全國計算機等級考試四級復(fù)習(xí)綱要六

　　八、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計

　　1.數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計步驟
　　
　　按規(guī)范設(shè)計的方法可將數(shù)據(jù)庫設(shè)計分為以下六個階段

　�。�1）需求分析;

　�。�2）概念結(jié)構(gòu)設(shè)計;

　�。�3）邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計;
　　
　�。�4）數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計;
　　
　　（5）數(shù)據(jù)庫實施;

　�。�6）數(shù)據(jù)庫運行和維護(hù)。
　　
　　2.需求分析
　　
　　需求收集和分析是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的第一階段。明確地把它作為數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的第一步是十分重要的。這一階段收集到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和一組數(shù)據(jù)流圖（Data Flow Diaˉgram———DFD）是下一步設(shè)計概念結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。概念結(jié)構(gòu)對整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計具有深刻影響。而要設(shè)計好概念結(jié)構(gòu)，就必須在需求分析階段用系統(tǒng)的觀點來考慮問題、收集和分析數(shù)據(jù)及其處理。如何分析和表達(dá)用戶需求呢?在眾多的分析方法中，結(jié)構(gòu)化分析（Structured Analysis，簡稱SA方法）是一個簡單實用的方法。SA方法用自頂向下、逐層分解的方式分析系統(tǒng)。用數(shù)據(jù)流圖，數(shù)據(jù)字典描述系統(tǒng)。然后把一個處理功能的具體內(nèi)容分解為若干子功能，每個子功能繼續(xù)分解，直到把系統(tǒng)的工作過程表達(dá)清楚為止。在處理功能逐步分解的同時，它們所用的數(shù)據(jù)也逐級分解。形成若干層次的數(shù)據(jù)流圖。數(shù)據(jù)流圖表達(dá)了數(shù)據(jù)和處理過程的關(guān)系。處理過程的處理邏輯常常用判定表或判定樹來描述。數(shù)據(jù)字典（Data Dictionary，簡稱DD）則是對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的詳盡描述，是各類數(shù)據(jù)屬性的清單。對數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計來講，數(shù)據(jù)字典是進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析所獲得的主要結(jié)果。數(shù)據(jù)字典是各類數(shù)據(jù)描述的集合，它通常包括以下5個部分:
　　（1）數(shù)據(jù)項，是數(shù)據(jù)最小單位。

　�。�2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是若干數(shù)據(jù)項有意義的集合。

　　（3）數(shù)據(jù)流，可以是數(shù)據(jù)項，也可以是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。表示某一處理過程的輸入輸出。

　�。�4）數(shù)據(jù)存儲，處理過程中存取的數(shù)據(jù)。常常是手工憑證、手工文檔或計算機文件。

　　（5）處理過程。

　　3.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　如同軟件工程中重視需求分析與規(guī)范說明的思想一樣，數(shù)據(jù)庫設(shè)計中同樣十分重視數(shù)據(jù)分析、抽象與概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計。概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計，是整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計的關(guān)鍵之一。概念結(jié)構(gòu)獨立于數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)，獨立于支持?jǐn)?shù)據(jù)庫的DBMS，也獨立于具體計算機軟件和硬件系統(tǒng)。歸納總結(jié)，其主要特點是:

　　（1）能充分地反映現(xiàn)實世界，包括實體和實體之間的聯(lián)系，能滿足用戶對數(shù)據(jù)處理的要求，是現(xiàn)實世界的一個真實的模型，或接近真實的模型。

　�。�2）易于理解，從而可以和不熟悉計算機的用戶交換意見。用戶的積極參與是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計成功與否的關(guān)鍵。

　�。�3）易于更動。當(dāng)現(xiàn)實世界改變時容易修改和擴充，特別是軟件、硬件環(huán)境變化時更應(yīng)如此。

　�。�4）易于向關(guān)系、網(wǎng)狀或?qū)哟蔚雀鞣N數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換。概念結(jié)構(gòu)是各種數(shù)據(jù)模型的共同基礎(chǔ)，它比任意一種數(shù)據(jù)模型更獨立于機器，更抽象，從而更加穩(wěn)定。描述概念結(jié)構(gòu)的有力工具是E-R模型。P.P.S.Chen把用E-R模型定義的概念結(jié)構(gòu)稱為組織模式。設(shè)計概念結(jié)構(gòu)的策略有3種:

　�。�1）自頂向下 首先定義全局概念結(jié)構(gòu)的框架，然后逐步細(xì)化。

　�。�2）自底向上 首先定義各局部應(yīng)用的概念結(jié)構(gòu)，然后將它們集成，得到全局概念結(jié)構(gòu)。

　�。�3）混合策略 自頂向下和自底向上相結(jié)合的方法。用自頂向下策略設(shè)計一個全局概念結(jié)構(gòu)的框架，以它為骨架集成由自底向上策略中設(shè)計的各局部概念結(jié)構(gòu)�，F(xiàn)介紹自底向上設(shè)計概念結(jié)構(gòu)的策略。按照這種策略，概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計可按下面步驟進(jìn)行。

　�。�1）數(shù)據(jù)抽象與局部視圖設(shè)計

　　E-R模型是對現(xiàn)實世界的一種抽象。一般地講，所謂抽象是對實際的人、物、事和概念的人為處理。它抽取人們關(guān)心的共同特性，忽略非本質(zhì)的細(xì)節(jié)，并把這些特性用各種抽象的概念精確地加以描述。這些概念組成了現(xiàn)實世界的一種模型表示。有3種抽象方法形成了抽象機制，來對數(shù)據(jù)進(jìn)行組織:①分類（Classification） 定義某一概念作為現(xiàn)實世界中一組對象的類型。這些對象具有某些共同的特性和行為。它抽象了對象值和型之間的“is a member of”的語義。在E-R模型中，實體型就是這種抽象。②聚集（Aggregation） 定義某一類型的組成成分。它抽象了對象內(nèi)部屬性類型和整體與部分之間“is a part of”的語義。在E-R模型中若干屬性的聚集組成了實體型，就是這種抽象。③概括（Generalization） 定義類型之間的一種子集聯(lián)系。它抽象了類型之間的“is a subset of”的語義。概括具有一個很重要的性質(zhì):繼承性。子類繼承超類上定義的所有抽象性質(zhì)。當(dāng)然，子類可以增加自己的某些特殊屬性。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的第一步就是利用上面介紹的抽象機制對需求分析階段收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，形成實體、實體的屬性，標(biāo)識實體的碼，確定實體之間的聯(lián)系類型（1∶1，1∶n，n∶m），設(shè)計成部分E-R圖。

　�。�2）視圖的集成視圖集成就是把上一步得到的各個部分E-R圖綜合成一個總體的E-R圖。視圖集成可以有兩種方式:

　�、俣鄠�部分E-R圖一次集成。

　　②逐步集成。用累加的方式一次集成兩個部分E-R圖。無論哪種方式，每次集成可分兩步走。第一步是合并，解決各部分E-R圖之間的沖突問題，生成初步E-R圖。第二步是修改和重構(gòu)，消除不必要的冗余，生成基本E-R圖。

　　4.邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)就是把概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為選用的DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型的過程。設(shè)計邏輯結(jié)構(gòu)按理應(yīng)選擇對某個概念結(jié)構(gòu)最好的數(shù)據(jù)模型，然后對支持這種數(shù)據(jù)模型的各種DBMS進(jìn)行比較，選出最合適的DBMS。但實際情況常常是已給定了某臺機器，設(shè)計人員沒有選擇DBMS的余地�，F(xiàn)行的DBMS一般只支持關(guān)系、網(wǎng)狀或?qū)哟稳�種模型中的某一種，對某一種數(shù)據(jù)模型，各個機器系統(tǒng)又有許多不同的限制，提供不同的環(huán)境與工具。因而我們把設(shè)計過程分三步進(jìn)行。首先把概念結(jié)構(gòu)向一般的關(guān)系模型轉(zhuǎn)換，然后向特定的DBMS支持下的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)行模型的優(yōu)化。

　　（1）E-R圖向關(guān)系數(shù)據(jù)模型的轉(zhuǎn)換下面給出把E-R圖轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換規(guī)則。

　　①一個實體轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。實體的屬性就是關(guān)系的屬性，實體的碼就是關(guān)系的碼。

　�、谝粋�聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式，與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系的屬性轉(zhuǎn)換為關(guān)系的屬性。該關(guān)系的碼則有三種情況:若聯(lián)系為1∶1，則每個實體的碼均是該關(guān)系的候選碼。若聯(lián)系為1∶n，關(guān)系的碼為n端實體的碼。若聯(lián)系為n∶m，則關(guān)系的碼為諸實體碼的組合。具有相同碼的關(guān)系模式可合并。形成了一般的數(shù)據(jù)模型后，下一步就向特定的DBMS規(guī)定的模型轉(zhuǎn)換。設(shè)計人員必須熟知所用DBMS的功能及限制。這一步轉(zhuǎn)換是依賴于機器的，不能給出一個普遍的規(guī)則。轉(zhuǎn)化后的模型必須進(jìn)行優(yōu)化。對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化是指調(diào)整數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)，以提高數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的性能。性能有動態(tài)性能和靜態(tài)性能兩種。靜態(tài)性能分析容易實現(xiàn)。根據(jù)應(yīng)用要求，選出合適的模型是一項復(fù)雜的工作。
　　
　　（2）規(guī)范化理論的應(yīng)用規(guī)范化理論是數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計的指南和工具，具體地講可應(yīng)用在下面幾個具體的方面:第一，在數(shù)據(jù)分析階段用數(shù)據(jù)依賴的概念分析和表示各數(shù)據(jù)項之間的關(guān)系。第二，在設(shè)計概念結(jié)構(gòu)階段，用規(guī)范化理論為工具消除初步E-R圖中冗余的聯(lián)系。第三，由E-R圖向數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換過程中用模式分解的概念和算法指導(dǎo)設(shè)計�，F(xiàn)在，不管選用的DBMS是支持哪種數(shù)據(jù)模型的，均先把概念結(jié)構(gòu)向關(guān)系模型轉(zhuǎn)換。然后，充分運用規(guī)范化理論的成果優(yōu)化關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式的設(shè)計。

　　5.數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計

　　物理設(shè)計的內(nèi)容主要包括:

　�。�1）確定數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu) 從DBMS所提供的存儲結(jié)構(gòu)中選取一種合適的加以實現(xiàn)。確定存儲結(jié)構(gòu)的主要因素是存取時間、存儲空間利用率和維護(hù)代價三個方面。設(shè)計者常常要對這些因素進(jìn)行權(quán)衡。一般的DBMS也總是具有一定靈活性供你選擇。例如，若引入某些冗余數(shù)據(jù)，則可能減少物理I/O次數(shù)提高檢索效率。相反節(jié)約存儲空間檢索代價就會增加。當(dāng)然應(yīng)該盡量尋找優(yōu)化方法，使這三方面的性能都較好。折衷有時是必須的。

　　（2）存取路徑的選擇和調(diào)整 數(shù)據(jù)庫必須支持多個用戶的多種應(yīng)用，因而必須提供對數(shù)據(jù)庫的多個存取入口，也就是對同一數(shù)據(jù)存儲要提供多條存取路徑。物理設(shè)計的任務(wù)應(yīng)確定建立哪些存取路徑。設(shè)計者應(yīng)該進(jìn)行定量的分析，根據(jù)計算結(jié)果確定存取路徑。

　�。�3）確定數(shù)據(jù)存放位置 首先按數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況劃分為不同的組，然后確定存放位置。一般的應(yīng)把數(shù)據(jù)的易變部分和穩(wěn)定部分分開，把經(jīng)常存取和不常存取的數(shù)據(jù)分開。經(jīng)常存取或存取時間要求高的記錄應(yīng)存放在高速存儲器上，如硬盤。存取頻率小或存取時間要求低的放在低速存儲器上，如軟盤磁帶。對于同一數(shù)據(jù)文件也可根據(jù)情況進(jìn)行水平劃分或垂直劃分。

　�。�4）確定存儲分配 許多DBMS提供了存儲分配的參數(shù)供設(shè)計者物理優(yōu)化處理用。例如溢出空間的大小和分布參數(shù)，塊的長度，塊因子的大小，裝填因子，緩沖區(qū)的大小和個數(shù)等等，它們都要在物理設(shè)計中確定。這些參數(shù)的大小影響存取時間和存儲空間的分配。物理設(shè)計過程需要對時間、空間效率、維護(hù)代價和各種用戶要求進(jìn)行權(quán)衡，其結(jié)果可以產(chǎn)生多種方案。在實施數(shù)據(jù)庫前對這些方案進(jìn)行方案進(jìn)行細(xì)致的評價，以選擇一個較優(yōu)的方案是十分必要的。

　　6.數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的實施和維護(hù)

　　對數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計初步評價完成后就可建立數(shù)據(jù)庫了。數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)實施對應(yīng)于軟件工程的編碼、調(diào)試階段。設(shè)計人員運用DBMS提供的數(shù)據(jù)定義語言將邏輯設(shè)計和物理設(shè)計的結(jié)果嚴(yán)格地描述出來，成為DBMS可接受的源代碼。經(jīng)過調(diào)試產(chǎn)生目標(biāo)模式。然后組織數(shù)據(jù)入庫。組織數(shù)據(jù)入庫是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)實施階段最主要的工作。

　�。�1）數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的載入和應(yīng)用程序的開發(fā)由于數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)量一般都非常大，并且這些數(shù)據(jù)來源于一個組織的各個部門，分散在各種數(shù)據(jù)文件或原始憑證中。這些數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和格式一般也不符合數(shù)據(jù)庫的要求，還要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此組織數(shù)據(jù)入庫是一件耗費大量人力物力的工作。數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和組織對于小系統(tǒng)可以用人工方法完成。但是，人工轉(zhuǎn)換效率低、質(zhì)量差。一般來說，應(yīng)設(shè)計一個數(shù)據(jù)輸入子系統(tǒng)讓計算機完成這個工作。輸入子系統(tǒng)的主要功能是:原始數(shù)據(jù)的輸入、抽取、校驗、分類、轉(zhuǎn)換和綜合，最終把數(shù)據(jù)組織成符合數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的形式。然后把數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、分類和綜合常常要經(jīng)過多次才能完成，因而輸入子系統(tǒng)的設(shè)計和實施亦是比較復(fù)雜的，要編寫許多應(yīng)用程序。輸入子系統(tǒng)的設(shè)計不能等物理設(shè)計完成后才動手，應(yīng)該和數(shù)據(jù)庫設(shè)計工作并行開展。為了保證數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)正確無誤，必須高度重視數(shù)據(jù)的檢驗工作。在輸入子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程中應(yīng)該進(jìn)行多次檢驗，每次檢驗的方法亦不要相同。對于重要數(shù)據(jù)的校驗更應(yīng)該反復(fù)多次，確認(rèn)正確后方可入庫。數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用程序的設(shè)計應(yīng)該和數(shù)據(jù)庫模式設(shè)計并行。數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的實施階段的另一項工作便這是這些應(yīng)用程序的編碼、調(diào)試工作。有了裝載實際數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序，就建立了數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，可以試運行了。

　　（2）數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的試運行在完成上述工作之后，便可進(jìn)入數(shù)據(jù)庫的試運行階段，或者稱聯(lián)合調(diào)試階段。這階段的主要工作是:
　　
　�、賹嶋H運行應(yīng)用程序，執(zhí)行對數(shù)據(jù)庫的各種操作，測試應(yīng)用程序的功能。

　　②測量系統(tǒng)的性能指標(biāo)，分析是否符合設(shè)計目標(biāo)。雖然已在物理設(shè)計過程中進(jìn)行了性能預(yù)測，但是僅僅估價了時間和空間指標(biāo)，而且在性能估價的過程中作了許多簡化和假設(shè)，忽略了許多次要因素，因而估價是粗糙的并可能失真。必須在試運行階段進(jìn)行實際測量和評價。有些參數(shù)的最佳值往往是經(jīng)過運行調(diào)試后才找到的。如果實際結(jié)果不符合設(shè)計目標(biāo)，則需返回物理設(shè)計階段，調(diào)整物理結(jié)構(gòu)，修改參數(shù)。有時，也許還需要返回邏輯設(shè)計階段，調(diào)整邏輯結(jié)構(gòu)。最后還須指出兩點。

　　第一，上面已看到組織數(shù)據(jù)入庫是十分費事的，如果運行調(diào)試后又要修改數(shù)據(jù)庫設(shè)計則又要重新組織數(shù)據(jù)入庫。因此應(yīng)分批分期輸入數(shù)據(jù)，逐步完成運行評價。

　　第二，數(shù)據(jù)庫的實施和調(diào)試不是一朝一夕能完成的，在此期間軟硬件的錯誤隨時可能發(fā)生。加上數(shù)據(jù)庫剛剛建立，工作人員對系統(tǒng)還不熟悉，對其規(guī)律更缺乏深入了解，容易發(fā)生操作錯誤。因此必須做好數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)儲和恢復(fù)工作，這就要求設(shè)計人員了解DBMS的這個功能，并根據(jù)調(diào)試方式和特點首先實施，盡量減少對數(shù)據(jù)庫的破壞并簡化故障恢復(fù)。

　�。�3）數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的運行和維護(hù)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)投入運行標(biāo)志著開發(fā)任務(wù)的基本完成和維護(hù)工作的開始，但并不意味著設(shè)計過程結(jié)束。任何數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)只要它存在一天，它的設(shè)計就得不斷地進(jìn)行評價、調(diào)整、修改，甚至完全改革。因此數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的維護(hù)不僅是維護(hù)其正�；顒佣�且是設(shè)計工作的繼續(xù)和提高。維護(hù)階段的主要工作是:

　�、贁�(shù)據(jù)庫的安全性、完整性控制及系統(tǒng)的轉(zhuǎn)儲和恢復(fù);

　�、谛阅艿谋O(jiān)督、分析和改進(jìn);

　�、蹟�(shù)據(jù)庫的重組織和重構(gòu)造。下面簡單介紹數(shù)據(jù)庫的重組織和重構(gòu)造。數(shù)據(jù)庫運行一段時間后，由于記錄的不斷增、刪、改，會使數(shù)據(jù)庫的物理存儲變壞。例如，邏輯上屬于同一記錄型或同一關(guān)系的數(shù)據(jù)被分散到了不同的文件或文件的多個碎片上。從而降低了數(shù)據(jù)庫存儲空間的利用率和數(shù)據(jù)的存取效率，數(shù)據(jù)庫的性能下降。這時，DBA就要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的重組織，DBMS一般都提供重組織用的實用程序。在重組過程中，按原設(shè)計要求重新安排記錄的存儲位置，調(diào)整數(shù)據(jù)區(qū)和溢出區(qū)，回收“垃圾”，減少指針鏈等。數(shù)據(jù)庫的重組織不改變原設(shè)計的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)。而數(shù)據(jù)庫的重構(gòu)造則不同。部分修改原數(shù)據(jù)庫的模式或內(nèi)模式稱為數(shù)據(jù)庫的重構(gòu)造。由于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用環(huán)境的變化，數(shù)據(jù)庫重構(gòu)的程度是有限的。只能作部分的修改和調(diào)整。若應(yīng)用變化太大，重構(gòu)也無濟于事了，則表明數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)生命周期的結(jié)束，應(yīng)該重新設(shè)計數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)。新的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)新的生命周期開始了。

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