第2章數據模型與數據庫結構

數據庫原理與應用1本章內容2.1數據與數據模型2.2概念層數據模型2.3組織層數據模型2.4面向對象數據模型2.5數據庫體系結構22.1數據與數據模型現實世界的數據是散亂無章的，散亂的數據不利于人們對其進行有效的管理和處理。因此，必須把現實世界的數據按照一定的格式組織起來，以方便對其進行操作和使用。在用數據庫技術管理數據時，數據被按照一定的格式組織起來，比如二維表結構，以使數據能夠被更高效地管理和處理。32.1.1數據與信息描述事物的符號記錄稱為數據。將從數據中獲得的有意義的內容稱為信息數據有一定的格式，這些格式的規定是數據的語法，而數據的含義是數據的語義。數據是信息存在的一種形式，只有通過解釋或處理才能成為有用的信息。4示例數據：（張三，202012101，男，河北，計2001，軟件工程）解釋：張三的學號是202012101，他是計2001班的男生，河北生源，軟件工程專業。5數據信息解釋靜態特征數據的基本結構學生的學號、姓名、性別、出生日期數據間的聯系圖書借閱信息中的“學號”所能取的值應在學生基本信息中的“學號”取值范圍之內數據取值范圍約束圖書價格是大于0的數值還書日期晚于借書日期6動態特征指對數據可以進行的操作以及操作規則。對數據庫數據的操作主要有查詢數據更改數據：插入、刪除和更新一般將對數據的靜態特征和動態特征的描述稱為數據模型三要素。72.1.2數據模型對于模型，人們并不陌生。建筑模型飛機模型計算機中的模型是對事物、對象、過程等客觀系統中感興趣的內容的模擬和抽象表達，是理解系統的思維工具數據模型(datamodel)也是一種模型，它是對現實世界數據特征的抽象。8數據模型（續）數據庫管理系統是基于某種數據模型對數據進行組織的，因此，了解數據模型的基本概念是學習數據庫知識的基礎。在數據庫領域中，數據模型用于表達現實世界中的對象，即將現實世界中雜亂的信息用一種規范的、形象化的方式表達出來。9數據模型（續）數據模型即要面向現實世界，又要面向機器世界，因此需滿足三個要求:能夠真實地模擬現實世界;容易被人們理解;能夠方便地在計算機上實現。10數據模型（續）數據模型實際上是模型化數據和信息的工具。根據模型應用的不同目的，可以將模型分為兩大類：概念層數據模型（概念模型），從數據的語義視角來抽取模型，是按用戶的觀點來對數據和信息進行建模。組織層數據模型（組織模型）。從數據的組織層次來描述數據。11從現實世界到機器世界的過程12本章內容2.1數據與數據模型2.2概念層數據模型

2.3組織層數據模型2.4面向對象數據模型2.5數據庫體系結構132.2.1基本概念概念層數據模型是指抽象現實系統中有應用價值的元素及其關聯關系，反映現實系統中有應用價值的信息結構，不依賴于數據的組織層數據模型。14概念層數據模型用于對信息世界建模，是現實世界到信息世界的第一層抽象，是數據庫設計人員進行數據庫設計的工具，也是數據庫設計人員和業務領域的用戶之間進行交流的工具。面向用戶、面向現實世界的數據模型，與具體的DBMS無關。常用的概念層數據模型有實體-聯系（Entity-Relationship，E-R）模型、語義對象模型。152.2.2實體-聯系模型實體-聯系方法使用的工具稱為E-R圖，它所描述的現實世界的信息結構稱為企業模式（EnterpriseSchema），也把這種描述結果稱為E-R模型。在E-R模型中主要涉及三方面內容：實體屬性聯系16實體具有公共性質的可相互區分的現實世界對象的集合。可以是具體的事物，也可以是抽象的概念或聯系實體是具體的職工、學生、圖書、商品17實體的表示方式在E-R圖中用矩形框表示實體，實體名寫在框內，學生實體可以表示為：18學生屬性是描述實體或聯系的性質或特征的數據項，同一個實體的所有實例都具有相同的屬性。比如學生：學號、姓名、性別都是學生實體的屬性。19屬性的表示方式用橢圓形框或圓角矩形框表示，在框內寫上屬性的名字，并用連線將屬性框與它所描述的實體聯系起來20聯系聯系是數據之間的關聯集合，是客觀存在的應用語義鏈。實體內部的聯系：一個實體內屬性之間的聯系。職工實體內部的職工號和此職工的部門經理號實體之間的聯系：不同實體之間的聯系。圖書實體和學生實體之間存在借閱聯系。21聯系的表示方式用菱形框表示，框內寫上聯系名，并用連線與有關的實體相連。22聯系的種類一對一聯系(1:1)一對多聯系(1:n)多對多聯系(m:n)23一對一聯系如果實體A中的每個實例在實體B中至多有一個（也可以沒有）實例與之關聯，反之亦然，則稱實體A與實體B具有一對一聯系，記作：1:1。24一對一聯系示例一個部門只允許有一個經理；一個人只允許擔任一個部門的經理。25一對多聯系如果實體A中的每個實例在實體B中有n個實例（n≥0）與之關聯，而實體B中的每個實例在實體A中最多只有一個實例與之關聯，則稱實體A與實體B之間是一對多聯系，記作1:n。26一對多聯系示例一個學院有若干學生；一個學生只屬于一個學院。27多對多聯系如果實體A中的每個實例在實體B中有n個實例（n≥0）與之關聯，而實體B中的每個實例，在實體A中也有m個實例（m≥0）與之關聯，則稱實體A與實體B是多對多聯系，記為m:n28多對多聯系示例一個學生可以同時借閱多本圖書；一本圖書也可以在不同時間被多個學生借閱。29關聯多個實體的聯系每個顧客可以從多個售貨員那里購買商品，并且可以購買多種商品；每個售貨員可以向多名顧客銷售商品，并且可以銷售多種商品；每種商品可由多個售貨員銷售，并且可以銷售給多名顧客。30mnp顧客商品售貨員銷售本章內容2.1數據與數據模型2.2概念層數據模型2.3組織層數據模型

2.4面向對象數據模型2.5數據庫體系結構312.3組織層數據模型2.3.1層次數據模型2.3.2網狀數據模型2.3.3關系數據模型322.3.1層次數據模型采用層次模型作為數據的組織方式。用樹形結構表示實體和實體之間的聯系。構成層次模型的樹由結點和連線組成，結點表示實體，連線表示相連的兩個實體間的聯系，這種聯系是一對多的。通常把表示“一”的實體放在上方，稱為父結點；把表示“多”的實體放在下方，稱為子結點。33層次模型的兩點限制（1）有且僅有一個結點無父結點，這個結點即為樹的根；（2）其他結點有且僅有一個父結點。34層級結構示例35學院層次數據模型的值示例36層次模型對多對多關系的表示372.3.2網狀模型用圖形結構表示實體和實體之間的聯系的數據模型就稱為網狀數據模型。去掉了層次模型中的兩點限制。可以直接表示多對多的聯系。同樣使用父結點和子結點這樣的術語，并且同樣一般把父結點放置在子結點的上方。典型代表是CODASYL系統，它是CODASYL組織的標準建議的具體實現。38圖書借閱的網狀數據模型示例392.3.3

關系模型把數據看成是二維表中的元素，而這個二維表就是關系，用關系（表格數據）表示實體和實體之間聯系的模型稱為關系數據模型。40關系模型示例41學號姓名性別所在學院202101001李勇男計算機202101002劉晨男計算機202101003王敏女計算機202101004張小紅女計算機202102001張海男經濟管理202102002劉琳女經濟管理2.4本章內容2.1數據與數據模型2.2概念層數據模型2.3組織層數據模型2.4面向對象數據模型2.5數據庫體系結構422.4面向對象數據模型面向對象數據庫基于把數據和與對象相關的代碼封裝成單一組件，外面不能看到其里面的內容。面向對象數據模型強調對象（由數據和代碼組成）而不是單獨的數據。面向對象數據模型的結構是非常容易變化的。面向對象數據庫管理系統（OODBMS）適用于多媒體應用以及復雜的很難在關系數據庫管理系統中模擬和處理的關系。432.4本章內容2.1數據與數據模型2.2概念層數據模型2.3組織層數據模型2.4面向對象數據模型2.5數據庫體系結構442.5數據庫體系結構2.5.1模式的基本概念2.5.2三級模式結構2.5.2模式映象與數據獨立性452.5.1模式的基本概念模式是數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述。它僅僅涉及“型”的描述，不涉及具體的值。關系模式是關系的“型”或元組的結構共性的描述，它對應的是關系表的表頭。模式的一個具體值稱為模式的一個實例。一個模式可以有多個實例。462.5.2三級模式結構47三級模式外模式：是最接近用戶的，也就是用戶所看到的數據視圖。模式：是介于內模式和外模式之間的中間層，是數據的邏輯組織方式。

內模式：是最接近物理存儲的，也就是數據的物理存儲方式，包括數據存儲位置、存儲方式等。48說明外模式可以有許多，每一個都或多或少地抽象表示整個數據庫的某一部分數據；模式只有一個，它是對包含現實世界業務中的全體數據的抽象表示；內模式也只有一個，它表示數據庫的物理存儲。49外模式也稱為用戶模式、子模式。

用戶對現實系統中感興趣整體的局部數據結構的描述。

是DB整體數據結構的子集或局部重構。

用外模式定義語言表達。例，對RDB，定義視圖結構。是保證數據庫安全的一個措施。50外模式——子集示例51學號姓名性別所在學院202101001李勇男計算機202101002劉晨男計算機202101003王敏女計算機202101004張小紅女計算機202102001張海男經濟管理202102002劉琳女經濟管理學號姓名性別202101001李勇男202101002劉晨男202101003王敏女202101004張小紅女202102001張海男202102002劉琳女學生模式外模式外模式——重構示例學生（學號，姓名，性別，所在學院）圖書（書號，書名，出版日期，價格）借閱（學號，書號，借書時間，還書時間）外模式：圖書借閱（姓名，所在學院，借閱書名，借書時間）52外模式的安全作用外模式同時也是保證數據庫安全的一個措施。每個用戶只能看到和訪問其所對應的外模式中的數據，因此可以保證部分數據（用戶看不到的數據）的安全。53示例職工（職工號，姓名，所在部門，基本工資，職務工資，獎勵工資）如果不希望一般職工看到其他職工的獎勵工資，可生成一個只包含一般職工可看到信息的外模式：職工信息（職工號，姓名，所在部門，基本工資，職務工資）54模式也稱為邏輯模式，是數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述，是所有用戶的公共數據描述。

是數據庫系統結構的中間層。用模式定義語言表達。例，對關系數據庫，定義：表頭結構、屬性取值范圍、…。55說明模式實際上是數據庫數據在邏輯級上的視圖。一個數據庫只有一種模式。定義模式時不僅要定義數據的邏輯結構，比如數據記錄由哪些數據項組成，數據項的名字、類型、取值范圍等，而且還要定義數據之間的聯系，定義與數據有關的安全性、完整性要求。56內模式也稱為存儲模式，對應于物理級。是數據庫中全體數據的內部表示或底層描述，是數據庫最低一級的邏輯描述，對應著實際存儲在存儲介質上的數據庫。由內模式描述語言來定義。反映了數據庫系統的存儲觀。572.5.3模式映像與數據獨立性數據庫的三級模式是對數據的三個抽象級別，它把數據的具體組織留給DBMS，使用戶能邏輯、抽象地處理數據，而不必關心數據在計算機中的具體表示方式與存儲方式。為了能夠在內部實現這三個抽象層的聯系和轉換，數據庫管理系統在三個模式之間提供了以下兩級映像：外模式/模式映像模式/內模式映像58模式間的映象維持DB數據與DB應用程序相互獨立，從而使DB應用程序不隨DB數據的邏輯或存儲結構的變動而變動。59外模式/模式映像對應于同一個模式可以有多個外模式。對于每個外模式，數據庫管理系統都有一個外模式到模式的映像，它定義了該外模式與模式之間的對應關系。當模式改變時（比如，增加新的關系、新的屬性、改變屬性的數據類型等），可由數據庫管理員用外模式定義語句，調整外模式到模式的映像，從而保