數(shù)據(jù)模型與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型

1、第二章 數(shù)據(jù)模型2.1數(shù)數(shù)據(jù)模模型概述述模型是對對現(xiàn)實世世界的抽抽象。在數(shù)據(jù)庫庫中用數(shù)數(shù)據(jù)模型型這個工工具來抽抽象、表表示和處處理現(xiàn)實實世界中中的數(shù)據(jù)據(jù)和信息息。數(shù)據(jù)描述述的三種種范疇現(xiàn)實世界界信息世界界機器世界界兩類抽象象層次的的數(shù)據(jù)模模型數(shù)據(jù)模型型分為兩兩類（分分屬兩個個不同的的層次）(1)概概念模模型也也稱稱信息模模型，它它是按用用戶的觀觀點來對對數(shù)據(jù)和和信息建建模，用用于數(shù)據(jù)據(jù)庫設(shè)計計。(2)結(jié)結(jié)構(gòu)數(shù)數(shù)據(jù)模型型邏輯模型型主要包包括網(wǎng)狀狀模型、層次模模型、關(guān)關(guān)系模型型、面向向?qū)ο竽ＤＰ偷龋从嬎闼銠C系統(tǒng)統(tǒng)的觀點點對數(shù)據(jù)據(jù)建模，用于DBMS實現(xiàn)。物理模型型是對數(shù)數(shù)據(jù)最底底層的抽抽象，描描述

2、數(shù)據(jù)據(jù)在系統(tǒng)統(tǒng)內(nèi)部的的表示方方式和存存取方法法，在磁磁盤或磁磁帶上的的存儲方方式和存存取方法法。DBMS支持的數(shù)數(shù)據(jù)模型型概念模型型認識 抽象信息世界界機器世界界現(xiàn)實世界界中客觀觀對象的的抽象過過程現(xiàn)實世界界現(xiàn)實世界 概念模型 數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員完成邏輯模型 物理模型 由DBMS完成概念模型 邏輯模型 數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員完成2.2概概念模模型(信信息模型型)是獨立于于計算機機系統(tǒng)的的數(shù)據(jù)模模型。不涉及信信息在計計算機中中的表示示，只用用來描述述某個特特定組織織所關(guān)心心的信息息結(jié)構(gòu)，是對現(xiàn)現(xiàn)實世界界的第一一層抽象象。概念模型型是按用用戶的觀觀點對數(shù)數(shù)據(jù)建模模，強調(diào)調(diào)其語義義表達能能力，是是用戶和和DB設(shè)

3、設(shè)計人員員之間進進行交流流的語言言和工具具。2.2.1信信息世界界中的基基本概念念(1)實實體（Entity）客觀存在在并可相相互區(qū)別別的事物物稱為實實體。(2)屬屬性（Attribute）實體所具具有的某某一特性性稱為屬屬性。(3)碼碼（Key）唯一標(biāo)識識實體的的屬性集集稱為碼碼。(4)域域（Domain）屬性的取取值范圍圍稱為該該屬性的的域。(5)實實體型型（EntityType）用實體名名及其屬屬性名集集合來抽抽象和刻刻畫同類實體體稱為實實體型(6)實實體集集（EntitySet）同型實體體的集合合稱為實實體集某公司數(shù)數(shù)據(jù)庫需需求說明明：1.公司司分若干干部門，每個部部門有一一個名字字，

4、一個個編號和和一個管管理該部部門的雇雇員（經(jīng)經(jīng)理）并并記錄下下該雇員員開始管管理該部部門的日日期，一一個部門門可以分分散在幾幾個地點點。2.一個個部門控控制若干干項目，每個項項目有一一個名字字，一個個編號和和一個單單獨的地地點。3.保存存每個雇雇員的名名字、社社會保險險號、地地址、工工資、性性別和出出生日期期。一個個雇員隸隸屬一個個部門但但可在由由不同部部門控制制的幾個個項目中中工作，要求記記錄雇員員每周在在各個項項目中工工作的時時數(shù)，并并指明其其上司。4.保存存雇員的的所有子子女的信信息，包包括姓名名、性別別、出生生日期及及與雇員員之間的的關(guān)系。1.公司分若干部門，每個部部門有一一個名字，一

5、個編號和一個管管理該部部門的雇員（經(jīng)理）并記錄下下該雇員員開始管理該部門的日日期，一個部部門可以以分散在在幾個地點。2.一個個部門控制若干項目，每個項項目有一一個名字，一個編號和一個單單獨的地點。3.保存存每個雇雇員的名字、社會保險險號、地址、工資、性別和出生日期期。一個雇雇員隸屬一個部門門但可在在由不同同部門控控制的幾幾個項目目中工作，要求記記錄雇員員每周在在各個項項目中工作的時時數(shù)。4.保存存雇員的的所有子女的信息，包括姓名、性別、出生日期期及與雇員員之間的的關(guān)系。(7)聯(lián)聯(lián)系（Relationship）現(xiàn)實世界界中事物物內(nèi)部以以及事物物之間的的聯(lián)系在在信息世世界中反反映為實實體內(nèi)部部的聯(lián)

6、系系和實體體之間的的聯(lián)系兩類:實體型內(nèi)內(nèi)部的聯(lián)聯(lián)系,即組成成實體型型的屬性性之間的的聯(lián)系.實體型之之間的聯(lián)聯(lián)系, 不同同實體型型內(nèi)的各各個實體體之間,同一實實體型內(nèi)內(nèi)各個實實體之間間2.2.2概概念模型型的表示示方法概念模型型的表示示方法很很多，但但常用的的是實體聯(lián)聯(lián)系方法(Entity-RelationshipApproach)E-R方方法建立立的模型型為E-R模型型特點:直直觀、自自然、語語義表現(xiàn)現(xiàn)豐富，易于理理解，又又易于向向各種數(shù)數(shù)據(jù)模型型轉(zhuǎn)換。E-R圖圖。矩形表示實體體型。橢圓表示屬性性。菱形表示聯(lián)系系。無向邊表示實體體型與相相關(guān)屬性性或聯(lián)系系的相連連。實體名屬性名聯(lián)系名2.2.3聯(lián)

7、聯(lián)系的種種類1.兩類類實體型型之間的的聯(lián)系a.一對一聯(lián)聯(lián)系(1:1)例:宿舍舍里:學(xué)學(xué)生-床床位11 A B學(xué)生床位占用11E-R圖:b.一對多聯(lián)聯(lián)系(1:n)例:宿宿舍學(xué)學(xué)生1n宿舍學(xué)生居住1n A BE-R圖圖:c.多對多聯(lián)聯(lián)系(m:n)例:學(xué)生生教教室室mnAB學(xué)生教室占用mnE-R圖:d.多多重聯(lián)系系例:工工人-設(shè)設(shè)備工人設(shè)備使用n1(m)維修mnE-R圖:2.多多個實實體型間間的聯(lián)系系例:供應(yīng)應(yīng)商-零零件-項項目語義:一一個供應(yīng)應(yīng)商可為為多個項項目供應(yīng)應(yīng)多種零零件一個項目目可使用用多個供供應(yīng)商供供應(yīng)的多多種零件件.一種零件件可由多多個供應(yīng)應(yīng)商提供供給多個個項目.項目供應(yīng)商零件供應(yīng)mk

8、n3.實實體內(nèi)部部的聯(lián)系系例1:語語義:某某一職工工領(lǐng)導(dǎo)若若干職工工,而一一個職工工僅被另另一個職職工領(lǐng)導(dǎo)導(dǎo).例2:表表示一種種零件材材料單,一種零零件由其其它多種種零件組組成,一一種零件件是其它它零件的的組成成成分.職工領(lǐng)導(dǎo)零件組成1nmn1.公司分若干部門，每個部部門有一一個名字，一個編號和一個管管理該部部門的雇員（經(jīng)理）并記錄下下該雇員員開始管理該部門的日日期，一個部部門可以以分散在在幾個地點。2.一個個部門控制若干項目，每個項項目有一一個名字，一個編號和一個單單獨的地點。3.保存存每個雇雇員的名字、社會保險險號、地址、工資、性別和出生日期期。一個雇雇員隸屬一個部門門但可在在由不同同部門

9、控控制的幾幾個項目目中工作，要求記記錄雇員員每周在在各個項項目中工作的時時數(shù)。4.保存存雇員的的所有子女的信息，包括姓名、性別、出生日期期及與雇員員之間的的關(guān)系。部門項目雇員子女參與受控撫養(yǎng)隸屬領(lǐng)導(dǎo)1N1N1NMN1N名字編號地點經(jīng)理管理開始日期姓名性別出生日期期關(guān)系名字編號位置負責(zé)部門門某公司數(shù)數(shù)據(jù)庫E-R圖圖雇員？部門項目雇員子女參與受控撫養(yǎng)管理領(lǐng)導(dǎo)1N1N1NMN1N名字編號地點管理開始始日期姓名性別出生日期期關(guān)系名字編號 地點某公司數(shù)數(shù)據(jù)庫E-R圖圖周工作時時間隸屬設(shè)計E-R模型型的幾點點說明1)定義義與當(dāng)前前和可預(yù)預(yù)見的將將來應(yīng)用用有關(guān)的的實體,屬性,聯(lián)系2)實體體有多方方面的性性質(zhì)

10、,屬屬性沒有有.3)實體體的屬性性一定是是單值的的,若為為多值則則定義為為另一實實體,并并建立聯(lián)聯(lián)系.4)聯(lián)系系也可以以有屬性性.2.3結(jié)結(jié)構(gòu)數(shù)數(shù)據(jù)模型型2.3.1結(jié)構(gòu)構(gòu)數(shù)據(jù)模模型的組組成要素素E.F.Codd指出出:一個個基本數(shù)數(shù)據(jù)模型型實質(zhì)上上是一組組向用戶戶提供的的規(guī)則.這組規(guī)規(guī)則規(guī)定定數(shù)據(jù)結(jié)結(jié)構(gòu)如何何組織以以及相應(yīng)應(yīng)地允許許進行何何種操作作.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)數(shù)據(jù)操作作數(shù)據(jù)的約約束條件件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)用于描描述系統(tǒng)統(tǒng)的靜態(tài)態(tài)特性，研究與與數(shù)據(jù)類類型、內(nèi)內(nèi)容、性性質(zhì)有關(guān)關(guān)的對象象，例如如關(guān)系模模型中的的域、屬屬性、關(guān)關(guān)系等。數(shù)據(jù)操作作對數(shù)據(jù)庫庫中各種種對象（型）的的實例（值）允允許執(zhí)行行的

11、操作作的集合合，包括括操作及及有關(guān)部部門的操操作規(guī)則則。DB中主主要的操操作有查查詢和更更新兩大大類。數(shù)據(jù)操作作規(guī)定了了數(shù)據(jù)模模型的動動態(tài)特性性。數(shù)據(jù)的約約束條件件一組完整整性規(guī)則則的集合合。完整性規(guī)規(guī)則是給給定的數(shù)數(shù)據(jù)模型型中數(shù)據(jù)據(jù)及其聯(lián)聯(lián)系所具具有的制制約和儲儲存規(guī)則則，用以以限定符符合數(shù)據(jù)據(jù)模型的的數(shù)據(jù)庫庫狀態(tài)以以及狀態(tài)態(tài)的變化化。2.3.2常常用數(shù)據(jù)據(jù)模型非關(guān)系模模型層次模型型（HierarchicalModel）網(wǎng)狀模型型(NetworkModel)關(guān)系模型型(RelationalModel)面向?qū)ο笙竽Ｐ?Object Oriented Model）對象關(guān)系系模型(Object R

12、elation Model）1.層層次數(shù)據(jù)據(jù)模型滿足下面面兩個條條件的基基本層次次聯(lián)系的的集合為為層次模模型。1.有且且只有一一個結(jié)點點沒有雙雙親結(jié)點，這這個結(jié)點點稱為根根結(jié)點2.根根以外的的其它結(jié)結(jié)點有且只有有一個雙雙親結(jié)點點R1R2R4R6R3R5層次數(shù)據(jù)據(jù)模型E-R模型:學(xué)生有系專業(yè)教師課程有有開設(shè)1n1n1n1n選修mn教師號 姓名 職稱 系號 系名 負責(zé)人課號 課名 學(xué)時專業(yè)號 專業(yè)名學(xué)號姓名年齡性別系專業(yè)教師學(xué)生課程層次模型:層次模型型的優(yōu)缺缺點優(yōu)點層次數(shù)據(jù)據(jù)模型簡簡單，對對具有一一對多的的層次關(guān)關(guān)系的部部門描述述自然、直觀，容易理理解性能優(yōu)于于關(guān)系模模型，不不低于網(wǎng)網(wǎng)狀模型型層次

13、數(shù)據(jù)據(jù)模型提提供了良良好的完完整性支支持缺點多對多聯(lián)聯(lián)系表示示不自然然對插入和和刪除操操作的限限制多查詢子女女結(jié)點必必須通過過雙親結(jié)結(jié)點層次命令令趨于程程序化典型的層層次數(shù)據(jù)據(jù)庫系統(tǒng)統(tǒng)IMS數(shù)數(shù)據(jù)庫管管理系統(tǒng)統(tǒng)第一個大大型商用用DBMS1968年推出出IBM公公司研制制2.網(wǎng)網(wǎng)狀狀數(shù)據(jù)模模型滿足下面面兩個條條件的基基本層次次聯(lián)系的的集合為為網(wǎng)狀模模型。允許一個個以上的的結(jié)點無無雙親;一個結(jié)點點可以有有多于一一個的雙雙親。R1R2R3R4R6R5L1L2L3L4L5L6網(wǎng)狀數(shù)據(jù)據(jù)模型學(xué)生宿舍學(xué)生教研室系教師網(wǎng)狀模型型的優(yōu)缺缺點優(yōu)點能夠更為為直接地地描述現(xiàn)現(xiàn)實世界界，如一一個結(jié)點點可以有有多個雙雙

14、親具有良好好的性能能，存取取效率較較高缺點結(jié)構(gòu)比較較復(fù)雜，而且隨隨著應(yīng)用用環(huán)境的的擴大，數(shù)據(jù)庫庫的結(jié)構(gòu)構(gòu)就變得得越來越越復(fù)雜，不利于于最終用用戶掌握握DDL、DML語言復(fù)復(fù)雜，用用戶不容容易使用用典型的網(wǎng)網(wǎng)狀數(shù)據(jù)據(jù)庫系統(tǒng)統(tǒng)DBTG系統(tǒng)，亦稱CODASYL系統(tǒng)由DBTG提出出的一個個系統(tǒng)方方案奠定了數(shù)數(shù)據(jù)庫系系統(tǒng)的基基本概念念、方法法和技術(shù)術(shù)70年代代推出實際系統(tǒng)統(tǒng)CullinetSoftwareInc.公公司的IDMSUnivac公公司的DMS1100Honeywell公公司的IDS/2HP公司司的IMAGE2.3.3關(guān)關(guān)系模型型最重要的的一種數(shù)數(shù)據(jù)模型型。也是是目前主主要采用用的數(shù)據(jù)據(jù)模型1

15、970年由美美國IBM公司司San Jose研研究室的的研究員員E.F.Codd提提出在用戶觀觀點下，關(guān)系模模型中數(shù)數(shù)據(jù)的邏邏輯結(jié)構(gòu)構(gòu)是一張張二維表表，它由由行和列列組成。一些基本本術(shù)語關(guān)系：關(guān)系就就是二維維表，它它滿足如如下性質(zhì)質(zhì)：關(guān)系表中中的每一一列都是是不可再再分的基基本屬性性。表中各屬屬性不能能重名。表中的行行、列次次序并不不重要。元組：表中的的每一行行稱作是是一個元元組，它它相當(dāng)于于一個記記錄值。屬性：表中的的每一列列是一個個屬性值值的集合合，列可可以命名名，稱為為屬性名名。域：屬性的的取值范范圍。主碼：表中的的某個屬屬性或者者屬性組組合，其其值能唯唯一的標(biāo)標(biāo)識一個個元組。分量：元組

16、中中的一個個屬性值值。關(guān)系模式式：對關(guān)系系的描述述，一般表示示為：關(guān)關(guān)系名（屬性1，屬性性2，屬屬性3，.）特點:(1)描描述的一一致性.用關(guān)系系描述實實體和聯(lián)聯(lián)系.(2)可可以直接接表示多多對多的的聯(lián)系.(3)關(guān)關(guān)系必須須是規(guī)范范化的,即每個個表中的的每個分分量都是是不可分分的數(shù)據(jù)據(jù).(4)關(guān)關(guān)系模型型是建立立在數(shù)學(xué)學(xué)概念基基礎(chǔ)上的的,有較較強的理理論根據(jù)據(jù).關(guān)系模型型的優(yōu)缺缺點優(yōu)點：（1）與與非關(guān)系系模型不不同，它它有較強強的數(shù)學(xué)學(xué)理論根根據(jù)。（2）數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡單、清晰，用戶易易懂易用用，不僅僅用關(guān)系系描述實實體，而而且用關(guān)關(guān)系描述述實體間間的聯(lián)系系。（3）關(guān)關(guān)系模型型的存取取路徑對對用

17、戶透透明，從從而具有有更高的的數(shù)據(jù)獨獨立性、更好的的安全保保密性，也簡化化了程序序員的工工作和數(shù)數(shù)據(jù)庫建建立和開開發(fā)的工工作。缺點：由于存取取路徑對對用戶透透明，查查詢效率率往往不不如非關(guān)關(guān)系模型型，因此此，為了了提高性性能，必必須對用用戶的查查詢表示示進行優(yōu)優(yōu)化，增增加了開開發(fā)數(shù)據(jù)據(jù)庫管理理系統(tǒng)的的負擔(dān)。例:學(xué)生課程選修mn 學(xué)號姓名年齡性別所在系9901張力20女計算機9902王明19男計算機學(xué)生 課號課名學(xué)分學(xué)時J010DB664J013AI554課程 學(xué)號課號成績9901J010869901J013789902J010919902J01382選修關(guān)系數(shù)據(jù)據(jù)庫由來來（1）系統(tǒng)而嚴嚴格地提

18、提出關(guān)系系模型的的是美國國IBM公司的的E.F.Codd1923年8月月19日日生于英英格蘭中中部,當(dāng)過兵,教過書書,在IBM做做研究1948年在牛牛津大學(xué)學(xué)獲數(shù)學(xué)學(xué)學(xué)士和和碩士學(xué)學(xué)位,之之后到美美國求職職,13年后重重返大學(xué)學(xué),在米米歇根大大學(xué)進修修計算機機與通信信,1965年年獲博士士學(xué)位E.F.Codd本性性是個數(shù)數(shù)學(xué)家,他最大大的愿望望是為數(shù)數(shù)據(jù)庫建建立一個個優(yōu)美的的數(shù)學(xué)模模型關(guān)系數(shù)據(jù)據(jù)庫之父父關(guān)系數(shù)據(jù)據(jù)庫由來來（2）E.F.Codd,“ARelationalModelofData forLargeSharedDataBanks”, Communication of theACM,19

19、70,65 pagesACM(Associationfor ComputingMachinery，國際計計算機組組織)在在1983年年把該文文列為從從1958年以以來四分分之一世世紀中具具有里程程碑式意意義的25篇論論文之一一。關(guān)系模型型簡單明明了。關(guān)系數(shù)據(jù)據(jù)庫由來來（3）兩個開創(chuàng)創(chuàng)性的原原型系統(tǒng)統(tǒng)1974,IBM“SystemR”=SQLUCBerkely,“Ingres”=QUEL兩系統(tǒng)雙雙雙獲得得ACM的1988年年“軟件件系統(tǒng)獎獎”關(guān)系數(shù)據(jù)據(jù)庫由來來（4）IBM的的故事1977,IBM完完成SystemR 原型型1983，IBM推出出第一個個關(guān)系數(shù)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)產(chǎn)品（DB2）IBM產(chǎn)產(chǎn)品化步

20、步伐緩慢慢的原因因IBM重重視信譽譽，重視視質(zhì)量，盡量減減少故障障IBM是是個大公公司，官官僚體系系龐大IBM內(nèi)內(nèi)部已經(jīng)經(jīng)有層次次數(shù)據(jù)庫庫產(chǎn)品，相關(guān)人人員不積積極，甚甚至反對對錯誤的技技術(shù)路線線：ProjectEagle（1980）,基基于IMS建立立關(guān)系數(shù)數(shù)據(jù)庫關(guān)系數(shù)據(jù)據(jù)庫由來來（5）Oracle的的故事Oracle前前身叫SDL, 由LarryEllison和另兩兩個編程程人員在在1977創(chuàng)辦辦開發(fā)自己己的拳頭頭產(chǎn)品，在市場場上大量量銷售開發(fā)關(guān)系系數(shù)據(jù)庫庫產(chǎn)品做事方法法三個要要點第一，不不做研究究，只做做產(chǎn)品開開發(fā)第二，以以盡快推推出產(chǎn)品品為第一一目標(biāo)第三，產(chǎn)產(chǎn)品要能能夠在銷銷量較大大的平

21、臺臺上運行行關(guān)系數(shù)據(jù)據(jù)庫由來來（7）1970年以后后，E. F. Codd繼繼續(xù)完善善和發(fā)展展關(guān)系理理論1972，提出出關(guān)系代代數(shù)和關(guān)關(guān)系演算算，定義義了關(guān)系系的并、交、差差、投影影、選擇擇、連接接的各種種基本運運算創(chuàng)辦了一一個研究究所：TheRelationalInstitute和和一個公公司Codd&Associations1990年，出出版了專專著TheRelationalModelforDatabaseManagement:Version21981年11月9日日在洛杉杉磯在召召開的ACM年年會上，獲圖靈靈獎，演演講題目目為“Relational Database:A Practical

22、Foundation forProductivity”2.4數(shù)數(shù)據(jù)庫庫系統(tǒng)的的三級模模式和二二級映像像模式（Schema）和實例例（Instance）模式是數(shù)數(shù)據(jù)庫中中全體數(shù)數(shù)據(jù)的邏邏輯結(jié)構(gòu)構(gòu)和特征征的描述述，它僅僅僅涉及及類型的的描述，不涉及及具體的的值模式的一一個具體體值稱為為模式的的一個實實例學(xué)生表(學(xué)號，姓名，年齡)課程表(課程號，課程名名，學(xué)分分)選課表(學(xué)號，課程號，成績)模式兩個實例例數(shù)據(jù)庫系系統(tǒng)的三三級模式式結(jié)構(gòu)應(yīng)用程序A應(yīng)用程序B應(yīng)用程序C外模式外模式內(nèi)模式模式外模式/模式映射模式/內(nèi)模式映射DBMS用戶用戶用戶模式（概概念模式式，邏輯輯模式）數(shù)據(jù)庫中中全體數(shù)數(shù)據(jù)的邏邏輯結(jié)構(gòu)

23、構(gòu)和特征征的描述述數(shù)據(jù)記錄錄由哪些些數(shù)據(jù)項項構(gòu)成數(shù)據(jù)項的的名字、類型、取值范范圍數(shù)據(jù)之間間的聯(lián)系系、數(shù)據(jù)據(jù)的完整整性等不涉及數(shù)數(shù)據(jù)物理理存儲的的細節(jié)和和硬件環(huán)環(huán)境一個數(shù)據(jù)據(jù)庫只有有一個概概念模式式通過模式式DDL進行定定義外模式（子模式式、用戶戶模式）單個用戶戶所看到到的局部部數(shù)據(jù)的的邏輯結(jié)結(jié)構(gòu)和特特征的描描述用戶與數(shù)數(shù)據(jù)庫系系統(tǒng)的數(shù)數(shù)據(jù)接口口，對于于用戶而而言，外外模式就就是數(shù)據(jù)據(jù)庫建立在概概念模式式之上，同一模模式上可可有多個個不同的的外模式式，因為為不同的的用戶看看待數(shù)據(jù)據(jù)的方式式、對數(shù)數(shù)據(jù)的保保密等要要求不同同例:模式式中的數(shù)數(shù)據(jù)項是是“出生生日期”,而外外模式項項用戶提提供“年年齡”的的信息.內(nèi)模式（存儲模模式）數(shù)據(jù)物理理結(jié)構(gòu)和和存儲方方式的描描述記錄的存存儲方式式