第七章 数据库设计

第七章 数据库设计

数据库设计概述

• 数据库设计的成果

• 建立数据库

• 构造最优的数据库模式

• 应用系统

• 有效地存储、处理数据，满足用户的需求

• 数据库是信息系统的核心和基础

• 存储、维护、检索数据

数据库设计概述

• 知识结构

• 数据库的基本知识和数据库设计技术

• 计算机科学的基础知识和程序设计的方法和技巧

• 软件工程的原理和方法

• 应用领域的知识

数据库设计概述——特点

• 硬件、软件、界面

• 数据（结构）、处理（行为）

• 数据库模式是公用的、共享的，影响整个应用 的质量

• 三分技术,七分管理,十二分基础数据.

现实世界

概念模型设计

子模式设计 物理数据库设计

逻辑数据库设计

建立数据库

数据分析 功能分析

功能模型 功能说明 事务设计

应用设计 应用开发 系统调试

数据库设计的特点

数据库设计各个阶段的数据设计 描述

数据库设计概述——方法

• 软件工程的思想和方法

• 新奥尔良方法

• 需求分析

• 概念分析

• 逻辑设计

• 物理设计

数据库设计概述——特性

• 反复性

• 反复推敲、修改、迭代的过程

• 试探性

• 结果不是唯一的

• 在矛盾中求得平衡

• 分步进行

• 小组、团队工作

• 分段把关

数据库设计概述——工具

• 手工迭代、优化

• 辅助工具（CASE）

• Oracle： Design 2000

• Sybase： Powerdesigner

• Rational： Rational Rose

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

数据库设计概述——基本步骤

• 需求收集和分析

• 概念结构设计

• 逻辑结构设计

• 物理结构设计

• 物理实现

数据库设计概述——基本步骤

• 需求收集和分析

• 用户/用途

• 用户关心什么

• 用户要什么结果

• 概念结构设计

• 逻辑结构设计

• 物理结构设计

• 物理实现

数据库设计概述——基本步骤

• 需求收集和分析

• 概念结构设计

• 存什么，对现实世界的模拟

• 关系（联系）如何，概念数据模型

• E/R图、OO定义

• 逻辑结构设计

• 物理结构设计

• 物理实现

数据库设计概述——基本步骤

• 需求收集和分析

• 概念结构设计

• 逻辑结构设计

• 转换成逻辑数据模型（与DBMS模型相关）

• 数据库的模式（database schema）

• 用户子模式（视图模式）

• 物理结构设计

• 物理实现

数据库设计概述——基本步骤

• 需求收集和分析

• 概念结构设计

• 逻辑结构设计

• 物理结构设计

• 数据怎么存，物理数据模型

• 根据DBMS产品、环境特点

• 影响数据库的性能

• 物理实现

数据库设计概述——基本步骤

• 需求收集和分析

• 概念结构设计

• 逻辑结构设计

• 物理结构设计

• 物理实现

• 运行DDL

• 装入测试数据

• 应用程序

需求分析的任务

 调查的重点是“数据”和“处理”，获得用户对数据库的要 求

（1）信息要求

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（2）处理要求



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（3）安全性与完整性要求

需求分析过程

需求分析过程

数据字典

 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

 数据项是数据的最小组成单位

 若干个数据项可以组成一个数据结构

 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

概念结构设计——ER图

概念结构设计的方法

• 自顶向下

• 自底向上：经常用的方法。

• 逐步扩张

• 混合策略

自顶向下

• 定义全局概念结构的框架,逐步细化.

需求

全局概念模式

概念模式 概念模式

自底向上

• 定义局部应用的概念结构,再集成,形成全局概念 结构.

子需

求 子需求

概念模式 概念模式 概念模式

概念模式

概念模式

子需 求

其他策略

• 逐步扩展

• 混合策略

核心概念 结构

需求 需求 核心需求

全局概念结构

自底向上的ER图设计

• 选择局部应用，逐一设计分E-R图 划分实体和属性的两条原则：

（1）作为属性，不能再具有需要描述的性质，属性是不可分的 数据项。

（2）属性不能和其他实体具有联系。

• 合并分E-R图，生成初步的E-R图

解决属性冲突，命名冲突，结构冲突。

自底向上的ER图设计（续）

• 消除冗余，设计基本的E-R图

• 冗余数据: 可由基本数据导出.

• 冗余联系: 可由其它联系导出的联系.

数据抽象与局部视图设计

三种抽象 :

 分类 : 定义某一类概念作为现实世界中的一组对象的类型 is a member of

 聚集 :定义某一类型的组成成分 is a part of

 概括 : 定义类型之间的一种子集关系 is a subset of

扩展的E-R模型（子类描述）

• 不相交与可重叠约束：

父类中的实体是否最多 属于一个子类

• 完备性约束：父类中的 实体是否必须属于某一 个子类

学生

研究生 本科生

导师 方向

扩展的E-R模型 （part-of联系）

• 强联系 part-of:

整体实体被破坏，部分实体不存在。如窗口由菜单，按钮等组成，

一旦窗口不存在，菜单也没有了，称为强part-of.

• 弱联系 part-of

整体实体被破坏，部分实体还存在。

汽车与车轮的关系。汽车由车轮等组成，该组成关系是弱part-of。

扩展的E-R模型 （弱实体集）

• 房间是一个弱实体集，因为 它必须是在某一个楼里，房 间号与楼号共同组成房间的 码。

• 组成关系是一个弱关系。

• 房间的码：房间号+楼号

楼房

房间 组成

楼号

房间号

自底向上设计的一个实例:

• 先设计子系统的E-R图

• 合并

某工厂管理信息系统

物质管理子系统 销售管理子系统 人事管理子系统

视图的合并

• 属性冲突: 属性类型,取值范围不同

• 命名冲突:同名异议,异名同异

• 结构冲突:

1. 同一对象具有不同的抽象(实体,属性) 2. 实体中属性个数,次序不同

3. 实体联系类型不同

• 消除冗余

E-R模型（实例）

 一个实例

 某个工厂物资管理的概念模型。物资管理涉及的实体有：

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E-R模型（续）

 这些实体之间的联系如下：

1. 一个仓库可以存放多种零件，一种零件可以存放在多个仓库中，因 此仓库和零件具有多对多的联系。用库存量来表示某种零件在某个仓 库中的数量。

2. 一个仓库有多个职工当仓库保管员，一个职工只能在一个仓库工作，

因此仓库和职工之间是一对多的联系。

E-R模型（续）

 这些实体之间的联系如下（续）：

（3） 职工之间具有领导与被领导关系。即仓库主任领导若 干保管员，因此职工实体型中具有一对多的联系。

（4） 供应商、项目和零件三者之间具有多对多的联系。即一 个供应商可以供给若干项目多种零件，每个项目可以使 用不同供应商供应的零件，每种零件可由不同供应商供 给。

概念结构设计（实例）

 某工厂管理信息系统的视图集成。

图7.27 劳动人事管理的分E-R图 图7.23 销售管理子系统的E-R图

 某工厂管理信息系统的视图集成。

异名同义，项目和产品含义相同。某个项目实质上是指某个产 品的生产。统一用产品作实体名。

库存管理中职工与仓库的工作关系已包含在劳动人事管理的部门与 职工之间的联系之中，所以可以取消。职工之间领导与被领导关系 可由部门与职工（经理）之间的领导关系、部门与职工之间的从属 关系两者导出，所以也可以取消。

逻辑结构的设计——ER到关系

• 实体集→表

• 属性→属性

• 主码→主码

逻辑结构的设计——ER到关系

• 联系集→表

• M：N，联系集必须存在

• Key包含参与实体集的主码

• N：1，联系集可以去除

• 将1端的主码属性，引入N端的表中，成为外码

• 外码参照1端的主码

• 1：1，联系集可以去除

• 两个实体集可合并

• 或一端的主码引入到另一端中，作为外码

E-R图向关系模型的转换（实例）



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



数据库的物理设计

分为两步：

• 确定数据库的物理结构：设计存取方法和存贮结构

• 对物理结构进行评价：时间和空间效率

 根据不同DBMS，确定系统的配置

数据库的物理设计：需要考虑

• 数据库的查询事务

查询关系，查询条件所涉及的属性，连接条件所涉及的属性，

投影属性

• 数据库的更新事务

被更新的关系，更新操作条件所涉及的属性，以及要改变的 属性值

数据库的物理设计：存取方法

存取方法包括：

• 索引方法：决定那些属性要建立索引，B+树

• HASH方法：通过计算找到实际的存放位置

• 聚簇方法：存放在连续的物理块

B+树索引存取方法的选择

• 选择索引存取方法的一般规则

• 如果一个（或一组）属性经常在查询条件中出现，则考虑在这个

（或这组）属性上建立索引（或组合索引）

• 如果一个属性经常作为最大值和最小值等聚集函数的参数，则考 虑在这个属性上建立索引

• 如果一个（或一组）属性经常在连接操作的连接条件中 出现，

则考虑在这个（或这组）属性上建立索引

HASH存取方法的选择

 选择Hash存取方法的规则

 如果一个关系的属性主要出现在等值连接条件中或主要 出现在等值比较选择条件中，而且满足下列两个条件之 一

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

聚簇存取方法的选择

 什么是聚簇

 为了提高某个属性（或属性组）的查询速度，把这个或 这些属性（称为聚簇码）上具有相同值的元组集中存放 在连续的物理块中称为聚簇。

 该属性（或属性组）称为聚簇码（cluster key）

 许多关系型数据库管理系统都提供了聚簇功能

 聚簇存放与聚簇索引的区别

聚簇存取方法的选择（续）

 聚簇索引

 建立聚簇索引后，基表中数据也需要按指定的聚簇属性值的 升序或降序存放。也即聚簇索引的索引项顺序与表中元组的 物理顺序一致。

 在一个基本表上最多只能建立一个聚簇索引

 聚簇索引的适用条件

 很少对基表进行增删操作

 很少对其中的变长列进行修改操作

聚簇存取方法的选择（续）

 选择聚簇存取方法

 设计候选聚簇

（1）常在一起进行连接操作的关系可以建立组合聚簇

（2）如果一个关系的一组属性经常出现在相等比较条件中

，则该单个关系可建立聚簇；

（3）如果一个关系的一个（或一组）属性上的值重复率很 高，则此单个关系可建立聚簇。

数据库的物理设计: 存贮结构

• 综合考虑

存取时间

存贮空间利用率

维护代价

• 确定数据的存放位置

• 确定系统的配置

• 评价物理结构

确定数据的存放位置

 基本原则

 根据应用情况将

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[例]

 可以将比较大的表分别放在两个磁盘上，以加快存取速度，这在多用户环境下特别 有效。

 可以将日志文件与数据库对象（表、索引等）放在不同的磁盘以改进系统的性能。

确定系统配置

 数据库管理系统一般都提供了一些存储分配参数

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评价物理结构

 对数据库物理设计过程中产生的多种方案进行评价，从中选 择一个较优的方案作为数据库的物理结构。

 评价方法

 定量估算各种方案

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 对估算结果进行权衡、比较，选择出一个较优的合理的物理结构

。

小结

 数据库的设计过程

 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

 数据库运行维护

 设计过程中往往还会有许多反复

课堂练习：

根据交大选课系统，以及下面需要完成的功能，我们设计一个选课系 统，由学生，课程，老师等组成，请画出其ER模型，并设计各个模 式，以及各种必要的完整性约束。假设一门课程可以有多个教师上，

一个教师可以上多门课程。系统主要针对学生，完成功能如下：

1）学生选课 2）学生查询成绩