第9章-数据库应用设计

暨南大学深圳旅游学院第9章数据库应用设计暨南大学深圳旅游学院目的和要求了解数据库设计的方法、步骤；掌握需求分析、概念设计、逻辑设计、物理设计、数据库实施、运行与维护六个设计阶段的任务、方法和应注意的事项。暨南大学深圳旅游学院内容数据库应用设计的步骤数据库应用设计工具简介用户需求分析概念设计逻辑设计物理设计数据库实现数据库使用与维护暨南大学深圳旅游学院一、数据库应用设计的步骤NewOrleans会议设计框架软件工程生命周期设计框架数据库各级模式的转换及关系暨南大学深圳旅游学院1.NewOrleans会议设计框架机构需求分析信息分析和定义视图建模视图分析与汇总实现设计模式初步设计子模式设计程序设计模式评价模式细化物理设计暨南大学深圳旅游学院2.软件工程生命周期设计框架用户需求分析数据库的概念模型设计数据库的逻辑设计、优化设计数据库的物理设计数据库实施数据库的使用与维护暨南大学深圳旅游学院3.数据库各级模式的转换及关系概念要求应用1概念要求应用2概念要求应用n外部模式应用1外部模式应用2外部模式应用n概念模式逻辑模式内部模式综合转换映象映象暨南大学深圳旅游学院二、数据库应用设计工具简介OracleCASE是个工具家族，包括CASEmethod、CASEDictionary、CASEDesigner，此外还包括应用开发的设计工具，如SQLForm（表格管理）、SQLMenu（菜单管理）、SQLReportwrite（报表生成）等。Erwin－LogicWorks公司出品ERwin可以实现将已建好的ER模型到数据库物理设计的转换，即可在多种数据库服务器（如Oracle,Sql

Server,Sybase等）上自动生成库结构，提高了数据库的开发效率。暨南大学深圳旅游学院续前SmartER－KBSI公司出品其功能与ERWin类同。InfoModeler－Asymetrix公司出品支持对象关系模型的建模。RationalRose-Rational公司出品支持对象关系模型的建模。PowerDesigner-Sybase公司出品支持对象关系模型的建模。暨南大学深圳旅游学院三、用户需求分析需求分析的内容需求分析的方法需求分析描述暨南大学深圳旅游学院1.需求分析的内容从软件工程的角度讲，用户需求分析的内容很多，对于数据库设计来说，重点在于数据部分。集中在：数据要求（数据对象、类型、来源等）加工要求（处理过程、频度、数据的吞吐量等）完整性、一致性要求（对数据的约束条件、企业的规章制度）安全性、可靠性要求（对数据的使用权限以及系统运行情况说明）性能要求（响应时间等）暨南大学深圳旅游学院2.需求分析的方法需求分析通常是通过调研的方法来完成。调研的形式有：跟班作业、开调查会、请专人介绍、问卷调查等。调研要解决三个方面的问题：了解组织机构情况，调查这个组织机构由哪些部门组成，各部门的职责是什么，为分析信息流程做准备；了解各部门的业务活动情况，调查各部门输入和使用什么数据，如何加工处理这些数据；输出什么信息，输出到什么部门，输出结果的格式是什么；暨南大学深圳旅游学院2.需求分析的方法（续）确定新系统的边界，确定哪些功能由计算机完成，或将来准备由计算机完成，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。暨南大学深圳旅游学院3.需求分析描述了解了用户需求后，还需要进一步描述和分析用户的需求。通常用结构化分析方法来描述用户需求。包括：3.1组织机构图用树型图描述（略）3.2业务流程图3.3数据流程图3.4数据字典暨南大学深圳旅游学院3.2业务流程图的基本图例业务处理单位业务处理数据文件信息传递物流表格制作暨南大学深圳旅游学院实例某材料仓库部门的管理业务包括三项：入库、发料和月底结账。入库具体工作步骤如下：采购员交材料入库单；库工查订货单，核实入库单；材料入库，库工验收；库工填写入库单给采购员，并把入库单存入文件柜留底。P302图7-2学生公寓管理系统业务联系图采购员入库单复核库工库工合法入库单材料入库验收订货单文件入库单文件入库单暨南大学深圳旅游学院3.3数据流程图（DFD）数据流程图（DataFlowDiagram)是结构化系统分析的主要工具。它是一个系统的网络描述，并且说明系统各个元件及元件之间的数据接口。暨南大学深圳旅游学院3.3.1数据流图的四个基本符号

-外部实体外部实体指系统以外又与系统有联系的人或事物。如顾客、职工、供货单位等。它表达该系统数据的外部来源或去处。也可以是另一个信息系统。顾客暨南大学深圳旅游学院3.3.2数据流图的四个基本符号

-处理处理指对数据的逻辑处理功能。标识部分功能描述部分功能执行部分登记期末成绩P2.1教务员暨南大学深圳旅游学院3.3.3数据流图的四个基本符号

-数据流数据流指处理功能的输入或输出，用一个水平箭头或垂直箭头表示。箭头指向数据方向。数据流可以是信件、票据，也可以是电话等。暨南大学深圳旅游学院3.3.4数据流图的四个基本符号

-数据存储数据存储表示数据保存的地方。数据存储名称标识学籍表D1暨南大学深圳旅游学院3.3.5数据流图的画法自顶向下地绘制分层的数据流程图。DFD由顶层图、一级细化图、二级细化图等一组图所组成。按照由外到内和数据流动方向详细描述四个要素。暨南大学深圳旅游学院3.3.5数据流图的画法（续1）给图中各元素加以命名加工处理命名加工的名字应包含该加工的全部功能；如果发现一个加工的命名很困难，意味着数据流图的分解不当，应考虑重新分解。加工之间的数据命名从过程中出来的数据流与进入的数据流取名不一样；数据命名要适合于整个数据流，而不能只反映其中的一些成分。外部实体和数据存储的命名暨南大学深圳旅游学院数据流图的画法（续2）上层数据流图与下层数据流图平衡

平衡是指上层数据流程图中某个加工的输入输出数据流应该同这个加工的下层数据流程图的输入输出数据流相同。暨南大学深圳旅游学院3.3.6实例--学生公寓管理系统以学生公寓管理系统为例。学生公寓管理系统来访名单学生公寓管理系统顶（0）层DFD财务主管维修组新生老生采购组宿管科教务处入住名单报表公寓主管公寓主管公寓主管违纪学生名单入学报到单入住单卧具领取单留级生名单新生名单宿管员工名单报表违纪员工名单缺货通知单入库物资单院系注册单续住单出库物资单卫生成绩待修设备交费学生名单新生数据导入P1新生注册P2老生报到P3学生名册D1学生公寓管理系统1层DFD新生入学报到单入住单卧具领取单教务处留级生名单新生名单老生院系注册单续住单……P…P2检查入学报到单P2.1新生新生学生公寓管理系统2层DFD-新生注册收取卧具费公寓服务费P2.2床位准备P2.5开入住单P2.6卧具准备P2.3开卧具领取单P2.3新生新生入学报到单无效报到单有效报到单收费票据学生名册D1库存记录D3记帐文件D2出库物资记录D4寝室记录D5床位记录D6有效报到单寝室床位编号卧具清单登记过的卧具清单入住单卧具领取单暨南大学深圳旅游学院3.3.7画数据流图应注意的问题层次的划分展开的层次与管理层次一致；一个处理框经过展开，一般以分解为4-10个处理框为宜；最下层的处理过程：一般不超过100条程序语句。暨南大学深圳旅游学院画数据流图应注意的问题（续1）检查数据流图的正确性数据输入与数据输出一定要匹配；数据存储一定有读和写操作；父图中某一处理框的输入、输出数据流必须出现在相应的子图中；任何一个数据流至少有一端是处理框。暨南大学深圳旅游学院画数据流图应注意的问题（续2）提高数据流图的易理解性尽量简化处理间的联系；均匀分解；适当的命名。暨南大学深圳旅游学院3.3.8数据流程图的优缺点优点：总体概念强，每一层都明确强调“干什么”，“需要什么”，“给出什么”；可以反映出数据的流向和处理过程；由于自顶向下分析，容易及早发现系统各部分的逻辑，也容易修正；容易与计算机处理相对应。暨南大学深圳旅游学院续前缺点：不直观，一般都要在作业流程分析的基础上加以概括、抽象、修正来得到；如果没有计算机系统帮助，人工绘制太麻烦，工作量较大。暨南大学深圳旅游学院3.4数据字典3.4.1数据字典概述3.4.2数据元素3.4.3数据结构3.4.4数据流3.4.5数据存储3.4.6处理过程3.4.7外部实体暨南大学深圳旅游学院3.4.1数据字典概述数据流程图描述了系统的分解，即描述了系统由哪些部分构成，各部分之间的联系等；数据字典则对数据流程图中所有的构成成分进行严格的定义，是描述系统的全部数据元素的“字典”。数据字典主要用来描述数据流程图中的数据项、数据流、数据存储、处理过程和外部实体。暨南大学深圳旅游学院数据字典概述（续）数据字典把数据的最小组成单位看成是数据元素（基本数据项），若干个数据元素可以组成一个数据结构。数据字典通过数据元素和数据结构来描写数据流、数据存储的属性。数据元素组成数据结构，数据结构组成数据流和数据存储。暨南大学深圳旅游学院3.4.2数据元素数据元素是最小的数据组成单位，即不可再分的数据单位。如:学号、姓名等。每个数据元素，需描述以下属性：名称别名或简述类型取值范围和取值的含义长度暨南大学深圳旅游学院3.4.3数据结构用于描述数据之间的组合关系。一个数据结构可以包含若干个数据元素或数据结构。数据结构中有三种特殊项：可选项方括号([])中的项必选项花括号({})中的项，必选其中之一重复项在项名的右边加一“＊”，即可以多次出现的数据项。暨南大学深圳旅游学院数据结构条目名称：学生登记卡说明：新生入学时填写的卡片结构：

学号

姓名

[曾用名]

入学日期

出生日期

性别

民族

家庭地址

简历*

开始时间

终止时间

单位总编号：编号：有关的数据流、数据存储：

新生登记表

学籍表数量：每年约1000份暨南大学深圳旅游学院3.4.4数据流数据流描述以下属性：数据流的来源数据流的去向数据流的组成数据流的流通量高峰时的流通量暨南大学深圳旅游学院3.4.5数据存储数据存储条目主要描写数据存储的结构及有关的数据流、查询要求。有些数据存储的结构可能很复杂，如学籍表，包括学生的基本情况、学生动态、奖惩记录、学习成绩、毕业论文成绩等，其中每一项又是数据结构。每一数据结构都有自己的条目。数据流图是分层的，下层图是上层图的具体化；同一数据存储可能在不同层次的图中出现；描述这样的数据存储，应列出最低层图中的数据流。暨南大学深圳旅游学院3.4.6处理过程在数据字典中要描述处理框的编号、名称、功能的简要说明及有关的输入输出。名称：检查入学报到单说明：有效报到单转到交费处，无效报到单则退回给学生。输入：D1P2.1，新生P2.1输出：P2.1新生(无效报到单)，P2.1P2.2(有效报到单)处理：查D1(学生名册)，名册中有的学生在入学报到单上盖章，名册中没有的学生将入学报到单退回给学生。暨南大学深圳旅游学院3.4.7外部实体在数据字典中关于外部实体的条目，主要说明外部实体产生的数据流和传给该外部实体的数据流，以及该外部实体的数量。暨南大学深圳旅游学院四、概念设计概念设计概述概念设计方法概念设计步骤分ER图设计总体ER图设计ER图优化暨南大学深圳旅游学院1.概念设计概述概念设计是数据库设计的核心环节，是在用户需求描述与分析的基础上，以DFD和DD提供的信息作为输入，运用信息模型工具，设计人员发挥综合抽象能力，对目标进行描述，并以用户能理解的形式表达信息。这种表达独立于DBMS。数据库概念设计的目标是产生反映组织信息需求的数据库概念模式。在这个阶段，设计人员仅从用户的角度看待数据处理要求和约束，产生一个反映用户观点的概念模式。暨南大学深圳旅游学院概念设计概述（续）在数据库设计中，表达概念设计结果的工具称为概念模型。概念模型是数据库管理人员、系统分析员和用户之间的主要界面，因而必须易于理解，以便各类人员之间进行交流；易于变动以适应用户需求和现实环境的变化；易于向各种数据模型转化。概念设计表达工具中最著名、最实用的是ER模型。暨南大学深圳旅游学院2.概念设计方法集中模式设计法。首先将需求说明综合成一个一致的统一的需求说明，然后在此基础上设计一个全局的概念模型，再据此为各个用户组或应用定义子模式。该法强调统一，适合于小的、不太复杂的应用。视图集成法。以各部分需求说明为基础，分别设计各部门的局部模式，然后再以这些视图为基础，集成为一个全局模式。这个全局模式就是所谓的概念模式，也称企业模式。该方法适合于大型数据库的设计。暨南大学深圳旅游学院3.数据库概念设计的步骤—视图集成法设计局部概念模式

从用户的需求出发，为每个用户或一组用户(对数据的观点与使用方式相似的用户)建立起相应的局部概念结构。将局部概念模式综合成全局概念模式在综合处理的过程中，主要处理各局部模式对各对象的定义不一致问题，包括同名异义、异名同义和同一事物在不同模式中被抽象为不同类型的对象等问题。暨南大学深圳旅游学院3.数据库概念设计的步骤（续）概念设计的评审用户重点评审是否准确完整地反映了用户的信息需求，DBA重点评审全局结构是否完整，划分是否合理，存在不一致性等。暨南大学深圳旅游学院4.分ER图设计分ER图即用户的局部视图。分ER图的设计过程包括以下内容：划分用户组将数据要求和处理要求接近的用户分在一组。确定实体及其属性确定实体之间的联系及其属性设计分ER图以教学系统为例。系系主任系名系号教师教师号教师名年龄职称课程课程号课程名学分班级学生数课题课题号课题名负责人完成日期经费从属任课研究入系日期任务1nnmmn师资部门分E-R图教务部门分E-R图系系主任系名系号学生学号姓名性别籍贯课程课程号课程名学分成绩教师教师号教师名年龄职称所属选修教学入学日期1nnmmn暨南大学深圳旅游学院5.总体ER图设计综合各部门的局部概念模型就可以得到系统的总体概念模型。综合时分步实施，逐步合并。在进行综合时，注意消除冲突。在合并时，还应注意消除不必要的冗余。分ER图之间既可能存在数据冗余，也可能存在冗余的联系。所谓冗余数据是指可由基本数据导出的数据。冗余的联系是可由其它联系导出的联系。暨南大学深圳旅游学院冲突包括属性冲突同一实体中属性在各部门的称呼不同，或者是属性的类型、取值范围、单位等不一致，这类冲突需要各部门协商，进行调整。命名冲突包括属性名、实体名、联系名之间的冲突。同名异义，即不同意义的对象具有相同的名字。异名同义，即同一意义的对象具有不同的名字。属性冲突和命名冲突通常用讨论、协商等行政手段解决。结构冲突则要认真分析后用技术手段解决。结构冲突

暨南大学深圳旅游学院结构冲突同一数据项，可能由于环境和要求不同，有时应作为属性，有时则作为实体，此时就必须依实际情况将其统一，把实体转换为属性，或把属性转换为实体。同一实体在不同的应用中属性组成不同，应将其合并，合并时应将所有属性并在一起，当实体是异名同义时，要通过协商统一名称。同一联系在不同应用中呈现不同的联系类型，根据语义进行调整。暨南大学深圳旅游学院6.总体ER图的优化总体E—R图的优化实质上是：消除不必要的冗余，包括冗余的数据和冗余的联系。经过优化后的总体E—R图见后。教学管理总体E—R图系学生教师课程课题所属从属选修研究任课1nnmmnnm1n暨南大学深圳旅游学院五、逻辑设计逻辑设计是把概念模型转换为具体的数据库管理系统所支持的数据模型。转换原则关系模式优化设计用户外模式暨南大学深圳旅游学院1.转换原则（实体）*实体（集）每一个实体转换为一个关系模式，实体的属性就是关系的属性，实体的键就是关系的键。根据此规则，对前面的ER图中的每一个实体分别建立一个关系模式。系（系号，系名，系主任）教师（教师号，教师名，年龄，职称）学生（学号，姓名，性别，年龄，籍贯）课程（课程号，课程名，学分）课题（课题号，课题名，负责人，完成日期，经费）暨南大学深圳旅游学院转换规则（联系）*如果两个实体间是1：1联系，将任何一方的候选键码纳入到另一方，作为外键。暨南大学深圳旅游学院转换规则（联系）*如果两个实体间是1：n联系，就将“1”的一方主键纳入“n”方实体对应的关系中作为外部关键字，同时把联系的属性也一并纳入“n”方的对应关系中；系（系号，系名，系主任）教师（教师号，教师名，年龄，职称，系号，入系日期）学生（学号，姓名，性别，年龄，籍贯，系号，入学日期）暨南大学深圳旅游学院转换规则（联系）*如果两实体间是n：m联系，则需为联系单独建立一个关系，用来联系双方实体，该关系的属性中至少要包括被它所联系的双方实体的主键，并且如果联系上有属性也要并入这个关系中。选修（学号，课程号，成绩）任课（课程号，教师号，班级，学生数）研究（教师号，课题号，任务）暨南大学深圳旅游学院结果通过上述三个转换步骤，可以初步将总体E—R图转换为如下8个关系：系（系号，系名，系主任）课程（课程号，课程名，学分）课题（课题号，课题名，负责人，完成日期，经费）学生（学号，姓名，性别，年龄，籍贯，系号，入学日期）教师（教师号，教师名，年龄，职称，系号，入系日期）选修（学号，课程号，成绩）任课（课程号，教师号，班级，学生数）研究（教师号，课题号，任务）暨南大学深圳旅游学院2.关系优化对转换得到的关系模式可利用规范化理论进行分析和改进。分析是否存在部分函数依赖和传递函数依赖等，根据应用的具体要求决定是否需要进行规范化，提高范式的等级。关系模式规范化，一般首先基于3NF进行规范化处理，然后，根据实际情况对部分关系模式进行逆规范化处理，以提高数据库应用系统的性能。常用的逆规范化方法有：增加冗余属性、增加派生属性、重建关系和分割关系。暨南大学深圳旅游学院常用的逆规范化方法增加冗余属性，是指在多个关系中都有相同属性，它常用来在查询时避免连接操作。增加派生属性，指增加的属性是来自其他关系中的数据，由它们计算生成。它的作用是在查询时减少连接操作，避免使用聚集函数。重建关系，指如果许多用户需要查看两个关系连接出来的结果数据，则把这两个关系重新组成一个关系，来减少连接而提高性能。暨南大学深圳旅游学院常用的逆规范化方法分割关系，分水平分割和垂直分割。水平分割是指把一个大的关系集合分割成两个或多个关系集合。通常在两种情况下使用：数据量很大；数据本来就有独立性。垂直分割是把关系中的主键和一些属性构成一个新关系，把主键和剩余的属性构成另一个关系。暨南大学深圳旅游学院3.设计用户外模式外模式即用户所看到的数据模式。可以根据局部应用要求和DBMS的特点设计外模式。现在流行的RDBMS都提供视图机制。视图具有如下特性：重定义属性名方便查询提高数据共享性和安全性提供一定的逻辑数据独立性暨南大学深圳旅游学院六、物理设计物理设计是在计算机的物理设备上，确定数据库应采取的存储结构、存取方法和存取路径。当今流行的RDBMS，在数据库服务器设计中，都采用了许多先进的技术，使得数据库在存储器I/O，网络I/O，线程管理及存储器管理上，效率非常高，一个好的逻辑模式转换成这些系统上的物理模式时，都可以很好地满足用户在性能上的需求。因此，数据库应用设计人员可以把主要精力放在逻辑模式的设计和事务处理的设计上，至于物理设计可以透明于设计人员。暨南大学深圳旅游学院六、物理设计主要包括：关系模式存取方法的选择数据库存储结构的确定表设计约束设计安全设计暨南大学深圳旅游学院1.关系模式存取方法的选择存取方法是快速存取数据库中数据的技术。数据库管理系统一般都提供多种存取方法，常用的存取方法有：B树索引方法、聚簇方法和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。当建立的是非聚簇索引时，多使用B树索引，有的是用B-树，有的是用B+树。对于B（B-、B+）树结构有兴趣的同学可参阅:

/index.php?action-viewthread-tid-111345暨南大学深圳旅游学院1.1索引存取方法的选择所谓选择索引存取方法实际上就是根据应用要求确定对关系的哪些属性列建立索引、建立什么样的索引等。一般来说，下面三种情况可建立索引：一个属性（组）经常在查询条件中出现，则考虑在这个属性（组）上建立索引；一个属性经常作为聚集函数的参数，则考虑在这个属性上建立索引；一个属性（组）经常在连接条件中出现，则考虑在这个属性（组）上建立索引。注意：关系上定义的索引并不是越多越好，系统为维护索引要付出代价，查找索引也要付出代价。暨南大学深圳旅游学院1.2聚簇存取方法的选择为了提高某个属性（组）的查询速度，把这个属性（组）上具有相同值的元组存放在连续的物理块称为聚簇。聚簇功能可以大大提高按聚簇码进行查询的效率。一个数据库可以建立多个聚簇，一个关系只能有一个聚簇，选择聚簇存取方法，即确定需要建立多少个聚簇，哪个关系上建立聚簇。聚簇只能提高某些应用的性能，但建立和维护聚簇的开销是相当大的。暨南大学深圳旅游学院续上当通过聚簇码进行访问或连接是该关系的主要应用，与聚簇码无关的其他访问很少或是次要的，这时可以使用聚簇。尤其当SQL语句中包含有与聚簇码有关的ORDERBY、GROUPBY、UNION、DISTINCT等子句时，使用聚簇特别有利。暨南大学深圳旅游学院2.数据库存储结构的确定确定数据库物理结构主要指确定数据的存放位置和存储结构，包括确定关系、索引、聚簇、日志、备份等的存储安排和存储结构；确定系统配置等。确定数据的存放位置和存储结构要综合考虑存取时间、存储空间利用率和维护代价三方面的因素。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。暨南大学深圳旅游学院续上确定系统配置

DBMS产品一般都提供了一些系统配置变量、存储分配参数，供设计人员和DBA对数据库进行物理优化。初始情况下，系统都为这些变量赋予了合理的缺省值。系统配置变量很多，如：同时使用数据库用户数、同时打开的数据库对象数、内存分配参数、缓冲区分配参数、存储分配参数、物理块的大小、物理块填充因子、时间片大小、数据库大小、锁的数目等。暨南大学深圳旅游学院3.表设计表的设计就是将逻辑模式中的关系转化为具体的DBMS中的表。表设计需要定义表名和表结构。表名一般取为关系的名字，表结构由关系中的属性构成，需要确定每个属性的名称、类型、宽度等。暨南大学深圳旅游学院4.约束设计数据库的完整性约束是一种保证数据一致性的机制。包括：域完整性约束设计：明确每个字段的取值范围，及是否可为空；实体完整性约束设计：明确每个关系的主键或候选键；参照完整性设计：明确存在联系的两个表，谁是主表，谁是从表，以及建立关联的字段；一般完整性约束设计：明确一般完整性约束采用的方法寄内容。暨南大