数据库设计原则

设计数据库是实现实际业务的重要一步,合理设计表结构,规划表字段,建立合理关系为后期减少了开发,运营,维护成本。认真了解和学习设计知识是必要的,如下摘抄了部分经验总结。

一,数据库设计原则

1. 原始单据与实体之间的关系 
  可以是一对一、一对多、多对多的关系。在一般情况下,它们是一对一的关系:即一张原始单据对应且只对应一个实体。 
在特殊情况下,它们可能是一对多或多对一的关系,即一张原始单证对应多个实体,或多张原始单证对应一个实体。 
这里的实体可以理解为基本表。明确这种对应关系后,对我们设计录入界面大有好处。 

  〖例1〗:一份员工履历资料,在人力资源信息系统中,就对应三个基本表:员工基本情况表、社会关系表、工作简历表。 
        这就是“一张原始单证对应多个实体”的典型例子。 

2. 主键与外键 
  一般而言,一个实体不能既无主键又无外键。在E—R 图中, 处于叶子部位的实体, 可以定义主键,也可以不定义主键 
  (因为它无子孙), 但必须要有外键(因为它有父亲)。 

  主键与外键的设计,在全局数据库的设计中,占有重要地位。当全局数据库的设计完成以后,有个美国数据库设计专 
  家说:“键,到处都是键,除了键之外,什么也没有”,这就是他的数据库设计经验之谈,也反映了他对信息系统核 
  心(数据模型)的高度抽象思想。因为:主键是实体的高度抽象,主键与外键的配对,表示实体之间的连接。 

3. 基本表的性质 
  基本表与中间表、临时表不同,因为它具有如下四个特性: 
   (1) 原子性。基本表中的字段是不可再分解的。 
   (2) 原始性。基本表中的记录是原始数据(基础数据)的记录。 
   (3) 演绎性。由基本表与代码表中的数据,可以派生出所有的输出数据。 
   (4) 稳定性。基本表的结构是相对稳定的,表中的记录是要长期保存的。 
  理解基本表的性质后,在设计数据库时,就能将基本表与中间表、临时表区分开来。 

4. 范式标准 
  基本表及其字段之间的关系, 应尽量满足第三范式。但是,满足第三范式的数据库设计,往往不是最好的设计。 
  为了提高数据库的运行效率,常常需要降低范式标准:适当增加冗余,达到以空间换时间的目的。 

  〖例2〗:有一张存放商品的基本表,如表1所示。“金额”这个字段的存在,表明该表的设计不满足第三范式, 
  因为“金额”可以由“单价”乘以“数量”得到,说明“金额”是冗余字段。但是,增加“金额”这个冗余字段, 
  可以提高查询统计的速度,这就是以空间换时间的作法。 
  在Rose 2002中,规定列有两种类型:数据列和计算列。“金额”这样的列被称为“计算列”,而“单价”和 
  “数量”这样的列被称为“数据列”。 

  表1 商品表的表结构 
  商品名称 商品型号 单价 数量 金额 
  电视机 29吋 2,500 40 100,000 
   
5. 通俗地理解三个范式 
  通俗地理解三个范式,对于数据库设计大有好处。在数据库设计中,为了更好地应用三个范式,就必须通俗地理解 
  三个范式(通俗地理解是够用的理解,并不是最科学最准确的理解): 
  第一范式:1NF是对属性的原子性约束,要求属性具有原子性,不可再分解; 
  第二范式:2NF是对记录的惟一性约束,要求记录有惟一标识,即实体的惟一性; 
  第三范式:3NF是对字段冗余性的约束,即任何字段不能由其他字段派生出来,它要求字段没有冗余。 

  没有冗余的数据库设计可以做到。但是,没有冗余的数据库未必是最好的数据库,有时为了提高运行效率,就必须降 
  低范式标准,适当保留冗余数据。具体做法是:在概念数据模型设计时遵守第三范式,降低范式标准的工作放到物理 
  数据模型设计时考虑。降低范式就是增加字段,允许冗余。 

6. 要善于识别与正确处理多对多的关系 
  若两个实体之间存在多对多的关系,则应消除这种关系。消除的办法是,在两者之间增加第三个实体。这样,原来一 
  个多对多的关系,现在变为两个一对多的关系。要将原来两个实体的属性合理地分配到三个实体中去。这里的第三个 
  实体,实质上是一个较复杂的关系,它对应一张基本表。一般来讲,数据库设计工具不能识别多对多的关系,但能处 
  理多对多的关系。 

  〖例3〗:在“图书馆信息系统”中,“图书”是一个实体,“读者”也是一个实体。这两个实体之间的关系,是一 
  个典型的多对多关系:一本图书在不同时间可以被多个读者借阅,一个读者又可以借多本图书。为此,要在二者之 
  间增加第三个实体,该实体取名为“借还书”,它的属性为:借还时间、借还标志(0表示借书,1表示还书),另外, 
  它还应该有两个外键(“图书”的主键,“读者”的主键),使它能与“图书”和“读者”连接。 

个人理解:一对多主外键,多对多中间表

7. 主键PK的取值方法 
   PK是供程序员使用的表间连接工具,可以是一无物理意义的数字串, 由程序自动加1来实现。也可以是有物理意义 
  的字段名或字段名的组合。不过前者比后者好。当PK是字段名的组合时,建议字段的个数不要太多,多了不但索引 
  占用空间大,而且速度也慢。 

8. 正确认识数据冗余 
  主键与外键在多表中的重复出现, 不属于数据冗余,这个概念必须清楚,事实上有许多人还不清楚。非键字段的重 
  复出现, 才是数据冗余!而且是一种低级冗余,即重复性的冗余。高级冗余不是字段的重复出现,而是字段的派生出现。 

  〖例4〗:商品中的“单价、数量、金额”三个字段,“金额”就是由“单价”乘以“数量”派生出来的,它就是冗余, 
  而且是一种高级冗余。冗余的目的是为了提高处理速度。只有低级冗余才会增加数据的不一致性,因为同一数据,可 
  能从不同时间、地点、角色上多次录入。因此,我们提倡高级冗余(派生性冗余),反对低级冗余(重复性冗余)。 

9. E--R图没有标准答案 
  信息系统的E--R图没有标准答案,因为它的设计与画法不是惟一的,只要它覆盖了系统需求的业务范围和功能内容, 
  就是可行的。反之要修改E--R图。尽管它没有惟一的标准答案,并不意味着可以随意设计。好的E—R图的标准是: 
  结构清晰、关联简洁、实体个数适中、属性分配合理、没有低级冗余。 

10 . 视图技术在数据库设计中很有用 
  与基本表、代码表、中间表不同,视图是一种虚表,它依赖数据源的实表而存在。视图是供程序员使用数据库的 
  一个窗口,是基表数据综合的一种形式, 是数据处理的一种方法,是用户数据保密的一种手段。为了进行复杂处理、 
  提高运算速度和节省存储空间, 视图的定义深度一般不得超过三层。 若三层视图仍不够用, 则应在视图上定义临时表, 
   在临时表上再定义视图。这样反复交迭定义, 视图的深度就不受限制了。 

  对于某些与国家政治、经济、技术、军事和安全利益有关的信息系统,视图的作用更加重要。这些系统的基本表完 
  成物理设计之后,立即在基本表上建立第一层视图,这层视图的个数和结构,与基本表的个数和结构是完全相同。 
  并且规定,所有的程序员,一律只准在视图上操作。只有数据库管理员,带着多个人员共同掌握的“安全钥匙”, 
  才能直接在基本表上操作。请读者想想:这是为什么? 

11. 中间表、报表和临时表 
  中间表是存放统计数据的表,它是为数据仓库、输出报表或查询结果而设计的,有时它没有主键与外键(数据仓 
  库除外)。临时表是程序员个人设计的,存放临时记录,为个人所用。基表和中间表由DBA维护,临时表由程序员 
  自己用程序自动维护。 

12. 完整性约束表现在三个方面 
  域的完整性:用Check来实现约束,在数据库设计工具中,对字段的取值范围进行定义时,有一个Check按钮,通 
  过它定义字段的值城。 
  参照完整性:用PK、FK、表级触发器来实现。 
  用户定义完整性:它是一些业务规则,用存储过程和触发器来实现。 

13. 防止数据库设计打补丁的方法是“三少原则” 
   (1) 一个数据库中表的个数越少越好。只有表的个数少了,才能说明系统的E--R图少而精,去掉了重复的多余的 
    实体,形成了对客观世界的高度抽象,进行了系统的数据集成,防止了打补丁式的设计; 

   (2) 一个表中组合主键的字段个数越少越好。因为主键的作用,一是建主键索引,二是做为子表的外键,所以组 
    合主键的字段个数少了,不仅节省了运行时间,而且节省了索引存储空间; 

   (3) 一个表中的字段个数越少越好。只有字段的个数少了,才能说明在系统中不存在数据重复,且很少有数据冗 
    余,更重要的是督促读者学会“列变行”,这样就防止了将子表中的字段拉入到主表中去,在主表中留下许 
    多空余的字段。所谓“列变行”,就是将主表中的一部分内容拉出去,另外单独建一个子表。这个方法很简 
    单,有的人就是不习惯、不采纳、不执行。 

  数据库设计的实用原则是:在数据冗余和处理速度之间找到合适的平衡点。“三少”是一个整体概念,综合观点, 
  不能孤立某一个原则。该原则是相对的,不是绝对的。“三多”原则肯定是错误的。试想:若覆盖系统同样的功 
  能,一百个实体(共一千个属性) 的E--R图,肯定比二百个实体(共二千个属性) 的E--R图,要好得多。 

  提倡“三少”原则,是叫读者学会利用数据库设计技术进行系统的数据集成。数据集成的步骤是将文件系统集成 
  为应用数据库,将应用数据库集成为主题数据库,将主题数据库集成为全局综合数据库。集成的程度越高,数据 
  共享性就越强,信息孤岛现象就越少,整个企业信息系统的全局E—R图中实体的个数、主键的个数、属性的个数 
  就会越少。 

  提倡“三少”原则的目的,是防止读者利用打补丁技术,不断地对数据库进行增删改,使企业数据库变成了随意 
  设计数据库表的“垃圾堆”,或数据库表的“大杂院”,最后造成数据库中的基本表、代码表、中间表、临时表 
  杂乱无章,不计其数,导致企事业单位的信息系统无法维护而瘫痪。 

   “三多”原则任何人都可以做到,该原则是“打补丁方法”设计数据库的歪理学说。“三少”原则是少而精的 
  原则,它要求有较高的数据库设计技巧与艺术,不是任何人都能做到的,因为该原则是杜绝用“打补丁方法” 
  设计数据库的理论依据。 

14. 提高数据库运行效率的办法 
  在给定的系统硬件和系统软件条件下,提高数据库系统的运行效率的办法是: 
   (1) 在数据库物理设计时,降低范式,增加冗余, 少用触发器, 多用存储过程。 
   (2) 当计算非常复杂、而且记录条数非常巨大时(例如一千万条),复杂计算要先在数据库外面,以文件系统方 
    式用C++语言计算处理完成之后,最后才入库追加到表中去。这是电信计费系统设计的经验。 
   (3) 发现某个表的记录太多,例如超过一千万条,则要对该表进行水平分割。水平分割的做法是,以该表主键 
    PK的某个值为界线,将该表的记录水平分割为两个表。若发现某个表的字段太多,例如超过八十个,则 
    垂直分割该表,将原来的一个表分解为两个表。 
   (4) 对数据库管理系统DBMS进行系统优化,即优化各种系统参数,如缓冲区个数。 
   (5) 在使用面向数据的SQL语言进行程序设计时,尽量采取优化算法。 
    总之,要提高数据库的运行效率,必须从数据库系统级优化、数据库设计级优化、程序实现级优化,这三 
    个层次上同时下功夫。 
因此,考虑了以上条件之后,表设计约定规则如下:

//规则1:表必须要有主键。
//规则2:一个字段只表示一个含义。
//规则3:总是包含两个日期字段:gmt_create(创建日期),gmt_modified(修改日期),且这两个字段不应该包含有额外的业务逻辑。
//规则4:MySQL中,gmt_create、gmt_modified使用DATETIME类型。
//规则5:禁止使用复杂数据类型(数组,自定义类型等)。
//规则6: MySQL中,附属表拆分后,附属表id与主表id保持一致。不允许在附属表新增主键字段。
//规则7: MySQL中,存在过期概念的表,在其设计之初就必须有过期机制,且有明确的过期时间。过期数据必须迁移至历史表中。
//规则8: MySQL中,不再使用的表,必须通知DBA予以更名归档。
//规则9: MySQL中,线上表中若有不再使用的字段,为保证数据完整,禁止删除。
//规则10: MySQL中,禁止使用OCI驱动,全部使用THI驱动。

、事务跟存储引擎

  1.四种事务隔离级别:read uncommited, read commited(大多数db默认的),repeatable read(mysql默认), seriazable。

  2.mysql是默认的auto commited, 也就是说每次查询默认都是自动提交的(show variables like 'autocommited')。mysql可以通过set transaction isolatioin level命令来设置隔离级别,例如:set session transaction isolation level read commited。

  3.mysql中像innodb采用mvcc(多版本并发控制)来处理并发。mvcc只工作在read commited,repeatable read这两种事务隔离级别上。read uncommited隔离级别不兼容mvcc是因为在该级别得下的查询,不读取符合当前事务版本的数据行,而是最新版本的数据行。seriazable隔离级别不兼容MVCC,因为该级别下的读操作会对每个返回行进行加锁。

  4.选择存储引擎,并发选用myisam,事务选择innodb,myisam比innodb更容易出错,出错了恢复的时间也比较长。只有myisam支持全文检索。

  5.把表从一种存储引擎转到另一种引擎:

//  1.    alter table mytable engine=falcon;  操作费时,可能会占用服务器的所有i/o处理能力。
//  2.    create table innodb_table like myisam_table;
//        alter table innodb_table engine=innodb;
//        insert into innodb_table select * from myisam_table;

三、数据类型

  1.尽可能的要把field定义为Not NULL, mysql比较难优化使用了可空列的查询,它会使索引,索引统计更加复杂。可空列需要更多的存储空间,还需要mysql内部进行特殊处理,当可空列被索引时,每条记录都需要一个格外的字节。 即使要在表中存储"没有值"的字段,考虑使用0,特殊字段或者空字符串来代替。

  2.datetime与timestamp能保存同样的数据:精确度为秒,但是timestamp使用的空间只有datetime的一半,还能保存时区,拥有特殊的自动更新能力。但是timestamp保存的时间范围要比datetime要小得多。mysql能存储的最细的时间粒度为秒

  3.mysql支持很多种别名,如bool,integer,nummeric.

  4.float与double类型支持使用标准的浮点运算进行近似计算。 Decimal类型保存精确的小数,在>=mysql5.0,mysql服务器自身进行了decimal的运算,因为CPU不支持直接对它进行运算,所以慢一点。

  5.mysql会把text与blob类型的列当成有实体的对象来进行保存。他们有各自的数据类型家族(tinytext,smalltext,text,mediumtext,longtext; blob类似); mysql对blob与text列排序方式和其他类型有所不同,它不会按照字符串的完整长度来排序。而只是按照max_sort_length规定的若干个字节来进行排序。

  6.采用enum来代替字符串类型。mysql在内部把每个枚举值都保存为整数。enum在内部是按照数字进行排序的,而不是按照字符串。enum最不好的就是字符串列表是固定的,添加和删除必须使用alter table。

  7.ip地址,一般会采用varchar(15)列来保存。事实上,IP地址是个无符号的32位整数,而不是字符串。mysql提供了inet_aton()和inet_nota()函数在证书与ip地址之间进行转换。

四、索引

  1.聚集索引不仅仅是一种单独的索引类型,而且是一种存储数据的方式。Innodb引擎的聚集索引实际上在同样的结构中保存了B-Tree索引和数据行。当表有聚集索引时,它的数据行实际上保存在索引的叶子上。注意是存储引擎来实现索引。

  2.myisam与innodb数据布局:myisam索引树(无论是主键索引还是非主键索引)叶子节点都是指向的数据行,而innodb中聚集索引,主键索引树叶子节点就带得有数据的内容,而非主键索引树中叶子节点指向主键值,而不是数据的位置。

  3.mysql有两种产生排序结果的方式:使用文件排序,或者扫描有序的索引。目前只有myisam支持全文索引。

  4.myisam表有表级锁;myisam表不支持事务,实际上,myisam并不保证单条命令完成;myisam只缓存了mysql进程内部的索引,并保存在键缓存区内。OS缓存了表的数据;行被紧密的保存在一起,磁盘上的数据有很小的磁盘占用和快速的全表扫描。

  5.innodb支持事务和四种事务隔离级别;在mysql5.0中,只有innodb支持外鍵;支持行级锁与mvcc;所有的innodb表都是按照主键聚集的;所有索引(出开主键)都是按主键引用行;索引没有使用前缀压缩,因此索引可能比myisam大很多;数据转载缓慢;阻塞auto_increment,也就是用表级锁来产生每个auto_increment。

五、MYSQL性能分析

  1.mysql提供了一个benchmark(int 循环次数,char* 表达式); 可以分析表达式执行所花时间。 例如:

        // select BENCHMARK(10000,SHA1('aaaaaaaaaaaaaaaa'))
  2.mysql有两种查询日志:普通日志和慢速日志。

六、MYSQL高级特性

  1.在mysql中,只有myisam存储引擎支持全文索引。myisam全文索引是一种特殊的具有两层结构的B树。

  2.存储引擎事务在存储引擎内部被赋予acid属性,分布式(XA)是一种高层次事务,它可以历哟内部个两段提交的方式将acid属性扩展到存储引擎外部,甚至数据库外部。阶段1:通知所有提交者准备提交 阶段2:通知所有参与者进行真正提交。

  3.mysql 的字符集和校对规则有 4 个级别的默认设置:服务器级、数据库级、表级和字段级。

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