数据库设计中，物理结构设计 是确保数据库高效存储和快速访问的关键一步。虽然数据库的物理结构依赖于所选的数据库管理系统（DBMS），但理解并合理设计数据库的物理结构，是每个数据库设计人员必须掌握的技能。本文将深入浅出地为你解析数据库物理结构设计的核心内容，帮助你轻松掌握这一重要概念。

什么是数据库的物理结构？

简单来说，数据库的物理结构 是指数据库在物理设备上的存储结构与存取方法。它决定了数据库如何存储数据以及如何快速检索数据。物理结构设计的目的是为一个给定的逻辑数据模型选取最适合应用需求的物理结构，从而确保数据库高效运行。

物理结构设计的两大步骤

数据库的物理结构设计 通常包括两个主要步骤：

1. 确定数据库的物理结构：包括选择适合的存取方法和存储结构。
2. 评价物理结构：重点评估时间效率和空间效率。

因为物理结构设计与具体的DBMS密切相关，且不同的DBMS提供了不同的物理环境、存取方法和存储结构，因此物理结构设计没有统一的方法。在设计之前，必须了解所选DBMS的特点和应用环境的特殊性。

数据库物理结构设计的核心内容

本文将重点讨论关系型数据库 的物理结构设计，其主要内容包括：

1. 选择关系模式存取方法
2. 设计关系及索引的物理存储结构
3. 评价物理结构

第一步：选择关系模式存取方法

数据库系统是多用户共享 的，因此必须选择有效的存取方法来满足用户的快速存取需求。为了实现这一目标，通常会为同一关系建立多条存取路径。

常用的存取方法 主要包括：

• 索引存取方法
• 聚簇存取方法
• Hash存取方法

1. 索引存取方法的选择

索引存取方法 是通过在特定的属性列上建立索引，来加快查询速度。索引的选择通常基于以下几种情况：

• 经常出现在查询条件中的属性：如果某个属性经常被用作查询条件，则考虑在该属性上建立索引。
• 聚集函数参数：如果某个属性经常用于最大值、最小值等聚集函数，则应在该属性上建立索引。
• 连接条件：如果某个属性经常用于连接操作，则应考虑为该属性建立索引。

注意： 虽然索引可以提高查询效率，但并不是越多越好。索引本身占用磁盘空间，而且系统在维护索引时也要付出额外的代价，尤其是在数据频繁更新的关系上，过多的索引会影响性能。

举例：

在一个Teach数据库 中，如果经常查询不同职称的教师信息，可以在教师关系的职称 字段上建立索引。

2. 聚簇存取方法的选择

聚簇存取方法 是将具有相同聚簇码的元组集中存放在连续的物理块中，从而提高查询速度。聚簇方法不仅适用于单个关系，还适用于经常进行连接操作的多个关系。

举例：

假设我们要查询编号为“D1”的计算机学院的所有学生名单。如果计算机学院有500名学生，且这些学生的数据记录分布在500个不同的物理块上，即使有索引，查询时仍需要访问500个物理块，执行500次I/O操作。但如果将这些学生的数据集中存放在连续的物理块上，每次I/O操作可以获取多条满足查询条件的记录，从而显著减少访问磁盘的次数。

设计聚簇的原则：

• 经常连接的关系 可以放在同一个聚簇中。
• 经常出现在相等比较条件中的属性 可以建立聚簇。
• 重复率高的属性 适合建立聚簇。

3. Hash存取方法的选择

Hash存取方法 是根据查询条件的值，通过Hash函数计算查询记录的地址，从而减少数据存取的I/O次数，加快存取速度。但并非所有关系都适合使用Hash存取方法。

选择Hash存取方法的原则：

• 适用于静态关系，而不是经常更新的关系。
• 关系的大小可预知且不变。
• 查询条件是相等的比较，而不是范围查询。

第二步：确定数据库的存储结构

确定数据库的存储结构主要包括数据的存放位置 和系统配置 的确定。

1. 确定数据的存放位置

为了提高系统性能，应根据应用情况将数据的易变部分与稳定部分、经常存取部分与存取频率较低部分分开存放。如果系统采用多个磁盘和磁盘阵列，可以将关系和索引分别存放在不同的磁盘上，以提高I/O读写速度。

举例：

为了系统的安全性，通常会将日志文件和重要的系统文件存放在多个磁盘上，互为备份，以防止数据丢失。

2. 确定系统配置

DBMS产品通常提供多种存储分配参数，供数据库设计人员进行物理优化。这些参数包括：

• 同时使用数据库的用户数
• 内存分配参数
• 缓冲区分配参数
• 物理块的大小
• 物理块装填因子
• 时间片大小
• 锁的数目

虽然这些参数值有系统默认值，但在实际应用中，设计人员应根据具体需求对这些参数进行调整，以改善系统性能。

第三步：物理结构的评价

在完成数据库的物理结构设计后，设计人员需要对设计方案进行评价，重点考量时间效率、空间效率 和维护代价。物理结构评价的目的是从多个设计方案中选择出最优的方案。

评价方法：

• 定量估算 各种方案的存储空间、存取时间和维护代价。
• 根据评估结果进行权衡和比较，选择一个较优的物理结构。

注意： 如果选择的物理结构不符合用户需求，可能需要重新修改设计。

总结：物理结构设计的关键点

数据库的物理结构设计 是确保数据库高效运行的关键步骤。通过合理选择存取方法、设计存储结构，并进行细致的评价，数据库设计人员可以大大提升数据库的性能。