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1、第8章 数据库设计,8.1 数据库设计概述8.2 需求分析8.3 概念结构设计8.4 逻辑结构设计8.5 数据库的物理设计8.6 数据库实施8.7 数据库运行与维护,8.1 数据库设计概述,数据库设计是指对一个给定的应用环境，构造最优的、最有效的数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能够高效率地存取数据，满足各种用户的应用需求。数据库设计通常是在一个通用的DBMS支持下进行的，本书都是以关系数据库SQL Server 2000为基础来设计数据库的。数据库的设计工作通常分阶段进行，不同的阶段完成不同的设计内容。数据库规范设计方法通常将数据库的设计分为6个阶段，如图8-1所示。,返回首页,数据库
2、的设计分为6个阶段,（1）需求分析。收集和分析用户对系统的信息需求和处理需求，得到设计系统所必须的需求信息，建立系统说明文档。（2）概念结构设计。概念结构设计是整个数据库设计的关键。它通过对用户的需求进行综合、归纳与抽象，形成一个独立于具体DBMS的概念模型。（3）逻辑结构设计。在概念模型的基础上导出一种DBMS支持的逻辑数据库模型（如关系型、网络型或层次型），该模型应满足数据库存取、一致性及运行等各方面的用户需求。,（4）物理结构设计。从一个满足用户需求的已确定的逻辑模型出发，在限定的软、硬件环境下，利用DBMS提供的各种手段设计数据库的内模式，即设计数据的存储结构和存取方法。（5）数据库实
3、施。运用DBMS提供的数据语言及宿主语言，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。（6）数据库运行和维护。,返回本节,8.2 需求分析,8.2.1 需求分析的任务8.2.2 需求分析的基本步骤8.2.3 需求分析应用实例,返回首页,8.2.1 需求分析的任务,根据需求分析的目标，需求分析这一阶段的任务主要有两项：（1）确定设计范围。通过详细调查现实世界要处理的对象（组织、部门和企业等），弄清现行系统（手工系统或计算机系统）的功能划分、总体工作流程，明确用户的各种需求。（2）数据收集与分析。需求分析的重点是在调查研究的基础上，获得数据库设计所必须的
4、数据信息。,返回本节,8.2.2 需求分析的基本步骤,1调查与初步分析用户的需求，确定系统的边界2分析和表达用户的需求,1调查与初步分析用户的需求，确定系统的边界,（1）首先调查组织机构情况。（2）然后调查各部门的业务活动情况。（3）在熟悉了业务活动的基础上，协助用户明确对新系统的各种要求，包括信息要求、处理要求、安全性与完整性要求，这是调查的又一个重点。（4）最后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由计算机完成，哪些活动由人工完成。,2分析和表达用户的需求,（1）数据流图。数据流图（Data Flow Diagram，简称DFD）是一种最常用的结构化
5、分析工具，它用图形的方式来表达数据处理系统中信息的变换和传递过程。如图8-4所示，数据流图有4种基本符号。,（2）数据字典。1）数据项条目：数据项是不可再分的数据单位，它直接反映事物的某一特征。2）数据结构条目：反映了数据之间的组合关系。3）数据流条目：数据流是数据结构在系统内传输的路径。4）数据文件条目：数据文件是数据项停留或保存的地方，也是数据流的来源和去向之一。5）处理过程条目。,返回本节,8.2.3 需求分析应用实例,现要开发高校图书管理系统。经过可行性分析和初步的需求调查，确定了系统的功能边界，该系统应能完成下面的功能：（1）读者注册。（2）读者借书。（3）读者还书。（4）图书查询。
6、,1数据流图通过对系统的信息及业务流程进行初步分析后，首先抽象出该系统最高层的数据流图，即把整个数据处理过程看成是一个加工的顶层数据流图，如图8-5所示。,顶层数据流图反映了图书管理系统与外界的接口，但未表明数据的加工要求，需要进一步细化。根据前面图书管理系统功能边界的确定，再对图书管理系统顶层数据流图中的处理功能做进一步分解，可分解为读者注册、借书、还书和查询四个子功能，这样就得到了图书管理系统的第0层数据流图，如图8-6所示。,从图书管理系统第0层数据流图中可以看出，在图书管理的不同业务中，借书、还书、查询这几个处理较为复杂，使用到不同的数据较多，因此有必要对其进行更深层次的分析，即构建这
7、些处理的第1层数据流图。下面的图8-7分别给出了借书、还书、查询子功能的第1层数据流图。,2数据字典,（1）数据项描述。,（2）数据结构描述。,（3）数据流（非数据项）说明。,（4）数据存储说明。,（5）处理过程说明。,返回本节,8.3 概念结构设计,8.3.1 概念结构设计的方法和步骤8.3.2 局部视图设计8.3.3 视图的集成8.3.4 概念结构设计实例,返回首页,8.3.1 概念结构设计的方法和步骤,1自顶向下设计法 2自底向上设计法 3由里向外设计法 4混合策略设计法,返回本节,8.3.2 局部视图设计,局部视图设计是根据系统的具体情况，在多层的数据流图中选择一个适当层次的数据流图，
8、作为设计分E-R图的出发点，并让数据流图中的每一个部分都对应一个局部应用。选择好局部应用之后，就可以对每个局部应用逐一设计分E-R图了。局部E-R图的设计分为如下的几个步骤，如图8-10所示。,1确定实体类型和属性实体和属性之间没有严格的区别界限，但对于属性来讲，可以用下面的两条准则作为依据：（1）作为属性必须是不可再分的数据项，也就是属性中不能再包含其他的属性。（2）属性不能与其他实体之间具有联系。,2确定实体间的联系依据需求分析结果，考察任意两个实体类型之间是否存在联系，若有，则确定其类型（一对一，一对多或多对多），接下来要确定哪些联系是有意义的，哪些联系是冗余的，并消除冗余的联系。所谓冗
9、余的联系是指无意义的或可以从其他联系导出的联系。,3画出局部E-R图确定了实体及实体间的联系后，可用E-R图描述出来。形成局部E-R图之后，还必须返回去征求用户意见，使之如实地反映现实世界，同时还要进一步规范化，以求改进和完善。每个局部视图必须满足：（1）对用户需求是完整的。（2）所有实体、属性、联系都有惟一的名字。（3）不允许有异名同义、同名异义的现象。（4）无冗余的联系。,返回本节,8.3.3 视图的集成,各个局部视图建立好后，还需要对它们进行合并，集成为一个整体的数据概念结构，即总E-R图。集成局部E-R图型，设计全局E-R模型的步骤如图8-12所示。,1合并局部E-R图，生成初步E-R
10、图,（1）属性冲突。（2）命名冲突。（3）结构冲突。,2修改和重构初步E-R图，消除冗余，生成基本E-R图,（1）用分析的方法消除冗余。分析方法是消除冗余的主要方法。（2）用规范化理论消除冗余。,返回本节,8.3.4 概念结构设计实例,1标识图书管理系统中的实体和属性参照数据字典中对数据存储的描述，可初步确定三个实体的属性为：读者：卡号，姓名，性别，部门，类别、办卡日期，卡状态图书：书号，书名，作者，价格，出版社，库存数量借还记录：卡号，书名，借书日期，还书日期其中有下划线的属性为实体的码。,2确定实体间的联系,返回本节,8.4 逻辑结构设计,8.4.1 逻辑结构设计的任务和步骤8.4.2 概
11、念模型转换为一般的关系模型8.4.3 逻辑结构设计综合实例8.4.4 将一般的关系模型转换为SQL Server 2000下的关系模型8.4.5 数据模型的优化设计用户外模式,返回首页,8.4.1 逻辑结构设计的任务和步骤,逻辑结构设计的主要目标是将概念结构转换为一个特定的DBMS可处理的数据模型和数据库模式。该模型必须满足数据库的存取、一致性及运行等各方面的用户需求。逻辑结构的设计过程如图8-18所示。,从图8-18中可以看出，概念模型向逻辑模型的转换过程分为3步进行：（1）把概念模型转换为一般的数据模型。（2）将一般的数据模型转换成特定的DBMS所支持的数据模型。（3）通过优化方法将其转化
12、为优化的数据模型。,返回本节,8.4.2 概念模型转换为一般的关系模型,1实体的转换规则将E-R图中的每一个常规实体转换为一个关系，实体的属性就是关系的属性，实体的码就是关系的码。2实体间联系的转换规则（1）一个1：1联系可以转换为一个独立的关系模式，也可以与任意一端所对应的关系模式合并。（2）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端所对应的关系模式合并。,（3）一个m:n联系转换为一个关系模式。转换的方法为：与该联系相连的各实体的码以及联系本身的属性均转换为关系的属性，新关系的码为两个相连实体码的组合。（4）三个或三个以上实体间的多元联系转换为一个关系模式。,3关系合并规则为
13、了减少系统中的关系个数，如果两个关系模式具有相同的主码，可以考虑将它们合并为一个关系模式。合并的方法是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，并适当调整属性的次序。,返回本节,8.4.3 逻辑结构设计综合实例,下面仍以图书管理系统的基本E-R模型（图8-17）为例，说明基本E-R模型转换成初始关系模型的规则：（1）将图8-17中的实体转换成关系模式。（2）将图8-17中的1:n联系“属于”转换为关系模型。（3）将图8-17中的m:n联系“借还”转换为关系模型。（4）将具有相同码的关系合并。,表8-1图书管理系统的关系模型信息,返回本节,8.4.4 将一般的关
14、系模型转换为SQL Server 2000下的关系模型,下面就将图书管理系统中的关系设计成SQL Server 2000下相应的表，如下所示。（1）READER（读者表）。,（2）DZCLASS（读者类别表）。,（3）BOOK（图书表）。,（4）BORROW（借还表）。,返回本节,8.4.5 数据模型的优化,（1）确定各属性之间的数据依赖。（2）对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。（3）判断每个关系的范式，根据实际需要确定最合适的范式。（4）根据需求分析阶段得到的处理要求，分析这些模式是否适用于用户的应用环境，从而确定是否要对某些模式进行分解或合并。（5）对关系模式进行
15、必要的分解，以提高数据的操作效率和存储空间的利用率。,返回本节,设计用户外模式,在定义外模式时可以考虑以下因素：（1）使用更符合用户习惯的别名。（2）对不同级别的用户定义不同的外模式，以保证数据的安全。（3）简化用户对系统的使用。,返回本节,8.5 数据库的物理设计,1确定数据库的物理结构 2评价物理结构,返回首页,1确定数据库的物理结构,（1）存储结构的设计。1）顺序存储。2）散列存储。3）索引存储。（2）存取方法设计。（3）存放位置的设计。,2评价物理结构,评价物理数据库的方法完全依赖于所选用的DBMS，主要是从定量估算各种方案的存储空间、存取时间和维护代价入手，对估算结果进行权衡、比较，
16、选择出一个较优的合理的物理结构。如果该结构不符合用户需求，则需要修改设计。,返回本节,8.6 数据库实施,（1）建立实际的数据库结构。利用给定的DBMS所提供的命令，建立数据库的模式、外模式和内模式。对于关系数据库来讲，就是创建数据库、建立数据库中所包含的各个基本表、视图和索引等。（2）将原始数据装入数据库。装入数据的过程是非常复杂的。这是因为原始数据一般分散在企业各个不同的部门，而且它们的组织方式、结构和格式都与新设计的数据库系统中的数据有不同程度的区别。,返回首页,8.7 数据库运行与维护,在数据库运行阶段，对数据库经常性的维护工作是由DBA完成的，它包括以下工作：（1）数据库的转储和恢复
17、。（2）数据库安全性、完整性控制DBA必须对数据库的安全性和完整性控制负起责任。（3）数据库性能的监督、分析和改进。（4）数据库的重组织和重构造。另外，数据库系统的应用环境是不断变化的，常常会出现一些新的应用，也会消除一些旧的应用，这将导致新实体的出现和旧实体的淘汰，同时原先实体的属性和实体间的联系也会发生变化。,返回首页,小结,本章介绍了数据库设计的全过程。设计一个数据库应用系统需要经历需求分析、概念设计、逻辑结构设计、物理设计、实施和运行维护六个阶段。概念结构设计用于设计某个企业或组织所关心的信息结构，是对现实世界的第一层抽象，它独立于机器特点，独立于具体的数据库管理系统，它用E-R模型来描述。逻辑设计是将概念设计的结果E-R模型转换为数据的组织模型，对于关系数据库来说，是转换为关系表。,
