第3章 关系数据库设计

• CASE（Computer-Aided Software Engineering， 计算机辅助软件工程）
3.1.2 数据库设计的基本步骤
• 按照规范设计法，可以将数据库设计的全过程分 为六个基本阶段（如图3.1所示）：
– – – – – – 需求分析 概念结构设计 逻辑结构设计 物理结构设计 数据库实施 数据库运行和维护
• 设计一个完善的数据库应用系统往往需要以上6 个阶段的不断反复。
第3章 关系数据库设计
• 3.1 数据库设计概述
• 3.2 概念结构设计 • 3.3 逻辑结构设计 • 3.4 本章小结
3.2 概念结构设计
• 概念结构设计是将用户需求抽象为概念模型（或 称概念结构）的过程，是整个数据库设计的关键。 • 作为各种数据模型的共同基础，概念结构具有以 下主要特点：
– 根据需求分析的结果，为每一个局部应用设计相应的 局部概念模型（或称局部视图）； – 将这些局部视图集成为一个全局的概念模型，并对其 进行验证，以确保该全局概念模型的一致性，并满足 需求分析阶段确定的所有用户需求。
3.2.2 局部视图的设计
• 学生成绩管理子系统
– 学生成绩管理子系统主要用于学生的选课管理和成绩管理。 – 学校只有一种类型的学生，每名学生有惟一的一个学号，还 有姓名、性别、年龄、班级等基本信息。 – 学校开设了多门课程，每门课程有惟一的一个课程号，还有 课程名、学分、课程简介等基本信息。 – 由于一门课程同时可以由多位老师讲授，因此，在上一学期 末进行选课的时候，每名学生可以根据主讲老师（有惟一的 老师编号）的姓名、性别、年龄、职称、学历等基本信息有 选择地选修由某些老师讲授的某些课程。 – 每位老师同时可以讲授多门课程，每门课程可以供多名学生 选修，如果由某位老师讲授的某门课程没有学生选修，则取 消由这位老师讲授的这门课程。 – 主讲老师会在学期末将自己所教学生的所教课程成绩输入到 数据库中，供学生在网上进行查询。
3.1.2 数据库设计的基本步骤(续)
• 物理结构设计阶段
– 物理结构设计阶段实现的是数据库系统的内模式， 它的质量直接决定了整个系统的性能。 – 物理结构设计是根据具体计算机系统(DBMS和硬件 等)的特点，为数据模型选取一个最适合应用环境的 物理结构，包括存储结构和存取方法。 – 为了设计数据库的物理结构，设计人员必须充分了 解所用DBMS的内部特征；充分了解数据系统的实际 应用环境，特别是数据应用处理的频率和响应时间 的要求；充分了解外存储设备的特性。 – 对将在数据库上运行的各种事务进行详细分析，根 据所用数据库管理系统提供的存储结构和存取方法， 选取一个最适合应用环境的物理结构，使得在数据 库上运行的各种事务的响应时间小、存储空间利用 率高、事务吞吐率大。
3.2.2 局部视图的设计(续)
• 学生成绩管理子系统(续)
– 首先，根据用户需求，分析潜在的实体。实体通常是 需求文档中的中心名词，主要活动都是围绕它们开展 的。显然可以找出学生、课程和老师这3个实体，因 为该子系统的主要活动——课程的选修与讲授以及成 绩的输入与查询都是围绕这3个实体开展的。 – 每一个实体都有相应的属性来描述它。在本例中，
3.1.2 数据库设计的基本步骤(续)
• 数据库的运行和维护阶段
– 数据库试运行合格后，就可以交给用户正式运行了。 – 由于应用环境的不断变化，对数据库的维护工作将 是一项长期任务。 – 在数据库运行阶段，对数据库经常性的维护工作主 要由数据库管理员负责完成，包括：
• • • • 数据库的转储和恢复。 数据的安全性和完整性控制。 数据库性能的监督、分析与改造。 数据库的重组织和重构造。
也就是说，数据库设计不但要建立数据库，而 且还要建立基于数据库的应用系统，即设计整个数 据库应用系统，这是对数据库设计的广义理解。
本书主要讨论狭义的数据库设计，即设计数据 库本身，或者说，设计数据库的各级模式并据此建 立数据库，这是整个数据库应用系统设计的一部分。
3.1.1 数据库设计的方法
• 新奥尔良方法
3.1.2 数据库设计的基本步骤(续)
3.1.2 数据库设计的基本步骤(续)
• 数据库的设计需要多种人员在不同阶段参与进来， 包括系统分析人员、数据库设计人员、数据库管 理员、应用开发人员和用户。
– 系统分析人员和数据库设计人员是数据库设计的核心人 员，他们将自始至终参与数据库的设计，他们的水平直 接决定了数据库系统的质量。 – 由于需要对数据库进行全面的管理和控制，数据库管理 员也需要参与数据库设计的全过程。 – 应用开发人员（包括程序员和操作员）在数据库实施阶 段参与进来，负责编制程序和准备软硬件环境。 – 用户在需求分析阶段和概念结构设计阶段参与进来，使 设计人员能准确把握用户的各种需求，设计出使用户满 意的概念模型；此外，设计出来的数据库最终还要交给 用户正式运行，因此，用户还要参与数据库的运行和维 护阶段。
3.1.2 数据库设计的基本步骤(续)
• 物理结构设计阶段(续)
– 例如
• 为了提高数据的存取效率，为某些属性（如经常出 现在查询条件中的多值属性等）建立必要的索引等； • 根据实际情况，将数据的易变部分和稳定部分、经 常存取部分和存取频率较低部分分开存放，以改进 系统的性能。
– 在目前商品化的关系数据库管理系统中，数据库的 大部分物理结构都由系统自动完成，用户需要设计 的部分已经很少了。 – 实际上，对于小型的数据库，我们很少考虑数据库 的物理结构。 – 因此，这里只重点讨论数据库的概念结构设计和逻 辑结构设计。
• 和数据模型相比，概念模型更容易被用户理解，是 设计人员和用户之间进行交流的语言，用户的积极 参与是数据库设计成功的关键。
3.1.2 数据库设计的基本步骤(续)
• 逻辑结构设计阶段
– 逻辑结构设计是将概念模型转换为某一数据库管理 系统支持的数据模型（即逻辑模型，如关系模型）， 并对其进行优化。 – 此外，逻辑结构设计还要根据用户对数据的不同需 求建立必要的视图，即外模式。
3.1.2 数据库设计的基本步骤(续)
• 需求分析阶段
– – – – 进行数据库设计首先必须准确了解和分析各种用户的应用需求。 需求分析是整个设计过程的基础，是最困难、也最耗时的一步。 简单地说，需求分析就是分析用户的需求，是设计数据库的起点。 通过调查、收集和分析，获得用户对数据库的以下需求：
• 数据需求。 • 处理需求。 • 安全性与完整性需求。
– 其次，根据用户需求，确定实体之间的联系。实体之 间的联系通常是需求文档中的中心动词，表示实体之 间发生的动作或隶属关系。在本例中，选修（或讲授） 就是这3个实体之间发生的主要动作。 – 由于一名学生可以选修由不同老师讲授的不同课程， 一位老师可以给不同学生讲授不同课程，一门课程可 以由不同老师给不同学生讲授，因此，这3个实体之 间的选修联系是一个多对多联系（m:n:p）。 – 选修联系发生后，会产生一个基本属性，这就是主讲 老师要向数据库输入的成绩。 – 老师对成绩的输入和学生对成绩的查询都不能看作是 实体之间的联系，它们只是对成绩属性的数据操作。
• 描述学生的基本属性有学号、姓名、性别、年龄和 班级，其中，学号为码。 • 描述课程的基本属性有课程号、课程名、学分和课 程简介，其中，课程号为码。 • 描述老师的基本属性有老师编号、姓名、性别、年 龄、职称、学历，其中，老师编号为码。
3.2.2 局部视图的设计(续)
• 学生成绩管理子系统(续)
第3章 关系数据库设计
• 3.1 数据库设计概述
• 3.2 概念结构设计 • 3.3 逻辑结构设计 • 3.4 本章小结
3.1 数据库设计概述
数据库设计是指对于一个给定的应用环境，设 计优化的数据库逻辑模式和物理结构，并据此建立 数据库及其应用系统，使之能够有效地存储、管理 和利用数据，满足各种用户的应用需求（包括数据 需求、处理需求、安全性和完整性需求）。
3.2.2 局部视图的设计(续)
– 对用户的以上需求进行分析和表达之后，必须提交 给用户，征得用户的认可。 – 需求分析阶段的一个重要而困难的任务是收集将来 应用可能涉及到的数据，设计人员应充分考虑到应 用的可扩充性，使系统易于扩充。
3.1.2 数据库设计的基本步骤(续)
• 概念结构设计阶段
– 概念结构设计是整个数据库设计的关键，它通过对 用户需求进行综合、归纳和抽象，形成独立于任何 数据库管理系统的概念模型，通常用E-R图表示。 – 在需求分析阶段得到的应用需求首先应抽象为信息 世界中的概念模型，才能更准确地用某一数据库管 理系统支持的数据模型来实现这些需求。
– 规范设计法，即运用软件工程思想，将设计过程 分为若干阶段和步骤，按照工程化的方法设计数 据库。 – 新奥尔良方法将数据库设计分成需求分析、概念 设计、逻辑设计和物理设计四个步骤。 – 现在常用的规范设计法大多起源于新奥尔良方法， 只是在数据库设计的不同阶段上采用了某些具体 的技术和方法。
• 基于E-R模型的数据库设计方法 • 基于3NF的数据库设计方法
3.2.1 概念结构设计的方法和步骤
• 概念结构设计通常有以下四种方法：
– 自顶向下
– 自底向上
– 逐步扩张 – 混合策略
• 其中，最常用的策略是自底向上方法，即自顶向 下地进行需求分析，然后再自底向上地设计概念 模型。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3.2.1 概念结构设计的方法和步骤(续)
• 概念结构设计可分为以下两个步骤:
3.2.2 局部视图的设计(续)
• 学生成绩管理子系统的E-R图
3.2.2 局部视图的设计(续)
• 在不同的应用中，同一个客观事物可以有不同的 抽象级别。 • 例如，班级在这里作为学生的一个属性，而在其 它地方可能被抽象为一个实体。 • 为了简化E-R图，尽量减少实体个数，凡满足以 下两条准则的客观事物，一般都作为属性处理：
– 属性必须是不可再分的数据项，即属性不能再有需 要进一步描述的性质； – 属性不能与其它实体发生联系，即E-R图中的联系都 是实体和实体之间的联系。