数据库设计——总纲

目录

总体设计过程
需求分析
概念结构设计
逻辑结构设计
数据库物理设计
数据库实施
数据库运行和维护

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总体设计过程

数据库设计步骤:

设计描述:

数据库设计不同阶段形成的数据库各级模式:

数据库设计的特点:

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需求分析

分析和表达用户需求:

• 首先把任何一个系统都抽象为:

  

• 分解处理功能和数据:
  • 分解处理功能:
    • 将处理功能的具体内容分解为若干子功能
  • 分解数据:
    • 处理功能逐步分解同时,逐级分解所用数据,形成若干层次的数据流图
  • 表达方法:
    • 处理逻辑：用判定表或判定树来描述
    • 数据：用数据字典来描述
• 将分析结果再次提交给用户,征得用户的认可

任务:

• 通过调查,收集与分析数据,获得用户对数据要求:
  • 信息要求:
    • 指用户需要从数据库中获得信息的内容与性质,再由信息要求导出数据要求
  • 处理要求:
    • 值用户要完成什么处理功能,对初一响应时间有什么要求,处理方式是批处理还是联机处理
  • 安全性与完整性要求

需求分析过程:

 

数据流图:

• 符号说明:

  

• 例子:

  

 

数据字典:

• 与数据流图的区别
  • 数据流图 -- 表达了数据和处理的关系
  • 数据字典 -- 则是系统中各类数据描述的集合

• 组成:

• 数据项:
  • 形式:

    • 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, 其他数据项的逻辑关系, 数据项之间的联系 }

  • 例子:数据项,以“学号”为例：
    • 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
• 数据结构:
  • 形式:
    • 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 } }
  • 例子:数据结构,以“学生”为例学生”是该系统中的一个核心数据结构：
    • 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
• 数据流:
  • 形式:
    • 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 }
  • 例子数据流,“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：……
• 数据存储:
  • 形式:
    • 数据存储描述 ={ 数据存储名, 说明, 编号, 输入的数据流, 输出的数据流, 组成: {数据结构}, 数据量, 存取频度, 存取方式 }
  • 例子: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:
  • 形式:
    • 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: { 处理过程 }}
  • 例子: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

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概念结构设计

特点:

• 能真实、充分地反映现实世界
• 易于理解
• 易于更改
• 易于向关系、网状、层次等各种数据模型转换

四类方法:

• 自顶向下:
  • 定义:
    • 即首先定义全局概念结构的框架,然后逐步细化
  • 图解:

    

• 自底向上:
  • 定义:
    • 即首先定义个局部应用的概念结构,然后将他们集合起来,得到全局概念
  • 步骤:
    • 第1步：抽象数据并设计局部视图
    • 第2步：集成局部视图,得到全局概念结构
  • 图解:

    

• 逐步扩展:
  • 定义:
    • 首先定义最重要的核心概念结构,然后向外扩充,以滚球的方法逐步生成其他概念结构,直至总体概念结构
  • 图解:

    

• 混合策略:
  • 定义:
    • 即将自顶向下和自底向上相结合,用自顶向下策略设计一个全局概念结构框架,以它为骨架集成由底向上策略中设计的个局部概念结构
  • 图解:

    

三种常用抽象:

• 分类（Classification）:
  • 定义某一类概念作为现实世界中一组对象的类型
  • 抽象了对象值和型之间的“is member of”的语义
  • 图例:

    

• 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
  • 复杂的聚集,某一类型的成分仍是一个聚集
  • 图例:

    

• 概括（Generalization）:
  • 定义类型之间的一种子集联系
  • 抽象了类型之间的“is subset of”的语义
  • 继承性:

    

E-R图:

• 任务:
  • 将各局部应用涉及的数据分别从数据字典中抽取出来
  • 参照数据流图,标定各局部应用中的实体、实体的属性、标识实体的码
  • 确定实体之间的联系及其类型（1:1,1:n,m:n）
• 两条准则:
  • 属性不能再具有需要描述的性质.即属性必须是不可分的数据项,不能再由另一些属性组成
  • 属性不能与其他实体具有联系.联系只发生在实体之间

视图集成:

• 分类:
  • 一次集成 一次集成多个分E-R图
  • 通常用于局部视图比较简单时
• 逐步集成:
  • 用累加的方式一次集成两个分E-R图
• 图解:

  

• 冲突:
  • 两类属性冲突:
    • 属性域冲突:
      • 属性值的类型
      • 取值范围
      • 取值集合不同
    • 属性取值单位冲突
  • 两类命名:
    • 冲突 同名异义： 不同意义的对象在不同的局部应用中具有相同的名字
    • 异名同义（一义多名）： 同一意义的对象在不同的局部应用中具有不同的名字
  • 三类结构冲突:
    • 同一对象在不同应用中具有不同的抽象
    • 同一实体在不同分E-R图中所包含的属性个数和属性排列次序不完全相同
    • 实体之间的联系在不同局部视图中呈现不同的类型
• 基本任务:
  • 消除不必要的冗余,设计生成基本E-R图
• 步骤:
  • 合并分E-R图,生成初步E-R图:
    • 消除冲突
    • 属性冲突
    • 命名冲突
    • 结构冲突
  • 修改与重构:
    • 消除不必要的冗余,设计生成基本E-R图
    • 分析方法
    • 规范化理论

验证概念结构:

• 整体概念结构内部必须具有一致性,不存在互相矛盾的表达
• 整体概念结构能准确地反映原来的每个视图结构,包括属性、实体及实体间的联系
• 整体概念结构能满足需要分析阶段所确定的所有要求

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逻辑结构设计

E-R图与关系模型转换:

• 转换内容:
  • 将实体、实体的属性和实体之间的联系转换为关系模式
• 转换原则:
  • 一个实体转换为一个关系模式
  • 实体的属性即为关系的属性
  • 实体的码即为关系的码

E-R图实体型间的联系有以下不同情况:

• 一个1:1联系可以转换为一个独立的关系模式,也可以与任意一端对应的关系模式合并:
  • 转换为一个独立的关系模式
  • 与某一端实体对应的关系模式合并
• 一个1:n联系可以转换为一个独立的关系模式,也可以与n端对应的关系模式合并:
  • 转换为一个独立的关系模式
  • 与n端对应的关系模式合并
• 一个m:n联系转换为一个关系模式
• 三个或三个以上实体间的一个多元联系转换为一个关系模式
• 具有相同码的关系模式可合并:
  • 目的：减少系统中的关系个数
  • 合并方法： 将其中一个关系模式的全部属性加入到另一个关系模式中,然后去掉其中的同义属性（可能同名也可能不同名）,并适当调整属性的次序

优化数据模型方法:

• 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.
• 确定各关系模式分别属于第几范式.
• 分析对于应用环境这些模式是否合适,确定是否要对它们进行合并或分解.
• 对关系模式进行必要的分解或合并

设计用户子模式:

• 使用更符合用户习惯的别名
• 针对不同级别的用户定义不同的外模式,以满足系统对安全性的要求.
• 简化用户对系统的使用

任务:

• 将概念结构转化为具体的数据模型
• 逻辑结构设计的步骤
• 将概念结构转化为一般的关系、网状、层次模型
• 将转化来的关系、网状、层次模型向特定DBMS支持下的数据模型转换
• 对数据模型进行优化
• 设计用户子模式

逻辑结构设计时3个步骤:

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数据库物理设计

步骤:

• 确定数据库的物理结构,在关系数据库中主要指存取方法和存储结构
• 对物理结构进行评价,评价的重点是时间和空间效率

索引存取:

• 选择索引存取方法的一般规则:
  • 如果一个(一组)属性经常在查询条件中出现,则考虑在这个(这组)属性上建立索引(组合索引)
  • 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,则考虑在这个属性上建立索引
  • 如果一个(或一组)属性经常在连接操作的连接条件中出现,则考虑在这个(或这组)属性上建立索引
• 关系上定义的索引数过多会带来较多的额外开销:
  • 维护索引的开销
  • 查找索引的开销

聚簇:

• 用途:
  • 大大提高按聚簇码进行查询的效率
  • 节省存储空间
• 局限性:
  • 聚簇只能提高某些特定应用的性能
  • 建立与维护聚簇的开销相当大
• 适用范围:
  • 既适用于单个关系独立聚簇,也适用于多个关系组合聚簇
  • 当通过聚簇码进行访问或连接是该关系的主要应用,与聚簇码无关的其他访问很少或者是次要的时,可以使用聚簇

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数据库实施

数据装载方法:

• 人工方法
• 计算机辅助数据入库

主要工作:

• 功能测试:实际运行数据库应用程序,执行对数据库的各种操作,测试应用程序的功能是否满足设计要求,如果不满足,对应用程序部分则要修改、调整,直到达到设计要求
• 性能测试:测量系统的性能指标,分析是否达到设计目标,如果测试的结果与设计目标不符,则要返回物理设计阶段,重新调整物理结构,修改系统参数,某些情况下甚至要返回逻辑设计阶段,修改逻辑结构

强调两点:

• 分期分批组织数据入库
  • 重新设计物理结构甚至逻辑结构,会导致数据重新入库.
  • 先输入小批量数据供调试用:
    • 待试运行基本合格后再大批量输入数据
    • 逐步增加数据量,逐步完成运行评价
  • 由于数据入库工作量实在太大,费时、费力,所以应分期分批地组织数据入库
• 数据库的转储和恢复
  • 在数据库试运行阶段,系统还不稳定,硬、软件故障随时都可能发生
  • 系统的操作人员对新系统还不熟悉,误操作也不可避免
  • 因此必须做好数据库的转储和恢复工作,尽量减少对数据库的破坏

 

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数据库运行和维护

DBA维护数据库工作:

• 数据库的转储和恢复
• 数据库的安全性、完整性控制
• 数据库性能的监督、分析和改进
• 数据库的重组织和重构造

重组织:

• 形式:
  • 全部重组织
  • 部分重组织(只对频繁增、删的表进行重组织)
• 目标:
  • 提高系统性能
• 工作:
  • 按原设计要求:
    • 重新安排存储位置
    • 回收垃圾
    • 减少指针链
  • 数据库的重组织不会改变原设计的数据逻辑结构和物理结构

重构造:

• 根据新环境调整数据库的模式和内模式:
  • 增加新的数据项
  • 改变数据项的类型
  • 改变数据库的容量
  • 增加或删除索引