第三數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第三數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.1數(shù)據(jù)模型

模型——對客觀事物、現(xiàn)象、過程或系統(tǒng)的簡化描述所有的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都為它所要描述的世界建立了模型：

?數(shù)據(jù)建模：描述了組織數(shù)據(jù)的框架結(jié)構(gòu)。

如：樓房住戶-數(shù)據(jù)；房間規(guī)格-數(shù)據(jù)模型

———數(shù)據(jù)建模最后發(fā)展成為數(shù)據(jù)的存儲方式（數(shù)據(jù)字典中的定義）第2頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一?

業(yè)務(wù)功能建模：用戶的最終需求。

——業(yè)務(wù)功能建模最后發(fā)展成為應(yīng)用程序產(chǎn)生高效的應(yīng)用程序的前提是良好的數(shù)據(jù)模型。（正如10平米的房間無法成為會議廳一樣，一個糟糕的數(shù)據(jù)模型也無法產(chǎn)生高質(zhì)量的應(yīng)用。第3頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.1數(shù)據(jù)模型為什么要建立數(shù)據(jù)模型（DataModel）：?

象蓋大樓的設(shè)計圖一樣，DM可使所有的項目參與者都有一個共同的數(shù)據(jù)標準?

避免出現(xiàn)問題再解決（邊干邊改的方式）?

可及早發(fā)現(xiàn)問題?

加快應(yīng)用開發(fā)速度

第4頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.1.1數(shù)據(jù)模型的三要素

1．數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

——描述數(shù)據(jù)的靜態(tài)特征，包括對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述。通常按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型來命名數(shù)據(jù)模型：層次結(jié)構(gòu)——層次模型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)——網(wǎng)狀模型關(guān)系結(jié)構(gòu)——關(guān)系模型第5頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一2．數(shù)據(jù)操作——描述數(shù)據(jù)的動態(tài)特征：一組定義在數(shù)據(jù)上的操作（ 包括操作的含義、操作符、運算規(guī)則及其語言等）主要操作：檢索與更新（插入、刪除、修改）3.1.1數(shù)據(jù)模型的三要素

第6頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.1.1數(shù)據(jù)模型的三要素

3．

數(shù)據(jù)的約束條件

——完整性規(guī)則的集合，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)必須滿足這組規(guī)則。約束條件的主要目的是使數(shù)據(jù)庫與它所描述的現(xiàn)實系統(tǒng)相符合。

?設(shè)計時：時數(shù)據(jù)模型正確、真實、有效地反映現(xiàn)實

?

運行時：保證數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)值真實地體現(xiàn)現(xiàn)實世界的狀態(tài)

第7頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.1.2常見數(shù)據(jù)模型根據(jù)數(shù)據(jù)模型應(yīng)用目的不同，數(shù)據(jù)模型有以下幾種：●

概念（數(shù)據(jù)）模型（ConceptualDataModel）

———面向現(xiàn)實世界建模

———主要用來描述現(xiàn)實世界的概念化結(jié)構(gòu)，與具體的DBMS無關(guān)；

第8頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一-

現(xiàn)實世界的事物經(jīng)過人腦的抽象加工，提取出對用戶有用的信息，經(jīng)過組織整理加工形成結(jié)余現(xiàn)實世界和計算機世界之間的中間模型；

-

CDM只關(guān)心現(xiàn)實世界中的事物、事務(wù)特征、聯(lián)系，完全沒有與具體及其相關(guān)的任何概念；

第9頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.1.2常見數(shù)據(jù)模型

CDM是系統(tǒng)分析員、程序設(shè)計員、維護人員、用戶之間相互理解的共同語言；

-

CDM能時數(shù)據(jù)庫的設(shè)計人員在設(shè)計的初始階段擺脫計算機系統(tǒng)及DBMS的具體技術(shù)問題，集中精力分析數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系；-

概念模型必須轉(zhuǎn)換成邏輯模型，才能在DBMS中實現(xiàn)；-

最常用的概念模型是E-R模型

第10頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.1.2常見數(shù)據(jù)模型

●

邏輯（數(shù)據(jù)）模型（LogicalDataModel）

——面向用戶建模

——用戶從數(shù)據(jù)庫所看到的數(shù)據(jù)模型；

-是具體的DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型（網(wǎng)狀/層次

/關(guān)系/面向?qū)ο螅?/p>

-

既要面向用戶，也要面向系統(tǒng)；

-

LDM表示數(shù)據(jù)建聯(lián)系的方法

-

一般的DBMS支持一種LDM（特殊的DBMS支持多種LDM）

第11頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.1.2常見數(shù)據(jù)模型

●

物理（數(shù)據(jù)）模型（PhysicalDataModel）

——面向具體的DBMS，面向機器

——描述數(shù)據(jù)在存儲介質(zhì)上的組織結(jié)構(gòu)

-

PDM不僅與具體的DBMS有關(guān)，還與操作系統(tǒng) 和硬件有關(guān)

-

每一種邏輯模型在實現(xiàn)時都有其對應(yīng)的物理模型

-

PDM加入了概念模型中為考慮的因素：觸發(fā)器、 存儲過程、主鍵、外鍵、索引等

-DBMS為保證其獨立性和可以執(zhí)行，大部分PDM 的實現(xiàn)工作由系統(tǒng)自動完成，而設(shè)計者只設(shè)計索 引、聚簇等特殊結(jié)構(gòu)第12頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.1.3概念模型

實體-聯(lián)系（Entity-Relationship）概念模型

1．實體、實體型、實體集●

實體（Entity）

——客觀存在并能相互區(qū)分的事物

第13頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.1.3概念模型

●

實體型（EntityType）

——用實體名及屬性名集合來抽象刻畫同類實體●

實體集（EntitySet）

——同型的實體組成的集合。2．屬性（Attribute）

——指實體所具有的某一方面的特性，一個實體可 由若干個屬性來刻劃。

-屬性取值在一定的范圍，稱為該屬性的值域/域

（Domain）

-唯一標識實體的屬性集稱為碼(Key)第14頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.1.3概念模型3．聯(lián)系（Relationship）

——實體集合間存在的相互關(guān)系為了建立現(xiàn)實世界的完整模型，常常需要對聯(lián)系分類，根據(jù)一個實體集合的實體可以和多少個另一類實體集合的實體相聯(lián)系，可將聯(lián)系分為如下幾種：

(1)

一對一聯(lián)系（1：1）系——系主任

(2)

一對多聯(lián)系（1：n）班級——學(xué)生

(3)

一對一聯(lián)系（m：n）課程——學(xué)生第15頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一不同實體集的實體間聯(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）校長任職學(xué)校11第16頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一學(xué)生學(xué)習(xí)學(xué)校n1學(xué)生選修課程nm1:nn:m第17頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.1.3概念模型4實體-聯(lián)系圖（1）確定所有實體集合用矩形方框表示實體集合，方框內(nèi)標明實體集合名稱；（2）

選擇實體集應(yīng)包含的屬性用橢圓框表示屬性，通過無向邊連接到實體集。只有一個屬性的實體集可用屬性代替，附加到它參加的聯(lián)系上；（3）確定實體集之間的聯(lián)系 用菱形框表示，框內(nèi)標明聯(lián)系的名稱，通過無向邊（或有向邊）連接到參加聯(lián)系的每個實體集合；第18頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.1.3概念模型（4）確定實體集的關(guān)鍵字用下劃線在屬性上標明關(guān)鍵字的屬性集合；（5）

確定聯(lián)系的類型在用無向邊連接聯(lián)系到實體集時，在邊上注明1或 n（多）來知名聯(lián)系的類型。（在用有向邊連接 聯(lián)系到實體集時，讓邊的箭頭指向1的實體集的 一方，多對多因為都是多方，故無箭頭）第19頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一實體聯(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)系表示實體第20頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一班號班級名稱班級人數(shù)班級學(xué)號組成姓名性別年齡籍貫人數(shù)學(xué)生第21頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一

例1假設(shè)一個學(xué)生可選多門課程，而一門課程又有多個學(xué)生選修，每個學(xué)生每選一門課只有一個成績，一個教師只能講一門課程，一門課程也可有多個教師講授，一門課使用多本參考書。畫出E－R第22頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一教師課程學(xué)生參考書講授選修課程號學(xué)號姓名性別年齡成績課程名學(xué)分職工號姓名職稱性別書號書名價格摘要教學(xué)E-R圖1nmnm使用1第23頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.1.4三種主要的邏輯數(shù)據(jù)模型

目前最常用的數(shù)據(jù)模型有層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型。其中層次模型和網(wǎng)狀模型統(tǒng)稱為非關(guān)系模型。第24頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.1.4三種主要的邏輯數(shù)據(jù)模型一、

層次模型（HierarchicalModel）用樹型結(jié)構(gòu)來表示實體之間聯(lián)系的模型。支持層次模型的典型系統(tǒng)誕生于1970年前后，是IBM

公司的IMS（InformationManagementSystem）系統(tǒng)。

1.層次模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（1）有且僅有一個節(jié)點無雙親，這個節(jié)點稱為“根節(jié)點”。（2）其他節(jié)點有且僅有一個雙親。若用圖來表示，層次模型是一棵倒立的樹。節(jié)點層次（Level）從根開始定義，根為第一層，根的孩子稱為第二層，根稱為其孩子的雙親，同一雙親的孩子稱為兄弟。結(jié)點(記錄)是實體，樹枝是聯(lián)系。結(jié)點間是一對多聯(lián)系。第25頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.1.4三種主要的邏輯數(shù)據(jù)模型特點：有且僅有一個根結(jié)點，其記錄值與下屬結(jié)點1:n聯(lián)系。其它結(jié)點與一個父結(jié)點、多個子結(jié)點相聯(lián)系。查詢、訪問從根結(jié)點開始，按父子關(guān)系依次訪問。只能反應(yīng)一對多的關(guān)系，不能多對多的關(guān)系。系教研室教師學(xué)生第26頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一

2.層次數(shù)據(jù)模型（樹形）電話地址校長校名室號處長處名系主任系名系號院主任院名院號室號科長科名職務(wù)姓名工號室主任室名室號職稱姓名工號班主任班長編號入學(xué)分姓名學(xué)號學(xué)校行政機構(gòu)的層次模型層次模型的優(yōu)缺點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單缺點：插入、刪除限制多第27頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一2.1.4三種主要的邏輯數(shù)據(jù)模型二、網(wǎng)狀模型（NetworkModel）在數(shù)據(jù)庫中，對滿足以下兩個條件的數(shù)據(jù)模型稱為網(wǎng)狀模型：（1）允許一個以上的節(jié)點無雙親。（2）一個節(jié)點可以有多于一個的雙親。典型代表：DBTG（DataBaseTaskGroup）數(shù)據(jù)庫任務(wù)組網(wǎng)狀模型的優(yōu)缺點優(yōu)點：更能直接描述世界缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜系教研室教師學(xué)生住處第28頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一任何兩個實體間可有任意的基本聯(lián)系。特別是，任何實體向上可與幾個實體相聯(lián)系；一般地，每一聯(lián)系都是一對多的聯(lián)系。若為多對多的聯(lián)系，常要演變成一對多的聯(lián)系。

2.網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型特點：

可有0個或多個結(jié)點無雙親

允許結(jié)點有多個雙親允許結(jié)點間有2種以上的聯(lián)系

存取、訪問須從指定點出發(fā)，按指定路徑進行。學(xué)生選課的網(wǎng)狀模型學(xué)分時數(shù)課名課號職稱性別姓名工號班級性別姓名學(xué)號分數(shù)課名學(xué)號第29頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.1.4三種主要的邏輯數(shù)據(jù)模型三、

關(guān)系模型（RelationalModel）

1970，IBM，E.F.Codd關(guān)系模型源于數(shù)學(xué)，它把數(shù)據(jù)看成是二維表（關(guān)系）中的元素。用關(guān)系表示（不需用指針）實體和實體之間聯(lián)系的模型稱為關(guān)系模型。

一個關(guān)系定義一個實體集，聯(lián)系也用關(guān)系表示。不同關(guān)系間聯(lián)系還可通過共同屬性表現(xiàn)。第30頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一

3.關(guān)系數(shù)據(jù)模型典型RDBMS(關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng))：VFP、Oracle、Sybase、DB/2、Informix、Access等。廠號廠名狀態(tài)廠址S1YL20咸陽S2XQ10西安S3XT30西安零件號零件名顏色重量存放點P1螺帽紅12咸陽P2螺栓綠17西安P3螺釘黑10寶雞P4螺釘藍14咸陽廠號零件號存量S1P1300S1P2200S1P3400S2P1300S2P2400S3P2200關(guān)系S關(guān)系P關(guān)系SP第31頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3.2.1數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模式的概念

當設(shè)計數(shù)據(jù)庫時，對數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)感興趣；即模式（Schema）：數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的描述當應(yīng)用數(shù)據(jù)庫時，關(guān)心的是數(shù)據(jù)庫中存在的數(shù)據(jù)——實例（Instance）。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)經(jīng)常變化，而數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)在一定時間范圍內(nèi)不會改變。數(shù)據(jù)庫中結(jié)構(gòu)的定義可以在多個抽象級別進行，形成多個級別的數(shù)據(jù)庫模式。

第32頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.2.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式不僅可以使數(shù)據(jù)具有獨立性，而且還可以使數(shù)據(jù)達到共享，使同一數(shù)據(jù)滿足更多用戶的不同要求。

一、

內(nèi)模式（InternalSchema）

——存儲模式●

是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的內(nèi)部表示，即對數(shù)據(jù)的物 理結(jié)構(gòu)/存儲方式的描述，是低級描述，一般由 DBMS提供的語言或工具完成；第33頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.2.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)●

要修改存儲數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)（例如，用倒排文件代替多鏈表），那么僅僅需要把這些修改反映在存儲模式中；●

通常我們不關(guān)心內(nèi)模式的具體技術(shù)實現(xiàn)，而是從一般組織的觀點（即概念模式）或用戶的觀點（外模式）來討論數(shù)據(jù)庫的描述。但我們必須意識到基本的內(nèi)模式和存儲數(shù)據(jù)庫的存在。第34頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.2.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)二、

模式（Schema）

——邏輯模式●

是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特性的描述， 是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖；●DBMS提供數(shù)據(jù)定義語言DDL來描述邏輯模式，嚴格定義數(shù)據(jù)的名稱、特征、相互關(guān)系、約束等。第35頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.2.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)三、

外模式（ExternalSchema）

——用戶模式（視圖）●

是模式的子集或變形，是與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示；●不同用戶需求不同，看待數(shù)據(jù)的方式也可以不同，對數(shù)據(jù)保密的要求也可以不同，使用的程序設(shè)計語言也可以不同，因此不同用戶的外模式的描述可以使不同的。第36頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.2.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)舉例：民航售票系統(tǒng)包括處理航班程序和處理旅客程序。-程序的使用人員不必知道關(guān)于人事檔案、丟失的行李、飛行員的航行分配等信息；-

調(diào)度員可能需要知道關(guān)于航班、飛機和人事檔案等信息（如那些飛行員有資格駕駛747），但不必知道雇員的工資、旅客等信息。所以可以為訂票部門建立一個數(shù)據(jù)庫視圖，為調(diào)度部門建立另一個完全不同的視圖。第37頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.2.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)Note：視圖處理的數(shù)據(jù)并不實際存儲在數(shù)據(jù)庫中，而僅可以從邏輯數(shù)據(jù)庫中構(gòu)造出來。視圖比（邏輯）模式的抽象級別更高。舉例：“年齡”在人事部門數(shù)據(jù)庫中，但（邏輯）模式重金包含出生年月。當用戶希望通過訪問視圖得到年齡時，DBMS翻譯這個要求，在從物理數(shù)據(jù)庫上取出的數(shù)據(jù)完成計算。注：一個數(shù)據(jù)庫只有一個模式，一個內(nèi)模式，但可以有多個外模式。

第38頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.2.3數(shù)據(jù)庫的二級映象

三級模式中提供了兩級映象，保證了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獨立性，既物理獨立性與邏輯獨立性。一、

外模式/模式映象數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)投入使用后，可能有必要修改模式（如增加新關(guān)系、屬性、改變類型），這時：

重新定義外模式/模式映象==〉現(xiàn)存外模式不變==〉應(yīng)用程序不變第39頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3.2.3數(shù)據(jù)庫的二級映象二、

模式/內(nèi)模式映象當內(nèi)模式發(fā)生變化時：重新定義模式/內(nèi)模式映象==〉模式保持不變==〉外模式保持不變==〉建立在外模式上的應(yīng)用程序保持不變第40頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一內(nèi)模式外模式外模式外模式數(shù)據(jù)庫用戶視圖用戶模式外模式／模式映像模式／內(nèi)模式映像數(shù)據(jù)獨立性第41頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一2.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類1．單用戶數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)單用戶數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是一種早期的最簡單的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（包括應(yīng)用程序、DBMS、數(shù)據(jù)）都裝在一臺計算機上，由一個用戶獨占，不同機器之間不能共享數(shù)據(jù)。第42頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一2．主從式結(jié)構(gòu)主從式結(jié)構(gòu)是指一個主機帶多個終端的多用戶結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（包括應(yīng)用程序、DBMS、數(shù)