淺析數(shù)據(jù)庫設(shè)計實踐
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本文作者：仇學(xué)敏 單位：貴州廣播電視大學(xué)
在數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)中，主要面對的核心問題就是設(shè)計出一個能滿足用戶需求，性能良好的數(shù)據(jù)庫，這就是數(shù)據(jù)庫設(shè)計。軟件開發(fā)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計主要分為四個階段：需求分析、概念設(shè)計、邏輯設(shè)計和物理設(shè)計。而目前的軟件開發(fā)過程中，一般采用生命周期法，將數(shù)據(jù)庫分解為目標(biāo)獨立的若干階段：需求分析、概念設(shè)計、邏輯設(shè)計、物理設(shè)計、編碼階段、測試階段、運行階段和進(jìn)一步修改階段。關(guān)于數(shù)據(jù)庫設(shè)計理念，主要是為了分析數(shù)據(jù)間內(nèi)在語義關(guān)聯(lián)，在此基礎(chǔ)上建立一個數(shù)據(jù)的抽象模型。設(shè)計者根據(jù)實際情況，對某些共同特性和行為的對象可以抽象的作為一個實體。所以數(shù)據(jù)庫是由實體和屬性組成的，實體是通過主鍵表示，屬性是通過外鍵表示。在進(jìn)行設(shè)計時，實體與屬性是相對而言的，同一事物在某一種環(huán)境中作為屬性，在另一種環(huán)境中，就必須作為實體。如圖1所示。
2軟件開發(fā)中數(shù)據(jù)庫設(shè)計的重要性
數(shù)據(jù)庫作為重要的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，大多數(shù)的軟件開發(fā)都必須運用到數(shù)據(jù)庫技術(shù)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)就是軟件開發(fā)的重要成果。它是一種系統(tǒng)軟件，分組數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織、操縱、維護(hù)、控制及保護(hù)和數(shù)據(jù)服務(wù)等功能，特別是它可以定義視圖和進(jìn)行強(qiáng)大的數(shù)值計算，能夠很好的控制數(shù)據(jù)庫的安全性、完整性以及對數(shù)據(jù)庫的故障進(jìn)行校正、修復(fù)和監(jiān)控功能。所以它被應(yīng)用到世界各個領(lǐng)域的機(jī)械、醫(yī)療、教育等領(lǐng)域中。而且在開發(fā)軟件時，經(jīng)常要對很多數(shù)據(jù)線圖和表格進(jìn)行查找，簡單的還可以進(jìn)行人工查找，如果遇到復(fù)雜的數(shù)據(jù)查找，則會對設(shè)計人員造成許多的不便，也很容易出現(xiàn)錯誤，影響軟件產(chǎn)品的質(zhì)量。而如果運用數(shù)據(jù)庫管理編程，則可以存儲許多的數(shù)據(jù)，當(dāng)需要時，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)則會為用戶使用數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)提供方便的查詢、插入、修改以及刪除數(shù)據(jù)的功能。
3軟件開發(fā)中數(shù)據(jù)庫設(shè)計應(yīng)遵循的原則
1）一事一地。建表需描述兩個實體之間的聯(lián)系，避免出現(xiàn)大、雜的設(shè)計。如單個主題信息需獨立保存、分離，通過在表中分散不同的信息，使數(shù)據(jù)的維護(hù)、組織工作簡單化。同時，提高了應(yīng)用程序的性能。2）避免出現(xiàn)重復(fù)的字段。應(yīng)確保表中能切實放映與其他表的聯(lián)系，以及外部關(guān)鍵字。另外，要注意避免出現(xiàn)重復(fù)的字段，以減小數(shù)據(jù)冗余，防止刪除、插入、更新等操作時，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。3）規(guī)范化的命名。對于不同的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品的命名的要求也就不同，設(shè)計者在對各對象進(jìn)行命名操作時，利用大小寫字母進(jìn)行標(biāo)識，對于編寫后臺程序代碼也要如此，命名長度最好是控制在30字符以下。4）除了個別要求外，禁用游標(biāo)。如果對大的數(shù)據(jù)集合使用游標(biāo)，很容易使得程序出現(xiàn)“漫長等待”或“死機(jī)”的現(xiàn)象。如果要使用游標(biāo)，可以建立一個臨時的表，在表中輸入所需要的數(shù)據(jù)，然后對臨時表進(jìn)行游標(biāo)操作，這在很大程度能夠提高游標(biāo)的性能。5）對龐大的表使用索引。索引是對數(shù)據(jù)庫表中一列或多列的值進(jìn)行排序的一種結(jié)構(gòu)，使用索引可快速訪問數(shù)據(jù)庫表中的特定信息。索引分為聚簇索引和非聚簇索引兩種，聚簇索引是按照數(shù)據(jù)存放的物理位置為順序的，而非聚簇索引就不一樣了；聚簇索引能提高多行檢索的速度，而非聚簇索引對于單行的檢索很快。6）事務(wù)的使用。指作為單個邏輯工作單元執(zhí)行的一系列操作，它可以為非事物性單元單元內(nèi)之外的所有操作的順利完成提供保障，不斷的更新面向數(shù)據(jù)的資源。7）調(diào)整數(shù)據(jù)庫的性能。許多設(shè)計員會對數(shù)據(jù)庫設(shè)計采用以下兩種方法：其一，邏輯設(shè)計數(shù)據(jù)庫。調(diào)整性能以調(diào)整關(guān)系、減少連接運算，保持每個關(guān)系數(shù)量在合理的水平，從而使存取效率提高。時刻通過快照固定，以使查詢速度提高；其二，物理設(shè)計數(shù)據(jù)庫。主要調(diào)整內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)，合理選取存取的路徑，以增快訪問速度，提高存儲空間的利用率。8）合理的選擇數(shù)據(jù)類型。在實際的設(shè)計中，必須根據(jù)軟件開發(fā)的產(chǎn)品的規(guī)則和要求對數(shù)據(jù)類型進(jìn)行選擇，從而提高數(shù)據(jù)庫的性能。
4軟件開發(fā)中的數(shù)據(jù)庫設(shè)計的理論分析
1）數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可在軟件開發(fā)系統(tǒng)中運行。軟件開發(fā)系統(tǒng)主要采用VisualC++系統(tǒng)，可直接運行SQL語言。SQL語言是一種可程序設(shè)計、數(shù)據(jù)庫和結(jié)構(gòu)化查詢的語言，用于數(shù)據(jù)的查詢、存取機(jī)更新。同時，可作為腳本文件擴(kuò)展名。開發(fā)應(yīng)用程序采用VisualC++，不僅進(jìn)行數(shù)據(jù)庫訪問，還可作為開發(fā)前段的工具。VisualC++系統(tǒng)的程序開發(fā)，能使遠(yuǎn)程訪問的復(fù)雜性大大降低，訪問效率大大提高。2）數(shù)據(jù)庫在軟件開發(fā)中的設(shè)計，對于數(shù)據(jù)模型的選擇應(yīng)慎重。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)模型可以將復(fù)雜的現(xiàn)實世界要求反映到計算機(jī)數(shù)據(jù)庫中的物理世界，而在設(shè)計時主要注意以下四個方面的因素：其一，數(shù)據(jù)模型因素。不同軟件產(chǎn)品的應(yīng)用需要不同，所以應(yīng)該根據(jù)實際的情況來選擇數(shù)據(jù)模型，大多數(shù)設(shè)計者一般都會采用關(guān)系模型，因為它是一種非過程性的模型，采用二維表來表示，二維表是由表框架和表的元組組成，當(dāng)用戶進(jìn)行查詢信息時，不必對實際的物理存儲路徑進(jìn)行考慮，就能很快、方便獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。在大型的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，必須優(yōu)化查詢、提高關(guān)系模型的查詢效率；其二，數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)因素。數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要的目的是對數(shù)據(jù)的類型、性質(zhì)、內(nèi)容和數(shù)據(jù)間的聯(lián)系進(jìn)行描述，它是數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)，不同是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)操作與約束的也建立在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，因此必須根據(jù)具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實際情況分類數(shù)據(jù)模型；其三，數(shù)據(jù)約束因素。它主要是對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)數(shù)據(jù)間的語法、語義聯(lián)系進(jìn)行描述，它們之間是制約和依存的關(guān)系，所以在具體設(shè)計中，應(yīng)該根據(jù)實踐情況和數(shù)據(jù)動態(tài)變化的規(guī)則，來保證適當(dāng)?shù)恼_、有效與相容；其四，數(shù)據(jù)操作因素。主要是對相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的操作類型、方式進(jìn)行描述，所以在對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作時，應(yīng)該整體的處理圖形，根據(jù)實際情況的要求，使接口程序變得簡單、靈活，從而使指針占有的空間減小。
5軟件開發(fā)中的數(shù)據(jù)庫設(shè)計的實踐分析
軟件開發(fā)涉及了工業(yè)、醫(yī)療、教育等各個領(lǐng)域，筆者身為教師，也曾經(jīng)涉及過在線測試軟件的開發(fā)設(shè)計，下面就以在線測試軟件開發(fā)為依托，對其數(shù)據(jù)庫設(shè)計進(jìn)行分析：1）對系統(tǒng)的總體設(shè)計應(yīng)引以重視。在對軟件進(jìn)行編制時，系統(tǒng)的總體設(shè)計與軟件產(chǎn)品項目能否順利開展以及是否符合軟件開發(fā)預(yù)期的要求有著直接的關(guān)聯(lián)，所以在對在線測試系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)時，應(yīng)該根據(jù)常規(guī)軟件的開發(fā)流程來進(jìn)行。2）描述從屬關(guān)系。分析在線測試中教師組卷、學(xué)生測試的信息，例如對學(xué)科試卷中分為單選題、多選題、填空題、判斷題，對這些對象進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的組織，從而使得測試題目和學(xué)科試卷之間的建立從屬的關(guān)系，同時，也使得各學(xué)科試卷之間建立了復(fù)雜的從屬關(guān)系。所以，建立從屬關(guān)系主要是考慮空間從屬關(guān)系和測試的時間順序。3）合理的實現(xiàn)文本框的窗體視圖。主要是利用以單文檔的方式來顯示表中的數(shù)據(jù)，它即具有單獨使用的文檔窗體視圖風(fēng)格，而且當(dāng)輸入監(jiān)測點數(shù)據(jù)時，可以很好看到該監(jiān)測點的屬性窗口。同時，該軟件具有容錯功能，即當(dāng)用戶輸入或操作錯誤時，數(shù)據(jù)庫會自動的提示或取消操作。
6數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程和實例分析
上面介紹了數(shù)據(jù)庫設(shè)計的原則，以“教學(xué)管理”數(shù)據(jù)庫為例，來分析數(shù)據(jù)庫設(shè)計的過程。1）需求分析階段。對用戶的需要進(jìn)行分析主要包括三個方面的內(nèi)容：其一，信息需求。即用戶要從數(shù)據(jù)庫獲得的信息內(nèi)容。信息需求定義了數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)該提供的所有信息，注意描述系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型；其二，處理要求，即滿足數(shù)據(jù)完成的處理功能、方式的需求，然后定義系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理操作。在操作執(zhí)行時，應(yīng)該考慮場合、操作、頻率等因素對數(shù)據(jù)的影響；其三，安全性、完整性的要求。在對信息、處理需求進(jìn)行定義的同時，要保證安全性和完整性的約束。在分析過程中，主要是跟數(shù)據(jù)庫的使用人員進(jìn)行交流，細(xì)心的了解現(xiàn)行業(yè)務(wù)處理流程，熟悉全部數(shù)據(jù)資料。例如可以對學(xué)校教學(xué)管理工作進(jìn)行了解和分析，可以確定教學(xué)管理數(shù)據(jù)庫建立的目的是為了解決教學(xué)信息的組織和管理問題，主要是包括教師、學(xué)生信息管理和選課情況管理。2）概念設(shè)計階段。概念設(shè)計的目的是分析數(shù)據(jù)間內(nèi)在語義關(guān)聯(lián)，在此基礎(chǔ)上監(jiān)理一個數(shù)據(jù)的抽象模型，主要是有兩種方法：其一，集中式模式設(shè)計法。它根據(jù)需求由一個統(tǒng)一機(jī)構(gòu)或人員設(shè)計一個綜合的全局模式，而且設(shè)計比較簡單，非常適用于小型或不復(fù)雜的單位和部門；其二，視圖集成設(shè)計法。主要是對一個單位進(jìn)行分解，然后局部的設(shè)計分解后的每個部分，建立各個部分的視圖，以各視圖為基礎(chǔ)進(jìn)行集成。例如，在教學(xué)管理中，以師生實體為聯(lián)系模型，明確學(xué)校各個部門的組成實體和屬性，然后描述學(xué)校各個年級的學(xué)籍管理和課程管理的局面環(huán)境，再將各個年級教學(xué)管理的環(huán)境進(jìn)行集合，形成一個全局的視圖，從而使得數(shù)據(jù)庫能真實的反映學(xué)校的教學(xué)的管理。3）邏輯設(shè)計階段。它主要是對外模式關(guān)系視圖進(jìn)行設(shè)計，主要表現(xiàn)在三個方面：其一，提供數(shù)據(jù)邏輯的獨立性。使應(yīng)用程序不受邏輯模式變化的影響，關(guān)系視圖則讓邏輯模式與應(yīng)用程序之間有隔離墻作用；其二，適應(yīng)用戶對數(shù)據(jù)的不同需求。每個數(shù)據(jù)庫有一個非常龐大的結(jié)構(gòu)，它用關(guān)系視圖屏蔽用戶所不需要的模式，而僅將用戶感興趣的部分呈現(xiàn)出來；其三，有一定的保密功能。例如，在教學(xué)管理數(shù)據(jù)庫，如果有許多的老師和學(xué)生共同登錄，則采用用戶密碼登錄，互不影響，只看到自己所需要的信息數(shù)據(jù)。4）物理設(shè)計階段。它主要是對數(shù)據(jù)庫內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)做調(diào)整并選擇合理的存儲路徑，而且一般采用索引設(shè)計、集簇和分區(qū)設(shè)計。例如，在教學(xué)管理數(shù)據(jù)庫中，它利用物理設(shè)計能夠很好的修改其中的數(shù)據(jù)和路徑。5）驗證設(shè)計階段。任何一個數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和建立都必須經(jīng)過循環(huán)反復(fù)的驗證，一旦數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)、步驟遭到破壞和出錯，就必須及時的進(jìn)行校正恢復(fù)。在驗證階段，也為以后的運行和維護(hù)提供參考意見。6）軟件運行和維護(hù)階段。這是數(shù)據(jù)庫設(shè)計的最后環(huán)節(jié)，主要是在軟件開發(fā)的數(shù)據(jù)正式運行后，對其要不斷調(diào)整和維護(hù)。
7結(jié)束語
在給定成本、進(jìn)度的前提下，如何利用數(shù)據(jù)庫設(shè)計理論開發(fā)出具有有效性、可靠性、可互操作性、可維護(hù)性等滿足用戶需求的產(chǎn)品是我們需要深思的問題。我們在軟件開發(fā)中，要不斷對數(shù)據(jù)庫設(shè)計理論進(jìn)行實踐。