《軟件系統(tǒng)開發(fā)技術》課件第8章

8.1數據庫設計過程8.2實體聯系法(ER方法)8.3邏輯記錄存取法(LRA方法)習題八一個軟件系統(tǒng)必定包括兩方面的問題：“數據”以及對數據進行的“加工”。這兩個問題貫串整個開發(fā)過程(圖8.1)：在需求分析階段既要分析用戶的“數據要求”(系統(tǒng)中需維持哪些數據、數據之間有什么聯系、數據本身有什么性質等)SL要分析用戶的“加工要求”(對數據作什么加工、每個加工的邏輯要求等)；在設計階段要設計數據的結構也要設計程序模塊的結構；在編程階段也要考慮數據和算法等。當然這兩方面不是相互獨立的，其間有著密切的聯系。8.1數據庫設計過程第三章介紹的sA方法在分析和描述“數據要求”方面是不夠的，第四章介紹的SD方法只考慮程序模塊結構的設計，而不考慮數據結構的設計，所以在開發(fā)實際系統(tǒng)時，僅用SA、SD方法是不夠的，還需結合一些數據庫和數據結構的設計方法。70年代以來，數據庫技術已被廣泛接受，許多大型數據處理系統(tǒng)中的數據都組織成數據庫的形式，所以本章專門討論為用戶建立數據庫的方法，作為對第三、四章的補充。圖8.1圖8.2下面的介紹假定讀者已具備數據庫系統(tǒng)的基礎知識(如參考文獻[1])。

某個用戶的數據庫系統(tǒng)(如銀行的數據處理系統(tǒng))由模式、子模式、應用程序、數據庫和數據庫管理系統(tǒng)(DBMS)等幾部分組成(圖8.2)，其中模式、子模式、應用程序等必須根

據用戶的具體要求進行分析和設計，這項工作稱為“數據庫設計”，它的核心問題是如何建立一個數據模式，使其滿足下面幾個條件：

(1)符合用戶的要求，即能正確地反映用戶的現實環(huán)境，它應包含用戶需處理的所有“數據”，并能支持用戶需進行的所有“加工”。

(2)能被某個現有的數據庫管理系統(tǒng)所接受。

(3)具有較高的質量，如易于維護、易于理解、效率較高等。用“軟件生命期”的觀點來看待數據庫設計的全過程，則可相應地把它分成4個階段：

(1)分析用戶要求。

(2)建立概念性數據模型。

(3)邏輯設計。

(4)物理設計。

前面兩個階段是面向“問題”的，后面兩個階段是面向“解答”的；前兩個階段對應于軟件生命期中的分析階段，后兩個階段對應于設計階段。第(1)階段是收集和分析用戶的要求。用戶要求包括數據要求、加工要求和種種限制條件等。

第(2)階段是用一個“概念性數據模型”將用戶的數據要求明確地表達出來，這一步與軟件生命期中建立“系統(tǒng)說明書”相對應。

概念性數據模型是一種面向問題的數據模型，它描寫了從用戶角度看到的數據庫，也反映了用戶的現實環(huán)境，但與數據庫將怎么實現無關。概念性數據模型在用戶和設計人員

之間起到了橋梁作用，一方面它是明確地表達用戶要求的一個模型，另一方面這個模型是設計數據結構的基礎。建立概念性數據模型是數據庫設計過程中的一個關鍵，70年代后期陸續(xù)出現了一些適合作概念性數據模型的所謂第二代數據模型，其中ER模型就是一個典型的代表，它們”比第一代數據模型(如網型、層次型、關系型等)更高級，語義表達能力更強。

第(3)、(4)階段考慮數據庫將怎樣實現。第(3)階段邏輯設計是設計數據的結構，它可以同軟件生命期中設計階段的“總體設計”相對應。在這一階段，我們首先要根據用戶要求的特點選購合適的數據庫管理系統(tǒng)(D．BMS)，然后根據概念性數據模型以及選購的數據庫管理系統(tǒng)的具體特點設計出這個管理系統(tǒng)能夠接受的數據模式。本章將著重討論數據庫管理系統(tǒng)是DBTG，型的情況。第(4)階段進一步設計數據模式的一些物理細節(jié)，如文件的基本結構、存取方式、索引的建立等。這一階段可同軟件生命期中設計階段的“詳細設計”相對應。這階段考慮的主要問題是如何使數據庫系統(tǒng)具有較高的效率，所采用的技術與選購的數據庫管理系統(tǒng)的具體特點密切有關。

為一個大型的數據處理系統(tǒng)建立數據庫是相當艱巨的任務，用戶環(huán)境中包含的數據項相當多，數據之間又有復雜的關系，設計人員不僅要理解用戶的要求，還要了解數據庫管理系統(tǒng)的一些特點，所以這一工作必須有一定的方法來指導，70年代以來，隨著數據庫技術和軟件工程技術的發(fā)展，出現了不少設計數據庫的方法和工具，其中具有代表性的有：

ER．方法、．LRA方法和DBDA．系統(tǒng)等，本章8.2介紹ER方法，8.3介紹LRA方法。8.2.1基本思想

ER方法由P.Chen提出，它適用于設計數據庫的第(1)、(2)、(3)階段。

為一個企業(yè)(如銀行或工廠)設計數據庫的本質是將企業(yè)中的有關數據組織成一種具體的形式，這種形式必須同所使用的數據庫管理系統(tǒng)的數據模式相符。目前常用的數據庫管理系統(tǒng)有關系型、網型和層次型三大類。8.2實體聯系法(ER方法)早期的數據庫設計方法是直接將企業(yè)中的數據設計成關系型、網型、層次型的用戶模式(圖8.3(a))，這樣得到的用戶模式并不純粹是現實世界的描述，而是混入了許多其他的因素，因為：

●設計人員受到具體某個DBMS表達能力的限制，例如有的DBMS很難直接表示多對多的聯系；

●設計人員必須考慮存貯結構、存取方式等具體問題；

●為了使系統(tǒng)具有較高的效率，用戶模式并不直接與現實相對應，例如現實中“職員”這個對象在用戶模式中，可能是用兩個記錄類型表示的。

所以早期的設計方法存在以下兩個問題：

●用戶模式難以理解和修改；

●設計人員必須同時考慮許多問題，如用戶環(huán)境、DBMS的表達能力、存貯結構、效率等，這就使得數據庫設計工作難以進行。圖8.3

圖8.4(b)表示職員和項目之間存在兩類聯系，“負責”是一個一對多的聯系，即每個項目只由一個職員負責，而每個職員可以負責幾個項目；“參加”是多對多的聯系，即每個職員可以參加多個項目，每個項目可以有多個職員參加。

圖8.4(c)表示同一實體類型“零件”中存在著一種聯系——“裝配”，這個聯系是多對多的。

聯系也可能存在于三個以上的實體之間，圖8.4(應)中的“供應”是存在于商店、設備、項目三個實體類型之間的聯系。圖8.4

3.屬性

實體或聯系的性質就是屬性，例如職員有工號、姓名、職稱、子女名等屬性。屬性具有值，ER圖中可以用圓表示值類型，用實體與值類型間的連線表示屬性(圖8.5(a))。有的屬性可能是多值的，如圖8.5(a)中子女名就是多值的屬性，因為一個職員可能有多個子女。ER圖中在表示屬性的連線邊上注出N表示多值屬性，圖8.5(a)說明工號、姓名、職稱是

職員的單值屬性，而子女名是職員的多值屬性。我們可以用某些屬性來標識一個實體，例如每個職員的工號是各不相同的，所以就可用工號這個屬性來唯一地標識職員。同樣，我們可把屬性學號作為實體學生的標識碼。

聯系也可能有屬性，例如學生修某門課程所取得的成績，成績既不是學生的屬性，也不是課程的屬性，因為它依賴于某個特定的學生又依賴于某門特定的課程，所以它是學生與課程之間的聯系“修”的屬性(圖8.5(b))。

又如某個職員每周有幾天參加某個項目的工作是聯系“參加”的屬性，而不是職員的屬性，也不是項目的屬性(圖8.5(c))。圖8.5

“聯系的屬性”這個概念對理解數據的語義是非常重要的。

聯系可用有關實體的標識碼來標識，例如學生的標識碼是學號，課程的標識碼是課程號，這兩個實體間的聯系“修”就可用學號和課程號兩個屬性來標識。

由于人們通常就是用實體、聯系和屬性這三個概念來理解現實問題的，所以ER模型非常接近人的思維方式。又因為ER模型采用簡單的圖形來表達人們對現實的理解，所以

不熟悉計算機技術的用戶都能夠接受它，ER模型目前已成為一種使用較廣的概念性數據模型。8.2.3從ER模型導出數據模式

參照下面幾條基本規(guī)則，可以從描述用戶要求的ER圖導出DBTG數據庫管理系統(tǒng)上的數據模式。

1)兩侖實體類型之間一對多的聯系：圖8.6(a)轉換成圖8.6(b)，這里，ER圖中的實體類型“部門"和“職員"轉換成DBTG數據結構圖中的記錄類型，而聯系“從屬，，轉換成DBTG’中的系。同樣圖8.6(c)轉換成圖8.6(z)。.

2)兩個實體類型之間多對多的聯系：圖8.7(a)轉換成圖8.7(b)，這里，ER圖中的實體類型“職員”和“項目”轉換成DBTG中的記錄類型，聯系“參加”不是轉換成系，而是轉換成一個記錄類型，這種記錄類型不是實體記錄類型(如前面的職員、項目等)而是聯系記錄類型。同樣圖8.7(c)轉換成圖8.7(d)。圖8.6圖8.7

3)K(K≥3)個實體類型之間的聯系：圖8.4(d)轉換成圖8.8，這里可不必考慮聯系的類型。

4)一個實體類型上的聯系：圖8.9(a)轉換成圖8.9(b)。

應注意的是：上述轉換規(guī)則是通常所使用的，但并不是唯一的規(guī)則，從同一ER圖可以導出幾種不同的DBTG模式。

從ER圖也很容易導出關系型數據模式：只須將ER圖中的每一個實體和聯系都轉換成關系型模式中的一個關系就可以了。.圖8.8圖8.98.2.4步驟

用ER方法設計數據庫的基本步驟是：

(1)確定實體類型。

(2)確定聯系類型。

(3)畫ER圖。

(4)確定屬性。

(5)從ER圖導出數據結構圖。

(6)設計記錄格式。下面以一個工廠管理系統(tǒng)的數據庫為例，說明這。一過程。

1.確定實體類型

通過調查了解到該工廠中需要管理的實體類型有零件、商店、項目、職員、部門、倉庫等等。

2.確定聯系類型

在這個系統(tǒng)中，以下這些聯系是同管理有關的：

·部門和職員之間有個聯系“從屬”，它是一對多的；

·項目和職員之間有個聯系“負責”，它是一對多的；

·項目和職員之間還有個聯系“參加”，它是多對多的；

·項目、商店和零件之間有個三元聯系“供應”，它是多對多的；

·零件和商店之間有個聯系“將供應”，它是多對多的；

·零件和倉庫之間有個聯系“存貯”，它是多對多的；

·零件這個實體類型上有個聯系“裝配”，它是多對多的。

3.畫ER圖

對于比較復雜的例子，ER.圖可以采用簡化的形式，即用方框表示實體，用方框之間的直線段表示聯系，屬性則不在圖中畫出而另用文字(或表格)作出說明。

本例中用這種簡化的表達方式將前兩步確定的實體和聯系畫出則得圖8.10(a)。

4.確定屬性

經調查了解到：部門有部門號、今年預算、去年預算等3個屬性；職員有工號、姓名、職稱、工齡4個屬性；項目有編號、項目名、預算3個屬性；……。又了解到：聯系“供應”有供應號、地點、數量等屬性；“存貯”有數量這個屬性；“從屬”有“進入本部門日期”、“參加”有“每周工作幾天”等屬性。上述實體和聯系的屬性可用表8.1的表格說明，表格中還應指出每個屬性的值類型，為簡單起見，表8.1中省略了這一部分。

至此為止，我們獲得了描述工廠管理這一用戶環(huán)境的概念性數據模型。

5.從ER圖導出DBTG數據結構

參照8.2.3的4條基本規(guī)則，從圖8.10(a)的ER圖導出圖8.10(6)的數據結構圖。

6.設計記錄格式

設計記錄格式時可以參考以下幾條原則：

1)將一個實體的所有屬性放在同一記錄類型中，例如部門的所有屬性(部門號、今年預算、去年預算)都處理成部門這個記錄類型中的數據項(圖8.11)。

2)如果聯系是一對多的，則聯系的屬性處理成系的成員記錄類型中的數據項，如部門和職員間的聯系“從屬”是一對多的，所以“從屬”的屬性“進入本部門日期”處理成職

員記錄類型中的數據項(圖8.11)。圖8.10圖8.11

3)如果某個聯系轉換成一個聯系記錄類型，則聯系的屬性處理成這個記錄類型中的數據項，如職員和項目之間的聯系“參加”轉換成一個記錄類型，所以“參加”的屬性“每周工作幾天”處理成記錄類型“參加”中的數據項(圖8.11)。

這樣，我們就確定了數據結構圖中有哪些記錄類型和系類型，也確定了每個記錄類型中有哪些數據項，DBTG型數據模式的邏輯設計就完成了。對于大型復雜的系統(tǒng)，直接獲得整個系統(tǒng)的ER模型可

能會困難，此時ER方法可按以下三步進行(圖8.12)：

1)為每個應用建立一個局部ER模型，即將每個應用所

需的數據畫成一張局部ER圖。

2)將局部ER模型綜合成一個整體ER模型，此時必須注意發(fā)現各個局部模型之間的不一致性，如命名沖突等，還應去除冗余的信息。

3)從整體ER．模型導出DBTG的數據結構圖。

假定前面討論的工作管理系統(tǒng)有3個應用，第1個應用關心的是部門、職員、項目等對象，以及其間的“從屬”、“參加”等聯系。第2個應用關心的是倉庫、零件及其間的聯系“存貯”、“裝配”等。第3個應用關心的是商店、項目和零件等對象及其間的聯系“供應”。我們可以按照上述3步為這個系統(tǒng)設計數據庫：先為每個應用分別建立局部ER模型(圖8.13(a)、(b)、(c))，然后將3個局部ER模型綜合成整體ER模型(圖8.10(a)，假定這3個局部模型之間沒有不一致性)，最后從整體ER模型導出DBTG，型數據結構圖(圖8.10(b))。[小結]

實際使用中已經證明了ER方法是非常有效的，它的優(yōu)點是：

(1)將數據庫設計過程分為兩步(圖8.3(b))，相對地說，每一步都比較簡單更易于進行了。由于第一步得到的企業(yè)模式純粹是現實世界的反映，而與DBMS的特點無關，所以它比用戶模式更易理解、更易維護、也更穩(wěn)定。

(2)ER模型是很自然又很簡單的圖形表示，所以容易被人們接受(包括用戶和軟件人員)，它可以作為企業(yè)管理人員和軟件人員之間有效的交流工具。圖8.12圖8.13建立了數據模式之后，如果發(fā)現數據庫系統(tǒng)的性能尚不能滿足用戶的要求，則需要對數據模式進行優(yōu)化，即適當地修改、調整數據模式的結構，使數據庫系統(tǒng)的效率得以提高。

對數據模式進行優(yōu)化，需要解決下面兩個問題：

(1)如何衡量數據庫系統(tǒng)的效率，需要有具體的評價標準。

(2)如何對數據模式進行修改，以獲得一些候選方案。8.3邏輯記錄存取法(LRA方法)8.3.1數據庫系統(tǒng)性能的評價標準

LRA(LogicalRecord.Access)方法由美國密執(zhí)安大學的T.Teorey和J.Fry提出，它適用于對DBTG型或層次型數據模式進行比較和評價。

LRA方法提出以LRA、TV和SS這三個數量作為比較數據庫系統(tǒng)性能的標準，下面分別討論這三個量。

1.LRA(I,ogicallRecordAccess)

它是指單位時間內所需存取的邏輯記錄個數。

第i個應用每執(zhí)行一次所需存取的邏輯記錄個數是：

這里LRAij是第i個應用每執(zhí)行一次所需存取的第j個記錄類型的邏輯記錄個數，N是數據庫中的記錄類型數。所以單位時間內所有應用需存取的邏輯記錄總數是：

這里FREQi是第i個應用的執(zhí)行頻率，即單位時間內這個應用要執(zhí)行幾次，似是應用的個數。

2.TV(TransportVolume)

是指單位時間內所需存取的數據量(字節(jié)數)。.

第i個應用每執(zhí)行一次所需存取的數據量是：這里RECSIZE歹是第歹個記錄類型的長度(字節(jié)數)。所以單位時間內所有應用需存取的數據量總數是：

3.SS(StorageSpace)它是指數據庫所占的存貯空間，包括兩部分：一部分是數據所占的空間，另一部分是指針所占的空間。數據所占的空間是’這里NREC歹是第歹個記錄類型的記錄個數。指針所占的空間是：這里NRTRj是第j個記錄類型包含的指針數，PTRSIZE是指針的長度(字節(jié)數)。由于數據的邏輯結構與物理結構存在著差別，LRA、TV與SS這三個量并不能精確地估計數據庫系統(tǒng)的物理性能，它們只能用來比較幾個模式的相對性能(如果這幾個模式的存取方式是相似的)，LRA、TV和SS的值越小，則可認為這個模式的性能越好。8.3.2計算表格

LRA方法就是用表8.2的表格計算一個數據庫系統(tǒng)的LRA、TV和SS。其計算過程如下：

(1)在應用和頻率這兩列，分別填入每個應用的名稱和執(zhí)行頻率。

(2)根據每個應用的具體操作，估算出它每次需存取多少個邏輯記錄，將結果填入LRAij并將總個數填入第4列。

(3)將總個數乘以該應用的執(zhí)行頻率則得出單位時間內每個應用需存取的邏輯記錄總個數，將結果填)LRAi。

(4)按LRA巧及記錄的長度算出TVi。

(5)將LRAi這一列相加則得LRA，將TVi這一列相加則得TV，SS可按8.3.1中的公式直接算出。在計算過程中往往可以發(fā)現有些應用的LRAi或TVi明顯地比其他應用大得多，我們稱這些應用為“主應用”。找到主應用就是找到了主要矛盾，只要能減少主應用的LRAi和

TVi，整個系統(tǒng)的LRA和TV就會大大減少，所以對模式的修改圍繞著與主應用有關的一些數據結構來進行將是最有效的。8.3.3步驟

運用LRA方法的過程是反復執(zhí)行下面2步：

(1)對某個數據模式和一組應用，用8.3.2的計算表格計算出LRA、TV和SS等三項指標，并找出主應用。

(2)以減少主應用的LRA.i或TVi為目標，對數據模式的某些部分作適當修改，得到數據模式的另一個候選方案。

使用LRA方法帶有較大的試探性，一般要經過多次修改、計算，并對各種可能的候選方案作反復比較后，才能獲得性能較好的數據模式。

8.3.5將給出使用LRlA方法的實例。8.3.4數據模式的改進

為了使數據庫系統(tǒng)具有更好的性能，需要對數據模式作適當的修改。本節(jié)以DBTG型數據模式為例，討論幾種常用的手段。

1.垂直分割

圖8.14(a)中，職員記錄為工號、姓名、職稱、住址、電話、工資等數據項，如果經常需要存取的只是工號、姓名和職稱等3項，而住址、電話等用得很少，此時可將這個記錄

類型垂直分割成兩個記錄類型(圖8.14(b))，這就減少應用程序存取的數據量。

2.水平分割

圖8.15(a)的學生記錄類型中包括有本科生和研究生兩類，如果有的應用只關心本科生而不關心研究生，有的應用只關心研究生而不關心本科生，此時可將學生這個記錄類型

水平分割成本科生和研究生兩個記錄類型(圖8.15(b))，這也將減少應用程序存取的記錄個數。圖8.14圖8.15圖8.16

3.將重復組擴充成系

圖8.16(a)的職員記錄中有一個重復組(子女名和子女年齡)，如果將它改成圖8.16(b)的結構，即將重復組擴充成系，則可減少某些應用程序存取的數據量。

4.將系壓縮成重復組

如果將圖8.16(b)的結構改為圖8.16(a)的結構，即將系壓縮成重復組，則可減少某些應用程序存取的記錄個數。圖8.17

5.建立新的系

圖8.17(a)中，如果有些應用是根據職稱來查找職員，此時建立一個新的系(圖8.17(b))，則可減少這些應用程序存取的記錄個數。

應該注意的是，一個數據庫系統(tǒng)要支持多個應用，對數據模式作了某些修改后，某個應用的存取記錄個數或數據量可能減少了，但其他應用的這些指標則可能增加，一般說來，我們應優(yōu)先考慮主應用及一些要求快速響應的應用(如在線的應用)；此外，LRA、TV、SS等指標也可能是相互沖突的，如為了減少LRA，TV卻可能要增加一些，或者SS要增加一些，所以設計人員必須根據具體情況，全面地作出權衡和決策。8.3.5實例——生產管理系統(tǒng)

某公司要建立一個對其下屬工廠進行管理的系統(tǒng)，該公司有50個下屬工廠，分布在40個地區(qū)，職工人數共100000人。每個工廠有許多個工作站，工作站總數為500個。日常生產中有20種不同類型的工種。每個職工一天內可在不同的工作站完成幾件不同類型的工作。另外，有5個社會團體，每個工人都參加其中的一個團體。管理系統(tǒng)要支持以下這些應用：

T1：新職工進入工廠時，向系統(tǒng)輸入姓名、住址、出生年月、工廠名、團體名、工號和當天的日期。

T2：職工離職時，向系統(tǒng)輸入姓名、工號、當天日期、系統(tǒng)將離職人員的記錄存到另一個專門的文件中去。

T3：職工每完成一件工作，向系統(tǒng)輸入工號、工作站號、工種類型、日期和小時數。

T4：工資調整時，修改職工的記錄。

R1：每季度為每個團體產生一份報告，列出本季度該團體的成員數、總的工作時數和總收入，還要為每個團體提供一張清單，列出成員姓名、住址、工作天數、本季的平均月薪。

R2：每年為每個地區(qū)產生一份報告，列出居住在該地區(qū)的職工姓名、總收入。

R3：每月為每個地區(qū)產生一份報告，列出在該地區(qū)的工廠名、本月進入的新職工數，離職人數，以及本月最后一天的職工數。

R4：每月給公司經理一份各工廠的情況報告，列出工廠名、總工作時數、總工資收入，以及每個工廠每一種工種的工作時數、工種描述。

R5：每天給公司經理一份報告，列出職工姓名、每一工種的工作時數、每一工作站的工作時數。

R6：為每個職工產生月工資單，列出姓名、住址和工資。

R7：人事部門需進行在線查詢：某一職工(給出姓名)今年的工作天數、收入和工作時數。

我們可以先用ER方法設計出初始的數據模式。初始模式經過以下3步獲得：

1)為每個應用建立局部ER模式，共得11個局部模式，圖8.18(a)和(b)分別是應用T2和R5的局部模型。圖8.18

2)將11個局部ER模型綜合成整體ER模型(圖8.18(c))。

3)從圖8.18(c)導出DBTG。型數據模式(圖8.18(d))。表8.3是其中每個記錄類型包含的數據項及其長度。

下面我們用LRA方法對圖8.18(d)的數據模式進行優(yōu)化。

先用表8.2的計算表格計算數據模式圖8.18(d)的LRA、TV和SS等三項指標，結果列在表8.4。這里我們假定每個記錄類型的存放方式都是CALC型，每個系用一個向前指

針實現，每個指針占4個字節(jié)，并以“天”作為單位時間。從表8.4看出，T3和R5的LRAi和TVi最大，所以它們可看作是主應用。另外，因為R7是在線的查詢，需要快速響應，所以也需引起注意，其他應用則處于次要的地位。數據存貯空間=11.63×106字節(jié)指針空間=4.01l×106字節(jié)總空間=15.64×l06字節(jié)注：每年工作240天

數據存貯空間＝l2.43×l06字節(jié)指針空間=3.2l×l06字節(jié)總空間=l5.64×l06字節(jié)

為了降低T3、R5和R7的LRAi和TVi可以對圖8.18(d)的數據模式作下列改進：

1)記錄“工作站”的字長僅