第2章數據模型

第二章數據模型22023/2/6數據模型—回顧在數據庫中用數據模型這個工具來抽象、表示和處理現實世界中的數據和信息。數據模型是現實世界數據特征的抽象數據模型(廣義)是數據庫研究的一個核心問題為便于設計數據模型，常先將現實世界抽象為一種概念模型，然后再將概念模型轉換為特定的數據模型每個DBMS都是基于某種數據模型(狹義)的。傳統(tǒng)的數據模型:層次模型、網狀模型和關系模型32023/2/6數據模型—回顧數據模型是現實世界數據特征的抽象根據模型應用的不同目的，數據模型分為兩類(1)概念模型也稱信息模型，它是按用戶的觀點來對數據和信息建模。主要用于數據庫設計(2)數據模型邏輯數據模型主要包括網狀模型、層次模型、關系模型、面向對象模型、對象關系模型等，物理數據模型是對數據最低層次的抽象，它描述數據在系統(tǒng)內部的表示方式和存取方法，在磁盤或磁帶上的存儲方式和存取方法。它是按計算機系統(tǒng)的觀點對數據建模，主要用于DBMS的實現物理模型的實現是DBMS的任務，數據庫設計人員要了解和選擇物理模型42023/2/6數據模型—回顧數據模型通常由數據結構、數據操作和完整性約束三個要素組成。

一、數據結構描述數據庫的組成對象以及對象之間的聯系組成對象:與數據類型、內容、性質有關的對象與數據之間聯系有關的對象數據結構是刻畫一個數據模型性質最重要的方面，因此通常按照數據結構的類型命名數據模型層次結構、網狀結構和關系結構的數據模型分別命名為層次模型、網狀模型和關系模型。描述系統(tǒng)靜態(tài)特性52023/2/6數據模型—回顧二、數據操作對數據庫中各種對象的實例允許執(zhí)行的操作的集合,包括操作及有關的操作規(guī)則。如數據的檢索、插入、刪除和修改等。數據模型必須定義這些操作的確切含義、操作符號、操作規(guī)則以及實現操作的語言。數據操作用于描述系統(tǒng)的動態(tài)特性。62023/2/6數據模型—回顧三、數據的完整性約束條件數據的完整性約束條件是一組完整性規(guī)則的集合。完整性規(guī)則是給定的數據模型中數據及其聯系所具有的制約和依存規(guī)則，用以限定符合數據模型的數據庫狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，保證數據的正確、有效、相容例如在關系模型中任何關系必須滿足實體完整性與參照完整性原則數據模型應提供定義完整性約束條件的機制72023/2/6第2章數據模型2.1 E-R概念模型2.2 層次數據模型2.3 網狀數據模型2.4 關系數據模型2.5 面向對象數據模型2.6小結82023/2/62.1E-R概念模型概念模型的用途用于信息世界的建模是現實世界到機器世界的一個中間層次是數據庫設計的有力工具數據庫設計人員和用戶之間進行交流的語言對概念模型的基本要求較強的語義表達能力，能夠方便、直接地表達應用中的各種語義知識簡單、清晰、易于用戶理解。92023/2/62.1.1 E-R數據模型中的基本概念1.實體（Entity）客觀存在并可相互區(qū)別的事物稱為實體?？梢允蔷唧w的對象，如一個學生,一本書,一輛汽車；也可以是抽象的概念或聯系，如一堂課,一次比賽等2.屬性（Attribute）實體所具有的某一特征稱為屬性。一個實體可以由若干個屬性來刻畫，如學生實體有學號、姓名、年齡、性別、系等方面的屬性屬性有“類型”和“值”之分，“類型”即為屬性名，如姓名、年齡、性別是屬性的型；“值”即為屬性的具體內容，如(990001,張立，20，男，計算機)這些屬性值的集合表示了一個學生實體。102023/2/62.1.1 E-R數據模型中的基本概念3.聯系（Relationship）在現實世界中，事物內部以及事物之間是有聯系的在信息世界中將被抽象為實體內部的聯系和實體之間的聯系。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112023/2/63.聯系兩個實體集之間的聯系有三種：實體集1聯系名實體集2111:1聯系實體集1聯系名實體集2mnm:n聯系實體集1聯系名實體集21n1:n聯系122023/2/6兩個實體集之間的聯系一對一聯系（1:1）實體集A中的一個實體至多與實體集B中的一個實體相對應，反之亦然，則稱實體集A與實體集B為一對一的聯系。記作1:1。實例:班級與班長之間的聯系一個班級只有一個正班長一個班長只在一個班中任職132023/2/6兩個實體集之間的聯系一對多聯系（1:n）實體集A中的一個實體與實體集B中的多個實體相對應，反之，實體集B中的一個實體至多與實體集A中的一個實體相對應。記作1:n。實例:班級與學生之間的聯系一個班級中有若干名學生，每個學生只在一個班級中學習142023/2/6兩個實體集之間的聯系多對多聯系（m:n）實體集A中的一個實體與實體集B中的多個實體相對應，反之，實體集B中的一個實體與實體集A中的多個實體相對應。記作（m:n）。實例:課程與學生之間的聯系一門課程同時有若干個學生選修一個學生可以同時選修多門課程152023/2/6兩個以上的實體集之間的聯系多個實體集之間也可以存在有聯系，稱多元聯系若規(guī)定：一個供應商可供應多種零件給多個工程，一個工程可由多個供應商供應多種零件，一種零件可由多個供應商供應給多個工程，供應商、零件和工程間存在著多對多的聯系,表示為m:n:pknm供應商工程零件供應表示的是三個實體間的供應關系:某個供應商供應某種零件給某個工程“供應商S1供應零件P2給工程J1”162023/2/6兩個以上的實體集之間的聯系區(qū)別多個實體間的聯系和多個實體兩兩間的聯系三個實體兩兩之間的多對多聯系與三個實體的多對多聯系的語義不同三個實體兩兩之間的多對多僅能表示:一個工程需要哪些零件,這些零件可以由哪些供應商供應，兩兩之間的多對多無法表示:一個工程所用的零件具體由哪個供應商供應一個供應商具體供應哪種零件給哪個工程knm供應商工程零件供應172023/2/6實體集內部不同實體間的聯系同一實體集內一對多聯系實例

職工實體集內部具有領導與被領導的聯系某一職工（干部）“領導”若干名職工一個職工僅被另外一個職工直接領導這是一對多的聯系同一實體集內一對一聯系同一實體集內多對多聯系職工領導1n同一實體型內部的1:n聯系182023/2/62.1.2 E-R數據模型概念模型的表示方法很多，最著名的是E-R模型實體-聯系方法(Entity-RelationshipApproach)用E-R圖來描述現實世界的概念模型,E-R方法也稱為E-R模型E-R圖三個基本成分：實體、屬性和聯系的方法（1）實體:用矩形表示，矩形框內寫明實體名。（2）屬性:用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應的實體連接起來學生教師學生學號年齡性別姓名192023/2/62.1.2 E-R數據模型（3）聯系實體之間的聯系用菱形框表示，菱形框內標明聯系名，并分別用連線將關聯的實體連接起來，在連線旁標明實體間聯系的類型選課聯系用屬性成績來表示某個學生選修某門課的成績，屬性成績不能放在學生或課程實體中，該屬性是描述選課聯系的。課程選修學生mn成績n學時數課程課程號課程名m選課姓名性別年齡成績學生學號202023/2/6例：學生選修課程學生課程選修姓名學號系別課程號課程名學分成績用矩形表示實體用橢圓表示實體的屬性用無向邊把實體與其屬性連接起來用菱形表示實體間的聯系實體與聯系用線段連接并注明類型mn212023/2/6（3）聯系E-R模型中實體間的聯系提供了較多的語義基數比約束如在二元聯系中有1:1，1:n，m:n的聯系參與約束根據實體集中的實體是否全部參與聯系來描述實體參與聯系的約束一個實體集中的所有實體都參與聯系稱為完全參與，否則，稱為部分參與。如在教師與課程聯系中，一門課至少要有一位教師講授;而有教師不擔任授課任務，則在這一聯系中，課程實體為完全參與，教師實體為部分參與222023/2/6（3）聯系實體的參與度實體參與聯系的最小和最大次數，稱實體的參與度例如，學生選課中，如果規(guī)定一個學生最少選修2門課，最多選修5門課，則學生在選課聯系中的參與度是(2，5)規(guī)定一門課至少要有10個學生選修，至多有60個學生選修，則課程在選課聯系中的參與度是(10,60)(2，5)學生(10，60)課程選修成績232023/2/61學生1家長所屬2.1.2 E-R數據模型(4)弱實體E-R模型中有一類特殊的實體，這種實體的存在是依賴于其他實體而存在的，稱這類實體為弱實體相對于弱實體，它所依賴的實體稱為強實體弱實體在E-R模型中用雙框矩形表示，為了表示全部參與，與菱形框間用雙線連接。如在學生管理信息中，學生實體與家長實體之間存在著“所屬”關系，家長實體是不能脫離學生實體而獨立存在的，為弱實體242023/2/62.1.2 E-R數據模型（5）子類實體在擴展E-R數據模型中增加了子類和超類的概念，使E-R數據模型具有了更多的語義在基本E-R模型中，一個實體集是具有共同特性的一類實體的集合，但有時需要將實體集根據個體的不同特性分為多個子集如學校里一個系的職工，按照他們不同的工作特點可分為教師、實驗人員和機關工作人員等。他們除具有共同的特性如姓名、年齡、性別外，還有各自不同的特性o

oo職工教師實驗員機關工作人員252023/2/6物資管理需求倉庫、零件、供應商、項目、職工262023/2/6物資管理需求倉庫、零件、供應商、項目、職工272023/2/6282023/2/6292023/2/6課堂練習一個學院有若干名職工，一個職工僅在一個學院工作，一個學院有若干名學生，一名學生僅在一個學院學習一個學生可以選修多門課，一門課可供若干學生選修一個學生有一位家長聯系，一位家長對應一個學生一個教師可以講多門課；一門課可以有多個授課教師，一種教材可用于多門課且被不同的教師選用。不同教師可以用不同的教材302023/2/6課堂練習一個學院有若干名職工，一個職工僅在一個學院工作，一個學院有若干名學生，一名學生僅在一個學院學習一個學生可以選修多門課，一門課可供若干學生選修一個學生有一位家長聯系，一位家長對應一個學生一個教師可以講多門課；一門課可以有多個授課教師，一種教材可用于多門課且被不同的教師選用。不同教師可以用不同的教材學院與職工間是1：m的聯系學院與學生間是1：m的聯系學生與課程間是m：n的聯系學生與家長間是1:1的聯系教師、課程、教科書之間存在著p:m:n的聯系312023/2/6課堂練習一個學院有若干名職工，一個職工僅在一個學院工作，學院與職工間是1：m的聯系一個學院有若干名學生，一名學生僅在一個學院學習，學院與學生間是1：m的聯系一個學生可以選修多門課，一門課可供若干學生選修，學生與課程間是m：n的聯系一個學生有一位家長聯系，一位家長對應一個學生，學生與家長間是1:1的聯系；教師、課程、教科書之間存在著p：m：n的聯系。一個教師可以講多門課；一門課可以有多個授課教師，一種教材可用于多門課且被不同的教師選用。不同教師可以用不同的教材；322023/2/6332023/2/62.1E-R概念模型E-R模型被廣泛地用于數據庫概念模型的設計。在E-R圖中僅表示現實世界中的信息結構及信息之間的關系，不涉及任何信息在計算機中的表示。只要用戶的需求不變，E-R模型是穩(wěn)定的。運用E-R模型，可以很方便地將其轉換為具體的DBMS所支持的數據模型342023/2/6第2章數據模型2.1 E-R概念模型2.2 層次數據模型2.3 網狀數據模型2.4 關系數據模型2.5 面向對象數據模型2.6小結352023/2/62.2層次模型層次模型是數據庫系統(tǒng)中最早出現的數據模型，典型代表是IBM公司的IMS（InformationManagementSystem）數據庫管理系統(tǒng)，1968年推出層次數據模型用樹型結構表示各類實體以及實體間的聯系。現實世界中，許多實體之間的聯系都表現出一種很自然的層次關系，如家族關系，行政機構等。

滿足下面兩個條件的基本層次聯系的集合為層次模型有且只有一個結點沒有雙親結點，這個結點稱為根節(jié)點根以外的其它結點有且只有一個雙親結點362023/2/6一、層次數據模型的數據結構在層次模型中，根結點處在最上層，其它結點都有上一級結點作為其雙親結點，這些結點稱為其雙親結點的子女結點，同一雙親結點的子女結點稱為兄弟結點。沒有子女的結點稱為葉結點

Ｒ1

根結點

Ｒ2

兄弟結點

Ｒ3

葉結點

Ｒ4

兄弟結點

Ｒ5

葉結點

葉結點雙親結點到子女結點間表示了記錄間的一對多的聯系學院班級教研室學生教師372023/2/6層次模型的優(yōu)點（1）數據結構比較簡單，清晰。（2）層次數據庫的查詢效率高。（3）它提供了良好的數據完整性支持。382023/2/6層次模型的優(yōu)缺點缺點：（1）不能直接表示兩個以上的實體型間的復雜的聯系和實體型間的多對多聯系，只能通過引入冗余數據或創(chuàng)建虛擬結點的方法來解決，易產生不一致性（2）對數據的插入和刪除的操作限制太多。（3）查詢子女結點必須通過雙親結點。（4）由于結構嚴密，層次命令趨于程序化392023/2/6第2章數據模型2.1 E-R概念模型2.2 層次數據模型2.3 網狀數據模型2.4 關系數據模型2.5 面向對象數據模型2.6小結402023/2/62.3網狀模型現實世界中事物之間的聯系更多的是非層次關系的，用層次模型表示這種關系很不直觀，網狀模型克服了這一弊病，可以清晰的表示這種非層次關系。滿足下面兩個條件的基本層次聯系的集合為網狀模型允許一個以上的結點無雙親一個結點可以有多于一個的雙親社團班級學生學生課程412023/2/6網狀模型的優(yōu)缺點優(yōu)點能夠更為直接地描述現實世界，如一個結點可以由多個雙親；具有良好的性能，存取效率較高；缺點結構比較復雜，而且隨著應用環(huán)境的擴大，數據庫的結構就變的越來越復雜，不利于最終用戶掌握；其DDL、DML語言復雜，用戶不容易使用；訪問數據時必須自行選擇存取路徑，增加了程序編寫的負擔。422023/2/6網狀數據模型的數據結構兩個或兩個以上的結點都可以有多個雙親結點，則此時有向樹變成了有向圖網狀模型可以更直接的描述現實世界，層次模型實際上是網狀模型的特例班級-學生社團-學生學院-班級學院學院-教師班級教師社團學生班級-學生班級-學生詩社社團-學生學院-班級計算機學院981班王明范穎吳浩嚴偉林利合唱團學院-教師社團-學生992班張一凡趙文庭432023/2/6第2章數據模型2.1 E-R概念模型2.2 層次數據模型2.3 網狀數據模型2.4 關系數據模型2.5 面向對象數據模型2.6小結442023/2/62.4關系模型關系模型是最重要的一種數據模型。系統(tǒng)而嚴格地提出關系模型的是美國IBM公司的E.F.Codd1970年提出關系數據模型

E.F.Codd,“ARelationalModelofDataforLargeSharedDataBanks”,《CommunicationoftheACM》,1970之后，提出了關系代數和關系演算的概念1972年提出了關系的第一、第二、第三范式1974年提出了關系的BC范式從而開創(chuàng)了數據庫的關系方法和數據規(guī)范化理論的研究，他為此獲得了1981年的圖靈獎。452023/2/62.4關系模型1977年IBM公司研制的關系數據庫的代表SystemR開始運行，其后又進行了不斷的改進和擴充，出現了基于SystemR的數據庫系統(tǒng)SQL/DB。20世紀80年代以來，計算機廠商新推出的數據庫管理系統(tǒng)幾乎都支持關系模型，非關系系統(tǒng)的產品也都加上了關系接口。數據庫領域當前的研究工作也都是以關系方法為基礎關系數據庫已成為目前應用最廣泛的數據庫系統(tǒng)，典型實驗系統(tǒng):SystemR、UniversityINGRES典型商用系統(tǒng):ORACLE、SQLServer、SYBASE、INFORMIX、DB2FoxPro、MySQL、Access462023/2/62.4.1關系模型的基本概念和結構

在關系模型中，基本數據結構被限制為二維表，一張二維表稱為一個關系1.關系關系是數學上集合論中的一個概念，關系模型是以關系為基礎發(fā)展起來的(1)關系（relation）關系是一張二維表，是由多個行和列組成的。一個關系可用來描述一個實體集學號姓名出生年月性別入學年份班級2006901張偉1988.01男20062006022007912王剛1989.03男2007200705..................472023/2/61.關系(2)屬性（attribute）一個關系有多個列，每一列為關系的一個屬性如學生關系中，有屬性名學號、姓名、出生年月(3)域（domain）一個屬性對應一個值的集合。域是屬性的取值范圍如學號的域是7位字符數字的集合，學生姓名是漢字字符串的集合等482023/2/6分量1.關系學號姓名出生年月性別入學年份班級2006901張偉1988.01男20062006022007912王剛1989.03男2007200705..................屬性元組(4)元組（tuple）關系是元組的集合，一個元組對應實體集中的一個個體。一個元組由若干個分量組成。一個分量對應一個屬性值。492023/2/61.關系(5)鍵（key）鍵是一個或多個屬性組成的，能夠唯一標識一個元組。一個關系中可能有多組屬性都能夠起到標識元組的作用。因而，一個關系中可能有多個鍵選擇其中的一個作為主鍵，其余為候選鍵。502023/2/62.4.1關系模型的基本概念和結構2. 關系模式對關系結構的描述稱為關系模式(relationschema)。關系模式可用如下形式表示：關系名（屬性名1，屬性名2，…，屬性名n）。如學生關系可表示為：學生（學號,姓名,出生年月,性別,入學年份,班級）關系數據庫模式是一組關系模式的集合，這組關系模式對應的關系的集合稱為關系數據庫ER模式向關系數據模式的映射概念模式與邏輯模式的對應512023/2/6ERSchemaRDBSchema數據結構實體集+屬性聯系集+屬性主鍵（候選鍵）？？？數據操作/？約束一般性約束（聯系類型約束）鍵約束參與約束？ER模式向關系數據模式的映射用關系（表）描述實體522023/2/6關系模式（relationalschema)的關鍵：基本表（basetable)，也簡稱關系表。表由“列”（Column）和“行”（Row）組成。行又叫元組（tuple），列又叫字段（field）。數據對象（實體集）用關系（表）來定義。ER中實體集的屬性表中的列（字段、屬性）；ER中實體集中的每個實體實例表中的行（元組、記錄）姓名學號D.O.B…Peter20151015-10-1992Lisa201510212-7-1992列行學生表ER模式中聯系是單獨描述的。而在關系模式中，聯系也可以用表來描述。例如，選課聯系選課表。表中有來自學生和課程兩個實體的屬性，而成績是選課關聯自身的描述屬性。列的取值范圍稱為域（Domain）。例如，成績的范圍一般是：0-100。532023/2/6學生選課表姓名學號課程號課程名成績Peter2015101A1033數據庫85Lisa2015102A1030數據倉庫91542023/2/62.4.1關系模型的基本概念和結構關系模型中基本的數據結構是單一的關系現實世界中實體及實體間的聯系都用關系表示學號姓名出生年月性別入學年份班級2014901張偉1988.01男20142014022015912王剛1989.03男2015201505..................學號課程名系別任課教師2014901數據庫計算機嚴明亮2015912數據結構計算機劉西學............552023/2/62.4.1關系模型的基本概念和結構關系必須是規(guī)范化的，滿足一定的規(guī)范條件最基本的規(guī)范條件：關系的每一個分量必須是一個不可分的數據項。下表不符合關系模型要求562023/2/62.4

關系數據模型2.4.2關系模型的數據完整性約束為了維護數據庫中的數據與現實世界的一致性，需要對數據施加一定的約束條件實體完整性、參照完整性、用戶自定義完整性2.4.3關系模型的數據操縱關系模型中，對關系中的數據可進行查詢、插入、刪除和修改操作在關系數據庫系統(tǒng)中，對數據的全部操作都可以歸結為對關系的運算。對關系可以進行多種運算運算結果形成一個新關系關系運算分為：關系代數和關系演算概念模式與邏輯模式的對應572023/2/6ER模型關系數據模型數據結構實體集實體集屬性聯系集與屬性實體的實例主鍵/候選鍵??？？？數據操作/？約束聯系類型約束鍵約束完全參與約束？關系表表的主鍵/候選鍵表的列關系表和列表中的各行SQL語句關系代數、關系演算實體完整性、參照完整性、用戶自定義完整性582023/2/62.4.4關系模型優(yōu)點(1)數據結構簡單(2)一體化的數據子語言(3)數據獨立性高(4)面向集合的存取方式(5)堅實的理論基礎(6)有利于開展其他應用2.5面向對象數據模型對象關系數據庫系統(tǒng)(ObjectRelationalDatabaseSystem，ORDBS)是面向對象數據模型(ObjectOrientedDataModel，簡稱OO模型)和關系數據模型相結合的產物兩條研究路線

建立新的面向對象數據庫系統(tǒng)OODBS，支持OO數據模型；以關系數據庫和SQL為基礎，把面向對象技術融入數據庫系統(tǒng)的ORDBS

592023/2/6OO模型的核心概念1.對象定義：對象是由一組數據結構和在這組數據結構上的操作的程序代碼封裝起來的基本單位。組成部分屬性(Attribute)集合屬性描述對象的狀態(tài)、組成和特性方法(Method)集合描述了對象的行為特性602023/2/6OO模型的核心概念2.對象標識OID(ObjectIDentifier)概念：面向對象數據庫中的每個對象都有一個唯一的不變的標識稱為對象標識