数据库原理与开发技术 课件 1.4 数据库的体系结构

1.4数据库的体系结构：三层模式和两级映像本章主要内容：（1）四大基本概念：数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统（2）数据的独立性、数据的逻辑结构和物理结构（3）四种数据模型：概念模型、逻辑模型、外部模型、内部模型（4）四种逻辑模型：网状模型、层次模型、关系模型、对象模型（5）

DBMS的四大控制功能：恢复、并发、完整性、安全性（6）数据库系统的体系结构：三层模式、二级映像1.4数据库的体系结构：三层模式和两级映像数据库中的数据有“型”（Type）和“值”（Value）之分。“型”是指数据的类型和结构的说明，“值”是“型”的具体赋值。例如，学生信息可以定义为（学号，姓名，性别，年龄），在逻辑模型中，被称为学生的型，而（18070101，张三，男，19）是某一学生的具体赋值，是一个实例。1.4.1数据库模式的概念1.4.1数据库模式的概念

定义1-12模式（Schema）是指DB中全体数据的逻辑结构和特征的语义描述。它仅涉及“型”的描述，不涉及具体的取值。模式的当前取值，称为模式的一个实例（Instance）。在数据库的描述中，模式相对稳定，而数据库中的数据不断发生变化，故实例频繁变动。模式反映数据库的结构，实例反映数据库某一时刻的状态。1.4.2三层模式体系结构：逻辑模式、外模式、内模式数据库的数据结构有3个层次：外部模型、逻辑模型和内部模型。这3个层次用DB的数据定义语言来定义，定义后的内容，称为“模式”，对应为外模式、逻辑模式和内模式。1.逻辑模式（schema）

定义1-13逻辑模式，简称模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它不仅定义了数据的逻辑结构，包括数据项的名字、类型、取值范围，还要定义数据之间的联系，定义与数据有关的完整性、安全性等要求。1.4.2三层模式体系结构：逻辑模式、外模式、内模式例如，根据例1-1的需求，写出学生记录类型的逻辑模式如表1-5所示。逻辑模式不涉及数据的存储方式、访问技术等细节，也与具体的应用程序、程序的开发工具无关。数据项中文含义类型长度约束缺省值sNo学号char8实体标识符sName姓名varchar30不能为空Sex性别char1只能取值：M、FM-男Age年龄integer4取0到100之间的整数0dtBirthDate出生日期date81.4.2三层模式体系结构：逻辑模式、外模式、内模式2.外模式（ExternalSchema）

定义1-14外部模式，也称子模式，或用户模式，是数据库用户（包括应用程序员和最终用户）能够看到和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是与某一应用有关的数据逻辑表示。它是某个或某几个用户所看到的数据库的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。外模式是逻辑模式的子集，每个用户需要通过一个外模式来使用数据库。由于不同的用户对应用程序的需求不同，则其对应的外模式描述也不同。因此，一个数据库可以有多个外模式。1.4.2三层模式体系结构：逻辑模式、外模式、内模式2.外模式（ExternalSchema）外模式能极大保护数据库的安全性。每个用户只能看到和访问所对应的外模式中的数据，数据库中的其余数据是无法看到的。有了外模式后，程序员不用关心逻辑模式，只与外模式发生联系，按照外模式的结构存储和操纵数据。1.4.2三层模式体系结构：逻辑模式、外模式、内模式3.内模式（InternalSchema）

定义1-15内部模式，也称存储模式，或物理模式，是数据在存储介质上的物理结构和存储方式的描述。它定义了数据库所有内部记录类型、索引和文件的组织方式以及数据控制方面的细节。例如，根据数据类型及其数据之间的联系不同，不同的数据，其存储方式会不一样，例如，一个表有多个文件，有数据文件、有索引文件，它们的存储方式是不一样的，有顺序存储、有散列存储、或聚簇存储等。一个数据库有多个外模式，但只有一个逻辑模式、一个内模式。逻辑模式对应于概念级，外模式对应于用户级，内模式对应于物理级。1.4.3数据库的两级映像：外模式

/模式映像、模式

/内模式映像由于三层模式的数据结构可能不一样，为了能够在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换，DBMS在这三层模式之间定义了两级映像：外模式

/模式映像、模式

/内模式映像。文件管理系统的主要缺陷之一就是用户程序过分地依赖存储的数据及数据的逻辑结构，当数据的存储方式或逻辑结构发生变化时，程序不得不重新编写，以保证原来用户的要求。这种程序对数据依赖性的弊端在数据库系统中获得了极大的改进。其根本原因就在于DBMS提供了这两级映像功能。正是有了这两级映像，才保证数据库系统中的数据具备了较高的数据逻辑独立性和物理独立性。1.4.3数据库的两级映像：外模式

/模式映像、模式

/内模式映像

定义1-16三层模式之间存在着两级映像：（1）外模式

/模式映像存在于外模式和逻辑模式之间，用于定义外模式和逻辑模式之间的对应性，它放在外模式中描述。

（2）模式

/内模式映像逻辑模式和内模式之间，用于定义逻辑模式和内模式之间的对应性，它放在内模式中描述。DB的三层模式和两级映像结构，称为“数据库的体系结构”，也称“三层体系结构”，或“数据抽象的三个级别”。如图1-16所示。1.4.3数据库的两级映像：外模式

/模式映像、模式

/内模式映像1.4.4高度的数据独立性

定义1-17数据独立性（DataIndependence）是指应用程序和数据库的数据结构之间相互独立，不受影响。在修改数据结构（逻辑结构或物理结构）时，尽可能不修改应用程序，则称系统达到了数据独立性目标。数据独立性分逻辑数据独立性和物理数据独立性两个级别。（1）逻辑数据独立性

如果逻辑模式要修改，例如，增加记录类型、增加数据项、改变属性的数据类型，只要对外模式/逻辑模式映像作相应的修改，可以使外模式和应用程序尽可能保持不变，这时，称数据库达到了逻辑数据独立性，简称逻辑独立性。1.4.4高度的数据独立性（2）物理数据独立性

如果物理模式要修改，例如，硬件发生了变化，数据库的存储结构要发生改变，只要对模式/内模式映像作相应的修改，可以使逻辑模式可能保持不变，即内模式的修改尽量不影响逻辑模式，当然对外模式和应用程序的影响更小，这时，称数据库达到了物理数据独立性，简称物理独立性。数据和应用程序之间的独立性，可使数据的定义和描述从应用程序中分离出去。而且，由于数据的存取由DBMS管理，简化了应用程序的编制，极大减少了应用程序的维护和修改成本。1.4.4高度的数据独立性数据库的三层模式结构确实是一个理想的结构，但是，它也给系统增加了两个额外的开销。第一，要在系统中保存三层模式结构、两级映像的内容，并进行管理；第二，用户与数据库之间的数据传输要在三层体系