八、數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)的設計

　　1.數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)的設計步驟

　　按規(guī)范設計的方法可將數(shù)據(jù)庫設計分為以下六個階段

　　(1)需求分析;

　　(2)概念結構設計;

　　(3)邏輯結構設計;

　　(4)數(shù)據(jù)庫物理設計;

　　(5)數(shù)據(jù)庫實施;

　　(6)數(shù)據(jù)庫運行和維護。

　　2.需求分析

　　需求收集和分析是數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)設計的第一階段。明確地把它作為數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)設計的第一步是十分重要的。這一階段收集到的基礎數(shù)據(jù)和一組數(shù)據(jù)流圖(Data Flow Diaˉgram———DFD)是下一步設計概念結構的基礎。概念結構對整個數(shù)據(jù)庫設計具有深刻影響。而要設計好概念結構，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。如何分析和表達用戶需求呢?在眾多的分析方法中，結構化分析(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)流圖表達了數(shù)據(jù)和處理過程的關系。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)庫應用系統(tǒng)設計來講，數(shù)據(jù)字典是進行詳細的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)分析所獲得的主要結果。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)結構，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)結構。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.概念結構設計

　　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)庫設計中同樣十分重視數(shù)據(jù)分析、抽象與概念結構的設計。概念結構的設計，是整個數(shù)據(jù)庫設計的關鍵之一。概念結構獨立于數(shù)據(jù)庫邏輯結構，獨立于支持數(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，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)庫應用系統(tǒng)設計成功與否的關鍵。

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

　　(4)易于向關系、網(wǎng)狀或層次等各種數(shù)據(jù)模型轉換。概念結構是各種數(shù)據(jù)模型的共同基礎，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。描述概念結構的有力工具是E-R模型。P.P.S.Chen把用E-R模型定義的概念結構稱為組織模式。設計概念結構的策略有3種:

　　(1)自頂向下 首先定義全局概念結構的框架，然后逐步細化。

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

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

　　(1)數(shù)據(jù)抽象與局部視圖設計

　　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。它抽取人們關心的共同特性，忽略非本質的細節(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:繼承性。子類繼承超類上定義的所有抽象性質。當然，子類可以增加自己的某些特殊屬性。概念結構設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)進行組織，形成實體、實體的屬性，標識實體的碼，確定實體之間的聯(lián)系類型(1∶1，1∶n，n∶m)，設計成部分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:①多個部分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，消除不必要的冗余，生成基本E-R圖。

　　4.邏輯結構設計

　　邏輯結構設計的任務就是把概念結構轉換為選用的DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型的過程。設計邏輯結構按理應選擇對某個概念結構最好的數(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，設計人員沒有選擇DBMS的余地�，F(xiàn)行的DBMS一般只支持關系、網(wǎng)狀或層次三種模型中的某一種，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。因而我們把設計過程分三步進行。首先把概念結構向一般的關系模型轉換，然后向特定的DBMS支持下的數(shù)據(jù)模型轉換，最后進行模型的優(yōu)化。

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

　�、僖粋�實體轉換為一個關系模式。實體的屬性就是關系的屬性，實體的碼就是關系的碼。

　　②一個聯(lián)系轉換為一個關系模式，與該聯(lián)系相連的各實體的碼以及聯(lián)系的屬性轉換為關系的屬性。該關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系的候選碼。若聯(lián)系為1∶n，關系的碼為n端實體的碼。若聯(lián)系為n∶m，則關系的碼為諸實體碼的組合。具有相同碼的關系模式可合并。形成了一般的數(shù)據(jù)模型后，下一步就向特定的DBMS規(guī)定的模型轉換。設計人員必須熟知所用DBMS的功能及限制。這一步轉換是依賴于機器的，不能給出一個普遍的規(guī)則。轉化后的模型必須進行優(yōu)化。對數(shù)據(jù)模型進行優(yōu)化是指調(diào)整數(shù)據(jù)模型的結構，以提高數(shù)據(jù)庫應用系統(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)應用要求，選出合適的模型是一項復雜的工作。

　　(2)規(guī)范化理論的應用規(guī)范化理論是數(shù)據(jù)庫邏輯設計的指南和工具，具體地講可應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)項之間的關系。

　　第二，在設計概念結構階段，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)模型轉換過程中用模式分解的概念和算法指導設計�，F(xiàn)在，不管選用的DBMS是支持哪種數(shù)據(jù)模型的，均先把概念結構向關系模型轉換。然后，充分運用規(guī)范化理論的成果優(yōu)化關系數(shù)據(jù)庫模式的設計。