一、數(shù)據(jù)庫設(shè)計簡介

按照規(guī)范設(shè)計，將數(shù)據(jù)庫的設(shè)計過程分為六個階段：
A、系統(tǒng)需求分析階段
B、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段
C、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計階段
D、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計階段
E、數(shù)據(jù)庫實施階段
F、數(shù)據(jù)庫運行與維護階段
需求分析和概念結(jié)構(gòu)設(shè)計獨立于任何數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)需求分析

1、需求分析的任務(wù)

需求分析的任務(wù)：對現(xiàn)實世界要處理的對象進行詳細的調(diào)查，通過對原系統(tǒng)的了解，收集支持新系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并對其進行處理，在此基礎(chǔ)上確定新系統(tǒng)的功能。
A、調(diào)查分析用戶活動
B、收集和分析需求數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)邊界信息需求，處理需求，安全性和完整性需求
C、編寫系統(tǒng)分析報告

2、需求分析的方法

需求分析有兩種方法：自頂向下、自底向上
A、自頂向下
自頂向下方法從最上層的系統(tǒng)組織機構(gòu)入手，采用逐層分解的方式分析系統(tǒng)。
用數(shù)據(jù)流圖和數(shù)據(jù)字典描述系統(tǒng)
數(shù)據(jù)流圖：描述輸入數(shù)據(jù)到輸出數(shù)據(jù)的變換過程
數(shù)據(jù)流：由一組固定成分的數(shù)據(jù)組成，代表數(shù)據(jù)的流動方向
處理：描述了輸入數(shù)據(jù)到輸出數(shù)據(jù)的變換
文件：用于存儲數(shù)據(jù)
源或宿：存在于系統(tǒng)之外的人員或組織，表示系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)的來源和輸出數(shù)據(jù)的去向
B、自底向上

3、實例

教學(xué)管理系統(tǒng)
基本需求：
某學(xué)校設(shè)計學(xué)校教學(xué)管理系統(tǒng)，學(xué)生實體包括學(xué)號、姓名、性別、生日、民族、籍貫、簡歷、入學(xué)日期，每名學(xué)生選擇一個主修專業(yè)，專業(yè)包括專業(yè)編號、名稱、類別，一個專業(yè)屬于一個學(xué)院，一個學(xué)院可以有多個專業(yè)。學(xué)院信息要存儲學(xué)院號、學(xué)院名、院長。教學(xué)管理要管理課程表、學(xué)生成績表。課程包括課程號、課程名、學(xué)分，每門課程由一個學(xué)院開設(shè)。學(xué)生選修的每門課程獲得一個成績。

三、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介

概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)是設(shè)計數(shù)據(jù)庫的E-R模型圖，確認(rèn)需求信息的正確和完整。具體來說就是從需求分析中找到實體，確認(rèn)實體的屬性、確認(rèn)實體的關(guān)系，畫出ER圖。

2、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計的步驟

第一步，數(shù)據(jù)抽象與局部E-R模型設(shè)計
A、數(shù)據(jù)抽象
在多層數(shù)據(jù)流中選擇一個適當(dāng)層次作為設(shè)計E-R圖的出發(fā)點。
確定每個局部應(yīng)用包含哪些實體，實體包含哪些屬性，實體之間的聯(lián)系
劃分實體和屬性的方法
分類：將一組具有某些共同特性和行為的對象抽象為一個實體。
聚合：將對象類型的組成成分抽象為屬性。
B、局部E-R模型設(shè)計
局部E-R模型設(shè)計的原則是屬性必須是不可分的數(shù)據(jù)項，不能再由放棄其他屬性組成；屬性不能與其他實體具有聯(lián)系，聯(lián)系只能發(fā)生在實體之間。
為簡化E-R圖，凡是能作為屬性對待的，盡量作為屬性。
第二步，全局E-R模型設(shè)計
集成各局部E-R模型，形成全局模型。視圖集成的方法有兩種：
A、多元集成法：一次性將多個局部E-R圖合并為一個全局E-R圖。
B、二元集成法：首先集成兩個重要的局部E-R圖，然后用累加的方法逐步將一個新的E-R圖集成進來。
合并：
合并局部E-R圖，消除沖突，初步生成E-R圖。合并的關(guān)鍵是合理消除各局部E-R圖的沖突。
沖突分類如下：

優(yōu)化：
消除初步E-R圖中不必要的冗余，生成基本的E-R圖。
冗余數(shù)據(jù)：可由基本的數(shù)據(jù)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)。
冗余聯(lián)系：可由基本的聯(lián)系導(dǎo)出的聯(lián)系。

3、實例

教學(xué)管理系統(tǒng)的E-R圖
實體：學(xué)生、專業(yè)、學(xué)院、課程
實體表要記錄的屬性：
學(xué)生（學(xué)號、姓名、性別、生日、籍貫、民族、簡歷、入學(xué)日期）

專業(yè)（專業(yè)號、專業(yè)名稱、類別）
學(xué)院（學(xué)院號、學(xué)院名稱、院長）
課程（課程號、課程名稱、學(xué)分）

教學(xué)管理ER圖：

四、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介

邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)是將概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段完成的實體模型轉(zhuǎn)換成特定的DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型的過程。邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是將E-R圖中的實體、屬性和聯(lián)系轉(zhuǎn)換成為關(guān)系模式。

2、初始關(guān)系模型設(shè)計

（1）實體間關(guān)系轉(zhuǎn)換遵循的原則：
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，實體的鍵就是關(guān)系的鍵。
一個聯(lián)系轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式，與該聯(lián)系相連的各實體的鍵以及聯(lián)系的屬性均轉(zhuǎn)換為該關(guān)系的屬性。
聯(lián)系關(guān)系的鍵有三種情況：
如果聯(lián)系為1:1，則每個實體的鍵都是關(guān)系的候選鍵
如果聯(lián)系為1：n，zen端實體的見識關(guān)系的鍵
如果聯(lián)系為n:m，則各實體的鍵的組合是關(guān)系的鍵
特殊情況：多元聯(lián)系
多元聯(lián)系在轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式時，與該多元聯(lián)系相連的各實體的主鍵及聯(lián)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關(guān)系的屬性，轉(zhuǎn)換后所得到的的關(guān)系的主鍵為各實體鍵的組合
（2）實體間關(guān)系的轉(zhuǎn)換規(guī)則：
A、一個1:1關(guān)系可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式，也可以與任意一端所對應(yīng)的關(guān)系模式合并。

原實體對應(yīng)關(guān)系模式分別為：
班級（班號，專業(yè)，人數(shù)）
班長（學(xué)號，姓名，專長）
將關(guān)系“管理”合并到實體“班級”對應(yīng)的模式后為：
班級（班號，專業(yè)，人數(shù)，班長學(xué)號）
班長（學(xué)號，姓名，專長）
關(guān)系“管理”也可以合并到實體“班長”對應(yīng)的模式，將關(guān)系“管理”合并到實體“班級”對應(yīng)的模式后為：
班級（班號，專業(yè)，人數(shù)）
班長（學(xué)號，姓名，專長，班號）
B、一個1:n關(guān)系可以轉(zhuǎn)換為一個獨立的關(guān)系模式，也可以與n端所對應(yīng)的關(guān)系模式合并。

實體對應(yīng)的關(guān)系模式
系（系號，系名，系主任，電話）
教師（教師號，姓名，專業(yè)，職稱，性別，年齡）
關(guān)系對應(yīng)的關(guān)系模式
管理（教師號，系號）
合并到實體“教師”后（只能合并到“多”的一端的關(guān)系模型）：
教師（教師號，姓名，專業(yè)，職稱，性別，年齡，系號）
C、一個m:n關(guān)系轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。轉(zhuǎn)換的方法為：與該關(guān)系相連的各實體的碼以及關(guān)系本身的屬性均轉(zhuǎn)換為關(guān)系的屬性，新關(guān)系的碼為兩個相連實體碼的組合。
關(guān)系只能轉(zhuǎn)換為獨立模式，模式的屬性由關(guān)系本身的屬性及兩個實體的鍵構(gòu)成；主鍵由兩端實體的鍵組合而成。

課程（課程號，課程名，學(xué)時，類別） 實體表
學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，專業(yè)，出生日期，照片） 實體表
選修（學(xué)號，課程號，分?jǐn)?shù)） 關(guān)系表
D、三個或三個以上實體間的多元關(guān)系轉(zhuǎn)換為一個關(guān)系模式。
關(guān)系的屬性：與該多元關(guān)系相連的各實體的碼以及關(guān)系本身的屬性
關(guān)系的碼：各實體碼的組合
“講授”關(guān)系是一個三元關(guān)系，可以轉(zhuǎn)換為如下關(guān)系模式，其中課程號、職工號和書號為關(guān)系的組合碼：
　　講授（課程號，職工號，書號）

3、關(guān)系模式規(guī)范化

應(yīng)用數(shù)據(jù)庫設(shè)計的范式理論對初始關(guān)系模型進行優(yōu)化。數(shù)據(jù)庫設(shè)計的三大范式如下：
第一范式 每一個分類必須是一個不可分的數(shù)據(jù)項。屬性不可再分，確保每列的原子性。
第二范式 要求每個表只描述一件事情，每條記錄有唯一標(biāo)識列。
第三范式 數(shù)據(jù)庫表中不包含已在其它表中已包含的非主關(guān)鍵字信息。
關(guān)系模式的規(guī)范化過程如下：
A、確定范式級別
考察關(guān)系模式的函數(shù)依賴關(guān)系，確定范式等級。
B、實施規(guī)范化處理
利用規(guī)范化方法和理論將關(guān)系模式規(guī)范化。
C、模式改進
合并：
將用于關(guān)聯(lián)查詢的具有相同主鍵的各表合并可提高查詢效率
分解：
水平分解，將關(guān)系的元組分為若干子集，提高查詢效率；垂直分解，把關(guān)系中經(jīng)常一起使用的屬性分解出來，形成一個子關(guān)系，提高執(zhí)行效率。分解時要保持無損連接和函數(shù)依賴。

4、實例

教學(xué)管理系統(tǒng)
由ER模型轉(zhuǎn)化為的關(guān)系模型：
學(xué)生（學(xué)號、姓名、性別、生日、籍貫、民族、入學(xué)日期、專業(yè)號）實體表
專業(yè)（專業(yè)號、專業(yè)名稱、類別、學(xué)院號）實體表
學(xué)院（學(xué)院號、學(xué)院名稱、院長）實體表
課程（課程號、課程名稱、學(xué)分、學(xué)院號）實體表
成績表（學(xué)號、課程號、成績）關(guān)系表
在轉(zhuǎn)換為關(guān)系模型時，一對多的聯(lián)系都在相應(yīng)的多方實體的關(guān)系中增加一個外鍵。
需求的增加：
如果教學(xué)管理系統(tǒng)還要管理教師教學(xué)安排，教師包括編號、姓名、年齡、職稱，一個教師只能屬于一個學(xué)院，一名教師可以上若干門課程，一門課程可以有多名老師來上，每個教師所上的每門課都有一個課堂號和課時數(shù)。
教師實體的ER圖：

教學(xué)管理系統(tǒng)ER圖：

關(guān)系表 多對多
成績表 （學(xué)號，課程號，成績，時間，地點）

五、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介

物理結(jié)構(gòu)設(shè)計：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)。數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計分為兩步：
A、確定物理結(jié)構(gòu)：存取方法和存儲結(jié)構(gòu)
B、評價物理結(jié)構(gòu)：評價重點是時間和空間效率
根據(jù)具體的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所提供的多種存儲結(jié)構(gòu)和存取方法等依賴于具體計算機結(jié)構(gòu)的各項物理設(shè)計措施，對具體的應(yīng)用任務(wù)選定最合適的物理存儲結(jié)構(gòu)(數(shù)據(jù)類型 索引 主鍵)。

2、確定物理結(jié)構(gòu)

（1）存儲結(jié)構(gòu)的設(shè)計
物理結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)的基本存取單位是存儲記錄。
某一類型的所有存儲記錄的集合稱為文件。
確定數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)時要綜合考慮存取時間、存儲空間利用率和維護代價三方面的因素。例如消除一切冗余數(shù)據(jù)雖然能夠節(jié)約存儲空間，但往往會導(dǎo)致檢索代價的增加，因此必須進行權(quán)衡，選擇一個折中方案。
（2）數(shù)據(jù)存取路徑的設(shè)計
在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，選擇存取路徑主要是指確定如何建立索引。例如，應(yīng)把哪些域作為次碼建立次索引，建立單碼索引還是組合索引，建立多少個為合適，是否建立聚集索引等。
（3）數(shù)據(jù)存放位置的設(shè)計
為了提高性能，可將數(shù)據(jù)的易變部分、穩(wěn)定部分、經(jīng)常存取部分和存儲頻率較低部分分開存放。
（4）系統(tǒng)配置的設(shè)計
DBMS產(chǎn)品一般都提供了一些存儲分配參數(shù)，供設(shè)計人員和DBA對數(shù)據(jù)庫進行物理優(yōu)化。初始情況下，系統(tǒng)都為這些變量賦予了合理的缺省值，但是這些值不一定適合每一種應(yīng)用環(huán)境，在進行物理設(shè)計時，需要重新對這些變量賦值以改善系統(tǒng)的性能。

3、評價物理結(jié)構(gòu)

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)果可以產(chǎn)生多種方案，數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員必須對方案進行細致的評價，從中選擇一個較優(yōu)的方案作為數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)。
評價物理數(shù)據(jù)庫的方法完全依賴于所選用的DBMS，主要是從定量估算各種方案的存儲空間、存取時間和維護代價入手，對估算結(jié)果進行權(quán)衡、比較，選擇出一個較優(yōu)的合理的物理結(jié)構(gòu)。

4、實例

教學(xué)管理系統(tǒng)
表1-1 學(xué)院

表1-2 專業(yè)

表1-3 學(xué)生

表1-4 課程

表1-5 成績單

六、數(shù)據(jù)庫實施

1、數(shù)據(jù)庫實施的過程

數(shù)據(jù)庫實施：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。

2、實例

學(xué)生表：

課程表：

專業(yè)表：

學(xué)院表：

成績表：

七、數(shù)據(jù)庫運行與維護

數(shù)據(jù)庫運行與維護的主要任務(wù)包括：
A、維護數(shù)據(jù)庫的安全性與完整性
B、監(jiān)測并改善數(shù)據(jù)庫性能
C、重新組織和構(gòu)造數(shù)據(jù)庫
只有數(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。