第2章 数据模型与数据库系统结构

数据库系统概论AnIntroductiontoDatabaseSystems第二章数据模型与数据库系统结构第二章数据模型与数据库系统结构2.1数据模型2.2概念层数据模型2.3组织层数据模型2.4数据库系统结构2.5数据库管理系统2.6用户访问数据库的过程2.1数据模型计算机系统不能直接处理现实世界，必须先调查、研究现实世界，归纳出一个在研究范围内能反映现实世界的模拟世界——信息世界，然后，才能对所得到的信息世界进行数据化。这样计算机系统才能处理这些代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现实世界的数据。三个世界的联系一、模型的分类（1）概念层数据模型（信息模型）：将现实世界的事物及其联系抽象成信息世界的信息模型。此模型是按用户的观点来对数据和信息进行建模。（2）组织层数据模型：将信息模型抽象为计算机世界的数据模型。从数据的组织层次来描述数据，主要包括层次模型、网状模型、关系模型以及对象-关系模型。此模型是从计算机系统的观点对数据进行建模，主要用于DBMS的实现。概念层模型与DBMS无关，组织层模型与DBMS有关。2.2概念层数据模型一、概念层数据模型中的基本概念1．实体(Entity)可区分的客观事物。例如：一个学生、一门课、学生的一次选课等。2．属性(Attribute)事物某方面的性质。一个实体可由若干个属性来刻画。例如：学生（学号姓名年龄性别系班级年级）学生选课（学号课程号成绩）3．域(Domain)属性的取值范围。例如：性别的域为（男、女）姓名的域定为4个汉字长的字符串职工号定为7位整数等。4．实体型(EntityType)具有相同属性的实体具有共同的特征和性质，用实体名和属性来表示。例如：职工（职工号，姓名，性别，年龄，职称，部门）学生（学号，姓名，年龄，性别，系，班级，年级）学生选课（学号，课程号，成绩）5．实体集(EntitySet)同型实体的集合。例如：全体学生6．码(Key)：唯一标识实体的属性集。例如：学生实体的码是学号。学生选课实体的码是学号，课程号7．联系(Relationship)实体内部的联系和实体之间的联系（1）两个实体集之间的联系可归纳为以下三类：1）一对一联系(1∶1)如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个实体与之联系，反之亦然，则称实体集A与实体集B具有一对一联系。记为1:1。2）一对多联系(1∶n)如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n≥0）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体B有一对多联系。记为1:n。3）多对多联系(m∶n)如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n≥0）与之联系，反之亦然，则称实体集A与实体B具有多对多联系。两个实体集之间的联系(a)一对一联系；(b)一对多联系；(c)多对多联系例如：在足球世界杯比赛中，球队集与场上队长集之间对于代表关系来说，具有一对一的联系；主教练集与队员集之间对于指导关系来说，具有一对多的联系；裁判集与队员集之间对于执法关系来说，具有多对多的联系。（2）同一实体集内的各实体之间的联系例如：场上队长与队员之间具有一对多的领导关系职工与领导之间具有一对多的领导关系同一实体集内一对多联系职工领导1n（3）多个实体集之间的联系m供应商项目零件供应np三个实体型之间多对多联系1课程教员参考书讲授mn三个实体型之间一对多联系二、概念层数据模型的表示方法实体-联系方法(Entity-RelationshipApproach)，该方法用E-R图来描述现实世界的概念模型，E-R方法也称为E-R模型。实体型：用矩形表示，矩形框内写明实体名。属性：用椭圆形表示，并用无向边把其与相应的实体连接起来。联系：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相连接，在无向边旁标上联系的类型。注意的是: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。班级班长任职111：1联系班级学生隶属1n1：n联系课程学生选课mnm：n联系员工领导1n同一实体1：n联系学生课程教学教室三个实体联系实体及其属性图学号姓名性别出生年月学生员工部门工作编号姓名职务生日1n参加工作时间部门编号名称部门领导实体及其联系图例：用E--R图表示教师学生课程的实体模型。性别学生系名学号姓名年龄课程课程名课程号学时数教师教师编号教师名年龄职称选课成绩nm讲课教材名教室mn2.3组织层数据模型由于计算机不能直接处理现实世界中的具体情况，所以必须包具体事物转换称计算机能够处理的数据。在数据库中用数据模型这个工具来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息。通俗地讲，数据模型就是现实世界的模拟。数据模型应满足三个方面的要求：（1）比较真实的模拟现实世界；（2）容易为人们理解；（3）便于计算机表达。一、组织层数据模型的三要素1、数据结构数据结构用于描述系统的静态特性，研究与数据类型、内容、性质有关的对象，例如关系模型中的域、属性、关系等。2、数据操作指对数据库中各种对象的实例允许执行的操作的集合。数据库主要有检索和更新（包括插入、删除、修改）两大类操作。数据模型必须定义这些操作的确切含义、操作符号、操作规则（如优先级）以及实现操作的语言。3、数据的约束条件完整性规则的集合。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。此外，数据模型还应该提供定义完整性约束条件的机制。二、常用的数据模型·层次模型(HierarchicalModel)；·网状模型(NetworkModel)；·关系模型(RelationalModel)；·面向对象模型(ObjectOrientedModel)。非关系模型三、关系模型关系模型由数据结构、关系操作集合和完整性约束三部分组成。1、关系数据模型的数据结构在用户看来，一个关系模型的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。表中的一行即为一个元组；表中的一列即为一个属性。关系：关系就是二维表，它满足如下性质：关系表中的每一列都是不可再分的基本属性。表中各属性不能重名。表中的行、列次序并不重要。元组：表中的一行即为一个元组；属性：表中的一列即为一个属性；主码(Key)：表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组；例：学生基本信息表：(学号，姓名，年龄，性别，所在系)学生修课信息表：(学号，课程号，成绩)域（Domain）：属性的取值范围；分量：元组中的一个属性值；关系模式：对关系的描述，常表示为：关系名（属性1，属性2，…，属性n）2、关系数据模型的数据操作关系操作采用集合操作方式，即操作的对象和结果都是集合。这种操作方式也称为一次一集合的方式。关系数据模型的数据操作主要包括四种：查询、插入、删除和修改数据。关系数据库标准操作语言是SQL语言。关系数据语言可以分为三类：3、关系数据模型的完整性约束关系模型提供了丰富的完整性控制机制，允许定义三类完整性：实体完整性、参照完整性和用户定义的完整性。其中实体完整性和参照完整性是关系模型必须满足的完整性约束条件，应该由关系系统自动支持。（1）实体完整性实体完整性指的是关系数据库中所有的表都必须有主键。而且表中不允许存在如下的记录：无主键值的记录主键值相同的记录（2）参照完整性参照完整性是指实体（表）之间的关联关系。在关系数据库中用外键来实现参照完整性。外键出现在联系所对应的关系中，用于表示两个或多个实体之间的关联关系。外键实际上是表中的一个（或多个）属性，它引用某个其他表（特殊情况下，也可以是外键所在的表）的主键。学生专业属于(学号,姓名,专业号,…)（专业号，专业名）称专业号是学生关系的外码称学号、课程号分别是修课关系的外码学生课程修课（学号，姓名，…）（课程号，课程名,…）(学号,课程号,成绩,…)参照完整性规则就是定义外键与主键之间的引用规则。对于外键，一般应符合如下要求：或者值为空；或者等于其所应用的关系中的某个元组的主键值。（3）用户自定义的完整性实体完整性和参照性适用于任何关系数据库系统。除此之外，不同的数据库应用系统根据其应用环境的不同，往往还需要一些特殊的约束条件，用户定义的完整性就是针对某一具体关系数据库的约束条件，它反映某一具体应用所涉及的数据必须满足的语义要求。例如：某个属性的取值不能为空；某个属性的取值范围在0~100之间。2.4数据库系统的结构从数据库管理系统角度看，数据库系统通常采用三级模式结构。一、数据模式（DataSchema）模式（schema）是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它仅仅涉及到型的描述，不涉及到具体的值。模式的一个具体值称为模式的一个实例（instance）。同一个模式可以有很多实例。模式是相对稳定的，而实例是相对变动的。模式反映的是数据的结构及其关系，而实例反映的是数据库某一时刻的状态。示例：学生关系模式：学生（学号，姓名，年龄，性别，所在系）二、数据库系统中数据的三级模式结构数据库系统的三级模式结构是指数据库系统是由外模式、模式和内模式三级构成。数据库系统的三级模式1．外模式（ExternalSchema）外模式也称子模式、用户模式。用户对现实系统中感兴趣整体的局部数据结构的描述。是模式的子集，DB整体数据结构的子集或局部重构。是保证数据库安全的一个措施。一个应用程序只能启用一个外模式，一个外模式可被同一用户的若干应用程序使用。由于各用户的需求和权限不同，各个外模式的描述是不同的。2．模式（Schema）也称为逻辑模式或概念模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据描述。是数据库系统结构的中间层。既不涉及数据的物理存储细节和硬件环境，也与具体的应用程序、所使用的应用开发工具和环境无关。3．内模式（InternalSchema）也称为存储模式。是对整个数据库的底层表示，它描述了数据的存储结构，比如数据的组织与存储方式，如是顺序存储、B树存储还是散列存储、索引按什么方式组织、是否加密等。与物理层不一样，它不涉及物理记录的形式，也不考虑具体设备的柱面或磁道大小。4．数据库的模式映像功能与数据独立性数据库系统的三级模式是对数据的三个抽象级别，它把数据的具体组织留给DBMS管理，使用户能逻辑地、抽象地处理数据，而不必关心数据在计算机中的具体表示方式与存储方式。为了能够在内部实现这三个抽象层次的联系和转换，数据库管理系统在三级模式之间提供了两层映象：外模式/模式映象模式/内模式映象模式间映象是数据库管理系统的基本功能之一。维护DB数据与DB应用程序相互独立，从而使DB应用程序不随DB数据的逻辑或存储结构的变动而变动。（1）外模式/模式映象对于每个外模式，数据库管理系统都有一个外模式/模式映像，它定义了该外模式与模式之间的对应关系。当模式改变时，可用外模式/模式定义语句，调整外模式/模式映象定义，从而保持外模式不变。保证了数据与程序的逻辑独立性。（2）模式/内模式映象模式/内模式映像定义了数据库的逻辑结构与存储结构之间的对应关系。当存储结构改变时，只需要对模式/内模式映像做相应的修改，就可以保持模式不变，从而也不必改变应用程序。保证了数据与程序的物理独立性。2.5数据库管理系统DBMS是处理数据库访问的系统软件。处理过程:用户使用数据库语言发出一个访问请求；DBMS接受请求并分析；DBMS检查用户外模式、相应的外模式／概念模式间的映象、概念模式、概念模式／内模式间的映象和存储结构定义。DBMS的功能和组成数据库管理系统的功能数据定义：DBMS提供DDL来定义模式、外模式和内模式，并含有各种模式的翻译程序把定义的各种模式转换成内部表示：目标模式、目标外模式、目标内模式。数据操作：DBMS应提供数据操纵语言（DML）供用户对数据库中的数据进行检索、修改、删除以及插入工作。数据库运行管理功能：包括访问控制（检查访问的合法性）、并发控制（协调多用户对数据库的共同操作，并保证数据的一致性）、保密控制、数据完整性控制、通讯控制以及数据库内部的维护等。2.6用户访问数据库的过程访问数据库的主要步骤，该过程如图所示。访问数据库的主要步骤首先，内存被划分为很多区。其中,有一个面向整个数据库的区域称为系统缓冲区；每执行一个应用程序就开辟一个用户工作区。当一个应用程序要从数据库中读取数据时，它的整个过程是：(1)用户在应用程序中发出命令，指明外模式名。(2)DBMS根据该命令，调出所需外模式，并检查用户的权利。若通过检查，则继续执行；否则拒绝之。(3)DBMS根据外模式/模式转换，确认所需数据在模式上的有关信息。(4)DBMS根据模式/内模式转换，确认所需数据在内模式上的有关信息。(5)DBMS向操作系统发出读相应数据的请求。(6)操作系统把有关数据从外存调入到系统缓冲区上。(7)DBMS把数据按外模式的形式送入用户工作区。(8)记载系统工作日志。