3.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計概述

本節(jié)介紹了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的基本方法和步驟，以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的特點和應(yīng)注意的問題。

3.1.1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)是：對于給定的應(yīng)用環(huán)境，建立一個性能良好的、能滿足不同用戶使用要求的、又能被選定的DBMS所接受的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模式。按照該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模式建立的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，應(yīng)當(dāng)能夠完整地反映現(xiàn)實世界中信息及信息之間的聯(lián)系；能夠有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲；能夠方便地執(zhí)行各種數(shù)據(jù)檢索和處理操作；并且有利于進(jìn)行數(shù)據(jù)維護和數(shù)據(jù)控制管理的工作。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容主要有數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)特性設(shè)計、行為特性設(shè)計和物理模式設(shè)計。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計過程中，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)特性的設(shè)計起著關(guān)鍵作用，行為特性設(shè)計起著輔助作用。將數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)特性設(shè)計和行為特性設(shè)計結(jié)合起來，相互參照，同步進(jìn)行，才能較好地達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。

1.數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)特性設(shè)計

數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)特性是指數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)特征。由于數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)特性是靜態(tài)的，一般情況下不會輕易變動，因此數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)特性設(shè)計又稱為數(shù)據(jù)庫的靜態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)特性的設(shè)計過程是：先將現(xiàn)實世界中的事物、事物間的聯(lián)系用E-R圖表示，再將各個分E-R圖匯總，得出數(shù)據(jù)庫的概念結(jié)構(gòu)模型，最后將概念結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)模型表示。

2.數(shù)據(jù)庫的行為特性設(shè)計

數(shù)據(jù)庫的行為特性設(shè)計是指確定數(shù)據(jù)庫用戶的行為和動作，并設(shè)計出數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖，確定數(shù)據(jù)庫的子模式。數(shù)據(jù)庫用戶的行為和動作是指數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計、事物處理及報表處理等操作，這些都要通過應(yīng)用程序表達(dá)和執(zhí)行。由于用戶行為總是更新數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的存取數(shù)據(jù)操作，用戶行為特性是動態(tài)的，所以數(shù)據(jù)庫的行為特性設(shè)計也稱為數(shù)據(jù)庫的動態(tài)特性設(shè)計。

數(shù)據(jù)庫行為特性的設(shè)計步驟是：將現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)及應(yīng)用情況用數(shù)據(jù)流程圖和數(shù)據(jù)字典表示，并詳細(xì)描述其中的數(shù)據(jù)操作要求（即操作對象、方法、頻度和實時性要求）；確定系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)；確定系統(tǒng)的功能模塊結(jié)構(gòu)；確定數(shù)據(jù)庫的子模式；確定系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖。

3.數(shù)據(jù)庫的物理模式設(shè)計

數(shù)據(jù)庫的物理模式設(shè)計要求：根據(jù)庫結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性（即數(shù)據(jù)庫應(yīng)用處理要求），在選定的DBMS環(huán)境下，把數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)模型加以物理實現(xiàn)，從而得出數(shù)據(jù)庫的存儲模式和存取方法。

3.1.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)注意的問題

人們總是希望自己設(shè)計的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)簡單易用，具有安全性、可靠性、易維護性、易擴充性和最小冗余性等特點，并希望數(shù)據(jù)庫對不同用戶數(shù)據(jù)的存取都有較高的響應(yīng)速度。為了能夠達(dá)到這樣的設(shè)計目標(biāo)，設(shè)計者應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循數(shù)據(jù)庫設(shè)計的方法和規(guī)則。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計是一項涉及多學(xué)科的綜合性技術(shù)，也是一項龐大的工程。進(jìn)行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)注意以下兩個問題。

1.進(jìn)行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮計算機硬件、軟件和干件的實際情況

在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)考慮3個方面的內(nèi)容。

（1）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的硬件條件是基礎(chǔ)

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)必須適應(yīng)所在的計算機硬件環(huán)境，根據(jù)其數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備、計算機性能等硬件條件設(shè)計數(shù)據(jù)庫的規(guī)模、數(shù)據(jù)存儲方式、分布結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)通信方式。

（2）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)軟件是軟件環(huán)境

在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計前，應(yīng)當(dāng)選擇合適的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)軟件，使之適合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的要求。應(yīng)當(dāng)了解選定的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)軟件的特點，利用其數(shù)據(jù)操作和數(shù)據(jù)控制的優(yōu)勢，適應(yīng)其特殊要求和限制，并使兩者能較好地配合。

（3）數(shù)據(jù)庫用戶的技術(shù)水平和管理水平是關(guān)鍵

為了提高數(shù)據(jù)庫用戶及數(shù)據(jù)庫管理員應(yīng)用和管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的水平，應(yīng)當(dāng)讓他們充分參與設(shè)計數(shù)據(jù)庫的工作，使之對數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程的每個細(xì)節(jié)都了解得比較清楚。這樣，不但能夠提高設(shè)計效率，而且有助于數(shù)據(jù)庫用戶及數(shù)據(jù)庫管理員對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理、擴充和維護等。

2.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)使結(jié)構(gòu)特性設(shè)計和行為特性設(shè)計緊密結(jié)合

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計過程是一種自上而下的、逐步逼近設(shè)計目標(biāo)的過程。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計過程是結(jié)構(gòu)設(shè)計、行為設(shè)計、分離設(shè)計、相互參照和反復(fù)探尋的過程。

圖3-1是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的過程圖，其中，數(shù)據(jù)庫的邏輯模式設(shè)計要與事務(wù)設(shè)計結(jié)合起來，以支持全部事務(wù)處理的要求；為了更有效地支持事務(wù)處理，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存取功能；數(shù)據(jù)庫的子模式則是根據(jù)應(yīng)用程序的需要而設(shè)計的。

在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)特性設(shè)計和行為特性設(shè)計必須相結(jié)合才能達(dá)到其設(shè)計目標(biāo)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計者應(yīng)當(dāng)具有戰(zhàn)略眼光，考慮到當(dāng)前、近期和遠(yuǎn)期3個時間段的用戶需求。設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能完全滿足用戶當(dāng)前和近期對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求，并對遠(yuǎn)期的數(shù)據(jù)需求有相應(yīng)的處理方案。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計者應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)可能的擴充與改變，使設(shè)計出的系統(tǒng)有較長的生命力。

圖3-1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計過程

3.1.3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的基本方法

現(xiàn)實世界的信息結(jié)構(gòu)復(fù)雜且應(yīng)用環(huán)境多種多樣，在很長一段時間內(nèi)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計是采用手工試湊法進(jìn)行的。用手工試湊法設(shè)計數(shù)據(jù)庫與設(shè)計人員的經(jīng)驗和水平有直接關(guān)系，它更像是一種技藝而不是工程技術(shù)。這種方法缺乏科學(xué)的理論和工程方法支持，數(shù)據(jù)庫的質(zhì)量很難得到保證，數(shù)據(jù)庫常常是在投入使用以后才發(fā)現(xiàn)問題，不得不進(jìn)行修改，這樣就增加了系統(tǒng)維護的代價。十余年來，人們努力探索，提出了各種各樣的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計方法，并提出了多種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的準(zhǔn)則和規(guī)程，這些設(shè)計方法被稱為規(guī)范設(shè)計法。

新奧爾良（New Orleans）方法是規(guī)范設(shè)計法中的一種，它將數(shù)據(jù)庫設(shè)計分為4個階段：需求分析、概念設(shè)計、邏輯設(shè)計和物理設(shè)計。其后，許多科學(xué)家對其進(jìn)行了改進(jìn)，認(rèn)為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)分6個階段進(jìn)行：需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫實施及數(shù)據(jù)庫運行和維護。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的不同階段上，實現(xiàn)的具體方法有基于E-R模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計方法、基于3NF（第3范式）的設(shè)計方法和基于抽象語法規(guī)范的設(shè)計方法等。

3.1.4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟

圖3-2中列出了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的步驟和各個階段應(yīng)完成的基本任務(wù)，下面就具體內(nèi)容進(jìn)行介紹。

圖3-2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計步驟

1.需求分析階段

需求分析是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的第一步，也是最困難、最耗時間的一步。需求分析的任務(wù)是準(zhǔn)確了解并分析用戶對系統(tǒng)的需要和要求，弄清系統(tǒng)要達(dá)到的目標(biāo)和實現(xiàn)的功能。需求分析是否做得充分與準(zhǔn)確，決定著在其上構(gòu)建數(shù)據(jù)庫大廈的速度與質(zhì)量。如果需求分析做得不好，會影響整個系統(tǒng)的性能，甚至?xí)?dǎo)致整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計返工重做。

2.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段

概念結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。在概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，設(shè)計者要對用戶需求進(jìn)行綜合、歸納和抽象，形成一個獨立于具體計算機和DBMS的概念模型。

3.邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計階段

邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要任務(wù)是將概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為某個DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型，并將其性能進(jìn)行優(yōu)化。

4.物理結(jié)構(gòu)設(shè)計階段

物理結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要任務(wù)是為邏輯數(shù)據(jù)模型選取一個最適合應(yīng)用環(huán)境的物理結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)存儲位置、數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)和存取方法。

5.數(shù)據(jù)庫實施階段

在數(shù)據(jù)庫實施階段中，系統(tǒng)設(shè)計人員要運用DBMS提供的數(shù)據(jù)操作語言和宿主語言，根據(jù)數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計和物理設(shè)計的結(jié)果，建立數(shù)據(jù)庫、編制與調(diào)試應(yīng)用程序、組織數(shù)據(jù)入庫并進(jìn)行系統(tǒng)試運行。

6.數(shù)據(jù)庫運行和維護階段

數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過試運行后即可投入正式運行。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運行過程中，必須不斷地對其結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評價、調(diào)整和修改。

設(shè)計一個完善的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)是不可能一蹴而就的，它往往是上述6個階段的不斷反復(fù)。需要指出的是，這6個設(shè)計步驟既是數(shù)據(jù)庫設(shè)計的過程，也包括了數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計過程。在設(shè)計過程中，應(yīng)把數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)據(jù)處理的操作設(shè)計緊密結(jié)合起來，這兩個方面的需求分析、數(shù)據(jù)抽象、系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)等各個階段應(yīng)同時進(jìn)行，相互參照和相互補充。事實上，如果不了解應(yīng)用環(huán)境對數(shù)據(jù)的處理要求或沒有考慮如何去實現(xiàn)這些處理要求，是不可能設(shè)計出一個良好的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的。

上述數(shù)據(jù)庫設(shè)計的原則和設(shè)計過程概括起來，可用表3-1進(jìn)行描述。

表3-1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計階段

表3-1中有關(guān)處理特性的設(shè)計描述、設(shè)計原理、設(shè)計方法和工具等具體內(nèi)容，在軟件工程和信息系統(tǒng)設(shè)計等其他相關(guān)課程中有詳細(xì)介紹。這里主要討論有關(guān)數(shù)據(jù)特性的問題，包括數(shù)據(jù)特性的描述、如何參照處理特性和完善數(shù)據(jù)模型設(shè)計等問題。

在圖3-3中，描述了數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計不同階段要完成的不同級別的數(shù)據(jù)模式。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計過程中：需求分析階段，設(shè)計者的中心工作是弄清并綜合各個用戶的應(yīng)用需求；概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，設(shè)計者要將應(yīng)用需求轉(zhuǎn)換為與計算機硬件無關(guān)的、與各個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)產(chǎn)品無關(guān)的概念模型（即E-R圖）；邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，要完成數(shù)據(jù)庫的邏輯模式和外模式的設(shè)計工作，即系統(tǒng)設(shè)計者要先將E-R圖轉(zhuǎn)換成具體的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品支持的數(shù)據(jù)模型，形成數(shù)據(jù)庫邏輯模式，然后根據(jù)用戶處理的要求、安全性的考慮建立必要的數(shù)據(jù)視圖，形成數(shù)據(jù)的外模式；在物理結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，要根據(jù)具體使用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的特點和處理的需要進(jìn)行物理存儲安排，并確定系統(tǒng)要建立的索引，得出數(shù)據(jù)庫的內(nèi)模式。

圖3-3 數(shù)據(jù)庫的各級模式