數(shù)據(jù)庫(kù)原理第9章-數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用設(shè)計(jì)方法-V2.1

《數(shù)據(jù)庫(kù)原理及應(yīng)用》第9章數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用設(shè)計(jì)方法電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院鄭莉華cd_zhenglh@163.com17十月2024ClicktoaddTitle1

E-R模型1ClicktoaddTitle2數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)概述2ClicktoaddTitle2需求分析3ClicktoaddTitle1概念模型設(shè)計(jì)4ClicktoaddTitle1邏輯模型設(shè)計(jì)5ClicktoaddTitle2物理模型設(shè)計(jì)6ClicktoaddTitle2運(yùn)行與維護(hù)7

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的生存期系統(tǒng)化的工程：數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)本質(zhì)上是屬于軟件工程的范疇。生命周期：從數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的需求提出，到設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，再到運(yùn)行和維護(hù)，最終會(huì)隨著應(yīng)用的發(fā)展而走向終結(jié)。

硬件的故障曲線

軟件的故障率曲線(理想情況下)

軟件的故障率曲線(實(shí)際情況下)“退化”源于“變化”，“變化”超越“計(jì)劃”時(shí)間失效率理想曲線修改點(diǎn)軟件變更代價(jià)巨大

直觀設(shè)計(jì)方法（手工試湊法）依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和技巧，設(shè)計(jì)質(zhì)量難以保證。新奧爾良（NewOrleans）設(shè)計(jì)方法運(yùn)行軟件工程的思想和方法，提出了數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的規(guī)范.新奧爾良法將數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)分成：需求分析、概念設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)?；趯?shí)體-關(guān)系（E-R）模型的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法在需求分析的基礎(chǔ)上，用E-R圖構(gòu)造一個(gè)反映現(xiàn)實(shí)世界實(shí)體之間聯(lián)系的企業(yè)模式轉(zhuǎn)換成基于某一特定的DBMS的概念模式。

3NF設(shè)計(jì)方法在需求分析的基礎(chǔ)上，確定數(shù)據(jù)庫(kù)模式中的全部屬性和屬性間的依賴關(guān)系，將它們組織在一個(gè)單一的關(guān)系模式中，然后再分析模式中不符合3NF的約束條件，將其進(jìn)行投影分解，規(guī)范成若干個(gè)3NF關(guān)系模式的集合。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法（ODL）使用面向?qū)ο蟮母拍詈托g(shù)語(yǔ)來(lái)描述和完成數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并可方便地轉(zhuǎn)換為面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)。用于數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助軟件工具(CASE)SYSBASE公司的PowerDesigner、Oracle公司的Design2000、CA公司的ERWin、Rational公司的RationalRose、Microsoft公司的Visio。

需求分析階段明確系統(tǒng)需要完成何種工作任務(wù)。概念設(shè)計(jì)階段概念模型將具體的客觀現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行抽象的理解和表達(dá)，是實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)實(shí)世界到數(shù)字化表示的過(guò)渡形式。數(shù)據(jù)庫(kù)概念設(shè)計(jì)將用戶的需求抽象為用戶與開發(fā)人員都能接受的概念模型，是用戶現(xiàn)實(shí)需求與數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品之間的紐帶。邏輯設(shè)計(jì)階段該階段把抽象的概念結(jié)構(gòu)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為可以被具體的DBMS產(chǎn)品所能支持的數(shù)據(jù)模型。

物理設(shè)計(jì)階段這個(gè)階段更多地是要考慮到為邏輯結(jié)構(gòu)所確定的物理存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，以及存取方法方法能否滿足用戶最終的需求。實(shí)現(xiàn)階段進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建工作。這一階段也包括針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用程序開發(fā)和調(diào)試，以及現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)的錄入和試運(yùn)行等基本工作。運(yùn)行與維護(hù)階段數(shù)據(jù)庫(kù)在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份和維護(hù)，以保證數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的效率，以及根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況和用戶的需求變動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。ClicktoaddTitle1

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在軟件的生命周期中，需求分析是最為重要的一個(gè)階段.需求分析中最基本的一項(xiàng)原則就是必須要正確理解客戶的需求

需求分析包含：需求的獲取、分析、規(guī)則說(shuō)明、變更、驗(yàn)證及管理等工程內(nèi)容。需求分析的下一階段是概念設(shè)計(jì)：系統(tǒng)的開發(fā)者需要將現(xiàn)實(shí)世界中存在的具體要求，抽象成信息結(jié)構(gòu)的表達(dá)方式，以方便選擇具體的DBMS進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。需求分析結(jié)果：要求能夠準(zhǔn)確完整地列出目標(biāo)系統(tǒng)的全部功能、性能及約束條件；列出系統(tǒng)中所有的輸入流、輸出流和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；得到完整的數(shù)據(jù)流圖、數(shù)據(jù)字典和數(shù)據(jù)加工的描述。

需求描述與分析

用戶活動(dòng)的調(diào)查分析了解和掌握用戶當(dāng)前的生產(chǎn)活動(dòng)狀況，確定用戶業(yè)務(wù)所涉及的功能域和數(shù)據(jù)域，準(zhǔn)確地掌握用戶的需求目標(biāo)。進(jìn)行需求分析需求分析分析人員可采用多種需求分析方法可用確定用戶的產(chǎn)品需求，其中較為常用的有：結(jié)構(gòu)化方法、原型化方法、數(shù)據(jù)流分析方法等。編寫需求分析說(shuō)明書需求規(guī)范說(shuō)明書闡述數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)所必須提供的功能和性能要求，以及運(yùn)行的實(shí)際約束條件。需求分析說(shuō)明書的驗(yàn)證有效性驗(yàn)證一致性驗(yàn)證完備性驗(yàn)證

數(shù)據(jù)字典存放了系統(tǒng)所用到的數(shù)據(jù)信息，包含了5個(gè)基本組成部分：數(shù)據(jù)項(xiàng)：記錄了數(shù)據(jù)對(duì)象的基本信息，是不可再分的基本數(shù)據(jù)單位，描述了數(shù)據(jù)的靜態(tài)特性.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：反映了數(shù)據(jù)之間的組合關(guān)系，也可以是由多個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)合。數(shù)據(jù)流：是對(duì)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)特性的描述，表示了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)沿著系統(tǒng)的事務(wù)和處理過(guò)程中的傳輸流向。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：是在事務(wù)和處理過(guò)程中，數(shù)據(jù)所停留和保存過(guò)的地方.數(shù)據(jù)處理過(guò)程：僅是對(duì)處理相關(guān)信息的簡(jiǎn)要描述。領(lǐng)書單

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顧客P1銷售P2采購(gòu)供應(yīng)商F1配件庫(kù)存P3會(huì)計(jì)付款付款收據(jù)應(yīng)付款通知收款通知到貨通知訂貨單訂貨單發(fā)貨單發(fā)貨單例子：銷售采購(gòu)管理系統(tǒng)第1層數(shù)據(jù)流程圖F2配件目錄顧客P1.1編輯訂貨單業(yè)務(wù)員P1.3確定訂貨P1.5產(chǎn)生暫存訂貨單P1.2登錄新顧客F3顧客P1.4開發(fā)貨單修改庫(kù)存P1.6對(duì)照暫存訂貨單采購(gòu)F4暫存訂貨單P1.8編制銷售、庫(kù)存報(bào)表P1.7檢索庫(kù)存F1配件庫(kù)存經(jīng)理F5銷售歷史F10應(yīng)收款明細(xì)帳第2層數(shù)據(jù)流程圖之一（銷售）發(fā)貨單訂貨單不合格合格新顧客不滿足的訂貨可發(fā)的訂貨到貨通知F4暫存訂貨單P2.1按配件匯總P2.2確定訂貨的配件P2.5修改庫(kù)存、待訂數(shù)量F6待訂貨的配件P2.6編制到貨通知P2.4核對(duì)發(fā)貨單F1配件庫(kù)存P2.3按供應(yīng)商匯總F8向供應(yīng)商的訂貨單F9應(yīng)付款明細(xì)帳銷售供應(yīng)商訂貨單發(fā)貨單錯(cuò)誤發(fā)貨單正確發(fā)貨單第2層數(shù)據(jù)流程圖之二（采購(gòu)）顧客P3.1開收據(jù)并修改明細(xì)帳P3.5編制會(huì)計(jì)報(bào)表經(jīng)理P3.4修改總帳F10應(yīng)收款明細(xì)帳F11總帳P3.3付款并修改明細(xì)帳P3.2核對(duì)付款單F9應(yīng)付款明細(xì)帳供應(yīng)商第2層數(shù)據(jù)流程圖之三（會(huì)計(jì)）應(yīng)付款通知付款收據(jù)ClicktoaddTitle1

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概念設(shè)計(jì)的目標(biāo)是生成能夠準(zhǔn)確反映用戶組織和使用信息需求的抽象信息結(jié)構(gòu)，即概念模式。設(shè)計(jì)人員把客觀世界的具體需求通過(guò)提煉和抽象，轉(zhuǎn)換為信息世界的概念模式，再將概念模式轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的數(shù)據(jù)模型。最常用的模式就是實(shí)體-關(guān)系模型（E-R）。

自底向上通過(guò)分析用戶的子需求，首先構(gòu)建起局部概念模式，然后再向上組合成全局模式

自頂向下首先要有對(duì)系統(tǒng)全局概貌的框架，其次再采用總分方式將大的概念模式逐步分解為更詳細(xì)的較小劃分模式

逐步擴(kuò)張采用了層狀擴(kuò)展的方式，先定義出用戶需求中核心的概念結(jié)構(gòu)，然后在此基礎(chǔ)上向外擴(kuò)展，逐步將非核心的需求融入到模式中，最終完成系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用典型的自底向上設(shè)計(jì)方式時(shí)，概念模式的設(shè)計(jì)過(guò)程可分為3個(gè)基本步驟完成數(shù)據(jù)的抽象視圖的集成對(duì)生成的概念模式進(jìn)行評(píng)審。

設(shè)計(jì)局部E-R模式主要工作是要確定出實(shí)體和聯(lián)系的定義、屬性的分配，以及根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，恰當(dāng)?shù)貏澐殖龈鱾€(gè)分系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu)范圍。

全局E-R視圖集成在局部E-R模式設(shè)計(jì)完成之后，接下來(lái)的工作就是集成這些局部模式，形成全局的E-R模型。常用的集成方法有多元集成法和二元集成法

簡(jiǎn)化HIS的全局E-R視圖示例

全局ER集成過(guò)程中的沖突消除屬性沖突:這類沖突最容易產(chǎn)生于在不同局部模式中使用同一屬性時(shí)采用了不一致的標(biāo)記.在實(shí)際的應(yīng)用中，屬性沖突的問(wèn)題可以通過(guò)部門協(xié)商方式解決，也可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求考慮是否將屬性統(tǒng)一或分離表示。命名沖突:局部模式中使用的數(shù)據(jù)對(duì)象名字與其他模塊產(chǎn)生沖突，包括同名異義和異名同義?？梢钥紤]協(xié)商統(tǒng)一命名方式解決。結(jié)構(gòu)沖突:結(jié)構(gòu)沖突常見(jiàn)的一種情況是同一實(shí)體在不同的E-R局部視圖中包含的屬性個(gè)數(shù)不完全相同、聯(lián)系在不同的E-R中的類型不同、同一對(duì)象具有不同的抽象。

消除冗余與優(yōu)化冗余存在于實(shí)體數(shù)據(jù)和實(shí)體間的冗余聯(lián)系。冗余數(shù)據(jù)是指可由基本數(shù)據(jù)導(dǎo)出得到的數(shù)據(jù)。冗余的聯(lián)系則是指可由其他關(guān)系聯(lián)合導(dǎo)出的聯(lián)系。冗余也是相對(duì)的，有時(shí)考慮到性能和效率等綜合因素，一些冗余的存在還是可以被接受的。ClicktoaddTitle1

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數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯設(shè)計(jì)所導(dǎo)出的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)則是特定DBMS支持下的數(shù)據(jù)庫(kù)定義，因此邏輯設(shè)計(jì)依賴于實(shí)現(xiàn)的DBMS基礎(chǔ)。邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是為概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段生成的全局E-R視圖，轉(zhuǎn)換為特定DBMS產(chǎn)品所能支持的數(shù)據(jù)模型。

邏輯設(shè)計(jì)的3個(gè)步驟:將概念模式轉(zhuǎn)換為適合的3類常用關(guān)系、網(wǎng)狀、層狀數(shù)據(jù)模型中的一種；為轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)模型確定DBMS產(chǎn)品，并在該環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型向DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換；對(duì)完成轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化和評(píng)估

E-R模式向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換E-R模式向關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換，就是要確定如何將E-R中的3個(gè)基本要素轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式集合的表示。實(shí)體轉(zhuǎn)換規(guī)則：將一個(gè)實(shí)體轉(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，而實(shí)體的鍵就是關(guān)系的鍵.

聯(lián)系轉(zhuǎn)換規(guī)則：實(shí)體之間的聯(lián)系轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式，聯(lián)系的屬性直接轉(zhuǎn)換為關(guān)系的屬性。與聯(lián)系相連的實(shí)體的鍵轉(zhuǎn)化為關(guān)系模式時(shí)，則分下述3種情況考慮1:1的聯(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。1:n的聯(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端所對(duì)應(yīng)的關(guān)系模式合并。若轉(zhuǎn)換為關(guān)系，則與此聯(lián)系相連接的各個(gè)實(shí)體的鍵，以及聯(lián)系本身的屬性均被轉(zhuǎn)換為關(guān)系的屬性，關(guān)系的鍵為n端實(shí)體的鍵。m:n聯(lián)系：轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系模式。與此聯(lián)系相連的各個(gè)實(shí)體的鍵及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關(guān)系的屬性，各個(gè)相連實(shí)體的鍵的組合成為關(guān)系的鍵

舉例①將Patient（患者）實(shí)體轉(zhuǎn)換為Patient模式如下：

Patient（Pno，Pname，Page，Psex，Pid，Pino）②將Doctor（醫(yī)生）實(shí)體轉(zhuǎn)換為Doctor模式如下：

Doctor（Dno，Dname，Dage，Dsex，Ddeptno，Dlevel，Dsalary）③將Diagnosis（就診）聯(lián)系轉(zhuǎn)換為Diagnosis模式如下：

Diagnosis（Dno，Pno，Diagnosis，Symptom，DGtime，Rfee）

用關(guān)系規(guī)范化理論對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化確定范式的使用采用各級(jí)范式來(lái)確定關(guān)系模式中的各種關(guān)系是否符合規(guī)范，檢測(cè)數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，函數(shù)依賴關(guān)系，傳遞依賴等。實(shí)施規(guī)范化根據(jù)需求規(guī)則說(shuō)明書，分析實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，確定對(duì)關(guān)系模式的選擇和使用是否得當(dāng)，以及是否需要調(diào)整和改進(jìn)。ClicktoaddTitle1

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存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的存放位置確定系統(tǒng)配置存取方法的設(shè)計(jì)聚簇:節(jié)省存儲(chǔ)空間,提高查詢速度索引:能夠提高檢索速度，還能夠避免關(guān)系鍵重復(fù)值的錄入，保證了數(shù)據(jù)的完整性。HASH存取方法:一種直接存取方法，通過(guò)對(duì)HASH值的計(jì)算來(lái)獲得存取地址。物理結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)物理結(jié)構(gòu)的方法幾乎完全依賴于所選用的DBMS產(chǎn)品，使用其提供的各種性能參數(shù)，計(jì)算得到準(zhǔn)確的量化結(jié)果，以此來(lái)得到設(shè)計(jì)方案的正確性的判斷結(jié)果。ClicktoaddTitle1

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實(shí)際數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的建立數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)開發(fā)人員通過(guò)使用DBMS所提供的數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言DDL來(lái)定義數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)。開發(fā)人員編寫SQL語(yǔ)句用以創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)、創(chuàng)建表和定義視圖等。也可以使用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)提供的管理工具來(lái)完成數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)施。加載數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)建立起來(lái)后，要進(jìn)入實(shí)施運(yùn)行階段之前，必須要有真實(shí)的數(shù)據(jù)存在，將真實(shí)數(shù)據(jù)錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)，這個(gè)過(guò)程稱之為數(shù)據(jù)的加載。數(shù)據(jù)全部裝載入數(shù)據(jù)庫(kù)中，首先需要很大的工作量。其次，要很好地與新建立的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)融合。

應(yīng)用程序開發(fā)和調(diào)試數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)過(guò)程中，數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序的開發(fā)也會(huì)同時(shí)進(jìn)行。數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序的開發(fā)本質(zhì)上也是屬于程序開發(fā)的范疇，但由于處理的數(shù)據(jù)對(duì)象特征，數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序有其自身的一些特點(diǎn)：海量數(shù)據(jù)的處理形式多樣的報(bào)表輸出格式、數(shù)據(jù)操縱的關(guān)聯(lián)性等.這些特點(diǎn)使得數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序在批量數(shù)據(jù)的處理能力，外圍的數(shù)據(jù)使用和展示，以及數(shù)據(jù)完整性檢測(cè)等方面都提出了更高的要求。

數(shù)據(jù)庫(kù)試運(yùn)行功能性測(cè)試：實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序，執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)的各種操作，檢測(cè)應(yīng)用程序能否正確完成需求的各項(xiàng)功能。性能測(cè)試：作為系統(tǒng)正式投入運(yùn)行前的磨合期，這個(gè)階段還要測(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，檢測(cè)是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。并根據(jù)系統(tǒng)試運(yùn)行的實(shí)際情況，調(diào)整物理設(shè)計(jì)中所設(shè)定的各類運(yùn)行參數(shù)，以達(dá)到運(yùn)行時(shí)的最優(yōu)。非功能性測(cè)試：系統(tǒng)是為用戶定制，試運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)充分讓用戶參與進(jìn)來(lái)，讓用戶對(duì)人機(jī)交互友好性、操作合理性，以及穩(wěn)定性等方面提出自己的意見(jiàn)和建議