数据库设计的整体流程

13.3.5　数据库设计

数据库设计是建立数据库及其应用系统的技术，是信息系统开发和建设中的核心技术，具体来说，数据库设计是指对于一个给定的应用环境，构造最优的数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储数据，满足各种用户的应用要求（信息要求和处理要求）。这个问题是数据库在应用领域的主要研究课题。

大型数据库的设计和开发是一项庞大的工程，是涉及多学科的综合性技术。其开发周期长、耗资多，失败的风险也大，必须把软件工程的原理和方法应用到数据库建设中来。对于从事数据库设计的专业人员来讲，应该具备多方面的技术和知识。主要有:

（1）数据库的基本知识和数据库设计技术。

（2）计算机科学的基础知识和程序设计的方法和技巧。

（3）软件工程的原理和方法。

（4）应用领域的知识。

1）数据库设计方法

由于信息结构复杂，应用环境多样，在相当长的一段时期内数据库设计主要采用手工试凑法。使用这种方法与设计人员的经验和水平有直接关系，数据库设计成为一种技艺而不是工程技术，缺乏科学理论和工程方法的支持，工程质量难以保证，常常是数据库运行一段时间后又不同程度地发现各种问题，增加了系统维护的代价。十余年来，人们努力探索，提出了各种数据库设计方法，这些方法运用软件工程的思想和方法，提出了各种设计准则和规程，都属于规范设计法。

规范设计法中比较著名的有新奥尔良（New Orleans）方法。它将数据库设计分为四个阶段:需求分析（分析用户要求）、概念设计（信息分析和定义）、逻辑设计（设计实现）和物理设计（物理数据库设计）。其后，S.B.Yao等又将数据库设计分为五个步骤。I.R.Palmer等主张把数据库设计当成一步接一步的过程，并采用一些辅助手段实现每一过程。

基于E-R模型的数据库设计方法，基于3NF（第三范式）的设计方法，基于抽象语法规范的设计方法等，是在数据库设计的不同阶段上支持实现的具体技术和方法。

规范设计法从本质上看仍然是手工设计方法，其基本思想是过程迭代和逐步求精。

数据库工作者和数据库厂商一直在研究和开发数据库设计工具。经过十多年的努力，数据库设计工具已经实用化和产品化。例如Design 2000和Power－Designer分别是ORACLE公司和SYBASE公司推出的数据库设计工具软件。这些工具软件可以自动地或辅助设计人员完成数据库设计过程中的很多任务，人们已经越来越认识到自动数据库设计工具的重要性，特别是大型数据库的设计需要自动设计工具的支持。人们也日益认识到数据库设计和应用设计应该同时进行，目前许多计算机辅助软件工程（Computer Aided Software Engineering，CASE）工具已经开始强调这两个方面。

2）数据库设计步骤

按照规范设计的方法，考虑数据库及其应用系统开发全过程，将数据库设计分为以下六个阶段（见图13-20）:①需求分析；②概念结构设计；③逻辑结构设计；④物理结构设计；⑤数据库实施；⑥数据库运行和维护。

数据库设计开始之前，首先必须选定参加设计的人员，包括系统分析人员、数据库设计人员和程序员、用户和数据库管理员。系统分析和数据库设计人员是数据库设计的核心人员，他们将自始至终参与数据库设计，他们的水平决定了数据库系统的质量。用户和数据库管理员在数据库设计中也是举足轻重的，他们主要参加需求分析和数据库的运行维护，他们的积极参与不但能加速数据库设计，而且也是决定数据库设计质量的重要因素。程序员则在系统实施阶段参与进来，分别负责编制程序和准备软硬件环境。

图13-20　数据库设计步骤

如果所设计的数据库应用系统比较复杂，还应该考虑是否需要使用数据库设计工具和CASE工具以提高数据库设计质量并减少设计工作量，以及选用何种工具。

（1）需求分析阶段

进行数据库设计首先必须准确了解与分析用户需求（包括数据与处理）。需求分析是整个设计过程的基础，是最困难、最耗费时间的一步。作为地基的需求分析是否做得充分与准确，决定了在其上构建数据库大厦的速度与质量。需求分析做得不好，甚至会导致整个数据库设计返工重做。

（2）概念结构设计阶段

概念结构设计是整个数据库设计的关键，它通过对用户需求进行综合、归纳与抽象，形成一个独立于具体DBMS的概念模型。

（3）逻辑结构设计阶段

逻辑结构设计是将概念结构转换为某个DBMS所支持的数据模型，并对其进行优化。

（4）数据库物理设计阶段

数据库物理设计是为逻辑数据模型选取一个最适合应用环境的物理结构（包括存储结构和存取方法）。

（5）数据库实施阶段

在数据库实施阶段，设计人员运用DBMS提供的数据语言及其宿主语言，根据逻辑设计和物理设计的结果建立数据库，编制与调试应用程序，组织数据入库，并进行试运行。

（6）数据库运行和维护阶段

数据库应用系统经过试运行后即可投入正式运行。在数据库系统运行过程中必须不断地对其进行评价、调整与修改。

设计一个完善的数据库应用系统是不可能一蹴而就的，它往往是上述六个阶段的不断反复。

需要指出的是，这个设计步骤既是数据库设计的过程，也包括了数据库应用系统的设计过程。在设计过程中把数据库的设计和对数据库中数据处理的设计紧密结合起来，将这两个方面的需求分析、抽象、设计、实现在各个阶段同时进行，相互参照，相互补充，以完善两方面的设计。事实上，如果不了解应用环境对数据的处理要求，或没有考虑如何去实现这些处理要求，是不可能设计一个良好的数据库结构的。按照这个原则，设计过程各个阶段的设计描述可用图13-21概括地给出。

图13-21的有关处理特性的设计描述中，其设计原理、采用的设计方法、工具等在软件工程和信息系统设计的课程中有详细介绍，这里不再讨论。这里主要讨论关于数据特性的描述以及如何在整个设计过程中参照处理特性的设计来完善数据模型设计等问题。

按照这样的设计过程，数据库结构设计的不同阶段形成数据库的各级模式，如图13-22所示。需求分析阶段，综合各个用户的应用需求。在概念设计阶段形成独立于机器特点，独立于各个DBMS产品的概念模式，在本篇中就是E-R图；在逻辑设计阶段将E-R图转换成具体的数据库产品支持的数据模型，如关系模型，形成数据库逻辑模式，然后根据用户处理的要求、安全性的考虑，在基本表的基础上再建立必要的视图（View），形成数据的外模式；在物理设计阶段，根据DBMS特点和处理的需要，进行物理存储安排，建立索引，形成数据库内模式。

图13-21　数据库结构设计阶段

图13-22　数据库的各级模式