關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)原理與分析

摘要：文章針對(duì)數(shù)據(jù)層存儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)問(wèn)題，討論了軟件開(kāi)發(fā)生命周期中幾大階段與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)系及每階段的內(nèi)容、成果輸出，最后，舉例分析了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中需要遵守的重要準(zhǔn)則以及核心要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：實(shí)體模型；E-R關(guān)系；概念設(shè)計(jì)；范式原則

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)涉及信息系統(tǒng)的性能、效率、安全等方面，好的設(shè)計(jì)方案能極大地減輕實(shí)施階段的工作量，減少運(yùn)維的成本與投入。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)需要從數(shù)據(jù)模型、負(fù)載、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量、并發(fā)數(shù)等方面著手考慮，需要遵守相關(guān)的原則與規(guī)范。

1 數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中首要考慮的問(wèn)題，模型是對(duì)客觀事物的模擬描述，模型既是了解事物本質(zhì)的需要，也是與不同角色人員間溝通討論解決方案的重要工具。數(shù)據(jù)建模作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)的第一步，其輸出結(jié)果就是得到符合實(shí)際需求的數(shù)據(jù)模型，再進(jìn)而得到可實(shí)施的執(zhí)行方案。在理論上來(lái)說(shuō)，一個(gè)完整數(shù)據(jù)模型包括結(jié)構(gòu)、操作、約束3個(gè)方面[2]。

（1）結(jié)構(gòu)：是指數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，如模型中的存儲(chǔ)項(xiàng)以及每個(gè)項(xiàng)的類型，以及存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)所占據(jù)的存儲(chǔ)空間的大小及存儲(chǔ)空間所在位置區(qū)域等方面。

（2）操作：是指外部對(duì)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的讀或?qū)懛矫娴牟僮?，或者增、刪、改、查的數(shù)據(jù)交互過(guò)程。

（3）約束：是指數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)部數(shù)據(jù)項(xiàng)的限制條件，如數(shù)據(jù)項(xiàng)各種類型的長(zhǎng)度、大小，不同存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)間數(shù)據(jù)項(xiàng)的依賴關(guān)系等。

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中存在眾多的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型，其中相對(duì)成熟的數(shù)據(jù)模型有如下幾種。

（l）層次模型：也叫樹(shù)狀模型，模型中有一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，然后在這個(gè)節(jié)點(diǎn)下生成眾多的葉子分支。

（2）網(wǎng)狀模型：模型中的實(shí)體節(jié)點(diǎn)縱橫交錯(cuò)的發(fā)生關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)體之間沒(méi)有主次、子父之分，呈現(xiàn)一個(gè)板平的網(wǎng)狀。

（3）關(guān)系模型：以平面表為基礎(chǔ)，表中有行與列，其中列定義的是存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)項(xiàng)，行代表的是存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)記錄，是目前關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的普遍形式。

2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)是軟件開(kāi)發(fā)生命周期的概要設(shè)計(jì)階段必須考慮的問(wèn)題，從應(yīng)用程序的運(yùn)行數(shù)據(jù)持久化需求著手到最終數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境的建立，大概包含以下幾個(gè)方面的過(guò)程[4]，每個(gè)方面的工作內(nèi)容及成果輸出如圖1所示。

（l）概念定義：是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案定義的初始階段，在這一過(guò)程主要是對(duì)客戶業(yè)務(wù)功能教據(jù)需求的歸納，得到業(yè)務(wù)的概念模型。概念模型是一個(gè)對(duì)客觀事物抽象表述且與技術(shù)無(wú)關(guān)的模型，是設(shè)計(jì)人員與客戶交流模型工具。通過(guò)概念模型可以清楚地展示數(shù)據(jù)層的存儲(chǔ)功能。

（2）邏輯定義：是對(duì)概念模型的實(shí)現(xiàn)方案的定義，是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的一種實(shí)現(xiàn)思想，定義存儲(chǔ)模型中的相關(guān)內(nèi)在實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)的成果輸出是邏輯模型。

（3）物理定義：是根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案的邏輯實(shí)現(xiàn)思想定義出具體的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)環(huán)境，包括可運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行腳本、表空間的分配、觸發(fā)器、存儲(chǔ)過(guò)程、視圖等方面的建立。

3 范式原則

關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)范式原則是進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要準(zhǔn)則，范式設(shè)計(jì)原則將直接指向數(shù)據(jù)庫(kù)中表的字段定義、字段關(guān)系、記錄唯一性標(biāo)識(shí)是否合理。當(dāng)前在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中存在6種范式原則，其中基礎(chǔ)的原則有3種，分別是：第一范式（INF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）[5]，如圖2所示。

（1）INF：要求數(shù)據(jù)表中字段不可再分，且字段只能單值存儲(chǔ)。這是最基本的范式原則，所有數(shù)據(jù)表都必須滿足這一條，否則關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)將不支持所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)模型。如果一個(gè)“電話”字段可以拆分成“手機(jī)”與“座機(jī)”兩個(gè)屬性，或者在同一條記錄中“電話”屬性字段存儲(chǔ)了兩個(gè)值，都是不符合該范式的設(shè)計(jì)要求[6]。

（2） 2NF：要求每個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體中必須有唯一標(biāo)識(shí)，如果唯一標(biāo)識(shí)為聯(lián)合標(biāo)識(shí)，則其他普通屬性不能存在對(duì)聯(lián)合標(biāo)識(shí)的部分依賴。本范式解決的是數(shù)據(jù)表中的唯一標(biāo)識(shí)問(wèn)題，及非主屬性對(duì)碼的部分依賴。如一個(gè)表中有：“開(kāi)戶人”“開(kāi)戶銀行”“開(kāi)戶人聯(lián)系電話”“開(kāi)戶行地址”“帳戶余額”等字段，其中“開(kāi)戶人，“‘開(kāi)戶銀行”為聯(lián)合標(biāo)識(shí)（聯(lián)合主鍵），因普通屬性“開(kāi)戶人聯(lián)系電話”卻依賴“開(kāi)戶人屬性，“開(kāi)戶行地址”屬性依賴“開(kāi)戶行”屬性，因而存在普通屬性對(duì)聯(lián)合標(biāo)識(shí)的部分依賴，不符合該要求。

（3）3NF：要求數(shù)據(jù)實(shí)體的普通屬性間不能存在傳遞依賴，本范式所要解決的是普通屬性的互相依賴問(wèn)題。如一個(gè)表中有如下屬性：“職工號(hào)”“職工姓名”“所屬部門(mén)”“部門(mén)辦公電話”“部門(mén)經(jīng)理”因?yàn)槠胀▽傩浴安块T(mén)辦公電話”“部門(mén)經(jīng)理”“所屬部門(mén)”三者間存在依賴關(guān)系，“所屬部門(mén)”屬性可直接決定“部門(mén)辦公電話”與“部門(mén)經(jīng)理”，因而數(shù)據(jù)表該不符合該要求。

4 性能與理論范式平衡點(diǎn)

數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域有兩種崗位，一種是數(shù)據(jù)庫(kù)管理員崗位（ DatabaseAdministrator，DBA），另一種是數(shù)據(jù)庫(kù)編程開(kāi)發(fā)人員崗位（Database Programming，DBP），作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理員，希望所有的存儲(chǔ)方案能盡可能是范式原則理想狀態(tài)下最佳實(shí)現(xiàn)，以便以日后數(shù)據(jù)維護(hù)方便、清晰；而作為一名數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)人員，在為應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)方案時(shí)（數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方案），總是希望盡可能地提高存儲(chǔ)方案性能與效率，但在提高性能與效率的同時(shí)，總是不可避免地要以違反理論范式為代價(jià)。就如編程界在提高應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)并發(fā)數(shù)量級(jí)與維護(hù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性一樣，程序?qū)崟r(shí)并發(fā)數(shù)量級(jí)提高了，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度就得不到保障，若要提升數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，則不得不降低應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)并發(fā)數(shù)，究竟應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)并發(fā)數(shù)量級(jí)與數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度，誰(shuí)輕誰(shuí)重要，在業(yè)界沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但有一個(gè)重要原則就是根據(jù)實(shí)際需求來(lái)取舍兩者的權(quán)重。

同樣的道理在進(jìn)行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)時(shí)，并不能一概而論，是提升存儲(chǔ)方案的性能效率重要，還是保證理論范式原則完美、完整性重要；一般來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行表實(shí)體設(shè)計(jì)時(shí)，為了提升性能，避免頻繁的表聯(lián)結(jié)操作，一般會(huì)考慮在主要業(yè)務(wù)實(shí)體中適當(dāng)冗余其他次要業(yè)務(wù)的關(guān)鍵信息，以降低表聯(lián)結(jié)操作對(duì)系統(tǒng)性能所造成的額外開(kāi)銷。這雖然在一定程度上破壞了實(shí)體的范式原則，卻是允許和可接受的，特別是在大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)體中，進(jìn)行響應(yīng)優(yōu)化時(shí)特別重要；當(dāng)然為了保證業(yè)務(wù)實(shí)體的科學(xué)合、理性，也不能完全拋開(kāi)范式原理，一味追求性能，從而造成實(shí)體過(guò)分冗余而導(dǎo)致存儲(chǔ)方案變得非常糟糕而難以維護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案是信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)必不可少的環(huán)節(jié)，方案優(yōu)勢(shì)將會(huì)成為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期中的一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，合理的存儲(chǔ)方案將極大地降低開(kāi)發(fā)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，反之則會(huì)極大地提升系統(tǒng)開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中既要考慮客戶的需求，同時(shí)也要考慮相關(guān)的理論原則，只有兩者相結(jié)合，才能提供合理、合格的存儲(chǔ)方案。

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