第2章-數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第2章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)軟件工程系

劉金嶺1/28/20251

本章主要內(nèi)容

(1)數(shù)據(jù)庫設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述。

(2)數(shù)據(jù)模型的描述。

(3)數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)。

1/28/20252本章的重要概念

概念、邏輯和物理設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述，數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述，數(shù)據(jù)模型的定義，實體間二元聯(lián)系，ER模型，數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)，三級結(jié)構(gòu)，兩級映象，兩級數(shù)據(jù)獨立性。1/28/202532.1數(shù)據(jù)描述

概念設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述邏輯設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述物理存儲中的數(shù)據(jù)描述數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述

1/28/20254概念設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述數(shù)據(jù)庫的概念設(shè)計是根據(jù)用戶的需求設(shè)計數(shù)據(jù)庫的概念結(jié)構(gòu)。實體（Entity）：

客觀存在、可以相互區(qū)別的事物稱為實體。實體可以是具體的對象，例如一名男學(xué)生，一輛汽車等。也可以是抽象的對象，例如一次借書，一場足球比賽等。實體集（EntitySet）性質(zhì)相同的同類實體的集合，稱為實體集。例如所有的男學(xué)生，全國足球錦標賽的所有比賽等。有時，在不引起混淆的情況下也稱實體集為實體。屬性（Attribute）：

實體有很多特性，每一個特性稱為一個屬性。每一個屬性有一個值域，其類型可以是整數(shù)型、實數(shù)型、字符串型等。例如實體學(xué)生有屬性學(xué)號、姓名、年齡、性別等。實體標識符（Identifier）：

能惟一標識實體的屬性或?qū)傩约?，稱為實體標識符。有時也稱為關(guān)鍵碼（Key），或簡稱為鍵。例如學(xué)生的學(xué)號可以作為學(xué)生實體的標識符。1/28/20255邏輯設(shè)計中的數(shù)據(jù)描述數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計是根據(jù)概念設(shè)計得到的，邏輯設(shè)計中的術(shù)語如下：字段（Field）：

標記實體屬性的命名單位稱為字段或數(shù)據(jù)項。它是可以命名的最小信息單位，所以又稱為數(shù)據(jù)元素或數(shù)據(jù)項。字段的命名往往和屬性名相同。例如學(xué)生有學(xué)號、姓名、年齡、性別等字段。記錄（Record）：

字段的有序集合稱為記錄。一般用一個記錄描述一個實體，所以記錄又可以定義為能完整地描述一個實體的字段集。例如一個學(xué)生記錄，由有序的字段集組成：學(xué)號，姓名，年齡，性別。文件（File）：

同一類記錄的集合稱為文件。文件是用來描述實體集的。例如所有的學(xué)生記錄組成了一個學(xué)生文件。關(guān)鍵碼（Key）能惟一標識文件中每個記錄的字段或字段集，稱為記錄的關(guān)鍵碼（簡稱為鍵）。1/28/20256概念設(shè)計和邏輯設(shè)計中兩套術(shù)語的對應(yīng)關(guān)系概念設(shè)計邏輯設(shè)計實體屬性實體集實體標識符記錄字段（或數(shù)據(jù)項）文件關(guān)鍵碼在數(shù)據(jù)庫技術(shù)中，每個概念都有類型（Type）和值（Value）之區(qū)分。例如“學(xué)生”是一個實體類型，而具體的人“張三”、“李四”是實體值。記錄也有記錄類型和記錄值之分。

在不會引起誤解時，不去仔細區(qū)分類型和值，籠統(tǒng)地稱“記錄”。

1/28/20257物理存儲中的數(shù)據(jù)描述數(shù)據(jù)描述有兩種形式：物理描述和邏輯描述。物理數(shù)據(jù)描述指數(shù)據(jù)在存儲設(shè)備上的存儲方式的描述，物理數(shù)據(jù)是實際存放在存儲設(shè)備上的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，邏輯數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)之間可以是差別很大的。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的一個目標是使用戶能簡單、方便、容易地存取數(shù)據(jù)，不必關(guān)心數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)和具體實現(xiàn)方式。1/28/20258數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述(1)在現(xiàn)實世界中，事物內(nèi)部以及事物之間是有聯(lián)系的，這些聯(lián)系在信息世界中反映為實體集內(nèi)部的聯(lián)系和實體集之間的聯(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；實體之間的聯(lián)系通常是指不同實體集之間的聯(lián)系。兩個實體集之間的聯(lián)系一對一聯(lián)系（1:1）：如果對于實體集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:N。實體集A聯(lián)系名實體集B111/28/20259數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述(2)一對多聯(lián)系（1:N）：如果對于實體集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:N。1N實體集A聯(lián)系名實體集B1/28/202510數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述(3)例一對一聯(lián)系一對多聯(lián)系1/28/202511數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述(4)多對多聯(lián)系（M:N）：如果對于實體集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與實體集B具有多對多聯(lián)系，記為M:N。實體集A聯(lián)系名實體集BMN一對一聯(lián)系是一對多聯(lián)系的特例，而一對多聯(lián)系又是多對多聯(lián)系的特例。

1/28/202512數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述(5)例多對多聯(lián)系1/28/202513數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述(6)

實體間的聯(lián)系

若實體E1，E2，…，En之間存在聯(lián)系，對于實體Ej與（j=1，2，…，i-1，i+1，…，n）中給定實體，最多只和Ei中的一個實體相聯(lián)系，則說Ei與E1，E2，…，Ej-1，Ej+1，…，En聯(lián)系是一對多的。對于課程、教師與參考書3個實體，如果一門課程可以有若干個教師講授，使用若干本參考書，而每一個教師只講授一門課程，每一本參考書只供一門課程使用，則課程與教師、參考書之間的聯(lián)系是一對多的。

1課程講授教師參考書MN1/28/202514數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述(7)有3個實體：供應(yīng)商、項目、零件，一個供應(yīng)商可以供給多個項目多種零件，而每個項目可以使用多個供應(yīng)商供應(yīng)的零件，每種零件可由不同供應(yīng)商供給，由此看出供應(yīng)商、項目、零件三者之間是多對多的聯(lián)系。M供應(yīng)商供應(yīng)項目零件NP

3個實體之間多對多的聯(lián)系和3個實體兩兩之間的（共3個）多對多聯(lián)系的語義是不同的。1/28/202515數(shù)據(jù)聯(lián)系的描述(8)單個實體集內(nèi)的聯(lián)系同一個實體集內(nèi)的各實體之間也可以存在一對一、一對多、多對多的聯(lián)系。例如，職工實體集內(nèi)部具有領(lǐng)導(dǎo)與被領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)系，即某一職工（干部）“領(lǐng)導(dǎo)”若干名職工，而一個職工僅被另外一個職工直接領(lǐng)導(dǎo)，因此這是一對多的聯(lián)系。單個實體集之間一對多聯(lián)系示例N1職工領(lǐng)導(dǎo)1/28/2025162.2數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)模型的定義實體聯(lián)系模型層次模型

網(wǎng)狀模型

關(guān)系模型面向?qū)ο竽Ｐ湍鼙硎緦嶓w類型及實體間聯(lián)系的模型稱為“數(shù)據(jù)模型”。1/28/202517數(shù)據(jù)模型的定義數(shù)據(jù)模型的種類很多，目前被廣泛使用的可分為兩種類型。一種是獨立于計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，完全不涉及信息在計算機中的表示，只是用來描述某個特定組織所關(guān)心的信息結(jié)構(gòu)，這類模型稱為“概念數(shù)據(jù)模型”；另一種數(shù)據(jù)模型是直接面向數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)，它是對現(xiàn)實世界的第二層抽象。這類模型直接與DBMS有關(guān)，稱為“邏輯數(shù)據(jù)模型”，簡稱“邏輯模型”?，F(xiàn)實世界認識抽象概念模型邏輯模型信息世界機器世界

現(xiàn)實世界中客觀對象的抽象過程1/28/202518實體聯(lián)系模型(1)

ER（實體─聯(lián)系方法）圖提供了表示實體型、屬性和聯(lián)系的方法：

實體型：用矩形表示，矩形框內(nèi)寫明實體名。

屬性：用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應(yīng)的實體型連接起來。例如，學(xué)生實體具有學(xué)號、姓名、性別、出生年份、系、入學(xué)時間等屬性，用ER圖表示如圖所示。學(xué)生學(xué)號姓名性別系出生年份入學(xué)時間1/28/202519實體聯(lián)系模型(2)聯(lián)系：用菱形表示，菱形框內(nèi)寫明聯(lián)系名，并用無向邊分別與有關(guān)實體型連接起來，同時在無向邊旁標上聯(lián)系的類型（1:1，1:N或M:N）。需要注意的是，如果一個聯(lián)系具有屬性，則這些屬性也要用無向邊與該聯(lián)系連接起來，如右圖。M供應(yīng)商供應(yīng)項目零件NP供應(yīng)量

聯(lián)系的屬性表示1/28/202520實體聯(lián)系模型(3)現(xiàn)以學(xué)校的教學(xué)情況為例來建立ER圖。教學(xué)情況可由學(xué)生、課程、教師、學(xué)習、任課等組成。學(xué)生對課程是多對多聯(lián)系：一個學(xué)生可以學(xué)多門課程，而一門課程又有多個學(xué)生學(xué)習；教師對課程是一對多聯(lián)系：一個教師可以講授多門課程，但一門課程至多只能由一個教師任教（當一門課程分別在不同的班開課時，可看做幾門課程，它們的課程名可以相同，但課程號不能相同，用以區(qū)別，這樣就可以滿足一對多的假設(shè)）。學(xué)號姓名性別年齡學(xué)生課程教師學(xué)習任課學(xué)號課程號成績課程號課程名課時數(shù)課程號姓名姓名性別年齡MNN1一般在劃ER圖時這兩個屬性要去掉！一般在劃ER圖時這兩個屬性要去掉！1/28/202521層次模型(1)

層次數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在數(shù)據(jù)庫中定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。有且只有一個結(jié)點沒有雙親結(jié)點，這個結(jié)點稱為根結(jié)點；根以外的其他結(jié)點有且只有一個雙親結(jié)點。每個記錄類型可包含若干個字段。這里，記錄類型描述的是實體，字段描述實體的屬性。各個記錄類型及其字段都必須命名。各個記錄類型、同一記錄類型中各個字段不能同名。每個記錄類型可以定義一個排序字段，也稱為碼字段，如果定義該排序字段的值是唯一的，則它能唯一地標識一個記錄值。R1R2R3R4R5根節(jié)點葉節(jié)點葉節(jié)點葉節(jié)點兄弟節(jié)點兄弟節(jié)點樹形結(jié)構(gòu)圖1/28/202522層次模型(2)

層次模型的優(yōu)點主要有：

⑴層次模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較簡單清晰。⑵層次數(shù)據(jù)庫的查詢效率高。因為層次模型中記錄之間的聯(lián)系用有向邊表示，這種聯(lián)系在DBMS中常常用指針來實現(xiàn)。因此這種聯(lián)系也就是記錄之間的存取路徑。當要存取某個結(jié)點的記錄值，DBMS就沿著這一條路徑很快找到該記錄值，所以，層次數(shù)據(jù)庫的查詢性能優(yōu)于關(guān)系數(shù)據(jù)庫，不低于網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫。⑶層次數(shù)據(jù)模型提供了良好的完整性支持。1/28/202523層次模型(3)層次模型的缺點主要有

⑴現(xiàn)實世界中很多聯(lián)系是非層次型的，如結(jié)點之間具有多對多聯(lián)系。⑵一個結(jié)點具有多個雙親等，層次模型表示這類聯(lián)系的方法很笨拙，只能通過引入冗余數(shù)據(jù)（易產(chǎn)生不一致性）或創(chuàng)建非自然的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（引入虛擬結(jié)點）來解決。對插入和刪除操作的限制比較多，因此應(yīng)用程序的編寫比較復(fù)雜。⑶查詢子女結(jié)點必須通過雙親結(jié)點。⑷由于結(jié)構(gòu)嚴密，層次命令趨于程序化。1/28/202524網(wǎng)狀模型(1)網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)庫中，把滿足以下兩個條件的基本層次聯(lián)系集合稱為網(wǎng)狀模型：允許一個以上的結(jié)點無雙親；一個結(jié)點可以有多于一個的雙親。網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點:⑴能夠更為直接地描述現(xiàn)實世界，如一個結(jié)點可以有多個雙親。結(jié)點之間可以有多種聯(lián)系。⑵具有良好的性能，存取效率較高。1/28/202525網(wǎng)狀模型(2)網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的缺點主要有：⑴結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且隨著應(yīng)用環(huán)境的擴大，數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)就變得越來越復(fù)雜，不利于最終用戶掌握。⑵網(wǎng)狀模型的DDL、DML復(fù)雜，并且要嵌入某一種高級語言（如COBOL、C）中。因此用戶不易掌握和使用。⑶由于記錄之間的聯(lián)系是通過存取路徑實現(xiàn)的，應(yīng)用程序在訪問數(shù)據(jù)時必須選擇適當?shù)拇嫒÷窂?，因此，用戶必須了解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的細節(jié)。這樣就加重了編寫應(yīng)用程序的負擔。1/28/202526關(guān)系模型(1)關(guān)系數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

從用戶觀點看，關(guān)系模型由一組關(guān)系組成。每個關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一張規(guī)范化的二維表。學(xué)號姓名年齡性別系名年級200912004王小明19女計算機系2009200912006黃大鵬20男數(shù)學(xué)系2009200912008張文斌18女經(jīng)管系2009………………1/28/202527關(guān)系模型(2)關(guān)系（Relation）：一個關(guān)系對應(yīng)通常說的一張表，如表2.2中的這張學(xué)生登記表。元組（Tuple）表中的一行即為一個元組。屬性（Attribute）：

表中的一列即為一個屬性，給每一個屬性起一個名稱即屬性名。如這張表有6列，對應(yīng)6個屬性：學(xué)號，姓名，年齡，性別，系名和年級。碼（Key）：也稱為碼鍵。表中的某個屬性組，它可以惟一確定一個元組，如表2.2中的學(xué)號，可以惟一確定一個學(xué)生，也就成為本關(guān)系的碼。域（Domain）：屬性的取值范圍，如人的年齡一般在1～150歲之間，大學(xué)生年齡屬性的域是（14～38），性別的域是（男，女），系名的域是一個學(xué)校所有系名的集合。分量元組中的一個屬性值。關(guān)系模式：對關(guān)系的描述，一般表示為

關(guān)系名（屬性l，屬性2，…，屬性n）1/28/202528關(guān)系模型(3)關(guān)系術(shù)語一般表格術(shù)語關(guān)系名關(guān)系模式關(guān)系元組屬性屬性名屬性值分量非規(guī)范關(guān)系表名表頭（表格的描述）（一張）二維表記錄或行列列名列值一條記錄中的一個列值表中有表（大表中嵌有小表）關(guān)系和現(xiàn)實生活中的表格所使用的術(shù)語做一個粗略的對比如下：1/28/202529關(guān)系模型(4)關(guān)系數(shù)據(jù)模型具有下列優(yōu)點：⑴關(guān)系模型與非關(guān)系模型不同，它是建立在嚴格的數(shù)學(xué)概念的基礎(chǔ)上的。⑵關(guān)系模型的概念單一。無論實體還是實體之間的聯(lián)系都用關(guān)系來表示。對數(shù)據(jù)的檢索和更新結(jié)果也是關(guān)系（即表）。所以其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、清晰，用戶易懂易用。⑶關(guān)系模型的存取路徑對用戶透明，從而具有更高的數(shù)據(jù)獨立性、更好的安全保密性，也簡化了程序員的工作和數(shù)據(jù)庫開發(fā)建立的工作。關(guān)系數(shù)據(jù)模型最主要的缺點是：由于存取路徑對用戶透明，查詢效率往往不如非關(guān)系數(shù)據(jù)模型。1/28/202530面向?qū)ο竽Ｐ?1)面向?qū)ο蟮幕靖拍顚ο螅∣bject）：對象是現(xiàn)實世界中實體的模型化，與記錄概念相仿，但遠比記錄復(fù)雜。每個對象有一個惟一的標識符，把狀態(tài)（State）和行為（Behavior）封裝（Encapsulate）在一起。其中，對象的狀態(tài)是該對象屬性值的集合，對象的行為是在對象狀態(tài)上操作的方法集。類（Class）：將屬性集和方法集相同的所有對象組合在一起，構(gòu)成了一個類。類的屬性值域可以是基本數(shù)據(jù)類型（整型、實型、字符串型），也可以是記錄類型和集合類型。也就是類可以有嵌套結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中所有的類組成了一個有根的有向無環(huán)圖，叫類層次。1/28/202531面向?qū)ο竽Ｐ?2)面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的優(yōu)點：

⑴能有效地表達客觀世界和有效地查詢信息：面向?qū)ο蠓椒ňC合了在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中發(fā)展的全部工程原理、系統(tǒng)分析、軟件工程和專家系統(tǒng)領(lǐng)域的內(nèi)容。⑵可維護性好：在耦合性和內(nèi)聚性方面，面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的性能尤為突出。⑶能很好地解決“阻抗不匹配”（impedancemismatch）問題：應(yīng)用程序語言與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)類型支持的不一致問題，這一問題通常稱之為阻抗不匹配問題。1/28/202532面向?qū)ο竽Ｐ?3)面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的缺點：⑴技術(shù)還不成熟：面向?qū)ο竽Ｐ瓦€存在著標準化問題，是否修改SQL以適應(yīng)面向?qū)ο蟮某绦?，還是用新的對象查詢語言來代替它，目前還沒有解決。⑵面向?qū)ο笙到y(tǒng)開發(fā)的有關(guān)原理才剛開始，只是具有雛形，還需要一段時間的研究。但在可靠性、成本等方面還是令人可以接受的。⑶理論還需完善：到現(xiàn)在為止沒有關(guān)于面向?qū)ο蠓治龅囊惶浊逦母拍钅Ｐ?，怎樣設(shè)計獨立于物理存儲的信息還不明確。1/28/2025332.3數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)

主要內(nèi)容三級模式結(jié)構(gòu)

三級結(jié)構(gòu)和兩級映像

兩級數(shù)據(jù)獨立性從數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的抽象層次看，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常采用三級模式結(jié)構(gòu)1/28/202534三級模式結(jié)構(gòu)(1)數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)分成三級：外部級（External）、概念級（Conceptual）和內(nèi)部級（Internal）。這個結(jié)構(gòu)稱為“數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)”，有時亦稱為“三級模式結(jié)構(gòu)”，或“數(shù)據(jù)抽象的三個級別”。從某個角度看到的數(shù)據(jù)特性，稱為“數(shù)據(jù)視圖”（DataView）。外部級最接近用戶，是單個用戶能看到的數(shù)據(jù)特性。概念級涉及到所有用戶的數(shù)據(jù)定義，也就是全局性的數(shù)據(jù)視圖。內(nèi)部級最接近于物理存儲設(shè)備，涉及到物理數(shù)據(jù)存儲的結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)庫的三個模式結(jié)構(gòu)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去做，用戶只要抽象地處理數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)在計算機中的表示和存儲。1/28/202535三級模式結(jié)構(gòu)(2)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)如下圖：應(yīng)用A應(yīng)用B應(yīng)用C應(yīng)用D應(yīng)用E外模式1外模式2外模式3模式內(nèi)模式數(shù)據(jù)庫外模式/模式映像內(nèi)模式/模式映像外部級最接近用戶，是單個用戶能看到的數(shù)據(jù)特性。單個用戶使用的數(shù)據(jù)視圖的描述稱為“外模式”。概念級涉及到所有用戶的數(shù)據(jù)定義，也就是全局性的數(shù)據(jù)視圖。全局數(shù)據(jù)視圖的描述稱為“概念模式”，也稱為“模式”。內(nèi)部級最接近于物理存儲設(shè)