4.5 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計是利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的方法、技術(shù)，對已經(jīng)確定的數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)，以較優(yōu)的存儲結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)存取路徑、合理的數(shù)據(jù)庫存儲位置及存儲分配，設(shè)計出一個高效的、可實現(xiàn)的物理數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。

由于不同的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提供的硬件環(huán)境和存儲結(jié)構(gòu)、存取方法不同，提供給數(shù)據(jù)庫設(shè)計者的系統(tǒng)參數(shù)以及變化范圍也不同，因此，物理結(jié)構(gòu)設(shè)計一般沒有一個通用的準則，它只能提供一個技術(shù)和方法供參考。

數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)設(shè)計通常分為兩步。

1）確定數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中主要指存取方法和存儲結(jié)構(gòu)。

2）對物理結(jié)構(gòu)進行評價，評價的重點是時間和空間效率。

如果評價結(jié)果滿足原設(shè)計要求，則可進入到物理結(jié)構(gòu)實施階段，否則，就需要重新設(shè)計或修改物理結(jié)構(gòu)，有時甚至要返回邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計階段修改數(shù)據(jù)模型。

4.5.1 物理結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容和方法

物理結(jié)構(gòu)設(shè)計得好，可以使各業(yè)務(wù)的響應(yīng)時間短、存儲空間利用率高、事務(wù)吞吐率大。因此，在設(shè)計數(shù)據(jù)庫時首先要對經(jīng)常用到的查詢和對數(shù)據(jù)進行更新的事務(wù)進行詳細的分析，獲得物理結(jié)構(gòu)設(shè)計所需要的各種參數(shù)。其次，要充分了解所用DBMS的內(nèi)部特征，特別是系統(tǒng)提供的存取方法和存儲結(jié)構(gòu)。對于數(shù)據(jù)庫查詢事務(wù)，需要得到如下信息。

1）查詢所涉及的關(guān)系。

2）連接條件所涉及的屬性。

3）查詢條件所涉及的屬性。

4）查詢的列表中涉及的屬性。

對于數(shù)據(jù)更新事務(wù)，需要得到如下信息。

1）更新所涉及的關(guān)系。

2）更新操作所涉及的屬性。

3）每個關(guān)系上的更新操作條件所涉及的屬性。

此外，還需要了解每個查詢或事務(wù)在各關(guān)系上運行的頻率和性能要求。假設(shè)某個查詢必須在1s內(nèi)完成，則數(shù)據(jù)的存儲方式和存取方式就非常重要。

應(yīng)該注意的是，數(shù)據(jù)庫上運行的操作和事務(wù)是不斷變化的，因此，需要根據(jù)這些操作的變化不斷地調(diào)整數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)，以獲得最佳的數(shù)據(jù)庫性能。

通常關(guān)系數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容主要如下。

（1）確定數(shù)據(jù)的存取方法（建立存取路徑）

存取方法是快速存取數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的技術(shù)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一般都提供多種存取方法。常用的存取方法有索引方法、聚簇方法和HASH方法。具體采取哪種存取方法由系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫的存儲方式?jīng)Q定，一般用戶不能干預(yù)。

所謂索引存取方法實際上就是根據(jù)應(yīng)用要求確定對關(guān)系的哪些屬性列建立索引，對哪些屬性列建立組合索引，對哪些索引要設(shè)計為唯一索引等。

建立索引的一般原則如下。

如果一個（或一組）屬性經(jīng)常作為查詢條件，則考慮在這個（或這組）屬性上建立索引（或組合索引）。

如果一個屬性經(jīng)常作為聚集函數(shù)的參數(shù)，則考慮在這個屬性上建立索引。

如果一個（或一組）屬性經(jīng)常作為表的連接條件，則考慮在這個（或這組）屬性上建立索引。

如果某個屬性經(jīng)常作為分組的依據(jù)列，則考慮在這個屬性上建立索引。

一個表可以建立多個非聚簇索引，但只能建立一個聚簇索引。

索引一般可以提高數(shù)據(jù)查詢性能，但會降低數(shù)據(jù)修改性能。因為在進行數(shù)據(jù)修改時，系統(tǒng)要同時對索引進行維護，使索引與數(shù)據(jù)保持一致。維護索引要占用較多的時間。存儲索引也要占用空間信息。因此，在決定是否建立索引時，要權(quán)衡數(shù)據(jù)庫的操作，如果查詢多，并且對查詢性能要求較高，可以考慮多建一些索引：如果數(shù)據(jù)更改多，并且對更改的效率要求比較高，可以考慮少建索引。

（2）確定數(shù)據(jù)的物理存儲結(jié)構(gòu)

物理結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一個重要的考慮是確定數(shù)據(jù)的存儲位置和存儲結(jié)構(gòu)，包括確定關(guān)系、索引、聚簇、日志、備份等的存儲安排和存儲結(jié)構(gòu)，確定系統(tǒng)配置。確定數(shù)據(jù)存儲位置和存儲結(jié)構(gòu)的因素包括存取時間、存儲空間利用率和維護代價，這3個方面常常是相互矛盾的，必須進行權(quán)衡，選擇一個折中方案。

常用的存儲方法如下。

● 順序存儲：這種存儲方式的平均查找次數(shù)是表中記錄數(shù)的一半。

● 散列存儲：這種存儲方式的平均查找次數(shù)由散列算法決定。

● 聚簇存儲：為了提高某個屬性的查詢速度，可以把這個或這些屬性上具有相同值的元組集中存儲在連續(xù)的物理塊上，大大提高對聚簇碼的查詢效率。

用戶可以通過建立索引的方法改變數(shù)據(jù)的存儲方式。但其他情況下，數(shù)據(jù)是采用順序存儲還是散列存儲，或是采用其他的存儲方式是由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)根據(jù)具體情況決定的，一般它都會為數(shù)據(jù)選擇一種最適合的存儲方式，而用戶并不能對其進行干涉。

4.5.2 評價物理結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需要對時間效率、空間效率、維護代價和各種用戶要求進行權(quán)衡，其結(jié)果可能產(chǎn)生多種方案。數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員必須對這些方案進行細致的評價，從中選擇出一個較優(yōu)的合理的物理結(jié)構(gòu)。

評價物理結(jié)構(gòu)的方法完全依賴于所選用的DBMS，主要考慮操作開銷，即為使用戶獲得及時、準確的數(shù)據(jù)所需要的開銷和計算機資源的開銷。具體可以分為以下步驟。

1）查詢和響應(yīng)時間。響應(yīng)時間是從查詢開始到查詢結(jié)束之間所經(jīng)歷的時間。一個好的應(yīng)用程序設(shè)計可以減少CPU的時間和I/O時間。

2）更新事務(wù)的開銷，主要是修改索引、重寫數(shù)據(jù)塊或文件以及寫校驗方面的開銷。

3）生成報告的開銷，主要包括索引、重組、排序和結(jié)果顯示的開銷。

4）主存儲空間的開銷，包括程序和數(shù)據(jù)所占的空間。對數(shù)據(jù)庫設(shè)計者來說，一般可以對緩沖區(qū)進行適當?shù)目刂啤?/p>

5）輔助存儲空間的開銷，輔助存儲空間分為數(shù)據(jù)塊和索引塊，設(shè)計者可以控制索引塊的大小。

實際上，數(shù)據(jù)庫設(shè)計者只能對I/O和輔助存儲空間進行有效的控制，其他方面都是有限的控制或根本不能控制。