數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

• 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)定義
  數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì) 是指對(duì)于一個(gè)給定的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)造（設(shè)計(jì)）優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯模式和物理結(jié)構(gòu)，并據(jù)此建立數(shù)據(jù)庫(kù)及其應(yīng)用系統(tǒng)，使之能夠有效的存儲(chǔ)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。

• 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

  • 數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的基本規(guī)律
    三分技術(shù)，七分管理，十二分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

  • 結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)）設(shè)計(jì)和行為（處理）設(shè)計(jì)相結(jié)合

• 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法
  • 新奧爾良（New Orleans） 方法
    屬于規(guī)范設(shè)計(jì)法，思想：過(guò)程迭代逐步求精
  • 基于 E-R 模型的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法（最常用的方法）
  • 3NF(第三范式)設(shè)計(jì)方法
  • ODL(Object Definition Language) 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法

• 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)基本步驟
  • 需求分析
  • 概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
  • 邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
  • 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
  • 數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)施
  • 數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行和維護(hù)

需求分析的方法

調(diào)查用戶需求的具體步驟：

1. 調(diào)查組織機(jī)構(gòu)情況，包括了解該組織的部門組成情況，各部門的職責(zé)等，為分析信息流程做準(zhǔn)備
2. 調(diào)查各部門的業(yè)務(wù)活動(dòng)情況，包括了解各個(gè)部門輸入和使用什么數(shù)據(jù)，如何加工處理這些數(shù)據(jù)，輸出什么信息，輸出到什么部門，輸出結(jié)果的格式是什么。這是調(diào)查的重點(diǎn)
3. 再熟悉了業(yè)務(wù)活動(dòng)基礎(chǔ)上，協(xié)助用戶明確對(duì)新系統(tǒng)的各種要求，包括信息要求，處理要求，安全性與完整性要求
4. 確定新系統(tǒng)的邊界，對(duì)前面調(diào)查的結(jié)果進(jìn)行初步分析，確定哪些功能由計(jì)算機(jī)完成或?qū)?lái)準(zhǔn)備讓計(jì)算機(jī)完成，哪些活動(dòng)由人工完成，由計(jì)算機(jī)完成的功能就是新系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的功能。

常用的調(diào)查方法：

1. 跟班作業(yè)，通過(guò)親身參加業(yè)務(wù)工作來(lái)了解業(yè)務(wù)活動(dòng)情況
2. 開調(diào)查會(huì)。通過(guò)與用戶座談來(lái)了解業(yè)務(wù)活動(dòng)情況及用戶需求
3. 請(qǐng)專人調(diào)查
4. 詢問(wèn)，對(duì)某些調(diào)查中的問(wèn)題，可以找專人詢問(wèn)
5. 設(shè)計(jì)調(diào)查表請(qǐng)用戶填寫。如果調(diào)查表設(shè)計(jì)的合理，這種方法是很有效的
6. 查閱記錄，查閱與原系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)記錄

數(shù)據(jù)字典

數(shù)據(jù)字典：系統(tǒng)中各類數(shù)據(jù)描述的集合。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

1. 數(shù)據(jù)項(xiàng)
   不可分的數(shù)據(jù)單位
   數(shù)據(jù)項(xiàng)描述 = |數(shù)據(jù)項(xiàng)名，數(shù)據(jù)項(xiàng)含義說(shuō)明，別名，數(shù)據(jù)類型，長(zhǎng)度，取值范圍，取值含義，與其他數(shù)據(jù)項(xiàng)的邏輯關(guān)系，數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的聯(lián)系|

2. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
   數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)反應(yīng)了數(shù)據(jù)之間的組合關(guān)系，一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以由若干個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)組成，也可以由若干個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成，或由若干個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)混合組成，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述通常包含以下內(nèi)容：
   數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述 = |數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)名，含義說(shuō)明，組成：|數(shù)據(jù)項(xiàng)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)穆窂健?duì)數(shù)據(jù)流的描述通常包括下面的內(nèi)容
   數(shù)據(jù)流描述 = |數(shù)據(jù)流名，說(shuō)明，數(shù)據(jù)流來(lái)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(chǔ)
   數(shù)據(jù)存儲(chǔ)描述 = |數(shù)據(jù)存儲(chǔ)名，說(shuō)明，編號(hào)，輸入的數(shù)據(jù)流，輸出的數(shù)據(jù)流，責(zé)成|數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)|，數(shù)據(jù)量，存取頻度，存取方式|

5. 處理過(guò)程
   處理過(guò)程描述 = |處理過(guò)程名，說(shuō)明，輸入:|數(shù)據(jù)流|，輸入:|數(shù)據(jù)流|,處理：|簡(jiǎn)要說(shuō)明||

   數(shù)據(jù)字典是關(guān)于數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的描述，即元數(shù)據(jù)，而不是數(shù)據(jù)本身

概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將需求分析得到的用戶需求抽象為信息結(jié)構(gòu)即概念模型的過(guò)程就是概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

• 概念結(jié)構(gòu)
  特點(diǎn)如下：

  1. 能真實(shí)、充分地反映現(xiàn)實(shí)世界，包括事物和事物之間的聯(lián)系，能滿足用戶對(duì)數(shù)據(jù)的處理要求，是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的一個(gè)真實(shí)模型
  2. 易于理解，從而可以用它和不熟悉計(jì)算機(jī)的用戶交換意見，用戶的積極參與是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵
  3. 易于更改，當(dāng)應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用要求更改時(shí)，容易對(duì)概念模型修改和擴(kuò)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。

  概念模型的工具是 E-R 模型

概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法與步驟

• 自頂向下，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，首先定義各個(gè)局部應(yīng)用的概念結(jié)構(gòu)，然后將他們集成起來(lái)，得到全局概念結(jié)構(gòu)。
• 逐步擴(kuò)展。首先定義最重要的核心概念結(jié)構(gòu)，然后向外擴(kuò)充，以滾雪球的方式逐步生成其他概念結(jié)構(gòu)，直至總體概念結(jié)構(gòu)
• 混合策略。即將自頂下下和自底向上相結(jié)合，用自頂向下策略設(shè)計(jì)一個(gè)全局概念結(jié)構(gòu)的框架，以它為骨架集成自底向上策略中設(shè)計(jì)的各局部概念結(jié)構(gòu)

經(jīng)常采用的策略是自底向上的方法，即自頂向下的錦訊需求分析，然后再自底向上的設(shè)計(jì)概念結(jié)構(gòu)

需求分析--> 分 E-R 圖--> 總 E-R 圖

數(shù)據(jù)抽象與局部視圖設(shè)計(jì)

三種抽象

• 分類 （Classification）
• 聚集 （Aggregation）
• 概括 （Generalization）

E-R 圖調(diào)整：
為了簡(jiǎn)化 E-R 圖的處置，現(xiàn)實(shí)世界的事物能作為屬性對(duì)待的，盡量作為屬性對(duì)待。

屬性：

• 作為屬性，不能再具有需要描述的性質(zhì)。屬性必須是不可分割的數(shù)據(jù)項(xiàng)，不能包含其他屬性
• 屬性不能與其他實(shí)體具有聯(lián)系，即 E-R 圖中所表示的聯(lián)系是實(shí)體之間的聯(lián)系

根據(jù)需求分析結(jié)果 畫出第一層數(shù)據(jù)流圖，第二層數(shù)據(jù)流圖等

分別設(shè)計(jì)它們的 分 E-R 圖 再匯總成 局部應(yīng)用的 分 E-R 圖

視圖的集成

將所有的分 E-R 圖綜合成一個(gè)系統(tǒng)的總 E-R 圖。

• 兩種集成方式

  • 多個(gè)分 E-R 圖一次集成
  • 逐步集成，用累加的方式一次集成兩個(gè)分 E-R 圖

• 集成過(guò)程

  • 合并，解決各分 E-R 圖之間的沖突，將各分 E-R 圖合并起來(lái)生成初步 E-R 圖
  • 修改和重構(gòu)。消除不必要的冗余，生成基本 E-R 圖

• 合并分 E-R 圖，生成初步 E-R 圖

  1. 屬性沖突
     屬性域沖突，即屬性值得類型、取值范圍或取值集合不同、例如零件號(hào)，有的部門把它定義為整數(shù)，有的部門把它定義為字符型。不同的部門對(duì)零件號(hào)和編碼也不同。又如年齡，某些部門以出生年月日期形式表示職工的年齡，而另一些部門用整數(shù)表示職工的年齡。
     屬性取值單位沖突，例如，零件的重量有的以公斤為單位，有的以斤為單位，有的以克為單位。

  屬性沖突需要各部門討論協(xié)商，解決起來(lái)并非易事

  2. 命名沖突
     同名異議，不同意義的對(duì)象在不同的局部應(yīng)用中具有相同的名字
     異名同義（一義多名），即同一意義的對(duì)象在不同的局部應(yīng)用中具有不同的名字。如對(duì)科研項(xiàng)目，財(cái)務(wù)科稱為項(xiàng)目，科研處稱為課題，生產(chǎn)管理處稱為工程

  處理命名沖突通常也像處理屬性沖突一樣，通過(guò)討論，協(xié)商等行政手段加以解決

  3. 結(jié)構(gòu)沖突
     同一對(duì)象在不同應(yīng)用中具有不同的抽象，例如，職工在某一局部應(yīng)用中被當(dāng)做實(shí)體，而在另一局部應(yīng)用中則被當(dāng)做屬性

  解決辦法，通常是把屬性變換為實(shí)體 或 把實(shí)體變換為屬性，使同一對(duì)象具有相同的抽象。

同一實(shí)體在不同分 E-R 圖中所包含的屬性個(gè)數(shù)和屬性排列次序不完全相同。

解決辦法，使該實(shí)體的屬性取各分 E-R 圖中屬性的并集，再適當(dāng)調(diào)整屬性的次序

• 消除不必要的冗余，設(shè)計(jì)基本 E-R 圖

邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟

• 將概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為一般關(guān)系、網(wǎng)狀、層次模型
• 將轉(zhuǎn)換來(lái)的關(guān)系、網(wǎng)狀、層次模型向指定

DBMS 支持下的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換。

• 對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化

• E-R 圖向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換
  一個(gè)實(shí)體型轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系模式，實(shí)體的屬性就是關(guān)系的屬性，實(shí)體的碼就是關(guān)系的碼

對(duì)于實(shí)體型間的聯(lián)系則有一下不同的情況：

1. 一個(gè) 1:1 聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個(gè)獨(dú)立的關(guān)系模式，也可以與任意一端對(duì)應(yīng)的關(guān)系模式合并。如果轉(zhuǎn)換為一個(gè)獨(dú)立的關(guān)系模式，則與該聯(lián)系相連的各實(shí)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(gè)實(shí)體的碼均是該關(guān)系的候選碼。如果與某一端實(shí)體對(duì)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(gè)關(guān)系模式的碼和聯(lián)系本身的屬性。

2. 一個(gè) 1：n 聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個(gè)獨(dú)立的關(guān)系模式，也可以與 n 端 對(duì)應(yīng)的關(guān)系模式合并。如果轉(zhuǎn)換為一個(gè)獨(dú)立的關(guān)系模式，則與該聯(lián)系相連的各實(shí)體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)化為關(guān)系的屬性，而關(guān)系的碼為 n 端實(shí)體的碼

3. 一個(gè) m:n 聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系模式。與該聯(lián)系相連的各實(shí)體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關(guān)系的屬性，各實(shí)體的碼組成關(guān)系的碼或關(guān)系碼的一部分

4. 3 個(gè)或 3 個(gè)以上實(shí)體間的一個(gè)多元聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系模式。與該多元聯(lián)系相連的各實(shí)體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關(guān)系的屬性，各實(shí)體的碼組成關(guān)系的碼或關(guān)系嗎的一部分

5. 具有相同碼的關(guān)系模式可以合并

• 數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化

  1. 確定數(shù)據(jù)依賴，按需求分析階段所得到的語(yǔ)義，分別寫出每個(gè)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)系模式屬性之間的數(shù)據(jù)依賴。

  2.對(duì)于各個(gè)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(duì)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，分析對(duì)于這樣的應(yīng)用環(huán)境這些模式是否合適，確定是否要對(duì)某些模式進(jìn)行合并或分解

  5. 對(duì)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(chǔ)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)系的元祖分成若干子集合，定義每個(gè)子集合為一個(gè)子關(guān)系，以提高系統(tǒng)的效率。根據(jù)“80/20”原則，一個(gè)大關(guān)系中，經(jīng)常被使用的數(shù)據(jù)只是關(guān)系的一部分，約20%，可以把經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)分解出來(lái)，形成一個(gè)子關(guān)心。如果關(guān)系 R 上 具有 n 個(gè)事物，而且多數(shù)事物存取的數(shù)據(jù)不想交，則 R 可以分解為少于或等于 n 個(gè)子關(guān)系， 使每個(gè)事物存取的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)關(guān)系

     垂直分解就是把關(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(lái)形成一個(gè)子關(guān)系模式。垂直分解可以提高某些事物的效率，但也可以使另一些事務(wù)不得不執(zhí)行鏈接操作，從而降低了效率。因此是否進(jìn)行垂直分解取決于分解后 R 上的所有事務(wù)的總效率是否得到了提高。垂直分解需要確保無(wú)損鏈接性和保持函數(shù)依賴，即保證分解后的關(guān)系具有無(wú)損連接性和保持函數(shù)依賴性。

• 設(shè)計(jì)用戶子模式 （view 視圖模式）

  1. 使用更符合用戶習(xí)慣的別名

  2. 可以對(duì)不同級(jí)別的用戶定義不同的 View，以保證系統(tǒng)的安全性

  3. 簡(jiǎn)化用戶對(duì)系統(tǒng)的使用

數(shù)據(jù)庫(kù)的物理設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)物理設(shè)計(jì)通常分為兩步：

1. 確定數(shù)據(jù)庫(kù)的物理結(jié)構(gòu)，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中主要指存取方法和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

2. 對(duì)物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的終點(diǎn)是時(shí)間和空間效率

• 數(shù)據(jù)庫(kù)物理設(shè)計(jì)的內(nèi)容和方法
  查詢：

  • 查詢的關(guān)系
  • 查詢條件所設(shè)計(jì)的屬性
  • 鏈接條件所涉及的屬性
    - 查詢的投影屬性

  更新：

  • 被更新的關(guān)系
  • 每個(gè)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值

內(nèi)容：

• 為關(guān)系模式選擇存取方法

• 設(shè)計(jì)關(guān)系、索引等數(shù)據(jù)庫(kù)文件的物理存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

• 關(guān)系模式存取方法選擇
  存取方法是快讀存取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，常用的有三類

• 索引存取方法
  根據(jù)應(yīng)用要求確定對(duì)關(guān)系的哪些屬性列建立索引、哪些屬性列建立組合索引、哪些索引要設(shè)計(jì)為唯一索引等

  1. 如果一個(gè)（或一組）屬性經(jīng)常在查詢條件中出現(xiàn)，則考慮在這個(gè)（或這組）屬性上建立索引（或組合索引）
  2. 如果一個(gè)屬性經(jīng)常違最大值和最小值等聚集函數(shù)的參數(shù)，則考慮在這個(gè)屬性上建立索引。
  3. 如果一個(gè)（或一組）屬性經(jīng)常在鏈接操作的鏈接條件中出現(xiàn)，則考慮在這個(gè)（或這組）屬性上建立索引

• 聚簇存取方法
  為了提高某個(gè)屬性（或?qū)傩越M）的查詢素的，把這個(gè)或這些屬性（稱為聚簇碼）上具有相同值得元祖集中存放在連續(xù)的物理塊稱為聚簇

  1. 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(gè)關(guān)系的一組屬性經(jīng)常出現(xiàn)在相等比較條件中，則該單個(gè)關(guān)系可建立聚簇
  3. 如果一個(gè)關(guān)系的一個(gè)（或一組）屬性上的值重復(fù)率很高，則此單個(gè)關(guān)系可建立聚簇。

• HASH 存取方法的選擇
  如果一個(gè)關(guān)系的屬性主要出現(xiàn)在等值鏈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(gè)條件之一，則此關(guān)系可以選擇 HASH 存取方法。
  1. 如果一個(gè)關(guān)系的大小可以預(yù)知，而且不變
  2. 如果關(guān)系的大小動(dòng)態(tài)改變，而且數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)提供了動(dòng)態(tài) HASH 存取方法

• 確定數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
  確定數(shù)據(jù)庫(kù)物理結(jié)構(gòu)主要指確定數(shù)據(jù)的存放位置和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，包括：確定關(guān)系、索引、聚簇、日志、備份等存儲(chǔ)安排和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，確定系統(tǒng)配置等

  1. 確定數(shù)量的存放位置
  2. 確定系統(tǒng)配置

• 評(píng)價(jià)物理結(jié)構(gòu)
  對(duì)時(shí)間效率、空間效率、維護(hù)代價(jià)和各種用戶要求進(jìn)行權(quán)衡。

數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)施和維護(hù)

• 數(shù)據(jù)的載入和應(yīng)用程序的調(diào)試
  先載入少量數(shù)據(jù)調(diào)試，運(yùn)行合格后，再大批輸入數(shù)據(jù)，逐步增加數(shù)據(jù)量。。。

• 數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)試試運(yùn)行
  首先調(diào)試運(yùn)行DBMS 的恢復(fù)功能。

• 數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行和維護(hù)
  下面都是 DBA 的職責(zé)

  • 數(shù)據(jù)看的轉(zhuǎn)儲(chǔ) 和 恢復(fù)
  • 數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性、完全性控制
  • 數(shù)據(jù)庫(kù)性能的監(jiān)督、分析和改造
  • 數(shù)據(jù)庫(kù)的重組織與重構(gòu)造