【数据库原理】（32）数据库设计-数据库物理设计

数据库的物理设计是数据库设计过程中至关重要的一个阶段。其核心目标是选择一个适合应用环境的物理结构，以满足特定的性能、存储和访问需求。这一阶段涉及的关键任务可以分为两个主要步骤：

1. 确定数据的物理结构

• 存储结构和存取方法的选择：这包括决定数据在物理设备上如何存储（例如，使用何种文件系统或数据库存储引擎）以及如何访问这些数据（例如，选择合适的索引结构）。
• 存储空间的优化：要确保数据存储尽可能高效，同时保证所需的存储空间。
• 存取策略的确定：考虑查询的类型和频率，选择最优的数据组织和访问方法，以减少IO操作和提高响应速度。

2. 对物理结构进行评价

• 性能评估：评估所选物理结构在实际操作中的表现，包括响应时间和事务处理效率。
• 调整与优化：如果现有物理结构不能满足预定的性能指标，需要进行调整或重新设计。在某些情况下，甚至可能需要回到逻辑设计阶段对数据模型进行修改。

一.数据库物理设计的内容和方法

由于不同数据库产品提供的物理环境、存取方法和存储结构各异，物理设计没有一种通用的方法，但可以遵循以下原则和内容：

1. 详细分析运行的事务：理解事务的类型、运行频率和性能要求，以便选择合适的物理设计参数。
2. 了解DBMS的功能和物理环境：充分了解所选DBMS提供的存储结构和访问方法。
3. 选择存取方法和存储结构：基于上述分析，确定如何存储数据库中的关系、索引、聚簇、日志和备份等。
4. 系统配置的确定：考虑硬件配置和网络环境，以优化数据库的整体性能。

例如，如果一个事务的要求是在5秒内完成，则存取方法的选择必须能够支持这一要求。考虑到事务的需求可能会发生变化，数据库物理结构也需要具备一定的灵活性和可调整性。

二.关系模式存取方法的选择

在关系数据库中，合理地选择存取方法是物理设计的重要部分，它直接影响着数据库的性能。主要包括索引存取方法、聚簇存取方法和HASH方法等。每种方法都有其适用场景和优势。

1. 索引存取方法的选择

索引是一种常用的数据存取方法，它允许数据库系统快速找到存储在某个表中的特定数据项。索引的选择原则包括：

• 属性在查询条件中的频繁出现：如果某个属性经常用于查询条件，那么在这个属性上建立索引是有益的。
• 属性在聚集函数中的使用：如果某个属性经常作为聚集函数（如MAX, MIN）的参数，那么在这个属性上建立索引也是有益的。
• 属性在连接操作中的使用：如果某个属性经常用于连接条件，那么在这个属性上建立索引可以提高连接操作的效率。
• 索引数量的权衡：索引虽然可以提高查询效率，但过多的索引会增加数据更新的开销，因此需要在索引的好处与其维护成本之间进行权衡。

2. 聚簇存取方法的选择

聚簇是另一种存取方法，它通过将相同或相似的数据存储在物理上相邻的位置来提高查询效率。聚簇的选择原则包括：

• 关系间的频繁连接操作：经常一起进行连接操作的关系可以考虑建立聚簇。
• 属性值的重复率和查询频率：如果某个关系的一个或多个属性值具有高重复率，并且这些属性经常出现在查询条件中，那么对该关系建立聚簇是有益的。
• 聚簇码的选择：选择作为聚簇码的属性时，应该考虑其值的稳定性和修改的频率，以减少维护成本。

3. HASH 方法的选择

HASH方法是基于散列技术的存取方法，适用于快速数据检索。它通常用于等值查询，其中数据位置可以通过哈希函数直接计算得到。

注意事项

• 性能与维护成本的平衡：在选择存取方法时，需要权衡其带来的性能提升与额外维护成本之间的关系。
• 事务需求的分析：根据数据库事务的特性和需求来选择最适合的存取方法。
• 数据库系统的特性：考虑所使用的数据库管理系统的特性和限制，选择最适合该系统的存取方法。

综上所述，关系模式的存取方法选择是一个复杂但至关重要的过程，它需要数据库设计师根据具体应用的需求和数据库的特性来综合考虑。

三.确定数据库的存储结构

确定数据的存放位置和存储结构需要综合考虑存取时间、存储空间利用率和维护代价，这些因素往往相互矛盾，需要通过合理的权衡找到最优解。

1. 确定数据的存放位置

数据存放位置的选择对系统性能有显著影响。以下是一些常见的考虑因素：

• 表和索引的分布：将表和索引放置在不同的物理磁盘上可以提高I/O效率，因为这允许并行读写操作。
• 大表的分配：将大型表分布在不同的磁盘上可以加快存取速度，特别是在多用户环境下。
• 日志文件和备份文件的位置：将日志文件、备份文件与数据库对象分开存放，有助于提高系统的整体性能。
• 存储设备的选择：频繁存取或对快速存取有高要求的数据应存储在高速存储设备上，如SSD或高速硬盘，而备份和日志文件等较少访问的数据可以存储在容量较大但速度较慢的存储设备上。

2. 确定系统配置

在物理设计过程中，重要的一步是调整DBMS的系统配置变量和存储分配参数。这些调整需要基于应用环境的具体需求来进行：

• 系统配置变量：如用户并发数、数据库对象数、内存和缓冲区分配等。
• 存储参数：如物理块大小、装填因子等。
• 动态调整：在系统运行后根据实际运行情况进一步调整这些参数，以优化系统性能。

3. 评价物理结构

在设计过程中，还需要评估所选方案的性能。主要考虑的方面包括：

• 查询和响应时间：影响因素包括CPU服务时间、I/O服务时间、等待时间等。
• 更新事务的开销：涉及修改索引、重写数据块等。
• 报告生成的开销：包括数据检索、排序和显示等。
• 存储空间开销：既包括主存储空间也包括辅助存储空间。

在进行物理设计时，数据库设计师应充分利用DBMS提供的工具和参数选项，根据具体的应用场景和性能需求，制定合适的存储策略和配置方案。同时，应不断监控系统性能，根据实际运行情况适时调整设计参数，以确保数据库系统在整个生命周期内保持最佳性能。