高等教育第2章 數(shù)據(jù)模型

第2章數(shù)據(jù)模型1主要內(nèi)容：信息的三個世界， 概念模型（E-R模型）數(shù)據(jù)模型的組成、發(fā)展（層次模型、網(wǎng)狀模型、關系模型）數(shù)據(jù)模型的三要素

重點：概念模型、E-R模型、關系模型難點：概念模型、數(shù)據(jù)模型22.1信息的三個世界2.2概念模型2.3邏輯模型(數(shù)據(jù)模型) 2.4本章小結(jié)第2章數(shù)據(jù)模型3數(shù)據(jù)從現(xiàn)實生活進入到數(shù)據(jù)庫實際經(jīng)歷了若干個階段

數(shù)據(jù)的三種范疇現(xiàn)實信息機器在數(shù)據(jù)庫中如何表示現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)和信息呢？2.1信息的三個世界42.1.1現(xiàn)實世界

現(xiàn)實世界是存在于人腦之外的客觀世界。 現(xiàn)實世界由萬事萬物組成。事物可用“對象”和“性質(zhì)”來描述，事物又有“共同事物”和“特殊事物”的區(qū)分?？陀^事物之間存在著相互聯(lián)系。 要求解現(xiàn)實問題，就要從找出反映實際問題的對象入手，研究它們的性質(zhì)及其內(nèi)在規(guī)律，從而找到求解方法。反映事物間聯(lián)系的是內(nèi)在規(guī)律。5

信息世界就是現(xiàn)實世界在人腦中的反映，又稱概念（觀念）世界。

客觀事物在信息世界中被抽象為實體， 客觀事物之間的相互聯(lián)系在信息世界中被抽象為概念模型。

現(xiàn)實世界是物質(zhì)的，相對而言， 信息世界是抽象的——是對現(xiàn)實世界的抽象。2.1.2信息世界6在信息世界中，常用的主要概念如下：

1.實體（Entity）

2.屬性(Attributes)

3.實體型（EntityType）4.實體集(EntitySet)5.聯(lián)系（Relationship）2.1.2信息世界7實體

1.實體（Entity）——客觀存在并可相互區(qū)別的事物稱為實體。說明：這里的事務可以是客觀事物，也可以是抽象事件?？陀^存在的抽象的概念或事件，如：訂貨、演出、足球賽……等也是實體可以觸及的客觀對象，即具體的人、事、物，如：學生、部門、課程、倉庫、器件、職工……等是實體8屬性身高年齡性別體重……比賽時間、地點、參賽隊……2.屬性(Attributes)——實體所具有的某一特性。說明：屬性有“型”和“值”之分。如性別就是一個屬性的型，而男、女就是性別屬性的值。93.實體型（EntityType）——若干個屬性型組成的集合。 說明：實體型用實體名及其屬性名集合來描述同類實體。如：學生（學號，姓名，性別，出生年月，系，入學時間）。實體型104.實體集——具有相同特征（也叫同型實體）的一類實體的集合。

如：全體學生就是一個實體集。學生實體集課程實體集教師實體集教室實體集實體集115.聯(lián)系（Relationship）——現(xiàn)實世界中，事務內(nèi)部以及事務之間的聯(lián)系在信息世界中的抽象。

分為2種聯(lián)系：實體內(nèi)部的聯(lián)系：通常是指組成實體的各屬性之間的聯(lián)系（反映現(xiàn)實世界中事物內(nèi)部的聯(lián)系）實體之間的聯(lián)系：通常是指不同實體集之間的聯(lián)系（反映現(xiàn)實世界中事物之間的聯(lián)系）聯(lián)系12信息世界的其他概念6.鍵（Key）能唯一標識一個實體的屬性或者屬性集稱為實體的鍵。例如學號是學生實體的鍵。7.域（Domain） 屬性的取值范圍稱為該屬性的域。例如學號的域為8位整數(shù)，姓名的域為字符串集合，性別的域為（男，女）。13數(shù)據(jù)世界是在信息世界的基礎上，對客觀事物及其聯(lián)系的進一步抽象。信息世界中的實體在數(shù)據(jù)世界中被抽象為數(shù)據(jù)。現(xiàn)實世界中的事物及聯(lián)系在數(shù)據(jù)世界中用數(shù)據(jù)模型來描述。2.1.3數(shù)據(jù)世界（機器世界）14數(shù)據(jù)世界中常用的主要概念如下：1.記錄（Record）

對應于信息世界中的“實體”。如一個學生（990001，張立，20，男，計算機）為一個記錄。2.字段（Field）

對應于信息世界中的”屬性”

，也稱為數(shù)據(jù)項。字段的命名往往和屬性名相同。如學生有學號、姓名、年齡、性別、系等字段。3.文件（File）

對應于信息世界中的“實體集”。如所有學生的記錄組成了一個學生文件。2.1.3數(shù)據(jù)世界（機器世界）15現(xiàn)實世界信息世界數(shù)據(jù)世界事物總體實體集文件事物個體實體記錄特征屬性字段/數(shù)據(jù)項事物之間的聯(lián)系概念模型數(shù)據(jù)模型圖2-2三個世界的各術(shù)語的對應關系

2.1.4三個世界之間的關系16客觀世界是信息之源，是設計DB的出發(fā)點概念模型和數(shù)據(jù)模型是對客觀事物的兩級抽象描述：概念模型是按用戶的觀點來建模，對應于信息世界數(shù)據(jù)模型是按計算機系統(tǒng)的觀點來建模，對應于數(shù)據(jù)世界數(shù)據(jù)庫的核心問題是數(shù)據(jù)模型2.1.4三個世界之間的關系17

將客觀事物抽象為能用計算機存儲和處理的數(shù)

據(jù)需經(jīng)歷三個階段：數(shù)據(jù)模型概念模型現(xiàn)實世界信息世界數(shù)據(jù)世界2.1.4三個世界之間的關系182.2概念模型概念模型（conceptualdatamodel）——是面向用戶的模型，它是用戶所容易理解的現(xiàn)實世界特征的數(shù)據(jù)抽象。

概念模型用于信息世界的建模19概念模型具有兩方面的特征：是現(xiàn)實客觀世界特征的第一層次的抽象。是數(shù)據(jù)庫設計人員與用戶之間進行交流的語言。概念模型需要滿足兩方面的要求：具有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；應該簡單、直觀、清晰，易于為沒有多少專業(yè)知識的用戶所理解。2.2概念模型20實體：客觀存在，并可以相互區(qū)分的事物就是實體。屬性：一個實體通常具有若干個特征，其中的每一個特征就稱為實體的一個屬性。 說明：屬性不能脫離實體，屬性是相對實體而言的，它表征了實體的一個特征。

聯(lián)系：實體集之間的對應關系稱為聯(lián)系，它反映現(xiàn)實世界事物之間的相互關聯(lián)。1.實體、屬性及聯(lián)系212.實體間的聯(lián)系

實體集內(nèi)部的聯(lián)系實體集之間的聯(lián)系一對一聯(lián)系（1:1）一對多聯(lián)系（1:n）多對多聯(lián)系（m:n）22一對一聯(lián)系

定義：對于實體集A中的每一個實體，實體集B中至多有一個（也可以沒有）實體與之聯(lián)系，反之亦然，則稱實體集A與實體集B具有一對一聯(lián)系，記為1:123一對多聯(lián)系

對于實體集A中的每一個實體，實體集B中有n個實體（n≥0）與之聯(lián)系，反之，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中至多只有一個實體與之聯(lián)系，則稱實體集A與實體集B有一對多聯(lián)系，記為1:n24多對多聯(lián)系

對于實體集A中的每一個實體，實體集B中有n個實體（n≥0）與之聯(lián)系，反之，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中也有m個實體（m≥0）與之聯(lián)系，則稱實體集A與實體B具有多對多聯(lián)系，記為m:n25考考你學生與學號班級與學生教師與學生說出它們的聯(lián)系類型263.實體聯(lián)系（E-R）方法

概念模型中最常用和最著名的模型是實體-聯(lián)系模型（E—R模型）E—R模型的圖示形式就稱為E—R圖。E—R圖提供了用圖形表示實體、屬性和聯(lián)系的方法。E—R圖的要點如下：實體——用矩形表示實體型，矩形內(nèi)標明實體名；屬性——用橢圓形表示屬性，并用無向邊將其與相應的實體聯(lián)結(jié)起來；聯(lián)系——用菱形表示聯(lián)系，菱形內(nèi)寫出聯(lián)系名，同無向邊分別與有關實體聯(lián)結(jié)起來，同時在無向邊旁邊標上聯(lián)系的類型（1∶1，1∶n，m∶n）。27(1)實體聯(lián)系模型（Ｅ－Ｒ模型）

E-R模型的三要素：實體、屬性、實體間的聯(lián)系。表示屬性表示實體間聯(lián)系表示實體28(a)兩個實體之間的聯(lián)系學生選修成績課程系主任領導系學生屬于系11n1mn供應商供應數(shù)量零件項目mnn(b)多個實體之間的聯(lián)系(c)實體集內(nèi)部的聯(lián)系職工

領導1n學生選修學號(a)實體(b)屬性(c)聯(lián)系292.3邏輯數(shù)據(jù)模型（數(shù)據(jù)模型）通常，我們把邏輯數(shù)據(jù)模型簡稱為數(shù)據(jù)模型。關系數(shù)據(jù)庫之父E·F·Codd認為：一個基本數(shù)據(jù)模型是一組向用戶提供的規(guī)則，這些規(guī)則規(guī)定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如何組織以及允許進行何種操作。302.3數(shù)據(jù)模型目前最常用的數(shù)據(jù)模型有層次模型（HierarchicalModel）網(wǎng)狀模型（NetworkModel）關系模型（RelationalModel）說明：這3種數(shù)據(jù)模型的根本區(qū)別在于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，即數(shù)據(jù)之間聯(lián)系的表示方法不同。通常按數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型來命名數(shù)據(jù)模型。如：層次結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型是層次模型，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型是網(wǎng)狀模型，關系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型是關系模型。311.數(shù)據(jù)模型的三要素

1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2）數(shù)據(jù)操作3）完整性約束321）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)什么是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

描述數(shù)據(jù)庫的組成對象，以及對象之間的聯(lián)系描述的內(nèi)容與數(shù)據(jù)類型、內(nèi)容、性質(zhì)有關的對象與數(shù)據(jù)之間聯(lián)系有關的對象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對系統(tǒng)靜態(tài)特性的描述332）數(shù)據(jù)操作什么是數(shù)據(jù)操作 對數(shù)據(jù)庫中各種對象(型)的實例(值)允許執(zhí)行的操作及有關的操作規(guī)則數(shù)據(jù)庫中最主要的數(shù)據(jù)操作有2類：數(shù)據(jù)查詢數(shù)據(jù)更新(包括插入、刪除、修改)數(shù)據(jù)模型必須定義這些操作的確切含義、操作符號、操作規(guī)則（如優(yōu)先級）以及實現(xiàn)操作的語言。數(shù)據(jù)操作是對系統(tǒng)動態(tài)特性的描述343）數(shù)據(jù)的完整性約束什么是數(shù)據(jù)的完整性約束條件一組完整性規(guī)則的集合。完整性規(guī)則：含義：給定的數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)及其聯(lián)系所具有的制約和儲存規(guī)則作用：用以限定符合數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，以保證數(shù)據(jù)的正確、有效、相容。353）數(shù)據(jù)的完整性約束數(shù)據(jù)模型應包含的2個方面的完整性約束規(guī)定本數(shù)據(jù)模型必須遵守的基本的通用的完整性約束條件。舉例：例如在關系模型中，任何關系必須滿足實體完整性和參照完整性2個條件。提供用戶定義完整性約束條件的機制，以反映具體應用所涉及的數(shù)據(jù)必須遵守的特定的語義約束條件。舉例：例如在“學生管理信息系統(tǒng)”中，學生課程的分數(shù)不能為負數(shù)。362.層次模型層次模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中最早出現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型采用層次模型的數(shù)據(jù)庫的典型代表是IBM公司的IMS（InformationManagementSystem）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)層次模型用一棵“有向樹”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來表示各類實體以及實體間的聯(lián)系。37層次模型有向樹的示意圖層次模型中的幾個術(shù)語根結(jié)點，雙親結(jié)點，兄弟結(jié)點，葉結(jié)點根結(jié)點——沒有雙親的結(jié)點葉結(jié)點——沒有子女的結(jié)點38層次模型的含義： 滿足下面兩個條件的基本層次聯(lián)系的集合為層次模型1）有且僅有一個結(jié)點沒有雙親，該結(jié)點就是根結(jié)點；2）根以外的其他結(jié)點有且僅有一個雙親結(jié)點。說明：這就使得層次數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)只能直接處理一對多的實體關系；層次模型的含義和特征39層次模型的特征1）結(jié)點的雙親是唯一的2）只能直接處理一對多的實體聯(lián)系3）在樹中，每個結(jié)點表示一個記錄類型（對應“實體”），每個記錄類型可以包含若干個字段4）任何一個給定的記錄值只有按其路徑查看時，才能顯出它的全部意義5）沒有一個子女記錄值能夠脫離雙親記錄值而獨立存在。40層次模型的表示方法教員學生層次數(shù)據(jù)庫模型1）實體型：用記錄型描述每個結(jié)點表示一個記錄型（實體），圖中共有

4個結(jié)點2）屬性：用字段描述每個記錄型可包含若干個字段3）聯(lián)系：用結(jié)點之間的連線表示記錄型（實體）之間的一對多（1:n）的父子聯(lián)系41層次模型的“記錄值”教員學生層次數(shù)據(jù)庫的一個值學生對應上述層次數(shù)據(jù)模型，該值是D02（計算機系）記錄值及其所有后代記錄值組成的一棵樹。42層次模型的數(shù)據(jù)操縱與數(shù)據(jù)完整性約束層次模型的數(shù)據(jù)操縱主要有查詢、插入、刪除和修改進行插入、刪除和修改操作時要滿足層次模型的完整性約束條件。進行插入操作時，如果沒有相應的雙親結(jié)點值就不能插入子女結(jié)點值；進行刪除操作時，如果刪除雙親結(jié)點值，則相應的子女結(jié)點值也被同時刪除；修改操作時，應修改所有相應的記錄，以保證數(shù)據(jù)的一致性。43層次模型的優(yōu)缺點優(yōu)點比較簡單，容易使用。結(jié)構(gòu)清晰，結(jié)點間聯(lián)系簡單。它提供了良好的數(shù)據(jù)完整性支持。缺點不能直接表示兩個以上的實體型間的復雜的聯(lián)系和實體型間的多對多聯(lián)系，只能通過引入冗余數(shù)據(jù)或創(chuàng)建虛擬結(jié)點的方法來解決，易產(chǎn)生不一致性。對數(shù)據(jù)的插入和刪除的操作限制太多。查詢子女結(jié)點必須通過雙親結(jié)點。44層次型不能直接表示

多對多(m:n)的聯(lián)系把有兩個父結(jié)點的非層次結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成兩個層次型453.網(wǎng)狀模型網(wǎng)狀模型取消了層次模型的不能表示非樹型結(jié)構(gòu)的限制有向樹變成了有向圖，用有向圖描述了網(wǎng)狀模型。網(wǎng)狀模型的含義和特征滿足下面兩個條件的基本層次聯(lián)系的集合允許有一個以上的結(jié)點沒有雙親至少有一個結(jié)點可以有多于一個雙親。46網(wǎng)狀模型的例子(a)(b)(c)3.網(wǎng)狀模型47多對多聯(lián)系在網(wǎng)狀模型中的表示用網(wǎng)狀模型間接表示多對多聯(lián)系將多對多聯(lián)系直接分解成一對多聯(lián)系例(某“多對多聯(lián)系”)：一個學生可以選修若干門課程，某一課程可以被多個學生選修，學生與課程之間是多對多聯(lián)系引進一個學生選課的聯(lián)結(jié)記錄，由3個數(shù)據(jù)項組成學號課程號成績3.網(wǎng)狀模型48學生/選課/課程的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型3.網(wǎng)狀模型49網(wǎng)狀模型的數(shù)據(jù)操縱與完整性約束網(wǎng)狀模型的數(shù)據(jù)操縱：主要包括查詢、插入、刪除和修改數(shù)據(jù)進行插入、刪除和修改操作時要滿足網(wǎng)狀模型的完整性約束條件。插入數(shù)據(jù)時，允許插入尚未確定雙親結(jié)點值的子女結(jié)點值刪除數(shù)據(jù)時，允許只刪除雙親結(jié)點值修改數(shù)據(jù)時，可直接表示非樹形結(jié)構(gòu)，而無需像層次模型那樣增加冗余結(jié)點50優(yōu)點能更為直接地描述客觀世界，可表示實體間的多種復雜聯(lián)系。具有良好的性能和存儲效率。缺點結(jié)構(gòu)復雜，其DDL語言極其復雜。數(shù)據(jù)獨立性差，由于實體間的聯(lián)系本質(zhì)上是通過存取路徑表示的，因此應用程序在訪問數(shù)據(jù)時要指定存取路徑。網(wǎng)狀模型的優(yōu)缺點514.關系模型關系模型是發(fā)展較晚的一種模型，1970年美國IBM公司的研究員E.F.Codd首次提出了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的關系模型。20世紀80年代以來，計算機廠商新推出的DBMS幾乎都支持關系模型，非關系系統(tǒng)的產(chǎn)品也都加上了關系接口。數(shù)據(jù)庫領域當前的研究工作也都是以關系方法為基礎。關系數(shù)據(jù)庫已成為目前應用最廣泛的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，如現(xiàn)在廣泛使用的小型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Foxpro、Acess，大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Oracle、Informix、Sybase、SQLServer等都是關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)52在用戶觀點下，關系模型中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一張二維表。這種表稱為“關系”。

4.關系模型534.關系模型54關系模型的基本概念1）關系（Relation）：一個關系對應一張二維表2）元組（Tuple）：表格中的一行3）屬性（Attribute）：表格中的一列，相當于記錄中的一個字段4）關鍵字（Key）：可唯一標識元組的屬性或?qū)傩约?，也稱為關系鍵或主碼5）域（Domain）：屬性的取值范圍6）分量：元組中的一個屬性值7）關系模式：對關系的描述，一般表示為關系名（屬性1，屬性2，…，屬性n）比如：學生（學號，姓名，年齡，性別，系，年級）55關系模型的數(shù)據(jù)操縱主要包括查詢、插入、刪除和修改數(shù)據(jù)這些操作必須滿足關系的完整性約束條件，即實體完整性、參照完整性和用戶定義的完整性。 說明：

1）在非關系模型中，操作對象是單個記錄，在關系模型中，操作對象和操作結(jié)果都是關系，即若干元組的集合；

2）存取路徑對用戶隱蔽：用戶只要指出“干什么”，而不必詳細說明“怎么干”，從而大大地提高了數(shù)據(jù)的獨立性，提高了用戶的生產(chǎn)率。關系模型的數(shù)據(jù)操縱與完整性約束56優(yōu)點(詳見第3章)建立在嚴格數(shù)學概念基礎上，有嚴格的設計理論。概念單一、結(jié)構(gòu)簡單直觀、易理解、語言表達簡練。描述一致，實體和聯(lián)系都用關系描述，查詢操作結(jié)果也是一個關系。利用公共屬性連接，實體間的聯(lián)系容易實現(xiàn)。由于存取路徑對用戶透明，從而使得數(shù)據(jù)獨立性更高，安全保密性更好。缺點由于存取路徑對用戶透明，查詢效率往往不如非關系模型為了提高性能，必須對用戶的查詢表示進行優(yōu)化，增加了開發(fā)DBMS的負擔。關系模型的優(yōu)缺點575.面向?qū)ο竽Ｐ停裕╇m然關系模型比層次模型、網(wǎng)狀模型簡單靈活，但還不能表達現(xiàn)實世界的很多復雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如CAD中的圖形，多媒體應用中的聲音、圖像等。面向?qū)ο竽Ｐ褪敲嫦驅(qū)ο蟪绦蛟O計方法與數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。其基本目標是：以更接近人類思維的方式描述客觀世界的事物及其聯(lián)系。面向?qū)ο蟪绦蛟O計方法是目前程序設計中主要的方法之一，它簡單、直觀、自然，十分接近人類分析和處理問題的自然思維方式，同時又能有效地用來組織和管理不同類型的數(shù)據(jù)。58一系列面向?qū)ο蟮暮诵母拍顦?gòu)成了面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的基礎，其中主要包括：對象和對象標識屬性和方法封裝和消息類和繼承59優(yōu)點不僅能存儲數(shù)據(jù)，而且存儲了定義在數(shù)據(jù)上的操作