第3章數(shù)據(jù)庫設計數(shù)據(jù)庫設計概述需求分析概念、邏輯結構設計物理結構設計數(shù)據(jù)庫的實施與維護本章主要內(nèi)容本章技能目標掌握數(shù)據(jù)庫設計的概念了解需求分析了解概念、邏輯、物理結構設計了解數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)與維護3.1數(shù)據(jù)庫設計概述3.2需求分析3.3概念結構設計4.4邏輯結構設計3.6數(shù)據(jù)庫的實施與維護3.5物理結構設計3.1數(shù)據(jù)庫設計概述3.1.1數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)3.1.2數(shù)據(jù)庫設計的特征3.1.3數(shù)據(jù)庫設計的方法3.1.4數(shù)據(jù)庫設計的步驟數(shù)據(jù)庫和信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與信息系統(tǒng)是密不可分的，數(shù)據(jù)庫是信息系統(tǒng)的基礎和核心。一個信息系統(tǒng)的各個部分能否緊密地結合在一起以及如何結合，關鍵在數(shù)據(jù)庫。對于一個從事數(shù)據(jù)庫設計的專業(yè)人員來說，不能只憑個人的經(jīng)驗或技巧來完成設計，而應把軟件工程的原理和方法應用到數(shù)據(jù)庫建設中，同時還應具備多方面的技術和知識。這些技術和知識主要有：(1)數(shù)據(jù)庫的基本知識和數(shù)據(jù)庫設計技術。(2)計算機科學的基礎知識和程序設計的方法和技巧。(3)軟件工程的原理和方法。(4)應用領域的知識。數(shù)據(jù)庫設計的特征數(shù)據(jù)庫設計過程不僅是一項龐大的工程項目，而且是一項涉及多學科的綜合性技術，同時也牽涉到與此相關的方方面面的人員，如系統(tǒng)分析員、DBA、應用程序員等。數(shù)據(jù)庫設計和其他工程設計一樣，具有如下3個特征：1.反復性2.試探性3.分階段進行數(shù)據(jù)庫設計的方法設計方法(DesignMethodology)是指設計數(shù)據(jù)庫所使用的理論和步驟。目前的數(shù)據(jù)庫設計通常采用規(guī)范設計法：1.新奧爾良(NewOrleans)方法2.基于E-R模型的數(shù)據(jù)庫設計方法3.基于3NF的設計方法(1)設計企業(yè)模式。(2)設計數(shù)據(jù)庫的概念模式。(3)設計數(shù)據(jù)庫的物理模式。(4)對物理模式進行評價。(5)數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。3.1.4數(shù)據(jù)庫設計的步驟數(shù)據(jù)庫的設計過程可以使用軟件工程的生存周期的概念來描述，稱為“數(shù)據(jù)庫設計的生存期”，它是指從數(shù)據(jù)庫研制到不再使用它的整個時期。按規(guī)范設計法可將數(shù)據(jù)庫設計分為6個階段，它們是：1.需求分析2.概念結構設計3.邏輯結構設計4.物理結構設計5.數(shù)據(jù)庫實施6.數(shù)據(jù)庫運行和維護3.2需求分析需求分析就是分析用戶的需求。需求分析是數(shù)據(jù)庫的起點，需求分析的結果是否正確將直接影響到后面各個階段的設計思想以及最后結果的合理性與實用性。需求分析階段成果是系統(tǒng)說明書，此說明書主要包括數(shù)據(jù)流圖、數(shù)據(jù)字典、系統(tǒng)功能結構圖和必要的說明。系統(tǒng)需求說明書是數(shù)據(jù)庫設計的基礎文件。3.2.1需求分析的任務3.2.2需求分析方法3.2.3數(shù)據(jù)字典3.2.1需求分析的任務需求分析是數(shù)據(jù)庫設計中非常關鍵地一步，其結果直接左右其后各階段的設計思想。需求分析的任務是通過詳細調(diào)查現(xiàn)實世界要處理的對象(組織、部門、企業(yè)等)，充分了解原系統(tǒng)(手工系統(tǒng)或計算機系統(tǒng))工作概況，明確用戶的各種需求，然后在此基礎上確定新系統(tǒng)的功能。由于技術和信息需求不斷進步和提高，因此新系統(tǒng)的需求分析必須充分考慮到今后可能的擴充和改變，不能僅僅按當前的應用需求來設計數(shù)據(jù)庫。在需求分析階段，從多方面對整個要處理的對象進行調(diào)查，收集和分析各項應用對信息和處理兩方面的需求。調(diào)查的重點是“數(shù)據(jù)”和“處理”，通過調(diào)查、收集與分析，獲得用戶對數(shù)據(jù)庫的如下要求：(1)信息需求(2)處理需求(3)安全性與完整性需求3.2.2需求分析方法1.基本符號數(shù)據(jù)流圖是最常用的結構化分析工具之一，用于表達和描述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流向和對數(shù)據(jù)的處理功能。數(shù)據(jù)流圖有4種基本符號，如圖所示。

3.2.2需求分析方法2.數(shù)據(jù)流圖實例某學校教務管理系統(tǒng)要求實現(xiàn)學生選課、成績登錄等功能，需要得到其相關的數(shù)據(jù)流圖。3.2.3數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)字典是對數(shù)據(jù)的詳細描述，是對數(shù)據(jù)的結構和屬性列出清單，它將數(shù)據(jù)信息以特定格式記錄下來，所形成的文檔。主要包括：數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)結構、數(shù)據(jù)流、加工、數(shù)據(jù)存儲、處理過程五個部分。1.數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)項是數(shù)據(jù)中最小的、不可再分割的單位，一個數(shù)據(jù)項的描述通常如下：數(shù)據(jù)項描述={數(shù)據(jù)項名、數(shù)據(jù)項含義說明、別名、數(shù)據(jù)類型、長度、取值范圍、與其它數(shù)據(jù)項的關系}其中：取值范圍、與其它數(shù)據(jù)項的關系定義了數(shù)據(jù)的完整性約束條件，是設計數(shù)據(jù)檢驗功能的依據(jù)。3.2.3數(shù)據(jù)字典2.數(shù)據(jù)結構數(shù)據(jù)結構是有意義的數(shù)據(jù)的集合，它反映了數(shù)據(jù)之間的組合關系。一個數(shù)據(jù)結構可以由若干個數(shù)據(jù)項組成，也可以由若干個數(shù)據(jù)結構組成，或由若干個數(shù)據(jù)項和數(shù)據(jù)結構混合組成。對數(shù)據(jù)結構的描述通常包括：數(shù)據(jù)結構描述={數(shù)據(jù)結構名、含義說明、組成:{數(shù)據(jù)項或數(shù)據(jù)結構}}3.數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)流是數(shù)據(jù)結構在系統(tǒng)內(nèi)傳輸?shù)穆窂健Ｋ瓤梢允菙?shù)據(jù)項也可以是數(shù)據(jù)結構。數(shù)據(jù)流的描述通常包括：數(shù)據(jù)流描述={數(shù)據(jù)流名、說明、數(shù)據(jù)流來源、數(shù)據(jù)流去向、數(shù)據(jù)流組成：{數(shù)據(jù)結構}、平均流量、高峰期流量}3.2.3數(shù)據(jù)字典4.數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)存儲是數(shù)據(jù)結構停留或保存的地方，也是數(shù)據(jù)流的來源和去向之一。對數(shù)據(jù)存儲的描述通常包括：數(shù)據(jù)存儲描述={數(shù)據(jù)存儲名、說明、編號、流入的數(shù)據(jù)流、流出的數(shù)據(jù)流、組成：{數(shù)據(jù)結構}、數(shù)據(jù)量、存取方式}5.處理過程數(shù)據(jù)字典中只需要描述處理過程的說明性信息，通常包括：處理過程描述={處理過程名、說明、輸入：{數(shù)據(jù)流}，輸出：{數(shù)據(jù)流}，處理：{簡要說明}}3.3概念結構設計3.3.1概念設計的必要性3.3.2概念模型3.3.3概念模型設計的策略和主要步驟3.3概念結構設計3.3.1概念設計的必要性3.3.2概念模型3.3.3概念模型設計的策略和主要步驟3.3.2概念模型概念模型有如下特點：(1)能真實地反映現(xiàn)實世界。(2)易于理解。(3)易于更改。(4)易于向關系、網(wǎng)狀、層次等各種數(shù)據(jù)模型轉換。概念模型與數(shù)據(jù)模型之間的關系3.3.3概念模型設計的策略和主要步驟1.設計概念結構的策略設計概念結構的策略有以下4種：(1)自頂向下：首先定義全局概念結構的框架，再逐步細化。(2)自底向上：先定義每一個局部應用的概念結構，然后按一定的規(guī)則將它們集成，得到全局的概念結構。(3)逐步擴張：首先定義核心結構，然后向外擴張。(4)混合策略：就是先自頂向下和自底向上結合起來，先用前一種方法確定框架，再用自底向上設計局部概念，然后再結合起來。在設計概念結構時通常采用自底向上策略。3.3.3概念模型設計的策略和主要步驟2.采用E-R方法的數(shù)據(jù)庫概念設計步驟(1)設計局部E-R模型(2)設計全局E-R模型(3)全局E-R模型的優(yōu)化3.4邏輯結構分析邏輯結構設計的任務就是將概念模型E-R模型轉化成特定的DBMS系統(tǒng)所支持的數(shù)據(jù)庫的邏輯結構。關系數(shù)據(jù)庫邏輯結構設計一般分3步：(1)將概念結構向一般的關系模型轉換。(2)將轉換來的關系模型向特定的RDBMS支持的數(shù)據(jù)模型轉換。(3)對數(shù)據(jù)模型進行優(yōu)化。3.4.1E-R圖向關系模型的轉換3.4.2數(shù)據(jù)模型的規(guī)范化處理3.4.3關系數(shù)據(jù)庫的邏輯設計3.4.1E-R圖向關系模型的轉換E-R模型向關系數(shù)據(jù)庫的轉換有以下規(guī)則：1.實體的轉換一個實體型轉換為一個關系模式。實體的屬性就是關系的屬性，實體所對應的碼就是關系的關鍵字。2.1:1聯(lián)系的轉換一個1:1聯(lián)系可以轉換為一個獨立的關系模式，也可以與任意1端對應的關系模式合并。如果轉換為一個獨立的關系模式，則相連的每個實體的關鍵字及該聯(lián)系的屬性是該關系模式的屬性，每個實體的關鍵字是該關系模式的候選關鍵字。3.1:N聯(lián)系的轉換3.4.1E-R圖向關系模型的轉換一個1:n聯(lián)系可以轉換為一個獨立的關系模式，也可以與n端所對應的關系模式合并。如果轉換為一個獨立的關系模式，與該聯(lián)系相連的各實體的關鍵字及聯(lián)系本身的屬性均轉換為關系的屬性，而關系的關鍵字為n端實體的關鍵字。4.m:n聯(lián)系的轉換一個m:n聯(lián)系轉換為一個關系模式，與該聯(lián)系相連的各個實體的關鍵字及聯(lián)系本身的屬性轉換為關系的屬性，而該關系的關鍵字為各實體的關鍵字的組合。3.4.1E-R圖向關系模型的轉換5.三個或三個以上實體間的多元聯(lián)系的轉換三個以上的實體間的一個多元聯(lián)系可以轉換為一個關系模式，與該多元聯(lián)系相連的各實體的關鍵字及聯(lián)系本身的屬性轉換為關系的屬性，而該關系的關鍵字為各實體關鍵字的組合。6.具有相同碼的關系的處理具有相同碼的關系可以合并。如果兩個關系模型具有相同的主碼，可以考慮將它們合并為一個關系模式。合并的方法是將其中一個關系模式的全部屬性加入到另一個關系模式中，然后去掉其中的同義屬性，并適當調(diào)整屬性的次序。3.4.2數(shù)據(jù)模型的規(guī)范化處理一般來說，將關系模式規(guī)范化為3NF和BCNF就可以了。規(guī)范化處理的具體方法如下：(1)確定數(shù)據(jù)依賴(2)確定鍵，消除冗余的聯(lián)系(3)確定關系模式的范式級別3.4.3關系數(shù)據(jù)庫的邏輯設計關系數(shù)據(jù)庫邏輯結構設計的步驟如下：(1)導出初始的關系模式：將E-R模型按規(guī)則轉換成關系模式。(2)規(guī)范化處理：消除異常，改善完整性、一致性和存儲效率。(3)模式評價：檢查數(shù)據(jù)庫模式是否能滿足用戶的要求，它包括功能評價和性能評價。(4)優(yōu)化模式：采用增加、合并、分解關系的方法優(yōu)化數(shù)據(jù)模型的結構，提高系統(tǒng)性能。(5)形成邏輯設計說明書。3.5物理結構設計數(shù)據(jù)庫物理結構設計的任務是選擇合適的存儲結構和存取路徑，即設計數(shù)據(jù)庫的內(nèi)模式。數(shù)據(jù)庫物理結構設計的任務是選擇合適的存儲結構和存取路徑，即設計數(shù)據(jù)庫的內(nèi)模式。數(shù)據(jù)庫物理結構的設計目標通常包括兩個方面：其一，提高數(shù)據(jù)庫的性能，主要是對用戶應用性能的滿足；其二，有效地利用存儲空間。3.5.1數(shù)據(jù)庫的存取方法3.5.2確定數(shù)據(jù)庫的存儲結構3.5.1數(shù)據(jù)庫的存取方法數(shù)據(jù)庫物理結構設計的任務是選擇合適的存儲結構和存取路徑，即設計數(shù)據(jù)庫的內(nèi)模式。數(shù)據(jù)庫物理結構設計的任務是選擇合適的存儲結構和存取路徑，即設計數(shù)據(jù)庫的內(nèi)模式。數(shù)據(jù)庫物理結構的設計目標通常包括兩個方面：其一，提高數(shù)據(jù)庫的性能，主要是對用戶應用性能的滿足；其二，有效地利用存儲空間。3.5.2確定數(shù)據(jù)庫的存儲結構數(shù)據(jù)庫物理結構設計的任務是選擇合適的存儲結構和存取路徑，即設計數(shù)據(jù)庫的內(nèi)模式。數(shù)據(jù)庫物理結構設計的任務是選擇合適的存儲結構和存取路徑，即設計數(shù)據(jù)庫的內(nèi)模式。數(shù)據(jù)庫物理結構的設計目標通常包括兩個方面：其一，提高數(shù)據(jù)庫的性能，主要是對用戶應用性能的滿足；其二，有效地利用存儲空間。3.6數(shù)據(jù)庫的實施與維護3.6.1數(shù)據(jù)庫的實施數(shù)據(jù)庫的實施主要包括定義數(shù)據(jù)庫結構和組織數(shù)據(jù)入庫兩方面的內(nèi)容。1.定義數(shù)據(jù)結構2.組織數(shù)據(jù)入庫3.6數(shù)據(jù)庫的實施與維護3.6.2數(shù)據(jù)庫的運行和維護數(shù)據(jù)庫的日常維護工作主要由DBA完