数据库结构与设计

实现设计
运用DBMS提供的数据语言（例如SQL）开发 工具，根据逻辑设计和物理设计的结果建立 数据库，编制与调试应用程序，组织数据入 库，并进行试运行。
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数据库实施
数据 装载 定义数 据库结 构
编制与 调试应 用程序 数据库 试运行
硬件环境 应用需求
存取时间 存储空间利用率 维护代价
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维护 代价，但往往会导致检索代价的增加
确定数据的存放位置（续）
基本原则
根据应用情况将 易变部分与稳定部分 存取频率较高部分与存取频率较低部分 分开存放，以提高系统性能
确定数据的存放位置（续）
第六章
关系数据库设计
6.1 设计方法概述
数据库设计定义：对于一个给定的应用环境， 构造最优的数据库模式，建立数据库及应用 系统，使之能有效地存储数据，满足各种用 户的应用需求。
数据库设计的目标
能够满足数据存储需求 便于最终用户访问 具有良好的安全机制 数据准确并易于管理 数据库整体性能良好
数据库设计的特点
制定策略：安排设计工作。 分析阶段：开发小组与关键人员进行交流，收集所有的业务需 求。 设计阶段：在确定逻辑模型的基础上进行物理模型的设计。 构建阶段：创建数据库，应用程序。 编写文档：技术文档，系统文档和用户文档。 转换阶段：将准备好的数据转换到产品环境中。使用真实的数 据对最终用户应用软件和数据库进行测试，确保应用软件的 各个功能模块工作正常，以及存储在数据库中的数据是一致 的。 产品阶段：数据库必须在产品环境下运行，并可供最终用户的 日常使用。
逻辑设计—关系模型的优化
以规范化理论为指导，进行优化。 确定数据依赖。对于各个关系模式之间的数据依赖进 行极小化处理，消除冗余的联系。 对关系模式逐一进行分析，确定各关系模式分别属于 第几范式。考查是否存在部分依赖、传递依赖、多 值依赖等，对关系模式进行必要的分解。 按照需求分析阶段得到的各种应用对数据处理的要求， 分析得到的模式是否合适，确定是否需要对它们进 行合并或分解。
4. 确定系统配置
DBMS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 同时打开的数据库对象数 使用的缓冲区大小、个数 时间片大小 数据库的大小 装填因子 等等
确定系统配置（续）
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。 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做进一步的 调整，以期切实改进系统性能。
基于ER方法的设计一般步骤
1 .需求分析 2 .概念设计 3 .逻辑设计 4 .物理设计 5．实现设计
需求分析
需求收集和分析 1 .信息要求 2 .处理要求 3 .功能要求 4 .环境特征 结果：数据字典（通常包括数据项、数据结构、 数据流、数据存储和处理过程五个部分 ）
需求分析
（ 1 ）信息要求，用户对即将建立的数据库有 些什么要求？保存什么信息？要从数据库中 得到什么信息？提供的数据与取得的信息是 什么形式？等等。 （2）处理要求，如何使用数据？对各种数据 的使用频率如何？检索方式如何？要输出那 些表格？被存取的数据量与运行限制等。
逻辑设计
将概念设计转换为关系模型 E-R图转换为关系模式的原则： （1） 一个实体集转换为一个关系模式。 （2）一个m:n联系转换为一个关系模式。 （3）一个1:n联系可以与n端对应的关系模式合 并（1的关键字放入N的关系中）。 （4） 一个1:1联系可以与任意一端对应的关系 模式合并。 （ 5 ） 三个或三个以上实体间的多元联系转换 为一个关系模式 （ 6 ） 同一实体集间的联系（自联系），可按 上述1:1、1:n和m:n三种情况分别处理。
企业模式是面向问题的、概念性 的模型，与DBMS无关，是高级概念 模型。与DBMS有关的模式称为逻辑 模式或用户模式
现实 世界 企业中 的数据 。实体 。属性 。联系 关系的 企业模式 用户（逻辑）模式 层次的
网状的
E-R方法简单易懂，企业模式比较稳定，不受DBMS 改变的影响，在优化系统性能时，只需修改用户模 式。因此，E-R方法是使用最广泛的方法之一。 1981年M. Flavin 对E-R方法进行了改进并称之为 信息建模法 ， 信息建模=实体（对象）+属性+关系+父类型/子类型+ 关联对象。 1988年又由S.Shlaer和S.Mellor发展为语义数据建 模方法，并因此有了许多面向对象的特点。
测试 数据库
文档
应用软件设计
移植
数据实例
测试 数据库
产品 数据库
产品
终端用户群 访问
数据库应 用软件
产品 数据库 修改请求
DEV
测试
Barker数据库设计方法过程
6.2 E-R方法
P.P.S. Chen 于1976年提出，基本思想是：首先设计 一个企业模式，该模式是现实世界的反映，与存储 组织、存取方法、效率等无关。然后将企业模式变 换为某个DBMS上的数据模式。 E-R图所描述的模式叫企业模式。
需求分析
3 .功能要求，对将要建立的信息系统应具有那 些功能？能给组织解决那些处理问题？功能 要求包括规划的、现存的、人工的或自动的 等各方面。 ４．环境特征，企业的规模与结构、部门的地 理分布、现有系统资源、数据库的安全性、 完整性限制以及ＤＢＭＳ与运行环境约束等。
学生学籍管理子系统数据字典
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
学生学籍管理子系统数据字典
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
3、Barker方法
以oracle的董事Richard Barker命名。 Barker负责设计了Oracle Designer的最初工作。 关系数据库设计和开发的自动化工具。 Barker方法是传统的设计方法的实时版， 它提出了更好的组织数据库设计工作的详细步 骤。
Barker方法包括七个阶段：
策略
基本处理模型
基本 ERD 图
分析 业务 实体
详细的 ERD 图
数据流程模型 视图
设计
逻辑模型转换为物理模型
数据 库表
索引
构建
数据库 定义 数据库设计
生成 DDL
创 建 EMP 表 （ EID VARCHAR2 NOT NULL ， NAME VARCHAR2 ， NOT NULL。 。 。 ） 系统文档 终端用户/系统文档 旧版本 数据 数据实例 运行 DDL （构建模式）
集成局部E-R图
结构冲突
(1) 同一对象在不同应用中具有不同的抽象。（实体/ 属性） (2) 同一实体在不同局部视图中所包含的属性不完全 相同。 (3) 实体之间的联系在不同局部视图中呈现不同的类 型。 优化：消除冗余数据和冗余联系
学生学籍管理局部E-R图
课程管理局部E-R图
学生管理集成E-R图
确定数据的存储结构（续）
聚簇以后可以节省存储空间 聚簇功能不但适用于单个关系，也适用于多个 关系 聚簇只能提高某些特定应用的性能，而且建立 和维护聚簇的开销是很大的
2. 设计数据的存取路径
在关系数据库中，选择存取路径主要是指确定 如何建立索引
3. 确定数据的存放位置
影响数据存放位置和存储结构的因素
例： 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，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，因而可以保证物理读写 速度比较快。 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。
设计数据库的物理模式 评价应 用的 性能 ，考虑 使用 频率与周期 评价数据库物理模式
数据库实现
基于3NF的数据库设计过程
设计企业模式
研究应用环境，并设定环境中所使用的资 料。 决定每一种报表里各自包含的数据元素 决定数据元素之间的关系，确定主关键字 的数据元素和普通数据元素。 对每一组数据元素推导第三范式关系。 基于得到的第三范式关系给出数据库企业 模式。
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。
概念设计
对用户需求进行综合、归纳与抽象，形成一个 独立于具体DBMS的概念模型。 结果：E-R图 概念设计常用方法： （1）自底向上：首先根据需求分析的结果设计 各个局部E-R图；然后集成并优化局部视图。 （ 2 ）逐步扩张 ：首先定义最重要的核心概念 结构，然后向外扩充，以滚雪球的方式逐步 生成其他概念结构，直至总体概念结构。
2、基于3NF的数据库设计
由S.Atre提出。 分五个阶段进行。 每个阶段又分为若干步。 在企业模式设计阶段 ( 第一阶段 ) 利用关系数据库规范 化理论指导设计。
数据分析：收集 基本数据 （实体与实 体之 间的联系） 设计数据 库的企业 模式 现存的应用：收 集在现存 应用中决定 实体 及它们之间的联系的有关信息 潜在的应用：收 集关于数 据被潜在应 用的 信息 DBMS 要求以及指定 DBMS 软件所强加的过程 设计数据库的逻辑模式
物理设计
为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构。
确定数据库物理结构的内容
1. 确定数据的存储结构 2. 设计数据的存取路径 3. 确定数确定数据的存储结构
确定数据存储结构时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 许多DBMS提供聚簇功能，提高某个属性或属 性组的查询速度
1、New Orleans框架法
美国新奥尔良数据库设计讨论会上，三十多个欧美国 家的主要数据库专家讨论得到的方法 -- 数据库设计 生命周期(New Orleans DBD框架) 法: (1):公司要求分析(分析用户要求) (2):信息分析和定义(建立概念性数据模型) (3):设计实现(逻辑设计) (4):物理数据库设计(物理设计)
涉及多学科的综合技术 硬件、软件和干件的结合 庞大的工程项目。 三分技术，七分管理与经验，十二分基础数据。 涉及结构设计和行为设计二方面。
典型的数据库设计方法
1、NEW ORLEANS框架法 2、基于3NF的方法 3、基于ER模型的方法 4、语义对象模型的方法 5、Barker方法 6、计算机辅助设计方法 ORACLE ：DESIGNER 2000 SYBASE ： POWERDESIGNER

学生学籍管理子系统数据字典
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： ……
学生学籍管理子系统数据字典
数据存储： 学生登记表
说明： 组成： 数据量： 存取方式： 记录学生的基本情况 …… 每年3000张 随机存取
学生学籍管理子系统数据字典
处理过程：分配宿舍
确定数据的存储结构（续）
聚簇功能可以大大提高按聚簇码进行查询的效率
例如：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，设信息系有120个学生，在极端情况 下，这120个学生所对应的元组分布在120个不同的物理 块上，由于每访问一个物理块需要执行一次I/O操作，因 此查询即使不考虑访问索引的I/O次数，也要执行120次 I/O操作。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元组，从而显著地 减少了访问磁盘的次数
画E-R图的基本步骤： （1）确定实体类型； （2）确定联系类型； （3）画出E-R图； （4）确定属性；
集成局部E-R图
集成时注意三类冲突：
属性冲突
(1) 属性域冲突，即属性值的类型、取值范围或取值 集合不同。 (2) 属性取值单位冲突。
命名冲突
(1) 同名异义。 (2) 异名同义（一义多名）。