4.1 數據庫應用系統的開發步驟
60年代末提出了軟件工程的思想。軟件工程是開發、運行、維護和修正軟件的壹種系統方法，其目標是提高軟件質量和開發效率，降低開發成本。
數據庫應用系統的開發是壹項軟件工程。壹般可分為以下幾個階段：
1) 規劃
2) 需求分析
3) 概念模型設計
4) 邏輯設計
5) 物理設計
6) 程序編制及調試
7) 運行及維護。
這些階段的劃分目前尚無統壹的標準，各階段間相互聯接，而且常常需要回溯修正。
在數據庫應用系統的開發過程中，每個階段的工作成果就是寫出相應的文檔。每個階段都是在上壹階段工作成果的基礎上繼續進行，整個開發工程是有依據、有組織、有計劃、有條不紊地展開工作。
4.1.1 規劃
規劃的主要任務就是作必要性及可行性分析。
在收集整理有關資料的基礎上，要確定將建立的數據庫應用系統與周邊的關系，要對應用系統定位，其規模的大小、所處的地位、應起的作用均須作全面的分析和論證。
明確應用系統的基本功能，劃分數據庫支持的範圍。分析數據來源、數據采集的方式和範圍，研究數據結構的特點，估算數據量的大小，確立數據處理的基本要求和業務的規範標準。
規劃人力資源調配。對參與研制和以後維護系統運作的管理人員、技術人員的技術業務水平提出要求，對最終用戶、操作員的素質作出評估。
擬定設備配置方案。論證計算機、網絡和其他設備在時間、空間兩方面的處理能力，要有足夠的內外存容量，系統的響應速度、網絡傳輸和輸入輸出能力應滿足應用需求並留有余量。要選擇合適的OS,DBMS和其它軟件。設備配置方案要在使用要求、系統性能、購置成本和維護代價各方面綜合權衡。
對系統的開發、運行、維護的成本作出估算。預測系統效益的期望值。
擬定開發進度計劃，還要對現行工作模式如何向新系統過渡作出具體安排。
規劃階段的工作成果是寫出詳盡的可行性分析報告和數據庫應用系統規劃書。內容應包括：系統的定位及其功能、數據資源及數據處理能力、人力資源調配、設備配置方案、開發成本估算、開發進度計劃等。
可行性分析報告和數據庫應用系統規劃書經審定立項後，成為後續開發工作的總綱。
4.1.2 需求分析
需求分析大致可分成三步來完成。
(1) 需求信息的收集, 需求信息的收集壹般以機構設置和業務活動為主幹線，從高層中層到低層逐步展開
(2) 需求信息的分析整理, 對收集到的信息要做分析整理工作。數據流圖(DFD, data flow diagram)是業務流程及業務中數據聯系的形式描述。圖4.1是壹個簡單的DFD 示例。
數據字典(DD, data dictionary)詳細描述系統中的全部數據。
數據字典包含以下幾個部分。
· 數據項：是數據的原子單位。
· 數據組項：由若幹數據項組成。
· 數據流：表示某壹數據加工過程的輸入/輸出數據。
· 數據存儲：是處理過程中要存取的數據。
· 數據加工過程 數據加工過程的描述包括：數據加工過程名、說明、輸入、輸出、加工處理工作摘要、加工處理頻度、加工處理的數據量、響應時間要求等。
表4.1給出了數據字典中描述數據流的壹個例子。
數據流圖既是需求分析的工具，也是需求分析的成果之壹。數據字典是進行數據收集和數據分析的主要成果。
(3) 需求信息的評審. 開發過程中的每壹個階段都要經過評審，確認任務是否全部完成，避免或糾正工作中出現的錯誤和疏漏。聘請項目外的專家參與評審，可保證評審的質量和客觀性。
評審可能導致開發過程回溯，甚至會反復多次。但是，壹定要使全部的預期目標都達到才能讓需求分析階段的工作暫告壹個段落.
需求分析階段的工作成果是寫出壹份既切合實際又具有預見的需求說明書，並且附以壹整套詳盡的數據流圖和數據字典。
4.1.3 概念模型設計
概念模型不依賴於具體的計算機系統，他是純粹反映信息需求的概念結構。
建模是在需求分析結果的基礎上展開，常常要對數據進行抽象處理。常用的數據抽象方法是‘聚集’和‘概括’。
ER方法是設計概念模型時常用的方法。用設計好的ER圖再附以相應的說明書可作為階段成果
概念模型設計可分三步完成。
(1) 設計局部概念模型
① 確定局部概念模型的範圍
② 定義實體
③ 定義聯系
④ 確定屬性
⑤ 逐壹畫出所有的局部ER圖，並附以相應的說明文件
(2) 設計全局概念模型
建立全局ER圖的步驟如下：
① 確定公***實體類型
② 合並局部ER圖
③ 消除不壹致因素
④ 優化全局ER圖
⑤ 畫出全局ER圖，並附以相應的說明文件。
(3) 概念模型的評審
概念模型的評審分兩部分進行
第壹部分是用戶評審。
第二部分是開發人員評審。
4.1.4 邏輯設計
邏輯設計階段的主要目標是把概念模型轉換為具體計算機上DBMS所支持的結構數據模型。
邏輯設計的輸入要素包括：概念模式、用戶需求、約束條件、選用的DBMS的特性。
邏輯設計的輸出信息包括：DBMS可處理的模式和子模式、應用程序設計指南、物理設計指南。
(1) 設計模式與子模式
關系數據庫的模式設計可分四步完成。
① 建立初始關系模式
② 規範化處理
③ 模式評價
④ 修正模式
經過多次的模式評價和模式修正，確定最終的模式和子模式。
寫出邏輯數據庫結構說明書。
(2) 編寫應用程序設計指南
根據設計好的模式和應用需求，規劃應用程序的架構，設計應用程序的草圖，指定每個應用程序的數據存取功能和數據處理功能梗概，提供程序上的邏輯接口。
編寫出應用程序設計指南。
(3) 編寫物理設計指南。
根據設計好的模式和應用需求，整理出物理設計階段所需的壹些重要數據和文檔。例如，數據庫的數據容量、各個關系(文件)的數據容量、應用處理頻率、操作順序、響應速度、各個應用的LRA和TV、程序訪問路徑建議，等等。這些數據和要求將直接用於物理數據庫的設計。
編寫出物理設計指南。
4.1.5 物理設計
物理設計是對給定的邏輯數據模型配置壹個最適合應用環境的物理結構。
物理設計的輸入要素包括：模式和子模式、物理設計指南、硬件特性、OS和DBMS的約束、運行要求等。
物理設計的輸出信息主要是物理數據庫結構說明書。其內容包括物理數據庫結構、存儲記錄格式、存儲記錄位置分配及訪問方法等。
物理設計的步驟如下：
(1) 存儲記錄結構
設計綜合分析數據存儲要求和應用需求，設計存儲記錄格式。
(2) 存儲空間分配
存儲空間分配有兩個原則：
①存取頻度高的數據盡量安排在快速、隨機設備上，存取頻度低的數據則安排在速度較慢的設備上。
②相互依賴性強的數據盡量存儲在同壹臺設備上，且盡量安排在鄰近的存儲空間上。
從提高系統性能方面考慮，應將設計好的存儲記錄作為壹個整體合理地分配物理存儲區域。盡可能充分利用物理順序特點，把不同類型的存儲記錄指派到不同的物理群中。
(3) 訪問方法的設計
壹個訪問方法包括存儲結構和檢索機構兩部分。存儲結構限定了訪問存儲記錄時可以使用的訪問路徑；檢索機構定義了每個應用實際使用的訪問路徑。
(4) 物理設計的性能評價
① 查詢響應時間
從查詢開始到有結果顯示之間所經歷的時間稱為查詢響應時間。查詢響應時間可進壹步細分為服務時間、等待時間和延遲時間。
在物理設計過程中，要對系統的性能進行評價。性能評價包括時間、空間、效率、開銷等各個方面。
⊙ CPU服務時間和I/O服務時間的長短取決於應用程序設計。
⊙ CPU隊列等待時間和I/O隊列等待時間的長短受計算機系統作業的影響。
⊙ 設計者可以有限度地控制分布式數據庫系統的通信延遲時間。
② 存儲空間
存儲空間存放程序和數據。程序包括運行的應用程序、DBMS子程序、OS子程序等。數據包括用戶工作區、DBMS工作區、OS工作區、索引緩沖區、數據緩沖區等。
存儲空間分為主存空間和輔存空間。設計者只能有限度地控制主存空間，例如可指定緩沖區的分配等。但設計者能夠有效地控制輔存空間。
③ 開銷與效率
設計中還要考慮以下各種開銷，開銷增大，系統效率將下降。
⊙ 事務開銷指從事務開始到事務結束所耗用的時間。更新事務要修改索引、重寫物理塊、進行寫校驗等操作，增加了額外的開銷。更新頻度應列為設計的考慮因素。
⊙ 報告生成開銷指從數據輸入到有結果輸出這段時間。報告生成占用CPU及I/O的服務時間較長。設計中要進行篩選，除去不必要的報告生成。
⊙ 對數據庫的重組也是壹項大的開銷。設計中應考慮數據量和處理頻度這兩個因數，做到避免或盡量減少重組數據庫。
在物理設計階段，設計、評價、修改這個過程可能要反復多次，最終得到較為完善的物理數據庫結構說明書。
建立數據庫時，DBA依據物理數據庫結構說明書，使用DBMS提供的工具可以進行數據庫配置。
在數據庫運行時，DBA監察數據庫的各項性能，根據依據物理數據庫結構說明書的準則，及時進行修正和優化操作，保證數據庫系統能夠保持高效率地運行。
4.1.6 程序編制及調試
在邏輯數據庫結構確定以後，應用程序設計的編制就可以和物理設計並行地展開
程序模塊代碼通常先在模擬的環境下通過初步調試，然後再進行聯合調試。聯合調試的工作主要有以下幾點：
(1) 建立數據庫結構
根據邏輯設計和物理設計的結果，用DBMS提供的數據語言(DDL)編寫出數據庫的源模式，經編譯得到目標模式，執行目標模式即可建立實際的數據庫結構。
(2) 調試運行
數據庫結構建立後，裝入試驗數據，使數據庫進入調試運行階段。運行應用程序，測試
(3) 裝入實際的初始數據
在數據庫正式投入運行之前，還要做好以下幾項工作：
(1) 制定數據庫重新組織的可行方案。
(2) 制定故障恢復規範
(3) 制定系統的安全規範
4.1.7 運行和維護
數據庫正式投入運行後，運行維護階段的主要工作是：
(1) 維護數據庫的安全性與完整性。
按照制定的安全規範和故障恢復規範，在系統的安全出現問題時，及時調整授權和更改密碼。及時發現系統運行時出現的錯誤，迅速修改，確保系統正常運行。把數據庫的備份和轉儲作為日常的工作，壹旦發生故障，立即使用數據庫的最新備份予以恢復。
(2) 監察系統的性能。
運用DBMS提供的性能監察與分析工具，不斷地監控著系統的運行情況。當數據庫的存儲空間或響應時間等性能下降時，立即進行分析研究找出原因，並及時采取措施改進。例如，可通修改某些參數、整理碎片、調整存儲結構或重新組織數據庫等方法，使數據庫系統保持高效率地正常運作。
(3) 擴充系統的功能
在維持原有系統功能和性能的基礎上，適應環境和需求的變化，采納用戶的合理意見，對原有系統進行擴充，增加新的功能。