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数据库系统概论An Introduction to Database System第七章 数据库设计,第七章 数据库设计,7.1 数据库设计概述,7.2 需求分析,7.3 概念结构设计,7.4 逻辑结构设计,数据库设计概述（续）,什么是数据库设计数据库设计是指对于一个给定的应用环境，构造最优的数据库逻辑模式和物理结构，使之能够有效地存储数据，满足各种用户的应用需求。,数据库设计概述（续）,数据库设计的目标是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。高效率的运行环境包括：数据库数据的存取效率 数据库存储空间的利用率 数据库系统运行管理的效率,7.1 数据库设计概述,7.1.1 数据库设计的特点7.1.2 数据库设计方法7.1.3 数据库设计的基本步骤,7.1.1 数据库设计的特点,一、数据库建设的基本规律“三分技术，七分管理，十二分基础数据”数据库建设中不仅涉及技术，还涉及管理。管理：项目管理，企业的业务管理。基础数据强调了数据的收集、整理、组织和不断更新,数据库设计的特点（续）,二、结构（数据）设计和行为（处理）设计相结合结构设计：设计数据库框架或数据库结构行为设计：设计应用程序、事务处理等,数据库设计的特点（结构和行为分离的设计图）,7.1 数据库设计概述,7.1.1 数据库设计的特点7.1.2 数据库设计方法7.1.3 数据库设计的基本步骤,7.1.2 数据库设计方法,手工试凑法 设计质量与设计人员的经验和水平有直接关系 缺乏科学理论和工程方法的支持 数据库运行一段时间后常常又不同程度地发 现各种问题，增加了维护代价,数据库设计方法（续）,规范设计法典型方法新奥尔良（New Orleans）方法 将数据库设计分为若干阶段和步骤。按一定的 设计规程用工程化方法设计数据库。手工设计方法，规范化设计方法起源基本思想过程迭代和逐步求精,数据库设计方法简述（续）,基于E-R模型的数据库设计方法 用E-R模型来设计数据库的概念模型 3NF的设计方法 用关系数据理论为指导来设计数据库的逻辑模型 ODL（Object Definition Language）方法 面向对象的数据库设计方法,数据库设计方法简述（续）,计算机辅助设计ORACLE Designer 2000SYBASE PowerDesigner,7.1 数据库设计概述,7.1.1 数据库设计的特点7.1.2 数据库设计方法7.1.3 数据库设计的基本步骤7.1.4 数据库设计过程重的各级模式,数据库设计的基本步骤,为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构,概念结构转换为某个DBMS支持的数据模型,准确了解与分析用户需求,建立数据库，编制与调试应用程序组织数据入库，试运行,对其进行评价、调整与修改,对需求进行综合、归纳与抽象，形成一个独立的概念模型,数据库设计的基本步骤（续）,设计一个完善的数据库应用系统往往是上述六个阶段的不断反复。P206图6.2,特点,（1）用户与开发人员很难进行交流在软件生存周期中，其它四个阶段都是面向软件技术问题，只有本阶段是面向用户的。需求分析是对用户的业务活动进行分析，明确在用户的业务环境中软件系统应该“做什么”。但是在开始时，开发人员和用户双方都不能准确地提出系统要“做什么？”。因为软件开发人员不是用户问题领域的专家，不熟悉用户的业务活动和业务环境，又不可能在短期内搞清楚；而用户不熟悉计算机应用的有关问题。由于双方互相不了解对方的工作，又缺乏共同语言，所以在交流时存在着隔阂。,（2）用户的需求是动态变化的对于一个大型而复杂的软件系统，用户很难精确完整地提出它的功能和性能要求。一开始只能提出一个大概、模糊的功能，只有经过长时间的反复认识才逐步明确。有时进入到设计、编程阶段才能明确，更有甚者，到开发后期还在提新的要求。这无疑给软件开发带来困难。（3）系统变更的代价呈非线性增长需求分析是软件开发的基础。假定在该阶段发现一个错误，解决它需要用一小时的时间，到设计、编程、测试和维护阶段解决，则要花2.5、5、25、100倍的时间。,需求分析的过程,问题识别 就是从系统角度来理解软件,确定对所开发系统的综合要求,并提出这些需求的实现条件,以及需求应该达到的标准.这些需求包括：功能需求(做什么),性能需求(要达到什么指标),环境需求(如机型,操作系统等),可靠性需求(不发生故障的概率）,安全保密需求,用户界面需求,资源使用需求(软件运行是所需的内存,CPU等),软件成本消耗与开发进度需求,预先估计以后系统可能达到的目标.分析与综合 逐步细化所有的软件功能,找出系统各元素间的联系,接口特性和设计上的限制,分析他们是否满足需求,剔除不合理部分,增加需要部分.最后,综合成系统的解决方案,给出要开发的系统的详细逻辑模型(做什么的模型).制订规格说明书 即编制文档,描述需求的文档称为软件需求规格说明书.请注意,需求分析阶段的成果是需求规格说明书(好象软考曾经考过这个问题),向下一阶段提交.评审 对功能的正确性,完整性和清晰性,以及其它需求给予评价.评审通过才可进行下一阶段的工作,否则重新进行需求分析。,设计特点,在设计过程中把数据库的设计和对数据库中数据处理的设计紧密结合起来将这两个方面的需求分析、抽象、设计、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设计过程各个阶段的设计描述：P204图7.3,E-R图,(1)实体（Entity）客观存在并可相互区别的事物称为实体。可以是具体的人、事、物或抽象的概念。(2)属性（Attribute）实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。(3)码（Key）唯一标识实体的属性集称为码。,学生实体学号、姓名、性别、系(060023，张三，男，计算机系),信息世界中的基本概念(续),(4)域（Domain）属性的取值范围称为该属性的域。(5)实体型（Entity Type）用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体称为实体型例如：学生（学号，姓名，性别，出生日期，所在系）(6)实体集（Entity Set）同型实体的集合称为实体集,信息世界中的基本概念(续),(7)联系（Relationship）现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界中反映为实体内部的联系和实体之间的联系实体型间联系 两个实体型 一对一联系（1:1）三个实体型 一对多联系（1:n）一个实体型 多对多联系（m:n）,3.两个实体型间的联系,两个实体型间的联系,一对一联系 如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个实体与之联系，反之亦然，则称实体集A与实体集B具有一对一联系。记为1:1。实例班级与班长之间的联系：一个班级只有一个正班长一个班长只在一个班中任职,两个实体型间的联系,一对多联系如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n0）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体集B有一对多联系。记为1:n实例班级与学生之间的联系：一个班级中有若干名学生，每个学生只在一个班级中学习,两个实体型间的联系,多对多联系（m:n）如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n0）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体（m0）与之联系，则称实体集A与实体B具有多对多联系。记为m:n实例课程与学生之间的联系：一门课程同时有若干个学生选修一个学生可以同时选修多门课程,4.多个实体型间的联系,多个实体型间的一对多联系若实体集E1，E2，.，En存在联系，对于实体集Ej（j=1，2，.，i-1，i+1，.，n）中的给定实体，最多只和Ei中的一个实体相联系，则我们说Ei与E1，E2，.，Ei-1，Ei+1，.，En之间的联系是一对多的。,多个实体型间的联系,实例 课程、教师与参考书三个实体型如果一门课程可以有若干个教师讲授，使用若干本参考书，每一个教师只讲授一门课程，每一本参考书只供一门课程使用课程与教师、参考书之间的联系是一对多的多个实体型间的一对一联系多个实体型间的多对多联系,4.单个实体型内的联系,一对多联系实例 职工实体集内部具有领导与被领导的联系某一职工（干部）“领导”若干名职工一个职工仅被另外一个职工直接领导这是一对多的联系一对一联系多对多联系,5.概念模型的表示方法,概念模型的表示方法很多实体联系方法(Entity-Relationship Approach,E-R方法)用E-R图来描述现实世界的概念模型E-R方法也称为E-R模型 提供了表示实体型、属性和联系的方法。,E-R图,实体型用矩形表示，矩形框内写明实体名。,学生,教师,E-R图(续),属性用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来,E-R图(续),联系联系本身：用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边分别与有关实体连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1:1、1:n或m:n）联系的属性：联系本身也是一种实体型，也可以有属性。如果一个联系具有属性，则这些属性也要用无向边与该联系连接起来,联系的表示方法,联系的表示方法(续),联系的表示方法示例,联系的表示方法示例(续),联系属性的表示方法,E-R图(续),用E-R图来表示某工厂物资管理的概念模型仓库 属性有仓库号、面积、电话号码 零件 属性有零件号、名称、规格、单价、描述供应商 属性有供应商号、姓名、地址、电话、帐号 零件 属性有项目号、预算、开工日期职工 属性职工号、姓名、年龄、职称,E-R图(续),第七章 数据库设计,7.1 数据库设计概述7.2 需求分析,需求分析（续）,需求分析就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,7.2 需求分析,7.2.1 需求分析的任务7.2.2 需求分析的方法7.2.3 数据字典,一、需求分析的任务,通过详细调查现实世界要处理的对象，充分了解原系统工作概况，明确用户的各种需求。在此基础上确定新系统的功能。新系统必须充分考虑今后可能的扩充和改变，不能仅仅按当前应用需求来设计数据库。,二、需求分析的重点,需求分析的重点“数据”和“处理”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,需求分析的重点（续）,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。,三、需求分析的难点,确定用户最终需求的难点用户缺少计算机知识，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。,需求分析的难点(续),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,7.2 需求分析,7.2.1 需求分析的任务7.2.2 需求分析的方法7.2.3 数据字典,7.2.2 需求分析的方法,调查清楚用户的实际需求并进行初步分析 与用户达成共识 进一步分析与表达这些需求,一、调查与初步分析用户需求,调查组织机构情况 组织部门的组成情况 各部门的职责等,调查与初步分析用户需求（续）,调查各部门的业务活动情况。调查重点之一。各个部门输入和使用什么数据 如何加工处理这些数据 输出什么信息 输出到什么部门 输出结果的格式是什么,调查与初步分析用户需求（续）,在熟悉业务活动的基础上，协助用户明确对新系统的各种要求。调查又一个重点。信息要求 处理要求 完全性与完整性要求,调查与初步分析用户需求（续）,对前面调查的结果进行初步分析确定新系统的边界确定哪些功能由计算机完成或将来准备让计算机完成确定哪些活动由人工完成 由计算机完成的功能就是新系统应该实现的功能。,常用调查方法（续）,常用调查方法跟班作业 通过亲身参加业务工作了解业务活动的情况 能比较准确地理解用户的需求，但比较耗时开调查会 通过与用户座谈来了解业务活动情况及用户需求请专人介绍,常用调查方法（续）,询问 对某些调查中的问题，可以找专人询问设计调查表请用户填写 如果调查表设计合理，则很有效，且易于为用户接受查阅记录 查阅与原系统有关的数据记录,三、进一步分析和表达用户需求,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）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。,进一步分析和表达用户需求（续）,1首先把任何一个系统都抽象为：,信息要求,处理要求,进一步分析和表达用户需求（续）,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,进一步分析和表达用户需求（续）,（3）表达方法 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,四、需求分析小结,图7.6 需求分析过程,需求分析小结（续）,实例：假设我们要开发一个学校管理系统。可行性分析和初步需求调查 抽象出该系统最高层数据流图 教师管理子系统 学生管理子系统 后勤管理子系统,需求分析小结（续）,进一步细化各个子系统 主要功能：学籍管理和课程管理 包括：学生报到、入学、毕业的管理，学生上课情 况的管理。通过详细的信息流程分析和数据收集后，他们生成 了该子系统的数据流图。,7.2 需求分析,7.2.1 需求分析的任务7.2.2 需求分析的方法7.2.3 数据字典,7.2.3 数据字典,一、数据字典的用途二、数据字典的内容,一、数据字典的用途,数据字典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数据库设计中占有很重要的地位,二、数据字典的内容,数据字典的内容数据项数据结构数据流数据存储处理过程,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关系定义了数据的完整性约束条件,数据结构,数据结构反映了数据之间的组合关系。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,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，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，流出的数据流，组成:数据结构，数据量，存取方式,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,处理过程（续）,例：学生学籍管理子系统的数据字典。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,处理过程（续）,数据结构 以“学生”为例 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,处理过程（续）,数据流“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：,处理过程（续）,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,处理过程（续）,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。,
