《数据库设计基础》PPT课件.ppt

第13章 数据库设计基础,目前，计算机已经被广泛应用于科技文化、组织管理各个 领域、国民经济的各行各业和日常生活的各个方面。如天文气象观测资料的管理、地质勘探数据的处理、商店和银行的账目管理、行政事务管理、图书资料管理以及各种经济、军事情报数据的处理等。在这些应用中，计算机主要不是用于计算，而是用于对各种类型的数据进行综合、分析和加工。为了有效地对这样一些数据量庞大、结构比较复杂的数据进行处理，需要有专门的技术。数据库技术正是为了满足这种应用的需要而发展起来的。由于应用的不断普及和深入，数据库技术已经成为计算机应用中必须掌握的重要技术之一。本章主要介绍数据库的基本概念、数据库系统的特点、数据模型及数据库设计和管理的基本知识。,13.1 数据库的基本概念,13.1.1 数据、数据库、数据库管理系统 1.数据 数据是指描述事物的符号记录。计算机中的数据一般分为两部分，其中一部分一般存放于计算机内存中，称为临时性数据；而另一部分对系统起着长期持久的作用，称为持久性数据。数据库系统处理的就是这种持久性的数据。 2.数据库 数据库是指数据的集合，它具有统一的结构形式并存放于统一的存储介质内，是多种应用数据的集成，并可被各个应用程序所共享。数据库中的数据具有“集成”、“共享”之特点，也就是数据库集中了各种应用的数据，进行统一的构造与存储，从而使它们可以被不同的应用程序所使用。,13.1 数据库的基本概念,3.数据库管理系统 数据库管理系统是指数据库的机构，它是系统中实现各种数据管理功能的核心软件，负责数据库中所有数据的存储、检索、修改以及安全保护等。数据库内的所有活动都是在其控制下进行的。数据库管理系统虽然依赖于操作系统的支持，但它作为一个管理数据的独立软件系统，数据库管理系统具有较强的对数据进行集中控制的能力，它包含了各种类型的系统程序。一个大型的数据库系统，其复杂程度可能远远超过一个操作系统。一般来说，数据库管理系统具有以下功能。,13.1 数据库的基本概念,（1）定义数据库 定义数据库包括：总体逻辑数据结构的定义、局部逻辑数据结构的定义、存储结构定义及保密定义等。 （2）管理数据库 管理数据库包括：控制整个数据库系统的运行，数据存取、 插入、删除、修改等操作，数据完整性和安全性控制以及并发控制等。 （3）建立和维护数据库 建立和维护数据库包括：数据库的建立、数据更新、数据库再组织、数据库的维护、数据库恢复以及性能监视等。,13.1 数据库的基本概念,数据通信具备与操作系统的联机处理、分时系统以及远程作业输入的相应接口。 上述几方面的功能分别由数据库管理系统中的各个系统程序来完成，每个程序实现各自的功能。 4.数据库管理员 数据库管理员是指对数据库的规划、设计、维护等进行管理的人员。他们为其主要工作有： （1）数据库设计。DBA的主要任务之一是做数据库设计，具体的说是进行数据模式的设计。 （2） 数据库维护。DBA必须对数据库中的数据安全性、完整性、并发性、并发控制及系统恢复、数据定期转存等进行实施与维护。 （3） 改善系统性能，提高系统效率。,13.1 数据库的基本概念,5.数据库系统 数据库系统是指由数据库、数据库管理系统、数据库管理人员、系统平台（硬件平台、软件平台）这五部分构成的一个以数据库为核心的完整的运行实体。 在数据库系统中硬件平台包括： （1） 计算机：它是系统中硬件的基础平台。目前常用的有 微型机、小型机、中型机、大型机及巨型机。 （2） 网络：过去数据库系统一般建立在单机上，但是近年来它较多的建立在网络上，从目前形势看，数据库系统今后将建立在网络上，而其结构形式又以客户/服务器方式与浏览器/服务器方式为主。,13.1 数据库的基本概念,在数据库系统中，软件平台包括： （1）操作系统：它是系统的基础软件平台，目前常用的有各种UNIX与WINDOWS两种。 （2）数据库系统开发工具：为开发数据库应用程序所提供的工具，它包括过程性程序设计语言，也包括可视化开发工具，还包括与INTERNTE有关的HTML及XML等以及一些专用的开发工具。 （3）接口软件：在网络环境下数据库系统中数据库与应用程序，数据库与网络间存在着多种接口，它们需要用接口软件进行联结，否则数据库系统整体就无法运作。这些接口软件包括ODBC、JDBC、OLEDB、CORBA、COM、DCOM。,13.1 数据库的基本概念,6.数据库应用系统 数据库应用系统是指数据库系统再加上应用软件及应用界面这三者所组成，具体包括：数据库、数据库管理系统、数据库管理员、硬件平台、软件平台、应用软件、应用界面。其中应用软件是由数据库系统所提供的数据库管理系统（软件）及数据库系统开发工具所书写而成，而应用界面大多由相关的可视化工具开发而成。 13.1.2数据库系统的发展,13.1 数据库的基本概念,数据库管理系统和应用程序在一定的硬件支持下所构成的。因此，数据库系统不仅是指数据库本身，也不仅是指数据库管理系统，而是指计算机系统中引进数据库以后的系统。数据管理技术的发展是与计算机技术及其应用的发展联系在一起的，它大致经历了人工管理、文件管理和数据库管理三个阶段。 1.文件系统阶段 文件系统是指数据库系统发展的初级阶段，它提供了简单的数据共享与数据管理能力，但是它无法提供完整的、统一的、管理和数据共享的能力。它附属于操作系统而不成为独立的软件，目前一般将其看成仅是数据库系统的雏形，而不是真正的数据库系统。,13.1 数据库的基本概念,2.层次数据库与网状数据库系统阶段 从20世纪60年代末期，真正的数据库系统层次数据库与网状数据库开始发展，它们为统一管理与共享提供了有力支撑。但是这两种系统也存在不足，主要是它们脱胎于文件系统，受文件的物理影响较大，对数据库使用带来诸多不便。 3.关系数据库系统阶段 关系数据库系统出现于20世纪70年代，在80年代得到蓬勃发展，并逐渐取代前两种系统。关系数据库结构简单，使用方便，逻辑性强物理性少。 目前，数据库技术也与其他信息技术一样在迅速发展之中，计算机处理能力的增强和越来越广泛的应用促进数据库技术发展的重要动力。,13.1 数据库的基本概念,一般认为，未来的数据库系统应支持数据管理、对象管理和知识管理，应该具有面向对象的基本特征。 13.1.3 数据库系统的基本特点 数据库技术是在文件系统基础上发展产生的，两者都以数据文件的形式组织数据，但由于数据库系统在文件系统之上加入了DBMS对数据进行管理，从而使得数据库系统具有以下特点： 1. 数据的集成性 数据库的集成性主要表现在以下3个方面： （1）在数据库系统中采用统一的数据结构方式。 （2）在数据库系统中按照多个应用的需要组织全局的统一数据结构。,13.1 数据库的基本概念,（3）数据库系统中的数据模式是多个应用共同的、全局的数据结构，而每个应用的数据则是全局结构中的一部分，称为局部结构，这种全局与局部的结构模式构成了数据库系统数据集成性的主要特性。 2. 数据的高共享性与低冗余性 由于数据的集成性使得数据可为多个应用所共享，特别是在网络发达的今天，数据库与网络的结合扩大了数据关系的应用范围。数据的共享自身又可极大地减少数据冗余性，不仅减少了不必要的存储空间，更为重要的是可以避免数据的不一致性。,13.1 数据库的基本概念,3. 数据独立性 数据独立性是指数据与程序间的互不依赖性。也就是说数据的逻辑结构、存储结构与存取方式的改变不会影响应用程序。数据独立性一般分为物理独立性与逻辑独立性。 （1）物理独立性：物理独立性是指数据的物理结构（存储结构和存储方式）的改变不会影响数据库的逻辑结构，从而不致引起应用程序的变化。 （2）逻辑独立性：逻辑独立性是指数据库总体逻辑结构的改变不需要修改相应的应用程序。,13.1 数据库的基本概念,4. 数据的统一管理与控制 数据库系统不仅为数据提供高度集中集成环境，同时它还为数据提供统一管理的手段，主要包括以下三个方面： （1）数据的完整性检查：检查数据库中数据的正确性以确保数据的正确。 （2）数据的安全性保护：检查数据库访问者以防止非法访问。 （3）并发控制：控制多个应用的并发访问所产生的相互干扰以保证其正确性。,13.2 数据描述与数据模型,13.2.1 数据描述 1.信息的存在形态 现实生活中反映客观事物的信息是各种各样的，在计算机中都是以二进制数据的形式表示。而数据库设计是与实际应用对象紧密相关的，为了对数据进行有效的管理，在数据库设计的过程中，首先必须对反映客观事物的各种信息及其相互之间的联系进行考察和分析，以便确切地用数据来描述它们。就信息的存在形态而言，可以将所有信息划分为3个阶段：现实（客观）世界、观念（信息）世界与数据世界。,13.2 数据描述与数据模型,（1）现实世界 在现实世界中所反映的是所有客观存在的事物及其相互之间的联系，它们只是处理对象最原始的表示形式 。 （2）观念世界 观念世界（又称信息世界）。在观念世界中所存在的信息是现实世界的客观事物在人们头脑中的反映，并经过一定的选择、命名和分类。在观念世界中的主要对象是实体（Entity）。 下面给出在观念世界中所涉及到的几个基本概念。 属性值：属性值是指属性所取的具体值。如某一教师的姓名为李翔，这是教师属性“姓名”的取值；该教师的年龄为42，这是教师属性“年龄”的取值等。一个属性的可能取的所有属性值的范围称为该属性的属性值的域。,13.2 数据描述与数据模型,如教师属性“性别”的域为男、女；教师属性“职称”的域为助教、讲师、副教授、教授等。 实体：实体是指若干属性的属性值的集合。如某一教师的姓名为李翔，性别为男，年龄为42，职称为副教授，这是教师的一个实体。 实体型：实体型是指表征某一类实体的属性的集合。如姓名、年龄、性别、职称等属性是表征“教师”这一类实体的，因此，用这些属性所描述的是实体型“教师”。 实体集：实体集是指同一类型实体的集合。如某一学校中的教师具有相同的属性，他们就构成了实体集“教师”。,13.2 数据描述与数据模型,在观念世界中，一般就用上述这些概念来描述各种客观事物以及它们相互之间的区别与联系。 （3）数据世界 信息经过加工、编码后即进入数据世界，可以利用计算机来处理它们。因此，数据世界中的对象是数据。现实世界中的客观事物及其联系在数据世界中是用数据模型来描述的。 与观念世界中的基本概念对应，在数据世界中也涉及到一些基本概念。 数据项（field，又称字段）：数据项是指相应于观念世界中的属性。如实体型“教师”中的各个属性（姓名、年龄、性别、职称等）就是数据项。,13.2 数据描述与数据模型,记录（record）：记录是指每一个实体所对应的数据。如对应某一教师的各属性值（李翔,42,男,副教授等）就是一个记录。 记录型（recordtype）：记录型是指相应于观念世界中的实体型。 文件（file）：文件是指相应于观念世界中的实体集。 关键字（key）：关键字是指能够惟一标识一个记录的字段集。,13.2 数据描述与数据模型,在数据世界中，就是通过上述这些概念来描述客观事物及其联系的。描述信息是为了更好地处理信息，计算机所处理的信息形式是数据。为了用计算机来处理信息，首先，必须将现实世界转换为观念世界，然后，将观念世界中的信息数据化。 2.实体间的联系 客观事物相互之间存在着各种各样的联系，因此，在描述客观事物时，不仅要描述客观事物本身，还要描述它们相互之间的联系。,13.2 数据描述与数据模型,客观事物之间的联系包括两个方面：一是实体内部的联系，它反映在数据模型中是记录内部的联系；二是实体与实体之间的联系，在数据模型中表现为记录与记录之间的联系。实体之间各种各样的联系可以归结为三类：一对一的联系、一对多的联系及多对多的联系。 （1）一对一（1：1）的联系 设有两个实体集E1和E2，如果E1和E2中的每一个实体最多与另一个实体集中的一个实体有联系，则称实体集E1和E2的联系是一对一的联系，通常表示为1：1的联系。,13.2 数据描述与数据模型,如实体集学校与实体集校长之间的联系就是1：1的联系。因为一个校长只领导一个学校，且一个学校也只有一个校长。 （2）一对多（1：N）的联系 设有两个实体集E1和E2，如果E2中的每一个实体与E1中的任意个实体（包括0个）有联系，而E1中的每一个实体最多与E2中的一个实体有联系，则称这样的联系为从E2到E1的一对多的联系，通常表示为1：N的联系。如实体集学校与实体集教师之间的联系为一对多的联系。因为，一个学校有许多教师，而一个教师只归属于一个学校。又如，校长实体集与学生实体集之间的联系也是一对多的联系。一对多的联系是实体集之间比较普遍的一种联系。,13.2 数据描述与数据模型,（3）多对多（m：n）的联系 设有两个实体集E1和E2，其中的每一个实体都与另一个实体集中的任意个（包括0个）实体有联系，则称这两个实体集之间的联系是多对多的联系，通常表示为m：n的联系。如教师实体集与学生实体集之间的联系是多对多的联系。因为，一个教师要对许多学生进行教学，而一个学生要学习多个教师所讲授的课程。又如，学生实体集和课程实体集之间的联系也是一种多对多的联系。多对多的联系是实体集之间更具有一般性的联系 。 由以上的叙述可以看出，一对一的联系是最简单的一种实体联系，它是一对多的联系的一种特殊情况；一对多的联系是比较常见的一种实体联系，它又是多对多的联系的一种特殊情况。,13.2 数据描述与数据模型,13.2.2 数据模型 数据模型是指对客观事物及其联系的数据描述，它反映了实体内部以及实体与实体之间的的联系。在数据库中，数据模型可以分为3个层次：外层、概念和内层，分别称为外模型、概念模型和内模型。外模型反映的是一种局部的逻辑结构，它与应用程序相对应，由用户自已定义，对应于一个数据库可以有多个外模型；概念模型反映的是总体的逻辑结构，对应于一个数据库只有一个概念模型，它是由数据库管理员所定义的；内模型是反映物理数据存储的模型，它也是由数据库管理员所定义的。,13.2 数据描述与数据模型,在数据库系统中，由于采用的数据模型不同，相应的数据库管理系统也不同。目前常用的数据模型有三种：层次模型、网状模型和关系模型 。 l.层次模型 层次模型是指实体之间的联系是用树结构来表示的数据模型。其中，实体集（记录型）是树中的结点，而树中各结点之间的连线表示它们之间的关系。根据树结构的特点，建立数据的层次模型需要满足下列两个条件： （1）有一个数据记录没有“父亲”，这个记录即是根结点。,13.2 数据描述与数据模型,（2）其他数据记录有且只有一个“父亲”。 在实际应用中，许多实体之间的联系本身就是自然的层次关系。如一个学校下属有若干个系、处和研究所；每个系下属有若干个教研组和办公室，每个研究所下属有若干个科研组和办公室，每个处下属有若干个科室。 层次模型最明显的特点是层次清楚、构造简单、易于实现，它可以很方便地表示出一对一和一对多的这两种实体之间的联系。但是，层次模型不能直接表示多对多的实体之间的联系。如果要用层次模型来表示实体之间的多对多的联系，则必须首先要将实体之间多对多的联系分解为几个一对多的联系才能表示出来.,13.2 数据描述与数据模型,因此，对于复杂的数据关系，用层次模型表示是比较麻烦的，这也正是层次模型的局限性。 以层次模型为数据模型所设计的数据库称为层次数据库.层次模型的数据库管理系统是最早出现的数据库系统。 2.网状模型 网状模型是指以记录型为结点的网状结构。它的特点是： （1）可以有一个以上的结点无“父亲”。 （2）至少有一个结点有多于一个的“父亲”。,13.2 数据描述与数据模型,由这两个特点可知，网状模型可以描述数据之间的复杂关系。 网状模型和层次模型都属于格式化模型。格式化模型是指在建立数据模型时，根据应用的需要，事先将数据之间的逻辑关系固定下来，即先对数据逻辑结构进行设计，使数据结构化。由于网状模型中所描述的数据之间的关系要比层次模型复杂得多，为了描述记录之间的联系， 引进了“系（set）”的概念，每一种联系都用“系”来表示，并给以不同的名字，以便互相区别。 用网状模型设计出来的数据库称为网状数据库。网状数据库是应用较为广泛的一种数据库，它不仅具有层次模型数据库的一些特点，,13.2 数据描述与数据模型,而且能方便地描述较为复杂的数据关系，可以直接表示实体之间多对多的联系。可以看出，网状模型是层次模型的一般形式，层次模型则是网状模型的特殊情况。 3.关系模型 关系模型是指用表格数据来表示实体本身及其相互之间的联系。关系模型是与格式化模型完全不同的数据模型，它与层次模型、网状模型相比有着本质的区别，它是建立在数学理论基础上的。 在关系模型中，把数据看成一个二维表，每一个二维表称为一个关系。,13.2 数据描述与数据模型,如表132所示的二维表就是一个关系，表中的每一列称为一个属性，相当于记录中的一个数据项，对属性的命名称为属性名；表中的一行称为一个元组，相当于记录值。 对于一个表示关系的二维表，其最基本的要求是，表中元组的每一个分量必须是不可分的数据项，即不允许表中再有表。关系是关系模型中最基本的概念。 在关系模型中，不需要事先构造数据的逻辑关系，只要将数据按照一定的关系存入计算机，也就是建立关系。当需要用这些数据做某种应用时，就将这些关系归结为某些集合的运算，如并、交、差以及投影等，从而达到在许多数据中选取所需要数据的目的。,13.3 数据库设计与管理,13.3.1 数据库设计的基本概念 数据库设计是指在已有数据库管理系统的基础上建立数据库的过程。数据库设计在数据库系统开发中占有非常重要的地位，数据库设计的好坏直接影响整个系统的效率。 如果说学会使用一个数据库比较容易的话，那么要设计一个数据库就不是一件轻而易举的事情了，而是一个比较复杂的过程。数据库设计的过程本质上是将数据库系统与实际的应用对象紧密地结合起来，构成一个有机的整体的过程。,13.3 数据库设计与管理,因此，数据库设计者要了解和掌握数据库系统和实际应用对象这两方面的知识，不仅要懂得计算机和数据库，还要知道相应的业务工作，并具有一定的实际经验。由此可见，数据库设计所涉及的面很宽，对设计者的要求比较高，是一项比较复杂、难度比较大的工作。 数据库的设计过程要经历三个大的阶段：可行性分析与研究阶段、系统设计阶段、设计实施与系统运行阶段。 数据库的整个设计过程是使系统性能不断提高和完善的过程。为了达到满意的效果，往往需要反复调整和修改。因此，数据库设计的整个过程是一个循环的过程，循环的终止条件是对性能指标测试与系统评价满意。,13.3 数据库设计与管理,13.3.2 数据库设计的过程 1.需求分析 需求分析是整个数据库设计过程中最重要的一步，它是全部设计工作的基础。在需求分析这一步中的工作做得越细，整个设计工作就会越顺利。需求分析的目的是了解用户要求，对现实世界中的处理对象进行调查、分析，制定出数据库设计的具体目标。为此，要进行深入细致的调查，调查的内容主要包括以下几个方面。,13.3 数据库设计与管理,（1）了解组织机构 组织机构情况的调查是分析信息流程的基础，它对掌握数据的规律、决定数据的组织形式有着重要的作用。 （2）了解具体的业务现状 了解具体的业务现状，即了解各部门的业务活动情况。通过这项调查，可以知道现行业务中信息的种类、信息的流程、信息的处理方式以及各种业务的工作过程。这实际上是对数据的产生过程、数据之间的联系以及数据的处理方式和用途的详细了解过程，这也是调查的重点。 （3）了解外部要求,13.3 数据库设计与管理,如响应时间的要求，数据安全性、完整性的要求等。 （4）了解长远规划中的应用范围和要求 一个数据库的建立，特别是大型数据库的建立，要投入大量的人力和物力，如果不充分考虑长远的发展需要，那么，所建立的数据库可能暂时满足了用户的应用需要，但随着形势的发展，当用户提出新的应用要求时，原有的系统就不能适应，从而导致系统失效，造成很大的浪费。因此，在设计数据库时，要充分考虑今后发展的需要，要留有余地，要充分考虑系统的可修改和可扩充性。,13.3 数据库设计与管理,经过这些调查以后，掌握了必要的数据和资料，对数据的基本规律和用户的要求也非常清楚。在此基础上，结合对已有系统的分析结果，要确定系统的范围以及它与外部环境之间的相互关系，即确定哪些功能由计算机完成或将来准备让计算机完成，哪些由人工完成。这也就是确定系统的边界，提出系统的功能。 2.概念结构设计与E-R图 （1）概念结构设计的概念 概念结构设计是系统结构设计的第一步，它是在需求分析的基础上对客观世界所做的抽象，它独立于数据库的逻辑结构，也独立于具体的数据库管理系统。概念模型是对实际应用对象形象而又具体的描述，因此，也可以把概念模型设计看成是逻辑设计的开始。,13.3 数据库设计与管理,概念模型有以下几个主要特点。 能充分反映实际应用中的实体及其相互之间的联系，是现实世界的一个真实模型. 由于概念模型独立于具体的计算机系统和具体的数据库管理系统，因此，便于用户理解，有利于用户积极参与设计工作。 概念模型容易修改。当问题有变化时，反映实际问题的概念模型可以很方便地扩充和修改。 便于向各种模型转换。由于概念模型不依赖于具体的数据库管理系统，因此，容易向关系模型、网状模型和层次模型等各种模型转换。,13.3 数据库设计与管理,（2）ER图 概念结构设计要借助于某种方便又直观的描述工具，E-R（Entity-Relationship，又称实体联系）图是设计概念模型的有力工具。在E-R图中，用3种图框分别表示实体、属性和实体之间的联系，其规定如下： 用矩形框表示实体，框内标明实体名。 用椭圆框表示实体的属性，框内标明屑性名。 用菱形框表示实体间的联系，框内标明联系名。 实体与其属性之间以无向边连接，菱形框与相关实体之间也用无向边连接，并在无向边旁标明联系的类型。,13.3 数据库设计与管理,用E-R图可以简单明了地描述实体及其相互之间的联系。如班长实体集和班级实体集之间是一对一的联系，校长实体集和教师实体集之间是一对多的联系，学生实体集和课程实体集之间是多对多的联系。 （a） 一对一的联系 （b） 一对多的联系 （c） 多对多的联系 用E-R图还可以方便地描述多个实体集之间的联系和一个实体集内部实体之间的联系。如课程实体集和教师实体集之间是多对多的联系，课程实体集和学生实体集之间是多对多的联系。,13.3 数据库设计与管理,（3）利用E-R图进行概念结构设计 利用E-R图可以很方便地进行概念结构设计。概念结构设计是对实体的抽象过程，这个过程一般分3步来完成：首先，根据各个局部应用设计出分ER图；然后，综合各分ER图得到初步的ER图，在综合过程中主要是消除冲突，最后，对初步的E-R图消去冗余，得到基本E-R图。 3.逻辑结构设计 为了建立用户所要求的数据库，必须把概念结构转换为某个具体的数据库管理系统所支持的数据模型，这就是逻辑结构设计所要完成的任务。在已给定数据库管理系统的情况下，数据库的逻辑设计可以分两步来进行：,13.3 数据库设计与管理,第一步:将概念模型转换成一般的数据模型。 第二步:将一般的数据模型转换为特定的数据库管理系统所支持的数据模型。 下面以转换成关系数据模型为例来说明转换的规则和方法。 把概念模型转换成关系数据模型就是把ER图转换成一组关系模式，它需要完成以下几项工作： （1）确定整个数据库由哪些关系模式组成，即确定有哪些“表”组成。 （2）确定每个关系模式由哪些属性组成，即确定每个“表”中的字段。,13.3 数据库设计与管理,（3）确定每个关系模式中的关键字属性。 根据这些目标，可以采取以下两个规则来完成从概念模型到关系数据模型的转换：其一是每一个实体型转换为一个关系模式。首先，以实体名为关系名，以实体的属性为关系的属性；然后，确定关键字属性，这可以通过写出相应实体的属性间的函数依赖关系来找出；其二是每个联系分别转换为关系模式。不同型实体之间的联系转换成一个以联系名为关系名的关系模式，该关系的属性由相关实体所对应的关系模式的主关键字以及联系本身的属性所组成。 同型实体之间的联系转换成一个以联系名为关系名，以实体及其子集的主关键字和联系的属性为属性的关系模式。,13.3 数据库设计与管理,4.物理结构设计 在完成了数据库的逻辑结构设计以后，要进行物理结构的设计。物理结构设计的任务就是为逻辑结构设计阶段所得到的逻辑数据模型选择一个最适合应用环境的物理结构。 物理结构的设计依赖于具体的计算机系统，它是一个反复进行的过程。首先，要针对具体的数据库管理系统和设备的特性，确定实现所设计的逻辑数据模型必须采取的存储结构和存取方法；然后，对该存储模式进行性能评价，若评价结果满足原设计要求则进入设计实施阶段，否则就要修改设计，经过多次反复，直到取得满意的结果为止。,13.3 数据库设计与管理,（1）物理结构设计的准备工作 为了有效地进行物理结构设计，设计人员必须对特定的数据库管理系统和设备特性有一个充分的了解。 要充分了解和掌握所用的数据库管理系统的性能和特点，包括数据库管理系统的功能，提供的物理环境、存储结构、存取方法和可利用的工具等，同时对它们的优缺点要心中有数。通常，数据库管理系统提供了一种以上的存储结构和存取方法，只有对它们的特点、适用范围等有充分的了解，才有可能针对用户的应用要求选择最合适的存储结构和存取方法。 要十分熟悉存放数据的外存设备的特性。如要清楚地知道物理存储区的划分原则、物理块的大小、设备的IO特性等。,13.3 数据库设计与管理,要了解并熟悉应用要求。掌握系统中各个应用之间的关系，分清主次，对不同应用按照对组织的重要程度和使用方式进行分类。了解各个应用的处理频率和响应时间要求，对时间和空间效率的平衡是非常重要的。在物理结构设计中，要考虑数据的存取和数据的处理两个方面，必须要处理时间和空间这对矛盾，充分了解和掌握各种应用的情况，以便作出最优处理。 （2）物理结构设计的内容 确定数据的存储结构。在确定数据的存储结构时，主要是在存取时间、存储空间的利用率和结构维护3个方面进行折衷考虑。通常，数据库管理系统提供了多种存储结构，因此，设计者可以根据各个应用的特点和要求从所提供的存储结构中进行选择。,13.3 数据库设计与管理,选择存取路径。数据库的根本特性是数据的共享，对同一数据存储要提供多种存取路径。存取路径直接影响数据存取的效率。在进行物理结构设计时要确定建立哪些路径，而路径的选择主要是考虑索引的选择和文件之间的联系两个问题。如要对建立多少个索引、在哪些数据上建立索引、文件之间的联系如何实现等作出选择。选择的原则是既有较高的检索效率，又使花费的代价最小. 确定数据存放的位置。数据的存放位置对系统性能也有直接影响。为了提供系统的效率，要根据应用情况对数据进行分组，按存取频率和存取速度的不同，分别存放在不同的存储设备上，,13.3 数据库设计与管理,以满足存取要求。同时，对一个文件内的数据也可以进行“分解”，根据各数据的存取频率不同，可以对文件进行“垂直分解”，把经常存取的数据放在一起，可以提高存取效率。根据各记录的存取频率不同，可以对文件进行“水平分解”，把经常使用的记录或要顺序存取的记录分为一组，并存放在一起，这样可以提高系统的存取效率。 5.数据字典 数据库系统是一个复杂的系统，它通过数据库管理系统对数据库中的数据实行统一的管理和控制，以保证数据的共享、最小冗余度和数据的正确性等。,13.3 数据库设计与管理,为了达到这些目的，系统中除了数据库以外，还必须有许多用以保证数据库管理系统对数据进行控制和管理的非数据信息，这些信息对数据库中的数据及其相互关系做了全面的描述，它们不仅是数据库管理系统对数据库进行控制管理的依据，而且也是数据库设计和系统分析的工具。因此，它们是至关重要的，通常把这些信息集中放在一个专门的地方，这就是数据字典。 数据字典是指数据库的信息系统，是由关于数据库中数据描述信息组成的库，也称之为描述数据库.数据字典的编制过程贯穿于数据库设计的各个阶段，从收集信息开始即着手编制，随着设计工作的展开，数据字典也逐步形成。,13.3 数据库设计与管理,数据字典主要有以下几方面的作用。 （1）对数据进行标准化管理 数据字典集中了设计数据库时所收集的全部信息，如实体、属性、实体联系、各种处理要求、用户名等.这不仅为管理和收集这些数据提供了方法和手段，而且使这些数据的名称、个数和含义统一，避免混淆。也就是说，系统中的数据是标准化的。 （2）使收集的信息文本化 数据字典对所收集的有关数据描述的信息进行统一管理。因此，如同数据库中的数据一样，可以方便地对这些信息进行各种操作，如查询、插入、删除和修改等。,13.3 数据库设计与管理,（3）为数据库设计和系统分析提供了有力的工具 在数据库设计的各阶段以及在调试过程中，设计者必须保证原始信息与数据的准性。而数据字典中存放的与数据库系统有关的各种信息和原始资料，正是为数据库中数据及其相互关系的准确性提供了依据。 （4）为数据库管理系统对数据库的存取控制和管理提供条件 数据库管理系统对所有的数据库存取请求都要进行检查，如检查用户标识、口令、模式等。对存取请求采取什么样的控制，取决于检查的结果。也就是说，数据库管理系统对数据库的控制和管理是以数据字典为依据的，如果没有数据字典或数据字典被破坏，数据库管理系统对数据库的控制和管理也就失去了条件。,13.3 数据库设计与管理,（5）为数据库的维护和扩充提供依据 数据库管理员可以通过查阅数据字典，及时了解数据库的动态，掌握系统性能、空间使用情况和各种统计信息，以便及时维护、修改和扩充数据库。 由此可见，数据字典的作用是十分明显的，数据字典和数据库管理系统是数据库管理中的两个重要工具。 数据字典的内容（即数据字典中所包括的信息），在各个不同的数据库系统中，虽然有所不同，但一般来说，凡是关于数据描述的信息都可以放入数据字典中。,13.3 数据库设计与管理,如在数据库设计的第一阶段所收集的所有信息（如实体、属性、实体联系、事物处理要求、用户表识、口令等）都可以存入数据字典中；还有逻辑设计的结果、物理结构设计的输出信息（如模式、子模式、物理模式的描述等）也都是数据字典的内容；数据库空间的总数、各种数据的使用、修改情况也记录在数据字典中。 数据字典的具体内容和组织方式在不同的系统和不同的应用中可以视具体需要而不同。不断开发数据字典的功能，充分发挥数据字典这个工具在数据库管理中的作用，也是数据库设计与应用的重要内容之一。 13.3.3 数据库管理,13.3 数据库设计与管理,数据库是一种共享资源，它需要维护与管理。数据库管理一般包括如下一些内容：数据库的建立、数据库的调整、数据库的重组、数据库的安全控制与完整性控制、数据库的故障恢复和数据库 监控。 1.数据库的建立 数据库的建立包括两部分：数据模式的建立和数据的加载。 2.数据库的调整 在数据库建立并经过一段时间运行后往往会产生一些不适应的情况，需要对它进行一些调整。,13.3 数据库设计与管理,3.数据库的重组 数据库在经过一定时间的运行后，由于不断地修改、删除和插入，使其性能逐步下降。需要对数据库进行重组，重新调整存储空间。 4.数据库安全控制与完整性控制 数据库是一个单位的重要资源，它的安全性极为重要，应采取措施保证数据库的安全。此外，为保证数据的正确性，使录入数据库内的数据都能保持正确，需要有数据库的完整性控制。 5.数据库的故障校复 一旦数据库中的数据遭到破坏，需要及时进行恢复，由DBA负责执行故障恢复功能。,13.3 数据库设计与管理,6.数据库监控 DBA需随时观察数据库的动态变化，并在发生错误、故障或产生不适应情况时随时采取措施。,