全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試四級(jí)復(fù)習(xí)綱要六

　　八、數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　1.數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟
　　
　　按規(guī)范設(shè)計(jì)的方法可將數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)分為以下六個(gè)階段

　�。�1）需求分析;

　�。�2）概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);
　　
　�。�3）邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);

　�。�4）數(shù)據(jù)庫(kù)物理設(shè)計(jì);

　�。�5）數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)施;

　�。�6）數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行和維護(hù)。

　　2.需求分析

　　需求收集和分析是數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一階段。明確地把它作為數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)概念結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。概念結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)具有深刻影響。而要設(shè)計(jì)好概念結(jié)構(gòu)，就必須在需求分析階段用系統(tǒng)的觀點(diǎn)來(lái)考慮問(wèn)題、收集和分析數(shù)據(jù)及其處理。如何分析和表達(dá)用戶(hù)需求呢?在眾多的分析方法中，結(jié)構(gòu)化分析（Structured Analysis，簡(jiǎn)稱(chēng)SA方法）是一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)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(gè)處理功能的具體內(nèi)容分解為若干子功能，每個(gè)子功能繼續(xù)分解，直到把系統(tǒng)的工作過(guò)程表達(dá)清楚為止。在處理功能逐步分解的同時(shí)，它們所用的數(shù)據(jù)也逐級(jí)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(guò)程的關(guān)系。處理過(guò)程的處理邏輯常常用判定表或判定樹(shù)來(lái)描述。數(shù)據(jù)字典（Data Dictionary，簡(jiǎn)稱(chēng)DD）則是對(duì)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的詳盡描述，是各類(lèi)數(shù)據(jù)屬性的清單。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)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(lèi)數(shù)據(jù)描述的集合，它通常包括以下5個(gè)部分:

　�。�1）數(shù)據(jù)項(xiàng)，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(xiàng)有意義的集合。

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

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

　�。�5）處理過(guò)程。
　　
　　3.概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　
　　如同軟件工程中重視需求分析與規(guī)范說(shuō)明的思想一樣，數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)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(jì)。概念結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。概念結(jié)構(gòu)獨(dú)立于數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯結(jié)構(gòu)，獨(dú)立于支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的DBMS，也獨(dú)立于具體計(jì)算機(jī)軟件和硬件系統(tǒng)。歸納總結(jié)，其主要特點(diǎn)是:
　　
　�。�1）能充分地反映現(xiàn)實(shí)世界，包括實(shí)體和實(shí)體之間的聯(lián)系，能滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)處理的要求，是現(xiàn)實(shí)世界的一個(gè)真實(shí)的模型，或接近真實(shí)的模型。

　　（2）易于理解，從而可以和不熟悉計(jì)算機(jī)的用戶(hù)交換意見(jiàn)。用戶(hù)的積極參與是數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。

　�。�3）易于更動(dòng)。當(dāng)現(xiàn)實(shí)世界改變時(shí)容易修改和擴(kuò)充，特別是軟件、硬件環(huán)境變化時(shí)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(dú)立于機(jī)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(chēng)為組織模式。設(shè)計(jì)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(jì)一個(gè)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(jì)的各局部概念結(jié)構(gòu)�，F(xiàn)介紹自底向上設(shè)計(jì)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(jì)可按下面步驟進(jìn)行。

　�。�1）數(shù)據(jù)抽象與局部視圖設(shè)計(jì)

　　E-R模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的一種抽象。一般地講，所謂抽象是對(duì)實(shí)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(shí)世界的一種模型表示。有3種抽象方法形成了抽象機(jī)制，來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織:①分類(lèi)（Classification） 定義某一概念作為現(xiàn)實(shí)世界中一組對(duì)象的類(lèi)型。這些對(duì)象具有某些共同的特性和行為。它抽象了對(duì)象值和型之間的“is a member of”的語(yǔ)義。在E-R模型中，實(shí)體型就是這種抽象。②聚集（Aggregation） 定義某一類(lèi)型的組成成分。它抽象了對(duì)象內(nèi)部屬性類(lèi)型和整體與部分之間“is a part of”的語(yǔ)義。在E-R模型中若干屬性的聚集組成了實(shí)體型，就是這種抽象。③概括（Generalization） 定義類(lèi)型之間的一種子集聯(lián)系。它抽象了類(lèi)型之間的“is a subset of”的語(yǔ)義。概括具有一個(gè)很重要的性質(zhì):繼承性。子類(lèi)繼承超類(lèi)上定義的所有抽象性質(zhì)。當(dāng)然，子類(lèi)可以增加自己的某些特殊屬性。概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一步就是利用上面介紹的抽象機(jī)制對(duì)需求分析階段收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，形成實(shí)體、實(shí)體的屬性，標(biāo)識(shí)實(shí)體的碼，確定實(shí)體之間的聯(lián)系類(lèi)型（1∶1，1∶n，n∶m），設(shè)計(jì)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(gè)部分E-R圖綜合成一個(gè)總體的E-R圖。視圖集成可以有兩種方式:①多個(gè)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(gè)部分E-R圖。無(wú)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(wèn)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(jì)

　　邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)程。設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)按理應(yīng)選擇對(duì)某個(gè)概念結(jié)構(gòu)最好的數(shù)據(jù)模型，然后對(duì)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(shí)際情況常常是已給定了某臺(tái)機(jī)器，設(shè)計(jì)人員沒(méi)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(duì)某一種數(shù)據(jù)模型，各個(gè)機(jī)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(jì)過(guò)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(gè)實(shí)體轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系模式。實(shí)體的屬性就是關(guān)系的屬性，實(shí)體的碼就是關(guān)系的碼。

　�、谝粋�(gè)聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個(gè)關(guān)系模式，與該聯(lián)系相連的各實(shí)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(gè)實(shí)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(shí)體的碼。若聯(lián)系為n∶m，則關(guān)系的碼為諸實(shí)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(jì)人員必須熟知所用DBMS的功能及限制。這一步轉(zhuǎn)換是依賴(lài)于機(jī)器的，不能給出一個(gè)普遍的規(guī)則。轉(zhuǎn)化后的模型必須進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)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(kù)應(yīng)用系統(tǒng)的性能。性能有動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能兩種。靜態(tài)性能分析容易實(shí)現(xiàn)。根據(jù)應(yīng)用要求，選出合適的模型是一項(xiàng)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(kù)邏輯設(shè)計(jì)的指南和工具，具體地講可應(yīng)用在下面幾個(gè)具體的方面:

　　第一，在數(shù)據(jù)分析階段用數(shù)據(jù)依賴(lài)的概念分析和表示各數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的關(guān)系。

　　第二，在設(shè)計(jì)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(guò)程中用模式分解的概念和算法指導(dǎo)設(shè)計(jì)�，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(yùn)用規(guī)范化理論的成果優(yōu)化關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式的設(shè)計(jì)。

　　5.數(shù)據(jù)庫(kù)的物理設(shè)計(jì)

　　物理設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括:

　�。�1）確定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 從DBMS所提供的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中選取一種合適的加以實(shí)現(xiàn)。確定存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的主要因素是存取時(shí)間、存儲(chǔ)空間利用率和維護(hù)代價(jià)三個(gè)方面。設(shè)計(jì)者常常要對(duì)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(chǔ)空間檢索代價(jià)就會(huì)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(shí)是必須的。
　　
　　（2）存取路徑的選擇和調(diào)整 數(shù)據(jù)庫(kù)必須支持多個(gè)用戶(hù)的多種應(yīng)用，因而必須提供對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的多個(gè)存取入口，也就是對(duì)同一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要提供多條存取路徑。物理設(shè)計(jì)的任務(wù)應(yīng)確定建立哪些存取路徑。設(shè)計(jì)者應(yīng)該進(jìn)行定量的分析，根據(jù)計(jì)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(kāi)，把經(jīng)常存取和不常存取的數(shù)據(jù)分開(kāi)。經(jīng)常存取或存取時(shí)間要求高的記錄應(yīng)存放在高速存儲(chǔ)器上，如硬盤(pán)。存取頻率小或存取時(shí)間要求低的放在低速存儲(chǔ)器上，如軟盤(pán)磁帶。對(duì)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(chǔ)分配 許多DBMS提供了存儲(chǔ)分配的參數(shù)供設(shè)計(jì)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(zhǎng)度，塊因子的大小，裝填因子，緩沖區(qū)的大小和個(gè)數(shù)等等，它們都要在物理設(shè)計(jì)中確定。這些參數(shù)的大小影響存取時(shí)間和存儲(chǔ)空間的分配。物理設(shè)計(jì)過(guò)程需要對(duì)時(shí)間、空間效率、維護(hù)代價(jià)和各種用戶(hù)要求進(jìn)行權(quán)衡，其結(jié)果可以產(chǎn)生多種方案。在實(shí)施數(shù)據(jù)庫(kù)前對(duì)這些方案進(jìn)行方案進(jìn)行細(xì)致的評(píng)價(jià)，以選擇一個(gè)較優(yōu)的方案是十分必要的。

　　6.數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)施和維護(hù)

　　對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的物理設(shè)計(jì)初步評(píng)價(jià)完成后就可建立數(shù)據(jù)庫(kù)了。數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)施對(duì)應(yīng)于軟件工程的編碼、調(diào)試階段。設(shè)計(jì)人員運(yùn)用DBMS提供的數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言將邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)的結(jié)果嚴(yán)格地描述出來(lái)，成為DBMS可接受的源代碼。經(jīng)過(guò)調(diào)試產(chǎn)生目標(biāo)模式。然后組織數(shù)據(jù)入庫(kù)。組織數(shù)據(jù)入庫(kù)是數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)施階段最主要的工作。

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