资源简介

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数据库系统设计
第5章
目录
01
数据库系统
设计概述
02
需求分析
03
概念结构设计
04
逻辑结构设计
05
物理结构设计
06
数据库实施
07
数据库运行
和维护
本章主要内容
本章主要介绍数据库系统设计的整体过程及具体设计过程中使用的相关方法和技术。从数据库设计的概念出发，引出了数据库系统设计的内容、特点、使用的方法、基本过程和步骤；重点介绍需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、数据库实施、数据库运行和维护等阶段的具体设计内容和步骤，并详细介绍需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计的模型设计方法和模型创建步骤。
准备知识
模型是对事物、对象、过程等客观系统中人们感兴趣的内容的模拟和抽象表达，是理解系统的思维工具。
数据模型也是一种模型，是计算机世界对现实世界数据特征的抽象、表示和处理的工具。
数据库不仅要反映数据本身内容，而且要反映数据之间的联系，而这种模拟是通过数据模型实现的。
数据模型是数据库的框架，是数据库的核心和基础。
数据库系统设计概述
第5章
01
5.1.1 数据库系统设计的内容
数据库设计是根据用户需求研制数据库系统结构的过程。
数据库设计人员基于给定的应用环境，运用数据库设计的相关方法和技术，建立一个性能良好的、能满足不同用户使用要求又能被选定的数据库管理系统接受的数据库系统模式。
数据库系统设计包含数据库系统的结构设计和行为设计两方面内容。
1. 数据库系统的结构设计
数据库系统的结构设计是指针对特定的应用环境，进行数据库模式设计的过程，包括数据库的概念结构设计、逻辑结构设计和物理结构设计。
数据库的结构设计的过程是：设计人员首先将现实世界中的实体、实体间的联系用E-R图表示，再将各个E-R图汇总，得出数据库的概念结构模型；然后，将概念结构模型转化为数据库的逻辑结构模型表示；最后，把数据库的逻辑结构模型进行物理实现，获得数据库系统的存储模式和存取方法。
数据库系统的结构设计又称为数据库系统的静态结构设计。
2. 数据库系统的行为设计
数据库系统的行为设计的概念：设计者确定数据库用户的行为和动作的过程。其中数据库用户的行为和动作是指用户对数据进行的查询和统计、事务处理及报表处理等操作。
数据库系统的行为设计步骤是：将现实世界中的数据对象及使用情况用数据流图和数据字典表示，详细描述在特定应用环境下各种用户对数据的操作要求（包括操作对象、方法、频度和实时性要求），进而得出系统的层次结构，确定系统的功能模块结构、数据库系统的子模式和系统数据流图。
数据库的行为设计也被称为数据库的动态结构设计。
5.1.2 数据库系统设计的特点
数据库系统设计的过程是一个自顶向下、逐步求精的过程。
概况起来，数据库系统设计具有综合性、结构设计和行为设计相互分离又紧密联系两个基本特点。
1. 综合性
数据库系统设计，既要完成后台数据库创建工作（是数据库工程），也要完成前端应用软件的开发工作（是软件工程）。
数据库系统设计涉及的知识领域广，不仅包含计算机专业知识，还包含应用系统的业务领域知识；同时它还要解决技术及非技术两方面的问题。
“三分技术，七分管理，十二分基础数据”是数据库设计的基本规律。数据库系统设计的管理人员要加强管理和控制，做好基础数据的收集、入库工作。
2. 结构设计和行为设计相互分离又紧密联系
结构设计是指数据库的模式结构设计和物理实现，它包括概念结构设计、逻辑结构设计和物理结构设计。
行为设计是指应用程序设计，包括功能组织、流程控制等方面的设计。
数据库系统设计人员应当具有战略眼光，考虑到当前、近期和远期3个时段的用户需求。
5.1.3 数据库系统设计的方法
为了使数据库系统设计更合理、更有效，在数据库设计的过程中需要有效的指导原则，这种原则被称为数据库系统设计方法。
数据库系统设计方法主要分为直观设计法、规范设计法和计算机辅助设计法3类。
1. 直观设计法
又称手工试凑法。
特点：依赖于设计者的经验和技术水平。
不足：缺乏科学理论和工程方法的支持，设计的质量很难保证。
2. 规范设计法
新奥尔良方法：将数据库系统设计分成需求分析（分析用户需求的数据及数据的联系）、概念结构设计（信息分析和定义）、逻辑结构设计（设计实现）和物理结构设计（物理数据库设计）4个阶段。
特点：注重数据库系统的结构设计
不足：忽略了数据库系统用户在使用数据库时进行的查询、统计、事务处理和报表处理等操作。
2. 规范设计法
改进新奥尔良方法：把数据库系统设计分为需求分析、结构设计、行为设计、数据库实施、数据库运行和维护5个阶段。
其中，结构设计包含概念结构设计、逻辑结构设计和物理结构设计3个阶段；行为设计包含应用系统总体设计、详细设计、编码与实现3个阶段。
特点：数据库系统设计包括设计系统开发的全过程，具有综合性、结构设计和行为设计相互分离又紧密联系两个基本特点。
3. 计算机辅助设计法
计算机辅助设计法：设计人员以过往的知识或经验为主导，在数据库系统设计的某些过程中使用相关自动化技术和工具模拟某一方面的规范化设计工作，通过人机交互方式实现设计中的某些部分的方法。
计算机辅助软件如Sybase公司的PowerDesigner、卓软公司的Navicat等。
5.1.4 数据库系统设计的基本过程和步骤
数据库系统设计包括数据库静态结构设计和数据库动态行为设计2方面内容。
1. 数据库系统设计的基本过程
首先对待开发的现实世界中给定的数据库应用环境进行数据分析和用户业务活动分析，得到系统的数据需求和业务需求。
然后对数据需求进行结构设计，包括概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计和用户子模式设计；同时，设计人员对业务需求进行行为设计，包括功能分析、创建功能模型，事务设计、应用程序设计。
之后，设计人员加载试验数据，调试和运行数据库系统。
如果用户对系统的运行和性能表现不满，则需要设计人员返回数据库系统设计的起始阶段，对开发的现实世界中给定的数据库应用环境进行第二次数据分析和用户业务活动分析，重复上述过程，直到用户对开发的系统运行和性能表现满意，并把开发的系统成功交付给用户使用为止。
2.数据库系统设计的步骤和各阶段要完成的工作
应用软件系统开发方法分两种，一是结构化系统设计方法，二是面向对象的软件开发方法。
使用结构化系统设计方法进行数据库及其应用系统开发时，数据库系统设计分为需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、数据库实施及数据库运行和维护6个步骤。
需求分析阶段
深入了解待开发系统的行业背景、业务领域知识及业务处理流程，分析最终用户对系统的要求和需要，弄清系统要达到的业务目标和实现的功能，形成经过各方（包括用户代表、行业评审专家、开发设计人员、软件测试人员等）签字认可的需求规格说明书。
概念结构设计阶段
以需求规格说明书为基础对用户需求进行归纳、抽象和综合，设计出一个独立于计算机硬件和具体数据库管理系统等相关软件的概念模型。
逻辑结构设计阶段
选定一个具体的数据库管理系统（常用的有SQL Server、Oracle、MySQL、Sybase等），将概念结构转换为该数据库管理系统所支持的数据模型；
根据模型转换规则和数据库管理系统的要求与优化方法，进行逻辑结构优化，获得系统优化后的逻辑结构。
物理结构设计阶段
为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构，包括数据存储位置、数据存储结构和存取方法。
设计好物理结构后，设计人员需要评价设计，并进行性能预测。
如果用户对数据库的设计结构和预期性能的表现不满意，需要设计人员返回逻辑结构设计阶段，重新进行逻辑结构设计和物理结构设计，修改逻辑模型，调整物理结构，直到满意为止。
数据库实施阶段
运用数据库管理系统提供的数据操作语言和宿主语言，根据数据库的逻辑设计结果和物理设计结果创建数据库，编写与调试应用程序，组织数据入库并进行系统试运行。
数据库运行和维护阶段
对其结构性能进行评价、调整和修改。
5.1.5 数据库系统设计过程中所涉及的模式
数据库系统设计各阶段的设计成果需要从数据设计描述和处理设计描述两方面进行。
设计阶段 设计成果描述 数据 处理
需求分析 数据字典、全系统中的数据项、数据流、数据存储的描述 数据流图和判定表（判定树）、数据字典中处理过程的描述
概念结构设计 概念模型（E-R图） 系统说明书包括：新系统的要求、方案和概念图；反映新系统信息流的数据流图
逻辑结构设计 某种数据模型、关系模型或非关系模型 系统结构图（模块结构）
物理结构设计 存储安排、方法选择、存取路径的建立 模块设计、IPO表
数据库实施 编写模式、装入数据、数据库试运行 程序编码、编译、连接、测试
数据库运行和维护 性能监测、转储/恢复、数据库重组和重构 新旧系统转换、运行、维护（修正性、适应性、改善性维护）
数据库的各级模式
数据库结构设计的不同阶段对应要完成的不同级别的数据模式设计。
逻辑结构设计阶段，系统设计人员要先将E-R图转换成具体的数据库产品支持的数据模型，形成数据库逻辑模式；然后再根据用户处理的要求、安全性的考虑建立必要的数据视图，形成数据的外模式。
在物理结构设计阶段，要根据具体使用的数据库管理系统的特点和处理的需要进行物理存储安排，并确定系统要建立的索引，得出数据库的内模式。

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