数据库设计实施和维护

第七章数据库设计本章要求：1、掌握数据库设计的基本步骤2、掌握各阶段的任务、方法和常用的技术手段3、能够针对小型应用问题进行数据库设计和实现1本章内容：§1数据库设计概述§2需求分析§3概念结构设计§4逻辑结构设计§5数据库的物理设计§6数据库的实施和维护2§1数据库设计概述

数据库设计是指对一个给定的应用环境，构造优化的数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存取数据，满足用户的应用需求。数据库设计的目标是为用户提供一个针对具体应用的高效的数据管理和操作环境。一、数据库设计的特点大型数据库的设计和开发是涉及多学科的综合性技术，其主要特点体现在：◆“三分技术，七分管理，十二分基础数据”

◆数据结构设计和处理行为设计相结合3二、数据库设计方法进行数据库设计需要多方面的技术和知识，包括：计算机基础知识软件工程的原理和方法程序设计方法和技巧数据库基本知识数据库设计技术应用领域的知识4二、数据库设计方法1、新奥尔良方法该方法将数据库设计分为需求分析、概念设计、逻辑设计和物理设计四个阶段，运用软件工程的方法，通过一定的辅助手段实现每一过程。2、E-R模型法用E-R模型来描述数据库的概念模型，是概念设计阶段常用的方法。53、3NF设计法用关系数据库理论设计数据库的逻辑模式，并使每个模式最低为3NF，是逻辑设计阶段常用的方法。4、ODL（ObjectDefinitionLanguage）法用面向对象的概念和术语来描述数据库的对象结构，以建设面向对象的数据库。随着技术的进步，传统的手工方式已不能满足数据库设计的需要，数据库设计工具已经实用化和产品化，如：

ORACLE公司Designer2000Sybase公司的PowerDesigner三、数据库设计的基本步骤6需求收集和分析应用需求(数据、处理)设计概念结构设计逻辑结构数据模型优化设计物理结构评价设计、性能检测物理实现试验性运行使用、维护数据库转换规则、DBMS功能、优化方法应用要求、DBMS详细特征需求分析阶段概念设计阶段逻辑设计阶段物理设计阶段数据库实施阶段数据库运行、维护不满意7设计阶段

设计描述数据处理需求分析

数据字典、全系统中数据项、数据流、数据存储的描述数据流图和判定表（判定树）、数据字典中处理过程的描述

概念模型（E-R图）

数据字典

系统说明书包括：①新系统要求、方案和概图②反映新系统信息流的数据流图

某种数据模型关系非关系

系统结构图（模块结构）

存储安排方法选择存取路径建立

模块设计IPO表实施阶段

编写模式装入数据数据库试运行

程序编码、编译联结、测试运行、维护

性能监测、转储/恢复数据库重组和重构

新旧系统转换、运行、维护（修正性、适应性、改善性维护）

IPO表……输入：输出：处理：Creat……Load……Main()……if……then……end分区1

分区2……概念结构设计逻辑结构设计物理设计8§2需求分析了解将要开发的系统要管理什么样的数据（数据要求）、对这些数据要进行怎样的处理（处理要求）、系统的安全性和完整性方面有什么样的要求等。要彻底弄清这些情况往往是很困难的。因为用户可能不知道计算机能做什么，不能做什么，往往不能准确、全面地表达自己的需求，而设计员可能不了解领域专业知识，不能够准确领会用户的意图。因此必须经过充分交流、讨论才能达成共识。一、需求分析的任务9二、需需求分分析的的方法法调查组组织机机构情情况了解该该组织织的部部门组组成情情况，，各部部门的的职责责，为为分析析信息息流调查各部门的业务活动情况(重点）了解各部门的输入和使用什么样的数据如何加工这些数据输出什么信息输出到什么部门信息输出结果的格式需求10协助用用户明明确对对新系系统的的各种种要求求（重重点））信息要要求、、处理理要求求、安安全性性与完完整性性要求求确定新新系统统的边边界确定那那些由由计算算机来来完成成，那那些由由人工工来完完成。。11需求分分析调调查方方法：：跟班作作业参加业业务工工作来来了解解业务务活动动的情情况，，此种种方法法可以以准确确地了了解用用户的的需求求，但但是比比较耗耗费时时间。。开会调调查召集用用户开开座谈谈会，，了解解业务务活动动情况况，座座谈时时，参参加者者之间间可以以相互互启发发。请专人人介绍绍请熟悉悉业务务情况况的专专家或或用户户代表表介绍绍业务务情况况。12询问对尚存存有疑疑惑的的问题题，或或用户户没有有提出出但认认为应应该考考虑的的问题题，可可随时时询问问。设计调调查表表请用用户填填写如果调调查表表设计计的合合理，，这种种方法法是很很有效效，也也易于于为用用户接接受。。查阅记记录通过查查阅业业务活活动记记录和和各种种数据据报表表，了了解业业务的的活动动内容容和规规律。。做需求求调查查时，，往往往需要要同时时采用用上13需求分分析结结果的的表示示了解用用户需需求后后，通通过分分析和和总结结，将将需求求分析析结果果用数数据流流图和和数据据字典典表示示出来来。14数据流流图用于描描述信信息在在系统统中流流动和和处理理的情情况，，它是是逻辑辑系统统的图图形表表示。。设计计人员员将他他对系系统的的认识识和设设想用用数据据流图图描述述出来来，供供人们们审查查、确确认和和参阅阅。设设计数数据流流图时时只需需考虑虑系统统要完完成的的基本本逻辑辑功能能，不不必考考虑如如何具具体地地实现现这些些功能能。三、数数据流流图（（DataFlowDiagram，，DFD)15由于数数据流流图不不包含含任何何物理理实现现的细细节，，所以以即使使是非非计算算机人人员也也容易易理解解和评评价。。数据流流图中中的数数据用用数据字字典描述，，而处处理一一般用用判定树树来表示示。数数据流流图中中的处处理可可以是是一个个简单单的处处理程程序，，也可可以是是一个个复杂杂的处处理过过程。。16数据流流图中中的符符号数据源源点或或终点点数据加加工或或处理理数据存存储数据流流T*ABC同时输入A、B后变成CT+ABC输入A或/和B后变成CT+ABC仅输入A、B之一后变成CT*将A变成B和CABCT+ABC将A变成B或/和CT+ABC将A变成B或C之一17举例：：对某工工厂仓仓库和和采购购部两两个部部门，，要开开发一一个定定货系系统，，了解解到如如下业业务情情况：：仓库管管理员员将零零件入入库或或出库库称为为事务务，当当发现现库存存数量量小于于临界界值时时，自自动生生成定定货信信息，，包括括零件件编号号、名名称、、数量量、目目前价价格、、主供供货者者、次次供货货者。。根据据定货货信息息生成成定货货报表表交采采购员员采购购零件件。18举例：：仓库管理员定货系统采购员出入库单定货报表仓库管理员出入库单1事务处理2产生报表采购员定货报表库存清单库存清单D1定货信息D2定货信息定货信息明细帐D0明细信息19仓库管理员员出入库库单1.接收事务2产生报报表采购员员定货报报表库存清清单库存清清单D1定货信信息D2定货信信息定货信信息明细信信息1.2更新库库存1.3处理定定货明细帐帐D0明细信信息20四、数数据字字典（（DataDictionary，，DD）数据流流图表达了了数据据和处处理的的关系系，数据字字典则是系系统中中各类类数据据描述述的集集合，，是进进行详详细的的数据据收集集和分分析之之后所所获得得的主主要成成果，，数据据字211.数数据据项项数据据项项是是不不可可再再分分的的数数据据单单位位。。数数据据项项的的描描述述为为：：数据据项项描描述述={数数据据项项名名，，数数据据项项含含义义说说明明，，别别名名，，数数据据类类型型，，长长度度，，取取值222.数数据据结结构构数据据结结构构可可以以由由数数据据项项或或其其它它数数据据结结构构组组成成，，用用于于反反映映数数据据之之间间的的组组合合关关系系。。数数据据结结构构的的描描述述为为：：数据据结结构构描描述述={数数据据结结构构名名，，含含义义说说明明，，组组成成:{数数据据项项或或数数据据结结构构}}233.数数据据流流是数数据据结结构构在在系系统统内内的的传传输输路路径径，，描描述述为为：：数据据流流描描述述={数数据据流流名名，，说说明明，，数数据据流流来来源源，，数数据据流流去去向向，，组组成成：：{数数据据结结构构}，，平平均均流流量量，，高高峰峰期期流流量量}数据据流流来来源源是是说说明明该该数数据据流流来来自自哪哪个数据流去向是说明该数据流将到哪个过程去平均流量是指在单位时间（每天、每周、每月等）里的传输次数高峰期流量则是指在高峰时期的数据流量244.数数据据存存储储是数数据据结结构构停停留留或或保保存存的的地地方方，，也也是是数数据据流流的的来来源源和和去去向向之之一一。。可可以以是是手手工工文文档档或或手手工工凭凭单单，，也也可可以以是是计计算算机机文文档档。。数据据存存储储描描述述={数数据据存存储储名名，，说说明明，，编编号号，，输输入入的的数数据据流流，，输输出出的的数数据据流流，，组组成成：：{数数据据结结构构}，，数数据据量量，，存取取频频度度，存取取方方式式}流入入的的数数据据流流：：指指出出数数据据来来源源流出出的的数数据据流流：：指指出出数数据据去去向向数据据量量：：每每次次存存取取多多少少数数据据，，每每天天（（或或每每小小时时、、每每周周等等存取方法：批处理/联机处理；检索/更新；顺序检索/随机检索25简要要说说明明：：说说明明该该处处理理过过程程的的功功能能及及处处理理要要求求，，功功能能是是指指该该处处理理过过程程用用来来干干什什么么处理理要要求求包包括括处处理理频频度度要要求求，，如如单单位位时时间间里里处处理理多多少少事事务务、、多多少少数数据据量量、、响响应应时时间间。。5.处处理理过过程程对处处理理过过程程进进行行简简明明扼扼要要的的描描述述，，具具体体处处理理逻逻辑辑用用判判定定树树表表示示。。处理理过过程程描描述述={处处理理过过程程名名，，说说明明，，输输入入：：{数数据据流流}，，输输出出：：{数数据据流流}26举例例：：数据项名称说明类型长度取值取值含义编号唯一地标识某字符40101~前两位为类别零件的关键字0899后两位为序号名称零件名称字符20数量某种零件数字在D0中,负数表示的数量出库价格目前价格数字6,2主商主供货商字符20次商次供货商字符20操作员管理员字符8审批领导字符8经手人字符8采购员，领取人日期日期27数据存储储名称说明入流出流组成存取方式出入外部管理接收编号,名称,数量,经手人,留存库单员事务审批领导D0明细更新日期,编号,数量,操作员联机帐库存D1库存更新定货编号,名称,数量,价格,主商,联机清单库存处理次商D2定货定货产生上述项+操作员,经手人,联机信息处理报表日期定货外部产生采购同上留存根报表报表员处理过程输入输出功能接收事务出入库单明细信息显示界面接收数据生成明细信息更新库存明细信息D0,D1根据明细信息登记明细帐并修改库存清单处理定货D1D2当库存数量低于预设的阈值时生成定货信息，每天1次产生报表D2定货报表将定货信息以规定的报表格式输出2份，每天1次处理过程程29五、判定定树以树型结结构描述述复杂处处理过程程中的详详细处理理细节，，给出条条件与处处理方法法之间的的对应关关系。如飞机行行李费计计算方法法可描述行李费算法行李重量W>30行李重量W≤30国内乘客外国乘客头等仓其他仓头等仓其他仓残疾乘客--(W-30)×2正常乘客--(W-30)×4免费残疾乘客--(W-30)×3正常乘客--(W-30)×6残疾乘客--(W-30)×4正常乘客--(W-30)×8残疾乘客--(W-30)×6正常乘客--(W-30)×1230什么是概概念结构构设计?需求分析析阶段描描述的用用户应用用需求是是现实世世界的具具体需求求将需求分分析得到到的用户户需求抽抽象为信信息结构构即概念念模型的的过程就就是概念念结构设设计概念结构构是各种种数据模模型的共共同基础础，它比比数据模模型更独独立于机机器、更更抽象，，从而更更加稳定定。概念结构构设计是是整个数数据库设设计的关关键§3概概念结构构设计31能真实充充分地反反映客观观世界，，包括事物物和事物物之间的的联系，，满足用用户对数数据的处处理要求求易于理解解从而可以以用它和和不熟悉悉计算机机的用户户交换意意见，用用户的积积极参与与是数据据库的设设计成功功的关键键。易于更改改当应用环环境和应应用要求求改变时时，容易易对概念念模型修修改和扩扩充。易于向关关系、网网状、层层次等各各种数据据模型转转换将需求分分析得到到的用户需求求抽象为信息结结构（即即概念模模型）的的过程就就是概念念结构设设计。一、概念念结构的的主要特特点：描述概念念结构模模型的常常用工具具是E——R图。。32二、概念念结构设设计的方方法与步步骤自顶向下下先定义各各全局概概念框架架，然后后逐步细细化，P210图7.7a。。自底向上上先定义各各局部应应用的概概念框架架，然后后将它们们集中起起来，得得到全局局概念结结构，P210图7.7b。。逐步扩张张先定义最最重要的的核心概概念结构构，然后后向外扩扩充，以以滚雪球球的方式式逐步生生成其它它概念结结构，直直至总体体概念结结构，P210图7.7c。。混合策略略将自顶向向下和自自底向上上相结合合，用自自顶向下下策略设设计一个个全局的的概念结结构框架架，以它它为骨架架集成由由底向上上策略中中设计的的各局部部概念框框架。33需求需求1需求n需求1.1需求1.2需求n.1需求n.2......概念模式式1.1概念模式式1.2概念模式式n.1概念模式式n.2概念模式式1......概念模式式n全局概念念模式需求分析析(自顶顶向下)概念结构构设计(自底向向上)常用方法法：自顶顶向下分分析需求求与自底底向上设设计概念念结构P211图7.834需求分析析DFDDD数据抽象象、局部部视图的的设计视图集成成分E-R图总E-R图逻辑结构构设计返回用户户征求意意见直到到满意为为止概念结构构设计步步骤35三、数据据抽象与与局部视视图设计计分类定义具有有某些共共同特性性和行为为的一组组对象的的类型（（即定义实实体）。聚集定义某一一类型的的组成成成分（即描述实实体的构构成成分分--型）。概括定义类型型之间的的一种子子集联系系。如学生是是一个实实体型，，本科生生、研究究生也分分别是一一个实体体型。本本科生和和研究生生是学生生的子集集，学生生是超类类(Superclass)，本科科生、研研究生是是子类(Subclass)抽象就是是选取需需要关注注的人、、物、事事和概念念的特性性，用各各种概念念精确地地加以描描述。抽象的方方法36概念结构构设计就就是利用用抽象机机制，将将需求分分析得到到的数据据进行分分类、聚聚集、概概括，确确定系统统有哪些些实体，，各实体体由哪些些属性组组成，实实体间是是否有子子集关系系，以及及实体之之间是1:1、、1:n还是m:n联联系，实实体的码码是什么么，并用用分E--R图图表示出出来。通常的做做法是：：对每一个个相对独独立的子子系统，，根据其其数据流流图和数数据字典典，设计计出E——R图。。关于一个个对象是是作为““属性””，还是是作为““实体””，参照照214页图7.15及相关关说明。。37四、视图图的集成成多个分E-R图图一次集集成复杂，难难度大逐步集成成用用累加加的方法法一次集集成两个个分E-R图每次只集集成两个个分E-R图，，可以降降低复杂杂度无论采用用以上那那种方式式，每次次集成局局部E-R图都要分分两步走走合并解决各分分E-R图的冲冲突，将将各分E-R图图合并起起来生成成初步的的E-R图。各子系统统的分E-R图图设计好好之后，，就要将将各分E-R图图综合成成一个系系统的总总E-R图。视视图集成成的方式式有两种种：38属性冲突属属性类型型、表示或计计量单位冲突突命名冲突同同名异义义和异名同义义结构冲突同同一对象象在不同应用用上有不同的的抽象，同一一实体在不同同的分E-R图中所包含含的属性个数数和属性排列列次序不完全全相同。修改和重构消除不必要的的冗余属性或或联系，生成成基本E-R图。方法：：1.分析方方法：即以数数据字典和数数据流图为依依据，根据数数据字典中关关于数据项2.用规范化理论中函数依赖的概念来消除冗余39用规范化理论论中函数依赖赖的来消除冗冗余的方法如如下：确定分E-R图实体之间间的数据依赖赖实体之间的1:1、1:n或m:n联系可以用用实体码之间间的函数依赖赖来表示求函数依赖集集Fl的最小覆盖Gl，差集为D=Fl-Gl逐一检查D中中的函数依赖赖，确定是否否是冗余的联联系，若是就就去掉.40注意的问题：：冗余的联系一一定在D中，，但D中的联联系不一定是是冗余的当实体之间存存在多种联系系时，要将实实体之间的联联系在形式上上加以区分41§4逻逻辑结构设设计逻辑结构分三三步进行：将概念结构转转换成一般的的关系、层次次、网状模将转换来的关系、层次、网状模型向特定的DBMS支持下的数据模型转换对数据模型进行优化概念结构基本E-R图一般数据模型关系、层次、网状特定的DBMS支持下的的数据模型优化的数据模模型转换规则DBMS的特点和限制优化方法42一、E-R图图向关系模型型的转换将E-R图中中的实体、属属性和实体之之间的联系转转换为关系模模式，这种转转换遵循如下下规则：(1)一个个实体转换成成一个关系模模式。实体的的属性就是关关系的属性，，实体的码就就是关系的码码。(2)对于实体间的的联系则有以以下几种情况况：如：队长学员队任职11上任时间43可以转换为一一个独立的关关系模式。该关系的属性性由两端实体体的码和联系系的属性构成成，任一端实实体的码均可可作为该关系系的候选码，，并分别是外外码。队长（编号，姓名，性别别）学员队（队号，队名，人数数）任职（编号，队号，上任时间））可以与任一端端对应的关系系模式合并。。在某一端关系系模式中加入入另一端实体体的码及联系系本身的属性性。另一端实实体的码成为为外码。队长（编号，姓名，性别别，队号，上任时时间）或学员员队（队号，队名，人数数，编号，上任时时间）441:n联系系可以转换为一一个独立的关关系模式。该关系的属性性由两端实体体的码和联系系的属性构成成，关系的码码为n端端实体的码，，两端实体的的码分别是外外码。工作（职工号，仓库号，调调入时间）可以与n端端对应的关系系模式合并。。在n端关系系模式中加入入1端实体的的码及联系本本身的属性。。1端实体的的码成为外码码。职工（职工号，姓名，仓库号，调入入时间）如：仓库职工工作1n调入时间45n:m联系系转换为一个独独立的关系模模式。该关系的属性性由两端实体体的码和联系系的属性构成成，两端实体体的码共同组组成关系的码码，两端实体体的码分别是是外码。选修（学号，课程号号，成绩）如：课程学生选修nm成绩46多元联系转换为一个独独立的关系模模式。该关系的属性性由各实体的的码和联系的的属性构成，，各实体的码码共同组成关关系的码，各各实体的码分分别是外码。。供应（产品号，供应应商号，零件件号，供应量）如：产品零件供应nm供应商供应量p具有相同码的的关系模式可可以合并。47二、数据模型型的优化确定数据依赖赖。根据语义义写出各关系系模式中属性性间的数据依依赖。对各关系模式式的数据依赖赖集进行极小小化处理，消消除冗余的联联系。方法见见P222下下部。按照数据依赖赖的理论对关关系模式逐一一进行分析，，考察是否存存在部分函数数依赖、传递递函数依赖，，多值函数依依赖等，确定定各关系模式式属于第几范范式。按照需求分析析阶段得到的的处理要求，，分析这些模模式对于这样样的应用环境境是否合适，，确定对某些些模式是否要要进行合并或或分解。48对关系模式进进行必要的分分解，提高数数据操作的效效率和存储空空间的利用率率。常用的分分解方法是水水平分解和垂垂直分解。三、设计用户户子模式使用更符合用用户习惯的别别名可以对不同级级别的用户定定义不同的View，以以保证系统的的安全性简化用户对系系统的操作一般DBMS都提供了视视图的概念，，可利用这一一功能为局部部用户设计更更合适的用户户外模式，并并考虑下列因因素：49§5物物理结构设设计数据库的物理理设计通常分分为两步：确定数据库的的物理结构——存取方法和存存储结构对物理结构进进行评价，重重点是时间和和空间效率一、数据库的的物理设计的的内容和方法法对于数据库的的查询事务，，需要得到如如下信息：查询的关系查询条件所涉涉及到的属性性连接条件所涉涉及到的属性性查询的投影属属性50对于数据更新新事务，需要要得到如下信信息：被更新的关系系每个关系上的的更新操作条条件所涉及到到的属性修改操作要改改变的属性二、关系模式式的存取方法法选择存取方法用于于快速存取数数据库中的数数据。常用的的存取方法有有：索引存取方法法—常用用B+树方法对于经常要查查询的属性（（组）、经常常用于最大值值或最小值统统计的属性以以及经常用于于连接条件的的属性（组））应建立索引引。51聚簇（Cluster））存取方法一个表（关系系）只能建立立一个聚簇索索引。聚簇索索引是将某个个属性（组））上值相同的的记录存放在在连续的物理理磁盘块中，，以减少按这这个属性（组组）存取记录录时的I/O次数和磁头头定位次数。。当很少对一个个表增删记录录和修改某个个属性（组））的值时，若若有下列需求求，可考虑在在这个属性（（组）上建立立聚簇索引。。●经常在这个属属性（组）上上查询或连接接●这个属性（组组）的值大量量重复●经常按这个属属性（组）分分组或排序结结果52HASH存取取方法如果满足下列列诸条件，可可以考虑选择择HASH存存取方法。表的记录数和和记录长度基基本不变属性（组）只只进行相等比比较或等值连连接三、确定数据据库的存储结结构确定数据的存存放位置如将数据的易易变部分与稳稳定部分、频频繁存取与不不频繁存取部部分分开存放放；将索引与与数据、日志志与数据、大大数据库的数数据分开存放放到不同的磁磁盘上均可有有效地改善系系统的性能。。53确定系统的配配置如限制同时使使用数据库的的用户数、每每个用户可用用的内存大小小、封锁粒度度、CPU时时间片大小等等。四、评价物理理结构评价物理数据据库的方法完完全依赖于所所选用的DBMS，主要要是从定量估估算各种方案案的存储空间间、存取时间间和维护代价价入手，对估估算结果进行行权衡、比较较，选择出一一个较优的合合理的物理结结构。54§6数数据库的实实施和维护数据的载入和和应用程序的的调试组织初始数据据（标准、规规则、参数等等）并输入数数据库中（有有时工作量很很大）。编写程序代码码并进行调试试。数据库的试运运行又称系统联调调，测试系统统的各项功能能是否正常。。数据库的运行行和维护数据库的转储储和恢复数据库的安全全性、完整性性控制数据库性能的的监督、分析析和改造数据库的重组组织与重构造造55作业:P2342,6,7,12,13,18,19569、静夜四四无邻，，荒居旧旧业贫。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨中黄叶树树，灯下白头头人。。13:55:2313:55:2313:5512/29/20221:55:23PM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。12月-2213:55:2313:55Dec-2229-Dec-2212、故人人江海海别，，几度度隔山山川。。。13:55:2313:55:2313:55Thursday,December29,202213、乍乍见见翻翻疑疑梦梦，，相相悲悲各各问问年年。。。。12月-2212月-2213:55:2313:55:23December29,202214、他他乡乡生生白白发发，，旧旧国国见见青青山山。。。。29十十二二月月20221:55:23下下午午13:55:2312月-2215、比不了得就就不比，得不不到的就不要要。。。十二月221:55下下午12月-2213:55December29,202216、行动动出成成果，，工作作出财财富。。。2022/12/2913:55:2313:55:2329December202217、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。1:55:23下午午1:55下午