第6章

數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)講課內(nèi)容前面重點(diǎn)講述了數(shù)據(jù)庫的高層模型，主要集中在概念層(E-R模型)和邏輯層(關(guān)系模型)上。本章將簡單地介紹與DBMS底層密切相關(guān)的數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫性能的

好壞很大程度上取決于數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)，而不僅僅是關(guān)系模式設(shè)計(jì)的好壞、SQL語

句寫的好壞！■數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的六階段

■數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)1?/2■4/202物1理庫的物理組織

■數(shù)據(jù)的存1第6章

數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)什么是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)？對于一個(gè)給定的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)造最優(yōu)的數(shù)據(jù)庫模式，建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)，使之能夠有效地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，滿足用戶的各種需求(信息要求和處理要求)；是建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)，是信息系統(tǒng)開發(fā)和建設(shè)的核心技術(shù)；既是一項(xiàng)涉及多學(xué)科的綜合性技術(shù)，又是一項(xiàng)龐大的工程項(xiàng)目：“三分技術(shù)，七分管理，十二分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)”是數(shù)據(jù)庫建設(shè)的基本規(guī)律！1/24/2021

2第6章

數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)問題一應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)之間的關(guān)系是什么？1/24/20213第6章

數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)傳統(tǒng)上數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)只是應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分，《軟件工程》課會(huì)講述；二者可以同時(shí)進(jìn)行；二者要相互參照、相互補(bǔ)充。發(fā)展趨勢數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是核心；應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)以數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)為中心，圍繞著數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)而進(jìn)行。1/24/20214第6章

數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)問題二數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DBS)或者說應(yīng)用系統(tǒng)的性能調(diào)整可以在幾個(gè)層次上進(jìn)行？1/24/20215第6章

數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)硬件不同的硬件：PC、小型機(jī)、大型機(jī)、機(jī)群同一硬件：內(nèi)存、CPU、硬盤大小、陣列系統(tǒng)軟件與硬件密切相關(guān)：WINDOWS、UNIX、LINUXDBMS的選擇與參數(shù)調(diào)整：緩沖區(qū)大小、檢查點(diǎn)的頻率數(shù)據(jù)庫的高層設(shè)計(jì)1?/2邏4/202輯1設(shè)計(jì)：模式的規(guī)范化與數(shù)據(jù)劃分…6第6章

數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)劃分Course_schema=(course_name,course_location,

course_capacity)水平劃分根據(jù)課程容量為小于30人、30-80人、80人以上將相關(guān)的表劃分成三個(gè)子表，以便排課。垂直劃分Course_schema=(course_name,1?/2c4/o202u1

rse_location)7§6.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的六階段數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的六個(gè)階段需求分析：數(shù)據(jù)、功能和性能概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：E-R模型與E-R圖邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：將E-R圖轉(zhuǎn)換成關(guān)系表數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計(jì)：存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與存取路徑，數(shù)據(jù)的劃分與分布數(shù)據(jù)庫的實(shí)施：編程、測試和試運(yùn)行數(shù)據(jù)庫運(yùn)行與維護(hù)：監(jiān)控與分析、備份與恢復(fù)、重組織與重構(gòu)造、安全性控制與完整性控制等等1/24/2021

8§6.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的六階段圖示需求收集和分析設(shè)計(jì)概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)邏輯結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)物理結(jié)構(gòu)評價(jià)設(shè)計(jì)，性能預(yù)測物理實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)性運(yùn)行使用、維護(hù)數(shù)據(jù)庫1/24/20219§6.1數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的六階段數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的三個(gè)主要階段概念設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的三級模式結(jié)構(gòu)外模式(子模式、用戶模式)是數(shù)據(jù)庫用戶看到自己的數(shù)據(jù)視圖模式(邏輯模式)是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特性的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)模式(物理模式、存儲(chǔ)模式)?1是/24/2數(shù)021據(jù)庫全體數(shù)據(jù)的內(nèi)部表示或者底層描述10

，§6.2數(shù)據(jù)庫的物理組織數(shù)據(jù)庫與操作系統(tǒng)文件數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是文件系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是操作系統(tǒng)的文件；對數(shù)據(jù)庫的任何操作最終都要轉(zhuǎn)化為對操作系統(tǒng)文件的操作。物理組織的基本問題如何設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的文件組織如何設(shè)計(jì)文件中記錄的組織方式1/24/202111§6.2數(shù)據(jù)庫的物理組織舉例在MS

SQL

Server

2000中，一個(gè)數(shù)據(jù)庫是由三個(gè)操作系統(tǒng)文件構(gòu)成的，它們分別是：主數(shù)據(jù)文件：*.MDF次數(shù)據(jù)文件：*.NDF日志文件：*.LDF這些信息存儲(chǔ)在sysfiles系統(tǒng)表中。在MS

SQL

Server

2000中，一個(gè)表中的記錄按以下兩種方式進(jìn)行組織：?1堆/24/2(021Heap)：無序12§6.2數(shù)據(jù)庫的物理組織物理組織的對象元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)索引日志物理組織的目標(biāo)存儲(chǔ)效率要高，能節(jié)省存儲(chǔ)空間；存取效率要高，速度快、代價(jià)小，可節(jié)省存取1/24時(shí)/2021間。13§6.3物理設(shè)計(jì)的內(nèi)容物理設(shè)計(jì)的內(nèi)容確定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，選擇DBMS……確定數(shù)據(jù)的物理分布(包括數(shù)據(jù)劃分)；為數(shù)據(jù)選擇存取路徑，即索引的設(shè)計(jì)；調(diào)整和優(yōu)化數(shù)據(jù)庫的性能，如調(diào)整DBMS的某些選項(xiàng)和參數(shù)的設(shè)置。物理設(shè)計(jì)的特點(diǎn)不直接面向最終用戶；一般的用戶不需要了解物理設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)；?1物/24/2理021設(shè)計(jì)可以不考慮用戶理解的方便性。14§6.4物理設(shè)計(jì)的目標(biāo)主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)有

一是提高數(shù)據(jù)庫的性能，特別是滿足主要應(yīng)用的性能要求；二是有效地利用存儲(chǔ)空間。

在這兩個(gè)目標(biāo)中，第一個(gè)目標(biāo)更為重要，因?yàn)樾阅芤廊皇钱?dāng)今數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，而存儲(chǔ)介質(zhì)卻越來越便宜。1/24/202115§6.5數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫文件組織及其結(jié)構(gòu)：按照數(shù)據(jù)、索引、日志來組織文件；在邏輯上數(shù)據(jù)庫文件是頁的集合；記錄的組織與結(jié)構(gòu)文件中記錄的組織有多種形式：堆、散列、簇集、順序、B樹類記錄的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)：定長記錄變長記錄?1/24混/2021合記錄16層次關(guān)系集中式分布式并行的移動(dòng)的?1/24X/2M021L(DB2:雙引擎)§6.5數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

確定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的過程就是一個(gè)選擇什么樣的DBMS的過程：網(wǎng)狀一旦DBMS確定之后，數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)就確定了。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員在這方面能做的事情有限。有些DBMS也提供了一定的靈活性，如create

cluster、createindex等17§6.5數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)確定存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的主要因素存取時(shí)間維護(hù)代價(jià)存儲(chǔ)空間利用率

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員常常要對這些因素進(jìn)行權(quán)衡，一般的DBMS也總是具有一定的靈活

性供你選擇。例如，簇集是把有關(guān)的記錄集中在一個(gè)物理塊內(nèi)或物理上相鄰的區(qū)域內(nèi)存放。1/24/202118§6.6數(shù)據(jù)的存取路徑為什么需要存取路徑？

數(shù)據(jù)庫必須支持多個(gè)用戶的多種應(yīng)用，因而也就必須提供對數(shù)據(jù)訪問的多個(gè)入口。也就是說，對存儲(chǔ)在磁盤上的同一數(shù)據(jù)要提供多條存取路徑。存取路徑的實(shí)現(xiàn)方法索引方法：INDEX

B+樹索引方法是關(guān)系數(shù)據(jù)庫中經(jīng)典的索引存取方法，使用非常普遍。簇集方法：CLUSTER(ORACLE)1/24/2021

19哈希方法：HASH（內(nèi)存/外存）§6.6數(shù)據(jù)的存取路徑關(guān)系數(shù)據(jù)庫中存取路徑的特點(diǎn)存取路徑和數(shù)據(jù)是分離的，對用戶來說是不可見的；存取路徑可以由用戶建立、刪除，也可以由系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地建立、刪除。例如：在執(zhí)行查詢時(shí)，DBMS的查詢優(yōu)化器會(huì)根據(jù)優(yōu)化策略自動(dòng)地建立索引，以提高查詢的執(zhí)行效率；存取路徑的物理結(jié)構(gòu)通常是順序文件、Ｂ+樹文件或散列文件的形式。1/24/2021

20§6.7物理設(shè)計(jì)的相關(guān)因素應(yīng)用的需求應(yīng)用中事務(wù)的內(nèi)容和事務(wù)出現(xiàn)的頻率如何？應(yīng)用需求如何隨著應(yīng)用環(huán)境的變化而變化？數(shù)據(jù)的特性數(shù)據(jù)庫中某個(gè)屬性值的分布、記錄的長度及個(gè)數(shù)等等；數(shù)據(jù)的特性是如何隨著數(shù)據(jù)庫狀態(tài)和應(yīng)用需求的變化而變化？但是，在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的開始階段很難準(zhǔn)確估計(jì)數(shù)據(jù)的特性。1/24/2021

21§6.7物理設(shè)計(jì)的相關(guān)因素綜合因素在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)時(shí)還必須考慮

DBMS、操作系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)硬件的特性：DBMS只是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)負(fù)荷的一部分；DBS的性能不但取決于數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，而且與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境有關(guān)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是單用戶的還是多用戶的？數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是分布的還是集中的？磁盤是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)專用的，還是全系統(tǒng)共享的？諸如此類的問題……1/24/2021

22§6.7物理設(shè)計(jì)的相關(guān)因素物理設(shè)計(jì)的調(diào)整在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)時(shí)，可供選擇的方案很多。例如：各種文件結(jié)構(gòu)和存取路徑的選擇，就可以形成龐大的組合；要窮盡各種可能，尋求最佳設(shè)計(jì)，是不可能的。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)和一般產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不一樣：數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)只提供一個(gè)初始設(shè)計(jì)，在數(shù)據(jù)庫運(yùn)行過程中根據(jù)用戶的要求和實(shí)際情況不斷地調(diào)整；1/24/2021

23§6.7物理設(shè)計(jì)的相關(guān)因素物理設(shè)計(jì)的過程不斷變化的需求貫穿著整個(gè)應(yīng)用的開發(fā)：物理設(shè)計(jì)是一個(gè)螺旋上升的過程，當(dāng)然有時(shí)也會(huì)有反復(fù)，即推倒重來。物理設(shè)計(jì)的工具直到最近DBMS才提供工具幫助人們進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的物理設(shè)計(jì)和調(diào)整：微軟的SQL

Server有一個(gè)調(diào)整向?qū)В梢詫λ饕纳珊蛣h除給出建議；IBM

DB2

V6也有一個(gè)調(diào)整向?qū)В琌racle1/24/2021Expert對全局的參數(shù)給出一個(gè)推薦的值。24舉例：全國人口查詢系統(tǒng)1/24/202125全國人口查詢系統(tǒng)問題描述公安部準(zhǔn)備將全國各省市的人口基本信息采集入庫，目前已確定每個(gè)具有身份證的年滿

16歲的中華人民共和國公民的基本信息包括兩部分：文本信息：大約150K個(gè)字節(jié)圖象信息：大約50K個(gè)字節(jié)建成后的系統(tǒng)供全國所有可能的用戶使用：企業(yè)、學(xué)校、政府、旅店和其他……?1系/24/2統(tǒng)021的主要功能就是按照條件進(jìn)行查詢；系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)不會(huì)頻繁地被更新！26全國人口查詢系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題對于這樣一個(gè)要求十分簡單的查詢系統(tǒng)，你認(rèn)為數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是什么？1/24/202127全國人口查詢系統(tǒng)海量信息的問題如果系統(tǒng)只包含13萬人口的信息，那么系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將會(huì)比較簡單；假設(shè)數(shù)據(jù)庫將全國13億人口的信息都將存入系統(tǒng)，那么這個(gè)數(shù)據(jù)庫的容量將達(dá)到多少？量變引起了質(zhì)變系統(tǒng)的響應(yīng)速度問題：要在很短的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)每個(gè)事務(wù)系統(tǒng)的吞吐量問題要在單位時(shí)間內(nèi)處理大量事務(wù)1/24/202128全國人口查詢系統(tǒng)采用什么樣的硬件結(jié)構(gòu)？因?yàn)橥瑫r(shí)訪問這個(gè)系統(tǒng)的并發(fā)用戶非常多，為了保證用戶查詢的響應(yīng)時(shí)間，系統(tǒng)必須支持并行計(jì)算。因此可以采用支持并行計(jì)算的大型計(jì)算機(jī)：IBM的大型機(jī)機(jī)群系統(tǒng)同時(shí)還要考慮系統(tǒng)總線的吞吐量和磁盤陣列I/O的吞吐量。1/24/2021

29全國人口查詢系統(tǒng)選用什么樣的DBMS？有沒有商用的DBMS可以管理這樣容量達(dá)幾百T的數(shù)據(jù)？ORACLE號稱可以管理1024TB的數(shù)據(jù)庫，但是實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)最大數(shù)據(jù)庫只有5-15TB；SQL

SERVER號稱可以管理1048516TB的數(shù)

據(jù)庫，但目前最大的數(shù)據(jù)庫是Jim

Gray……解決辦法需要將這些數(shù)據(jù)放到幾十個(gè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中去，而不是一個(gè)DBMS下的幾十個(gè)數(shù)據(jù)庫；1/24/2021

30必須選擇那些支持?jǐn)?shù)據(jù)分布和并行計(jì)算，并全國人口查詢系統(tǒng)數(shù)據(jù)分布與劃分全國31個(gè)省市自然而然就構(gòu)成了數(shù)據(jù)的一種分布方式：31個(gè)DBMSs；而在一個(gè)省內(nèi)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)可以按照性別和年齡等屬性進(jìn)行劃分，將數(shù)據(jù)放在不同的磁盤上。查詢系統(tǒng)可以充分利用數(shù)1/24據(jù)/2021的分布與劃分來滿足性能上的要求！男女性別年齡16～3536～5556以上例如“查找一個(gè)名叫馮建華的男性青年”索引？數(shù)據(jù)集中存放31全國人口查詢系統(tǒng)應(yīng)用邏輯的處理如何在31個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之上給程序員提供更好的應(yīng)用編程環(huán)境呢？程序員自己編寫應(yīng)用邏輯控制程序；利用數(shù)據(jù)倉庫管理系統(tǒng)；利用聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。1/24/2021查找一個(gè)名叫馮建華的男性青年數(shù)據(jù)集中存放