1.数据模型

数据模型

        数据模型是对现实世界数据特征的抽象。也就是说数据模型是用来描述数据组织数据和对数据进行操作的。通俗来讲，数据模型就是现实世界的模拟。数据模型是数据库系统的核心和基础。数据模型应满足三方面要求：

（1）能比较真实的模拟现实世界；

（2）容易理解；

（3）便于在计算机上实现。

1、两类数据模型

        数据模型分为两类（两个不同的层次）：

（1）概念模型（信息模型）

        它是按用户的观点来对数据和信息建模，用于数据库设计。

（2）逻辑模型和物理模型

        逻辑模型主要包括：层次模型、网状模型、关系模型、面向对象数据模型、对象关系数据模型、半结构化数据模型。它是按计算机系统的观点来对数据和信息建模，用于 DBMS 实现。

        物理模型是对数据最底层的抽象，它描述数据在系统（硬盘）上的表示方法和存取方法。

关系如下图所示：

（3）信息世界中的基本概念

（1）实体（Entity）

客观存在且可以相互区别的事物称为实体。可以是具体的人、事、物或抽象概念。

（2）属性（Atrribute）

实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由很多个属性来描述。

（3）码（Key）

可以唯一的标识实体的属性称为码。

（4）实体型（Entity Type）

用实体名和它的属性名集合来抽象和刻画同类实体称为实体型。

（5）实体集（Entity Set）

同一类型实体的集合称为实体集。

（6）联系（Relationship）

现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界中反映为实体（型）内部的联系和实体（型）之间的联系。

实体内部的联系：指组成实体的各属性之间的联系。

实体之间的联系：指不同实体集之间的联系。实体之间的联系有一对一（1:1）、一对多（1：n）和多对多（n:n）等多种类型。即：

（4）实体 - 联系方法

        概念模型的一种表示方法：实体 - 联系方法。

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。

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，它精确的描述了系统的静态特征、动态特征和完整性约束条件。由三部分组成：

（1）数据结构：描述系统的静态特征；

（2）数据操作：描述系统的动态特征；

（3）完整性约束：完整性约束条件。

（2.1）数据结构

        数据结构是刻画数据模型性质最重要方面，因此常用数据结构的类型来命名数据模型。

【例】层次结构 —— 层次模型、网状结构 —— 网状模型、关系结构 —— 关系模型

        数据结构描述数据库的组成对象以及对象之间的联系，即描述的内容有两类：

（1）与对象的类型、内容、性质有关的；

（2）与数据之间联系有关的对象。

【例】如图：一个网状数据模型示例图

 记录：

学生 —— 由学号、姓名及所在的专业系名组成；

课程 —— 由课程号、课程名以及学分组成；

选课 —— 由学生的学号、课程的课程号以及成绩组成。

SET TYPE：

S - SC —— 学生记录和学生选课记录之间的联系；

C - SC —— 课程记录和课程课程号记录之间的联系。

（2.2）数据操作

        数据操作是对数据库中各种对象的实例允许执行的操作的集合，包括操作以及有关的操作规则。数据操作的类型主要有查询、更新（包括插入、删除、修改）两大类操作。数据操作语言定义数据操作的确切含义、符号、优先级别。实现数据操作的语言：

查询语言 —— Query Language

更新语言 —— Insert、Delete、Update

（2.3）数据的完整性约束条件

        数据的完整性约束条件是一组完整性规则的集合。完整性规则：给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则，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、有效和相容。

        数据模型对完整性约束条件的定义：反映和规定必须遵守的基本的通用的完整性约束条件。 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。

3、常用的数据模型

（1）格式化模型：

层次模型；

网状模型。

格式化模型中数据结构的单位：基本层次联系

（2）关系模型；

（3）对象模型：

面向对象数据模型；

对象关系数据模型。

（4）半结构化数据模型；

（5）非结构化数据模型、图模型 ......

4、层次模型

        层次模型的定义：满足以下两个条件的基本层次联系的集合为层次模型。

（1）有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根节点；

（2）根以外的其它结点有且只有一个双亲结点。

        层次模型用树形结构来表示各类实体以及实体之间的联系。表示方法：

实体型：用记录类型描述，每个结点表示一个记录类型（实体）。

属性：用字段描述，每个记录类型可以包含很多个字段。

联系：用结点之间的连线表示记录类型（实体）之间的一对多的父子关系。

（4.1）层次模型的数据结构

        特点：

（1）结点的双亲是唯一的；

（2）只能直接处理一对多的实体联系；

（3）任何记录值只有按其路径查看；

（4）没有一个子女记录值能够脱离双亲记录值而独立存在。

 【例1】教员学生层次数据库模型。

【例2】教员学生层次数据库的一个值。

（4.2）层次模型的数据操纵和完整性约束

        层次模型的数据操纵：

查询；

插入；

删除；

更新。

        层次模型的完整性约束条件：

（1）无相应的双亲结点值就不能插入子女结点值；

（2）若删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被同时删除；

（3）更新操作时，应更新所以相应记录，来保证数据的一致性。

（4.3）层次模型的优缺点

        优点：

（1）层次模型的数据结构比较简单清晰；

（2）查询效率高，性能优于关系模型，不低于网状模型；

（3）层次数据模型提供了良好的完整性支持。

        缺点：

（1）结点之间的多对多联系表示不自然；

（2）对插入和删除操作的限制多，应用程序的编写比较复杂；

（3）查询子女结点必须通过双亲结点；

（4）层次数据库的命令（语言）趋于程序化。

5、网状模型

        网状模型的定义：满足以下两个条件的基本层次联系的集合。

（1）允许一个以上的结点无双亲；

（2）一个结点可以由多于一个的双亲。

        网状数据库系统用网状结构来表示各类实体以及实体之间的联系。表示方法与层次数据模型相同：

实体型：用记录类型描述，每个结点表示一个记录类型（实体）。

属性：用字段描述，每个记录类型可以包含很多个字段。

联系：用结点之间的连线表示记录类型（实体）之间的一对多的父子关系。

（5.1）网状模型的数据结构

         特点：

（1）允许多个结点没有双亲结点；

（2）允许一个结点有多个双亲结点；

（3）允许两个结点之间有多种联系；

（4）要为每个联系命名，并且指出与该联系有关的双亲记录和子女记录。

        多对多联系在网状模型的表示：间接表示多对多联系，将多对多联系分解成一对多联系。

【例】

 学生和课程之间是多对多联系，可以表示为：

        一个学生可以选修多门课程；（一对多联系）

        某一课程可以被多个学生选修。（一对多联系）

 引进一个学生选课的联结记录：

        选课（学号，课程号，成绩）

（5.2）网状模型的数据操纵和完整性约束

        网状模型一般来说没有层次模型那样严格的完整性约束条件，但具体的网状数据库系统对数据操纵都加了一些限制，提供了一定的完整性约束。

【例如】

（1）支持码的概念：唯一标识记录的数据项的集合，取唯一的值；

（2）保证一个联系中双亲记录与子女记录之间是一对多联系；

（3）可以定义双亲记录和子女记录之间某些约束条件。

        完整性约束条件不严格：

（1）允许插入尚未确定双亲结点值的子女结点值；

（2）允许只删除双亲结点值。

        导航式的查询语言和增删改操作语言。

（5.3）网状模型的优缺点

        优点：

（1）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；

（2）具有良好的性能，存取效率较高。

        缺点：

（1）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；

（2）DDL、DML语言复杂，用户不容易使用；

（3）记录之间联系是通过存取路径实现的，应用程序必须选择存取路径， 加重了程序员的负担。

6、关系模型

        关系模型是最重要的一种数据模型，关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式。计算机厂商推出的数据库管理系统几乎都支持关系模型。

（6.1）关系模型的数据结构

        在用户的观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表。

        关系模型中的一些基本概念：

（1）关系（Relation）：一个关系对于通常说的一张表。

（2）元组（Tuple）：表中的一行即为一个元组。

（3）属性（Attribute）：表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名字即为属性名。

（4）主码（Key）：也称码键。是表中的某个属性组，它可以唯一缺的一个元组。

（5）域（Domain）：是一组具有相同数据类型的值的集合。

                属性的取值范围来自某个域。

（6）分量：元组中的一个属性值。

（7）关系模式：对关系的描述

                关系名（属性1，属性2，......，属性 n）

                例：学生（学号，姓名，年龄，性别，系名，年级）

        关系必须是规范的，满足一定的规范条件。最基本的规范条件：关系的每一个分量必须是一个不可再分的数据项，不允许表中还有表。

关系术语	一般表格的术语
关系名	表名
关系模式	表头（表格的描述）
关系	（一张）二维表
元组	记录或行
属性	列
属性名	列名
属性值	列值
分量	一条记录中的一个列值
非规范关系	表中有表

（6.2）关系模型的数据操纵和完整性约束

        数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系。

查询；

插入；

删除；

更新。

        存取路劲对用户隐蔽，用户只要指出 “ 找什么 ”，不需要详细说明 “ 怎么找 ”。这提高了数据的独立性，提高了用户生产率。

        关系的完整性约束条件：

（1）实体完整性；

（2）参照完整性；

（3）用户定义的完整性。

（6.3）关系模型的优缺点

        优点：

（1）建立在严格的数学概念的基础上；

（2）概念单一：

        实体和各类联系都用关系来表示；

        对数据的检索结果也是关系。

（3）关系模型的存取路径对用户透明：

        具有更高的数据独立性，更好的安全保密性；

        简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作。

        缺点：

（1）存取路径对用户透明，查询效率往往不如格式化数据模型；

（2）为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化，增加了开发数据库管理系统的难度。