《数据库概述》 第七章 数据库设计

7.1 数据库设计概述

数据库设计：根据给定环境，构造优化逻辑模式和物理结构，据此建立数据库及其应用系统。以此满足各种用户的需求，包括信息管理与数据操作。

信息管理要求：在数据库中应该存储和管理哪些数据对象

数据操作要求：对数据对象需要进行哪些操作，例如增删改查。

数据库设计的目标：为用户和各种应用系统提供一个信息基础设施和高效率的运行环境。

高效率的运行环境：数据库数据存取效率高、数据库存储空间的利用率高、数据库系统运行管理的效率高

7.1.1 数据库设计的特点

数据库建设基本规律：三分技术、七分管理、十二分基础数据（数据收集、整理、组织、更新）

将数据库结构设计和数据处理设计密切结合

7.1.2 数据库设计方法

1. 手工试凑法：根据设计人员经验进行设计，缺乏科学理论和工程方法支持。维护代价大。
2. 规范设计法：不断迭代和逐步求精

• 新奥尔良方法：四个阶段，明确阶段功能。（需求设计-概念设计-逻辑设计-物理设计）

• 基于E-R模型的数据库设计方法

• 3NF设计方法：消除传递函数依赖

• 面向对象的数据库设计方法

• 统一建模语言(UML）方法

7.1.3 数据库设计基本步骤

六个阶段：需求分析（要求）、概念结构设计（根据要求描述）、逻辑结构设计（按表格建立）、物理结构设计（怎样存放于计算机）、数据库实施、数据库运行和维护、

• 需求分析和概念设计独立于任何数据库管理系统
• 逻辑设计和物理设计与选用的数据库管理系统密切相关

7.1.4 数据库设计过程中的各级模式

需求分析阶段：综合各用户需求

概念设计阶段：独立于及机器特点，独立于各个数据库管理系统产品的概念模式

逻辑设计阶段：将E-R图转换成具体数据库产品支持的模型

物理设计阶段：根据数据库管理系统特点和处理需要，进行物理存储安排，形成内模式

7.2? 需求分析

7.2.1 需求分析的任务

1. 了解要处理的对象
2. 充分了解原系统的工作概况
3. 明确用户的各种需求
4. 确定新系统的功能

重点是“数据”和“处理”：信息要求、处理要求、安全性和完整性要求

7.2.2 需求分析的方法

目的：调查清楚用户的实际需求并进行初步分析，最终与用户达成共识

步骤：调查组织情况 - 调查各部门业务情况 - 协助用户明确对新系统的各种要求

方法：跟班作业、开调查会、请专人介绍、询问、设计调查表请用户填写、查阅记录

结构化分析法（SA）：从最上层的系统组织机构入手，自顶向下、逐层分析

7.2.3 数据字典

数据字典是关于数据库中数据的描述，不是数据本身。

数据字典内容：数据项、数据结构、数据流、数据存储、处理过程

数据项：不可再分的数据单位

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、数据项的联系

数据结构：反映了数据之间的组合关系

数据结构名、含义说明、组成

数据流：数据结构在系统内传输的路径

数据流名、说明数据流来源及去向、组成

数据存储：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

数据存储名、输入的数据流、输出的数据流

处理过程：判定表或判定树来描述

7.3? 概念结构设计

7.3.1 概念模型

特点：真实、易于理解、易于更改、易于各种数据模型转换

7.3.2 E-R模型

联系的度：参与联系的实体型的数目

1. 实体之间的联系

（1）两个实体型之间的联系

一对一联系：实体集A与实体集B具有一一对应联系

一对多联系：实体集A与实体集B又一对多联系

多对多联系：实体集A与实体集B具有多对多联系

（2）两个以上实体型之间的联系

同样有又一对一、一对多、多对多联系

（3）单个实体型内的联系

同样有又一对一、一对多、多对多联系

2.E-R图

E-R图提供了表示实体型、属性和联系的方法

实体型：用矩形

属性：用椭圆

联系：用菱形，需要写明（1：1）（1：n）等，联系可以有属性

7.3.3? 扩展的E-R模型

7.3.4 UML

7.3.5 概念结构设计

准则：

（1）作为属性，不能再具有需要描述的性质。

（2）属性不能与其他实体具有联系，E-R图表示的联系是实体间的联系。

（属性只能对应一个实体）

E-R图的集成

第一步：合并。消除各部分的冲突，合并初步E-R图。

冲突：属性冲突（取值类型、范围）、命名冲突（同名异义、命名冲突）、结构冲突（在不同应用中具有不同抽象）

第二步：修改和重构。消除不必要的冗余，生成基本E-R图。

7.4? 逻辑结构设计

7.4.1 E-R图向关系模型的转换

E-R图由实体型、实体的属性和实体型之间的联系三个要素组成

1.一个实体型转换为一个关系模式

关系属性：实体属性

关系的码：实体的码

2.实体型间的联系有不同情况

7.4.2 数据模型的优化

一般数据模型还需要根据数据库管理系统规定的模型进行转换

优化数据模型的方法：

①确定数据依赖

②对于各个关系模式之间的数据依赖进行极小化处理，消除冗余联系

③按照数据依赖理论对关系模式进行分析

④按照需求分析阶段得到的各种应用对数据处理的要求，分析是否合适

⑤关系模式分解，提高数据操作效率何空间利用率：水平分解（元组）、垂直分解（属性）

并不是规范化程度越高的关系就越优，范式高代价也高

7.4.3 设计用户子模式

定义用户外模式应考虑三方面：

①使用符合用户习惯的别名

②不同级别用户定义不同级别视图

③简化用户对系统的使用

7.5? 物理结构设计

物理结构：数据库在物理设备的存储结构和存取方法

7.5.1 数据库物理设计的内容和方法

①准备工作：了解环境、数据库特征

②选择所需参数：数据库查询事务、更新事务、每个事务在各关系上的频率和性能

③关系数据库物理设计内容：为关系模式选择存取方法、设计关系、索引等数据库文件的物理存储结构

7.5.2 关系模式存取方法选择

数据库系统是多用户共享系统，对同一个关系要建立多条存取路径才嫩满足多用户的多种需求。

常用存取方法：

①B+数索引存取方法

②Hash索引存取方法

③聚簇存取方法

7.5.3 确定数据库的存储结构

确定数据存放位置和存储结构，需考虑存取时间、存储空间利用率和维护代价

1.确定存放位置

①易变和稳定分开

②经常存取和存取频率低分开

2.确定系统配置

7.5.4 评价物理结构

评价方法：①存储空间②存取时间③维护代价

7.6? 数据库的实施和维护

7.6.1 数据的载入和应用程序的调试

组织数据入库是数据库实施最主要工作，在入库同时要调试应用程序

装载方法：

①人工方法

②计算机辅助数据入库

7.6.2 数据库的试运行

应用程序调试完成，有一小部分数据入库后，可以对数据库系统进行联合调试，也称数据库的试运行。

主要工作：

①功能测试

②性能测试

7.6.3 数据库的运行和维护

数据库维护，由数据库管理员完成：

①数据库的转储和恢复

②数据库安全性、完整性控制

③数据库性能监督、分析和改进

④数据库重组织（增删改查、存储结构）和重构造（调整模式）