析与表达这些需求。具体步骤是：,调查组织机构情况,调查各部门的业务活动情况,在熟悉了业务活动的基础上，协助用户明确对新系统的各种要求。,确定新系统的边界。,12,6.2,需求分析,在调查过程中，可以根据不同的问题和条件，使用不同的调查方式。常用的有：,跟班作业,开调查会,请专人介绍,询问,设计调查表请用户填写,查阅记录,13,6.2.3,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数据分析所获得的主要成果。数据字典通常包括：,数据项,数据结构,数据流,数据存储,处理过程,14,6.3,概念结构设计,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。,概念结构设计的主要特点有：,能真实充分地反映现实世界,易于理解,易于更改,易于向关系、网状、层次等各种数据模型转变,描述概念模型的有力工具是,E-R,图。,15,6.3,概念结构设计,概念结构设计通常有四类方法,自顶向下,自底向上,逐步扩张,混合策略,16,6.3,概念结构设计,17,6.3,概念结构设计,18,6.3,概念结构设计,19,6.3,概念结构设计,20,6.3,概念结构设计,21,6.3.3,数据抽象与局部视图设计,数据抽象,分类,(Classification),聚集,(Aggregation),概括,(Generalization),局部视图设计,选择局部应用,逐一设计分,E-R,图,22,6.3.3,数据抽象与局部视图设计,实例,:,23,6.3.4,视图的集成,两种方式：,多个分,E-R,图一次集成。（难度较大）,逐步集成，用累加的方式一次集成两个分,E-R,图。（降低复杂度）,分两步走,合并,修改和重构,24,6.3.4,视图的集成,一、合并分,E-R,图，生成初步,E-R,图：消除个分,E-R,图之间的冲突，形成统一的概念模型。,属性冲突：属性域冲突；属性取值单位冲突。,命名冲突：同名异义；异名同义。,结构冲突：,同一对象在不同应用中具有不同的抽象。,同义实体在不同的分,E-R,图中所包含的属性个数和属性排列次序不完全相同。,实体间的联系在不同的分,E-R,图中为不同类型。,解决方法：根据应用的语义对实体联系的类型进行综合或调整。,25,6.3.4,视图的集成,二、消除不必要的冗余，设计基本,E-R,图,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的逻辑关系的说明来消除冗余。,根据规范化理论消除冗余：,确定分,E-R,图实体之间的数据依赖。,求函数依赖集,F,L,的最小覆盖,G,L,，,差集为,D=F,L,-G,L,。,逐一考察,D,中的函数依赖，确定是否是冗余的联系，若是，把它去掉。,26,6.3.4,视图的集成,实例,:,27,6.4,逻辑结构设计,分三步：,将概念结构转换为一般的关系、网状、层次模型；,将转换来的关系、网状、层次模型向特定,DBMS,支持下的数据模型转换；,对数据模型进行优化。,28,6.4.1 E-R,图向关系模型转换,一个实体型转换为一个关系模式。,一个,1:1,联系可以转换为一个独立的关系模式，也可以与任意一端对应的关系模式合并。,一个,1:n,联系可以转换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。,一个,m:n,联系转换为一个关系模式。,三个或三个以上实体间的一个多元联系可以转换为一个关系模式。,具有相同码的关系模式可以合并。,29,6.4.2,数据模型的优化,为了进一步提高数据库应用系统的性能，还应该根据应用需要适当地修改、调整数据模型的结构，这就是数据模型的优化。优化通常以规范化理论为指导，方法为：,确定数据依赖。,对于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。,按照数据依赖的理论对关系模式逐一分析。,按照需求分析阶段得到的处理要求，分析这些模式对于这样的应用环境是否适合，确定是否要对某些模式进行合并或分解。,对关系模式进行必要的分解，提高数据操作的效率和存储控件的利用率。,30,6.4.2,数据模型的优化,常用的两种分解方法是水平分解和垂直分解。,水平分解是把,(,基本,),关系的元组分为若干子集合，定义每个子集合为一个子关系，以提高系统的效率。,垂直分解是把关系模式,R,的属性分解为若干子集合，形成若干子关系模式。垂直分解的原则是，经常在一起使用的属性从,R,中分解出来形成一个子关系模式。,31,6.4.3,设计用户子模式,由于用户外模式与模式是相对独立的，因此在定义用户外模式时可以注重考虑用户的习惯与方便。包括：,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,32,6.5,数据库的物理设计,分为两步：,(1),确定数据库的物理结构，在关系数据库中主要指存取方法和存储结构；,(2),对物理结构进行评价，评价的重点是时间和空间效率。,33,6.5.1,数据库的物理设计的内容和方法,首先对要运行的事务进行详细分析，获得选择物理数据库设计所需要的参数。,其次，要充分了解所用的,RDBMS,的内部特征，特别是系统提供的存取方法和存储结构。,34,6.5.1,数据库的物理设计的内容和方法,对于数据库查询事务，需要得到如下信息：,查询的关系；,查询条件所涉及的属性；,连接条件所涉及的属性；,查询的投影属性。,35,6.5.1,数据库的物理设计的内容和方法,对于数据更新事务，需要得到如下信息：,被更新的关系；,每个关系上的更新操作条件所涉及的属性；,修改操作要改变的属性值。,通常对于关系数据库物理设计的内容主要包括：,为关系模式选择存取方法；,设计关系、索引等数据库文件的物理存储结构。,36,6.5.2,关系模式存取方法选择,常用的存取方法有三类：,第一类是索引方法，目前主要是,B+,树索引方法；,第二类是聚簇,(Cluster),方法；,第三类是,HASH,方法。,B+,树索引方法是数据库中经典的存取方法，使用最普遍。,37,6.5.2,关系模式存取方法选择,索引存取方法的选择,如果一个,(,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,),；,如果一个属性经常作为最大值和最小值等聚集函数的参数，则考虑在这个属性上建立索引：,如果一个,(,或一组,),属性经常在连接操作的连接条件中出现，则考虑在这个,(,或这组,),属性上建立索引；,38,6.5.2,关系模式存取方法选择,聚簇存取方法的选择,先设计候选聚族：,(1),对经常在一起进行连接操作的关系可以建立聚簇；,(2),如果一个关系的一组属性经常出现在相等比较条件中，则该单个关系可建立聚簇；,(3),如果一个关系的一个,(,或一组,),属性上的值重复率很高，则此单个关系可建立聚簇。,39,6.5.2,关系模式存取方法选择,然后检查候选聚簇中的关系，取消其中不必要的关系：,(1),从聚簇中删除经常进行全表扫描的关系；,(2),从聚簇中删除更新操作远多于连接操作的关系；,(3),不同的聚簇中可能包含相同的关系，一个关系可以在某一个聚簇中，但不能同时加入多个聚簇。要从这多个聚簇方案,(,包括不建立聚簇,),中选择一个较优的，即在这个聚该上运行各种事务的总代价最小。,40,6.5.2,关系模式存取方法选择,HASH,存取方法的选择,如果一个关系的属性主要出现在等连接条件中或主要出现在相等比较选择条件中，而且满足下列两个条件之一，则此关系可以选择,HASH,存取方法：,(1),如果一个关系的大小可预知，而且不变；,(2),如果关系酌大小动态改变，而且数据库管理系统提供了动态,HASH,存取方法。,41,6.5.3,确定数据库的存储结构,1,确定数据的存放位置：,为了提高系统性能，应该根据应用情况将数据的易变部分与稳定部分、经常存取部分和存取频率较低部分分开存放。,2,确定系统配置,42,6.5.4,评价物理结构,评价物理数据库的方法完全依赖于所选用的,DBMS,，,主要是从定量估算各种方案的存储空间、存取时间和维护代价入手，对估算结果进行权衡、比较，选择出一个较优的合理的物理结构。如果该结构不符合用户需求，则需要修改设计。,43,6.6,数据库的实施和维护,完成数据库的物理设计之后，设计人员就要用,RDBMS,提供的数据定义语言和其他实用程序将数据库逻辑设计和物理设计结果严格描述出来，成为,DBMS,可以接受的源代码，再经过调试产生目标模式。然后就可以组织数据入库了，这就是数据库实施阶段。,44,6.6.1,数据的载入和应用程序的调试,为提高数据输入工作的效率和质量，应