数据库原理与设计(第6章).ppt
数据库原理与设计,第六章 数据库设计,第六章 数据库设计,本课程的重点内容要求及主要内容熟练掌握概念结构设计的方法熟练掌握逻辑结构设计的方法掌握需求分析的方法了解数据库物理设计与实施和维护的主要工作。,6.1 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，构造最优的数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储数据，满足各种用户的应用需求（信息和处理要求）数据库和信息系统数据库是信息系统的核心和基础数据库设计是信息系统开发和建设的重要组成部分数据库系统的设计和开发是涉及多学科的综合性技术,6.1 数据库设计概述,数据库设计的内容数据库的结构设计(静态)逻辑数据库设计局部逻辑结构全局逻辑结构物理数据库设计存储结构数据库的行为设计(动态)数据的装载应用程序设计,6.1 数据库设计概述,数据库分析设计人员应具备的水平计算机技术数据库技术软件工程知识应用领域的知识数据库设计方法规范设计法手工设计方法过程迭代逐步求精计算机辅助软件工程CASE,6.1 数据库设计概述,数据库设计步骤系统需求分析需求收集和分析，结果得到数据字典描述的数据需求和数据流图描述的处理需求概念结构设计通过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，可以用E-R图表示逻辑结构设计将概念结构转换为某个DBMS所支持的数据模型（例如关系模型），并对其进行优化。,6.1 数据库设计概述,数据库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（包括存储结构和存取方法）。数据库实施运用DBMS提供的数据语言（例如SQL）及其宿主语言（例如VB），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。数据库运行维护数据库应用系统经过试运行后即可投入正式运行。在数据库系统运行过程中必须不断地对其进行评价、调整与修改。,6.1 数据库设计概述,数据库使用维护阶段,系统需求分析阶段,概念结构设计阶段,逻辑结构设计阶段,物理结构设计阶段,数据库实施阶段,运行、维护数据库,数据入库，编制应用程序,将E-R图转换成具体关系模式建立逻辑模型、用户视图,综合各个用户的应用需求,形成独立于DBMS的概念模型用E-R图描述,安排物理存储，设计索引,6.2 需求分析,需求分析的任务详细调查应用领域要处理的对象充分了解原系统的工作概况明确用户的各种要求(1)信息要求(2)处理要求(3)安全性要求(4)完整性要求确定新系统的功能考虑今后的扩充性,6.2 需求分析,需求分析的步骤调查组织机构情况调查各部门的业务活动流程协助用户明确对新系统的各种需求确定新系统的边界分析系统功能分析系统数据编写系统分析报告,6.2 需求分析,数据字典各类数据描述的集合数据项、数据结构、数据流、数据存储和处理过程主要文档：数据字典、数据流图注意将来的扩充与修改强调用户的参与,6.3 概念结构设计,概念结构的主要特点真实、充分地反映现实世界易于理解、易于更改易于向数据模型转换 独立于DBMS 用E-R图来表示概念模式概念结构设计的四种方法自顶向下：先全局，后细化自底向上：先局部，后集成由里向外：先核心，后扩充混合策略：自顶向下+自底向上,6.3 概念结构设计,(自底向上）概念结构设计的步骤抽象数据，设计局部视图集成局部视图，得到全局的概念结构数据抽象 抽象：抽取所关心的共同特征；忽略非本质细节。三种抽象分类（Classification）：定义某一类概念作为一组对象的类型，抽象了对象值和型之间的“is member of”的语义。聚集（Aggregation）：定义某一类型的组成成分，抽象了对象内部类型和成分之间“is part of”的语义。概括（Generalization）：定义类型之间的一种子集联系。它抽象了类型之间的“is subset of”的语义。,6.3 概念结构设计,设计分E-R图的步骤是：选择局部应用 在多层的数据流图中选择一个适当层次的数据流图，作为设计分E-R图的出发点。逐一设计分E-R图 先从自然划分出发定义E-R图，然后再进行必要的调整，调整原则是：能作为属性对待的，尽量作为属性对待。作为“属性”，不能再具有需要描述的性质。“属性”不能与其他实体具有联系实体和其属性值之间保持1：1或n:1的关系,6.3 概念结构设计,例1：职工与职称之间,6.3 概念结构设计,例2：在医院中，一个病人只能住在一个病房，病房号可以作为病人实体的一个属性。但如果病房还要与医生实体发生联系，即一个医生负责几个病房的病人的医疗工作，则病房应作为一个实体。,病人,病房,居住,工号,姓名,性别,年龄,房号,面积,床数,n,1,医生,负责,姓名,性别,n,m,6.3 概念结构设计,例3：职工与子女之间,6.3 概念结构设计,视图的集成两种方式多个分图一次集成逐步集成集成的两步合并解决各分图之间的冲突，生成初步E-R图修改和重构消除不必要的冗余，形成基本E-R图,6.3 概念结构设计,合并属性冲突属性域冲突属性取值单位冲突，命名冲突同名异义 异名同义 结构冲突同一对象在不同的应用中具有不同的抽象同一实体在不同的分图中所包含的属性的个数及其排列顺序不一样联系在不同的分图中为不同的类型,6.3 概念结构设计,消除不必要的冗余冗余的数据可由基本数据导出的数据冗余的联系可由其他联系导出的联系消除冗余的方法分析并不是所有的冗余都必须消除,6.4 逻辑结构设计,逻辑结构设计的任务是把概念结构设计阶段设计好的基本E-R图转换为与选用的DBMS产品所支持的数据结构相符合的逻辑结构逻辑结构设计的三个步骤将E-R图转换为一般的关系模型将关系模型转换为DBMS数据模型对数据模型进行优化,6.4 逻辑结构设计,解决的问题如何将实体和实体间的联系转换为关系模式如何确定这些关系模式的属性和码关系模型的逻辑结构的三个组成要素实体实体的属性实体之间的联系,6.4 逻辑结构设计,E-R图向关系模型转换的原则一个实体型转换为一个关系模式。实体的属性就是关系的属性，实体的码就是关系的码一个联系转换为一个关系模式，相联系实体的主码和联系的属性转换为关系的属性 1：1联系：每个实体的码均是该关系的候选码；1：n联系：多方实体的码是该关系的码；m：n联系：相联系两个实体的码的并构成该关系的码；三者以上的联系：相联系实体的码的并构成该关系的码；相同主码的关系可以合并,E-R图向关系模型转换实例,E-R图向关系模型转换实例,部门（部门号，部门名）该关系模式由实体“部门”转换职工（职工号，职工名，职务，）该关系模式由实体“职工”转换产品（产品号，产品名，）该关系模式实体“产品”转换供应商（供应商号，姓名，）该关系模式由实体“供应商”转换零件（零件号，零件名，）该关系模式实体“零件”转换,E-R图向关系模型转换实例,领导（部门号，职工号）该关系模式由联系“领导”转换。由于是1：1联系，故部门号和职工号均可作为该关系的候选码属于（职工号，部门号）该关系模式“属于”转换。由于是1：n联系，故职工号应为该关系的候选码负责（产品号，职工号）该关系模式由联系“负责”转换。由于是1：1联系，故职工号和产品号均可作为该关系的候选码参加（职工号，产品号，天数）联系“参加”所对应的关系模式，由于是m：n联系，故职工号和产品号合起来为此关系的候选码供应（产品号，供应商号，零件号，供应量）联系“供应”所对应的关系模式，由于是三者以上的联系，故产品号、供应商号和零件号合起来为此关系的候选码,E-R图向关系模型转换实例,对以上关系模式进行相应的合并后：部门（部门号，部门名，经理的职工号，）该关系模式是关系模式“领导”与“部门”合并，包含了联系“领导”所对应的实体“职工”的码职工（职工号，部门号，职工名，职务，）该关系模式是关系模式“职工”与“属于”合并，包含了联系“属于”所对应的实体“部门”的码产品（产品号，产品名，产品组长的职工号，）该关系模式是关系模式“产品”与“负责”合并，已包含了联系“负责”所对应的实体“职工”的码,E-R图向关系模型转换实例,供应商（供应商号，姓名，）供应商实体对应的关系模式零件（零件号，零件名，）零件实体对应的关系模式参加（职工号，产品号，天数）联系“参加”所对应的关系模式供应（产品号，供应商号，零件号，供应量）联系“供应”所对应的关系模式,6.4 逻辑结构设计,数据模型的优化确定数据依赖按需求分析所得到的语义，分别写出每个关系模式内部各属性之间的数据依赖和不同关系模式属性之间的数据依赖对各关系模式之间的数据依赖进行极小化处理，消除冗余联系确定各关系模式的范式级别按照需求确定是否要对某些模式进行合并或分解对关系模式进行必要的分解，可以提高数据操作的效率和存储空间的利用率,6.4 逻辑结构设计,设计用户子模式利用视图概念设计更符合局部用户需要的用户外模式使用别名对不同级别的用户定义不同的view，以保证系统的安全简化用户对系统的使用预备性的定义一些view，以满足用户经常用到的复杂的查询,6.5 数据库的物理设计,数据库的物理结构数据库在物理设备上的存储结构与存取方法物理设计为给定的逻辑数据模型选取一个最适合应用要求的物理结构的过程分两步确定存取方法和存储结构评价物理结构的时间和空间效率,6.5 数据库的物理设计,数据库的物理设计的内容和方法对要运行的事务进行分析对于查询事务，需得到如下信息所涉及的关系，查询、连接、投影所涉及的属性对于更新事务，需得到如下信息所涉及的关系及其属性，要更新的属性值了解所用RDBMS提供的存取方法和存储结构,6.5 数据库的物理设计,关系模式存取方法选择索引（index）根据应用要求确定对关系的哪些属性列建立索引、或组合索引，以及哪些索引要设计成唯一索引有必要建立索引的情况如果一个（或一组）属性经常在查询条件中出现如果一个（或一组）属性经常在连接条件中出现如果一个属性经常作为最大值和最小值等聚集函数的参数,6.5 数据库的物理设计,聚簇（Cluster）把在某些属性上有相同值的元组集中存放的方法可以减少I/O操作，提高查询效率可建立聚簇的情况经常进行连接操作的关系（组）如果一个关系的一组属性经常出现在相等比较条件中如果一个关系的一个或一组属性上的值重复率很高,6.5 数据库的物理设计,不适合建立聚簇的情况要经常进行全表扫描的关系更新操作多于连接操作的关系一个关系只能建立一个聚簇建立聚簇的全局考虑建立与维护聚簇的代价很大当通过使用聚簇码进行访问或连接是该关系的主要应用时，使用聚簇效果明显,6.6 数据库的实施与维护,数据库实施主要包括以下工作：用DDL定义数据库结构组织数据入库 小型系统用人工方法完成数据的入库中大型系统设计一个数据输入子系统辅助数据入库编制与调试应用程序 与组织数据入库同步进行的数据库试运行，也称为联合调试功能测试。即实际运行应用程序，执行对数据库的各种操作，测试应用程序的各种功能。性能测试。即测量系统的性能指标，分析是否符合设计目标,6.6 数据库的实施与维护,对数据库经常性的维护工作主要是由DBA完成的，它包括：数据库的转储和恢复定期对数据库和日志文件进行备份数据库的安全性、完整性控制根据用户的实际需要授予不同的操作权限根据应用环境化，不断修正完整性约束条件数据库性能的监督、分析和改进通过调整某些参数来进一步改进数据库性能。数据库的重组织和重构造重组织：重新安排存储位置，回收垃圾，减少指针链，提高系统性能重构造：调整数据库的模式和内模式,6.7 小结,在设计过程中，数据库设计的六个阶段会有许多反复需求分析阶段综合各个用户的应用需求（现实世界的需求）概念设计阶段形成独立于机器特点、独立于各个DBMS产品的概念模式，用E-R图来描述。逻辑设计阶段将E-R图转换成具体的数据库产品支持的数据模型如关系模型，形成数据库逻辑模式。然后根据用户处理的要求，安全性的考虑，在基本表的基础上再建立必要的视图（VIEW）形成数据的外模式。物理设计阶段根据DBMS特点和处理的需要，进行物理存储安排，设计索引，形成数据库内模式,6.8 习题,现有某个应用，涉及两个实体集，相关的属性为：实体集R(A#,A1,A2,A3)，实体集S(B#,B1)，其中A#和B#分别表示相应实体集的码；从实体集R到S是一对多（1:N）的联系，联系属性C1和C2。1）试画出相应的E-R图，并设计相应的关系数据模型；2）如果将上述应用的数据库设计为一个关系模式，如下：RS(A#,A1,A2,A3,B#,B1,C1,C2)指出该关系模式的码。3）上述第2题的关系模式RS最高满足第几范式？并说明理由。4）如果将上述应用的数据库设计为两个关系模式，如下：R1(A#,A1,A2,A3,B#,C1,C2)R2(B#,B1)指出关系模式R1、R2最高满足第几范式？（在1NF-BCNF之内）。,1）R(A#,A1,A2,A3)S(B#,B1)C(B#,A#,C1,C2)2)RS的码为B#3)RS最高满足2NF,因为候选码均由单个属性组成的关系必为2NF;但由于非主属性A1,A2,A3对码B#存在传递函数依赖,故RS不属于3NF.4)R1最高满足2NF。非主属性A1,A2,A3对码B#存在传递函数依赖。R2最高满足BCNF。,6.8 习题,现有某个应用，涉及到两个实体集，相关的属性为：实体集R(A#,A1,A2,A3),其中A#为码 实体集S(B#,B1,B2)，其中B#为码 从实体集R到S存在多对一的联系，联系属性是D1。1)设计相应的关系数据模型；2)如果将上述应用的数据库设计为一个关系模式，如下：RS(A#,A1,A2,A3,B#,B1,B2,D1)指出该关系模式的码。3)指出上述模式RS最高满足第几范式?(在1NFBCNF之内)为什么?4)如果将上述应用的数据库设计为三个关系模式，如下：R1(A#,A1,A2,A3)R2(B#,B1,B2)R3(A#,B#，D1)关系模式R2是否一定满足第3范式?为什么?,1)R(A#,A1,A2,A3)S(B#,B1,B2)D(A#,B#,D1)2)RS的码为A#3)RS最高满足2NF,因为候选码均由单个属性组成的关系必为2NF;但由于B1,B2,属性对码A#存在传递函数依赖,故RS不属于3NF.4)R2未必满足3NF。因为不能确定非主属性B1,B2对码B#是否存在传递函数依赖。,6.8 习题,请设计一个图书馆数据库，此数据库中对每个借阅者保存读者记录，包括：读者号、姓名、地址、性别、年龄、单位。对每本书存有：书号、书名、作者、出版社。对每本被借出的书存有读者号、借出日期和应还日期。要求：画出E-R图；将E-R模型转换成关系模型,图书（书号，书名，作者，出版社）读者（读者号，姓名，年龄，性别，地址，单位）借阅（书号，读者号，借出日期，应还日期）(读者号为外码，参照读者表的读者号),
