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1、第六章第六章 数据库设计数据库设计6.1 数据库设计概述数据库设计概述6.2 需求分析需求分析6.3 概念结构设计概念结构设计6.4 逻辑结构设计逻辑结构设计6.5 数据库的物理设计数据库的物理设计6.6 数据库实施数据库实施6.7 数据库运行与维护数据库运行与维护6.8 小结小结6.5 数据库的物理设计数据库的物理设计l什么是数据库的物理设计什么是数据库的物理设计数据库在物理设备上的存储结构与存取方法数据库在物理设备上的存储结构与存取方法称为数据库的物理结构，它依赖于给定的计称为数据库的物理结构，它依赖于给定的计算机系统。算机系统。为一个给定的逻辑数据模型选取一个最适合为一个给定的逻辑数据模
2、型选取一个最适合应用环境的物理结构的过程，就是数据库的应用环境的物理结构的过程，就是数据库的物理设计。物理设计。6.5 数据库的物理设计数据库的物理设计l数据库物理设计的步骤数据库物理设计的步骤确定数据库的物理结构确定数据库的物理结构对物理结构进行评价，评价的重点是时间和对物理结构进行评价，评价的重点是时间和空间效率空间效率如果评价结果满足原设计要求则可进入到物如果评价结果满足原设计要求则可进入到物理实施阶段，否则，就需要重新设计或修改理实施阶段，否则，就需要重新设计或修改物理结构，有时甚至要返回逻辑设计阶段修物理结构，有时甚至要返回逻辑设计阶段修改数据模型。改数据模型。数据库物理设计数据库物
3、理设计确定数确定数据库的据库的物理结物理结构构评价数据评价数据库的物理库的物理结构结构逻辑结逻辑结构设计构设计数据库数据库实施实施物理物理模型模型逻辑逻辑模型模型6.5 数据库的物理设计数据库的物理设计6.5.1 数据库的物理设计的内容和方法数据库的物理设计的内容和方法6.5.2 关系模式存取方法选择关系模式存取方法选择6.5.3 确定数据库的存储结构确定数据库的存储结构6.5.4 评价物理结构评价物理结构6.5 数据库的物理设计数据库的物理设计6.5.1 数据库的物理设计的内容和方法数据库的物理设计的内容和方法6.5.2 关系模式存取方法选择关系模式存取方法选择6.5.3 确定数据库的存储结
4、构确定数据库的存储结构6.5.4 评价物理结构评价物理结构6.5.1 数据库的物理设计的内容和方法数据库的物理设计的内容和方法l设计物理数据库结构的准备工作设计物理数据库结构的准备工作 1.充分了解应用环境，详细分析要运行的事充分了解应用环境，详细分析要运行的事务，以获得选择物理数据库设计所需参数务，以获得选择物理数据库设计所需参数 2.充分了解所用充分了解所用RDBMS的内部特征，特别的内部特征，特别是系统提供的存取方法和存储结构是系统提供的存取方法和存储结构数据库的物理设计的内容和方法（续数据库的物理设计的内容和方法（续）l选择物理数据库设计所需参数选择物理数据库设计所需参数 数据库查询事
5、务数据库查询事务查询的关系查询的关系 查询条件所涉及的属性查询条件所涉及的属性 连接条件所涉及的属性连接条件所涉及的属性 查询的投影属性查询的投影属性 数据库的物理设计的内容和方法（续数据库的物理设计的内容和方法（续）l选择物理数据库设计所需参数选择物理数据库设计所需参数(续续)数据更新事务数据更新事务被更新的关系被更新的关系每个关系上的更新操作条件所涉及的属性每个关系上的更新操作条件所涉及的属性 修改操作要改变的属性值修改操作要改变的属性值 每个事务在各关系上运行的频率和性能要求每个事务在各关系上运行的频率和性能要求数据库的物理设计的内容和方法（续数据库的物理设计的内容和方法（续）l关系数据
6、库物理设计的内容关系数据库物理设计的内容1.为关系模式选择为关系模式选择存取方法存取方法(建立存取路径建立存取路径)2.设计关系、索引等数据库文件的设计关系、索引等数据库文件的物理存储物理存储结构结构6.5 数据库的物理设计数据库的物理设计6.5.1 数据库的物理设计的内容和方法数据库的物理设计的内容和方法6.5.2 关系模式存取方法选择关系模式存取方法选择6.5.3 确定数据库的存储结构确定数据库的存储结构6.5.4 评价物理结构评价物理结构6.5.2 关系模式存取方法选择关系模式存取方法选择l数据库系统是多用户共享的系统，对同数据库系统是多用户共享的系统，对同一个关系要建立多条存取路径才能
7、满足一个关系要建立多条存取路径才能满足多用户的多种应用要求。多用户的多种应用要求。l物理设计的第一个任务就是要确定选择物理设计的第一个任务就是要确定选择哪些存取方法，即建立哪些存取路径。哪些存取方法，即建立哪些存取路径。关系模式存取方法选择（续）关系模式存取方法选择（续）lDBMS常用存取方法常用存取方法索引方法，目前主要是索引方法，目前主要是B+树索引方法树索引方法聚簇（聚簇（Cluster）方法方法HASH方法方法一、索引存取方法的选择一、索引存取方法的选择l选择索引存取方法的主要内容选择索引存取方法的主要内容根据应用要求确定根据应用要求确定 对哪些属性列建立索引对哪些属性列建立索引 对哪
8、些属性列建立组合索引对哪些属性列建立组合索引 对哪些索引要设计为唯一索引对哪些索引要设计为唯一索引索引存取方法的选择（续）索引存取方法的选择（续）l选择索引存取方法的一般规则选择索引存取方法的一般规则如果一个如果一个(或一组或一组)属性经常在查询条件中出属性经常在查询条件中出现，则考虑在这个现，则考虑在这个(或这组或这组)属性上建立索引属性上建立索引(或组合索引或组合索引)如果一个属性经常作为最大值和最小值等聚如果一个属性经常作为最大值和最小值等聚集函数的参数，则考虑在这个属性上建立索集函数的参数，则考虑在这个属性上建立索引引如果一个如果一个(或一组或一组)属性经常在连接操作的连属性经常在连接
9、操作的连接条件中出现，则考虑在这个接条件中出现，则考虑在这个(或这组或这组)属性属性上建立索引上建立索引索引存取方法的选择（续）索引存取方法的选择（续）l关系上定义的索引数过多会带来较关系上定义的索引数过多会带来较多的额外开销多的额外开销 维护索引的开销维护索引的开销 查找索引的开销查找索引的开销二、聚簇存取方法的选择二、聚簇存取方法的选择l什么是聚簇什么是聚簇为了提高某个属性（或属性组）的查询速度，为了提高某个属性（或属性组）的查询速度，把这个或这些属性（称为聚簇码）上具有相把这个或这些属性（称为聚簇码）上具有相同值的元组集中存放在连续的物理块称为聚同值的元组集中存放在连续的物理块称为聚簇簇
10、许多关系型许多关系型DBMS都提供了聚簇功能都提供了聚簇功能聚簇存放与聚簇索引的区别聚簇存放与聚簇索引的区别建立建立聚簇聚簇索引索引（复习）（复习）l聚簇索引聚簇索引建建立立聚聚簇簇索索引引后后，基基表表中中数数据据也也需需要要按按指指定定的的聚聚簇簇属属性性值值的的升升序序或或降降序序存存放放。也也即即聚聚簇簇索索引引的的索索引引项项顺顺序序与与表表中中元元组组的的物物理理顺顺序序一一致。致。例：例：CREATE CLUSTER INDEX Stusname ON Student(Sname)；在在Student表表的的Sname（姓姓名名）列列上上建建立立一一个个聚聚簇簇索索引引，而而且且
11、Student表表中中的的记记录录将将按按照照Sname值值的升序存放的升序存放 建立建立聚簇聚簇索引索引（复习）（复习）在一个基本表上最多只能建立一个聚簇索引在一个基本表上最多只能建立一个聚簇索引聚簇索引的用途：对于某些类型的查询，可聚簇索引的用途：对于某些类型的查询，可以提高查询效率以提高查询效率聚簇索引的适用范围聚簇索引的适用范围 很少对基表进行增删操作很少对基表进行增删操作 很少对其中的变长列进行修改操作很少对其中的变长列进行修改操作 聚簇存取方法的选择（续）聚簇存取方法的选择（续）l聚簇的用途聚簇的用途1.大大提高按聚簇属性进行查询的效率大大提高按聚簇属性进行查询的效率例：假设学生关
12、系按所在系建有索引，现在要例：假设学生关系按所在系建有索引，现在要查询信息系的所有学生名单。查询信息系的所有学生名单。信息系的信息系的500名学生分布在名学生分布在500个不同的物个不同的物理块上时，至少要执行理块上时，至少要执行500次次I/O操作。操作。如果将同一系的学生元组集中存放，则每如果将同一系的学生元组集中存放，则每读一个物理块可得到多个满足查询条件的读一个物理块可得到多个满足查询条件的元组，从而显著地减少了访问磁盘的次数。元组，从而显著地减少了访问磁盘的次数。聚簇存取方法的选择（续）聚簇存取方法的选择（续）2.节省存储空间节省存储空间聚簇以后，聚簇码相同的元组集中在一起聚簇以后，
13、聚簇码相同的元组集中在一起了，因而聚簇码值不必在每个元组中重复了，因而聚簇码值不必在每个元组中重复存储，只要在一组中存一次就行了存储，只要在一组中存一次就行了聚簇存取方法的选择（续）聚簇存取方法的选择（续）l聚簇的局限性聚簇的局限性1.聚簇只能提高某些特定应用的性能聚簇只能提高某些特定应用的性能2.建立与维护聚簇的开销相当大建立与维护聚簇的开销相当大对已有关系建立聚簇，将导致关系中元组对已有关系建立聚簇，将导致关系中元组移动其物理存储位置，并使此关系上原有移动其物理存储位置，并使此关系上原有的索引无效，必须重建。的索引无效，必须重建。当一个元组的聚簇码改变时，该元组的存当一个元组的聚簇码改变时
14、，该元组的存储位置也要做相应移动。储位置也要做相应移动。聚簇存取方法的选择（续）聚簇存取方法的选择（续）l聚簇的适用范围聚簇的适用范围1.既适用于单个关系独立聚簇，也适用于多既适用于单个关系独立聚簇，也适用于多个关系组合聚簇个关系组合聚簇例：假设用户经常要按系别查询学生成绩单，例：假设用户经常要按系别查询学生成绩单，这一查询涉及学生关系和选修关系的连接操这一查询涉及学生关系和选修关系的连接操作，即需要按学号连接这两个关系，为提高作，即需要按学号连接这两个关系，为提高连接操作的效率，可以把具有相同学号值的连接操作的效率，可以把具有相同学号值的学生元组和选修元组在物理上聚簇在一起。学生元组和选修元
15、组在物理上聚簇在一起。这就相当于把多个关系按这就相当于把多个关系按“预连接预连接”的形式的形式存放，从而大大提高连接操作的效率。存放，从而大大提高连接操作的效率。聚簇存取方法的选择（续）聚簇存取方法的选择（续）2.当通过聚簇码进行访问或连接是该关系的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主要应用，与聚簇码无关的其他访问很少或者是次要的时，可以使用聚簇。者是次要的时，可以使用聚簇。尤其当尤其当SQL语句中包含有与聚簇码有关的语句中包含有与聚簇码有关的ORDER BY，GROUP BY，UNION，DISTINCT等子句或短语时，使用聚簇特等子句或短语时，使用聚
16、簇特别有利，可以省去对结果集的排序操作别有利，可以省去对结果集的排序操作聚簇存取方法的选择（续）聚簇存取方法的选择（续）l选择聚簇存取方法选择聚簇存取方法1.设计候选聚簇设计候选聚簇对经常在一起进行连接操作的关系可以建对经常在一起进行连接操作的关系可以建立组合聚簇；立组合聚簇；如果一个关系的一组属性经常出现在相等如果一个关系的一组属性经常出现在相等比较条件中，则该单个关系可建立聚簇；比较条件中，则该单个关系可建立聚簇；如果一个关系的一个如果一个关系的一个(或一组或一组)属性上的值属性上的值重复率很高，则此单个关系可建立聚簇。重复率很高，则此单个关系可建立聚簇。即对应每个聚簇码值的平均元组数不太
17、少。即对应每个聚簇码值的平均元组数不太少。太少了，聚簇的效果不明显。太少了，聚簇的效果不明显。聚簇存取方法的选择（续）聚簇存取方法的选择（续）2.检查候选聚簇中的关系，取消其中不必要的检查候选聚簇中的关系，取消其中不必要的关系关系从独立聚簇中删除经常进行全表扫描的关系；从独立聚簇中删除经常进行全表扫描的关系；从独立从独立/组合聚簇中删除更新操作远多于查组合聚簇中删除更新操作远多于查询操作的关系；询操作的关系；从独立从独立/组合聚簇中删除重复出现的关系组合聚簇中删除重复出现的关系当当一个关系同时加入多个聚簇一个关系同时加入多个聚簇时，必须时，必须从从这多个聚簇方案这多个聚簇方案(包括不建立聚簇包
18、括不建立聚簇)中选择中选择一个较优的，即在这个聚簇上运行各种事一个较优的，即在这个聚簇上运行各种事务的总代价最小。务的总代价最小。三、三、HASH存取方法的选择存取方法的选择l选择选择HASH存取方法的规则存取方法的规则当一个关系满足下列两个条件时，可以选择当一个关系满足下列两个条件时，可以选择HASH存取方法存取方法该关系的属性主要出现在该关系的属性主要出现在等值连接等值连接条件中条件中或主要出现在或主要出现在相等比较相等比较选择条件中选择条件中该该关系的大小可预知，而且不变；关系的大小可预知，而且不变；或或 该该关系的大小动态改变，但所选用的关系的大小动态改变，但所选用的DBMS提供了动态
19、提供了动态HASH存取方法。存取方法。6.5 数据库的物理设计数据库的物理设计6.5.1 数据库的物理设计的内容和方法数据库的物理设计的内容和方法6.5.2 关系模式存取方法选择关系模式存取方法选择6.5.3 确定数据库的存储结构确定数据库的存储结构6.5.4 评价物理结构评价物理结构6.5.3 确定数据库的存储结构确定数据库的存储结构l确定数据库物理结构的内容确定数据库物理结构的内容1.确定数据的存放位置和存储结构确定数据的存放位置和存储结构 关系关系 索引索引 聚簇聚簇 日志日志 备份备份2.确定系统配置确定系统配置1.确定数据的存放位置确定数据的存放位置l影响数据存放位置和存储结构的因素
20、影响数据存放位置和存储结构的因素硬件环境硬件环境应用需求应用需求存取时间存取时间存储空间利用率存储空间利用率维护代价维护代价 这三个方面常常是相互矛盾的这三个方面常常是相互矛盾的 例：消除一切冗余数据虽能够节约存储空间和减少例：消除一切冗余数据虽能够节约存储空间和减少维护代价，但往往会导致检索代价的增加维护代价，但往往会导致检索代价的增加 必须进行权衡，选择一个折中方案必须进行权衡，选择一个折中方案。确定数据的存放位置（续）确定数据的存放位置（续）l基本原则基本原则根据应用情况将根据应用情况将易变易变部分与部分与稳定稳定部分部分存取频率较高存取频率较高部分与部分与存取频率较低存取频率较低部分部
21、分 分开存放分开存放，以提高系统性能以提高系统性能确定数据的存放位置（续）确定数据的存放位置（续）例：例：数据库数据备份、日志文件备份等由于只数据库数据备份、日志文件备份等由于只在故障恢复时才使用，而且数据量很大，在故障恢复时才使用，而且数据量很大，可以考虑存放在磁带上。可以考虑存放在磁带上。如果计算机有多个磁盘，可以考虑将表和如果计算机有多个磁盘，可以考虑将表和索引分别放在不同的磁盘上，在查询时，索引分别放在不同的磁盘上，在查询时，由于两个磁盘驱动器分别在工作，因而可由于两个磁盘驱动器分别在工作，因而可以保证物理读写速度比较快。以保证物理读写速度比较快。确定数据的存放位置（续）确定数据的存放
22、位置（续）例（续）：例（续）：可以将比较大的表分别放在两个磁盘上，可以将比较大的表分别放在两个磁盘上，以加快存取速度，这在多用户环境下特别以加快存取速度，这在多用户环境下特别有效。有效。可以将日志文件与数据库对象（表、索引可以将日志文件与数据库对象（表、索引等）放在不同的磁盘以改进系统的性能。等）放在不同的磁盘以改进系统的性能。2.确定系统配置确定系统配置lDBMS产品一般都提供了一些存储分配参数产品一般都提供了一些存储分配参数 同时使用数据库的用户数同时使用数据库的用户数 同时打开的数据库对象数同时打开的数据库对象数 使用的缓冲区长度、个数使用的缓冲区长度、个数 时间片大小时间片大小 数据库
23、的大小数据库的大小 装填因子装填因子 锁的数目锁的数目 等等等等确定系统配置（续）确定系统配置（续）l系统都为这些变量赋予了合理的缺省值。但是系统都为这些变量赋予了合理的缺省值。但是这些值不一定适合每一种应用环境，在进行物这些值不一定适合每一种应用环境，在进行物理设计时，需要根据应用环境确定这些参数值，理设计时，需要根据应用环境确定这些参数值，以使系统性能最优。以使系统性能最优。l在物理设计时对系统配置变量的调整只是初步在物理设计时对系统配置变量的调整只是初步的，在系统运行时还要根据系统实际运行情况的，在系统运行时还要根据系统实际运行情况做进一步的调整，以期切实改进系统性能。做进一步的调整，以
24、期切实改进系统性能。6.5 数据库的物理设计数据库的物理设计6.5.1 数据库的物理设计的内容和方法数据库的物理设计的内容和方法6.5.2 关系模式存取方法选择关系模式存取方法选择6.5.3 确定数据库的存储结构确定数据库的存储结构6.5.4 评价物理结构评价物理结构6.5.4 评价物理结构评价物理结构l评价内容评价内容对数据库物理设计过程中产生的多种方案进对数据库物理设计过程中产生的多种方案进行细致的评价，从中选择一个较优的方案作行细致的评价，从中选择一个较优的方案作为数据库的物理结构为数据库的物理结构6.5.4 评价物理结构评价物理结构l评价方法评价方法定量估算各种方案定量估算各种方案 存储空间存储空间 存取时间存取时间 维护代价维护代价对估算结果进行权衡、比较，选择出一个较对估算结果进行权衡、比较，选择出一个较优的合理的物理结构优的合理的物理结构如果该结构不符合用户需求，则需要修改设如果该结构不符合用户需求，则需要修改设计计