Lec12复杂数据库设计.ppt

第12章 复杂数据库设计,喻 国 荣东南大学测绘工程系,通常，人们把DBMS、应用软件、数据库、操作系统和硬件一起组合起来，为用户提供信息服务的系统称为数据库系统，实际上是数据库应用系统。由于数据库系统具有对信息进行收集、组织、存储、加工、抽取和传输等功能，即包括数据和事务的处理两个方面。可以看出，数据库是系统的基础、核心和关键。所以必须对数据库进行合理的逻辑设计和有效的物理设计，使数据库应用系统更加完善和高效。,数据库应用系统,12.1 数据库设计概述,数据库设计通常是指数据库应用系统设计，并不是要设计一个完整的DBMS（数据库管理系统）。这里我们要讨论的数据库设计是指在现有Access关系型数据库管理系统的基础上，建立关系数据库及应用系统的整个过程。要建立一个数据库应用系统，首先，需要根据数据处理的规模，对应用系统的性能要求等选择合适的计算机硬件配置、软件配置、选定DBMS系统，然后，组织设计人员，在熟悉计算机硬件及DBMS的基础上，完成整个应用系统的设计工作。,数据库应用系统,12.1 数据库设计概述,数据库的设计包括结构特性设计和行为特性设计两个方面，分别描述数据库的静态特性和动态特性。1.结构特性的设计结构特性的设计是指数据结构的设计，设计结果是得到一个合理的数据模型，这是数据库设计的关键。数据模型是用来反映和显示事物及事物间的联系，对现实世界模拟的精确程度越高，形成的数据模型就越能反映现实世界，在这基础上生成的应用系统就能较好地满足用户对数据处理的要求。,12.1.1 数据库设计的内容和要求,12.1 数据库设计概述,结构特性的设计涉及到实体、属性及相互联系，域和完整性约束等。它包括模式和子模式的设计，设计最后要建立数据库。结构特性的设计内容及其间的关系可以用图12-1表示。,12.1.1 数据库设计的内容和要求,12.1 数据库设计概述,概念模型设计,逻辑数据库设计,物理数据库设计,子模式设计,建立数据库,12.1.1.2 行为特性设计行为特性的设计是指应用程序的设计。行为特性的设计可以用图12-2表示。,12.1.1 数据库设计的内容和要求,12.1 数据库设计概述,功能分析,事务设计,程序说明,应用程序设计,程序调试,功能说明,功能模块,设计包括数据库设计和数据库应用系统设计两方面。数据库设计是设计数据库结构特性，为特定应用环境构造出最优的数据模型；数据库应用系统设计是设计数据库的行为结构特性，建立能满足各种用户对数据库应用需求的功能模型。基本目的：灵活性和可扩充性：数据库中的全部数据能够满足用户在较长时期内的需求。性能的优化：要求数据库结构能允许对数据进行快速存储，以便用户能迅速有效地完成工作任务。,12.1.2 数据库设计过程,12.1 数据库设计概述,数据库系统设计的内容目标：对于给定的应用环境，建立一个性能良好的、能满足不同用户使用要求的、又能被选定的DBMS所接受的数据库系统模式。按照该数据库系统模式建立的数据库系统，应当能够完整地反映现实世界中信息及信息之间的联系；能够有效地进行数据存储；能够方便地执行各种数据检索和处理操作；并且有利于进行数据维护和数据控制管理的工作。内容：数据库的结构特性设计，数据库的行为特性设计，数据库的物理模式设计。将数据库的结构特性设计和行为特性设计结合起来，相互参照，同步进行，才能较好地达到设计目标。,12.1.2 数据库设计过程,12.1 数据库设计概述,数据库系统设计的内容信息需求：目的说明；数据元素定义；数据元素的使用。,12.1.2 数据库设计过程,12.1 数据库设计概述,数据库设计,一般信息需求,处理要求,DBMS特性,操作系统硬件配置,数据库结构,应用程序指南,数据库设计过程的输入和输出,数据库系统设计的内容处理要求：特殊数据项；数据量；处理频率；DBMS说明书；OS（操作系统）；硬件环境。,12.1.2 数据库设计过程,12.1 数据库设计概述,数据库设计,一般信息需求,处理要求,DBMS特性,操作系统硬件配置,数据库结构,应用程序指南,数据库设计过程的输入和输出,数据库系统设计的内容数据库设计的结果：完整的数据库结构：逻辑结构和物理结构；应用程序指南（说明书）；,12.1.2 数据库设计过程,12.1 数据库设计概述,数据库设计,一般信息需求,处理要求,DBMS特性,操作系统硬件配置,数据库结构,应用程序指南,数据库设计过程的输入和输出,数据库设计与应用环境联系紧密，其设计过程与应用规模、数据复杂程度密切相关。实践表明，数据库设计应分阶段进行。数据库的设计过程可分为六个阶段：需求分析、概念设计、逻辑设计、物理设计、数据库的实施和运行、数据库的使用和维护。,12.1.2 数据库设计过程,12.1 数据库设计概述,12.1.2 数据库设计过程,12.1 数据库设计概述,需求收集和分析,设计概念结构,逻辑结构设计,设计物理结构,评价设计、进行性能预测,物理实现,试运行,数据库的使用和维护,应用需求（数据、处理）,转换规则DBMS功能评价方法,应用要求DBMS详细特征,模式评价,不满意,不满意,不满意,（一）需求分析确定企业组织的目标。根据目标导出对数据库的要求。写出文档（用户和数据库设计者均认可）是整个设计过程中最困难、最耗费时间的一步。是后续各设计阶段的依赖决定系统成败的关键,12.1.2 数据库设计过程,12.1 数据库设计概述,（一）需求分析（二）概念设计把用户的信息需求进行描述和综合，形成一个初步的数据库设计的信息结构。一般以E-R图来表达。设计步骤：选择实体；选择实体的属性；标识实体的关键属性；选择实体间的联系,12.1.2 数据库设计过程,12.1 数据库设计概述,（一）需求分析（二）概念设计三种数据抽象方法(1)分类:定义某一类概念作为现实世界中一组对象的类型，这些对象具有某些共同的特性和行为。在E-R模型中，实体集就是这种抽象。(2)聚集：定义某一类型的组成部分，它抽象了对象内部的类型和“组成部分”的语义。(3)概括：定义类型之间的一种子集联系，它抽象了类型之间的“所属”的语义。,12.1.2 数据库设计过程,12.1 数据库设计概述,（一）需求分析（二）概念设计设计分E-R图概念结构设计是利用抽象机制对需求分析阶段收集到的数据分类、组织（聚集），形成实体集、属性和码，确定实体集之间的联系类型（一对一、一对多或多对多的联系），进而设计分E-R图。,12.1.2 数据库设计过程,12.1 数据库设计概述,设计分E-R图1.合并分E-R图，生成初步E-R图(1)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。(2)命名冲突1)同名异义冲突，不同意义的对象在不同的局部应用中具有相同的名字。2)异名同义冲突，即意义相同的对象在不同的局部应用中有不同的名字。(3)结构冲突1)同一对象在不同的应用中具有不同的抽象。2)同一实体在不同分E-R图中的属性组成不一致.3)实体之间的联系在不同的分E-R图中呈现不同的类型。2.消除不必要的冗余，设计基本E-R图,12.1.2 数据库设计过程,12.1 数据库设计概述,（一）需求分析（二）概念设计（三）逻辑设计定义：利用概念设计阶段的结果和处理要求作为输入，建立一个特定的DBMS可以接受的模式作为输出。E-R图转化为关系模型（或层次、网络模型），再范式化。,12.1.2 数据库设计过程,12.1 数据库设计概述,（一）需求分析（二）概念设计（三）逻辑设计（四）物理设计存储记录格式设计。存储安排。访问路径的设计。,12.1.2 数据库设计过程,12.1 数据库设计概述,(1)了解现实世界的组织机构情况:弄清所设计的数据库系统与哪些部门相关，部门以及下属单位的联系和职责是什么。(2)了解相关部门的业务活动情况:各部门需要输入和使用什么数据；在部门中是如何加工处理这些数据的；各部门需要输出什么信息；输出到什么部门；输出数据的格式是什么。(3)确定新系统的边界:哪些功能现在就由计算机完成；哪些功能将来准备让计算机完成；哪些功能或活动由人工完成。由计算机完成的功能就是新系统应该实现的功能。,12.2 需求分析,需求分析内容,需求分析的方法：(1)跟班作业:数据库设计人员亲身参加业务工作。(2)开调查会:通过与用户座谈的方式来了解业务活动情况及用户需求。(3)请专人介绍:请业务熟练的专家或用户介绍业务专业知识和业务活动情况，设计人员从中了解并询问相关问题。(4)询问:对某些调查中的问题，可以找专人询问。(5)设计调查表请用户填写:数据库设计人员可以提前设计一个合理的、详细的业务活动及数据要求调查表，并将此表发给相关的用户。(6)查阅现实世界的数据记录:查阅与原系统有关的数据记录，包括帐本、档案或文献等。,12.2 需求分析,数据库各级模式,12.3 概念设计,概念要求,概念要求,概念要求,外模式,内模式,应用1,应用2,应用3,应用4,应用1,概念模式,逻辑模式,综合,转换,映像,映像,概念要求,外模式,应用1,外模式,应用1,外模式,应用1,一、概念结构的特点独立于数据库的逻辑结构；独立于特定的DBMS.特点：能充分地反映现实世界，能满足用户对数据库处理的要求；易于理解。便于不熟习计算机的用户使用。易于更动。当现实世界改变时容易进行修改和扩充。易于向层次、网络和关系模型转换。,12.3 概念设计,二、概念设计的步骤：数据分析；用户视图的设计；视图的集成；视图的分析和修改。,12.3 概念设计,数据分析,用户视图的设计,视图集成,视图分析和修改,逻辑设计,数据流程图数据字典,单用户概念结构(分ER图),总体概念结构(初步ER图),概念结构(基本ER图),征求用户意见直到满意,产生结果,二、概念设计的步骤：（一）数据分析了解组织机构情况、各部门职责、掌管哪些重要信息。了解各部门的业务活动情况。弄清楚各部门使用哪些输入信息，作哪些加工处理，生成哪些输出信息，送往哪些部门。分析的结果形成一些图表。确定系统边界：“人机界面”，人、机分工。分析信息流程，绘制数据流程图。收集整理数据元素，编制数据字典。数据分析的工作很艰巨，一定要强调用户自始自终参与，以免工作缺漏。,12.3 概念设计,二、概念设计的步骤：（二）用户视图设计分清实体和属性的划分：作为属性的“事物”与它所描述的实体之间的联系只能是1：N；作为属性的“事物”不能再具有需要描述的性质，或者与其他事物具有联系。具有这两个性质的“事物”应当作属性看待,12.3 概念设计,职工,姓名,年龄,工种,二、概念设计的步骤：（二）用户视图设计：分清实体和属性的划分,12.3 概念设计,职工,姓名,年龄,工种,工作,发放,劳保用品,职工,姓名,年龄,工种,二、概念设计的步骤：（二）用户视图设计：分清实体和属性的划分,12.3 概念设计,二、概念设计的步骤：（三）视图集成(初步ER图)把各部门分ER图汇总形成一张总ER图,12.3 概念设计,二、概念设计的步骤：（三）视图集成(初步ER图),12.3 概念设计,把各部门分ER图汇总形成一张总ER图,把功能相近的或关系密切的一些视图放在一起,二、概念设计的步骤：（四）视图的分析与修改(基本ER图),12.3 概念设计,用分析的方法消除冗余的数据。用规范化的方法去掉冗余的联系。,Q1+Q2 Q3Q4 Q5Q3消失，产品与材料的联系消失,用量Q3,使用,产品,存放,消耗,构成,零件数Q1,存放量Q4,库存量Q5,耗用量Q2,零件,材料,仓库,逻辑设计的任务就是把概念设计阶段所产生的信息结构（基本ER图）转换为由特定的DBMS所支持的数据模型即根据概念设计产生的基本ER图，选择合适的数据模型(关系、网状、层次)，然后选择DBMS,12.4 逻辑设计,概念结构(基本ER图),一般数据模型关系、网状、层次,特定DBMS支持的数据模型,一般的转换规则,特定的DBMS特点,向关系模型转换（1）先写出各实体内部属性之间的函数依赖：E#Ename；E#Salary（2）经过极小化处理后得到的函数依赖表达式中的实体名转换对应的主码：E#（3）把（1）和（2）中各函数依赖按相同的左部进行分组得到一组关系，就是一个关系数据库模式,12.4 逻辑设计,姓名,职工,工资,职工号,物理设计：数据库物理设计的任务是如何有效地把数据库逻辑结构在物理存储器上加以实现。即产生描述二级存储中的数据库如何实现的过程，它描述了基本表、文件组织方式、为了获得对数据的有效访问的索引以及相关的完整性约束和安全控制。,12.5 物理设计,成功进行数据库设计的方针：尽可能多地与用户进行交流在整个数据建模过程中使用一种结构化方法学使用数据驱动方法在数据模型中加入结构化和完整性考虑将规范化和事务有效性技术结合进数据建模方法学中尽可能多地用图去表示数据模型使用数据库设计语言来表达与数据有关信息构建数据字典补充数据模型图,建立模式载数据入库模式和子模式的编译载入数据试运行运行和维护,12.6 数据库的建立和维护,需求收集和分析,概念模型设计：确定数据与处理,逻辑模型设计：数据模型转化,物理模型设计：支撑环境要求,数据库的物理实现,数据库的使用和维护,不满意,不满意,模式评价,模式评价性能预测,不满意,数据库试运行,需求收集和分析,概念模型设计：确定数据与处理,逻辑模型设计：数据模型转化,物理模型设计：支撑环境要求,数据库的物理实现,数据库的使用和维护,模式评价,性能预测模式评价,数据库试运行,不满意,不满意,不满意,