數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的六階段：數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)過程

6.1　數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的六階段

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)，是信息系統(tǒng)開發(fā)和建設(shè)中的核心技術(shù)。具體說，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是指對(duì)于一個(gè)給定的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)造最優(yōu)的數(shù)據(jù)庫模式，建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)，使之能夠有效地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，滿足各種用戶的應(yīng)用需求（信息要求和處理要求）。這個(gè)問題是數(shù)據(jù)庫在應(yīng)用領(lǐng)域的主要研究課題。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)既是一項(xiàng)涉及多學(xué)科的綜合性技術(shù)，又是一項(xiàng)龐大的工程項(xiàng)目。有人講"三分技術(shù)，七分管理，十二分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)"是數(shù)據(jù)庫建設(shè)的基本規(guī)律，這是有一定道理的。技術(shù)與管理的界面（稱之為"干件"）十分重要。數(shù)據(jù)庫建設(shè)是硬件、軟件和干件的結(jié)合。這是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)應(yīng)該和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合，也就是說，整個(gè)設(shè)計(jì)過程中要把結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)）設(shè)計(jì)和行為（處理）設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來。這是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之二。

6.1.1　數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)過程

按照規(guī)范的設(shè)計(jì)方法，一個(gè)完整的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)一般分為以下六個(gè)階段：

⑴　需求分析：分析用戶的需求，包括數(shù)據(jù)、功能和性能需求；

⑵　概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：主要采用E-R模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括畫E-R圖；

⑶　邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：通過將E-R圖轉(zhuǎn)換成表，實(shí)現(xiàn)從E-R模型到關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換；

⑷　數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計(jì)：主要是為所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫選擇合適的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和存取路徑；

⑸　數(shù)據(jù)庫的實(shí)施：包括編程、測(cè)試和試運(yùn)行；

⑹　數(shù)據(jù)庫運(yùn)行與維護(hù)：系統(tǒng)的運(yùn)行與數(shù)據(jù)庫的日常維護(hù)。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的這六個(gè)階段，用圖6-1-1表示如下：

圖6-1-1：數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)過程

對(duì)于圖6-1-1，需要說明的是：

⑴　概念結(jié)構(gòu)是獨(dú)立于任何一種數(shù)據(jù)模型的信息結(jié)構(gòu)。邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是把概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)好的基本E-R圖轉(zhuǎn)換為與選用的DBMS產(chǎn)品所支持的數(shù)據(jù)模型相符合的邏輯結(jié)構(gòu)。從理論上講，設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)應(yīng)該選擇最適宜于相應(yīng)概念結(jié)構(gòu)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，從中選出最合適的DBMS。但實(shí)際情況往往是已經(jīng)給定了某種DBMS，設(shè)計(jì)人員沒有其他的選擇余地。目前DBMS產(chǎn)品一般支持關(guān)系、網(wǎng)狀、層次三種模型中的一種，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。所以設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)時(shí)一般要分三步進(jìn)行：

①　將概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為一般的關(guān)系、網(wǎng)狀、層次模型；

②　將轉(zhuǎn)換的關(guān)系、網(wǎng)狀、層次模型向特定的DBMS支持下的數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換；

③　對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化；

⑵　在數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，要對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化。因?yàn)閿?shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計(jì)的結(jié)果不是唯一的。為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的性能，還應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用需要適當(dāng)?shù)匦薷?、調(diào)整數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)，這就是數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化。關(guān)系數(shù)據(jù)模型的優(yōu)化通常以規(guī)范化理論為指導(dǎo)，優(yōu)化時(shí)可采用在第五章"完整性約束與模式分解"的5.8.3小節(jié)中介紹的模式分解方法對(duì)關(guān)系模式進(jìn)行規(guī)范化。如果在優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)有諸多問題，則需要返回到上一層修改或重新進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

⑶　其實(shí)將概念模型轉(zhuǎn)換為全局邏輯模型之后，還應(yīng)該根據(jù)局部應(yīng)用的需求，結(jié)合具體DBMS的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)用戶的外模式，這一點(diǎn)在圖6-1-1中沒有體現(xiàn)。目前關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一般都提供了視圖的概念，可以利用視圖來設(shè)計(jì)更符合局部用戶需要的用戶外模式。定義數(shù)據(jù)庫全局模式主要是從系統(tǒng)的時(shí)間效率、空間效率、易維護(hù)等角度出發(fā)。由于用戶外模式與模式是相對(duì)獨(dú)立的，因此在定義用戶外模式時(shí)可以注重考慮用戶的習(xí)慣與方便，包括：

①　使用更符合用戶習(xí)慣的別名；

②　可以對(duì)不同級(jí)別的用戶定義不同的VIEW，以保證系統(tǒng)的安全性；

③　簡(jiǎn)化用戶對(duì)系統(tǒng)的使用；

⑷　在數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，就可以針對(duì)系統(tǒng)常用的操作進(jìn)行性能預(yù)測(cè)，評(píng)價(jià)所做的設(shè)計(jì)。如果發(fā)現(xiàn)目前的設(shè)計(jì)不能保證系統(tǒng)常用操作的性能要求的話，就需要返回到上兩層重新調(diào)整數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

當(dāng)評(píng)價(jià)一個(gè)DBMS產(chǎn)品時(shí)，性能指標(biāo)是一個(gè)主要的因素。一個(gè)DBMS是一個(gè)復(fù)雜的軟件，而且不同的廠商可能將它們的系統(tǒng)定位于不同的市場(chǎng)。為此，他們對(duì)系統(tǒng)的某些特定部分進(jìn)行更多的優(yōu)化，或者選擇不同的設(shè)計(jì)。例如，一些系統(tǒng)要求有效地運(yùn)行復(fù)雜查詢，而另一些系統(tǒng)用來在一秒中內(nèi)運(yùn)行很多簡(jiǎn)單事務(wù)。在每一類系統(tǒng)中，都有很多競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。為了幫助用戶在選擇DBMS的過程中找到適合自身的系統(tǒng)，人們提出了幾個(gè)性能基準(zhǔn)測(cè)試。它們之中包括度量特定一類應(yīng)用性能的基準(zhǔn)測(cè)試和度量一個(gè)DBMS完成各種操作的好壞的基準(zhǔn)測(cè)試（如，Wisconsin Benchmark）。

基準(zhǔn)測(cè)試應(yīng)該是可移植的、易于理解的，并且可以很自然地就擴(kuò)展到大的問題實(shí)例上。它們應(yīng)該能夠度量峰值性能（如，每秒中處理事務(wù)的個(gè)數(shù)，即tps），同時(shí)也能度量在給定應(yīng)用域內(nèi)工作負(fù)載的性能價(jià)格比（如，＄/tps）?，F(xiàn)在已經(jīng)建立了事務(wù)處理委員會(huì)（簡(jiǎn)稱TPC）來定義事務(wù)處理和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基準(zhǔn)測(cè)試。其他著名的基準(zhǔn)測(cè)試已經(jīng)被學(xué)術(shù)研究者和工業(yè)組織提了出來。屬于特定廠商的基準(zhǔn)測(cè)試對(duì)于比較不同的系統(tǒng)沒有多大的用處（盡管它們可能在特定工作負(fù)載下判斷一個(gè)給定系統(tǒng)的好壞是有用的）。

在萬維網(wǎng)上，通過URL可以獲得聯(lián)機(jī)版本的所有TPC基準(zhǔn)程序描述以及基準(zhǔn)程序結(jié)果。

⑸　完成數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)之后，設(shè)計(jì)人員就要用RDBMS提供的數(shù)據(jù)定義語言和其他實(shí)用程序?qū)?shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)的結(jié)果嚴(yán)格地描述出來，成為DBMS可以接受的源代碼。再經(jīng)過調(diào)試產(chǎn)生目標(biāo)模式，然后就可以組織數(shù)據(jù)入庫了，這就是數(shù)據(jù)庫實(shí)施階段，即數(shù)據(jù)庫的物理實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫的物理實(shí)現(xiàn)包括兩項(xiàng)重要的工作：一是數(shù)據(jù)載入；二是應(yīng)用程序的編碼和調(diào)試。

⑹　在完成數(shù)據(jù)庫的物理實(shí)現(xiàn)之后，進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)性運(yùn)行。這一階段實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序，執(zhí)行對(duì)數(shù)據(jù)庫的各種操作，測(cè)試應(yīng)用程序的功能是否滿足設(shè)計(jì)要求。如果不滿足，對(duì)應(yīng)用程序部分則要修改、調(diào)整，直到達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止。如果在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的性能不滿足要求，就需要返回到上一層，重新調(diào)整數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)。

⑺　數(shù)據(jù)庫試運(yùn)行合格后，數(shù)據(jù)庫開發(fā)工作就基本完成，即可投入正式運(yùn)行了。但是，由于應(yīng)用環(huán)境在不斷變化，數(shù)據(jù)庫運(yùn)行過程中物理存儲(chǔ)也會(huì)不斷變化，因此對(duì)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)、調(diào)整、修改等維護(hù)工作是一個(gè)長(zhǎng)期的任務(wù)。也是設(shè)計(jì)工作的繼續(xù)和提高。在數(shù)據(jù)庫運(yùn)行階段，對(duì)數(shù)據(jù)庫的經(jīng)常性的維護(hù)工作主要是由DBA完成的，它包括：

①　數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)儲(chǔ)和恢復(fù)；

②　數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性控制；

③　數(shù)據(jù)庫性能的監(jiān)督、分析和改造；

④　數(shù)據(jù)庫的重組織與重構(gòu)造；

正像我們所強(qiáng)調(diào)的那樣，這個(gè)設(shè)計(jì)步驟既是數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)過程，也包括了數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。在設(shè)計(jì)過程中把數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)和對(duì)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)處理的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來，將這兩方面的需求分析、抽象、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)在各個(gè)階段同時(shí)進(jìn)行，相互參照，相互補(bǔ)充，以完善兩方面的設(shè)計(jì)。事實(shí)上，如果不了解應(yīng)用環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)的處理要求，或沒有考慮如何去實(shí)現(xiàn)這些處理要求，是不可能設(shè)計(jì)一個(gè)良好的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的！