计算机数据库基础知识教程

数据库技术与应用 第1章 数据库系统基础知识（2） 2. 概念模型的表示方法 ¢概念模型的表示方法很多，最常用的是 E-R方法 ¢实体联系方法(E-R方法) l用E-R图来描述现实世界的概念模 型 lE-R方法也称为E-R模型 E-R图 ¢实体型 l用矩形表示，矩形框内写明实体名 。 学生教师 E-R图(续) ¢属性 l用椭圆形表示，并用无向边将其与 相应的实体连接起来 学生 学号 年龄 性别姓名 E-R图(续) ¢联系 l联系本身：用菱形表示，菱形框内写明联系 名，并用无向边分别与有关实体连接起来，同时 在无向边旁标上联系的类型（1:1、1:n或m:n） l联系的属性：联系本身也是一种实体型，也 可以有属性。如果一个联系具有属性，则这些属 性也要用无向边与该联系连接起来 联系的表示方法 实体型1 联系名 实体型2 1 1 1:1联系 实体型1 联系名 实体型2 m n m:n联系 实体型1 联系名 实体型2 1 n 1:n联系 联系的表示方法示例 班级 班级-班长 班长 1 1 1:1联系 课程 选修 学生 m n m:n联系 班级 组成 学生 1 n 1:n联系 联系的表示方法示例(续) 职工 领导 1n 同一实体型内 部的1:n联系 课程 讲授 教师 1 m 多个实体型间的1:n联系 参考书 n 联系属性的表示方法 课程 选修 学生 m n 成绩 1.2.2 数据模型的组成要素 ¢数据模型是严格定义的一组概念的集合。这些概念 精确地描述了系统的静态特性、动态特性和完整性 约束条件。 ¢数据模型有三部分组成 l数据结构 l数据操作 l数据的约束条件 1.2.2 数据模型的组成要素 ¢数据模型是严格定义的一组概念的集合。这些概念 精确地描述了系统的静态特性、动态特性和完整性 约束条件。 ¢数据模型有三部分组成 l数据结构 l数据操作 l数据的约束条件 1. 数据结构 ¢什么是数据结构 l对象类型的集合 ¢两类对象 l与数据类型、内容、性质有关的对 象 l与数据之间联系有关的对象 ¢数据结构是对系统静态特性的描述 2.数据操作 ¢数据操作 l对数据库中各种对象（型）的实例（ 值）允许执行的操作及有关的操作规则 ¢数据操作的类型 l检索 l更新（包括插入、删除、修改） 数据操作(续) ¢数据模型对操作的定义 l操作的确切含义 l操作符号 l操作规则（如优先级） l实现操作的语言 ¢数据操作是对系统动态特性的描述。 3.数据的约束条件 ¢数据的约束条件 l一组完整性规则的集合。 l完整性规则是给定的数据模型中数 据及其联系所具有的制约和储存规则 ，用以限定符合数据模型的数据库状 态以及状态的变化，以保证数据的正 确、有效、相容。 数据的约束条件(续) ¢数据模型对约束条件的定义 l反映和规定本数据模型必须遵守的基本的通用 的完整性约束条件。例如在关系模型中，任何关系 必须满足实体完整性和参照完整性两个条件。 l提供定义完整性约束条件的机制，以反映具体 应用所涉及的数据必须遵守的特定的语义约束条件 。 1.2.3 基本数据模型 ¢非关系模型 l层次模型（Hierarchical Model） l网状模型(Network Model ) l数据结构：以基本层次联系为基本单 位 基本层次联系：两个记录以及它们之间的 一对多（包括一对一)的联系 基本数据模型(续) ¢关系模型(Relational Model) l数据结构：表 ¢面向对象模型(Object Oriented Model ） l数据结构：对象 1、层次模型 ¢层次数据模型层次模型是数据库系统中 最早出现的数据模型，它用树形结构表 示各类实体以及实体间的联系。现实世 界中许多实体之间的联系本来就呈现出 一种很自然的层次关系，如行政机构、 家族关系等。 层次数据模型实例 层次模型的优缺点 ¢优点 l层次数据模型简单，对具有一对多的 层次关系的部门描述自然、直观，容易理 解 l性能优于关系模型，不低于网状模型 l层次数据模型提供了良好的完整性支 持 ¢缺点 l多对多联系表示不自然 l对插入和删除操作的限制多 l查询子女结点必须通过双亲结点 l层次命令趋于程序化 典型的层次数据库系统 IMS数据库管理系统 l第一个大型商用DBMS l1968年推出 lIBM公司研制 2、网状数据模型 ¢网状数据模型在现实世界中实体型间的 联系更多的是非层次关系，用层次模型 表示非树形结构是很不直接的，采用网 状模型作为数据的组织方式可以克服这 一弊病。网状模型去掉了层次模型的两 个限制，允许节点有多个双亲节点，允 许多个节点没有双亲节点。 网状数据模型的一个简单实 例 网状模型的优缺点 ¢优点 l能够更为直接地描述现实世界，如一个结点可 以有多个双亲 l具有良好的性能，存取效率较高 ¢缺点 l结构比较复杂，而且随着应用环境的扩大，数 据库的结构就变得越来越复杂，不利于最终用户掌 握 lDDL、DML语言复杂，用户不容易使用 ¢网状数据模型层次数据模型和网状数据 模型都是早期的数据库数据模型，数据 库系统与文件系统的主要区别就是前者 不仅定义数据的存储而且还定义存储数 据之间的联系，所谓“层次”和“网状”就 是指这种联系的方式。 3、关系模型 ¢最重要的一种数据模型。也是目前主要 采用的数据模型 ¢1970年由美国IBM公司San Jose研究 室的研究员E.F.Codd提出 ¢本课程的重点 关系数据模型 ¢在用户观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表，它 由行和列组成。 关系模型的优点 ¢（1）关系模型建立在严格的数学概念的基础上。它 以关系代数和数理逻辑为基础，经过多年发展，形 成了严密的关系数据库理论。 ¢（2)关系模型的概念单一，数据结构简单、清晰， 用户易懂易用。无论实体还是实体之间的联系都用 关系来表示。对数据的检索和更新结果也是关系（ 即表）。 ¢（3）关系模型的存取路径对用户透明，从而具有更 高的数据独立性，更好的安全保密性，也简化了程 序员的工作和数据库开发建设的工作。 关系模型的缺点 ¢关系模型的主要缺点是，由于存取路径 对用户透明，查询效率往往不如非关系 数据模型。因此为了提高性能，DBMS 必须对用户的查询请求进行优化，这势 必增加了开发DBMS的难度。 面向对象的数据模型 ¢关系模型还不能充分表达现实世界中存在的许多 复杂的数据结构,如CAD数据、图形数据、嵌套 递归的数据等。 ¢面向对象模型用面向对象观点来描述现实世界中 的事物（对象）的逻辑结构和对象间的联系等的 数据模型，与人类的思维方式更接近。 ¢所谓对象是对现实世界事物的高度抽象，每个对 象是状态和行为的封装。对象的状态是属性的集 合，行为是在该对象上操作的方法的集合。因此 面向对象的模型不仅可以处理各种复杂多样的数 据结构，而且具有数据与行为相结合的特点。目 前面向对象的方法已经逐渐成为系统开发、设计 的全新思路。 面向对象的数据模型 ¢面向对象模型能完整地描述现实世界的数据 结构，具有丰富的表达能力，但模型相对复 杂，涉及的知识面广，实现有一定难度。 ¢用面向对象模型组织的数据库称为面向对象 数据库。目前，面向对象还未达到关系数据 库那样的普及程度。 ¢在当前信息处理技术中，关系数据模型仍然 是数据库数据模型的主流，即使使用面向对 象的模型也往往采用关系数据模型的方法和 工具。 1.3 数据库系统结构 ¢与数据库打交道的有四类人员： l用户、应用程序员、系统分析员和数 据库管理员。 ¢由于他们对数据库的认识、理解和接触范 围的不同，他们观察、认识和理解数据的 范围、角度和方法也各不相同，从而形成 了各自的数据库视图。 ¢根据各类人员与数据库的不同关系，可 把视图分为三种： l即对应于用户和应用程序员的外部 视图、 l对应于系统分析员和数据库管理员 的逻辑视图 l对应于数据库管理员的内部视图。 ¢由此形成数据库的三级模式结构，即外 模式、逻辑模式和内模式 1.3.1数据库系统的三级模式 结构 1. 外模式（External Schema ） ¢外模式（也称子模式或用户模式） l数据库用户（包括应用程序员和最终用 户）使用的局部数据的逻辑结构和特征的描 述 l数据库用户的数据视图，是与某一应用 有关的数据的逻辑表示 外模式（续） ¢外模式的地位：介于模式与应用之间 l模式与外模式的关系：一对多 外模式通常是模式的子集 一个数据库可以有多个外模式。反映了不同的用户的 应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求 对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度 、保密级别等都可以不同 l外模式与应用的关系：一对多 同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用 ， 但一个应用程序只能使用一个外模式。 外模式（续） ¢外模式的用途 保证数据库安全性的一个有力措施。 每个用户只能看见和访问所对应的外模 式中的数据 2模式（Schema） ¢模式（也称逻辑模式） l数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述 l所有用户的公共数据视图，综合了所有用户 的需求 ¢一个数据库只有一个模式 ¢模式的地位：是数据库系统模式结构的中间层 l与数据的物理存储细节和硬件环境无关 l与具体的应用程序、开发工具及高级程序设 计语言无关 ¢模式的定义 l数据的逻辑结构（数据项的名字、类型、取 值范围等） l数据之间的联系 l数据有关的安全性、完整性要求 3内模式（Internal Schema ） ¢内模式（也称存储模式） l是数据物理结构和存储方式的描述 l是数据在数据库内部的表示方式 记录的存储方式（顺序存储，按照B树结 构存储，按hash方法存储） 索引的组织方式 数据是否压缩存储 数据是否加密 数据存储记录结构的规定 ¢一个数据库只有一个内模式 1.3.2 数据库的二级映射（映像）功能 与数据独立性 ¢三级模式是对数据的三个抽象级别 ¢二级映象在DBMS内部实现这三个抽象 层次的联系和转换 数据库系统的三级模式结构与二级映 射的关系 1外模式模式映射 ¢定义外模式与模式之间的对应关系 ¢每一个外模式都对应一个外模式模式映射 ¢映射定义通常包含在各自外模式的描述中 外模式模式映射的用途 保证数据的逻辑独立性 l当模式改变时，数据库管理员修改有关 的外模式模式映射，使外模式保持不变 l应用程序是依据数据的外模式编写的， 从而应用程序不必修改，保证了数据与程序 的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。 2模式内模式映射 ¢模式内模式映射定义了数据全局逻辑结构与存 储结构之间的对应关系。例如，说明逻辑记录和 字段在内部是如何表示的 ¢数据库中模式内模式映射是唯一的 ¢该映射定义通常包含在模式描述中 模式内模式映射的用途 保证数据的物理独立性 l当数据库的存储结构改变了（例如选用 了另一种存储结构），数据库管理员修改 模式内模式映象，使模式保持不变 l应用程序不受影响。保证了数据与程序 的物理独立性，简称数据的物理独立性。 小结 ¢模式 l是数据库的中心与关键 l独立于数据库的其它层次 l设计数据库模式结构时应首先确定数据 库的逻辑模式 小结（续） ¢内模式 l依赖于全局逻辑结构，但独立于数据库 的用户视图即外模式，也独立于具体的存储 设备。 l它将全局逻辑结构中所定义的数据结构 及其联系按照一定的物理存储策略进行组织 ，以达到较好的时间与空间效率。 小结（续） ¢外模式 l面向具体的应用程序，定义在逻辑模式 之上，但独立于存储模式和存储设备 l设计外模式时应充分考虑到应用的扩充 性。当应用需求发生较大变化，相应外模式 不能满足其视图要求时，该外模式就得做相 应改动 小结（续） ¢应用程序 l在外模式描述的数据结构上编制的，它 依赖于特定的外模式，与数据库的模式和存 储结构独立。 l不同的应用程序有时可以共用同一个外 模式。 小结（续） ¢二级映象 l保证了数据库外模式的稳定性，从而从底层保 证了应用程序的稳定性，除非应用需求本身发生变 化，否则应用程序一般不需要