数据库系统概论(第四版)_王珊 萨师煊_chp7-1.ppt

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1、数据库系统概论数据库系统概论An Introduction to Database System第七章第七章 数据库设计数据库设计An Introduction to Database System第七章第七章 数据库设计数据库设计7.1 数据库设计概述数据库设计概述7.2 需求分析需求分析7.3 概念结构设计概念结构设计7.4 逻辑结构设计逻辑结构设计7.5 数据库的物理设计数据库的物理设计7.6 数据库实施和维护数据库实施和维护7.7 小结小结An Introduction to Database System数据库设计概述数据库设计概述v 数据库设计数据库设计是指对于一个给定的应用环境，

2、构造（设计）优化的数据库逻辑模式和物理结构，并据此建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储和管理数据，满足各种用户的应用需求，包括信息管理要求和数据操作要求。在数据库领域内，常常把使用数据库的各类系统统称为数据库应用系统。目标：为用户和各种应用系统提供一个信息基础设施和高效率的运行环境。高效率的运行环境包括：数据库数据的存取效率、数据库存储空间的利用率、数据库系统运行管理的效率等都是高的。An Introduction to Database System数据库设计概述数据库设计概述v数据库是信息系统的核心和基础把信息系统中大量的数据按一定的模型组织起来提供存储、维护、检索数据的功能使信息系

3、统可以方便、及时、准确地从数据库中获得所需的信息v数据库是信息系统的各个部分能否紧密地结合在一起以及如何结合的关键所在v数据库设计是信息系统开发和建设的重要组成部分An Introduction to Database System7.1 数据库设计概述数据库设计概述7.1.1 数据库设计的特点数据库设计的特点7.1.2 数据库设计方法数据库设计方法7.1.3 数据库设计的基本步骤数据库设计的基本步骤7.1.4 数据库设计过程中的各级模式数据库设计过程中的各级模式An Introduction to Database System7.1.1 数据库设计的特点数据库设计的特点v数据库建设的基本规

4、律三分技术，七分管理，十二分基础数据 管理 数据库建设项目管理 企业（即应用部门）的业务管理 基础数据 收集、入库 更新新的数据v结构（数据）设计和行为（处理）设计相结合 将数据库结构设计和数据处理设计密切结合结构（数据）设计：设计数据库框架或数据库结构行为（处理）设计：设计应用程序、事务处理等An Introduction to Database System数据库设计的特点（续）数据库设计的特点（续）v结构和行为分离的设计传统的软件工程忽视对应用中数据语义的分析和抽象，只要有可能就尽量推迟数据结构设计的决策早期的数据库设计致力于数据模型和建模方法研究，忽视了对行为的设计An Introdu

5、ction to Database System数据库设计的特点（续）数据库设计的特点（续）现实世界现实世界概念模型设计概念模型设计子模式设计子模式设计物理数据库设计物理数据库设计逻辑数据库设计逻辑数据库设计建立数据库建立数据库数据分析数据分析功能分析功能分析功能模型功能模型功能说明功能说明事务设计事务设计程序说明程序说明应用程序设计应用程序设计程序编码调试程序编码调试结构和行为分离的设计 An Introduction to Database System7.1 数据库设计概述数据库设计概述7.1.1 数据库设计的特点数据库设计的特点7.1.2 数据库设计方法数据库设计方法7.1.3 数据库

6、设计的基本步骤数据库设计的基本步骤7.1.4 数据库设计过程中的各级模式数据库设计过程中的各级模式An Introduction to Database System7.1.2 数据库设计方法数据库设计方法v要求数据库设计人员应该具备的技术和知识数据库的基本知识；软件工程的原理和方法；程序设计的方法和技巧；数据库的基本知识和设计技术；应用领域的知识。An Introduction to Database System数据库设计方法（续）数据库设计方法（续）v 手工与经验相结合方法 设计质量与设计人员的经验和水平有直接关系数据库运行一段时间后常常不同程度地发现各种问题，增加了维护代价v规范设计法

7、基本思想：过程迭代和逐步求精An Introduction to Database System数据库设计方法（续）数据库设计方法（续）v新奥尔良（New Orleans）方法将数据库设计分为四个阶段：需求分析、概念设计、逻辑设计和物理设计。v基于E-R模型的数据库设计方法概念设计阶段广泛采用v3NF（第三范式）的设计方法逻辑阶段可采用的有效方法 vODL（Object Definition Language）方法面向对象的数据库设计方法An Introduction to Database System数据库设计方法（续）数据库设计方法（续）v计算机辅助设计ORACLE Designer 2

8、000SYBASE PowerDesignerAn Introduction to Database System7.1 数据库设计概述数据库设计概述7.1.1 数据库设计的特点数据库设计的特点7.1.2 数据库设计方法数据库设计方法7.1.3 数据库设计的基本步骤数据库设计的基本步骤7.1.4 数据库设计过程中的各级模式数据库设计过程中的各级模式An Introduction to Database System7.1.3 数据库设计的基本步骤数据库设计的基本步骤v数据库设计分6个阶段需求分析概念结构设计逻辑结构设计物理结构设计数据库实施数据库运行和维护 v需求分析和概念设计独立于任何数据库

9、管理系统 v逻辑设计和物理设计与选用的DBMS密切相关An Introduction to Database System数据库设计的基本步骤（续）数据库设计的基本步骤（续）一、数据库设计的准备工作(选定参加设计的人员)1.数据库分析设计人员数据库设计的核心人员自始至终参与数据库设计其水平决定了数据库系统的质量2.用户在数据库设计中也是举足轻重的主要参加需求分析和数据库的运行维护用户积极参与带来的好处加速数据库设计提高数据库设计的质量3.程序员(在系统实施阶段参与进来，负责编制程序)4.操作员(在系统实施阶段参与进来，准备软硬件环境)An Introduction to Database Sy

10、stem需求分析阶段需求分析阶段概念结构设计阶段概念结构设计阶段逻辑结构设计阶段逻辑结构设计阶段数据库物理设计阶段数据库物理设计阶段数据库实施阶段数据库实施阶段数据库运行和维护阶段数据库运行和维护阶段n准确了解与分析用户需求（包括数据准确了解与分析用户需求（包括数据与处理）；与处理）；n是整个设计过程的基础，是最困难、是整个设计过程的基础，是最困难、最耗费时间的一步。最耗费时间的一步。n需求分析是设计数据库的起点需求分析是设计数据库的起点n需求分析的结果是否准确地反映了用需求分析的结果是否准确地反映了用户的实际要求，将直接影响到后面各户的实际要求，将直接影响到后面各个阶段的设计，并影响到设计结

11、果是个阶段的设计，并影响到设计结果是否合理和实用否合理和实用n是整个数据库设计的关键；是整个数据库设计的关键；n通过对用户需求进行综合、归纳与抽象，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形成一个独立于具体DBMS的概念模型的概念模型（E-R图）。图）。n将概念结构转换为某个将概念结构转换为某个DBMS所支持所支持的数据模型（关系数据模型）；的数据模型（关系数据模型）；n对其进行优化。对其进行优化。n然后根据用户处理的要求、安全性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的考虑，在基本表的基础上再建立必要的视图必要的视图(View)，形成数据的外形成数据的外模式

12、模式n为逻辑数据模型选取一个最适合应为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构（包括存储结构用环境的物理结构（包括存储结构和存取方法）和存取方法）n根据根据DBMS特点和处理的需要，进行特点和处理的需要，进行物理存储安排，建立索引，形成数物理存储安排，建立索引，形成数据库内模式据库内模式n运用运用DBMS提供的数据语言、工具提供的数据语言、工具及宿主语言，根据逻辑设计和物理及宿主语言，根据逻辑设计和物理设计的结果设计的结果建立数据库建立数据库编制与调试应用程序编制与调试应用程序组织数据入库组织数据入库并进行试运行并进行试运行n数据库应用系统经过试运行后即数据库应用系统经过试运行后即可投入正

13、式运行。可投入正式运行。n在数据库系统运行过程中必须不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。断地对其进行评价、调整与修改。设计一个完善的数据库应用系统往往是上述六个阶段的设计一个完善的数据库应用系统往往是上述六个阶段的不断反复。不断反复。二、数据库设计的过程(六个阶段)An Introduction to Database System需求收集和分析需求收集和分析设计概念结构设计概念结构设计逻辑结构设计逻辑结构数据模型优化数据模型优化设计物理结构设计物理结构评价设计评价设计,性能预测性能预测物理实现物理实现试验性运行试验性运行使用、维护数据库使用、维护数据库应用需求应用需求

14、数据、处理数据、处理 转换规则、转换规则、DBMSDBMS功能功能优化方法优化方法应用要求应用要求,DBMSDBMS详详细特征细特征需求分析阶段需求分析阶段不不满意满意不不满意满意数据库实施阶段数据库实施阶段物理设计阶段物理设计阶段逻辑设计阶段逻辑设计阶段概念设计阶段概念设计阶段图图 数据库设计步骤数据库设计步骤数据库运行、维护阶段数据库运行、维护阶段An Introduction to Database System数据库设计各个阶段的设计描述An Introduction to Database System7.1 数据库设计概述数据库设计概述7.1.1 数据库设计的特点数据库设计的特点7

15、.1.2 数据库设计方法数据库设计方法7.1.3 数据库设计的基本步骤数据库设计的基本步骤7.1.4 数据库设计过程中的各级模式数据库设计过程中的各级模式An Introduction to Database System7.1.4数据库设计过程中的各级模式数据库设计过程中的各级模式数据库设计不同阶段形成的数据库各级模式数据库的各级模式 An Introduction to Database System数据库设计过程中的各级模式数据库设计过程中的各级模式v需求分析阶段 综合各个用户的应用需求v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(E-R图)v逻辑设计阶段首先将E

16、-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v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，建立索引，形成数据库内模式An Introduction to Database System第七章第七章 数据库设计数据库设计7.1 数据库设计概述数据库设计概述7.2 需求分析需求分析7.3 概念结构设计概念结构设计7.4 逻辑结构设计逻辑结构设计7.5 数据库的物理设计数据库的物理设计7.6 数据库实施和维护数据库实施和维护7.7 小结小结An Intro

17、duction to Database System7.2 需求分析需求分析7.2.1 需求分析的任务需求分析的任务7.2.2 需求分析的方法需求分析的方法7.2.3 数据字典数据字典An Introduction to Database System需求分析需求分析v需求分析就是分析用户的需要与要求需求分析是设计数据库的起点需求分析的结果是否准确地反映了用户的实际要求，将直接影响到后面各个阶段的设计，并影响到设计结果是否合理和实用An Introduction to Database System7.2.1 需求分析的任务需求分析的任务v需求分析的任务v需求分析的重点v需求分析的难点An I

18、ntroduction to Database System需求分析的任务需求分析的任务v通过详细调查现实世界要处理的对象（组织、部门、企业等），充分了解原系统（手工系统或计算机系统）工作概况，明确用户的各种需求。v 在此基础上确定新系统的功能。新系统必须充分考虑今后可能的扩充和改变，不能仅仅按当前应用需求来设计数据库An Introduction to Database System需求分析的重点需求分析的重点v需求分析的重点是调查、收集与分析用户在数据管理中的信息要求、处理要求、安全性与完整性要求。v 信息要求用户需要从数据库中获得信息的内容与性质由用户的信息要求可以导出数据要求，即在数据

19、库中需要存储哪些数据v处理要求对处理功能的要求对处理的响应时间的要求对处理方式的要求(批处理/联机处理)v安全性与完整性要求。An Introduction to Database System需求分析的难点需求分析的难点v确定用户最终需求的难点用户缺少计算机知识，开始时无法确定计算机究竟能为自己做什么，不能做什么，因此无法一下子准确地表达自己的需求，他们所提出的需求往往不断地变化。设计人员缺少用户的专业知识，不易理解用户的真正需求，甚至误解用户的需求。新的硬件、软件技术的出现也会使用户需求发生变化。v解决方法设计人员必须采用有效的方法，与用户不断深入地进行交流，才能逐步得以确定用户的实际需求

20、An Introduction to Database System7.2 需求分析需求分析7.2.1 需求分析的任务需求分析的任务7.2.2 需求分析的方法需求分析的方法7.2.3 数据字典数据字典An Introduction to Database System7.2.2 需求分析的方法需求分析的方法v调查需求v达成共识v分析表达需求An Introduction to Database System调查用户需求的具体步骤调查用户需求的具体步骤 调查组织机构情况 组织部门的组成情况 各部门的职责等 调查各部门的业务活动情况。各个部门输入和使用什么数据 如何加工处理这些数据 输出什么信息

21、输出到什么部门 输出结果的格式是什么An Introduction to Database System调查用户需求的具体步骤调查用户需求的具体步骤 在熟悉业务活动的基础上，协助用户明确对新系统的各种要求。信息要求 处理要求 完全性与完整性要求 确定新系统的边界确定哪些功能由计算机完成或将来准备让计算机完成确定哪些活动由人工完成 由计算机完成的功能就是新系统应该实现的功能。An Introduction to Database System常用调查方法常用调查方法n常用调查方法常用调查方法跟班作业跟班作业开调查会开调查会请专人介绍请专人介绍询问询问设计调查表请用户填写设计调查表请用户填写查阅记

22、录查阅记录v做需求调查时，往往需要同时采用多种方法做需求调查时，往往需要同时采用多种方法无论使用何种调查方法，都必须有用户的积极参与和配合。无论使用何种调查方法，都必须有用户的积极参与和配合。设计人员应该和用户取得共同的语言，帮助不熟悉计算机的用设计人员应该和用户取得共同的语言，帮助不熟悉计算机的用户建立数据库环境下的共同概念，并对设计工作的最后结果共同承户建立数据库环境下的共同概念，并对设计工作的最后结果共同承担责任。担责任。通过亲身参加业务工作了解业务通过亲身参加业务工作了解业务活动的情况。能比较准确地理解用活动的情况。能比较准确地理解用户的需求，但比较耗时。户的需求，但比较耗时。通过与用

23、户座谈来了解业务活通过与用户座谈来了解业务活动情况及用户需求。动情况及用户需求。对某些调查中的问题，可以找专对某些调查中的问题，可以找专人询问人询问如果调查表设计合理，则很有效，如果调查表设计合理，则很有效，且易于为用户接受且易于为用户接受查阅与原系统有关的数据记录查阅与原系统有关的数据记录An Introduction to Database System常用调查方法常用调查方法v做需求调查时，往往需要同时采用多种方法无论使用何种调查方法，都必须有用户的积极参与和配合设计人员应该和用户取得共同的语言，帮助不熟悉计算机的用户建立数据库环境下的共同概念，并对设计工作的最后结果共同承担责任An I

24、ntroduction to Database System进一步分析和表达用户需求进一步分析和表达用户需求v结构化分析方法（Structured Analysis，简称SA方法）从最上层的系统组织机构入手 自顶向下、逐层分解分析系统An Introduction to Database System进一步分析和表达用户需求（续）进一步分析和表达用户需求（续）1首先把任何一个系统都抽象为：数据流数据流数据流数据流数据数据存储存储信息要求信息要求数据数据来源来源处理处理数据数据输出输出处理要求处理要求An Introduction to Database System进一步分析和表达用户需求（续

25、）进一步分析和表达用户需求（续）2分解处理功能和数据 (1)分解处理功能将处理功能的具体内容分解为若干子功能 (2)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 (3)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3将分析结果再次提交给用户，征得用户的认可An Introduction to Database System需求分析过程需求分析过程需求分析过程 An Introduction to Database System需求分析小结需求分析小结实例：假设我们要开发一个学校管理系统。1经过可行性分析和初步需求调查，抽象出该系统最高层数据流图，该

26、系统由教师管理子系统、学生管理子系统、后勤管理子系统组成，每个子系统分别配备一个开发小组。2进一步细化各个子系统。其中学生管理子系统开发小组通过进行进一步的需求调查，明确了该子系统的主要功能是进行学籍管理和课程管理，包括学生报到、入学、毕业的管理，学生上课情况的管理。通过详细的信息流程分析和数据收集后，他们生成了该子系统的数据流图。An Introduction to Database System学校管理系统最高层数据流图学校管理系统最高层数据流图An Introduction to Database SystemAn Introduction to Database System学籍管理的

27、数据流图学籍管理的数据流图An Introduction to Database SystemAn Introduction to Database System续续An Introduction to Database System课程管理的数据流图课程管理的数据流图An Introduction to Database System7.2 需求分析需求分析7.2.1 需求分析的任务需求分析的任务7.2.2 需求分析的方法需求分析的方法7.2.3 数据字典数据字典An Introduction to Database System7.2.3 数据字典数据字典v 数据字典的用途数据字典是各类数

28、据描述的集合数据字典是进行详细的数据收集和数据分析所获得的主要结果数据字典在数据库设计中占有很重要的地位An Introduction to Database System数据字典数据字典v 数据字典的内容数据项数据结构数据流数据存储处理过程v数据项是数据的最小组成单位v 若干个数据项可以组成一个数据结构v 数据字典通过对数据项和数据结构的定义来描述数据流、数据存储的逻辑内容。An Introduction to Database System 数据项数据项v 数据项是不可再分的数据单位v 对数据项的描述 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，与其他数

29、据项的逻辑关系，数据项之间的联系 取值范围、与其他数据项的逻辑关系定义了数据的完整性约束条件An Introduction to Database System 数据结构数据结构v数据结构反映了数据之间的组合关系。v 一个数据结构可以由若干个数据项组成，也可以由若干个数据结构组成，或由若干个数据项和数据结构混合组成。v 对数据结构的描述 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An Introduction to Database System 数据流数据流v 数据流是数据结构在系统内传输的路径。v 对数据流的描述 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

30、结构，平均流量，高峰期流量数据流来源是说明该数据流来自哪个过程数据流去向是说明该数据流将到哪个过程去平均流量是指在单位时间（每天、每周、每月等）里的传输次数高峰期流量则是指在高峰时期的数据流量An Introduction to Database System 数据存储数据存储v数据存储是数据结构停留或保存的地方，也是数据流的来源和去向之一。v对数据存储的描述 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，存取方式流入的数据流：指出数据来源流出的数据流：指出数据去向数据量：每次存取多少数据，每天（或每小时、每周等）存取几次等信息存取方法：批处

31、理/联机处理；检索/更新；顺序检索/随机检索An Introduction to Database System 处理过程处理过程v具体处理逻辑一般用判定表或判定树来描述v处理过程说明性信息的描述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:简要说明An Introduction to Database System处理过程（续）处理过程（续）v简要说明：主要说明该处理过程的功能及处理要求功能：该处理过程用来做什么处理要求：处理频度要求（如单位时间里处理多少事务，多少数据量）；响应时间要求等处理要求是后面物理设计的输入及性能评价的标准An Introduction to Da

32、tabase System数据字典举例数据字典举例例：学生学籍管理子系统的数据字典。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，后六位按顺序编号与其他数据项的逻辑关系：An Introduction to Database System处理过程（续处理过程（续）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An In

33、troduction to Database System处理过程（续）处理过程（续）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：An Introduction to Database System处理过程（续）处理过程（续）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 An Introduction to Database System处理过程（续）处理过程（续）处理过程“分配宿舍

34、”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。An Introduction to Database System数据字典数据字典v数据字典是关于数据库中数据的描述，是元数据，而不是数据本身v数据字典在需求分析阶段建立，在数据库设计过程中不断修改、充实、完善 An Introduction to Database System数据流图数据流图v数据流图是描绘系统逻辑

35、模型的一种网络表示(这里的系统可以是自动化系统、手工系统或是两者混合而成的系统)。数据流图通过它的成分及所标明各个成分之间的接口来描述系统，数据流图的基本成分是:v1.数据流;v2.文件(数据存储);v3.加工(亦称处理、过程或变换);v4.数据源点或终点。是某种已知构成的信息所流过的通道是数据的暂存区是系统之外的人或组织；这些人或组织是单纯数据的产生源或接收者是一种将进入数据流转化为流出数据流的变换命名原则：要具体，便于区分，名副其实，反映功用 An Introduction to Database System数据流图数据流图常用的符号常用的符号数据处理数据流1.数据流用箭头线表示；数据存储数据源点或终点2.文件（数据存储）用开口矩形或两条平行横线表示；3.加工（亦称处理、过程或变换）用圆角矩形或圆形表示；4.数据源点或终点用正方形或立方体表示。An Introduction to Database System需求分析小结需求分析小结v设计人员应充分考虑到可能的扩充和改变，使设计易于更改，系统易于扩充 v必须强调用户的参与An Introduction to Database System 下课了。下课了。休息一会儿。休息一会儿。An Introduction to Database System