第7章1数据库设计

1、An Introduction to Database System温浩宇温浩宇数据库原理与应用数据库原理与应用第七章第七章 数据库设计数据库设计An Introduction to Database System第七章第七章 数据库设计数据库设计 本章讨论数据库设计的方法和技术。主要本章讨论数据库设计的方法和技术。主要讨论基于讨论基于RDBMSRDBMS的关系数据库设计问题。的关系数据库设计问题。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 数据库的物理设计7.6 数据库的实施和维护An Introduction to Database System

2、7.1数据库设计概述数据库设计概述n我们在第一章关于数据库系统的解释为 DBS=DB+DBMS+APPLICATION+DBA+USERn什么是数据库设计n广义地讲:数据库设计是数据库及其应用系统的设计,即设计整个的数据库应用系统。n狭义地讲:是设计数据库本身,即设计数据库的各级模式并建立数据库,这是数据库应用系统设计的一部分。本章的重点是介绍狭义的数据库设计本章的重点是介绍狭义的数据库设计An Introduction to Database System7.1数据库设计概述（续）数据库设计概述（续）n数据库设计的一般定义数据库设计的一般定义n数据库设计数据库设计是指对于一个给定的应用环境，

3、构造(设计)优化的数据库逻辑模式和物理结构，并据此建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储和管理数据，满足各种用户的应用需求，包括信息管理要求信息管理要求和数据操作要求数据操作要求。信息管理要求信息管理要求: :是指在数据库中应存储和管理哪些数据对象。数据操作要求数据操作要求: :是指对数据对象需要进行哪些操作,如查询、增、删、改、统计分析、打印等等操作。n数据库设计的目标数据库设计的目标n为用户和各种应用系统提供一个信息基础设施和高效率的运行环境。An Introduction to Database System数据库和信息系统数据库和信息系统n数据库 数据库是指长期存储在计算机内的、有

4、组织的、可共享的、大量的数据集合。n信息系统 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。An Introduction to Database System数据库与信息系统的关系数据库与信息系统的关系n数据库是信息系统的核心和基础n数据库把信息系统中大量的数据按一定的模型组织起来n数据库提供存储、维护、检索数据的功能n数据库使信息系统可以方便、及时、准确地从中获得所需的信息n只有对数据库进行合理的逻辑设计和高效的物理设计,才能开发出完善、高效的信息系统n数据库设计是信息系统开发和建设的重要组成部分An Introduction to Database System7.1.1

5、数据库设计的特点数据库设计的特点1、数据库建设的基本规律n“三分技术，七分管理，十二分基础数据三分技术，七分管理，十二分基础数据”是数据库设计的特点之一。n管理n数据库建设项目管理n企业（即应用部门）的业务管理n基础数据n收集、入库n更新新的数据An Introduction to Database System7.1.1 数据库设计的特点数据库设计的特点 2、结构(数据)设计和行为(处理)设计相结合n数据库设计应该与应用系统设计相结合。这是数据库设计的特点之二。n结构（数据）设计：设计数据库框架或数据库结构n行为（处理）设计：设计应用程序、事务处理等An Introduction to Da

6、tabase System数据库设计的特点（续）数据库设计的特点（续）n结构和行为分离的设计n传统的软件工程忽视对应用中数据语义的分析和抽象（如SD方法、逐步求精的方法等），只要有可能就尽量推迟数据结构设计的决策。这对于数据库应用系统的设计是不合适的。n早期的数据库设计致力于数据模型和数据库建模方法的研究，忽视了对行为的设计，也是不完善的。An Introduction to Database System数据库设计的特点（续）数据库设计的特点（续）现实世界现实世界概念模型设计概念模型设计子模式设计子模式设计物理数据库设计物理数据库设计逻辑数据库设计逻辑数据库设计建立数据库建立数据库数据分析数

7、据分析功能分析功能分析功能模型功能模型功能说明功能说明事务设计事务设计程序说明程序说明应用程序设计应用程序设计程序编码调试程序编码调试 结构和行为分离的设计结构和行为分离的设计An Introduction to Database System7.1.2 数据库设计方法数据库设计方法n数据库设计人员应该具备的技术和知识n计算机的基础知识n软件工程的原理和方法n程序设计的方法和技巧n数据库的基本知识n数据库设计技术n应用领域的知识An Introduction to Database System7.1.2 数据库设计方法数据库设计方法n一、手工与经验相结合方法一、手工与经验相结合方法n设计质量

8、与设计人员的经验和水平有直接关系n缺乏科学理论和工程方法的支持，工程的质量难以保证n数据库运行一段时间后常常又不同程度地发现各种问题，增加了维护代价An Introduction to Database System数据库设计方法简述（续）数据库设计方法简述（续）n二、规范设计法二、规范设计法规范设计法的基本思想:过程迭代和逐步求精1、新奥尔良（New Orleans）方法 该方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；物理设计。2、基于E-R模型的数据库设计方法 这是数据库概念设计阶段广泛采用的方法在面向对象分析与设计中，多用UML建模An Introduction to D

9、atabase System数据库设计方法简述（续）数据库设计方法简述（续）n二、规范设计法二、规范设计法(续续)3、基于3NF的设计方法 是关系数据库逻辑结构设计采用的一种有效方法。4、ODL(Object Defination Language)方法 这是面向对象的数据库设计方法。该方法用面向对象的概念和术语来说明数据库结构。An Introduction to Database System数据库设计方法简述（续）数据库设计方法简述（续）n三、计算机辅助数据库设计三、计算机辅助数据库设计nORACLE Designer 2000nSYBASE PowerDesigner 这些工具软件可以

10、辅助设计人员完成数据库设计过程中的很多任务。An Introduction to Database System7.1.3 数据库设计的基本步骤数据库设计的基本步骤n数据库设计分6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n需求分析需求分析和概念设计概念设计独立于任何数据库管理系统n逻辑设计逻辑设计和物理设计物理设计与选用的DBMS密切相关An Introduction to Database System7.1.3 数据库设计的基本步骤数据库设计的基本步骤一、数据库设计的准备工作一、数据库设计的准备工作 选定参加设计的人员1. 系统分析人员 和 数据库设计人

11、员n数据库设计的核心人员n自始至终参与数据库设计n其水平决定了数据库系统的质量An Introduction to Database System6.1.4 数据库设计的基本步骤数据库设计的基本步骤2. 用户(选出数据库管理员DBA)n在数据库设计中也是举足轻重的n主要参加需求分析和数据库的运行维护n用户积极参与带来的好处n加速数据库设计n提高数据库设计的质量An Introduction to Database System数据库设计的基本步骤（续）数据库设计的基本步骤（续）3. 应用开发人员(程序员)n在系统实施阶段参与进来，负责编制程序和准备软硬件环境An Introduction to

12、 Database System数据库设计的基本步骤（续）数据库设计的基本步骤（续）二、数据库设计的过程二、数据库设计的过程( (六个阶段六个阶段) ) 我们这里介绍的是以逻辑数据库设计和物理数据库设计为核心的规范设计方法需求分析阶段需求分析阶段n准确了解与分析用户需求（包括数据与处理）n是整个设计过程的基础，是最困难、最耗费时的一步An Introduction to Database System数据库设计的基本步骤（续）数据库设计的基本步骤（续）概念结构设计阶段n是整个数据库设计的关键n通过对用户需求进行综合、归纳与抽象，形成一个独立于具体DBMS的概念模型逻辑结构设计阶段n将概念结构转

13、换为某个DBMS所支持的数据模型n对其进行优化(对关系数据库系统用规范化理论对关系数据库系统用规范化理论)An Introduction to Database System数据库设计的基本步骤（续）数据库设计的基本步骤（续）数据库物理设计阶段n为逻辑数据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）An Introduction to Database System数据库设计的基本步骤（续）数据库设计的基本步骤（续）数据库实施阶段n运用DBMS提供的数据语言（如SQL）、工具及宿主语言（如C#），根据逻辑设计和物理设计的结果n建立数据库n编制与调试应用程序n组织数据入库n进行

14、试运行An Introduction to Database System数据库设计的基本步骤（续）数据库设计的基本步骤（续）数据库运行和维护阶段n数据库应用系统经过试运行后即可投入正式运行。n在数据库系统运行过程中必须不断地对其进行评价、调整与修改。An Introduction to Database System数据库设计的数据库设计的基本步骤（续）基本步骤（续） 设计一个完善的数据库应用系统往往是上述六个阶段的不断反复。 P202 图7.2 设计物理结构 需求收集和分析 设计逻辑结构 设计概念结构 数据模型优化 评价设计，性能预测 物理实现 使用、维护数据库 试验性运行 应用需求 (数

15、据、处理) 转换规则 DBMS 功能 优化方法 应用要求DBMS 特征 参数 N N 需求分析阶段 逻辑设计阶段 概念设计阶段 物理设计阶段 数据库实施阶段 数据库运行和维护阶段 Y Y An Introduction to Database System数据库设计原则数据库设计原则n在设计过程中把数据库的设计和对数据库中数据处理的设计紧密结合起来n将这两个方面的需求分析、抽象、设计、实现在各个阶段同时进行，相互参照，相互补充，以完善两方面的设计n设计过程各个阶段的设计描述：P204图7.3An Introduction to Database System IPO表输入：输出：处理：Crea

16、tLoadMain( )ifthenend 分区1 分区2逻辑逻辑结构结构设计设计概念概念结构结构设计设计物理物理设计设计设 计设 计阶阶 段段 设设 计计 描描 述述数数 据据处处 理理需 求需 求分分 析析 数据字典、全系统中数据项、数据字典、全系统中数据项、 数据流、数据存储的描述数据流、数据存储的描述数据流图和判定表（判定树）、数数据流图和判定表（判定树）、数据字典中处理过程的描述据字典中处理过程的描述 概念模型（概念模型（E-R图）图） 数据字典数据字典 系统说明书包括：系统说明书包括： 新系统要求、新系统要求、 方案和概图方案和概图 反映新系统信息反映新系统信息 流的数据流图流的数

17、据流图 某种数据模型某种数据模型 关系关系 非关系非关系 系统结构图系统结构图 （模块结构）（模块结构） 存储安排存储安排 方法选择方法选择 存取路径建立存取路径建立 模块设计模块设计 IPO表表实施实施阶段阶段 编写模式编写模式 装入数据装入数据 数据库试运行数据库试运行 程序编码、程序编码、 编译联结、编译联结、 测试测试运 行运 行维维 护护 性能监测、转储性能监测、转储/恢复恢复 数据库重组和重构数据库重组和重构 新旧系统转换、运行、维护（修正性、新旧系统转换、运行、维护（修正性、适应性、改善性维护）适应性、改善性维护）图7.3 数据库设计各个阶段的设计描述An Introductio

18、n to Database System7.1.4 数据库设计过程中的各级模式数据库设计过程中的各级模式n数据库各级模式的形成过程(P205图图7.4见下页见下页PPT)n1、需求分析阶段n 综合各个用户的应用需求（DFD图）n2、概念设计阶段n 形成独立于机器特点，独立于各个DBMS产品的概念模式(E-R图)An Introduction to Database System7.1.4 数据库设计过程中的各级模式数据库设计过程中的各级模式数据库的各级模式An Introduction to Database System7.1.4 数据库设计过程中的各级模式数据库设计过程中的各级模式n3、逻

19、辑设计阶段n首先将E-R图转换成具体的数据库产品支持的数据模型，如关系模型，形成数据库逻辑模式n然后根据用户处理的要求、安全性的考虑，在基本表的基础上再建立必要的视图(View)，形成数据库的外模式n4、物理设计阶段n根据DBMS特点和处理的需要，进行物理存储安排，建立索引，形成数据库内模式下面我们详细介绍六个阶段的具体设计内容和设计过程下面我们详细介绍六个阶段的具体设计内容和设计过程An Introduction to Database System第七章第七章 数据库设计数据库设计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 数据库的物理设计7.6

20、 数据库的实施和维护An Introduction to Database System7.2 需求分析需求分析n简单地说：需求分析就是分析用户的要求n需求分析是设计数据库的起点n需求分析的结果是否准确地反映了用户的实际要求，将直接影响到后面各个阶段的设计，并影响到设计结果是否合理和实用An Introduction to Database System7.2 需求分析需求分析7.2.1 需求分析的任务u需求分析的重点u需求分析的难点7.2.2 需求分析的方法7.2.3 数据字典An Introduction to Database System一、需求分析的任务一、需求分析的任务 1、通过详

21、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（手工系统或计算机系统）工作概况，明确用户的各种需求 2、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 3、分析结果形成需求分析说明书An Introduction to Database System二、需求分析的重点二、需求分析的重点n需求分析的重点是“数据”和“处理”。就是调查，收集与分析用户在数据管理中的信息要求、处理要求、安全性与完整性要求。n 信息要求n指用户需要从数据库中获得信息的内容与性质n由用户的信息要求可以导出数据要求，即在数据库中需要存储哪些数据？An

22、 Introduction to Database System需求分析的重点（续）需求分析的重点（续）n处理要求n指用户要完成什么处理功能n对处理的响应时间的要求n对处理方式的要求(批处理 / 联机处理)n数据处理的高峰流量n新系统的功能必须能够满足用户的信息要求、处理要求、安全性与完整性要求。 用户-表操作-属性操作An Introduction to Database System三、需求分析的难点三、需求分析的难点n确定用户最终需求的难点n用户用户缺少计算机知识，开始时无法确定计算机究竟能为自己做什么，不能做什么，因此无法一下子准确地表达自己的需求，他们所提出的需求往往不断地变化。n设

23、计人员设计人员缺少用户的专业知识，不易理解用户的真正需求，甚至误解用户的需求。n新新的硬件、软件技术的出现技术的出现也会使用户需求发生变化。An Introduction to Database System需求分析的难点需求分析的难点(续续)n解决方法n设计人员必须采用有效的方法，与用户不断深入深入地进行交流交流，才能逐步得以确定用户的实际需求An Introduction to Database System7.2.2 需求分析的方法需求分析的方法n 调查清楚用户的实际需求并进行初步分析n 与用户达成共识n 进一步分析与表达这些需求(SA方法)An Introduction to Data

24、base System一、一、 调查与初步分析用户需求调查与初步分析用户需求 调查组织机构情况n 组织、部门的组成情况n 各部门的职责等An Introduction to Database System调查与初步分析用户需求（续）调查与初步分析用户需求（续） 调查各部门的业务活动情况。调查重点之一。n 各个部门输入和使用什么数据n 如何加工处理这些数据n 输出什么信息n 输出到什么部门n 输出结果的格式是什么An Introduction to Database System调查与初步分析用户需求（续）调查与初步分析用户需求（续） 在熟悉业务活动的基础上，协助用户明确对新系统的各种要求。调查

25、重点之二。n 信息要求n 处理要求n 安全性与完整性要求An Introduction to Database System调查与初步分析用户需求（续）调查与初步分析用户需求（续） 确定新系统的边界n对前面调查的结果进行初步分析n确定哪些功能由计算机完成或将来准备由计算机完成n确定哪些活动由人工完成 由计算机完成的功能就是新系统应该实现的功能。An Introduction to Database System二、常用调查方法二、常用调查方法n做需求调查时，往往需要同时采用多种方法n无论使用何种调查方法，都必须有用户的积极参与和配合n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

26、数据库环境下的共同概念，并对设计工作的最后结果共同承担责任共同承担责任An Introduction to Database System二、常用调查方法（续）二、常用调查方法（续）n常用调查方法 跟班作业跟班作业n通过亲身参加业务工作了解业务活动的情况n能比较准确地理解用户的需求，但比较耗时 开调查会开调查会n通过与用户座谈来了解业务活动情况及用户需求 请专人介绍请专人介绍An Introduction to Database System二、常用调查方法（续）二、常用调查方法（续） 询问询问n对某些调查中的问题，可以找专人询问 设计调查表请用户填写设计调查表请用户填写n如果调查表设计合理，

27、则很有效，且易于为用户接受 查阅记录查阅记录n查阅与原系统有关的数据记录An Introduction to Database System三、进一步分析和表达用户需求三、进一步分析和表达用户需求n分析和表达用户需求的常用方法n自顶向下的结构化分析方法（Structured Analysis，简称SA方法）nSA方法从最上层的系统组织机构入手，采用逐层分解的方式分析系统，并用数据流图数据流图和数据字典数据字典描述系统。 An Introduction to Database System三、进一步分析和表达用户需求（续）三、进一步分析和表达用户需求（续）1首先把任何一个系统都抽象为：数据流数据

28、流数据流数据流数据数据存储存储信息要求信息要求数据数据来源来源处理处理数据数据输出输出处理要求处理要求An Introduction to Database System三、进一步分析和表达用户需求（续）三、进一步分析和表达用户需求（续）2分解处理功能和数据（1）分解处理功能n将处理功能的具体内容分解为若干子功能，再将每个子功能继续分解，直到把系统的工作过程分解，直到把系统的工作过程表达清楚表达清楚为止为止。（2）分解数据n在处理功能逐步分解的同时，其所用的数据也逐级分解，形成若干层次的数据流图。n 数据流图表达了数据和处理过程的关系。An Introduction to Database S

29、ystem三、进一步分析和表达用户需求（续）三、进一步分析和表达用户需求（续）（3）表达方法n 处理过程：用判定表或判定树来描述n 数据：用数据字典来描述 An Introduction to Database System三、进一步分析和表达用户需求（续）三、进一步分析和表达用户需求（续）判定表例An Introduction to Database System三、进一步分析和表达用户需求（续）三、进一步分析和表达用户需求（续）3将分析结果再次提交给用户，征得用户的认可An Introduction to Database System四、需求分析小结四、需求分析小结n需求分析过程，见P2

30、07图7.6 An Introduction to Database System需求分析小结（续）需求分析小结（续）案例：案例：假设我们要开发一个学校管理系统。1经过可行性分析和初步需求调查，抽象出该系统最高层数据流图，该系统由教师管理子系统、学生管理子系统、后勤管理子系统组成，每个子系统分别配备一个开发小组。2进一步细化各个子系统。其中学生管理子系统开发小组通过进一步的需求调查，明确了该子系统的主要功能是进行学籍管理和课程管理，包括学生报到、入学、毕业的管理，学生上课情况的管理。通过详细的信息流程分析和数据收集后，他们生成了该子该子系统系统的数据流图( (见下页见下页) )。An Intr

31、oduction to Database System学生管理子系统数据流图学生管理子系统数据流图(DFD)An Introduction to Database System7.2.3 数据字典数据字典一、数据字典的用途二、数据字典的内容An Introduction to Database System一、数据字典的用途一、数据字典的用途n数据流图数据流图表达了数据和处理的关系。n数据字典数据字典是系统中各类数据描述的集合。n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n数据字典在数据库设计中占有很重要的地位An Introduction to Database System二、

32、数据字典的内容二、数据字典的内容n数据字典的内容包括：n1、数据项n2、数据结构n3、数据流n4、数据存储n5、处理过程n 数据项是数据的最小组成单位n 若干个数据项可以组成一个数据结构n 数据字典通过对数据项和数据结构的定义来描述数据字典通过对数据项和数据结构的定义来描述数据流、数据存储的逻辑内容数据流、数据存储的逻辑内容。An Introduction to Database System 数据项数据项n数据项是不可再分的数据单位n 对数据项的描述数据项描述数据项名，数据项含义说明， 别名，数据类型，长度，取值范围， 取值含义，与其他数据项的逻辑关系n取值范围、与其他数据项的逻辑关系定义了

33、数据取值范围、与其他数据项的逻辑关系定义了数据的的完整性约束条件完整性约束条件An Introduction to Database System数据项（续）数据项（续）例：学生学籍管理子系统的数据字典。数据项数据项，以“学号”为例： 数据项名：学号 含义说明：唯一标识每个学生 别名：学生编号 类型：字符型 长度： 8 取值范围： 00000000至99999999 取值含义：前两位标别该学生所在年级， 后六位按顺序编号 与其他数据项的逻辑关系：无 （例（例:Cno:Cno和和CpnoCpno）An Introduction to Database System 数据结构数据结构n数据结构反映

34、了数据之间的组合关系。n 一个数据结构可以由若干个数据项组成，也可以由若干个数据结构组成，或由若干个数据项和数据结构混合组成。n 对数据结构的描述数据结构描述数据结构名，含义说明， 组成:数据项或数据结构An Introduction to Database System数据结构（续）数据结构（续）数据结构数据结构 以“学生”为例 “学生”是该系统中的一个核心数据结构： 数据结构名：学生 含义说明：是学籍管理子系统的主体数据结 构，定义了一个学生的有关信息 组成：学号、姓名、性别、年龄、 所在系、年级An Introduction to Database System 数据流数据流n 数据流是数据结构在系统内传输的路径。n 对数据流的描述数据流描述数据流名，说明，数据流来源， 数据流去向，组成:数据结构， 平均流量，高峰期流量n数据流来源是说明该数据流来自哪个过程n数据流去向是说明该数据流将到哪个过程去n平均流量是指