第2章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剖析課件

數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用教程（第3版）國家“十一五”規(guī)劃教材第2章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)模型2.2概念層數(shù)據(jù)模型2.3組織層數(shù)據(jù)模型2.4數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)2.1數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)模型現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)是散亂無章的，散亂的數(shù)據(jù)不利于人們對其進(jìn)行有效的管理和處理。因此，必須把現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)按照一定的格式組織起來，以方便對其進(jìn)行操作和使用。在用數(shù)據(jù)庫技術(shù)管理數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)被按照一定的格式組織起來，比如二維表結(jié)構(gòu)，以使數(shù)據(jù)能夠被更高效地管理和處理。*32.1.1數(shù)據(jù)與信息描述事物的符號記錄稱為數(shù)據(jù)。將從數(shù)據(jù)中獲得的有意義的內(nèi)容稱為信息數(shù)據(jù)有一定的格式，這些格式的規(guī)定是數(shù)據(jù)的語法，而數(shù)據(jù)的含義是數(shù)據(jù)的語義。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)：（張三，9912101，男，1981，計算機(jī)系，應(yīng)用軟件）解釋：張三是9912101班的男生，1981年出生，計算機(jī)系應(yīng)用軟件專業(yè)。*5數(shù)據(jù)信息解釋數(shù)據(jù)的靜態(tài)特征數(shù)據(jù)的基本結(jié)構(gòu)學(xué)生的學(xué)號、姓名、性別、出生日期數(shù)據(jù)間的聯(lián)系學(xué)生選課中的學(xué)號與學(xué)生基本信息中的學(xué)號數(shù)據(jù)取值范圍約束考試成績在0～100分之間*6動態(tài)特征指對數(shù)據(jù)可以進(jìn)行的操作以及操作規(guī)則。對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的操作主要有查詢數(shù)據(jù)更改數(shù)據(jù)：插入、刪除和更新一般將對數(shù)據(jù)的靜態(tài)特征和動態(tài)特征的描述稱為數(shù)據(jù)模型三要素*72.1.2數(shù)據(jù)模型對于模型，人們并不陌生。建筑模型

飛機(jī)模型計算機(jī)中的模型是對事物、對象、過程等客觀系統(tǒng)中感興趣的內(nèi)容的模擬和抽象表達(dá)，是理解系統(tǒng)的思維工具數(shù)據(jù)模型(datamodel)也是一種模型，它是對現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)特征的抽象。*8數(shù)據(jù)模型（續(xù)）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是基于某種數(shù)據(jù)模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行組織的，因此，了解數(shù)據(jù)模型的基本概念是學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫知識的基礎(chǔ)。在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)模型用于表達(dá)現(xiàn)實世界中的對象，即將現(xiàn)實世界中雜亂的信息用一種規(guī)范的、形象化的方式表達(dá)出來。*9數(shù)據(jù)模型（續(xù)）數(shù)據(jù)模型即要面向現(xiàn)實世界，又要面向機(jī)器世界，因此需滿足三個要求:能夠真實地模擬現(xiàn)實世界;容易被人們理解;能夠方便地在計算機(jī)上實現(xiàn)。*10數(shù)據(jù)模型（續(xù)）數(shù)據(jù)模型實際上是模型化數(shù)據(jù)和信息的工具。根據(jù)模型應(yīng)用的不同目的，可以將模型分為兩大類：概念層數(shù)據(jù)模型（概念模型），從數(shù)據(jù)的語義視角來抽取模型，是按用戶的觀點來對數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行建模。組織層數(shù)據(jù)模型（組織模型）。從數(shù)據(jù)的組織層次來描述數(shù)據(jù)。*112.2概念層數(shù)據(jù)模型從數(shù)據(jù)的應(yīng)用語義視角來抽取現(xiàn)實世界中有價值的數(shù)據(jù)并按用戶的觀點對數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。主要用在數(shù)據(jù)庫的設(shè)計階段，與具體的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)無關(guān)，與具體的實現(xiàn)方式無關(guān)。*12組織層數(shù)據(jù)模型從數(shù)據(jù)的組織方式來描述數(shù)據(jù)。主要有：層次模型網(wǎng)狀模型關(guān)系模型對象-關(guān)系模型是從計算機(jī)系統(tǒng)的觀點對數(shù)據(jù)進(jìn)行建模與所使用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有關(guān)。*13轉(zhuǎn)換現(xiàn)實世界信息世界：概念模型機(jī)器世界：具體DBMS支持的數(shù)據(jù)模型人的認(rèn)識抽象現(xiàn)實世界客觀事物的抽象過程2.2概念層數(shù)據(jù)模型概念層次模型實際上是現(xiàn)實世界到機(jī)器世界的一個中間層次。概念層次模型：抽象現(xiàn)實系統(tǒng)中有應(yīng)用價值的元素及其關(guān)聯(lián)，反映現(xiàn)實系統(tǒng)中有應(yīng)用價值的信息結(jié)構(gòu)，不依賴于數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)。概念模型用于信息世界的建模，是現(xiàn)實世界到信息世界的第一層抽象。是數(shù)據(jù)庫設(shè)計人員和用戶之間進(jìn)行交流的工具。是面向用戶、面向現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)模型，是與DBMS無關(guān)。常用的概念模型：實體-聯(lián)系模型、語義對象模型

實體-聯(lián)系模型實體

屬性聯(lián)系

實體具有公共性質(zhì)的可相互區(qū)分的現(xiàn)實世界對象的集合?？梢允蔷唧w的事物，也可以是抽象的概念或聯(lián)系具體的事物：學(xué)生、課程、職工抽象的聯(lián)系：學(xué)生選課實體的表示方式在E-R圖中用矩形框表示實體，把實體名寫在框內(nèi)，比如學(xué)生實體可以表示為：學(xué)生屬性實體所具有的特征或性質(zhì)。身高年齡性別體重……聯(lián)系

聯(lián)系是數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)集合，是客觀存在的應(yīng)用語義鏈。實體內(nèi)部的聯(lián)系：一個實體內(nèi)屬性之間的聯(lián)系。職工實體內(nèi)部的職工號和此職工的部門經(jīng)理號實體之間的聯(lián)系：不同實體之間的聯(lián)系。課程實體和學(xué)生實體之間存在選課聯(lián)系。聯(lián)系的表示方式

實體之間的聯(lián)系用菱形框表示，框內(nèi)寫上聯(lián)系名，并用連線與有關(guān)的實體相連。聯(lián)系名實體1實體2聯(lián)系的種類一對一聯(lián)系(1:1)一對多聯(lián)系(1:n)多對多聯(lián)系(m:n)一對一聯(lián)系（實體內(nèi)部的聯(lián)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(guān)聯(lián)，反之亦然，則稱實體A與實體B具有一對一聯(lián)系，記作：1:1。一對一聯(lián)系(1:1)一對一聯(lián)系的例子

部門和正經(jīng)理（假設(shè)一個部門只有一個正經(jīng)理，一個人只當(dāng)一個部門的經(jīng)理）、系和正系主任（假設(shè)一個系只有一個正主任，一個人只當(dāng)一個系的主任）都是一對一聯(lián)系。

管理經(jīng)理部門11一對多的聯(lián)系

如果實體A與實體B之間存在聯(lián)系，并且對于實體A中的一個實例，實體B中有多個實例與之對應(yīng)；而對實體B中的任意一個實例，在實體A中都只有一個實例與之對應(yīng)，則稱實體A到實體B的聯(lián)系是一對多的，記為1:n。

有部門和職工兩個實體，并且有語義：一個部門可以有多名職工，但是一個職工只在一個部門工作。則部門和職工之間的聯(lián)系是一對多的，我們把這種聯(lián)系命名為工作。一對多聯(lián)系的例子工作部門職工1n多對多的聯(lián)系

如果實體A與實體B之間存在聯(lián)系，并且對于實體A中的一個實例，實體B中有多個實例與之對應(yīng)；而對實體B中的一個實例，在實體A中也有多個實例與之對應(yīng)，則稱實體A到實體B的聯(lián)系是多對多的，記為m:n。多對多聯(lián)系的例子

有學(xué)生和課程兩個實體，并且有語義：一個學(xué)生可以修多門課程，一門課程可以被多個學(xué)生修。那么學(xué)生和課程之間的聯(lián)系就是多對多的，我們把這種聯(lián)系命名為選課。學(xué)生課程選課mn關(guān)聯(lián)多個實體的聯(lián)系顧客購買商品：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。

mnp顧客商品售貨員銷售兩個圖不等價*30mnp顧客商品售貨員銷售×2.3組織層數(shù)據(jù)模型2.3.1關(guān)系數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2.3.2關(guān)系數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)操作2.3.3關(guān)系數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)完整性約束關(guān)系數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)把數(shù)據(jù)看成是二維表中的元素，而這個二維表就是關(guān)系用關(guān)系（表格數(shù)據(jù)）表示實體和實體之間聯(lián)系的模型稱為關(guān)系數(shù)據(jù)模型示例：學(xué)生基本信息表學(xué)號姓名性別年齡所在系9512101李勇男19計算機(jī)系9512102劉晨男20計算機(jī)系9512103王敏女20計算機(jī)系9521101張立男22信息系9521102吳賓女21信息系一些基本術(shù)語關(guān)系：關(guān)系就是二維表。并滿足如下性質(zhì)：關(guān)系表中的每一列都是不可再分的基本屬性；表中的行、列次序并不重要。學(xué)號姓名性別年齡所在系出生日期年月日9512101李勇男19計算機(jī)系1984469512102劉晨男20計算機(jī)系198412159512103王敏女20計算機(jī)系19838219521101張立男22信息系198363不是基本屬性不是關(guān)系表一些基本術(shù)語（續(xù)）元組：表中的每一行稱作是一個元組，它相當(dāng)于一個記錄值。屬性：表中的每一列是一個屬性值的集合，列可以命名，稱為屬性名。

主碼：表中用于惟一地確定一個元組的一個屬性或最小的屬性組。域：屬性的取值范圍。如性別的域為:（‘男’,‘女’）主碼示例學(xué)生基本信息表：（學(xué)號，姓名，年齡，性別，所在系）學(xué)生修課信息表：（學(xué)號，課程號，成績）一些基本術(shù)語（續(xù)）關(guān)系模式：二維表的結(jié)構(gòu)稱為關(guān)系模式，即，關(guān)系模式是二維表的表框架或表頭結(jié)構(gòu)。關(guān)系模式一般表示為：

關(guān)系名（屬性1，屬性2，…，屬性n）例如，學(xué)生關(guān)系模式為：

學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，年齡，所在系）各概念之間的關(guān)系*37關(guān)系模型的數(shù)據(jù)操作

關(guān)系模型的操作對象是集合（也就是關(guān)系）。非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中典型的操作是一次一行或一次一個記錄。因此，集合處理能力是關(guān)系系統(tǒng)區(qū)別于其他系統(tǒng)的一個重要特征。關(guān)系數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)操作主要包括四種：查詢、插入、刪除和修改數(shù)據(jù)。

關(guān)系模型的數(shù)據(jù)完整性約束

實體完整性參照完整性用戶定義的完整性實體完整性實體完整性是保證關(guān)系中的每個元組都是可識別的和惟一的。

而且表中不允許存在如下的記錄：無主碼值的記錄主碼值相同的記錄參照完整性用于描述實體之間的聯(lián)系。參照完整性一般是指多個實體（表）之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

一般用外碼實現(xiàn)。外碼：取作本表（子表）屬性之一的外表（父表，主表）主碼。主碼值先在主表中生成，后在子表中引用外碼引用例1學(xué)生班屬于(學(xué)號,姓名,班號,…)（班號，專業(yè)，人數(shù),…）外碼引用例2學(xué)生課程修課（學(xué)號，姓名，…）（課程號，課程名,…）(學(xué)號,課程號,成績,…)參照完整性規(guī)則參照完整性規(guī)則就是定義外碼與主碼之間的引用規(guī)則。對于外碼，一般應(yīng)符合如下要求：或者值為空；或者等于其所應(yīng)用的關(guān)系中的某個元組的主碼值。外碼性質(zhì)外碼可以有重復(fù)值。例：如下兩個關(guān)系模式表示：職工（職工號，職工名，部門號，工資級別）部門（部門號，部門名）如果某新來職工還沒有被分配到具體的部門，則其“部門號”就為空值；如果職工已經(jīng)被分配到了某個部門，則其部門號就有了確定的值（非空值）。外碼用戶定義的完整性也稱為域完整性或語義完整性。按應(yīng)用語義，屬性數(shù)據(jù)有：類型與長度限制：方便計算機(jī)操作取值范圍限制：防止屬性值與應(yīng)用語義矛盾語義許可取值范圍約束例：

成績?nèi)0..100],{優(yōu)、良、中、及格、不及格}2.4數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2.4.1三級模式結(jié)構(gòu)

2.4.2模式映象與數(shù)據(jù)獨立性三級模式結(jié)構(gòu)外模式2外模式n外模式1概念模式內(nèi)模式…(單個用戶視圖)(公共用戶視圖)(存儲視圖)概念模式是關(guān)系的。外模式也是關(guān)系的或接近關(guān)系的，其內(nèi)容來自概念模式，它最接近用戶。內(nèi)模式不是關(guān)系的，它是數(shù)據(jù)的物理存儲方式。外模式也稱為用戶模式、子模式。

用戶對現(xiàn)實系統(tǒng)中感興趣整體的局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述。是DB整體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的子集或局部重構(gòu)。用外模式定義語言表達(dá)。例，對RDB，定義視圖結(jié)構(gòu)。是保證數(shù)據(jù)庫安全的一個措施。示例1——子集*52學(xué)

號姓

名年

齡性

別所

在

系0611101李勇21男計算機(jī)系0611102劉晨20男計算機(jī)系0611103王敏20女計算機(jī)系0621101張立20男信息管理系0621102吳賓19女信息管理系學(xué)

號姓

名性

別0611101李勇男0611102劉晨男0611103王敏女0621101張立男0621102吳賓女學(xué)生模式外模式學(xué)

號06111010611102061110306211010621102姓

名李勇劉晨王敏張立吳賓性

別男男女男女示例2——重構(gòu)學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，年齡，所在系）課程（課程號，課程名，學(xué)分）選課（學(xué)號，課程號，成績）*53學(xué)生（姓名，課程名，成績）姓名課程名成績示例3——安全性職工表（職工號，姓名，所在部門，基本工資，職務(wù)工資，獎勵工資）*54職工信息（職工號，姓名，所在部門，基本工資，職務(wù)工資）獎勵工資概念模式也稱為邏輯模式或模式，是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)描述。是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的中間層。用模式定義語言表達(dá)。例，對關(guān)系數(shù)據(jù)庫，定義：表頭結(jié)構(gòu)、屬性取值范圍、…。模式實際上是數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)在邏輯級上的視圖。一個數(shù)據(jù)庫只有一種模式。不涉及存儲記錄對列、索引、指針或其他存儲的訪問細(xì)節(jié)。*56內(nèi)模式也稱為存儲模式。數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)描述（數(shù)據(jù)的組織與存儲）。用內(nèi)模式定義語言描述。例，對RDB，定義數(shù)據(jù)文件的位置、索引的依據(jù)等。2.4.2模式映象與數(shù)據(jù)獨立性數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式是對數(shù)據(jù)的三個抽象級別，它把數(shù)據(jù)的具體組織留給DBMS管理，使用戶能邏輯地、抽象地處理數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)在計算機(jī)中的具體