|
|
引言：數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì) Step by Step (1)得到這么多朋友的關(guān)注著實(shí)出乎了我的意外。這也堅(jiān)定了我把這一系列的博文寫好的決心。近來(lái)工作上的事務(wù)比較繁重，加之我期望這個(gè)系列的文章能盡可能的系統(tǒng)、完整，需要花很多時(shí)間整理、思考數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的各種資料，所以文章的更新速度可能會(huì)慢一些，也希望大家能夠諒解。
系列的第二講我們將站在高處俯瞰一下數(shù)據(jù)庫(kù)的生命周期，了解數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的整體流程。
數(shù)據(jù)庫(kù)生命周期
大家對(duì)軟件生命周期較為熟悉，數(shù)據(jù)庫(kù)也有其生命周期，如下圖所示。
圖（1）數(shù)據(jù)庫(kù)生命周期
數(shù)據(jù)庫(kù)的生命周期主要分為四個(gè)階段：需求分析、邏輯設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)維護(hù)。
這個(gè)系列的博文將主要關(guān)注數(shù)據(jù)庫(kù)生命周期中的前兩個(gè)階段（需求分析、邏輯設(shè)計(jì)），還會(huì)涉及反范式化設(shè)計(jì)的一些內(nèi)容。如圖中高亮圈出的部分。
數(shù)據(jù)庫(kù)的物理設(shè)計(jì)，包括索引的選擇與優(yōu)化、數(shù)據(jù)分區(qū)等內(nèi)容。這些內(nèi)容也非常豐富，而且可以自成體系，園子里也有很多好文章，故在本系列中不作主要關(guān)注。本文最后將給出一些鏈接供大家參考。
數(shù)據(jù)庫(kù)生命周期的四個(gè)階段又能細(xì)分為多個(gè)小步驟，我們配合圖（1）來(lái)看看每一小步包含的內(nèi)容。
階段1 需求分析
數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)一樣首先需要進(jìn)行需求分析。
我們需要與數(shù)據(jù)的創(chuàng)造者和使用者進(jìn)行訪談。對(duì)訪談獲得的信息進(jìn)行整理、分析，并撰寫正式的需求文檔。
需求文檔中需包含：需要處理的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)的自然關(guān)系；數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)的硬件環(huán)境、軟件平臺(tái)等；
圖（2）階段1 需求分析
階段2 邏輯設(shè)計(jì)
使用ER或UML建模技術(shù)，創(chuàng)建概念數(shù)據(jù)模型圖，展示所有數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)間關(guān)系。最終概念數(shù)據(jù)模型必須被轉(zhuǎn)化為范式化的表。
數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯設(shè)計(jì)主要步驟包括：
a) 概念數(shù)據(jù)建模
在需求分析完成后，使用ER圖或UML圖對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。使用ER圖或UML圖描述需求中的語(yǔ)義，即得到了數(shù)據(jù)概念模型（Conceptual Data Model），例如：三元關(guān)系（ternary relationships）、超類（supertypes）、子類（subtypes）等。
eg: 零售商視角，產(chǎn)品/客戶數(shù)據(jù)庫(kù)的ER模型簡(jiǎn)圖
注：ER圖的含義，以及詳細(xì)標(biāo)記方法將在該系列的下一篇博文中進(jìn)行討論
圖（3）階段2(a) 概念數(shù)據(jù)建模
b) 多視圖集成
當(dāng)在大型項(xiàng)目設(shè)計(jì)或多人參與設(shè)計(jì)的情況下，會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)和關(guān)系的多個(gè)視圖。這些視圖必須進(jìn)行化簡(jiǎn)與集成，消除模型中的冗余與不一致，最終形成一個(gè)全局的模型。多視圖集成可以使用ER建模語(yǔ)義中的同義詞(synonyms)、聚合(aggregation)、泛化(generalization)等方法。多視圖集成在整合多個(gè)應(yīng)用的場(chǎng)景中也非常重要。
eg: 集成零售商ER圖與客戶ER圖
零售商ER圖如圖（3）所示。客戶視角，產(chǎn)品/客戶數(shù)據(jù)庫(kù)的ER模型簡(jiǎn)圖如下：
圖（4）以客戶為關(guān)注點(diǎn)繪制的ER圖
注：現(xiàn)在市面上有許多輔助建模工具可以繪制ER圖。使用Sybase的PowerDesigner繪制與圖（4）相同語(yǔ)義的ER圖如下：
其標(biāo)記法與圖（4）中略有不同，這將在今后的博文中加以說(shuō)明。
這里需要指出的是輔助軟件的使用不是設(shè)計(jì)的核心，大家不要被這些工具迷惑。所以后文中我們將主要使用手繪。只要掌握了ER圖的語(yǔ)義，使用這些軟件都不會(huì)是件難事。
集成零售商ER圖與客戶ER圖
圖（5） 階段2(b) 多視圖集成
c) 轉(zhuǎn)化概念數(shù)據(jù)模型為SQL表
根據(jù)映射規(guī)則，把ER圖中的實(shí)體與關(guān)系轉(zhuǎn)化為SQL表結(jié)構(gòu)。在這一過(guò)程中我們將識(shí)別冗余的表，并去除這些表。
eg: 把圖（5）中的customer, product, salesperson實(shí)體轉(zhuǎn)化為SQL表
圖（6） 階段2(c)轉(zhuǎn)化概念數(shù)據(jù)模型為SQL表
d) 范式化
范式化是數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯設(shè)計(jì)中的重要一步。范式化的目標(biāo)是盡可能去除模型中的冗余信息，從而消除關(guān)系模型更新、插入、刪除異常（anomalies）。
講到范式化就會(huì)引出函數(shù)依賴（Functional Dependency）這一概念。函數(shù)依賴(FDs)源自于概念數(shù)據(jù)模型圖，反映了需求分析中的數(shù)據(jù)關(guān)系語(yǔ)義。不同實(shí)體之間的函數(shù)依賴表示各個(gè)實(shí)體唯一鍵之間的依賴。實(shí)體內(nèi)部也有函數(shù)依賴，反映了實(shí)體中鍵屬性與非鍵屬性之間的依賴。在保證數(shù)據(jù)完整性約束的前提下，基于函數(shù)依賴對(duì)候選表進(jìn)行范式化（分解、降低數(shù)據(jù)冗余）。
eg: 對(duì)圖（6）中的Salesperson表進(jìn)行范式化，消除更新異常（update anomalies）
圖（7） 階段2(d)范式化
階段3 物理設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)庫(kù)物理設(shè)計(jì)包括選擇索引，數(shù)據(jù)分區(qū)與分組等。
邏輯設(shè)計(jì)方法學(xué)通過(guò)減少需要分析的數(shù)據(jù)依賴，簡(jiǎn)化了大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)，這也減輕了數(shù)據(jù)庫(kù)物理設(shè)計(jì)階段的壓力。
1. 概念數(shù)據(jù)建模和多視圖集成準(zhǔn)確地反映了現(xiàn)實(shí)需求場(chǎng)景
2. 范式化在模型轉(zhuǎn)化為SQL表的過(guò)程中保留了數(shù)據(jù)完整性
數(shù)據(jù)庫(kù)物理設(shè)計(jì)的目標(biāo)是盡可能優(yōu)化性能。
物理設(shè)計(jì)階段，全局表結(jié)構(gòu)可能需要進(jìn)行重構(gòu)來(lái)滿足性能上的需求，這被稱為反范式化。
反范式化的步驟包括：
1. 辨別關(guān)鍵性流程，如頻繁運(yùn)行、大容量、高優(yōu)先級(jí)的處理操作
2. 通過(guò)增加冗余來(lái)提高關(guān)鍵性流程的性能
3. 評(píng)估所造成的代價(jià)（對(duì)查詢、修改、存儲(chǔ)的影響）和可能損失的數(shù)據(jù)一致性
階段4 數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)維護(hù)
當(dāng)設(shè)計(jì)完成之后，使用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）中的數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言（DDL）來(lái)創(chuàng)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建完成后，應(yīng)用程序或用戶可以使用數(shù)據(jù)操作語(yǔ)言（DML）來(lái)使用（查詢、修改等）該數(shù)據(jù)庫(kù)。
一旦數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)始運(yùn)行，就需要對(duì)其性能進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)性能無(wú)法滿足要求或用戶提出新的功能需求時(shí)，就需要對(duì)該數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行再設(shè)計(jì)與修改。這形成了一個(gè)循環(huán)：監(jiān)視 –> 再設(shè)計(jì) –> 修改 –> 監(jiān)視…。
在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)之前，我們先回顧一下關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)基本概念。
這里只做一個(gè)提綱挈領(lǐng)的簡(jiǎn)介，大家可以根據(jù)相應(yīng)的線索進(jìn)行擴(kuò)展。
表、行、列
關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)可以想象成表的集合，每個(gè)表包含行與列。（可以想象成一個(gè)Excel workbook，包含多個(gè)worksheet）。
表在關(guān)系代數(shù)中被稱為關(guān)系，這也是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)名稱的起源（不要與表之間的外鍵關(guān)系混淆）。
列在關(guān)系代數(shù)中被稱為屬性（attribute）。列中允許存放的值的集合稱為列的域（域與數(shù)據(jù)類型密切相關(guān)，但并不完全相同）。
行在關(guān)系代數(shù)中的學(xué)名是元組（tuple）。
關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的理論基礎(chǔ)來(lái)自于“關(guān)系代數(shù)”。但在關(guān)系代數(shù)中，一個(gè)集合的各個(gè)元組沒(méi)有次序的概念，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中為了方便使用，定義了行的次序。
鍵、索引
鍵是一種約束，目的是保證數(shù)據(jù)完整性
1. 復(fù)合鍵（Compound key）：由多個(gè)數(shù)據(jù)列組成的鍵
2. 超鍵（Superkey）：列的集合，其中任何兩行都不會(huì)完全相同
3. 候選鍵（Candidate key）：首先是一個(gè)超鍵，同時(shí)這個(gè)超鍵中的任何列的缺失都會(huì)破壞行的唯一性
4. 主鍵（Primary key）：指定的某個(gè)候選鍵
索引是數(shù)據(jù)的物理組織形式，目的是提高查詢的性能
約束
基本約束
not null constraint, domain constraint
檢查約束（Check Constraints）
eg: Salary > 0
主鍵約束（Primary Key Constraints）
實(shí)體完整性（entity integrity），沒(méi)有兩條記錄是完全相同的，組成主鍵的字段不能為null
唯一性約束（Unique Constraints）
外鍵約束（Foreign Key Constraints）
關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)操作
1.選擇（Selection）
2.映射（Projection）
3.聯(lián)合（Union）
4.交集（Intersection）
5.差集（Difference）
6.笛卡爾積（Cartesian Product）
7.連接（Join）
上述7種是最基本的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)操作，對(duì)應(yīng)于集合論中的關(guān)系運(yùn)算。
有些書(shū)籍中還會(huì)加入改名（Rename），除（Divide）等關(guān)系操作。
主要內(nèi)容回顧
1. 數(shù)據(jù)庫(kù)生命周期的四個(gè)階段：需求分析、邏輯設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)維護(hù)。
2. 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的理論基礎(chǔ)是關(guān)系代數(shù)。
數(shù)據(jù)庫(kù)物理設(shè)計(jì)參考資料
第一個(gè)鏈接是我針對(duì)查詢優(yōu)化作的讀書(shū)筆記，后三個(gè)鏈接是SQLServerCentral中幾篇關(guān)于索引的文章（需要簡(jiǎn)單注冊(cè)后才能看到全文）
1. 查詢優(yōu)化系列（查詢優(yōu)化（1），查詢優(yōu)化（2），查詢優(yōu)化（3），查詢優(yōu)化（4），查詢優(yōu)化（5）——總結(jié)）
2. Part 1 - The basics of indexes
3. Part 2 - The Clustered Index
4. Part 3 - The Non-clustered index
it知識(shí)庫(kù)：數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì) Step by Step (2)，轉(zhuǎn)載需保留來(lái)源！
鄭重聲明：本文版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)載文章僅為傳播更多信息之目的，如作者信息標(biāo)記有誤，請(qǐng)第一時(shí)間聯(lián)系我們修改或刪除，多謝。
