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1、数据库设计的任务、内容和特点数据库设计的任务数据库设计是指根据用户需求研制数据库结构的过程，具体地说，是指对于一个给定的应用环境，构造最优的数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能有效的存储数据，满足用户的信息要求和处理要求。也就是把现实世界中的数据，根据各种应用处理的要求，加以合理地组织，满足硬件和操作系统的特性，利用已有的DBMS来建立能够实现系统目标的数据库。6.1 数据库设计概述第1页/共62页数据库设计的任务如下图所示。数据库设计信息需求处理需求信息需求典型应用程序DBM特性硬件和操作系统特性 数据库设计的任务第2页/共62页数据库设计包括数据库的结构设计和数据库的行为设计两方面的
2、内容。1数据库的结构设计数据库的结构设计是指根据给定的应用环境，进行数据库的模式的设计。它包括数据库的概念设计、逻辑设计和物理设计。数据库模式是各应用程序共享的结构，是静态的、稳定的，一经形成后通常情况下是不容易改变的，所以结构设计又称为静态模型设计。第3页/共62页2数据库的行为设计数据库的行为设计是指确定数据库用户的行为和动作。而在数据库系统中，用户的行为和动作指用户对数据库的操作，这些要通过应用程序来实现，所以数据库的行为设计就是应用程序的设计。用户的行为总是使数据库的内容发生变化，所以行为设计是动态的，行为设计又称为动态模型设计。第4页/共62页数据库设计的特点在70年代末80年代初，
3、人们为了研究数据库设计方法学的便利，曾主张将结构设计和行为设计两者分离，随着数据库设计方法学的成熟和结构化分析、设计方法的普遍使用，人们主张将两者作一体化的考虑，这样可以缩短数据库的设计周期，提高数据库的设计效率第5页/共62页现代数据库的设计的特点是强调结构设计与行为设计相结合，是一种“反复探寻，逐步求精”的过程。首先从数据模型开始设计，以数据模型为核心进行展开，数据库设计和应用系统设计相结合，建立一个完整、独立、共享、冗余小、安全有效的数据库系统。数据库设计的特点第6页/共62页现实世界数据分析用户业务活动分析概念设计功能模型逻辑设计事务设计物理设计程序说明子模式设计应用程序设计加载试验数
4、据程序编码调试性能考核满意?是否加载数据库运行和维护数据库设计的全过程第7页/共62页数据库设计方法简述 数据库设计方法主要有直观设计法和规范设计法直观设计法也叫手工试凑法，它是最早使用的数据库设计方法。这种方法依赖于设计者的经验和技巧，缺乏科学理论和工程原则的支持，设计的质量很难保证，常常是数据库运行一段时间后又发现各种问题，这样再重新进行修改，增加了系统维护的代价。因此这种方法越来越不适应信息管理发展的需要。第8页/共62页为了改变这种情况，1978年10月，来自三十多个国家的数据库专家在美国新奥尔良（New Orleans）市专门讨论了数据库设计问题，他们运用软件工程的思想和方法，提出了
5、数据库设计的规范，这就是著名的新奥尔良法，它是目前公认的比较完整和权威的一种规范设计法。新奥尔良法将数据库设计分成需求分析（分析用户需求）、概念设计（信息分析和定义）、逻辑设计（设计实现）和物理设计（物理数据库设计）。目前，常用的规范设计方法大多起源于新奥尔良法，并在设计的每一阶段采用一些辅助方法来具体实现。下面简单介绍几种常用的规范设计方法。数据库设计方法简述 第9页/共62页1基于E-R模型的数据库设计方法 基于E-R模型的数据库设计方法是由陈品山于1976年提出的数据库设计方法，其基本思想是在需求分析的基础上，用E-R（实体联系）图构造一个反映现实世界实体之间联系的企业模式，然后再将此企
6、业模式转换成基于某一特定的DBMS的概念模式。数据库设计方法简述 第10页/共62页2基于3NF的数据库设计方法基于3NF的数据库设计方法是由SAtre提出的结构化设计方法，其基本思想是在需求分析的基础上，确定数据库模式中的全部属性和属性间的依赖关系，将它们组织在一个单一的关系模式中，然后再分析模式中不符合3NF的约束条件，将其进行投影分解，规范成若干个3NF关系模式的集合。其具体设计步骤分为五个阶段：数据库设计方法简述 第11页/共62页基于3NF3NF的数据库设计方法(1)设计企业模式，利用规范化得到的3NF关系模式画出企业模式；(2)设计数据库的概念模式，把企业模式转换成DBMS所能接受
7、的概念模式，并根据概念模式导出各个应用的外模式；(3)设计数据库的物理模式（存储模式）；(4)对物理模式进行评价；(5)实现数据库。第12页/共62页3 3基于视图的数据库设计方法此方法先从分析各个应用的数据着手，其基本思想是为每个应用建立自己的视图，然后再把这些视图汇总起来合并成整个数据库的概念模式。合并过程中要解决以下问题：(1)消除命名冲突；(2)消除冗余的实体和联系；(3)进行模式重构，在消除了命名冲突和冗余后，需要对整个汇总模式进行调整，使其满足全部完整性约束条件。第13页/共62页数据库设计的步骤和其他软件一样，数据库的设计过程可以使用软件工程中的生存周期的概念来说明，称为“数据库
8、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计分为六个阶段：（1）系统需求分析阶段（2）概念结构设计阶段（3）逻辑结构设计阶段（4）物理设计阶段（5）数据库实施阶段（6）数据库运行与维护阶段 第14页/共62页该方法是分阶段完成的，每完成一个阶段，都要进行设计分析，评价一些重要的设计指标，把设计阶段产生的文档组织评审，与用户进行交流。如果设计的数据库不符合要求则进行修改，这种分析和修改可能要重复若干次，以求最后实现的数据库能够比较精确地模拟现实世界，能较准确地反映用户的需求，设计一个完善的数据库应用系统往往是六个阶段的不断反复的过程。数据库设计中，前两个阶
9、段是面向用户的应用要求，面向具体的问题；中间两个阶段是面向数据库管理系统；最后两个阶段是面向具体的实现方法。前四个阶段可统称为“分析和设计阶段”，后两个阶段称为“实现和运行阶段”。六个阶段的主要工作各有不同。第15页/共62页1系统需求分析阶段需求分析是整个数据库设计过程的基础，要收集数据库所有用户的信息内容和处理要求，并加以规格化和分析。这是最费时、最复杂的一步，但也是最重要的一步，相当于待构建的数据库大厦的地基，它决定了以后各步设计的速度与质量。需求分析做得不好，可能会导致整个数据库设计返工重做。在分析用户需求时，要确保用户目标的一致性。2概念结构设计阶段概念设计是把用户的信息要求统一到一
10、个整体逻辑结构中，此结构能够表达用户的要求，是一个独立于任何DBMS软件和硬件的概念模型。3逻辑结构设计阶段逻辑设计是将上一步所得到的概念模型转换为某个DBMS所支持的数据模型，并对其进行优化。第16页/共62页4物理设计阶段物理设计是为逻辑数据模型建立一个完整的能实现的数据库结构，包括存储结构和存取方法。上述分析和设计阶段是很重要的，如果做出不恰当的分析或设计，则会导致一个不恰当或反应迟钝的应用系统。5数据库实施阶段根据物理设计的结果把原始数据装入数据库，建立一个具体的数据库并编写和调试相应的应用程序。应用程序的开发目标是开发一个可依赖的有效的数据库存取程序，来满足用户的处理要求。6数据库运
11、行与维护阶段这一阶段主要是收集和记录实际系统运行的数据，数据库运行的记录用来提高用户要求的有效信息，用来评价数据库系统的性能，进一步调整和修改数据库。在运行中，必须保持数据库的完整性，并能有效地处理数据库故障和进行数据库恢复。在运行和维护阶段，可能要对数据库结构进行修改或扩充。第17页/共62页可以看出，以上六个阶段是从数据库应用系统设计和开发的全过程来考察数据库设计的问题。因此，它既是数据库也是应用系统的设计过程。在设计过程中，努力使数据库设计和系统其他部分的设计紧密结合，把数据和处理的需求收集、分析、抽象、设计和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。按照这个原则，
12、数据库过程各个阶段的设计可用下图描述。在上图有关处理特性的描述中，采用的设计方法和工具属于软件工程和管理信息系统等课程中的内容，本书不再讨论，这里重点介绍数据特性的设计描述以及在结构特性中参照处理特性设计以完善数据模型设计的问题。第18页/共62页数据库的设计步骤YYNN需求分析阶段现有应用、未来应用数据分析概念模型设计转换规范，规范化理论DBMS要求逻辑模型设计用户应用要求DBMS限制物理模型设计应用程序的使用频率性能评价与预测符合要求？物理实现试运行满意？使用与维护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阶段第19页/共62页 设计阶段设 计 描 述数据处理需求分析
13、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定表（判定树）数据字典中处理过程的描述概 念 结 构 设 计概念模型（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)反映新系统信息的数据流图逻 辑 结 构 设 计某种数据模型关系模型系统结构图非关系模型（模块结构图）物理设计存储安排存取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测试，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）数据库各个设计阶段的描述数据库各个设计阶段的描述第20页/共62页6.2 需求分析需求分析就
14、是分析用户的需要与要求需求分析是设计数据库的起点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第21页/共62页需求分析重点与难点需求分析的重点是调查、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。信息要求用户需要从数据库中获得信息的内容与性质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第22页/共62页需求分析重点与难点处理要求对处理功能的要求对处理的响应时间的要求对处理方式的要求(批处理/联机处理)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。第23页/共62页需求
15、分析重点与难点确定用户最终需求的难点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。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。新的硬件、软件技术的出现也会使用户需求发生变化。第24页/共62页需求分析重点与难点解决方法设计人员必须采用有效的方法，与用户不断深入地进行交流，才能逐步得以确定用户的实际需求也可根据粗糙的需求快速给出原型，使得用户可依据此原型整理出改进意见，从而确定实际需求第25页/共62页需求分析过程需求获取需求分析与表达第26页/共62页需求获取与客户交流询问
16、；跟班调查；查阅单据；开调研会；请领域专家座谈等形成需求文档描述组织机构；部门与岗位职责；部门业务活动等重点关注信息要求，处理要求和完全性与完整性要求确定系统边界第27页/共62页需求分析与表达分析和表达用户的需求的常用方法自顶向下的结构化分析方法（Structured Analysis，简称SA方法）面向对象的分析方法SA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，并用数据流图和数据字典描述系统。第28页/共62页需求分析的方法(a)自顶向下的需求分析(b)自底向上的需求分析需求需求需求需求需求需求需求需求需求需求需求需求需求需求第29页/共62页数据流图数据流图（Data
17、Flow Diagram），是从实际系统抽象出来的、用特定的符号反映系统的数据传递和变换过程的图。它是系统的逻辑模型，与实际系统中具体的处理人员、处理工具和处理方式等无关，只反映数据处理和传送的过程和方向。第30页/共62页数据流图的成分数据流：沿箭头方向传递数据的通道，描述数据的流向。处理：对流入的数据进行的操作。数据流图的核心。数据存储：与处理有关的数据集合。实体：描述数据流的起点和终点。第31页/共62页数据流图的画法自顶向下，逐步求精的方法顶层图：描述系统的范围和边界底层图：描述一个简单的独立功能中间图：描述上一层的某个处理，分解成几个独立的功能由外向里的原则：在绘制顶层图时先考虑整个
18、系统的输入和输出数据流，然后再考虑系统内部的其他元素。注意事项：恰当地命名、处理框编号第32页/共62页数据流图绘制过程1首先把任何一个系统都抽象为：数据流数据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第33页/共62页数据流图细化过程2分解处理功能和数据（1）分解处理功能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表达清楚为止。（2）分解数据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 数据流图表达了数据和处理过程的关系第34页/共62页数据流图细化过程（3）表达方法
19、 处理过程：用判定表或判定树来描述 数据：用数据字典来描述 3将分析结果再次提交给用户，征得用户的认可第35页/共62页数据流图实例 例：某学校排课业务流程调研如下：1）教务科根据各专业教学计划统计出各班级下学期所开课程情况，并将该表交各专业教研室主任。2）各教研室主任为本室教师安排课程，每位教师写出自己的上课要求，一并交教务科。3）教务科安排排课人员排课。4）将班级课表交班主任，教师课表交任课教师和督导室。5）各班课表和教师课表都要留一份存档。第36页/共62页排课业务第一层DFD图教学计划教师课表排课时间要求教师课表各班课表教务科任课教师任课教师督导室班主任教师课表各班课表安排课程第37页
20、/共62页排课业务第二层DFD图教学计划各班课程安排分配表教师任务教师课表各班课表各班课表教师课表时间要求确定下学期各班课程排课各教研室主任教师课表各班课表教务科任课教师督导室班主任第38页/共62页售书系统DFD顶层领书单 进书通知 购书单 缺书单 学生教材购销系统书 库保 管员第39页/共62页售书系统DFD1层领书单进书通知 进书通知 购书单缺书单 1销售2采购书库保管员学生F1教材存量表 F2缺书登记表 销售记录销售记录采购记录采购记录第40页/共62页数据字典数据字典(Data Dictionary)是各类数据描述的集合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数据字典在
21、数据库设计中占有很重要的地位第41页/共62页数据字典数据字典中有五类条目：数据项数据流数据存储处理过程数据结构数据项是数据的最小组成单位 若干个数据项可以组成一个数据结构 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。第42页/共62页数据字典中常用的符号+表示“与”；表示“或”，即选择括号中的某一项；表示“重复”，即括号中的项要重复若干次；表示“可选”，即括号中的项可有可无第43页/共62页 数据项数据项是不可再分的数据单位 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取值范围、与其他数据项的逻辑
22、关系定义了数据的完整性约束条件第44页/共62页数据项数据项名称：CourseName 说明：课程的名称 别名：课程名 数据类型：String 数据长度：30第45页/共62页 数据结构数据结构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:数据项或数据结构第46页/共62页数据结构数据结构名称：教师课表说明：记录教师上课时间组成：教师名称课程名称周次星期几时间第47页/共62页 数据流 数据流是数据结构在系统内传输的路径。对数据流的描述数据流描述数据流名，说明
23、，数据流来源，数据流去向，组成:数据结构，平均流量，高峰期流量数据流来源是说明该数据流来自哪个过程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第48页/共62页数据流数据流名称：教师课表 说明：下学期教师上课时间表 数据流来源：排课 数据流去向：任课教师、督导室、D1 教师课表 数据流组成：教师姓名+课程名+星期 +节次 数据流的流通量：300份/学期第49页/共62页 数据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。对数据存储的描述数据存储描述数据存储名，说明，编号，流入的数据流，流
24、出的数据流，组成:数据结构，数据量，存取方式流入的数据流：指出数据来源流出的数据流：指出数据去向数据量：每次存取多少数据，每天（或每小时、每周等）存取几次等信息存取方法：批处理/联机处理；检索/更新；顺序检索/随机检索第50页/共62页 处理过程处理过程的具体处理逻辑一般用判定表或判定树来描述。数据字典中只需要描述处理过程的说明性信息处理过程说明性信息的描述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:简要说明第51页/共62页处理过程（续）简要说明：主要说明该处理过程的功能及处理要求功能：该处理过程用来做什么处理要求：处理频度要求（如单位时间里处理多少事务，多少数据量）；响
25、应时间要求等处理要求是后面物理设计的输入及性能评价的标准第52页/共62页数据字典例子例：学生学籍管理子系统的数据字典。数据项，以“学号”为例：数据项：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：第53页/共62页数据字典例子数据结构 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：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，年级第54页/共62页数据字典例子数据流
26、“体检结果”可如下描述：数据流：体检结果 说明：学生参加体格检查的最终结果 数据流来源：体检 数据流去向：批准 组成：平均流量：高峰期流量：第55页/共62页数据字典例子数据存储“学生登记表”可如下描述：数据存储：学生登记表 说明：记录学生的基本情况流入数据流：流出数据流：组成：数据量：每年3000张 存取方式：随机存取 第56页/共62页数据字典例子处理过程“分配宿舍”可如下描述：处理过程：分配宿舍说明：为所有新生分配学生宿舍输入：学生，宿舍，输出：宿舍安排处理：在新生报到后，为所有新生分配学 生宿舍。要求同一间宿舍只能安排 同一性别的学生，同一个学生只能 安排在一个宿舍中。每个学生的居 住
27、面积不小于3平方米。安排新生 宿舍其处理时间应不超过15分钟。第57页/共62页需求分析结果需求分析最终结果是一份需求规格说明书需求规约是概念设计的最主要依据需求规约模板(1)系统概况，系统的目标、范围、背景、历史和现状；(2)系统的原理和技术，对原系统的改善；(3)系统总体结构与子系统结构说明；(4)系统功能说明；(5)数据处理概要、工程体制和设计阶段划分；(6)系统方案及技术、经济、功能和操作上的可行性第58页/共62页结构化的需求分析方法加工说明数据对象说明状态迁移图STDDFD图E-R图数据字典DD控制说明第59页/共62页面向对象的需求分析方法属性、操作、协作者对象-行为模型对象-关系模型类/对象模型用例(usecase)第60页/共62页面向对象需求分析中的数据信息映射为类的属性操作映射为类的方法数据之间的联系映射为类之间的联系第61页/共62页感谢您的观看！第62页/共62页