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數據庫設計方法、規范與技巧

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一、數據庫設計過(guò)程
數據庫技術(shù)是信息資源管理最有效的手段。數據庫設計是指對于一個(gè)給定的應用環(huán)境，構造最優(yōu)的數據庫模式，建立數據庫及其應用系統，有效存儲數據，滿(mǎn)足用戶(hù)信息要求和處理要求。
數據庫設計中需求分析階段綜合各個(gè)用戶(hù)的應用需求（現實(shí)世界的需求），在概念設計階段形成獨立于機器特點(diǎn)、獨立于各個(gè)DBMS產(chǎn)品的概念模式（信息世界模型），用E-R圖來(lái)描述。在邏輯設計階段將E-R圖轉換成具體的數據庫產(chǎn)品支持的數據模型如關(guān)系模型，形成數據庫邏輯模式。然后根據用戶(hù)處理的要求，安全性的考慮，在基本表的基礎上再建立必要的視圖（VIEW）形成數據的外模式。在物理設計階段根據DBMS特點(diǎn)和處理的需要，進(jìn)行物理存儲安排，設計索引，形成數據庫內模式。
1. 需求分析階段
需求收集和分析，結果得到數據字典描述的數據需求（和數據流圖描述的處理需求）。
需求分析的重點(diǎn)是調查、收集與分析用戶(hù)在數據管理中的信息要求、處理要求、安全性與完整性要求。
需求分析的方法：調查組織機構情況、調查各部門(mén)的業(yè)務(wù)活動(dòng)情況、協(xié)助用戶(hù)明確對新系統的各種要求、確定新系統的邊界。
常用的調查方法有：跟班作業(yè)、開(kāi)調查會(huì )、請專(zhuān)人介紹、詢(xún)問(wèn)、設計調查表請用戶(hù)填寫(xiě)、查閱記錄。
分析和表達用戶(hù)需求的方法主要包括自頂向下和自底向上兩類(lèi)方法。自頂向下的結構化分析方法（Structured Analysis，簡(jiǎn)稱(chēng)SA方法）從最上層的系統組織機構入手，采用逐層分解的方式分析系統，并把每一層用數據流圖和數據字典描述。
數據流圖表達了數據和處理過(guò)程的關(guān)系。系統中的數據則借助數據字典（Data Dictionary，簡(jiǎn)稱(chēng)DD）來(lái)描述。
數據字典是各類(lèi)數據描述的集合，它是關(guān)于數據庫中數據的描述，即元數據，而不是數據本身。數據字典通常包括數據項、數據結構、數據流、數據存儲和處理過(guò)程五個(gè)部分(至少應該包含每個(gè)字段的數據類(lèi)型和在每個(gè)表內的主外鍵)。
數據項描述＝｛數據項名，數據項含義說(shuō)明，別名，數據類(lèi)型，長(cháng)度，
　　　　　　　　　取值范圍，取值含義，與其他數據項的邏輯關(guān)系｝
數據結構描述＝｛數據結構名，含義說(shuō)明，組成:｛數據項或數據結構｝｝
數據流描述＝｛數據流名，說(shuō)明，數據流來(lái)源，數據流去向，
　　　　　　　　　組成:｛數據結構｝，平均流量，高峰期流量｝
數據存儲描述＝｛數據存儲名，說(shuō)明，編號，流入的數據流，流出的數據流，　　
　　　　　　　　組成:｛數據結構｝，數據量，存取方式｝
處理過(guò)程描述＝｛處理過(guò)程名，說(shuō)明，輸入:｛數據流｝，輸出:｛數據流｝,
　　　　　　　　　　處理:｛簡(jiǎn)要說(shuō)明｝｝
2. 概念結構設計階段
通過(guò)對用戶(hù)需求進(jìn)行綜合、歸納與抽象，形成一個(gè)獨立于具體DBMS的概念模型，可以用E-R圖表示。
概念模型用于信息世界的建模。概念模型不依賴(lài)于某一個(gè)DBMS支持的數據模型。概念模型可以轉換為計算機上某一DBMS支持的特定數據模型。
概念模型特點(diǎn)：
(1) 具有較強的語(yǔ)義表達能力，能夠方便、直接地表達應用中的各種語(yǔ)義知識。
(2) 應該簡(jiǎn)單、清晰、易于用戶(hù)理解，是用戶(hù)與數據庫設計人員之間進(jìn)行交流的語(yǔ)言。
概念模型設計的一種常用方法為IDEF1X方法，它就是把實(shí)體-聯(lián)系方法應用到語(yǔ)義數據模型中的一種語(yǔ)義模型化技術(shù)，用于建立系統信息模型。
使用IDEF1X方法創(chuàng )建E-R模型的步驟如下所示:
2.1 第零步——初始化工程
這個(gè)階段的任務(wù)是從目的描述和范圍描述開(kāi)始，確定建模目標，開(kāi)發(fā)建模計劃，組織建模隊伍，收集源材料，制定約束和規范。收集源材料是這階段的重點(diǎn)。通過(guò)調查和觀(guān)察結果，業(yè)務(wù)流程，原有系統的輸入輸出，各種報表，收集原始數據，形成了基本數據資料表。
2.2 第一步——定義實(shí)體
實(shí)體集成員都有一個(gè)共同的特征和屬性集，可以從收集的源材料——基本數據資料表中直接或間接標識出大部分實(shí)體。根據源材料名字表中表示物的術(shù)語(yǔ)以及具有 “代碼”結尾的術(shù)語(yǔ)，如客戶(hù)代碼、代理商代碼、產(chǎn)品代碼等將其名詞部分代表的實(shí)體標識出來(lái)，從而初步找出潛在的實(shí)體，形成初步實(shí)體表。
2.3 第二步——定義聯(lián)系
IDEF1X模型中只允許二元聯(lián)系，n元聯(lián)系必須定義為n個(gè)二元聯(lián)系。根據實(shí)際的業(yè)務(wù)需求和規則，使用實(shí)體聯(lián)系矩陣來(lái)標識實(shí)體間的二元關(guān)系，然后根據實(shí)際情況確定出連接關(guān)系的勢、關(guān)系名和說(shuō)明，確定關(guān)系類(lèi)型，是標識關(guān)系、非標識關(guān)系（強制的或可選的）還是非確定關(guān)系、分類(lèi)關(guān)系。如果子實(shí)體的每個(gè)實(shí)例都需要通過(guò)和父實(shí)體的關(guān)系來(lái)標識，則為標識關(guān)系，否則為非標識關(guān)系。非標識關(guān)系中，如果每個(gè)子實(shí)體的實(shí)例都與而且只與一個(gè)父實(shí)體關(guān)聯(lián)，則為強制的，否則為非強制的。如果父實(shí)體與子實(shí)體代表的是同一現實(shí)對象，那么它們?yōu)榉诸?lèi)關(guān)系。
2.4 第三步——定義碼
通過(guò)引入交叉實(shí)體除去上一階段產(chǎn)生的非確定關(guān)系，然后從非交叉實(shí)體和獨立實(shí)體開(kāi)始標識侯選碼屬性，以便唯一識別每個(gè)實(shí)體的實(shí)例，再從侯選碼中確定主碼。為了確定主碼和關(guān)系的有效性，通過(guò)非空規則和非多值規則來(lái)保證，即一個(gè)實(shí)體實(shí)例的一個(gè)屬性不能是空值，也不能在同一個(gè)時(shí)刻有一個(gè)以上的值。找出誤認的確定關(guān)系，將實(shí)體進(jìn)一步分解，最后構造出IDEF1X模型的鍵基視圖（KB圖）。
2.5 第四步——定義屬性
從源數據表中抽取說(shuō)明性的名詞開(kāi)發(fā)出屬性表，確定屬性的所有者。定義非主碼屬性，檢查屬性的非空及非多值規則。此外，還要檢查完全依賴(lài)函數規則和非傳遞依賴(lài)規則，保證一個(gè)非主碼屬性必須依賴(lài)于主碼、整個(gè)主碼、僅僅是主碼。以此得到了至少符合關(guān)系理論第三范式的改進(jìn)的IDEF1X模型的全屬性視圖。
2.6 第五步——定義其他對象和規則
定義屬性的數據類(lèi)型、長(cháng)度、精度、非空、缺省值、約束規則等。定義觸發(fā)器、存儲過(guò)程、視圖、角色、同義詞、序列等對象信息。
3. 邏輯結構設計階段
將概念結構轉換為某個(gè)DBMS所支持的數據模型（例如關(guān)系模型），并對其進(jìn)行優(yōu)化。設計邏輯結構應該選擇最適于描述與表達相應概念結構的數據模型，然后選擇最合適的DBMS。
將E-R圖轉換為關(guān)系模型實(shí)際上就是要將實(shí)體、實(shí)體的屬性和實(shí)體之間的聯(lián)系轉化為關(guān)系模式,這種轉換一般遵循如下原則：
1）一個(gè)實(shí)體型轉換為一個(gè)關(guān)系模式。實(shí)體的屬性就是關(guān)系的屬性。實(shí)體的碼就是關(guān)系的碼。
2）一個(gè)m:n聯(lián)系轉換為一個(gè)關(guān)系模式。與該聯(lián)系相連的各實(shí)體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉換為關(guān)系的屬性。而關(guān)系的碼為各實(shí)體碼的組合。
3）一個(gè)1:n聯(lián)系可以轉換為一個(gè)獨立的關(guān)系模式，也可以與n端對應的關(guān)系模式合并。如果轉換為一個(gè)獨立的關(guān)系模式，則與該聯(lián)系相連的各實(shí)體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉換為關(guān)系的屬性，而關(guān)系的碼為n端實(shí)體的碼。
4）一個(gè)1:1聯(lián)系可以轉換為一個(gè)獨立的關(guān)系模式，也可以與任意一端對應的關(guān)系模式合并。
5）三個(gè)或三個(gè)以上實(shí)體間的一個(gè)多元聯(lián)系轉換為一個(gè)關(guān)系模式。與該多元聯(lián)系相連的各實(shí)體的碼以及聯(lián)系本身的屬性均轉換為關(guān)系的屬性。而關(guān)系的碼為各實(shí)體碼的組合。
6）同一實(shí)體集的實(shí)體間的聯(lián)系，即自聯(lián)系，也可按上述1:1、1:n和m:n三種情況分別處理。
7）具有相同碼的關(guān)系模式可合并。
為了進(jìn)一步提高數據庫應用系統的性能，通常以規范化理論為指導，還應該適當地修改、調整數據模型的結構，這就是數據模型的優(yōu)化。確定數據依賴(lài)。消除冗余的聯(lián)系。確定各關(guān)系模式分別屬于第幾范式。確定是否要對它們進(jìn)行合并或分解。一般來(lái)說(shuō)將關(guān)系分解為3NF的標準，即：
表內的每一個(gè)值都只能被表達一次。
•?表內的每一行都應該被唯一的標識（有唯一鍵）。
表內不應該存儲依賴(lài)于其他鍵的非鍵信息。
4. 數據庫物理設計階段
為邏輯數據模型選取一個(gè)最適合應用環(huán)境的物理結構（包括存儲結構和存取方法）。根據DBMS特點(diǎn)和處理的需要，進(jìn)行物理存儲安排，設計索引，形成數據庫內模式。
5. 數據庫實(shí)施階段
運用DBMS提供的數據語(yǔ)言（例如SQL）及其宿主語(yǔ)言（例如C），根據邏輯設計和物理設計的結果建立數據庫，編制與調試應用程序，組織數據入庫，并進(jìn)行試運行。數據庫實(shí)施主要包括以下工作：用DDL定義數據庫結構、組織數據入庫、編制與調試應用程序、數據庫試運行
6. 數據庫運行和維護階段
數據庫應用系統經(jīng)過(guò)試運行后即可投入正式運行。在數據庫系統運行過(guò)程中必須不斷地對其進(jìn)行評價(jià)、調整與修改。包括：數據庫的轉儲和恢復、數據庫的安全性、完整性控制、數據庫性能的監督、分析和改進(jìn)、數據庫的重組織和重構造。
建模工具的使用
為加快數據庫設計速度，目前有很多數據庫輔助工具（CASE工具），如Rational公司的Rational Rose，CA公司的Erwin和Bpwin，Sybase公司的PowerDesigner以及Oracle公司的Oracle Designer等。
ERwin主要用來(lái)建立數據庫的概念模型和物理模型。它能用圖形化的方式，描述出實(shí)體、聯(lián)系及實(shí)體的屬性。ERwin支持IDEF1X方法。通過(guò)使用 ERwin建模工具自動(dòng)生成、更改和分析IDEF1X模型，不僅能得到優(yōu)秀的業(yè)務(wù)功能和數據需求模型，而且可以實(shí)現從IDEF1X模型到數據庫物理設計的轉變。ERwin工具繪制的模型對應于邏輯模型和物理模型兩種。在邏輯模型中，IDEF1X工具箱可以方便地用圖形化的方式構建和繪制實(shí)體聯(lián)系及實(shí)體的屬性。在物理模型中，ERwin可以定義對應的表、列，并可針對各種數據庫管理系統自動(dòng)轉換為適當的類(lèi)型。
設計人員可根據需要選用相應的數據庫設計建模工具。例如需求分析完成之后，設計人員可以使用Erwin畫(huà)ER圖，將ER圖轉換為關(guān)系數據模型，生成數據庫結構；畫(huà)數據流圖，生成應用程序。
二、數據庫設計技巧
1. 設計數據庫之前（需求分析階段）
1) 理解客戶(hù)需求，詢(xún)問(wèn)用戶(hù)如何看待未來(lái)需求變化。讓客戶(hù)解釋其需求，而且隨著(zhù)開(kāi)發(fā)的繼續，還要經(jīng)常詢(xún)問(wèn)客戶(hù)保證其需求仍然在開(kāi)發(fā)的目的之中。
2) 了解企業(yè)業(yè)務(wù)可以在以后的開(kāi)發(fā)階段節約大量的時(shí)間。
3) 重視輸入輸出。
在定義數據庫表和字段需求（輸入）時(shí)，首先應檢查現有的或者已經(jīng)設計出的報表、查詢(xún)和視圖（輸出）以決定為了支持這些輸出哪些是必要的表和字段。
舉例：假如客戶(hù)需要一個(gè)報表按照郵政編碼排序、分段和求和，你要保證其中包括了單獨的郵政編碼字段而不要把郵政編碼糅進(jìn)地址字段里。
4) 創(chuàng )建數據字典和ER 圖表
ER 圖表和數據字典可以讓任何了解數據庫的人都明確如何從數據庫中獲得數據。ER圖對表明表之間關(guān)系很有用，而數據字典則說(shuō)明了每個(gè)字段的用途以及任何可能存在的別名。對SQL 表達式的文檔化來(lái)說(shuō)這是完全必要的。
5) 定義標準的對象命名規范
數據庫各種對象的命名必須規范。
2. 表和字段的設計（數據庫邏輯設計）
表設計原則
1) 標準化和規范化
數據的標準化有助于消除數據庫中的數據冗余。標準化有好幾種形式，但Third Normal Form（3NF）通常被認為在性能、擴展性和數據完整性方面達到了最好平衡。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，遵守3NF 標準的數據庫的表設計原則是：“One Fact in One Place”即某個(gè)表只包括其本身基本的屬性，當不是它們本身所具有的屬性時(shí)需進(jìn)行分解。表之間的關(guān)系通過(guò)外鍵相連接。它具有以下特點(diǎn)：有一組表專(zhuān)門(mén)存放通過(guò)鍵連接起來(lái)的關(guān)聯(lián)數據。
舉例：某個(gè)存放客戶(hù)及其有關(guān)定單的3NF 數據庫就可能有兩個(gè)表：Customer 和Order。Order 表不包含定單關(guān)聯(lián)客戶(hù)的任何信息，但表內會(huì )存放一個(gè)鍵值，該鍵指向Customer 表里包含該客戶(hù)信息的那一行。
事實(shí)上，為了效率的緣故，對表不進(jìn)行標準化有時(shí)也是必要的。
2) 數據驅動(dòng)
采用數據驅動(dòng)而非硬編碼的方式，許多策略變更和維護都會(huì )方便得多，大大增強系統的靈活性和擴展性。
舉例，假如用戶(hù)界面要訪(fǎng)問(wèn)外部數據源（文件、XML 文檔、其他數據庫等），不妨把相應的連接和路徑信息存儲在用戶(hù)界面支持表里。還有，如果用戶(hù)界面執行工作流之類(lèi)的任務(wù)（發(fā)送郵件、打印信箋、修改記錄狀態(tài)等），那么產(chǎn)生工作流的數據也可以存放在數據庫里。角色權限管理也可以通過(guò)數據驅動(dòng)來(lái)完成。事實(shí)上，如果過(guò)程是數據驅動(dòng)的，你就可以把相當大的責任推給用戶(hù)，由用戶(hù)來(lái)維護自己的工作流過(guò)程。
3) 考慮各種變化
在設計數據庫的時(shí)候考慮到哪些數據字段將來(lái)可能會(huì )發(fā)生變更。
舉例，姓氏就是如此（注意是西方人的姓氏，比如女性結婚后從夫姓等）。所以，在建立系統存儲客戶(hù)信息時(shí)，在單獨的一個(gè)數據表里存儲姓氏字段，而且還附加起始日和終止日等字段，這樣就可以跟蹤這一數據條目的變化。

字段設計原則
4) 每個(gè)表中都應該添加的3 個(gè)有用的字段
•?dRecordCreationDate，在VB 下默認是Now()，而在SQL Server 下默認為GETDATE()
•?sRecordCreator，在SQL Server 下默認為NOT NULL DEFAULT USER
•?nRecordVersion，記錄的版本標記；有助于準確說(shuō)明記錄中出現null 數據或者丟失數據的原因
5) 對地址和電話(huà)采用多個(gè)字段
描述街道地址就短短一行記錄是不夠的。Address_Line1、Address_Line2 和Address_Line3 可以提供更大的靈活性。還有，電話(huà)號碼和郵件地址最好擁有自己的數據表，其間具有自身的類(lèi)型和標記類(lèi)別。
6) 使用角色實(shí)體定義屬于某類(lèi)別的列
在需要對屬于特定類(lèi)別或者具有特定角色的事物做定義時(shí)，可以用角色實(shí)體來(lái)創(chuàng )建特定的時(shí)間關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而可以實(shí)現自我文檔化。
舉例：用PERSON 實(shí)體和PERSON_TYPE 實(shí)體來(lái)描述人員。比方說(shuō)，當John Smith, Engineer 提升為John Smith, Director 乃至最后爬到John Smith, CIO 的高位，而所有你要做的不過(guò)是改變兩個(gè)表PERSON 和PERSON_TYPE 之間關(guān)系的鍵值，同時(shí)增加一個(gè)日期/時(shí)間字段來(lái)知道變化是何時(shí)發(fā)生的。這樣，你的PERSON_TYPE 表就包含了所有PERSON 的可能類(lèi)型，比如Associate、Engineer、Director、CIO 或者CEO 等。還有個(gè)替代辦法就是改變PERSON 記錄來(lái)反映新頭銜的變化，不過(guò)這樣一來(lái)在時(shí)間上無(wú)法跟蹤個(gè)人所處位置的具體時(shí)間。
7) 選擇數字類(lèi)型和文本類(lèi)型盡量充足
在SQL 中使用smallint 和tinyint 類(lèi)型要特別小心。比如，假如想看看月銷(xiāo)售總額，總額字段類(lèi)型是smallint，那么，如果總額超過(guò)了$32,767 就不能進(jìn)行計算操作了。
而ID 類(lèi)型的文本字段，比如客戶(hù)ID 或定單號等等都應該設置得比一般想象更大。假設客戶(hù)ID 為10 位數長(cháng)。那你應該把數據庫表字段的長(cháng)度設為12 或者13 個(gè)字符長(cháng)。但這額外占據的空間卻無(wú)需將來(lái)重構整個(gè)數據庫就可以實(shí)現數據庫規模的增長(cháng)了。
8) 增加刪除標記字段
在表中包含一個(gè)“刪除標記”字段，這樣就可以把行標記為刪除。在關(guān)系數據庫里不要單獨刪除某一行；最好采用清除數據程序而且要仔細維護索引整體性。
3. 選擇鍵和索引（數據庫邏輯設計）
鍵選擇原則：
1) 鍵設計4 原則
•?為關(guān)聯(lián)字段創(chuàng )建外鍵。
•?所有的鍵都必須唯一。
•?避免使用復合鍵。
•?外鍵總是關(guān)聯(lián)唯一的鍵字段。
2) 使用系統生成的主鍵
設計數據庫的時(shí)候采用系統生成的鍵作為主鍵，那么實(shí)際控制了數據庫的索引完整性。這樣，數據庫和非人工機制就有效地控制了對存儲數據中每一行的訪(fǎng)問(wèn)。采用系統生成鍵作為主鍵還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：當擁有一致的鍵結構時(shí)，找到邏輯缺陷很容易。
3) 不要用用戶(hù)的鍵(不讓主鍵具有可更新性)
在確定采用什么字段作為表的鍵的時(shí)候，可一定要小心用戶(hù)將要編輯的字段。通常的情況下不要選擇用戶(hù)可編輯的字段作為鍵。
4) 可選鍵有時(shí)可做主鍵
把可選鍵進(jìn)一步用做主鍵，可以擁有建立強大索引的能力。

索引使用原則：
索引是從數據庫中獲取數據的最高效方式之一。95%的數據庫性能問(wèn)題都可以采用索引技術(shù)得到解決。
1) 邏輯主鍵使用唯一的成組索引，對系統鍵（作為存儲過(guò)程）采用唯一的非成組索引，對任何外鍵列采用非成組索引?？紤]數據庫的空間有多大，表如何進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，還有這些訪(fǎng)問(wèn)是否主要用作讀寫(xiě)。
2) 大多數數據庫都索引自動(dòng)創(chuàng )建的主鍵字段，但是可別忘了索引外鍵，它們也是經(jīng)常使用的鍵，比如運行查詢(xún)顯示主表和所有關(guān)聯(lián)表的某條記錄就用得上。
3) 不要索引memo/note 字段，不要索引大型字段（有很多字符），這樣作會(huì )讓索引占用太多的存儲空間。
4) 不要索引常用的小型表
不要為小型數據表設置任何鍵，假如它們經(jīng)常有插入和刪除操作就更別這樣作了。對這些插入和刪除操作的索引維護可能比掃描表空間消耗更多的時(shí)間。

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