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1、第3章 数据库设计n数据库设计概述n需求分析n概念、逻辑结构设计n物理结构设计n数据库的实施与维护u本章主要内容u本章技能目标n掌握数据库设计的概念n了解需求分析n了解概念、逻辑、物理结构设计n了解数据库的实现与维护3.13.1数据库设计概述3.23.2需求分析3.33.3概念结构设计4 4.4.4逻辑结构设计3.63.6数据库的实施与维护3.53.5物理结构设计3.1数据库设计概述3.1.1 数据库和信息系统数据库和信息系统3.1.2 数据库设计的特征数据库设计的特征3.1.3 数据库设计的方法数据库设计的方法3.1.4 数据库设计的步骤数据库设计的步骤数据库和信息系统数据库与信息系统是密不
2、可分的，数据库是信息系统的基础和核心。一个信息系统的各个部分能否紧密地结合在一起以及如何结合，关键在数据库。对于一个从事数据库设计的专业人员来说，不能只凭个人的经验或技巧来完成设计，而应把软件工程的原理和方法应用到数据库建设中，同时还应具备多方面的技术和知识。这些技术和知识主要有：(1)数据库的基本知识和数据库设计技术。(2)计算机科学的基础知识和程序设计的方法和技巧。(3)软件工程的原理和方法。(4)应用领域的知识。数据库设计的特征数据库设计过程不仅是一项庞大的工程项目，而且是一项涉及多学科的综合性技术，同时也牵涉到与此相关的方方面面的人员，如系统分析员、DBA、应用程序员等。数据库设计和其
3、他工程设计一样，具有如下3个特征：1.反复性2.试探性3.分阶段进行数据库设计的方法设计方法(Design Methodology)是指设计数据库所使用的理论和步骤。目前的数据库设计通常采用规范设计法：1.新奥尔良(New Orleans)方法2.基于E-R模型的数据库设计方法3.基于3NF的设计方法(1)设计企业模式。(2)设计数据库的概念模式。(3)设计数据库的物理模式。(4)对物理模式进行评价。(5)数据库实现。3.1.4 数据库设计的步骤数据库的设计过程可以使用软件工程的生存周期的概念来描述，称为“数据库设计的生存期”，它是指从数据库研制到不再使用它的整个时期。按规范设计法可将数据库设
4、计分为6个阶段，它们是：1.需求分析2.概念结构设计3.逻辑结构设计4.物理结构设计5.数据库实施6.数据库运行和维护3.2 需求分析需求分析就是分析用户的需求。需求分析是数据库的起点，需求分析的结果是否正确将直接影响到后面各个阶段的设计思想以及最后结果的合理性与实用性。需求分析阶段成果是系统说明书，此说明书主要包括数据流图、数据字典、系统功能结构图和必要的说明。系统需求说明书是数据库设计的基础文件。3.2.1 需求分析的任务需求分析的任务3.2.2 需求分析方法需求分析方法3.2.3 数据字典数据字典3.2.1 需求分析的任务需求分析是数据库设计中非常关键地一步，其结果直接左右其后各阶段的设
5、计思想。需求分析的任务是通过详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，然后在此基础上确定新系统的功能。由于技术和信息需求不断进步和提高，因此新系统的需求分析必须充分考虑到今后可能的扩充和改变，不能仅仅按当前的应用需求来设计数据库。在需求分析阶段，从多方面对整个要处理的对象进行调查，收集和分析各项应用对信息和处理两方面的需求。调查的重点是“数据”和“处理”，通过调查、收集与分析，获得用户对数据库的如下要求：(1)(1)信息需求信息需求 (2)(2)处理需求处理需求 (3)(3)安全性与完整性需求安全性与完整性需求3.2
6、.2 需求分析方法1.基本符号数据流图是最常用的结构化分析工具之一，用于表达和描述系统的数据流向和对数据的处理功能。数据流图有4种基本符号，如图所示。3.2.2 需求分析方法2.数据流图实例某学校教务管理系统要求实现学生选课、成绩登录等功能，需要得到其相关的数据流图。3.2.3 数据字典数据字典是对数据的详细描述，是对数据的结构和属性列出清单，它将数据信息以特定格式记录下来，所形成的文档。主要包括：数据项、数据结构、数据流、加工、数据存储、处理过程五个部分。1.1.数据项数据项数据项是数据中最小的、不可再分割的单位，一个数据项的描述通常如下：数据项描述=数据项名、数据项含义说明、别名、数据类型
7、、长度、取值范围、与其它数据项的关系其中：取值范围、与其它数据项的关系定义了数据的完整性约束条件，是设计数据检验功能的依据。3.2.3 数据字典2.2.数据结构数据结构数据结构是有意义的数据的集合，它反映了数据之间的组合关系。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。对数据结构的描述通常包括：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3.3.数据流数据流数据流是数据结构在系统内传输的路径。它既可以是数据项也可以是数据结构。数据流的描述通常包括：数据流描述=数据流名、说明、数据流来源、数据流去向、数据流组成：数据结构、平均
8、流量、高峰期流量3.2.3 数据字典4.4.数据数据存储存储数据存储是数据结构停留或保存的地方，也是数据流的来源和去向之一。对数据存储的描述通常包括：数据存储描述=数据存储名、说明、编号、流入的数据流、流出的数据流、组成：数据结构、数据量、存取方式5.5.处理处理过程过程数据字典中只需要描述处理过程的说明性信息，通常包括：处理过程描述=处理过程名、说明、输入：数据流，输出：数据流，处理：简要说明3.3 概念结构设计3.3.1 概念设计的必要性概念设计的必要性3.3.2 概念模型概念模型3.3.3 概念模型设计的策略和主要步骤概念模型设计的策略和主要步骤3.3 概念结构设计3.3.1 概念设计的
9、必要性概念设计的必要性3.3.2 概念模型概念模型3.3.3 概念模型设计的策略和主要步骤概念模型设计的策略和主要步骤3.3.2 概念模型概念模型有如下特点：(1)能真实地反映现实世界。(2)易于理解。(3)易于更改。(4)易于向关系、网状、层次等各种数据模型转换。概念模型与数据模型之间的关系3.3.3 概念模型设计的策略和主要步骤1.1.设计概念结构的策略设计概念结构的策略有以下4种：(1)自顶向下：首先定义全局概念结构的框架，再逐步细化。(2)自底向上：先定义每一个局部应用的概念结构，然后按一定的规则将它们集成，得到全局的概念结构。(3)逐步扩张：首先定义核心结构，然后向外扩张。(4)混合
10、策略：就是先自顶向下和自底向上结合起来，先用前一种方法确定框架，再用自底向上设计局部概念，然后再结合起来。在设计概念结构时通常采用自底向上策略。3.3.3 概念模型设计的策略和主要步骤2.2.采用采用E-RE-R方法的数据库方法的数据库概念设计步骤(1)设计局部E-R模型(2)设计全局E-R模型(3)全局E-R模型的优化3.4 逻辑结构分析逻辑结构设计的任务就是将概念模型E-R模型转化成特定的DBMS系统所支持的数据库的逻辑结构。关系数据库逻辑结构设计一般分3步：(1)将概念结构向一般的关系模型转换。(2)将转换来的关系模型向特定的RDBMS支持的数据模型转换。(3)对数据模型进行优化。3.4
11、.1 E-R图向关系模型的转换图向关系模型的转换3.4.2 数据模型的规范化处理数据模型的规范化处理3.4.3 关系数据库的逻辑设计关系数据库的逻辑设计3.4.1 E-R图向关系模型的转换E-R模型向关系数据库的转换有以下规则：1.实体的转换一个实体型转换为一个关系模式。实体的属性就是关系的属性，实体所对应的码就是关系的关键字。2.1:1联系的转换一个1:1联系可以转换为一个独立的关系模式，也可以与任意1端对应的关系模式合并。如果转换为一个独立的关系模式，则相连的每个实体的关键字及该联系的属性是该关系模式的属性，每个实体的关键字是该关系模式的候选关键字。3.1:N联系的转换3.4.1 E-R图
12、向关系模型的转换一个1:n联系可以转换为一个独立的关系模式，也可以与n端所对应的关系模式合并。如果转换为一个独立的关系模式，与该联系相连的各实体的关键字及联系本身的属性均转换为关系的属性，而关系的关键字为n端实体的关键字。4.m:n联系的转换一个m:n联系转换为一个关系模式，与该联系相连的各个实体的关键字及联系本身的属性转换为关系的属性，而该关系的关键字为各实体的关键字的组合。3.4.1 E-R图向关系模型的转换5.三个或三个以上实体间的多元联系的转换三个以上的实体间的一个多元联系可以转换为一个关系模式，与该多元联系相连的各实体的关键字及联系本身的属性转换为关系的属性，而该关系的关键字为各实体
13、关键字的组合。6.具有相同码的关系的处理具有相同码的关系可以合并。如果两个关系模型具有相同的主码，可以考虑将它们合并为一个关系模式。合并的方法是将其中一个关系模式的全部属性加入到另一个关系模式中，然后去掉其中的同义属性，并适当调整属性的次序。3.4.2 数据模型的规范 化处理一般来说，将关系模式规范化为一般来说，将关系模式规范化为3NF和和BCNF就可以了。规范就可以了。规范化处理的具体方法如下化处理的具体方法如下：(1)确定数据依赖确定数据依赖(2)确定键，消除冗余的联系确定键，消除冗余的联系(3)确定关系模式的范式级别确定关系模式的范式级别3.4.3 关系数据库的逻辑设计关系数据库关系数据
14、库逻辑结构设计的步骤如下：逻辑结构设计的步骤如下：(1)导出导出初始的关系模式：将初始的关系模式：将E-R模型按规则转换成关系模式。模型按规则转换成关系模式。(2)规范化规范化处理：消除异常，改善完整性、一致性和存储效率。处理：消除异常，改善完整性、一致性和存储效率。(3)模式模式评价：检查数据库模式是否能满足用户的要求，它包括评价：检查数据库模式是否能满足用户的要求，它包括功能评价和性能评价。功能评价和性能评价。(4)优化优化模式：采用增加、合并、分解关系的方法优化数据模型模式：采用增加、合并、分解关系的方法优化数据模型的结构，提高系统性能。的结构，提高系统性能。(5)形成形成逻辑设计说明书
15、。逻辑设计说明书。3.5 物理结构设计数据库物理结构设计的任务是选择合适的存储结构和存取路径，即设计数据库的内模式。数据库物理结构设计的任务是选择合适的存储结构和存取路径，即设计数据库的内模式。数据库物理结构的设计目标通常包括两个方面：其一，提高数据库的性能，主要是对用户应用性能的满足；其二，有效地利用存储空间。3.5.1 数据库的存取方法数据库的存取方法3.5.2 确定数据库的存储结构确定数据库的存储结构3.5.1 数据库的存取方法数据库物理结构设计的任务是选择合适的存储结构和存取路径，即设计数据库的内模式。数据库物理结构设计的任务是选择合适的存储结构和存取路径，即设计数据库的内模式。数据库
16、物理结构的设计目标通常包括两个方面：其一，提高数据库的性能，主要是对用户应用性能的满足；其二，有效地利用存储空间。3.5.2 确定数据库的存储结构数据库物理结构设计的任务是选择合适的存储结构和存取路径，即设计数据库的内模式。数据库物理结构设计的任务是选择合适的存储结构和存取路径，即设计数据库的内模式。数据库物理结构的设计目标通常包括两个方面：其一，提高数据库的性能，主要是对用户应用性能的满足；其二，有效地利用存储空间。3.6 数据库的实施与维护3.6.1 数据库的实施数据库的实施数据库的实施主要包括定义数据库结构和组织数据入数据库的实施主要包括定义数据库结构和组织数据入库两方面的内容。库两方面
17、的内容。1.定义数据结构定义数据结构2.组织数据入库组织数据入库3.6 数据库的实施与维护3.6.2 数据库的运行和维护数据库的运行和维护数据库的日常维护工作主要由数据库的日常维护工作主要由DBA完成，数据库维护完成，数据库维护的主要工作如下：的主要工作如下：1.数据库安全性、完整性控制数据库安全性、完整性控制2.数据库的转储和恢复数据库的转储和恢复3.数据库性能监控、分析与改进数据库性能监控、分析与改进4.数据库的重组与重构数据库的重组与重构本章小结数据库设计是进行数据库系统开发的主要内容。数据库设计是指对于一个给定的应用环境，构造最优秀的数据库模式，建立数据库系统，使之能够有效地存储数据、满足各种应用的需要。数据库设计一般要经过以下步骤：(1)需求分析。(2)概念结构设计。(3)逻辑结构设计。(4)数据库的物理设计。(5)数据库实施。(6)数据库运行与维护。