1、 數據模型是客觀事物及其聯系的數據描述，它應具有描述數據模型是客觀事物及其聯系的數據描述，它應具有描述數據和數據聯系兩方面的功能。組成數據模型的三要素是數據數據和數據聯系兩方面的功能。組成數據模型的三要素是數據結構、數據操作和數據的完整性約束條件。結構、數據操作和數據的完整性約束條件。 數據模型可以形式化地表示為：數據模型可以形式化地表示為： DM=(R，L) 其中，其中，DM（Data Model）是數據模型的英文簡稱；）是數據模型的英文簡稱；R代代表記錄型集合；表記錄型集合；L代表不同記錄型聯系的集合。代表不同記錄型聯系的集合。 例如，在學生選課問題中，例如，在學生選課問題中，R是學生和課

2、程兩個記錄型的是學生和課程兩個記錄型的集合，集合，L是它們之間的聯系，即為是它們之間的聯系，即為“選修選修”聯系。聯系。2.1 什么是數據模型什么是數據模型 在數據庫中用數據模型這個工具來在數據庫中用數據模型這個工具來抽象、表示抽象、表示和處理和處理現實世界中的數據和信息。現實世界中的數據和信息。 通俗地講數據模型就是現實世界的模擬。通俗地講數據模型就是現實世界的模擬。 數據模型應滿足三方面要求數據模型應滿足三方面要求 能比較能比較真實地真實地模擬現實世界模擬現實世界 容易容易為人所理解為人所理解 便于在便于在計算機上計算機上實現實現 不同的數據模型實際上是提供模型化數據和信息不同的數據模型實

3、際上是提供模型化數據和信息的不同工具。根據模型應用的的不同工具。根據模型應用的不同目的不同目的，可以將，可以將這些模型劃分為兩類，它們分屬于兩個不同的層這些模型劃分為兩類，它們分屬于兩個不同的層次。次。 第一類模型是第一類模型是概念模型概念模型，也稱信息模型，也稱信息模型，它是按用戶的觀點來對數據和信息建模，主要用它是按用戶的觀點來對數據和信息建模，主要用于數據庫設計。于數據庫設計。 另一類模型是另一類模型是數據模型數據模型邏輯模型和物理模邏輯模型和物理模型型 ，主要包括網狀模型、層次模型、關系模型等，主要包括網狀模型、層次模型、關系模型等，它是按計算機系統的觀點對數據建模，主要用于它是按計算

4、機系統的觀點對數據建模，主要用于DBMS的實現。的實現。 對數據的描述應指出在模型中包含哪些記錄型，并對記對數據的描述應指出在模型中包含哪些記錄型，并對記錄型進行命名；指明各個記錄型由哪些數據項構成，并對數錄型進行命名；指明各個記錄型由哪些數據項構成，并對數據項進行命名，每個數據項均需指明其數據類型和取值范圍，據項進行命名，每個數據項均需指明其數據類型和取值范圍，這是數據完整性約束所必需的。這是數據完整性約束所必需的。 例如，在前面的學生選課問題中，學生記錄型例如，在前面的學生選課問題中，學生記錄型S為（學號為（學號,姓名姓名,性別性別,班號），課程記錄型班號），課程記錄型C為（課程號為（課程

5、號,課程名課程名,任課教任課教師）。如學號由長度為師）。如學號由長度為10的字符型數據構成，性別只能取的字符型數據構成，性別只能取“男男”或或“女女”。2.1.1 數據的描述數據的描述 對數據間聯系的描述要指明各個不同記錄型間所存在的對數據間聯系的描述要指明各個不同記錄型間所存在的聯系和聯系方式。聯系和聯系方式。 數據模型中的數據模型中的“聯系聯系”是一種特殊類型記錄，通常還要是一種特殊類型記錄，通常還要對這種對這種“聯系聯系”進行命名。數據庫系統與文件系統本質不進行命名。數據庫系統與文件系統本質不同就表現在數據庫中各個記錄是互相聯系的，正是通過這同就表現在數據庫中各個記錄是互相聯系的，正是通

6、過這種聯系，數據庫才能支持訪問不同類型記錄的數據，并提種聯系，數據庫才能支持訪問不同類型記錄的數據，并提高數據訪問的效率高數據訪問的效率 例如，在前面的學生選課問題中，例如，在前面的學生選課問題中，“選修選修”聯系將多聯系將多個學生記錄與多個課程記錄關聯起來，即多個學生可以選個學生記錄與多個課程記錄關聯起來，即多個學生可以選修同一門課程，一個學生也可以選修多門課程。修同一門課程，一個學生也可以選修多門課程。2.1.2 數據間聯系的描述數據間聯系的描述 計算機只能處理數據，所以首先要解決的問題是按用戶計算機只能處理數據，所以首先要解決的問題是按用戶的觀點對數據和信息建模，然后按計算機系統的觀點對

7、數據的觀點對數據和信息建模，然后按計算機系統的觀點對數據建模。圖建模。圖2.1所示的是現實世界客觀對象的抽象過程。所示的是現實世界客觀對象的抽象過程。 概念模型概念模型實際上是現實世界到機器世界的一個中間層實際上是現實世界到機器世界的一個中間層次。概念模型用于信息世界的建模，是現實世界的第一層次。概念模型用于信息世界的建模，是現實世界的第一層抽象，是數據庫設計人員進行數據庫設計的有力工具。抽象，是數據庫設計人員進行數據庫設計的有力工具。 2.2 概念模型概念模型l 實體（實體（Entity）:客觀存在并可相互區別的事物稱為實客觀存在并可相互區別的事物稱為實體。體。 l 屬性（屬性（Attrib

8、ute）:實體所具有的某一特性稱為屬性。實體所具有的某一特性稱為屬性。 l 碼（碼（Key）:碼有時也稱關鍵字。所謂碼，是指在實體碼有時也稱關鍵字。所謂碼，是指在實體屬性中，可用于區別實體中不同個體的一個屬性或幾屬性中，可用于區別實體中不同個體的一個屬性或幾個屬性的組合，稱為該實體集的個屬性的組合，稱為該實體集的“碼碼”。 l 域（域（Domain）:屬性的取值范圍稱為該屬性的域。屬性的取值范圍稱為該屬性的域。 l 實體型（實體型（Entity Type）:具有相同屬性的實體必然具具有相同屬性的實體必然具有共同的特征和性質。用實體名及其屬性名集合來抽有共同的特征和性質。用實體名及其屬性名集合來

9、抽象和刻畫同類實體，稱為實體型。象和刻畫同類實體，稱為實體型。l 實體集（實體集（Entity Set）:同型實體的集合稱為實體集。同型實體的集合稱為實體集。2.2.1 信息世界中的基本概念信息世界中的基本概念在現實世界中，事物內部以及事物之間是有聯系的，這些聯在現實世界中，事物內部以及事物之間是有聯系的，這些聯系在信息世界中反映為實體（型）內部的聯系和實體（型）系在信息世界中反映為實體（型）內部的聯系和實體（型）之間的聯系。實體內部的聯系通常是指組成實體的各屬性之之間的聯系。實體內部的聯系通常是指組成實體的各屬性之間的聯系。實體之間的聯系通常是指不同實體集之間的聯系。間的聯系。實體之間的聯系

10、通常是指不同實體集之間的聯系。 兩個實體集之間的聯系可以分為以下兩個實體集之間的聯系可以分為以下3類：類：l一對一聯系（簡記為一對一聯系（簡記為1：1）l一對多聯系（簡記為一對多聯系（簡記為1：n）l多對多聯系（簡記為多對多聯系（簡記為m：n）2.2.2 實體間的聯系方式實體間的聯系方式1. 1：1聯系聯系 如果對于實體集如果對于實體集A中的每一個實體，實體集中的每一個實體，實體集B中至多有一中至多有一個（也可以沒有）實體與之聯系，反之亦然，則稱實體集個（也可以沒有）實體與之聯系，反之亦然，則稱實體集A與與實體集實體集B具有具有1：l聯系。聯系。 例如，學校里面，一個班只有一個正班長，而一個班

11、長例如，學校里面，一個班只有一個正班長，而一個班長只在一個班中任職，則班與班長之間具有一對一聯系。只在一個班中任職，則班與班長之間具有一對一聯系。2. 1：n聯系聯系 如果對于實體集如果對于實體集A中的每一個實體，實體集中的每一個實體，實體集B中有中有n個實體個實體（n0）與之聯系，反之，對于實體集）與之聯系，反之，對于實體集B中的每一個實體，實中的每一個實體，實體集體集A中至多只有一個實體與之聯系，則稱實體集中至多只有一個實體與之聯系，則稱實體集A與實體集與實體集B有有1：n聯系。聯系。 例如，一個班有若干名學生，而每個學生只在一個班中例如，一個班有若干名學生，而每個學生只在一個班中學習，則

12、班與學生之間具有一對多聯系。學習，則班與學生之間具有一對多聯系。3. m：n聯系聯系 如果實體集如果實體集A中的每一個實體，實體集中的每一個實體，實體集B中有中有n個實體個實體（n0）與之聯系，反之，對于實體集）與之聯系，反之，對于實體集B中的每一個實體，實中的每一個實體，實體集體集A中也有中也有m個實體（個實體（m0）與之聯系，則稱實體集）與之聯系，則稱實體集A與實與實體集體集B具有多對多聯系，記為具有多對多聯系，記為m：n。 例如，一門課程同時有若干個學生選修，而一個學生可例如，一門課程同時有若干個學生選修，而一個學生可以同時選修多門課程，則課程與學生之間具有多對多聯系。以同時選修多門課程

13、，則課程與學生之間具有多對多聯系。 建立概念模型最常用的方法是實體建立概念模型最常用的方法是實體-聯系方法，簡稱聯系方法，簡稱E-R方方法。該方法直接從現實世界中抽象出實體和實體間的聯系，法。該方法直接從現實世界中抽象出實體和實體間的聯系，然后用然后用E-R圖來表示數據模型。圖來表示數據模型。 在在E-R圖中實體用方框表示；聯系用菱形表示，并且用邊圖中實體用方框表示；聯系用菱形表示，并且用邊將其與有關的實體連接起來，并在邊上標上聯系的類型；屬將其與有關的實體連接起來，并在邊上標上聯系的類型；屬性用橢圓表示，并且用邊將其與相應的實體連接起來。對于性用橢圓表示，并且用邊將其與相應的實體連接起來。對

14、于有些聯系，其自身也會有某些屬性，同實體與屬性的連接類有些聯系，其自身也會有某些屬性，同實體與屬性的連接類似，將聯系與其屬性連接起來。似，將聯系與其屬性連接起來。2.2.3 實體聯系表示法（實體聯系表示法（E-R方法）方法）兩個不同實體集之間存在兩個不同實體集之間存在1：1、1：n和和m：n聯系，可以用圖聯系，可以用圖形來表示兩個實體集之間的這三類聯系，如圖形來表示兩個實體集之間的這三類聯系，如圖2.2所示。所示。1. 兩個不同實體集之間聯系的畫法兩個不同實體集之間聯系的畫法兩個以上不同實體集之間可能存在各種關系，以兩個以上不同實體集之間可能存在各種關系，以3個不同實體個不同實體集集A、B和和

15、C為例，它們之間的典型關系有為例，它們之間的典型關系有1：n：m和和r：n：m聯系。聯系。 對于對于1：n：m聯系，表示聯系，表示A和和B之間是之間是1：n（一對多）聯系，（一對多）聯系，B和和C之間是之間是n：m（多對多）聯系，（多對多）聯系，A和和C之間是之間是1：m（一對多）（一對多）聯系。這兩個典型關系的表示方法如圖聯系。這兩個典型關系的表示方法如圖2.3所示。所示。2. 兩個以上不同實體集之間聯系的畫法兩個以上不同實體集之間聯系的畫法3. 同一實體集內的二元聯系的畫法同一實體集內的二元聯系的畫法 同一實體集內的二元聯系表示其中實體之間相互聯系，同同一實體集內的二元聯系表示其中實體之間

16、相互聯系，同樣有樣有1：1、1：n和和n：m聯系。例如，職工實體集中的領導與聯系。例如，職工實體集中的領導與被領導的聯系是被領導的聯系是1：n的，而職工實體集中的婚姻聯系是的，而職工實體集中的婚姻聯系是1：l的。的。同一實體集內的同一實體集內的1：1、1：n和和n：m聯系如圖聯系如圖2.4所示。所示。 【例【例2.1】 試畫出試畫出3個個E-R圖，要求實體型之間具有一對一、圖，要求實體型之間具有一對一、一對多和多對多各種不同的聯系。一對多和多對多各種不同的聯系。 解：解：部門和部門主任部門和部門主任之間的之間的“領導領導”聯系是聯系是一個一對一的聯系，其一個一對一的聯系，其E-R圖如圖圖如圖2

17、.5所示。所示。 部門和職工之間的部門和職工之間的“所屬所屬”聯系是一個一聯系是一個一對多的聯系，其對多的聯系，其E-R圖圖如圖如圖2.6所示。所示。 維修人員和設備之維修人員和設備之間的間的“維修維修”聯系是一聯系是一個多對多的聯系，其個多對多的聯系，其E-R圖如圖圖如圖2.7所示。所示。2.2.4 怎樣設計怎樣設計E-R圖圖設計設計E-R圖的基本步驟如下：圖的基本步驟如下：（1）用方框表示出實體。）用方框表示出實體。（2）用橢圓表示各實體的屬性。）用橢圓表示各實體的屬性。（3）用菱形表示實體之間的聯系。）用菱形表示實體之間的聯系。 注意：一個系統的注意：一個系統的E-R圖不是唯一的，從不同

18、的側面出發圖不是唯一的，從不同的側面出發畫出的畫出的E-R圖可能很不同。總體圖可能很不同。總體E-R圖所表示的實體聯系模圖所表示的實體聯系模型，只能說明實體間的聯系關系，還需要把它轉換成數據模型，只能說明實體間的聯系關系，還需要把它轉換成數據模型才能被實際的型才能被實際的DBMS所接受。所接受。 【例【例2.2】 某大學選課管理中，學生可根據自己的情況選修某大學選課管理中，學生可根據自己的情況選修課程。每名學生可同時選修多門課程，每門課程可由多位教課程。每名學生可同時選修多門課程，每門課程可由多位教師講授，每位教師可講授多門課程。畫出對應的師講授，每位教師可講授多門課程。畫出對應的E-R圖。圖

19、。 解：解：在該大學選課管理中，共有在該大學選課管理中，共有3個實體，學生實體的屬個實體，學生實體的屬性有學號、姓名、性別和年齡，教師實體的屬性有教師號、性有學號、姓名、性別和年齡，教師實體的屬性有教師號、姓名、性別和職稱，課程實體的屬性有課程號和課程名。如姓名、性別和職稱，課程實體的屬性有課程號和課程名。如圖圖2.8（a）所示。其中，學生實體和課程實體之間有）所示。其中，學生實體和課程實體之間有“選修選修” 聯系，這是聯系，這是n：m聯系，教師實體和課程實體之間有聯系，教師實體和課程實體之間有“開課開課”聯系，這是聯系，這是n：m聯系，如圖聯系，如圖2.8（b）所示。）所示。 將它們合并在一

20、起，給將它們合并在一起，給“選修選修”聯系添加聯系添加“分數分數”屬性，屬性，給給“開課開課”聯系添加聯系添加“上課地點上課地點”屬性，得到最終的屬性，得到最終的E-R圖，圖，如圖如圖2.8（c）所示。）所示。2.3 DBMS支持的數據模型支持的數據模型 E-R方法是抽象和描述現實世界的有力工具，用方法是抽象和描述現實世界的有力工具，用E-R圖表圖表示的概念模型獨立于具體的示的概念模型獨立于具體的DBMS所支持的數據模型，它是所支持的數據模型，它是各種數據模型的共同基礎。還需將概念模型轉換為各種數據模型的共同基礎。還需將概念模型轉換為DBMS支支持的數據模型，也就是說必須把數據庫組織成符合持的

21、數據模型，也就是說必須把數據庫組織成符合DBMS規規定的數據模型。定的數據模型。 目前成熟地應用在目前成熟地應用在DBMS中的數據模型有層次模型、網狀中的數據模型有層次模型、網狀模型和關系模型。模型和關系模型。 2.3.1 層次模型層次模型 層次數據模型是數據庫系統最早使用的一種模型，它的數據層次數據模型是數據庫系統最早使用的一種模型，它的數據結構是一棵結構是一棵“有向樹有向樹”。層次模型的特征是：。層次模型的特征是：l 有且僅有一個節點（即根節點）沒有父節點。有且僅有一個節點（即根節點）沒有父節點。l 其他節點有且僅有一個父節點。其他節點有且僅有一個父節點。 例如，圖例如，圖2.9所示為一個

22、系教務管理層次數據模型，圖所示為一個系教務管理層次數據模型，圖2.9（a）是實體之間的聯系，圖）是實體之間的聯系，圖2.9（b）是實體型之間的聯系。）是實體型之間的聯系。圖圖2.10是一個實例。是一個實例。層次模型的主要優點如下：層次模型的主要優點如下：1. 比較簡單，僅用很少的幾條命令就能操縱數據庫。比較簡單，僅用很少的幾條命令就能操縱數據庫。2. 結構清晰，節點間聯系簡單，只要知道每個節點的雙結構清晰，節點間聯系簡單，只要知道每個節點的雙親節點，就可以知道整個模型結構。親節點，就可以知道整個模型結構。3. 可以提供良好的數據完整性支持。可以提供良好的數據完整性支持。層次模型的缺點如下：層次

23、模型的缺點如下：1. 不能直接表示兩個以上實體間的復雜聯系和實體間多不能直接表示兩個以上實體間的復雜聯系和實體間多對多聯系。對多聯系。2. 對數據的插入和刪除的操作限制太多。對數據的插入和刪除的操作限制太多。3. 查詢孩子節點必須通過雙親節點。查詢孩子節點必須通過雙親節點。2.3.2 網狀模型網狀模型 用網狀結構表示實體及其之間聯系的模型稱為網狀模型。用網狀結構表示實體及其之間聯系的模型稱為網狀模型。網中的每一個節點代表一個記錄型，聯系用鏈接指針來實現。網中的每一個節點代表一個記錄型，聯系用鏈接指針來實現。廣義地講，任何一個連通的基本層次聯系的集合都是網狀模廣義地講，任何一個連通的基本層次聯系

24、的集合都是網狀模型。它取消了層次模型的兩點限制，網狀模型的特征如下：型。它取消了層次模型的兩點限制，網狀模型的特征如下：l 允許節點有多于一個的父節點。允許節點有多于一個的父節點。l 可以有一個以上的節點沒有父節點。可以有一個以上的節點沒有父節點。 如圖如圖2.11所示給出了一個簡單的網狀模型，其中所示給出了一個簡單的網狀模型，其中2.11（a）是）是學生選課學生選課E-R圖。圖圖。圖2.11（b）中，）中，S表示學生記錄型，表示學生記錄型，C表示課表示課程記錄型，用聯系記錄型程記錄型，用聯系記錄型L表示表示S和和C之間的一個多對多的選修之間的一個多對多的選修聯系。聯系。 圖圖2.12表示一個

25、具體實例，其中表示一個具體實例，其中C記錄有一個指針，指向記錄有一個指針，指向該課程號的第一個該課程號的第一個L記錄。記錄。L記錄有兩個指針，第一個指針指記錄有兩個指針，第一個指針指向下一個同課程號的向下一個同課程號的L記錄，第二個指針指向下一個同學號記錄，第二個指針指向下一個同學號的的L記錄。記錄。S記錄有一個指針，指向該學號的第一個記錄有一個指針，指向該學號的第一個L記錄。記錄。這里構成的單鏈表均為循環單鏈接，用這些鏈表指針實現聯這里構成的單鏈表均為循環單鏈接，用這些鏈表指針實現聯系。系。 網狀模型的主要優點如下：網狀模型的主要優點如下：1. 更為直接地描述客觀世界，可表示實體間的多種復雜

26、聯系。更為直接地描述客觀世界，可表示實體間的多種復雜聯系。2. 具有良好的性能和存儲效率。具有良好的性能和存儲效率。網狀模型的缺點如下：網狀模型的缺點如下：1. 數據結構復雜，導致其數據結構復雜，導致其DDL語言也極其復雜。語言也極其復雜。2. 數據獨立性差，由于實體間的聯系本質上是通過存取路徑數據獨立性差，由于實體間的聯系本質上是通過存取路徑表示的，因此應用程序在訪問數據時要指定存取路徑。表示的，因此應用程序在訪問數據時要指定存取路徑。2.3.3 關系模型關系模型 關系模型是用二維表格結構來表示實體和實體之間聯系的關系模型是用二維表格結構來表示實體和實體之間聯系的數據模型。關系模型的數據結構

27、（型）是一個數據模型。關系模型的數據結構（型）是一個“二維表框架二維表框架”組成的集合，每個二維表又稱為關系，因此可以說，關系模組成的集合，每個二維表又稱為關系，因此可以說，關系模型是型是“關系框架關系框架”組成的集合。組成的集合。 目前大多數數據庫管理系統都是關系型的，例如，目前大多數數據庫管理系統都是關系型的，例如，SQL Server就是一種關系數據庫管理系統，它支持關系數據模型。就是一種關系數據庫管理系統，它支持關系數據模型。 例如，圖例如，圖2.13給出了一個簡單的關系模型，其中圖給出了一個簡單的關系模型，其中圖2.13（a）給出了關系模式：給出了關系模式：教師（教師編號，姓名，性別

28、，所在系名）教師（教師編號，姓名，性別，所在系名）課程（課程號，課程名，教師編號，上課教室）課程（課程號，課程名，教師編號，上課教室）圖圖2.13（b）給出了這兩個關系模式的關系，關系名稱）給出了這兩個關系模式的關系，關系名稱分別為教師關系和課程關系，均包含兩個元組，教師關系分別為教師關系和課程關系，均包含兩個元組，教師關系的編號為主碼，課程關系的課程號為主碼。的編號為主碼，課程關系的課程號為主碼。關系模型的主要優點如下：關系模型的主要優點如下：1. 與非關系模型不同，關系模型具有較強的數學理論根據。與非關系模型不同，關系模型具有較強的數學理論根據。2. 數據結構簡單、清晰，用戶易懂易用，不僅

29、用關系描述實數據結構簡單、清晰，用戶易懂易用，不僅用關系描述實體，而且可用關系描述實體間的聯系。體，而且可用關系描述實體間的聯系。3. 關系模型的存取路徑對用戶透明，從而具有更高的數據獨關系模型的存取路徑對用戶透明，從而具有更高的數據獨立性和更好的安全保密性，也簡化了程序員的工作以及數立性和更好的安全保密性，也簡化了程序員的工作以及數據庫建立與開發工作。據庫建立與開發工作。關系模型的缺點如下：關系模型的缺點如下：1. 由于存取路徑對用戶透明，查詢效率往往不如非關系模型，由于存取路徑對用戶透明，查詢效率往往不如非關系模型，因此為了提高性能，必須對用戶的查詢表示進行優化，這因此為了提高性能，必須對

30、用戶的查詢表示進行優化，這樣又將增加開發數據庫管理系統的負擔。樣又將增加開發數據庫管理系統的負擔。2. 關系必須是規范化的關系，即每個屬性是不可分的數據項，關系必須是規范化的關系，即每個屬性是不可分的數據項，不允許表中有表。不允許表中有表。關系是一張二維表，即元組的集合。關系框架是一個關關系是一張二維表，即元組的集合。關系框架是一個關系的屬性名表。形式化表示為：系的屬性名表。形式化表示為：R(A1,A2,An)其中，其中，R為關系名，為關系名，Ai（i=1，2，n）為關系的屬性名。）為關系的屬性名。關系之間通過公共屬性實現聯系。例如，圖關系之間通過公共屬性實現聯系。例如，圖2.13給出了兩給出了兩個關系，通常情況下，需要增加如下任課關系：個關系，通常情況下，需要增加如下任課關系：任課（教師編號，姓名，課程號，上課教室）任課（教師編號，姓名，課程號，上課教室）該關系與前兩個關系都有公共屬性，從而實現關系之間該關系與前兩個關系都有公共屬性，從而實現關系之間的聯系。的聯系。關系數據庫是指對應于一個關系模型的所有關系的集合。關系數據庫是指對應于一個關系模型的所有關系的集合。例如，在一個學生課程管理關系數據庫中，包含教師關系、例如，在一個