数据库第二章（数据模型）_数据库三级模式结构和三个世界的关系

（1）三个世界及其关系

现实世界最后能以计算机所能理解和表现的形式反映到数据库中，通常分为3个阶段，称之为现实世界、信息世界、机器世界。

1、现实世界：现实世界就是客观存在的现实世界，它由事物及其相互之间的联系组成。

2、信息世界：信息世界是现实世界在人们头脑中的反映并用文字或符号记载下来，是人们对现实世界的认识抽象过程，经过选择、命名、分类等抽象工作后进入信息世界。

信息世界有如下的基本概念：

1）实体：现实世界中存在的且可区分的事物称为实体，是信息世界的基本单位，例如学生和一个学生选课就是实体。

2）属性：实体所具有的某方面特性，比如学生的学号、姓名、性别等。

3）属性域：是指属性的取值范围，包含值的类型，例如性别的数据类型是字符串，属性域只能取“男”或者“女”。

4）实体型：用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体称为实体型。例如，学生（学号、姓名、性别、班号）就是一个实体型。

5）码（也称关键字）：码是能唯一标识每个实体的属性集。例如，一个“学号”唯一确定了一个学生，一个学号不能代表两个学生。

3、机器世界：用于计算机管理信息，必须对信息进行数据化，数据化后的信息成为机器世界中的数据，数据是能够被计算机识别、存储并处理的。

机器世界有如下的基本概念：

1）数据项（字段）：标记实体属性的命名单位，是数据库中最小的信息单位。例如填写了信息的的小方格就是数据项。

2）记录：字段值的有序集合。例如学号、姓名下方的数据类型一定是一致的，不能把“101”填到姓名里，也不能把“李军填到”学号里去。

3）记录型：字段名的有序集合。

4）文件：同类记录的集合，对应于实体集。

5）码（或关键字）：能唯一标识文件中每个记录的字段或字段集。

 

（2）两类模型：在数据库中用数据模型来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息，通俗地讲，数据模型就是现实世界的模拟。

数据模型也能分为两类，第一类是概念模型、第二类是逻辑模型和物理模型。着重掌握的是概念模型。

1、逻辑模型：主要包括网状模型、层次模型、关系模型，是按计算机系统的观点对数据建模，所建立的是属于机器世界的模型。

2、物理模型：对数据最低层的抽象，是面向计算机物理表示的模型，它描述数据在系统内部的方式和存取方法，不仅与具体的DBMS有关，还与操作系统和硬件有关。

3、概念模型：它是按用户的观点来对数据和信息建模，即用于信息世界的建模，所建立的是属于信息世界的模型，主要用于数据库的设计。

（3）实体间的联系方式：在现实世界中，事物内部以及事物之间是有联系的，这些联系在信息世界中反映为实体内部的联系与实体间的联系。实体内部的联系通常指组成实体的各属性之间的联系。实体时间的联系通常指不同实体集之间的联系。

实体集之间的联系可以分为以下的三类：

1、一对一联系（简记为1:1）：对于实体集A中的每一个实体，实体集B中最多有一个（也可以没有）实体与之联系，则称实体集A与实体集B具有1:1联系。

2、一对多联系（简记为1：n）：对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体与之联系：反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A最多只有一个与之联系，则称实体集A与实体集B有1：n联系。

3、多对多联系（简记为m：n）：如果实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体与之联系；反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体与之联系，则称实体集A与实体集B具有多对多联系，记为m：n。

（4）：实体-联系表示法（E-R图的画法）：在E-R图中，实体用方框表示；联系用菱形表示，并且用边将其与有关的实体连接起来，并在边上标上联系的类型；属性用椭圆表示，并且用边将其与相应的实体连接起来，对于有些联系，其自身也会有某些属性，同实体与属性的连接类似，将联系与其属性连接起来。

1、两个不同实体集之间的画法：

    

 

 2、同一实体集内的二元联系的画法：同一实体集内的二元联系表示其中实体时间的相互联系同样有1:1、1：n和n：m联系。

 （5）设计E-R图的基本步骤

设计E-R图的基本步骤如下：

1）确定系统中包含的实体，用方框框出实体

2）分析每个实体具有的属性名，用椭圆表示出各实体的属性

3）确定实体之间的联系，用菱形表示实体间的联系。

（6）数据模型的的组成要素：数据结构、数据操作、数据的完整性约束条件。下面对这几个要素简单介绍。

数据结构：数据结构是刻画一个数据模型性质最重要的方面，通常按数据组织的类型来命名数据模型。

数据操作：数据操作是对系统动态特性的描述，是数据库中的各种对象的实例（值）允许执行的操作的集合，主要有检索和更新（插入、删除、修改）两类操作。

数据的完整性约束条件：数据的完整性约束条件是一组完整性规则的集合，给出的数据及其联系所具有的制约、依赖和存储规则，用于限定数据库的状态和状态变化，保证数据库中数据的正确、有效、完全和相容。

（7）3种基本的数据类型：目前，成熟地应用在数据库中的数据模型有层次模型、网状模型和关系模型。它们之间的根本区别在于表示方式不同。下面对这三个模型进行简单介绍，着重掌握的是关系模型。

1、层次模型：

1）层次模型的特征：

1。有且仅有一个结点（即根结点），没有双亲结点

2。其他结点有且仅有一个双亲结点

在层次模型中，每一个结点描述一个实体型，称为记录型。一个记录型可有许多记录值，结点之间的有向边表示记录之间的联系，如果要存取某一记录型的记录，就要从根结点开始，按照有向树的层次逐层往下找，查找路径就是存取路径。例如下图的企业-公司-部门-车间的层次模型

 

2）层次模型的数据操作：在层次模型中，数据库的基本操作包括数据记录的查询、插入、删除和修改等。

3）层次模型的完整性约束：层次模型的数据操作需要满足完整性约束条件。

插入：如果没有双亲结点值就不能插入它的孩子结点值。

删除：如果删除双亲结点值，则相应的孩子结点值也被同时删除。

修改：保证数据的一致性。

4）层次模型的存储结构：在层次数据库中不仅要存储数据本身，还要存储数据之间的层次联系，常用的方法有链接法，如层次序列链接法和孩子兄弟链接法。

5）层次模型的优缺点

层次模型的优点如下：

1。数据模型比较简单，操作简单

2。对于实体间的联系是固定的，且预先定义好应用系统，性能极高

3。提供良好的完整性优势。

层次模型的缺点如下：

1。不适合于表示非层次性的联系，使用范围过于单一。

2。对插入和删除操作的限制比较多，当数据很多时，插入或删除的操作往往会对双亲结点产生影响。

3。查询孩子结点必须通过双亲结点，查询方法单一。

4。结构紧密，层次命令只能层层递进，传输效率低下。

2、网状模型

1）网状模型的特征：

1。允许结点有多于一个的双亲结点。

2。可以有一个以上的结点没有双亲结点。

 2）网状模型的数据操作：在网状模型中，数据库的基本操作包括数据记录的查询、插入、删除和修改等，网状模型的数据操作使用的是过程化语言。

3）网状模型的完整性约束条件

1。一个记录型不能在同一个系型中既是主记录型又是属记录型。

2。一个记录不能出现在同一系型的多个系值中。

3。任何一个系值中最多只有一个主记录。

4。插入一个新纪录时，必须遵守插入系籍约束。

5。删除一个记录时，必须遵守删除系籍约束。

4）网状模型的存储结构

在网状模型的存储结构中，关键是如何实现记录之间的联系，常用的方法有链接法。

5）网状模型的优缺点

网状模型的优点如下：

1。更为直接地描述客观世界，可表示实体间的多种复杂联系。

2。具有良好的性能和存储效率。

网状模型的缺点如下：

1。数据结构复杂，导致其DDL语言也极其复杂。

2。数据的独立性差，由于实体间的联系本质上是通过存取路径表示的，因此应用程序在访问数据时要指定存取路径。

3、关系模型

1）关系模型的基本术语：

1。关系：一个关系就是一张表，每个关系有一个关系名。

2。元组：表中的一行即为一个元组，对应存储文件中的一个记录值。例如（101，李军，男，1993/2/20，1003）就是一个元组

3。属性：表中的列称为属性，每一列有一个属性名，属性值相当于记录中的数据项或者字段值，例如“学号”就是一个属性名，“101”就是属性值。

4。域：属性的取值范围，不同元组对同一个属性的值限定的范围。

5。关系模式：对关系的描述称为关系模式，格式如下：

关系名（属性名1，属性名2，.......，属性名n）

6。候选码：是属性或属性组合，其值能够唯一标识一个元组，候选码满足唯一性和最小性。

7。主码：一个关系中可能有多个候选码，从中选出一个作为主码。

8。外码：如果关系R2的一个或一组属性X是另一关系R1的主码，则X称为关系R2的外码，并称关系R2为参照关系，R1为被参照关系。

9。全码：如果关系模型的所有属性都是这个关系模式的候选码，那么就称为全码。

2）关系模型的完整性约束：

1。实体完整性：规定表的每一行在表中是唯一的实体，在关系中，主码值不能为空或部分为空。

2。参照完整性：指两个表的主码和外码的数据应一致。

3。用户定义的完整性：指用户对一具体数值指定的约束条件进行检验。

4。关系模型的存储结构：在关系模型中，实体及实体间的联系都用表来表示，不用像层次或网状那样的链接指针。

5。关系模型的优缺点：

优点如下：

1。与非关系模型不同，关系模型具有较强的数学理论依据。

2。数据结构简单、清晰，用户易懂易用，不仅可用关系描述实体，而且可用关系描述实体间的联系。

3。关系模型的存取路径对用户透明，从而具有更高的数据独立性和更好的安全保密性，也简化了程序员的工作以及数据库的建立与开发工作。

缺点如下：

1。由于存取路径对用户透明，查询效率往往不如非关系模型。

2。关系必须是规范化的关系，即每个属性是不可分的数据项，不允许表中有表。

（8）数据库系统的体系结构

1、数据库系统模式的概念：数据模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，仅仅涉及型的描述，不涉及具体的值。

2、数据库系统的三级组织结构：概念模式——内模式——外模式

3、3个模式之间的两层映像：外模式/模式映像

模式/内模式映像

4、数据库系统的结构：

1）：单用户数据库系统

2）：主从式结构的数据库系统

3）：分布式结构的数据库系统

4）：C/S结构的数据库系统