數(shù)據(jù)庫實用教程ppt課件

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7.5 邏輯(結(jié)構(gòu))設(shè)計 概念設(shè)計的結(jié)果是得到一個與DBMS無關(guān)的概念模式。而邏輯設(shè)計的目的是把概念設(shè) 計階段設(shè)計好的全局ER模式轉(zhuǎn)換成與選用的具體機器上的DBMS所支援的數(shù)據(jù)模型相符合的的邏輯結(jié)構(gòu)（包括數(shù)據(jù)庫模式和外模式）。這些模式在功能上、完整性和一致性約束及數(shù)據(jù)庫的可擴充性等方面均應(yīng)滿足用戶的各種要求。對于邏輯設(shè)計而言，應(yīng)首先選擇DBMS，但往往數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員沒有挑選的余地，都是在指定的DBMS上進行邏輯結(jié)構(gòu)的設(shè)計。,1,7.5.1 邏輯設(shè)計環(huán)境 邏輯設(shè)計的輸入輸出環(huán)境如圖7.22所示,2,在邏輯設(shè)計階段主要輸入下列信息： （1）獨立于DBMS的概念模式。這是概念設(shè)計階段產(chǎn)生的所有局部和全局概念模式。 （2）處理需求。需求分析階段產(chǎn)生的業(yè)務(wù)活動分析結(jié)果。這里包括數(shù)據(jù)的規(guī)模和應(yīng)用頻率，用戶或用戶集團的需求。 （3）約束條件。即完整性、一致性、安全性要求及響應(yīng)時間要求等等。 （4）DBMS特性。即特定的DBMS所支持的模式、子模式和程序語法的形式規(guī)則。,3,在邏輯設(shè)計階段主要輸出如下的信息： （1）DBMS可處理的模式。一個能用特定 DBMS實現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的說明，但是不包括記錄的聚合、塊的大小等物理參數(shù)的說明，但要對某些訪問路徑參數(shù)（如順序、指針檢索的類型）加以說明。 （2）子模式。與單個用戶觀點和完整性約束一致的DBMS所支持的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。 （3）應(yīng)用程序設(shè)計指南。根據(jù)設(shè)計的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)為應(yīng)用程序員提供訪問路徑選擇。 （4）物理設(shè)計指南。完全文檔化的模式和子模式應(yīng)包括容量、使用頻率、軟硬件等信息。這些信息將要在物理設(shè)計階段使用,4,7.5.2 邏輯設(shè)計的步驟 邏輯設(shè)計主要是把概念模式轉(zhuǎn)換成DBMS能處理的模式。轉(zhuǎn)換過程中要對模式進行評 價和性能測試，以便獲得較好的模式設(shè)計。邏輯設(shè)計的主要步驟如圖7.23所示。 1．初始模式的形成； 這一步是形成初始的 DBMS模式。 根據(jù)概念模式以及DBMS的記錄類型特點，將ER模式的實體類型或聯(lián)系類型轉(zhuǎn)換成記錄類型，在比較復(fù)雜的情況下，實體可能分裂或合并成新的記錄類型。,5,6,2．子模式設(shè)計 子模式是模式的邏輯子集。子模式是應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的接口，它能允許應(yīng)用程序有效地訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，而不破壞數(shù)據(jù)庫的安全性。 3．應(yīng)用程序設(shè)計梗概 在設(shè)計完整的應(yīng)用程序之前，先設(shè)計出應(yīng)用程序的草圖，對每個應(yīng)用程序應(yīng)設(shè)計出數(shù)據(jù)存取功能的梗概，提供程序上的邏輯接口。,7,4．模式評價 這一步的工作就是對數(shù)據(jù)庫模式進行評價。評價數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的方法通常有定量分析和性能測量等方法。 定量分析有兩個參數(shù)：處理頻率和數(shù)據(jù)容量。處理頻率是在數(shù)據(jù)庫運行期間應(yīng)用程序的使用次數(shù)；數(shù)據(jù)容量是數(shù)據(jù)庫中記錄的個數(shù)。數(shù)據(jù)庫增長過程的具體表現(xiàn)就是這兩個參 數(shù)值的增加。 性能測量是指邏輯記錄的訪問數(shù)目、一個應(yīng)用程序傳輸?shù)目傋止?jié)數(shù)。數(shù)據(jù)庫的總字節(jié) 數(shù)，這些參數(shù)應(yīng)該盡可能預(yù)先知道，它能預(yù)測物理數(shù)據(jù)庫的性能。,8,5．修正模式 修正模式的目的是為了使模式適應(yīng)信息的不同表示。此時，可利用DBMS的性能，如索引或散列功能，但數(shù)據(jù)庫的信息內(nèi)容不能修改。如果信息內(nèi)容不修改，模式就不能進一步求精，那么就要停止模式設(shè)計，返回到概念設(shè)計或需求分析階段，重新設(shè)計。,9,7.5.3 ER模型向關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換 1. ER模型轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型的一般規(guī)則 ER模型中的主要成分是實體類型和聯(lián)系類型，轉(zhuǎn)換規(guī)則就是如何把實體類型、聯(lián)系類型轉(zhuǎn)換成關(guān)系模式。 （1）實體類型的轉(zhuǎn)換：將每個實體類型轉(zhuǎn)換成一個關(guān)系模式，實體的屬性即為關(guān)系模式的屬性，實體標識符即為關(guān)系模式的鍵。,10,（2）聯(lián)系類型的轉(zhuǎn)換，根據(jù)不同的情況做不同的處理： ①若實體間的聯(lián)系是1：1的，可以在兩個實體類型轉(zhuǎn)換成的兩個關(guān)系模式中的任意一個關(guān)系模式的屬性中加人另一個關(guān)系模式的鍵和聯(lián)系類型的屬性。,11,[例7·9] 某大學(xué)管理中的實體“院長”與“學(xué)院’之間存在著1:1的聯(lián)系，其ER圖如7·24所示。在將其轉(zhuǎn)化為關(guān)系模型時，“院長’與“學(xué)院”各為一個模式。如果用戶經(jīng)常要在查詢學(xué)院信息時查詢其院長信息，那么可在學(xué)院模式中加人院長名和任職年月，其關(guān)系模式設(shè)計如下（加下劃線者為主鍵，加波浪線者為外鍵）： 學(xué)院關(guān)系模式（學(xué)院編號，學(xué)院名，地址，電話，院長名，任職年月） 院長關(guān)系模式（院長名，年齡，性別，職稱),12,13,②若實體間的聯(lián)系是1:N的，則在N端實體類型轉(zhuǎn)換成的關(guān)系模式中加入1端實體類 型轉(zhuǎn)換成的關(guān)系模式的鍵和聯(lián)系類型的屬性。 ［例7·10］某大學(xué)管理中的實體“系”與“教師”之間存在著1：N的聯(lián)系，其ER圖如7·25所示。轉(zhuǎn)換成的關(guān)系模式如下： 系關(guān)系模式（系編號，系名，電話，系主任） 教師關(guān)系模式（教師編號，姓名，年齡，性別，職稱，系編號，聘用年月）,14,③弱實體：若實體間的聯(lián)系是1：N的，而且在N端實體類型為弱實體，轉(zhuǎn)換成的關(guān)系模式中將1端實體類型（父表）的鍵作為外鍵放在N端的弱實體（子表）中。弱實體的主鍵由父表的主鍵與弱實體本身的候選鍵組成。也可以為弱實體建立新的獨立的標識符 ID。 ［例7·11］某大學(xué)管理中的實體“學(xué)生”與弱實體“社會關(guān)系”之間存在著1：N的聯(lián)系，其ER圖如7·26所示。轉(zhuǎn)換成的關(guān)系模式如下： 學(xué)生關(guān)系模式（學(xué)生編號，姓名，年齡，性別，家庭地址，所在系，班號） 社會關(guān)系模式（學(xué)生編號，稱呼，姓名，年齡，政治面貌，工作單位）,15,16,若實體間的聯(lián)系是M：N的，則將聯(lián)系類型也轉(zhuǎn)換成關(guān)系模式，其屬性為兩端實體類型的鍵加上聯(lián)系類型的屬性，而鍵為兩端實體鍵的組合。 ［例7．12］某大學(xué)管理中的實體“學(xué)生”與“課程”之間存在著M：N的聯(lián)系，其ER圖如7．27所示。轉(zhuǎn)換成的關(guān)系模式如下： 學(xué)生關(guān)系模式（學(xué)生編號，姓名，年齡，性別，家庭地址，所在系，班號） 課程關(guān)系模式（課程編號，課程名，課程性質(zhì)，學(xué)分數(shù)，先行課，開課學(xué)期，開課系編號） 選修關(guān)系模式（學(xué)生編號，課程編號，成績）,17,18,2．超類和子類的轉(zhuǎn)換規(guī)則 將超類和子類各轉(zhuǎn)換成一個關(guān)系模式，在子類轉(zhuǎn)換成的關(guān)系模式（子表）中加入超類轉(zhuǎn)換成關(guān)系模式（父表）的鍵，從而實現(xiàn)父表與子表的聯(lián)系。由于父表與子表的主鍵相同，所子表的主鍵也是外鍵。 ［例 7.13］某大學(xué)數(shù)據(jù)庫中的實體“教師”（超類）的成員實體也可以分為教授、副教授，講師和助教四個子實體集合（子類）如圖7．28所示。,19,轉(zhuǎn)換成的關(guān)系模式如下： 教師關(guān)系模式（教師編號，姓名，年齡，性別） 教授關(guān)系模式（教師編號，是否博導(dǎo)） 副教授關(guān)系模式（教師編號，是否碩導(dǎo)） 講師關(guān)系模式（教師編號，學(xué)歷，是否班導(dǎo)師） 助教關(guān)系模式（教師編號，導(dǎo)師姓名）,20,7.5.4 關(guān)系數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計 由于關(guān)系模型的固有優(yōu)點，邏輯設(shè)計可以運用關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式設(shè)計理論使設(shè)計過程形式化地進行，并且結(jié)果可以驗證。關(guān)系數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計的過程如圖 7·29所示。,21,從圖7．29可以看出，概念設(shè)計的結(jié)果直接影響到邏輯設(shè)計過程的復(fù)雜性和效率。在概念設(shè)計階段已經(jīng)把關(guān)系規(guī)范化的某些思想用作構(gòu)造實體類型和聯(lián)系類型的標準，在邏輯設(shè)計階段，仍然要使用關(guān)系規(guī)范化理論來設(shè)計模式和評價模式。關(guān)系數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計的結(jié)果是一組關(guān)系模式的定義。 1．導(dǎo)出初始關(guān)系模式 邏輯設(shè)計的第一步是把概念設(shè)計的結(jié)果（即全局ER模式）轉(zhuǎn)換成初始關(guān)系模式。,22,2．規(guī)范化處理 規(guī)范化的目的是減少乃至消除關(guān)系模式中存在的各種異常，改善完整性、一致性和存儲效率。規(guī)范化過程分為兩個步驟： (1) 確定規(guī)范級別 規(guī)范級別取決于兩個因素，一是歸結(jié)出來的數(shù)據(jù)依賴的種類，二是實際應(yīng)用的需要。在這里，我們主要從數(shù)據(jù)依賴的種類出發(fā)，來討論規(guī)范級別問題。 首先考察數(shù)據(jù)依賴集合。在僅有函數(shù)依賴時，3NF或BCNF是適宜的標準．,23,如還包括多值依賴時，應(yīng)達到4NF。由于多值依賴語義的復(fù)雜性、非直觀性，一般使用得并不多。 在現(xiàn)實環(huán)境中，大量作用的還是函數(shù)依賴。 （2）實施規(guī)范化處理 確定規(guī)范級別之后，利用第5章的算法，逐一考察關(guān)系模式，判斷它們是否滿足規(guī)范要求。若不符合上下步所確定的規(guī)范級別，則利用相應(yīng)的規(guī)范算法將關(guān)系模式規(guī)范化。 在規(guī)范化綜合或分解過程中，要特別注意保持依賴和無損聯(lián)接要求。,24,綜合以上數(shù)據(jù)庫的設(shè)計過程，規(guī)范化理論在數(shù)據(jù)庫設(shè)計中有如下幾方面的應(yīng)用： (1) 在需求分析階段，用數(shù)據(jù)依賴概念分析和表示各個數(shù)據(jù)項之間的聯(lián)系。 (2) 在概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，以規(guī)范化理論為指導(dǎo)，確定關(guān)系鍵，消除初步E-R圖中冗余的聯(lián)系。 (3) 在邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，從E-R圖向數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換過程中，用模式合并與分解方法達到規(guī)范化級別。,25,(3) 模式評價 關(guān)系模式的規(guī)范化不是目的而是手段，數(shù)據(jù)庫設(shè)計的目的是最終滿足應(yīng)用需求。因此，為了進一步提高數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的性能，還應(yīng)該對規(guī)范化后產(chǎn)生的關(guān)系模式進行評價、改進，經(jīng)過反復(fù)多次的嘗試和比較，最后得到優(yōu)化的關(guān)系模式。 模式評價的目的是檢查所設(shè)計的數(shù)據(jù)庫模式是否滿足用戶的功能要求、效率，確定加以改進的部分。模式評價包括功能評價和性能評價。,26,(A) 功能評價 功能評價指對照需求分析的結(jié)果，檢查規(guī)范化后的關(guān)系模式集合是否支持用戶所有的應(yīng)用要求。關(guān)系模式必須包括用戶可能訪問的所有屬性。在涉及多個關(guān)系模式的應(yīng)用中，應(yīng)確保聯(lián)接后不丟失信息。如果發(fā)現(xiàn)有的應(yīng)用不被支持，或不完全被支持，則應(yīng)該改進關(guān)系模式。發(fā)生這種問題的原因可能是在邏輯設(shè)計階段，也可能是在需求分析或概念設(shè)計階段。是哪個階段的問題就返回到哪個階段去，因此有可能對前兩個階段再進行評審，解決存在的問題。,27,在功能評價的過程中，可能會發(fā)現(xiàn)冗余的關(guān)系模式或?qū)傩?，這時應(yīng)對它們加以區(qū)分，搞清楚它們是為未來發(fā)展預(yù)留的，還是某種錯誤造成的，比如名字混淆。如果屬于錯誤處置，進行改正即可，而如果這種冗余來源于前兩個設(shè)計階段，則也要返回重新進行評審。 (B) 性能評價 對于目前得到的數(shù)據(jù)庫模式，由于缺乏物理設(shè)計所提供的數(shù)量測量標準和相應(yīng)的評價手段，所以性能評價是比較困難的，只能對實際性能進行估計，包括邏輯記錄的存取數(shù)、傳送量以及物理設(shè)計算法的模型等。,28,美國密執(zhí)安大學(xué)的T.Teorey和J.Fry于1980年提出的邏輯記錄訪問（Logical Record Access，LRA）方法是一種常用的模式性能評價方法。LRA方法對網(wǎng)狀模型和層次模型較為實用，對于關(guān)系模型的查詢也能起一定的估算作用。 有關(guān)LRA方法本書不詳細介紹，讀 者可以參考有關(guān)書籍。,29,(4) 模式改進 根據(jù)模式評價的結(jié)果，對已生成的模式進行改進。 如果因為需求分析、概念設(shè)計的疏漏導(dǎo)致某些應(yīng)用不能得到支持，則應(yīng)該增加新的關(guān)系模式或?qū)傩浴?如果因為性能考慮而要求改進，則可采用合并或分解的方法。 (A) 合并 如果有若干個關(guān)系模式具有相同的主鍵，并且對這些關(guān)系模式的處理主要是查詢操作，而且經(jīng)常是多關(guān)系的查詢，那么可對這些關(guān)系模式按照組合使用頻率進行合并。 這樣便可以減少聯(lián)接操作而提高查詢效率。,30,(B) 分解 為了提高數(shù)據(jù)操作的效率和存儲空間的利用率，最常用和最重要的模式優(yōu)化方法就是分解，根據(jù)應(yīng)用的不同要求，可以對關(guān)系模式進行垂直分解和水平分解。 水平分解是把關(guān)系的元組分為若干子集合，定義每個子集合為一個子關(guān)系。 對于經(jīng)常進行大量數(shù)據(jù)的分類條件查詢的關(guān)系，可進行水平分解，這樣可以減少應(yīng)用系統(tǒng)每次查詢需要訪問的記錄數(shù)，從而提高了查詢性能。,31,例如，有學(xué)生關(guān)系（學(xué)號，姓名，類別……），其中類別包括大專生、本科生和研究生。如果多數(shù)查詢一次只涉及其中的一類學(xué)生，就應(yīng)該把整個學(xué)生關(guān)系水平分割為大專生、本科生和研究生三個關(guān)系。 垂直分解是把關(guān)系模式的屬性分解為若干子集合，形成若干子關(guān)系模式。垂直分解的原則是把經(jīng)常一起使用的屬性分解出來，形成一個子關(guān)系模式。 例如，有教師關(guān)系（教師號，姓名，性別，年齡，職稱，工資，崗位津貼，住址，電話），如果經(jīng)常查詢的僅是前六項，而后三項很少使用，則可以將教師關(guān)系進行垂直分割，得到兩個教師關(guān)系：,32,教師關(guān)系1（教師號，姓名，性別，年齡，職稱，工資） 教師關(guān)系2（教師號，崗位津貼，住址，電話） 這樣，便減少了查詢的數(shù)據(jù)傳遞量，提高了查詢速度。 垂直分解可以提高某些事務(wù)的效率，但也有可能使另一些事務(wù)不得不執(zhí)行連接操作，從而降低了效率。因此是否要進行垂直分解要看分解后的所有事務(wù)的總效率是否得到了提高。垂直分解要保證分解后的關(guān)系具有無損連接性和函數(shù)依賴保持性。相關(guān)的分解算法已經(jīng)在第4章進行了詳細介紹。,33,經(jīng)過多次的模式評價和模式改進之后，最終的數(shù)據(jù)庫模式得以確定。邏輯設(shè)計階段的結(jié)果是全局邏輯數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。對于關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來說，就是一組符合一定規(guī)范的關(guān)系模式組成的關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型。 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)物理獨立性特點消除了由于物理存儲改變而引起的對應(yīng)程序的修改。標準的DBMS例行程序應(yīng)適用于所有的訪問，查詢和更新事務(wù)的優(yōu)化應(yīng)當在系統(tǒng)軟件一級上實現(xiàn)。這樣，邏輯數(shù)據(jù)庫確定之后，就可以開始進行應(yīng)用程序設(shè)計了。,34,[例7．15] 學(xué)員王洪林為浙江省黃驊紙制品公司設(shè)計的“庫存銷售信息管技系統(tǒng)”對倉庫、車間、產(chǎn)品、客戶、銷售部的信息進行了有效的管理，其ER圖如圖7．30所示。,35,這個ER圖有5個實體類型，其屬性如下： 車間：車間號，車間名，主任名。 產(chǎn)品：產(chǎn)品號，產(chǎn)品名，單價。 倉位：倉位號，地址，主任名。 客戶：客戶號，客戶名，聯(lián)系人，電話，地址，稅號，賬號。 銷售員：銷售員號，姓名，性別，學(xué)歷，業(yè)績。,36,這個ER圖有4個聯(lián)系類型，其中3個是M：N：P， 1個是M：N，屬性如下： 入庫：入庫單號，入庫量，入庫日期，經(jīng)手人。 存儲：核對日期，核對員，存儲量。 出庫：出庫單號，出庫量，出庫日期，經(jīng)手人。 定單：定單號，數(shù)量，折扣，總價，定單日期。 試把這個ER圖轉(zhuǎn)換成關(guān)系模型，并指出每個表的主鍵和外鍵。,37,［解］根據(jù)ER模型轉(zhuǎn)換成關(guān)系模型的規(guī)則，可把上述ER圖轉(zhuǎn)換成9個關(guān)系模式，具體如下： 車間（車間號，車間名，主任名） 產(chǎn)品（產(chǎn)品號，產(chǎn)品名，單價） 倉位（倉位號，地址，主任名） 客戶（客戶號，客戶名，聯(lián)系人，電話，地址，稅號，賬號）,38,銷售員（銷售員號，姓名，性別，學(xué)歷，業(yè)績） 入庫（入庫單號，入庫量，入庫日期，經(jīng)手人，車間號，倉位號，產(chǎn)品號） 存儲（倉位號，產(chǎn)品號，核對日期，核對員，存儲量） 出庫（出庫單號，出庫量，出庫日期，經(jīng)手人，客戶號，產(chǎn)品號，倉位號） 定單（定單號，數(shù)量，折扣，總價，定單日期，產(chǎn)品號，客戶號，銷售員號）,39,7.6 數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計 數(shù)據(jù)庫最終要存儲在物理設(shè)備上。對于給定的邏輯數(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)的過程，稱為數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計。數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)主要指數(shù)據(jù)庫的存儲記錄格式、存儲記錄安排和存取方法。顯然，數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計是完全依賴于給定的硬件環(huán)境和數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的。 在關(guān)系模型系統(tǒng)中，物理設(shè)計比較簡單一些，因為文件形式是單記錄類型文件，僅包含索引機制、空間大小、塊的大小等內(nèi)容。,40,數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計可分為兩步： (1) 確定物理結(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)評價物理結(jié)構(gòu)，評價的重點是時間和空間效率。 7.6.1 確定物理結(jié)構(gòu) 設(shè)計人員必須深入了解給定的DBMS的功能，DBMS提供的環(huán)境和工具、硬件環(huán)境,特別是存儲設(shè)備的特征。另一方面也要了解應(yīng)用環(huán)境的具體要求，如各種應(yīng)用的數(shù)據(jù)量、處理頻率和響應(yīng)時間等。只有“知己知彼”才能設(shè)計出較好的物理結(jié)構(gòu)。,41,1．存儲記錄結(jié)構(gòu)的設(shè)計 在物理結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)的基本存取單位是存儲記錄。有了邏輯記錄結(jié)構(gòu)以后，就可以設(shè)計存儲記錄結(jié)構(gòu)，一個存儲記錄可以和一個或多個邏輯記錄相對應(yīng)。存儲記錄結(jié)構(gòu)包括記錄的組成、數(shù)據(jù)項的類型和長度，以及邏輯記錄到存儲記錄的映射。某一類型的所有存儲記錄的集合稱為“文件”，文件的存儲記錄可以是定長的，也可以是變長的。 文件組織或文件結(jié)構(gòu)是組成文件的存儲記錄的表示法。文件結(jié)構(gòu)應(yīng)該表示文件格式、邏輯次序、物理次序、訪問路徑、物理設(shè)備的分配。物理數(shù)據(jù)庫就是指數(shù)據(jù)庫中實際存儲記錄的格式、邏輯次序和物理次序、訪問路徑、物理設(shè)備的分配。 決定存儲結(jié)構(gòu)的主要因素包括存取時間、存儲空間和維護代價三個方面。設(shè)計時應(yīng)當根據(jù)實際情況對這三個方面進行綜合權(quán)衡。一般DBMS也提供一定的靈活性可供選擇，包括聚簇和索引。,42,(1) 聚簇（Cluster） 聚簇就是為了提高查詢速度，把在一個（或一組）屬性上具有相同值的元組集中地存放在一個物理塊中。如果存放不下，可以存放在相鄰的物理塊中。其中，這個（或這組）屬性稱為聚簇碼。 為什么要使用聚簇呢？聚簇有兩個作用： ①使用聚簇以后，聚簇碼相同的元組集中在一起了，因而聚簇值不必在每個元組中重復(fù)存儲，只要在一組中存儲一次即可，因此可以節(jié)省存儲空間。,43,②聚簇功能可以大大提高按聚簇碼進行查詢的效率。例如，假設(shè)要查詢學(xué)生關(guān)系中計算機系的學(xué)生名單，設(shè)計算機系有300名學(xué)生。在極端情況下，這些學(xué)生的記錄會分布在300個不同的物理塊中，這時如果要查詢計算機系的學(xué)生，就需要做300次的I/O操作，這將影響系統(tǒng)查詢的性能。如果按照系別建立聚簇，使同一個系的學(xué)生記錄集中存放，則每做一次I/O操作，就可以獲得多個滿足查詢條件和記錄，從而顯著地減少了訪問磁盤的次數(shù)。,44,(2) 索引 存儲記錄是屬性值的集合，主關(guān)系鍵可以惟一確定一個記錄，而其他屬性的一個具體值不能惟一確定是哪個記錄。在主關(guān)系鍵上應(yīng)該建立惟一索引，這樣不但可以提高查詢速度，還能避免關(guān)系鍵重復(fù)值的錄入，確保了數(shù)據(jù)的完整性。 在數(shù)據(jù)庫中，用戶訪問的最小單位是屬性。如果對某些非主屬性的檢索很頻繁，可以考慮建立這些屬性的索引文件。索引文件對存儲記錄重新進行內(nèi)部鏈接，從邏輯上改變了記錄的存儲位置，從而改變了訪問數(shù)據(jù)的入口點。關(guān)系中數(shù)據(jù)越多索引的優(yōu)越性也就越明顯。,45,建立多個索引文件可以縮短存取時間，但是增加了索引文件所占用的存儲空間以及維護的開銷。因此，應(yīng)該根據(jù)實際需要綜合考慮。 2．訪問方法的設(shè)計 訪問方法是為存儲在物理設(shè)備（通常指輔存）上的數(shù)據(jù)提供存儲和檢索能力的方法。一個訪問方法包括存儲結(jié)構(gòu)和檢索機構(gòu)兩個部分。存儲結(jié)構(gòu)限定了可能訪問的路徑和存儲記錄；檢索機構(gòu)定義了每個應(yīng)用的訪問路徑，但不涉及存儲結(jié)構(gòu)的設(shè)計和設(shè)備分配。,46,存儲記錄是屬性的集合，屬性是數(shù)據(jù)項類型，可用作主鍵或輔助鍵。主鍵惟一地確定了一個記錄。輔助鍵是用作記錄索引的屬性，可能并不惟一確定某一個記錄。 訪問路徑的設(shè)計分成主訪問路徑與輔訪問路徑的設(shè)計。主訪問路徑與初始記錄的裝入有關(guān)，通常是用主鍵來檢索的。首先利用這種方法設(shè)計各個文件，使其能最有效地處理主要的應(yīng)用。一個物理數(shù)據(jù)庫很可能有幾套主訪問路徑。輔訪問路徑是通過輔助鍵的索引對存儲記錄重新進行內(nèi)部鏈接，從而改變訪問數(shù)據(jù)的入口點。用輔助索引可以縮短訪問時間，但增加了輔存空間和索引維護的開銷。設(shè)計者應(yīng)根據(jù)具體情況作出權(quán)衡。,47,3.數(shù)據(jù)存放位置的設(shè)計 為了提高系統(tǒng)性能，應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用情況將數(shù)據(jù)的易變部分、穩(wěn)定部分、經(jīng)常存取部分和存取頻率較低部分分開存放。 例如，目前許多計算機都有多個磁盤，因此可以將表和索引分別存放在不同的磁盤上，在查詢時，由于兩個磁盤驅(qū)動器并行工作，可以提高物理讀寫的速度。 在多用戶環(huán)境下，可能將日志文件和數(shù)據(jù)庫對象（表、索引等）放在不同的磁盤上，以加快存取速度。另外，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)備份、日志文件備份等，只在數(shù)據(jù)庫發(fā)生故障進行恢復(fù)時才使用，而且數(shù)據(jù)量很大，可以存放在磁帶上，以改進整個系統(tǒng)的性能。,48,4.系統(tǒng)配置的設(shè)計 DBMS產(chǎn)品一般都提供了一些系統(tǒng)配置變量、存儲分配參數(shù)，供設(shè)計人員和DBA對數(shù)據(jù)庫進行物理優(yōu)化。系統(tǒng)為這些變量設(shè)定了初始值，但是這些值不一定適合每一種應(yīng)用環(huán)境，在物理設(shè)計階段，要根據(jù)實際情況重新對這些變量賦值，以滿足新的要求。 系統(tǒng)配置變量和參數(shù)很多，例如，同時使用數(shù)據(jù)庫的用戶數(shù)、同時打開的數(shù)據(jù)庫對象數(shù)、內(nèi)存分配參數(shù)、緩沖區(qū)分配參數(shù)（使用的緩沖區(qū)長度、個數(shù)）、存儲分配參數(shù)、數(shù)據(jù)庫的大小、時間片的大小、鎖的數(shù)目等，這些參數(shù)值影響存取時間和存儲空間的分配，在物理設(shè)計時要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境確定這些參數(shù)值，以使系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)。,49,7.6.2 評價物理結(jié)構(gòu) 和前面幾個設(shè)計階段一樣，在確定了數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)之后，要進行評價，重點是時間和空間的效率。 如果評價結(jié)果滿足設(shè)計要求，則可進行數(shù)據(jù)庫實施。 實際上，往往需要經(jīng)過反復(fù)測試才能優(yōu)化物理設(shè)計。,50,7.7 數(shù)據(jù)庫實施 數(shù)據(jù)庫實施是指根據(jù)邏輯設(shè)計和物理設(shè)計的結(jié)果，在計算機上建立起實際的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、裝入數(shù)據(jù)、進行測試和試運行的過程。 數(shù)據(jù)庫實施主要包括以下工作： 建立實際數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)； 裝入數(shù)據(jù)； 應(yīng)用程序編碼與調(diào)試； 數(shù)據(jù)庫試運行； 整理文檔。,51,7.7.1 建立實際數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu) DBMS提供的數(shù)據(jù)定義語言（DDL）可以定義數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)?？墒褂玫?章所講的SQL定義語句中的CREATE TABLE語句定義所需的基本表，使用CREATE VIEW語句定義視圖。 7.7.2 裝入數(shù)據(jù) 裝入數(shù)據(jù)又稱為數(shù)據(jù)庫加載（Loading），是數(shù)據(jù)庫實施階段的主要工作。在數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)建立好之后，就可以向數(shù)據(jù)庫中加載數(shù)據(jù)了。,52,由于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)量一般都很大，它們分散于一個企業(yè)（或組織）中各個部門的數(shù)據(jù)文件、報表或多種形式的單據(jù)中，它們存在著大量的重復(fù)，并且其格式和結(jié)構(gòu)一般都不符合數(shù)據(jù)庫的要求，必須把這些數(shù)據(jù)收集起來加以整理，去掉冗余并轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫所規(guī)定的格式，這樣處理之后才能裝入數(shù)據(jù)庫。因此，需要耗費大量的人力、物力，是一種非常單調(diào)乏味而又意義重大的工作。,53,由于應(yīng)用環(huán)境和數(shù)據(jù)來源的差異，所以不可能存在普遍通用的轉(zhuǎn)換規(guī)則，現(xiàn)有的DBMS并不提供通用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件來完成這一工作。 對于一般的小型系統(tǒng)，裝入數(shù)據(jù)量較少，可以采用人工方法來完成。 首先將需要裝入的數(shù)據(jù)從各個部門的數(shù)據(jù)文件中篩選出來，轉(zhuǎn)換成符合數(shù)據(jù)庫要求的數(shù)據(jù)格式， 然后輸入到計算機中， 最后進行數(shù)據(jù)校驗，檢查輸入的數(shù)據(jù)是否有誤。,54,但是，人工方法不僅效率低，而且容易產(chǎn)生差錯。對于數(shù)據(jù)量較大的系統(tǒng)，應(yīng)該由計算機來完成這一工作。通常是設(shè)計一個數(shù)據(jù)輸入子系統(tǒng)，其主要功能是從大量的原始數(shù)據(jù)文件中篩選、分類、綜合和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)庫所需的數(shù)據(jù)，把它們加工成數(shù)據(jù)庫所要求的結(jié)構(gòu)形式，最后裝入數(shù)據(jù)庫中，同時還要采用多種檢驗技術(shù)檢查輸入數(shù)據(jù)的正確性。 為了保證裝入數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的正確無誤，必須高度重視數(shù)據(jù)的校驗工作。在輸入子系統(tǒng)的設(shè)計中應(yīng)該考慮多種數(shù)據(jù)檢驗技術(shù)，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)使用不同的方法進行多次檢驗，確認正確后方可入庫。,55,如果在數(shù)據(jù)庫設(shè)計時，原來的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)仍在使用，則數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換工作是將原來老系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成新系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。同時還要轉(zhuǎn)換原來的應(yīng)用程序，使之能在新系統(tǒng)下有效地運行。 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、分類和綜合常常需要多次才能完成，因而輸入子系統(tǒng)的設(shè)計和實施是很復(fù)雜的，需要編寫許多應(yīng)用程序，由于這一工作需要耗費較多的時間，為了保證數(shù)據(jù)能夠及時入庫，應(yīng)該在數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計的同時編制數(shù)據(jù)輸入子系統(tǒng)，而不能等物理設(shè)計完成后才開始。,56,7.7.3 應(yīng)用程序編碼與調(diào)試 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序的設(shè)計屬于一般的程序設(shè)計范疇，但數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序有自己的一些特點。例如，大量使用屏幕顯示控制語句、形式多樣的輸出報表、重視數(shù)據(jù)的有效性和完整性檢查、有靈活的交互功能。 為了加快應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)速度，一般選擇第四代語言開發(fā)環(huán)境，利用自動生成技術(shù)和軟件復(fù)用技術(shù)，在程序設(shè)計編寫中往往采用工具（CASE）軟件來幫助編寫程序和文檔，如目前普遍使用的PowerBuilder、Delphi以及由北京航空航天大學(xué)研制的863/CMIS支持的數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具OpenTools等。,57,數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)建立好之后，就可以開始編制與調(diào)試數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序，這時由于數(shù)據(jù)入庫尚未完成，調(diào)試程序時可以先使用模擬數(shù)據(jù)。 7.7.4 數(shù)據(jù)庫試運行 應(yīng)用程序編寫完成，并有了一小部分數(shù)據(jù)裝入后，應(yīng)該按照系統(tǒng)支持的各種應(yīng)用分別試驗應(yīng)用程序在數(shù)據(jù)庫上的操作情況，這就是數(shù)據(jù)庫的試運行階段，或者稱為聯(lián)合調(diào)試階段。在這一階段要完成兩方面的工作。,58,(1) 功能測試。實際運行應(yīng)用程序，測試它們能否完成各種預(yù)定的功能。 (2) 性能測試。測量系統(tǒng)的性能指標，分析系統(tǒng)是否符合設(shè)計目標。 系統(tǒng)的試運行對于系統(tǒng)設(shè)計的性能檢驗和評價是很重要的，因為有些參數(shù)的最佳值只有在試運行后才能找到。如果測試的結(jié)果不符合設(shè)計目標，則應(yīng)返回到設(shè)計階段，重新修改設(shè)計和編寫程序，有時甚至需要返回到邏輯設(shè)計階段，調(diào)整邏輯結(jié)構(gòu)。,59,重新設(shè)計物理結(jié)構(gòu)甚至邏輯結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)重新入庫。由于數(shù)據(jù)裝入的工作量很大，所以可分期分批的組織數(shù)據(jù)裝入，先輸入小批量數(shù)據(jù)做調(diào)試用，待試運行基本合格后，再大批量輸入數(shù)據(jù)，逐步增加數(shù)據(jù)量，逐步完成運行評價。 數(shù)據(jù)庫的實施和調(diào)試不是幾天就能完成的，需要有一定的時間。在此期間由于系統(tǒng)還不穩(wěn)定，隨時可能發(fā)生硬件或軟件故障，加之數(shù)據(jù)庫剛剛建立，操作人員對系統(tǒng)還不熟悉，對其規(guī)律,60,缺乏了解，容易發(fā)生操作錯誤，這些故障和錯誤很可能破壞數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，這種破壞很可能在數(shù)據(jù)庫中引起連鎖反應(yīng)，破壞整個數(shù)據(jù)庫。 因此必須做好數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)儲和恢復(fù)工作，要求設(shè)計人員熟悉DBMS的轉(zhuǎn)儲和恢復(fù)功能，并根據(jù)調(diào)試方式和特點首先加以實施，盡量減少對數(shù)據(jù)庫的破壞，并簡化故障恢復(fù)。,61,7.7.5 整理文檔 在程序的編碼調(diào)試和試運行中，應(yīng)該將發(fā)現(xiàn)的問題和解決方法記錄下來，將它們整理存檔作為資料，供以后正式運行和改進時參考。 全部的調(diào)試工作完成之后，應(yīng)該編寫應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)說明書和使用說明書，在正式運行時隨系統(tǒng)一起交給用戶。 完整的文件資料是應(yīng)用系統(tǒng)的重要組成部分，但這一點常被忽視。必須強調(diào)這一工作的重要性，引起用戶與設(shè)計人員的充分注意。,62,7.8 數(shù)據(jù)庫運行和維護 數(shù)據(jù)庫試運行結(jié)果符合設(shè)計目標后，數(shù)據(jù)庫就投入正式運行，進入運行和維護階段。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)投入正式運行，標志著數(shù)據(jù)庫應(yīng)用開發(fā)工作的基本結(jié)束，但并不意味著設(shè)計過程己經(jīng)結(jié)束。 由于應(yīng)用環(huán)境不斷發(fā)生變化，用戶的需求和處理方法不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)庫在運行過程中的存儲結(jié)構(gòu)也會不斷變化，從而必須修改和擴充相應(yīng)的應(yīng)用程序。,63,數(shù)據(jù)庫運行和維護階段的主要任務(wù)包括以下三項內(nèi)容： (1) 維護數(shù)據(jù)庫的安全性與完整性； (2) 監(jiān)測并改善數(shù)據(jù)庫性能； (3) 重新組織和構(gòu)造數(shù)據(jù)庫。 7.8.1 維護數(shù)據(jù)庫的安全性與完整性 按照設(shè)計階段提供的安全規(guī)范和故障恢復(fù)規(guī)范，DBA要經(jīng)常檢查系統(tǒng)的安全是否受到侵犯，根據(jù)用戶的實際需要授予用戶不同的操作權(quán)限。,64,數(shù)據(jù)庫在運行過程中，由于應(yīng)用環(huán)境發(fā)生變化，對安全性的要求可能發(fā)生變化，DBA要根據(jù)實際情況及時調(diào)整相應(yīng)的授權(quán)和密碼，以保證數(shù)據(jù)庫的安全性。 同樣數(shù)據(jù)庫的完整性約束條件也可能會隨應(yīng)用環(huán)境的改變而改變，這時DBA也要對其進行調(diào)整，以滿足用戶的要求。 另外，為了確保系統(tǒng)在發(fā)生故障時，能夠及時地進行恢復(fù)，DBA要針對不同的應(yīng)用要求定制不同的轉(zhuǎn)儲計劃，定期對數(shù)據(jù)庫和日志文件進行備份，以使數(shù)據(jù)庫在發(fā)生故障后恢復(fù)到某種一致性狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)庫的完整性。,65,7.8.2 監(jiān)測并改善數(shù)據(jù)庫性能 目前許多DBMS產(chǎn)品都提供了監(jiān)測系統(tǒng)性能參數(shù)的工具，DBA可以利用系統(tǒng)提供的這些工具，經(jīng)常對數(shù)據(jù)庫的存儲空間狀況及響應(yīng)時間進行分析評價； 結(jié)合用戶的反應(yīng)情況確定改進措施；及時改正運行中發(fā)現(xiàn)的錯誤； 按用戶的要求對數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)有功能進行適當?shù)臄U充。 但要注意在增加新功能時應(yīng)保證原有功能和性能不受損害。,66,7.8.3 重新組織和構(gòu)造數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫建立后，除了數(shù)據(jù)本身是動態(tài)變化以外，隨著應(yīng)用環(huán)境的變化，數(shù)據(jù)庫本身也必須變化以適應(yīng)應(yīng)用要求。 數(shù)據(jù)庫運行一段時間后，由于記錄的不斷增加、刪除和修改，會改變數(shù)據(jù)庫的物理存儲結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)庫的物理特性受到破壞，從而降低數(shù)據(jù)庫存儲空間的利用率和數(shù)據(jù)的存取效率，使數(shù)據(jù)庫的性能下降。因此，需要對數(shù)據(jù)庫進行重新組織，即重新安排數(shù)據(jù)的存儲位置，回收垃圾，減少指針鏈，改進數(shù)據(jù)庫的響應(yīng)時間和空間利用率，提高系統(tǒng)性能。這與操作系統(tǒng)對“磁盤碎片”的處理的概念相類似。,67,數(shù)據(jù)庫的重組只是使數(shù)據(jù)庫的物理存儲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)不變，所以根據(jù)數(shù)據(jù)庫的三級模式，可以知道數(shù)據(jù)庫重組對系統(tǒng)功能沒有影響，只是為了提高系統(tǒng)的性能。 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用環(huán)境的變化可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，比如要增加新的實體，增加某些實體的屬性，這樣實體之間的聯(lián)系發(fā)生了變化，這樣使原有的數(shù)據(jù)庫設(shè)計不能滿足新的要求，必須對原來的數(shù)據(jù)庫重新構(gòu)造，適當調(diào)整數(shù)據(jù)庫的模式和內(nèi)模式，比如要增加新的數(shù)據(jù)項，增加或刪除索引，修改完整性約束條件等。,68,DBMS一般都提供了重新組織和構(gòu)造數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序，以幫助DBA完成數(shù)據(jù)庫的重組和重構(gòu)工作。 只要數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在運行，就需要不斷地進行修改、調(diào)整和維護。一旦應(yīng)用變化太大，數(shù)據(jù)庫重新組織也無濟于事，這就表明數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的生命周期結(jié)束，應(yīng)該建立新系統(tǒng)，重新設(shè)計數(shù)據(jù)庫。從頭開始數(shù)據(jù)庫設(shè)計工作，標志著一個新的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)生命周期的開始。,69,小 結(jié) 本章主要討論數(shù)據(jù)庫設(shè)計的方法和步驟，列舉了許多實例，詳細介紹了數(shù)據(jù)庫設(shè)計中規(guī)劃、需求分析、概念設(shè)計、邏輯設(shè)計、物理設(shè)計及運行與維護各階段的目標、方法和應(yīng)注意的事項。其中重點是概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計和邏輯結(jié)構(gòu)的設(shè)計，這也是數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程中最重要的兩個環(huán)節(jié)。 學(xué)習(xí)這一章，要努力掌握書中討論的基本方法，還要能在實際工作中運用這些思想，設(shè)計出符合應(yīng)用需求的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)。,70,