一.数据库设计总述

1.数据库设计内容

-数据库设计是基于应用系统需求分析中对数据的需求，解决数据的抽象、数据的表达和数据的存储等问题
-其目标是设计出满足应用要求，简洁、高效、规范合理的数据库
-最终得到能在DBMS中存储的数据库的逻辑结构和物理结构

2.数据库设计方法

数据库的设计发展历程：
-初始阶段，数据库设计人员，根据自己的经验和水平，运用一定的技巧进行数据库的设计，缺乏科学理论和工程方法的支持，很难保证设计的质量，数据库，常常在投入使用之后才发现存在的问题，不得不进行修改，增加了系统维护的代价。
-后来，数据库设计人员，开始运用软件工程的思想来设计数据库，对数据库进行规范设计，常用的规范设计方法，大多起源于1978年的新奥尔良法。
-在规范设计规程中，还可采用计算机来辅助设计。
-目前，设计人员还使用一些比较成熟的设计工具软件，比如Oracle Designer，Sybase Power Designer等，来帮助自动完成数据库的设计。

3.规范设计法

其中，规范设计法将数据库设计分为需求分析、概念设计、逻辑设计、物理设计四个阶段。规范设计方法，在不同阶段，又采用一些具体技术和方法，比如，在数据库概念设计阶段广泛广泛采用基于E-R模型的数据库设计方法，即用E-R模型来设计数据库的概念模型，在进行关系数据库的逻辑结构设计时，采用基于3NF的数据库设计方法，该方法用关系规范化理论为指导来设计数据库模式，以基于E-R模型的规范设计方法为基础。

4.具体过程

目前通常将数据库设计分为需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、数据库实施、数据库运行维护六个阶段。

其中，需求分析是整个数据库设计的基础。数据库设计人员要分析用户以及应用系统的数据需求，需要将概念模型转换为选定DBMS支持的数据模型所对应的数据库模式，即进行数据库的逻辑结构设计。数据库逻辑结构的设计与采用的数据模型有关，因目前的数据库应用系统绝大多数采用支持关系模型的DBMS，数据库的逻辑结构设计，主要就是将概念模型转换为关系数据库模式。转换需要一定的转换规则。并根据应用需求，运用关系规范化理论对关系数据库模式进行优化。对逻辑结构设计的结果，还要针对选定的DBMS，利用数据库定义语言，描述数据库的模式结构，确定适合应用环境的存储结构和存取方法，即进行数据库的物理结构设计。然后就可以进入数据库实施阶段，在具体的DBMS上，实现物理结构设计的结果，建立数据，进行数据库编程，组织数据入库，并进行测试操作等。对正式投入使用的数据库，在进行系统运行过程中，需要不断地对其进行评估与完善。

数据库设计是上述六个阶段的不断反复迭代，逐步求精的过程。数据库设计同时，伴随着数据库应用系统软件的开发，在设计过程中需要把两者加以结合，相互完善。

二.具体步骤

1.需求分析

1.1需求分析的任务

-分析用户以及应用系统的数据需求
-明确在数据库中需要存储和管理的数据
-明确用户对数据的安全性和完整性方面的需求
-用户的存取权限的设置

1.2需求调查

需求分析是在用户调查的基础上，通过分析，逐步明确用户对系统的需求，包括数据需求和围绕这些数据的业务处理需求。
用户调查的重点是“数据”和“处理”。
需求：
•信息需求 定义未来数据库系统用到的所有信息，明确用户将向数据库中输入什么样的数据，从数据库中要求获得哪些内容，将要输出哪些信息。同时还要描述数据间的联系等。
• 处理需求 定义了系统数据处理的操作功能，描述操作的优先次序，包括操作的执行频率和场合，操作与数据间的联系。处理需求还要明确用户要完成哪些处理功能，每种处理的执行频度，用户需求的响应时间以及处理的方式，比如是联机处理还是批处理，等等。
• 安全性与完整性要求 描述了系统中不同用户对数据库的使用和操作情况，完整性要求描述了数据之间的关联关系以及数据的取值范围要求。

1.3需求分析的方法

-采用结构化系统分析和设计技术(SADT，是自顶向下结构化方法、工程化的系统开发方法和生命周期方法的结合）
-用数据流图来表达分析过程和结果
-用数据字典描述数据流图中的数据流和数据存储等

2.概念结构设计

2.1ER模型

E-R模型( Entity Relationship Model,实体联系模型)，用ER图来描述概念模型中的实体、属性、实体间的联系等概念，

在ER模型中，实体用矩形表示，属性用椭圆表示，并用无向边连接实体和属性。

联系用菱形表示，并用无向边连接实体和联系，同时在无向边旁标上联系的类型，是1：1、1：n还是m：n。

在实体集A和子集B之间，可存在着ISA联系，用指向超类的三角形表示。实体B课通过ISA联系，继承实体A中的所有属性和与A相关的联系，同时拥有自己的属性。

依赖于常规实体的弱实体，用双线矩形框表示，与常规实体之间存在着一种依赖联系，用双线菱形框表示。在这些基本要素的基础上，可构造具体的应用系统中实体及其联系的完整的E-R图，来实现数据库的概念结构设计。

2.2概念结构设计的步骤

基于ER模型进行数据库概念结构设计，一般遵循如下步骤：
-从需求分析的结果文档中，抽取实体与实习的属性，并绘制实体的ER图
-确定实体间的联系，以及发生联系后产生的属性特征，绘制联系的ER图
-组合实体与联系的ER图，构造应用系统的完整ER图
其中，抽取实体是概念结构设计的重点

2.3实例分析

下面我们以一个学校的小型的教学信息管理系统为例，按设计步骤进行应用系统的数据库概念结构设计。

2.3.1确定系统管理的信息和查询操作

经需求分析得知，系统的功能是要管理如下信息：

系统要能对管理的数据进行合理地组织、存储，能实现数据的及时更新，并能对数据进行如下这类复杂的查询操作：

2.3.2抽取实体与实习的属性，并绘制实体的ER图

基于需求分析的描述、系统对数据的处理需求，可确定需在系统里进行管理的实体应包括班级、教研室、学生、教师和课程，及描述实体的必要特征属性，如班级实体的、班级号、所在系……如下图所示：

2.3.3确定实体之间的联系

2.3.4组合实体与联系

2.3.5增加需求

若该信息管理系统不仅要管理教学信息，话要管理所辖人员的档案信息，则其对学生实体和教师实体增加属性，比如增加具有依赖联系的弱实体等，将学生的家庭成员，单独构成一个弱实体，来记录学生的家庭成员的姓名等信息。

2.3.6几个注意点

1.对象抽象为实体集还是属性？


2.多个实体间的对象设计为二元联系还是多元联系？


3.设计为实体的属性还是联系的属性？

2.4概念结构设计的方法

对于一个学校的综合信息管理系统，可能包含多个业务功能子系统，那么如何来设计面向整个应用领域的全局数据库的概念结构呢？
设计方法主要有自顶向下、自底向上、由内而外和混合法等方法

2.4.1自底向上法

2.4.2集成过程中存在的结构冲突

2.4.3集成过程存在冗余的属性或联系

3.逻辑结构设计

3.1实体转换为关系模式

3.2实体间的联系转换为关系模式

3.2.1 1:1联系的转换

3.2.2 1:n联系的转换

3.2.3 m:n联系的转换

3.2.4 多元联系的转换

3.2.5 子实体和ISA联系的转换

3.2.6 弱实体和依赖联系的准换

3.2.7 案例系统

3.3关系模式的优化

3.3.1 逻辑结构设计原则

3.3.2 关系模式的优化

4.物理结构设计

4.0引言

4.0.1准备工作

4.0.2解决的问题

4.1定义模式结构

4.1.1定义概念模式

4.1.2定义用户外模式

4.1.3定义内模式

4.2创建数据库

4.2.1定义数据库

4.2.2物理结构设计策略

三.总结

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