1.2 数据模型

数据模型是对现实世界数据特征的抽象 通俗的讲数据模型就是现实世界的模拟 数据模型应满足三方面的要求：能比较真实地模拟现实世界 容易为人所理解 便于在计算机上实现 数据模型是数据库系统的核心和基础

1.2.1 两类数据模型

数据模型分为两类（两个不同的层次）

概念模型，也称信息模型

• 它是按照用户的观点来对数据和信息建模，用于数据库设计

逻辑模型和物理模型

• 逻辑模型主要包括网状结构、层次结构、关系结构、面向对象数据模型、对象关系数据模型、半结构化数据模型等 按计算机系统的观点对数据建模，用于DBMS实现

• 物理模型是对数据最底层的抽象

1.2.2 概念模型

概念模型的用途

• 概念模型用于信息世界的建模

• 是现实世界到机器世界的一个中间层次

• 是数据库设计的有力工具

• 数据库设计人员和用户之间进行交流的语言

对概念模型的基本要求

• 较强的语义表达能力

• 简单、清晰、易于用户理解

信息世界中的基本概念

实体（Entity）

• 客观存在并可相互区别的事物称为实体。可以是具体的人、事、物或抽象的概念

属性（Attribute）

• 实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画

码（Key）

• 唯一标识实体的属性集称为码

实体型（Entity Type）

• 用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体称为实体型

实体集（Entity Set）

同一类型实体的集合称为实体集

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）之间的联系

• 实体内部的联系：是指组成实体的各属性之间的联系

• 实体之间的联系：通常是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（m：n）等多种类型 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-C6DmQ69K-1584447396886)(en-resource://database/2730:1)]

实体-联系方法

• 概念模型的一种表示方法

实体-联系方法（Entity-Relationship Approach）

• 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

1.2.3 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

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（Integrity Constraints）

数据模型由三部分组成

• 数据结构——描述系统的静态特性

• 数据操作——描述系统的动态特性

• 完整性约束

1.数据结构

刻画数据模型性质的重要方面

数据结构的类型来命名数据模型层次结构-层次模型、网状结构-网状模型、关系结构-关系模型

描述数据库的组成对象——对象的类型、内容、性质

描述对象之间的联系

2.数据操作

数据操作

• 对数据库中各种对象的实例允许执行的操作的集合，包括操作及有关的操作规则

数据操作的类型

• 查询

• 更新（包括插入、删除、修改）

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

3.数据的完整性约束条件

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来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

1.2.4 常用的数据模型

• 层次模型（Hierarchical Model）——格式化模型

• 网状结构（Network Model）——格式化模型

• 关系模型（Relational Model）

• 面向对象数据结构模型（Object Oriented Data Model）——对象模型

• 对象关系数据结构模型（Object Relational Data Model）——对象模型

• 半结构化数据模型（Semi-struture Data Model）——如XML

• 非结构化数据模型、图模型…… 格式化模型中数据结构的单位：基本层次联系 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-OEsgcvvA-1584447396887)(en-resource://database/2732:1)]

1.2.5 层次模型

层次模型用树形结构来表示各类实体以及实体间的联系

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

• 每个记录类型可包含若干个字段

• 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联系

层次模型的定义

满足下面的两个条件的基本层次联系的集合为层次模型

• 有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点

• 根以外的其他结点有且只有一个双亲结点

1.层次模型的数据结构

• 特点：

• 结点的双亲是唯一的

• 只能直接处理一对多的实体联系

• 任何记录只有按其路径查看

• 没有一个子女记录值能够脱离双亲记录值而独立存在

2.层次模型的数据操纵与完整性约束

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

• 无相应的双亲结点值就不能插入子女结点值

• 如果删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被同时删除

• 更新操作时，应更新所有相应记录，以保证数据的一致性

3.层次模型的优缺点

优点

• 层次模型的数据结构比较简单清晰

• 查询效率高，性能优于关系模型，不低于网状模型

• 层次数据模型提供了良好的完整性支持

缺点

• 结点之间的多对多联系表示不自然

• 对插入和删除操作的限制多，应用程序的编写比较复杂

• 查询子女结点必须通过双亲结点

• 层次数据库的命令（语言）趋于程序化

1.2.6 网状模型

网状数据库系统采用网状结构来表示各类实体以及实体间的联系

表示方法（与陈词数据模型相同）

• 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

• 每个记录类型可包含若干个字段

• 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联系

网状模型的定义

满足下面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. 一个结点可以有多于一个的双亲

1. 网状模型的数据结构

特点：

• 允许多个结点没有双亲结点

• 允许一个结点有多个双亲结点

• 允许两个结点之间有多种联系

• 要为每个联系命名并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中的表示

• 网状模型间接表示多对多联系

• 方法：

• 将多对多联系分解成一对多联系

2.网状模型的数据操纵与完整性约束

导航式的查询语言和增删改操作语言

完整性约束条件不严格

• 允许插入尚未确定双亲结点值的子女结点值

• 允许只删除双亲结点值

实际的网状数据库系统提供了一定的完整性约束

• 支持码的概念：唯一标识记录的数据项的集合，取唯一的值

• 保证一个联系中双亲记录与子女记录之间是一对多联系

• 可以定义双亲记录和子女记录之间某些约束条件

网状模型的优缺点

优点

• 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

• 具有良好的性能，存取效率较高

缺点

• 结构比较复杂，而且随着应用环境的扩大，数据库的结构变得越来越复杂，不利于最终用户掌握

• DDL、DML语言复杂，用户不容易使用

• 记录之间联系是通过促存取路径实现的，应用程序必选择存取路径，加重了程序员的负担

1.2.7 关系模型

关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式

1970年美国IBM公司San Jose研究室的研究员E.F.Codd首次提出了数据库系统的关系模型

计算机厂商推出的数据库管理系统几乎都支持关系模型

1.关系模型的数据结构

在用户观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表

• 关系（Relation）——一个关系对应通常说的是一张表

• 元组（Tuple）——表中的一行即为一个元组

• 属性（Attrubute）——表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名即属性名

• 主码（Key）——也称码键。表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组

• 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

• 分量——元组中的一个属性值

• 关系模式——对关系的描述 关系名（属性1，属性2 ，……，属性n）

关系必须规范化的，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分的数据项，不允许表中还有表 术语对比

2.关系模型的操纵与完整性约束

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

存取路径对用户隐蔽，用户只要指出“找什么”，不必详细说明“怎么找”→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

• 整体完整性——关系的两个不变性

• 参照完整性——关系的两个不变性

• 用户定义的完整性

3.关系模型的优缺点

优点

• 建立在严格的数学概念的基础上

• 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

• 关系模型的存储路径对用户透明

• 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

• 存取路径对用户透明，查询效率往往不如格式化数据模型

• 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

总结 数据模型

1. 需要了解的

1. 层次和网状数据库的内容十分精简

2. 这两类系统虽然有它们的缺点，但是执行效率高是他们的显著优点

3. 层次数据网络模型及网状数据模型的基本概念

2. 需要牢固掌握的

1. 概念模型的基本概念

2. 数据模型的3个组成要素

3. 关系数据模型的相关概念

3. 难点

1. 数据模型的概念对于刚刚学习数据库的读者来说会感到比较抽象

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