《數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用》電子課件,數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用,數(shù)據(jù)庫技術(shù),應(yīng)用,電子,課件 第14章數(shù)據(jù)庫設(shè)計本章學(xué)習(xí)目標(biāo)l了解數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計流程了解數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計流程l理解數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本概念、特點和方法。理解數(shù)據(jù)庫設(shè)計的基本概念、特點和方法。l掌握需求分析的主要任務(wù)和建立需求分析的方法。掌握需求分析的主要任務(wù)和建立需求分析的方法。l理解概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的含義，掌握概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法與步理解概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的含義，掌握概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法與步驟。驟。l理解邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的概念，掌握概念模型向關(guān)系模型轉(zhuǎn)換理解邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的概念，掌握概念模型向關(guān)系模型轉(zhuǎn)換的方法。的方法。l理解物理結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)和主要內(nèi)容。理解物理結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)和主要內(nèi)容。l了解數(shù)據(jù)庫實施、運行和維護的基本內(nèi)容和方法。了解數(shù)據(jù)庫實施、運行和維護的基本內(nèi)容和方法。本章概述數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫設(shè)設(shè)計計是是數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫應(yīng)應(yīng)用用系系統(tǒng)統(tǒng)開開發(fā)發(fā)中中的的關(guān)關(guān)鍵鍵問問題題，包包括括數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計計和和應(yīng)應(yīng)用用軟軟件件設(shè)設(shè)計計。數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計計目目的的是是設(shè)設(shè)計計一一個個優(yōu)優(yōu)化化的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫邏邏輯輯結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)和和物物理理結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，既既能能滿滿足足用用戶戶的的應(yīng)應(yīng)用用要要求求，又又能能提提供供一一個個簡簡潔潔、高高效效、規(guī)規(guī)范范合合理理的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫。數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫應(yīng)應(yīng)用用軟軟件件設(shè)設(shè)計計主主要要解解決決應(yīng)應(yīng)用用系系統(tǒng)統(tǒng)的的用用戶戶界界面面、輸輸入入/輸輸出出接接口口、數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫處處理理功功能能的的設(shè)設(shè)計計與與實實現(xiàn)現(xiàn)。本本章章重重點點關(guān)關(guān)注注數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計計的的方方法法與與技技術(shù)術(shù)。為為簡簡化化表表述述，后后續(xù)續(xù)章章節(jié)節(jié)中中的數(shù)據(jù)庫設(shè)計指的就是數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計。的數(shù)據(jù)庫設(shè)計指的就是數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計。本本章章詳詳細(xì)細(xì)介介紹紹數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫設(shè)設(shè)計計需需要要經(jīng)經(jīng)歷歷的的6 6個個階階段段：需需求求分分析析、概概念念結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計計、邏邏輯輯結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計計、物物理理結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計計、數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫實實施施和和數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫的的運運行行及維護。及維護。主要內(nèi)容14.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述14.3 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計14.4 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計14.2 需求分析14.5 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計14.6 數(shù)據(jù)庫的實施14.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計概述 PowerDesignerPowerDesigner版版本本較較多多。20082008年年1111月月，Sybase Sybase PowerDesigner PowerDesigner 1515正正式式上上市市，它它是是一一款款企企業(yè)業(yè)級級一一體體化化的的建建模模和和設(shè)設(shè)計計解解決決方方案案，可可快快速速、穩(wěn)穩(wěn)定定地地構(gòu)構(gòu)建建和和簡簡化化業(yè)業(yè)務(wù)務(wù)流流程程。本本章章主主要要介介紹紹PowerDesigner PowerDesigner 15.115.1。數(shù)據(jù)庫設(shè)計是根據(jù)某一特定的用戶需求及一定的計算機軟硬環(huán)件境，設(shè)計并優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)，建立高效、安全的數(shù)據(jù)庫，為數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)和運行提供良好的平臺。目前，一個國家的數(shù)據(jù)庫建設(shè)規(guī)模、數(shù)據(jù)庫信息量的大小和使用頻度已成為衡量這個國家信息化程度的重要標(biāo)志之一。廣義的講，數(shù)據(jù)庫設(shè)計是數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，即設(shè)計整個數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)；狹義的講就是設(shè)計數(shù)據(jù)庫的各級模式并建立數(shù)據(jù)庫，這是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的一部分。本章的重點是講解狹義的數(shù)據(jù)庫設(shè)計。數(shù)據(jù)庫設(shè)計的一般定義：數(shù)據(jù)庫設(shè)計是指對于一個給定的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)造(設(shè)計)優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)，并據(jù)此建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)，使之能夠有效地存儲和管理數(shù)據(jù)，滿足各種用戶的應(yīng)用需求，包括信息管理要求和數(shù)據(jù)操作要求。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，其基礎(chǔ)和核心是數(shù)據(jù)庫，因此開發(fā)好一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，關(guān)鍵的問題在于數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和構(gòu)造。14.1.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計的特點數(shù)據(jù)庫設(shè)計的特點主要表現(xiàn)在設(shè)計過程中的兩個“結(jié)合”方面。l硬件、軟件和干件的結(jié)合“干件”是技術(shù)和管理的界面。數(shù)據(jù)庫設(shè)計既是一項涉及多學(xué)科的綜臺性技術(shù)，又是一項龐大的工程項目?！叭旨夹g(shù)，七分管理，十二分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)”是數(shù)據(jù)庫設(shè)計的特點之一。在數(shù)據(jù)庫建設(shè)中不僅涉及硬件平臺、軟件技術(shù)，還涉及管理。要建設(shè)一個大型的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，好的平臺及開發(fā)技術(shù)固然重要，但是相比之下管理更加重要。這里的管理不僅僅包括數(shù)據(jù)庫設(shè)計作為一個大型的工程項目本身的管理，而且還包括該企業(yè)的業(yè)務(wù)管理。l結(jié)構(gòu)設(shè)計和行為處理的結(jié)合。結(jié)構(gòu)設(shè)計是指數(shù)據(jù)庫的模式結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括概念結(jié)構(gòu)、邏輯結(jié)構(gòu)和存儲結(jié)構(gòu)；行為處理是指應(yīng)用程序設(shè)計，包括功能組織、流程控制等方面的設(shè)計。在早期傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程中，常常把結(jié)構(gòu)設(shè)計和行為處理分離開來，重視行為處理，忽視結(jié)構(gòu)設(shè)計，只要有可能就盡量推遲結(jié)構(gòu)設(shè)計，這種方法對于數(shù)據(jù)庫設(shè)計顯然是不妥的。數(shù)據(jù)庫設(shè)計應(yīng)該和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計相結(jié)合，也就是說，整個設(shè)計過程中要把結(jié)構(gòu)(數(shù)據(jù))設(shè)計和行為(處理)設(shè)計密切結(jié)合起來，兩者相互參照進(jìn)行。14.1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計的方法大型數(shù)據(jù)庫的設(shè)計是一項龐大的工程項目，需要科學(xué)理論和工程方法作為指導(dǎo)，否則，工程的質(zhì)量就難以保證。因此，人們一直在探索合理、有效的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法。歸納起來可分為三類：直觀設(shè)計法、規(guī)范設(shè)計法和計算機輔助設(shè)計法。1.直觀設(shè)計法該方法是最早使用的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法。這種方法主要采用手工和經(jīng)驗，設(shè)計的質(zhì)量往往與設(shè)計人員的經(jīng)驗和水平有直接關(guān)系。數(shù)據(jù)庫設(shè)計成為一種技藝，缺乏科學(xué)理論和工程方法的支持，工程的質(zhì)量難以保證，常常是數(shù)據(jù)庫運行一段時問后又不同程度地發(fā)現(xiàn)各種問題，增加了系統(tǒng)維護的代價。這種方法帶有很大的主觀性和非規(guī)范性，難以適應(yīng)信息系統(tǒng)發(fā)展的需要。14.1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計的方法2.規(guī)范設(shè)計法規(guī)范設(shè)計法將數(shù)據(jù)庫設(shè)計劃分為若干階段，明確規(guī)定各階段的任務(wù)，采用“自頂向下，分層實現(xiàn)、逐步求精”的設(shè)計原則，結(jié)合數(shù)據(jù)庫理論和軟件工程設(shè)計方法，控制設(shè)計過程的每一細(xì)節(jié)，實現(xiàn)規(guī)范化數(shù)據(jù)庫設(shè)計。常見的方法有：(1)新奧爾良方法該方法將數(shù)據(jù)庫設(shè)計分為四個階段：需求分析(分析用戶要求)、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(信息分析和定義)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(設(shè)計實現(xiàn))和物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(物理數(shù)據(jù)庫設(shè)計)，如圖14-1所示。圖14-1 新奧爾良方法的數(shù)據(jù)庫設(shè)計步驟14.1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計的方法(2)基于E-R模型的數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法其基本思想是在需求分析的基礎(chǔ)之上，用E-R圖構(gòu)造一個反映現(xiàn)實世界實體之間聯(lián)系的企業(yè)模式，然后再將此模式轉(zhuǎn)換成某一特定DBMS的概念模式。該方法是數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段廣泛采用的方法。(3)基于3NF(第三范式)的設(shè)計方法該方法用關(guān)系數(shù)據(jù)理論來指導(dǎo)設(shè)計數(shù)據(jù)庫的邏輯模型，其基本思想是在需求分析的基礎(chǔ)之上，確定數(shù)據(jù)庫模式中的全部屬性及其屬性間的依賴關(guān)系，將它們組織在一個單一的關(guān)系模式中，然后將其投影分解，消除其中不符合3NF的約束條件，規(guī)范成若干個3NF關(guān)系模式的集合。在數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，該方法是一種有效的方法。(4)ODL設(shè)計方法ODL(Object Definition Language)方法是面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫設(shè)計方法。該方法用面向?qū)ο蟮母拍詈托g(shù)語說明數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。ODL可以描述面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以直接轉(zhuǎn)換為面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫。14.1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計的方法3.計算機輔助設(shè)計法計算機輔助數(shù)據(jù)庫設(shè)計通過人機交互的方式幫助設(shè)計者更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計。一方面能充分利用計算機的速度快、容量大、自動化程度高的特點，來完成比較規(guī)則、重復(fù)性大的設(shè)計工作；另一方面又能充分發(fā)揮設(shè)計者的技術(shù)和經(jīng)驗，做出一些重大的決策。目前許多計算機輔助設(shè)計工程(Computer Aided Software Engineering，CASE)工具可以用來幫助設(shè)計人員完成數(shù)據(jù)庫設(shè)計的一些工作。如Oracle公司的Oracle Designer，Sybase公司的PowerDesigner，Rational公司的Rational Rose，CA公司的Erwin和Bpwin等。這些工具軟件可以自動地完成或輔助設(shè)計人員完成數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程中的很多任務(wù)。14.1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計的步驟按照規(guī)范設(shè)計的方法，考慮數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)全過程，將數(shù)據(jù)庫設(shè)計分為以下六個階段(如圖14-2所示)：需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫實施、數(shù)據(jù)庫運行和維護。圖14-2數(shù)據(jù)庫設(shè)計的6個階段14.1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計的步驟1.需求分析階段進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計首先必須準(zhǔn)確了解與分析用戶對系統(tǒng)的信息需求和處理需求，并建立系統(tǒng)說明文檔。需求分析是整個設(shè)計過程的基礎(chǔ)，是最困難、最耗費時間的一步，但也是最重要的一步。需求分析做得是否充分與準(zhǔn)確，決定了數(shù)據(jù)庫設(shè)計的速度與質(zhì)量。需求分析做得不好，甚至?xí)?dǎo)致整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計返工重做。需求說明書是需求分析階段的成果，也是后續(xù)階段設(shè)計的依據(jù)。2.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段概念結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計的關(guān)鍵，它通過對用戶需求進(jìn)行綜合、歸納與抽象，形成一個獨立于具體DBMS的概念模型。一般使用E-R圖來表示數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。14.1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計的步驟3.邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計階段邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計是將概念模型轉(zhuǎn)換為某個DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型，并對其進(jìn)行優(yōu)化。4.物理結(jié)構(gòu)設(shè)計階段數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)設(shè)計是為邏輯數(shù)據(jù)模型選取一個最適合應(yīng)用環(huán)境的物理結(jié)構(gòu)，主要包括數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)和存取方法。5.數(shù)據(jù)庫實施階段在數(shù)據(jù)庫實施階段，設(shè)計人員運用DBMS提供的數(shù)據(jù)語言、工具及宿主語言，根據(jù)邏輯設(shè)計和物理設(shè)計的結(jié)果建立數(shù)據(jù)庫，編制與調(diào)試應(yīng)用程序。組織數(shù)據(jù)入庫，并進(jìn)行試運行。6.數(shù)據(jù)庫運行和維護階段數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過試運行后即可投入正式運行。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運行過程中必須不斷地對其進(jìn)行評價、調(diào)整與修改。投入運行后由DBA來承擔(dān)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的日常維護。14.1.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程中的各級模式在數(shù)據(jù)庫的設(shè)計過程中，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同階段形成數(shù)據(jù)庫的各級模式，如圖14-3所示。需求分析階段，綜合各個用戶的應(yīng)用需求；在概念設(shè)計階段形成獨立于機器特點，獨立于各個DBMS產(chǎn)品的概念模式，在本章中就是E-R圖；在邏輯設(shè)計階段將E-R圖轉(zhuǎn)換成具體的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品支持的數(shù)據(jù)模型，如關(guān)系模型，形成數(shù)據(jù)庫邏輯模式；然后根據(jù)用戶處理的要求、安全性的考慮，在基本表的基礎(chǔ)上再建立必要的視圖(View)，形成數(shù)據(jù)的外模式；在物理設(shè)計階段，根據(jù)DBMS特點和處理的需要，進(jìn)行物理存儲安排，建立索引，形成數(shù)據(jù)庫內(nèi)模式。14.2 需求分析數(shù)據(jù)定義圖14-3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計中的各級模式需求分析是整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計中的最重要的步驟之一，是后續(xù)各階段的基礎(chǔ)。簡單地說就是從各方面對整個組織進(jìn)行調(diào)查，分析用戶的要求。需求分析是設(shè)計數(shù)據(jù)庫的起點，需求分析的結(jié)果是否準(zhǔn)確地反映了用戶的實際要求，將直接影響到后面各個階段的設(shè)計，并影響到設(shè)計結(jié)果是否合理和實用。14.2.1 需求分析的任務(wù)數(shù)據(jù)定義需求分析階段由計算機工作人員也就是系統(tǒng)分析員和用戶雙方共同完成，通過收集數(shù)據(jù)庫所需要的信息內(nèi)容和用戶對數(shù)據(jù)處理的需求，與用戶達(dá)成共識，然后再分析和表達(dá)這些需求，為完成需求說明書進(jìn)行必要的準(zhǔn)備工作。需求分析階段的主要內(nèi)容和形成的結(jié)果文件分別可以描述如下。1.搜集資料，進(jìn)行用戶活動分析，完成業(yè)務(wù)流程圖了解用戶當(dāng)前業(yè)務(wù)活動和職能，理解相關(guān)業(yè)務(wù)流程。當(dāng)一個處理過程比較復(fù)雜時，需要將相應(yīng)處理分解為若干個子處理，使每一個子處理的功能確定、界面清楚，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生業(yè)務(wù)流程圖。在收集信息的過程中，需要具體定義所設(shè)計的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用到的所有信息，確定用戶將要向數(shù)據(jù)庫輸入什么樣的數(shù)據(jù)以及將要從數(shù)據(jù)庫獲得哪些輸出信息，即確定在數(shù)據(jù)庫中需要存儲的數(shù)據(jù)、對這些數(shù)據(jù)做出的處理和數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。對每一個處理過程，需要定義用戶要完成的處理功能，對處理的響應(yīng)時間的要求以及處理的方式是批處理還是聯(lián)機處理。14.2.1 需求分析的任務(wù)數(shù)據(jù)定義2.進(jìn)行系統(tǒng)范圍分析，完成系統(tǒng)關(guān)聯(lián)圖確定整個需求的數(shù)據(jù)范圍。了解系統(tǒng)所需要考慮的數(shù)據(jù)邊界和不屬于系統(tǒng)考慮的數(shù)據(jù)范圍，由此建立整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)邊界。數(shù)據(jù)邊界確立了整個系統(tǒng)所注釋的目標(biāo)與對象，建立了整個數(shù)據(jù)領(lǐng)域所涉及的范圍。在確定數(shù)據(jù)領(lǐng)域范圍時，涉及到了安全性和完整性兩個需求，安全性要求描述系統(tǒng)中不同用戶對數(shù)據(jù)庫的使用和操作情況；完整性要求描述數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及數(shù)據(jù)的取值范圍要求，即數(shù)據(jù)邊界。3.進(jìn)行所涉及數(shù)據(jù)的分析，完成數(shù)據(jù)流程圖深入分析用戶業(yè)務(wù)處理過程，以數(shù)據(jù)流圖(Data Flow Diagram,DFD)形式表示數(shù)據(jù)走向和對數(shù)據(jù)進(jìn)行的加工。DFD作為從“數(shù)據(jù)”和“數(shù)據(jù)加工”兩方面表達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)工作的一種圖形表示方法，具有直觀、易于理解等優(yōu)勢。14.2.1 需求分析的任務(wù)數(shù)據(jù)定義4.進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，完成數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)字典(Data Dictionary，DD)提供了對各類數(shù)據(jù)描述的集中管理，是一種數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)設(shè)計和管理的有力工具。完成數(shù)據(jù)字典能完整地反映系統(tǒng)需求。5.用戶確認(rèn)需求分析得到的數(shù)據(jù)流圖和數(shù)據(jù)字典要返回給用戶，通過反復(fù)完善，最終要獲得用戶的認(rèn)可。確定用戶的最終需求是一件很困難的事，其困難之處不在于技術(shù)上，而在于要了解、分析、表達(dá)客觀世界并非易事，需要設(shè)計人員不斷深入地與用戶交流，才能逐步確定用戶的實際需求。需求分析是整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計中最重要的一個步驟，是以后其他各步驟的基礎(chǔ)。整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計相當(dāng)于一個系統(tǒng)工程，而需求分析是這個系統(tǒng)工程的最原始的輸入信息，如果這一步做不好，那么后續(xù)的設(shè)計即使再優(yōu)化也只是徒勞。因此，需求分析的重要性是顯而易見的。14.2.2 編寫需求分析說明書數(shù)據(jù)定義在調(diào)查與分析產(chǎn)生的各種文件基礎(chǔ)上，就可以根據(jù)一定的規(guī)范要求編寫需求分析說明書。關(guān)于需求說明書的規(guī)范，我國有國家標(biāo)準(zhǔn)和部委標(biāo)準(zhǔn)，也有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其制定的目的是為了規(guī)范需求分析的內(nèi)容，同時也是為了統(tǒng)一編寫格式。需求分析說明書大致包括以下內(nèi)容：(1)需求調(diào)查原始資料。(2)系統(tǒng)概況，包括系統(tǒng)的目標(biāo)、范圍、背景、歷史和現(xiàn)狀等。(3)系統(tǒng)的原理和技術(shù)。(4)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明。(5)系統(tǒng)功能說明。(6)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理概述、工程項目體制和設(shè)計階段劃分。(7)系統(tǒng)方案及可行性分析。隨系統(tǒng)分析說明書可提供以下附件。(1)系統(tǒng)的軟硬件支持環(huán)境及規(guī)格要求。(2)組織機構(gòu)圖、業(yè)務(wù)流程圖、各組織間聯(lián)系圖等。(3)數(shù)據(jù)流程圖、功能模塊圖、數(shù)據(jù)字典等。系統(tǒng)需求分析說明書及其附件內(nèi)容，必須經(jīng)設(shè)計方和用戶方雙方確認(rèn)。一經(jīng)確認(rèn)，它即成為今后各階段設(shè)計工作的依據(jù)，也是用戶驗收項目的依據(jù)，是雙方的權(quán)威性文獻(xiàn)。14.2.3 需求分析的方法數(shù)據(jù)定義需求分析的方法有多種，主要的方法有自頂向下和自底向上兩種。其中自頂向下的結(jié)構(gòu)化分析(Structured Analysis，SA)方法是一種簡單實用的方法。SA方法從最上層的系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)入手，采用逐層分解的方式分析系統(tǒng)，用數(shù)據(jù)流圖和數(shù)據(jù)字典描述系統(tǒng)。1.數(shù)據(jù)流圖數(shù)據(jù)流圖表達(dá)了數(shù)據(jù)和處理過程的關(guān)系。圖14-4所示是最高層次抽象的數(shù)據(jù)流圖。實際上，要反映更詳細(xì)的內(nèi)容，需要將處理過程分解為若干子過程，每個子過程還可以繼續(xù)分解。在子過程逐步分解的同時，它們所用的數(shù)據(jù)也逐級分解，形成若干層次的數(shù)據(jù)流圖，直到把系統(tǒng)工作過程表示清楚為止。14.2.3 需求分析的方法數(shù)據(jù)定義14.2.3 需求分析的方法數(shù)據(jù)定義數(shù)據(jù)流圖的分層原則：(1)根據(jù)層級，數(shù)據(jù)流圖分為頂層數(shù)據(jù)流圖、中層數(shù)據(jù)流圖和底層數(shù)據(jù)流圖。除頂層數(shù)據(jù)流圖外，其他數(shù)據(jù)流圖從0開始編號。(2)頂層數(shù)據(jù)流圖只含有一個加工表示整個系統(tǒng)；輸出數(shù)據(jù)流和輸入數(shù)據(jù)流為系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)，表明系統(tǒng)的范圍，以及與外部環(huán)境的數(shù)據(jù)交換關(guān)系。(3)中層數(shù)據(jù)流圖是對父層數(shù)據(jù)流圖中某個加工進(jìn)行細(xì)化，而它的某個加工也可以再次細(xì)化，形成子圖；中間層次的多少，一般視系統(tǒng)的復(fù)雜程度而定。(4)底層數(shù)據(jù)流圖是指其加工不能再分解的數(shù)據(jù)流圖，其加工稱為“原子加工”。14.2.3 需求分析的方法數(shù)據(jù)定義數(shù)據(jù)流圖的畫法：(1)確定系統(tǒng)的輸入輸出由于系統(tǒng)究竟包括哪些功能可能一時難于弄清楚，所以范圍可以盡量大一些，把可能有的內(nèi)容全部都包括進(jìn)去。此時，應(yīng)該向用戶了解“系統(tǒng)從外界接受什么數(shù)據(jù)”、“系統(tǒng)向外界送出什么數(shù)據(jù)”等信息，然后，根據(jù)用戶的答復(fù)畫出數(shù)據(jù)流圖的外圍。(2)由外向里畫系統(tǒng)的頂層數(shù)據(jù)流圖首先，將系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)用一連串的加工連接起來。在數(shù)據(jù)流的值發(fā)生變化的地方就是一個加工。接著，給各個加工命名。然后，給加工之間的數(shù)據(jù)命名。最后，給文件命名。(3)自頂向下逐層分解，繪出分層數(shù)據(jù)流圖對于大型的系統(tǒng)，為了控制復(fù)雜性，便于理解，需要采用自頂向下逐層分解的方法進(jìn)行，即用分層的方法將一個數(shù)據(jù)流圖分解成幾個數(shù)據(jù)流圖來分別表示。14.2.3 需求分析的方法數(shù)據(jù)定義2.數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)字典(Data Dictionary，DD)是系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)描述的集合，是進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析所獲得的主要成果。數(shù)據(jù)字典通常包括數(shù)據(jù)項、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)存儲和處理過程五個部分。其中數(shù)據(jù)項是數(shù)據(jù)的最小組成單位，若干個數(shù)據(jù)項可以組成個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)字典通過對數(shù)據(jù)項和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義來描述數(shù)據(jù)流、數(shù)據(jù)存儲的邏輯內(nèi)容。(1)數(shù)據(jù)項。數(shù)據(jù)項是不可再分的數(shù)據(jù)單位。對數(shù)據(jù)項的描述通常包括以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)項描述=數(shù)據(jù)項名，數(shù)據(jù)項語義說明，別名，數(shù)據(jù)類型，長度，取值范圍，取值含義，與其它數(shù)據(jù)項的邏輯關(guān)系，數(shù)據(jù)項之間的聯(lián)系其中“取值范圍”、“與其它數(shù)據(jù)項的邏輯關(guān)系”定義了數(shù)據(jù)的完整性約束條件，是設(shè)計數(shù)據(jù)檢驗功能的依據(jù)。可以用關(guān)系規(guī)范化理論為指導(dǎo)，用數(shù)據(jù)依賴的概念分析和表示數(shù)據(jù)項之間的聯(lián)系。即按實際語義，寫出每個數(shù)據(jù)項之間的數(shù)據(jù)依賴，它們是數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計階段數(shù)據(jù)模型優(yōu)化的依據(jù)。14.2.3 需求分析的方法數(shù)據(jù)定義(2)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)反映了數(shù)據(jù)之間的組合關(guān)系。一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以由若干個數(shù)據(jù)項組成，也可以由若干個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成，或由若干個數(shù)據(jù)項和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)混合組成。對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述通常包括以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)名，語義說明，組成：數(shù)據(jù)項或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(3)數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)內(nèi)傳輸?shù)穆窂?。對?shù)據(jù)流的描述通常包括以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)流描述=數(shù)據(jù)流名，說明，數(shù)據(jù)流來源，數(shù)據(jù)流去向，組成：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，平均流量,高峰期流量(4)數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)存儲是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)停留或保存的地方，也是數(shù)據(jù)流的來源和去向之一。它可以是手工文檔或手工憑單，也可以是計算機文檔。對數(shù)據(jù)存儲的描述通常包括以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)存儲描述=數(shù)據(jù)存儲名，說明，編號，輸入的數(shù)據(jù)流，輸出的數(shù)據(jù)流，組成：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)量，存取頻度，存取方式14.2.3 需求分析的方法數(shù)據(jù)定義(5)處理過程。處理過程的具體處理邏輯一般用判定表或判定樹來描述。數(shù)據(jù)字典中只需耍描述處理過程的說明性信息，通常包括以下內(nèi)容：處理過程描述=處理過程名，說明，輸入：數(shù)據(jù)流，輸出：數(shù)據(jù)流，處理：簡要說明需求分析階段需注意以下兩點：(1)需求分析階段的一個重要而困難的任務(wù)是收集將來應(yīng)用所涉及的數(shù)據(jù)，設(shè)計人員應(yīng)充分考慮到可能的擴充和改變，使設(shè)計易于更改，系統(tǒng)易于擴充。(2)必須強調(diào)用戶的參與，這是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的特點。數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)將與廣泛的用戶有密切的聯(lián)系，許多人要使用數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和建立又可能對更多人的工作環(huán)境產(chǎn)生重要影響。因此，用戶的參與是數(shù)據(jù)庫設(shè)計不可分割的一部分。在數(shù)據(jù)分析階段，任何調(diào)查研究沒有用戶的積極參與是寸步難行的。設(shè)計人員應(yīng)該和用戶取得共同的語言，幫助不熟悉計算機的用戶建立數(shù)據(jù)庫環(huán)境下的共同概念，并對設(shè)計工作的最后結(jié)果承擔(dān)共同的責(zé)任。14.3.1 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計概述數(shù)據(jù)定義需求分析得到的數(shù)據(jù)描述都是無結(jié)構(gòu)的，必須在此基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)換為有結(jié)構(gòu)的、易于理解的精確表達(dá)，這部分的工作就是概念設(shè)計。概念結(jié)構(gòu)是各種數(shù)據(jù)模型的共同基礎(chǔ)，它比數(shù)據(jù)模型更獨立于機器、更抽象，從而更加穩(wěn)定。概念結(jié)構(gòu)的主要特點是：(1)能真實、充分地反映現(xiàn)實世界，包括事物和事物之間的聯(lián)系，能滿足用戶對數(shù)據(jù)的處理要求，是對現(xiàn)實世界的一個真實模擬。(2)易于理解，可以用它和不熟悉計算機的用戶交換意見，用戶的積極參與是數(shù)據(jù)庫設(shè)計成功的關(guān)鍵。(3)易于更改，當(dāng)應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用要求改變時，容易對概念模型修改和擴充。(4)易于向關(guān)系、網(wǎng)狀、層次等各種數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的目標(biāo)是產(chǎn)生整體數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)，即概念模式。描述概念結(jié)構(gòu)的有力工具是E-R圖，它直接從現(xiàn)實世界抽象出實體型及其相互間的聯(lián)系。下面將用E-R模型來描述概念結(jié)構(gòu)。14.3.2 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法和步驟數(shù)據(jù)定義1.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法設(shè)計概念結(jié)構(gòu)主要有自頂向下、自底向上、逐步擴張以及混合設(shè)計這四類方法。自頂向下即首先定義全局概念結(jié)構(gòu)的框架，然后逐步細(xì)化；自底向上即首先定義各局部應(yīng)用的概念結(jié)構(gòu)，然后將它們集成起來，得到全局概念結(jié)構(gòu)；逐步擴張是首先定義最重要的核心概念結(jié)構(gòu)，然后向外擴充，以滾雪球的方式逐步生成其它概念結(jié)構(gòu)，直至總體概念結(jié)構(gòu)；混合策略即將自頂向下和自底向上相結(jié)合，用自頂向下策略設(shè)計一個全局概念結(jié)構(gòu)的框架，以它為骨架集成由自底向上策略所設(shè)計的各局部概念結(jié)構(gòu)。這里主要介紹自底向上的設(shè)計方法，如圖14-7所示。14.3.2 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法和步驟數(shù)據(jù)定義2.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的步驟概念模型的設(shè)計步驟如圖14-8所示。(1)設(shè)計局部E-R模型，也稱分E-R模型，即設(shè)計用戶視圖。(2)將各局部E-R模型綜合成為總體E-R模型，即視圖集成。(3)優(yōu)化總體E-R模型。14.3.3 局部概念模型設(shè)計數(shù)據(jù)定義1.數(shù)據(jù)抽象的三種類型E-R模型是對現(xiàn)實世界的一種抽象。抽象是對實際的人、物、事和概念進(jìn)行人為處理，抽取所關(guān)心的共同特性，忽略非本質(zhì)的細(xì)節(jié)，并把這些特性用各種概念精確地描述，這些概念組成了某種模型。一般使用下述3種類型的抽象。(1)分類(Classification)：定義某一類概念作為現(xiàn)實世界中一組對象的類型。這些對象具有某些共同的特性與行為。它抽象了對象值和類型之間的“is member of”的語義。在E-R模型中，實體型就是這種抽象。如圖14-9所示，李文潔、謝濤、王冬等都具有學(xué)生的共同特性和行為：在某個班學(xué)習(xí)某種專業(yè)，選修某些課程。李文潔和學(xué)生之間是分類關(guān)系。14.3.3 局部概念模型設(shè)計數(shù)據(jù)定義(2)聚集(Aggregation)：定義某個類型的組成成分。它抽象了對象內(nèi)部類型和成分間“is a part of”的定義。E-R模型中若干個屬性的聚集就組成了實體型。如圖14-10所示，學(xué)號等屬性聚集組成了實體型學(xué)生，學(xué)號和學(xué)生實體之間是聚集關(guān)系。(3)概括(Generalization)：定義類型之間的一種子集聯(lián)系。它抽象了類型之間“is subset of(子集)”的語義，如圖14-11所示，學(xué)生是超類，本科生和研究生都是學(xué)生實體的子集，即子類，它們之間是概括關(guān)系。14.3.3 局部概念模型設(shè)計數(shù)據(jù)定義2.局部視圖設(shè)計局部視圖設(shè)計也就是要設(shè)計局部E-R模型。首先要利用前面提到的抽象機制對在需求分析階段收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、聚集和概括，形成實體和實體的屬性以及實體的主碼，確定實體間的聯(lián)系類型(1:1，1:n，m:n)，設(shè)計局部E-R模型。局部E-R模型設(shè)計的關(guān)鍵是標(biāo)識實體和實體之間的聯(lián)系。所以要決定如何對數(shù)據(jù)分析階段收集到的數(shù)據(jù)項劃分實體和屬性。一般區(qū)分實體和屬性的基本規(guī)則是：(1)屬性不能是另一些屬性的聚集，即屬性必須是不可分的數(shù)據(jù)項。(2)屬性不能與其它實體具有聯(lián)系，即E-R圖中的聯(lián)系是實體間的聯(lián)系。14.3.4 全局概念模型設(shè)計視圖的集成數(shù)據(jù)定義視圖的集成是指將前面得到的各個局部E-R圖模型綜合成一個總體E-R模型。具體的實現(xiàn)可以是多個局部E-R模型一次集成合并，也可以是兩個局部E-R模型合并，并不斷累加。在合并局部E-R模型得到初步總體E-R模型，更進(jìn)一步得到最后的總體E-R模型的集成過程中，由于各種差異，不可避免會出現(xiàn)局部E-R模型間的不一致，這稱之為沖突。常見的沖突有下列幾種：(1)命名沖突。包括屬性名、實體名、聯(lián)系名之間出現(xiàn)的同名異義沖突和異名同義沖突。(2)屬性沖突。包括屬性域沖突、屬性取值單位沖突。(3)結(jié)構(gòu)沖突。同一對象在不同應(yīng)用中的不同抽象；同一實體在不同局部E-R模型中的屬性組成不同；實體間的聯(lián)系在不同局部E-R模型中出現(xiàn)不同的類型。上述沖突一般在集成時需要做統(tǒng)一處理，形成一致性的表示。若是結(jié)構(gòu)沖突，則要采用多種技術(shù)手段來消除，如把屬性變換為實體或把實體變換為屬性等。另外，還要消除不必要的冗余，包括冗余數(shù)據(jù)和冗余的聯(lián)系。14.3.4 全局概念模型設(shè)計視圖的集成數(shù)據(jù)定義例14-7 學(xué)生管理系統(tǒng)中的總體E-R圖。解：由于此系統(tǒng)簡單，在局部E-R圖中沒有沖突發(fā)生，直接合并后即得到總體E-R圖，如圖14-14所示。14.4 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)定義概念結(jié)構(gòu)是獨立于任何一種數(shù)據(jù)模型的信息結(jié)構(gòu)。邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)就是把概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段設(shè)計好的基本E-R圖轉(zhuǎn)換為與選用DBMS產(chǎn)品所支持的數(shù)據(jù)模型相符合的邏輯結(jié)構(gòu)，并對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化。目前DBMS產(chǎn)品一般支持關(guān)系、網(wǎng)狀、層次三種模型中的某一種，對某一種數(shù)據(jù)模型，各個機器系統(tǒng)又有許多不同的限制，提供不同的環(huán)境與工具。早期設(shè)計的應(yīng)用系統(tǒng)使用網(wǎng)狀或?qū)哟螖?shù)據(jù)模型，而新設(shè)計的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)都普遍采用支持關(guān)系數(shù)據(jù)模型的RDBMS，所以這里只介紹E-R圖向關(guān)系數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換原則與方法。14.4.1E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)定義E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換要解決的問題是如何將實體和實體間的聯(lián)系轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式，如何確定這些關(guān)系模式的屬性和碼。關(guān)系模型的邏輯結(jié)構(gòu)是一組關(guān)系模式的集合。E-R圖則是由實體、實體的屬性和實體之間的聯(lián)系三個要素組成的。所以將E-R圖轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型實際上就是要將實體、實體的屬性和實體之間的聯(lián)系轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式，這種轉(zhuǎn)換一般遵循如下原則；一個實體型轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。實體的屬性就是關(guān)系的屬性，實體的碼就是關(guān)系的碼。對于實體間的聯(lián)系則有以下不同的情況：(1)一個l:l聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式，也可以與任意一端對應(yīng)的關(guān)系模式合并。如果轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式，則與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關(guān)系的屬性，每個實體的碼均是該關(guān)系的候選碼。如果與某一端實體對應(yīng)的關(guān)系模式合并，則需要在該關(guān)系模式的屬性中加入另一個關(guān)系模式的碼和聯(lián)系本身的屬性。14.4.1E-R圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)定義(2)一個l:n聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式，也可與n端對應(yīng)的關(guān)系模式合并。如果轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式，則與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關(guān)系的屬性，而關(guān)系的碼為n端實體的碼。(3)一個m:n聯(lián)系必須轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式。與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關(guān)系的屬性，而關(guān)系的碼為各實體碼的組合。(4)三個或三個以上實體間的一個多元聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。與該多元聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關(guān)系的屬性，而關(guān)系的碼為各實體碼的組合。(5)具有相同碼的關(guān)系模式可合并為一個關(guān)系模式。(6)對同一實體集內(nèi)部的聯(lián)系，可將該實體集拆分為相互聯(lián)系的兩個子集，然后再根據(jù)它們相互間不同的聯(lián)系方式(1:1、1：N、M：N)按上述轉(zhuǎn)換方法處理。最特殊的情況，一個實體自身的一對一聯(lián)系，稱為一對一遞歸聯(lián)系。14.4.2 數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化數(shù)據(jù)定義數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計的結(jié)果不是唯一的。為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的性能，還應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用需要適當(dāng)?shù)匦薷摹⒄{(diào)整數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)，這就是數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化。關(guān)系數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化通常以規(guī)范化理論為指導(dǎo)，方法為：(1)確定數(shù)據(jù)依賴。用數(shù)據(jù)依賴分析和表示數(shù)據(jù)項之間的聯(lián)系，寫出每個數(shù)據(jù)項之間的數(shù)據(jù)依賴。根據(jù)需求分析階段所得到的語義，分別寫出每個關(guān)系模式內(nèi)部各屬性之間的數(shù)據(jù)依賴以及不同關(guān)系模型屬性之間的數(shù)據(jù)依賴。(2)對于各個關(guān)系模式之間的數(shù)據(jù)依賴進(jìn)行極小化處理，消除冗余的聯(lián)系。(3)按照數(shù)據(jù)依賴的理論對關(guān)系模式逐一進(jìn)行分析，考察是否存在部分函數(shù)依賴、傳遞函數(shù)依賴、多值依賴等，確定各關(guān)系模式分別屬于第幾范式。(4)按照需求分析階段得到的處理要求，分析這些模式對于這樣的應(yīng)用環(huán)境是否合適，確定是否需對某些模式進(jìn)行合并或分解。14.4.2 數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化數(shù)據(jù)定義(5)對關(guān)系模式進(jìn)行必要的分解，提高數(shù)據(jù)操作的效率和存儲空間的利用率。常用的兩種分解方法是水平分解和垂直分解。水平分解是把(基本)關(guān)系的元組分為若干子集合，定義每個子集合為一個子關(guān)系，以提高系統(tǒng)的效率。垂直分解是把關(guān)系模式R的屬性分解為若干子集合，形成若干子關(guān)系模式。垂直分解的原則是，經(jīng)常在一起使用的屬性從R中分解出來，形成一個子關(guān)系模式。垂直分解需要確保無損連接和保持函數(shù)依賴。例14-12設(shè)計學(xué)生成績管理系統(tǒng)的最終關(guān)系模式。解：在實際學(xué)生成績管理過程中，一般不關(guān)心教師，這樣教師和課程之間就沒有聯(lián)系屬性了，可以將教師實體的主鍵“教師編號”加入課程實體中作為外鍵，這樣在例14-10中刪除“上課”關(guān)系模式。其次，“選課”關(guān)系實際上是“成績”關(guān)系，將“選課”改為“成績”，其結(jié)果變?yōu)椋簩W(xué)生(學(xué)號，姓名，性別，班號)教師(教師編號，姓名，性別，職稱，部門)課程(課程號，教師編號，課程名)成績(學(xué)號，課程號，成績)14.4.3 外模式設(shè)計數(shù)據(jù)定義將概念模型轉(zhuǎn)換為全局邏輯模型后還應(yīng)該根據(jù)局部應(yīng)用需求，結(jié)合具體DBMS的特點，設(shè)計用戶的外模式。目前關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一般都提供了視圖(View)概念，可以利用這一功能設(shè)計更符合局部用戶需要的用戶外模式。定義數(shù)據(jù)庫全局模式主要是從系統(tǒng)的時間效率、空間效率、易維護等角度出發(fā)。由于用戶外模式與模式是相對獨立的，因此在定義用戶外模式時可以注重考慮用戶的習(xí)慣與方便。包括：(1)使用更符合用戶習(xí)慣的別名。在合并各分E-R圖時，曾做了消除命名沖突的工作，以使數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中同一關(guān)系和屬性具有唯一的名字。這在設(shè)計數(shù)據(jù)庫整體結(jié)構(gòu)時是非常必要的。用View機制可以在設(shè)計用戶View時重新定義某些屬性名，使其與用戶習(xí)慣一致，以方便使用。14.4.3 外模式設(shè)計數(shù)據(jù)定義(2)可以對不同級別的用戶定義不同的View，以保證系統(tǒng)的安全性。假設(shè)關(guān)系模式：產(chǎn)品(產(chǎn)品號，產(chǎn)品名，規(guī)格，單價，生產(chǎn)車間，生產(chǎn)負(fù)責(zé)人，產(chǎn)品成本，產(chǎn)品合格率，質(zhì)量等級)。在這個關(guān)系模式上建立了如下兩個視圖。產(chǎn)品1(產(chǎn)品號，產(chǎn)品名，規(guī)格，單價)產(chǎn)品2(產(chǎn)品號，產(chǎn)品名，規(guī)格，單價，車間，生產(chǎn)負(fù)責(zé)人)產(chǎn)品1視圖只包含允許顧客查詢的屬性，產(chǎn)品2中只包含允許銷售部門查詢的屬性，這樣就可以防止非法用戶訪問不允許他們訪問的數(shù)據(jù)，保證了系統(tǒng)的安全性。(3)簡化用戶對系統(tǒng)的使用。如果某些局部應(yīng)用中經(jīng)常要使用某些很復(fù)雜的查詢，為了方便用戶，可以將這些復(fù)雜查詢定義為視圖，用戶每次只對定義好的視圖進(jìn)行查詢，而不必再編寫復(fù)雜的查詢語句，從而大大簡化了用戶的使用。14.5.1物理結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)定義數(shù)據(jù)庫最終是存放在物理設(shè)備上的。數(shù)據(jù)庫在物理設(shè)備上的存儲結(jié)構(gòu)和存取方法稱為數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)，它與具體的計算機系統(tǒng)(DBMS和硬件)密切相關(guān)。數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計就是為一個給定數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)選取一個最適合應(yīng)用環(huán)境的物理結(jié)構(gòu)和存取方法。主要目標(biāo)是對數(shù)據(jù)庫內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)作調(diào)整并選擇合理的存取路徑，設(shè)計出一個高效的、可實現(xiàn)的物理數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，提高數(shù)據(jù)庫訪問速度及有效利用存儲空間。不同的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的硬件環(huán)境和存儲結(jié)構(gòu)、存取方法不同，提供給數(shù)據(jù)庫設(shè)計者的系統(tǒng)參數(shù)以及變化范圍也不同，因此，物理結(jié)構(gòu)設(shè)計一般沒有一個通用的準(zhǔn)則，它只能提供一個技術(shù)和方法作為參考。數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計通常分為以下兩步：(1)確定數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中主要指存取方法和存儲結(jié)構(gòu)；(2)對物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價，評價的重點是時間和空間效率。14.5.1物理結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)和內(nèi)容數(shù)據(jù)定義在設(shè)計數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)時，設(shè)計者首先需要充分了解所用DBMS的功能、性能、特點，包括所提供的物理環(huán)境、存儲結(jié)構(gòu)、存取方法、確定系統(tǒng)配置和可利用的工具。其次，設(shè)計者還需要對經(jīng)常用到的查詢和對數(shù)據(jù)進(jìn)行更新的事物進(jìn)行詳細(xì)地分析，獲得物理數(shù)據(jù)庫設(shè)計所需的各種參數(shù)。對于查詢事務(wù)，需要考慮查詢涉及的關(guān)系、查詢條件所涉及的屬性、連接條件所涉及的屬性、查詢的結(jié)果屬性等。對于數(shù)據(jù)更新事務(wù)，需要考慮被更新的關(guān)系、每個關(guān)系上的更新操作條件所涉及的屬性、修改操作要改變的屬性等。對于所有的事務(wù)，都要考慮每個事務(wù)在各關(guān)系上的運行頻率和性能要求。例如，假設(shè)某個查詢必須在1S之內(nèi)完成，則數(shù)據(jù)的存儲方式和存取方法就非常重要。14.5.2 確定數(shù)據(jù)庫的存取方法數(shù)據(jù)定義1索引存取法選擇索引法是根據(jù)應(yīng)用要求確定對關(guān)系的哪些屬性建立索引、哪些屬性建立組合索引、哪些索引要設(shè)計為唯一索引等。它主要用于常用的或重要的查詢中。對于一個確定的關(guān)系，通常選擇索引存取方法的一般規(guī)則如下：(1)主鍵及外鍵之上一般都可以分別建立索引，以加快實體間連接查詢速度，同時有助于引用完整性檢查以及主鍵唯一性檢查。(2)在以查詢?yōu)橹鞯年P(guān)系表中盡量多的建立索引。(3)等值連接中，滿足條件的元組較少(如小于5%)的查詢可以考慮建立索引。(4)一個屬性經(jīng)常作為最大值或最小值等聚集函數(shù)的參數(shù)時，可以在這個屬性上建立索引，查詢時按照屬性索引的順序掃描直接得到結(jié)果。14.5.2 確定數(shù)據(jù)庫的存取方法數(shù)據(jù)定義2聚簇方法聚簇是為了提高某個屬性(或?qū)傩越M)的查詢速度，把這個或這些屬性(也稱聚簇碼)上具有相同值的元組集中存放在一個物理塊或連續(xù)的物理塊內(nèi)。聚簇一般至少定義在一個屬性之上，也可以定義在多個屬性之上。許多關(guān)系模式的DBMS都提供了聚簇功能，建立聚簇索引后基本表中的數(shù)據(jù)也需要按指定的聚簇屬性值的升序或降序存放，即聚簇索引的索引項順序和表中元組的物理順序一致。建立聚簇開銷通常很大，而且對于與聚簇屬性無關(guān)的訪問效果不佳。因此通常以下情況比較適合建立聚簇：(1)對經(jīng)常在一起進(jìn)行連接操作的關(guān)系可以建立聚簇。(2)如果一個關(guān)系的一組屬性經(jīng)常出現(xiàn)在相等比較條件中，則可以為該關(guān)系建立聚簇。(3)如果一個關(guān)系的一個或一組屬性上的值重復(fù)率很高，則可以為該關(guān)系建立聚簇。如果對應(yīng)每個聚簇碼值的平均元組數(shù)太少，聚簇效果就會不明顯。14.5.2 確定數(shù)據(jù)庫的存取方法數(shù)據(jù)定義3哈希散列法選擇哈希散列法的規(guī)則如下：如果一個關(guān)系的屬性主要出現(xiàn)在等值連接條件中或主要出現(xiàn)在相等比較選擇條件中，而且滿足下列兩個條件之一：(1)該關(guān)系的大小可預(yù)知，且大小不變。(2)該關(guān)系的大小動態(tài)變化，但數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供了動態(tài)哈希散列存取方法。當(dāng)檢索是基于Hash字段值的準(zhǔn)確匹配，尤其是如果訪問順序是隨機的，Hash就是一種好的存儲結(jié)構(gòu)。14.5.3 確定數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)定義1.確定數(shù)據(jù)的存放位置為了提高系統(tǒng)的性能，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用情況將數(shù)據(jù)的易變部分與穩(wěn)定部分、經(jīng)常存取部分和存取頻率較低的部分分開存放，有效利用多磁盤之間的并發(fā)訪問能力，均衡磁盤訪問負(fù)載。由于各個系統(tǒng)所能提供的對數(shù)據(jù)進(jìn)行物理安排的手段、方法差異很大，因此設(shè)計者應(yīng)仔細(xì)了解給定的DBMS提供的方法和參數(shù)，針對應(yīng)用環(huán)境的要求，對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈锢戆才拧?.確定系統(tǒng)配置DBMS產(chǎn)品一般都提供了一些系統(tǒng)配置變量、存儲分配參數(shù)等，供設(shè)計者對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行物理優(yōu)化。初始情況下，系統(tǒng)為這些變量賦予了缺省值，但這些值不一定適合每一種應(yīng)用環(huán)境。在進(jìn)行物理結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要重新對這些變量賦值，以改善系統(tǒng)的性能。在系統(tǒng)運行時還需要根據(jù)實際運行情況做進(jìn)一步的調(diào)整，改進(jìn)系統(tǒng)性能。14.5.4 物理結(jié)構(gòu)評價數(shù)據(jù)定義數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后可能產(chǎn)生多種物理設(shè)計方案。設(shè)計者需要從時間效率、空間效率、維護代價和各種用戶要求方面進(jìn)行權(quán)衡，進(jìn)行定量估算，對估算結(jié)果進(jìn)行比較，選擇出一個較優(yōu)的合理的物理結(jié)構(gòu)。如果評價結(jié)果滿足設(shè)計要求，則可進(jìn)行數(shù)據(jù)庫實施；否則，修改設(shè)計。實際上，往往需要經(jīng)過反復(fù)測試才能得到優(yōu)化的物理設(shè)計。14.6 數(shù)據(jù)庫的實施數(shù)據(jù)定義數(shù)據(jù)庫的實施對應(yīng)于軟件工程的編碼調(diào)試階段。實施階段的主要工作有：建立數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)載入、應(yīng)用程序的編寫和調(diào)試、數(shù)據(jù)庫試運行。14.6.1 數(shù)據(jù)庫的載入數(shù)據(jù)定義數(shù)據(jù)庫實施階段兩項重要的工作就是數(shù)據(jù)的載入和應(yīng)用程序的編碼調(diào)試。數(shù)據(jù)裝載方法有人工方法和計算機輔助數(shù)據(jù)入庫方法兩種。數(shù)據(jù)的裝入需要做好以下幾方面的工作：(1)篩選、校驗、分類、綜合和轉(zhuǎn)換原始數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)庫所要求的結(jié)構(gòu)形式。組織數(shù)據(jù)的錄入就是將各類數(shù)據(jù)從各個局部應(yīng)用中抽取出來，輸入到計算機中，然后再分類轉(zhuǎn)換，最后綜合成符合新設(shè)備數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的形式輸入到數(shù)據(jù)庫中。這樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、組織入庫的工作相當(dāng)耗費人力，物力和財力，特別是原來用于手工處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，各類數(shù)據(jù)分散在各種不同的原始表單、憑據(jù)和單據(jù)之中。在向新的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中輸入數(shù)據(jù)時，需要處理大量的紙質(zhì)數(shù)據(jù)，工作量就更大。(2)試驗和檢驗待裝入數(shù)據(jù)，消除錯誤、沖突和不一致的數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)正確，無誤，必須十分重視數(shù)據(jù)的校驗工作，將數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程中，應(yīng)該進(jìn)行多次校驗。對于重要數(shù)據(jù)的校驗更應(yīng)該反復(fù)進(jìn)行，確認(rèn)無誤后再輸入到數(shù)據(jù)庫中。(3)保護原有數(shù)據(jù)。保護系統(tǒng)中原有的舊數(shù)據(jù)文件，以減少數(shù)據(jù)輸入的工作量。如果新建數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來自已有的文件或數(shù)據(jù)庫，那么應(yīng)該注意舊的數(shù)據(jù)模式與新的的數(shù)據(jù)模式結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系，然后再將舊的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到新的數(shù)據(jù)庫中。14.6.2 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序的調(diào)試和試運行數(shù)據(jù)定義數(shù)據(jù)庫的調(diào)試和試運行指在原始數(shù)據(jù)有一部分已經(jīng)輸入數(shù)據(jù)庫后，就開始對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。試運行階段要測試應(yīng)用程序的功能和性能。(1)功能測試：實際運行數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序，對數(shù)據(jù)庫執(zhí)行各種操作，測試應(yīng)用程序的功能是否滿足要求。如果不滿足，則要對應(yīng)用程序進(jìn)行修改、調(diào)整，直到達(dá)到設(shè)計要求為止。(2)性能測試：測量系統(tǒng)的性能指標(biāo)，分析其是否達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。在對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行物理結(jié)構(gòu)設(shè)計時已經(jīng)初步確定了系統(tǒng)的物理參數(shù)，但一般情況下，設(shè)計時在很多方面只是一個近似的估計，和實際系統(tǒng)的運行還有一定的差距。因此必須在試運行階段實際測量和評價系統(tǒng)的性能指標(biāo)，分析是否符合設(shè)計要求。事實上，有些參數(shù)的最佳值往往是經(jīng)過調(diào)試后找到的。如果測試的結(jié)果不符合設(shè)計目標(biāo)，則需要返回物理結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，重新調(diào)整物理結(jié)構(gòu)，修改系統(tǒng)參數(shù)。有時甚至要返回邏輯設(shè)計階段，修改邏輯結(jié)構(gòu)。由于重新設(shè)計數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)甚至邏輯結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)重新入庫，而入庫的數(shù)據(jù)量巨大，因此應(yīng)分期分批地組織數(shù)據(jù)入庫，先輸入小批量數(shù)據(jù)做調(diào)試。試運行基本合格后，再大批量輸入數(shù)據(jù)，逐步增加數(shù)據(jù)量完成運行評價，以減少不必要的工作浪費。另外，試運行階段的數(shù)據(jù)庫還不穩(wěn)定，軟、硬件故障隨時都可能發(fā)生，而且系統(tǒng)的操作人員對系統(tǒng)也還不熟悉，誤操作不可避免，因此應(yīng)該首先調(diào)試運行DBMS的恢復(fù)功能，做好數(shù)據(jù)庫的備份轉(zhuǎn)儲和恢復(fù)工作，一旦出現(xiàn)故障，可以盡快地恢復(fù)數(shù)據(jù)庫，盡量減少對數(shù)據(jù)庫的破壞。14.7 數(shù)據(jù)庫運行維護數(shù)據(jù)定義數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)入正式運行后，對數(shù)據(jù)庫經(jīng)常性的維護工作主要由DBA(數(shù)據(jù)庫管理員)來完成，它包括：(1)數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)儲和恢復(fù) 這是最重要的維護工作之一，通過轉(zhuǎn)儲和恢復(fù)，定期對數(shù)據(jù)庫和日志文件進(jìn)行備份，在發(fā)生介質(zhì)故障后就可以盡快將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到一致性狀態(tài)。(2)數(shù)據(jù)庫的安全性、完整性控制在數(shù)據(jù)庫運行過程中，DBA必須根據(jù)實際應(yīng)用的業(yè)務(wù)規(guī)則，對不同的用戶授予不同的操作權(quán)限。在數(shù)據(jù)庫運行過程中，由于應(yīng)用環(huán)境的變化，對安全性的要求也會發(fā)生變化，數(shù)據(jù)庫的完整性約束條件也會發(fā)生變化，這時DBA需要不斷修正原有的安全控制，以滿足用戶實際應(yīng)用的要求。(3)數(shù)據(jù)庫性能的監(jiān)督、分析和改造14.7 數(shù)據(jù)庫運行維護數(shù)據(jù)定義(4)數(shù)據(jù)庫的重組織和重構(gòu)造。數(shù)據(jù)庫在運行一段時間后，由于對數(shù)據(jù)的不斷地修改、刪除和插入，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫的物理存儲變壞，其性能會逐步下降。數(shù)據(jù)庫重組織指不改變數(shù)據(jù)庫原有的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)，只改變數(shù)據(jù)的存儲位置，把數(shù)據(jù)重組織存放。通過數(shù)據(jù)庫重組織來重新安排數(shù)據(jù)的存儲位置、調(diào)整磁盤分區(qū)等，來提高系統(tǒng)的性能。改變數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)稱為數(shù)據(jù)庫重構(gòu)造。重構(gòu)造需要修改數(shù)據(jù)庫的模式和內(nèi)模式。關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需要通過重定義、或修改表的結(jié)構(gòu)、或定義視圖完成重構(gòu)造。數(shù)據(jù)庫的重構(gòu)造對應(yīng)用系統(tǒng)的使用壽命是很重要的，因而重構(gòu)造是必要的。但是數(shù)據(jù)庫重構(gòu)造的程度是有限的。如果應(yīng)用變化太大，重構(gòu)造也無濟于事，這時應(yīng)該考慮重新設(shè)計新的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，開始新數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的生命周期。本章小結(jié)本章主要介紹了數(shù)據(jù)庫設(shè)計的全過程，給出了其中的重要方法和基本步驟，詳細(xì)描述了數(shù)據(jù)庫設(shè)計各個階段：需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫實施、數(shù)據(jù)庫運行和維護6個階段。本章的重點是數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計和邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計。需求分析是為了了解和分析用戶需求；概念結(jié)構(gòu)設(shè)計在需求分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合、歸納和抽象，形成一個獨立于具體的DBMS的概念模型；邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計把概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為某個具體的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)支持的數(shù)據(jù)模型，并對其進(jìn)行優(yōu)化；物理結(jié)構(gòu)設(shè)計為邏輯結(jié)構(gòu)選取一個最適合應(yīng)用環(huán)境的存儲結(jié)構(gòu)和存取方法；數(shù)據(jù)庫實施階段將建立數(shù)據(jù)庫，編制與調(diào)試應(yīng)用程序，組織數(shù)據(jù)入庫，進(jìn)行試運行；數(shù)據(jù)庫經(jīng)過試運行的檢驗、測試基本合格后，便可投入運行，同時開始進(jìn)入維護工作。維護包括安全性、完整性控制，性能的監(jiān)督、分析和改進(jìn)等工作，同時要做好備份工作，以防止故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)破壞。思 考 練 習(xí)1.簡述數(shù)據(jù)庫設(shè)計的步驟。2.需求分析階段的設(shè)計目標(biāo)是什么?調(diào)查的內(nèi)容是什么?3.簡述數(shù)據(jù)字典的內(nèi)容及其作用。4.什么是數(shù)據(jù)庫的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計？簡述數(shù)據(jù)庫概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的步驟。5.什么是E-R圖，構(gòu)成E-R圖的基本要素是什么？6.在合并局部E-R圖時，如何消除各種沖突？7.什么是數(shù)據(jù)庫的重組織和重構(gòu)造，為什么要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的重組織和重構(gòu)造？8.設(shè)一個部門的數(shù)據(jù)庫包括以下的信息：職工的信息：職工號、姓名、住址和所在部門。部門的信息：部門所有職工、經(jīng)理和銷售的產(chǎn)品及價格。產(chǎn)品的信息：產(chǎn)品號、制造商、價格、型號。制造商的信息：制造商名稱、地址、生產(chǎn)的產(chǎn)品號和型號。根據(jù)上述情況，回答以下問題：(1)試畫出對應(yīng)的E-R圖；(2)將E-R模型轉(zhuǎn)換成關(guān)系模式，并且標(biāo)明各關(guān)系模式的主鍵和外鍵。(3)將(2)中的關(guān)系模式規(guī)范化以滿足3NF要求。思 考 練 習(xí)9.設(shè)一個海軍基地要建立一個艦隊數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，包括如下兩方面的信息。艦隊方面：艦隊：艦隊名稱，基地地點，艦艇數(shù)量艦艇：艦艇編號，艦艇名稱，艦隊名稱艦艇方面：艦艇：艦艇編號，艦艇名稱，武器名稱武器：武器名稱，武器生產(chǎn)時間，艦艇編號官兵：官兵編號，姓名，艦艇編號其中：一個艦隊擁有多艘艦艇，一艘艦艇屬于一個艦隊；一艘艦艇安裝多種武器，一種武器可以安裝于多艘艦艇上；一艘艦艇有多名官兵，一名官兵只屬于一艘艦艇。完成如下設(shè)計：(1)分別設(shè)計艦隊和艦艇兩個局部E-R圖。(2)將上述兩個局部E-R圖合并為一個全局E-R圖。(3)將全局E-R圖裝換為關(guān)系模式。(4)合并時是否存在命名沖突？如何處理？10.為什么要視圖集成?視圖集成的方法是什么?11.試述數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容和步驟。12.總結(jié)數(shù)據(jù)庫設(shè)計的特點。