数据库系统结构

2.1数据和数据模型1.数据数据是人们从实际当中抽取的、感兴趣的事物特征或属性。数据有一定的格式（数值、字符等）。格式的规定是数据的语法，而数据的含义是数据的语义

数据是信息存在的一种形式，只有通过解释或处理的数据才能成为有用的信息。通过解释、推论、归纳、分析和综合等方法，从数据所获得的有意义的内容称为信息。数据的三种范畴现实信息电脑2.数据模型模型是对现实世界感兴趣的内容的模拟和抽象。（是理解系统的思维工具）数据模型是用来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息的。数据模型应满足三个条件：能比较真实地模拟现实世界；容易被人们理解；便于在计算机上实现。数据模型分类不同的数据模型是模型化数据和信息的不同工具。第一类是概念层模型：从数据的语义视角来抽取模型，是按用户的观点来对数据和信息进行建模。第二类是组织层模型：从数据的组织层次来描述数据，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。组织层模型主要包括层次模型、网状模型、关系模型以及对象-关系模型。数据模型分类(续)数据模型是数据库系统的核心和基础。DBMS都基于某种数据模型。为了把现实世界中的具体事物抽象、组织为某一具体DBMS支持的数据模型，通常首先将现实世界抽象为信息世界(概念层模型），然后再将信息世界转换为机器世界（组织层模型）。概念层模型与DBMS无关，组织层模型与DBMS有关现实世界信息世界：概念模型机器世界：具体DBMS支持的数据模型转换人的认识抽象现实世界客观事物的抽象过程数据的两个特征静态特性：包括数据的基本结构、数据间的联系和数据中的约束。动态特征：指定义在数据上的操作。如查询、修改、删除记录和增加新记录等。2.2概念层数据模型概念层数据模型是现实世界到机器世界的一个中间层次。概念层数据模型：抽象现实系统中有应用价值的元素及其关联，反映现实系统中有应用价值的信息结构，不依赖于数据的组织结构。概念模型用于信息世界的建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象。注意：是数据库设计人员和用户之间进行交流的工具。是面向用户、面向现实世界的数据模型，与DBMS无关。常用的概念模型：实体-联系模型、语义对象模型

实体-联系模型实体

属性

联系

实体具有公共性质的可相互区分的现实世界对象的集合。可以是具体的事物，也可以是抽象的概念具体的事物：学生、课程、职工抽象的概念：订单E-R图实体用矩形表示，矩形框内写明实体名。属性用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来学生学号年龄性别姓名学生教师联系

联系是数据之间的关联集合，是客观存在的应用语义链。实体内部的联系：一个实体内属性之间的联系。职工的职工号和此职工的部门经理号实体之间的联系：不同实体之间的联系。课程实体和学生实体之间存在选课联系。联系的表示方式

实体之间的联系用菱形框表示，框内写上联系名，并用连线与有关的实体相连。联系名实体1实体2联系的种类一对一联系(1:1)一对多联系(1:n)多对多联系(m:n)一对一联系（实体内部的联系）

如果实体A中的每个实例在实体B中至多有一个（也可以没有）实例与之关联，反之亦然，则称实体A与实体B具有一对一联系，记作：1:1。一对一联系(1:1)一对一联系的例子

班级和班长（假设一个班级只有一个班长，一个人只当一个班级的班长）是一对一联系。

管理班长班级11一对多的联系

如果实体A与实体B之间存在联系，并且对于实体A中的一个实例，实体B中有多个实例与之对应；而对实体B中的任意一个实例，在实体A中都只有一个实例与之对应，则称实体A到实体B的联系是一对多的，记为1:n。

有部门和职工两个实体，并且有语义：一个部门可以有多名职工，但是一个职工只在一个部门工作。则部门和职工之间的联系是一对多的，我们把这种联系命名为工作。一对多联系的例子工作部门职工1n多对多的联系

如果实体A与实体B之间存在联系，并且对于实体A中的一个实例，实体B中有多个实例与之对应；而对实体B中的一个实例，在实体A中也有多个实例与之对应，则称实体A到实体B的联系是多对多的，记为m:n。多对多联系的例子

有学生和课程两个实体，并且有语义：一个学生可以修多门课程，一门课程可以被多个学生修。那么学生和课程之间的联系就是多对多的，我们把这种联系命名为选课。学生课程选课mn关联多个实体的联系顾客购买商品：每个顾客可以从多个售货员那里购买商品，并且可以购买多种商品；每个售货员可以向多名顾客销售商品，并且可以销售多种商品；每种商品可由多个售货员销售，并且可以销售给多名顾客。

mnp顾客商品售货员销售关联多个实体的联系一个实例用E-R图表示某个工厂物资管理的概念模型实体及其属性仓库：仓库号、面积、电话号码零件：零件号、名称、规格、单价、描述供应商：供应商号、姓名、地址、电话号码、帐号项目：项目号、预算、开工日期职工：职工号、姓名、年龄、职称一个实例实体之间的联系如下：

(1)一个仓库可存放多种零件，一种零件可以存放在多个仓库中。仓库和零件间有多对多联系。用库存量表示某零件在某仓库中的数量，即联系的属性。(2)一个仓库有多个职工当保管员，一个职工只在一个仓库工作。仓库和职工之间是一对多的联系。(3)职工之间具有领导-被领导关系。即仓库主任领导若干保管员。职工实体型中具有一对多的联系。(4)供应商、项目和零件三者之间具有多对多的联系。一个实例补充作业学校中有多个系，每个系有若干班级和教研室，每个教研室有若干名教师，每个班级有若干名学生，每个学生可选修若干门课程，每门课程可由若干学生选修，每个教师可讲授多门课程，每门课程可由若干教师讲授。请用E-R图表示出此学校的概念模型。某工厂生产若干产品，每种产品由若干零件组成，有的零件可用在多种产品上。有些零件由多种原材料制成，一种原材料可用在多种零件上。零件和原材料按类别存放在若干仓库中。请用E-R图表示出此工厂的产品、零件、原材料、仓库的概念模型。2.3组织层数据模型2.3.1层次数据模型2.3.2网状数据模型2.3.3关系数据模型层次数据模型

采用层次模型作为数据的组织方式。典型代表是IBM公司的IMS（InformationManagementSystem）数据库管理系统，是IBM公司1968年推出的第一个大型的商用数据库管理系统。层次模型用树形结构表示实体和实体之间的联系。层次结构示意图构成层次模型的树由结点和连线组成，结点表示实体，连线表示相连的两个实体间的联系，这种联系是一对多的。通常把表示“一”的实体放在上方，称为父结点；把表示“多”的实体放在下方，称为子结点。层次数据模型

层次模型的两点限制（1）有且仅有一个结点无父结点，这个结点即为树的根；（2）其他结点有且仅有一个父结点。

层次模型对多对多关系的表示1:m课程名学分课程号课程号成绩学号姓名性别学号年龄1:n课程号成绩学号网状数据模型

用图形结构表示实体和实体之间的联系的数据模型就称为网状数据模型。去掉了层次模型中的两点限制。可以直接表示多对多的联系。同样使用父结点和子结点这样的术语，并且同样一般把父结点放置在子结点的上方。

典型代表是CODASYL系统，它是CODASYL组织的标准建议的具体实现。

网状结构示意图提醒上课时间、教室变动教室：一教211时间：星期二3~4节（双周）星期四5~6节关系数据模型把数据看成是二维表中的元素，而这个二维表就是关系用关系（表格数据）表示实体和实体之间联系的模型称为关系数据模型示例：学生基本信息表关系数据模型实体及实体间的联系都用二维表来表示表以文件形式存储有的DBMS一个表对应一个操作系统文件有的DBMS自己设计文件结构关系数据模型的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E-R模型向关系模型的转换对每个实体，转换成一个关系（二维表）对一个1：1的联系，只需在某一方的二维表中加上另一方的码（关键字）对一个1：n的联系，只需在n方的二维表中加上1方的码对一个m：n的联系,转换成一个关系，每一方的码都是此关系的属性，还要加上此联系增加的属性2.4数据库系统的结构三级模式结构二级映像功能数据库管理系统

三级模式结构模式描述了数据库中全体数据的逻辑结构和特征。只涉及到型的描述，不涉及具体的值。关系模式是关系的“型”或元组结构共性的描述。关系模式表头（关系模式）元组属性1属性2…属性n三级模式结构外模式2外模式n外模式1概念模式内模式…(单个用户视图)(公共用户视图)(存储视图)三级模式结构数据库系统的三级模式结构

概念模式是关系的。外模式也是关系的或接近关系的，其内容来自概念模式，它最接近用户。内模式不是关系的，它是数据的物理存储方式。三级模式结构外模式也称为用户模式、子模式。

用户对现实系统中感兴趣的局部数据结构的描述。是DB整体数据结构的子集或局部重构。用外模式定义语言表达。例，对RDB，定义视图结构。是保证数据库安全的一个措施。概念模式

也称为逻辑模式或模式，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。用模式定义语言表达。例，对关系数据库，定义：表头结构、属性取值范围、…。内模式也称为存储模式。数据的内部存储结构描述（数据的组织与存储）。用内模式定义语言描述。例，对RDB，定义数据文件的位置、索引的依据等。2.4.2二级映像功能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像：外模式/模式映像模式/内模式映像模式间的映像

（DBMS基本功能之一）维持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。

模式/内模式映像

当存储结构改变时，可（由DBA）用内模式定义语句调整内模式定义，从而保持模式不变。

数据和程序物理独立（存储独立）

外模式/模式映像

当模式改变时，可用外模式/模式定义语句，调整外模式/模式映像定义，从而保持外模式不变。

数据和程序逻辑独立（概念独立）

2.4.3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的功能和组成源模式和映象计划的DML请求非计划的DML请求DDL处理器DML处理器查询语言处理器编译器运行管理器源模式、目标模式和映象元数据数据数据字典增强安全性和完整性约束优化处理器数据库管理系统的功能数据定义数据操作优化和执行数据安全和完整性数据恢复和并发数据字典性能数据库管理系统的功能数据定义功能数据操纵功能数据组织、存储和管理提供数据操纵语言(DML)，实现对数据库的基本操作(查询、插入、删除和修改)分类组织、存储和管理各种数据确定组织数据的文件结构和存取方式实现数据之间的联系提供多种存取方法提高存取效率提供数据定义语言(DDL)，定义数据库中的数据对象事务管理和运行管理数据库的运行和维护其它功能保证数据的安全性、完整性多用户对数据的并发使用。发生故障后的系统恢复数据库初始数据装载转换，数据库转储，介质故障恢复，数据库的重组织，性能监视分析等DBMS与其它软件系统的通信，两个DBMS系统的数据转换，异构数据库之间的互访和互操作提供数据定义语言(DDL)，定义数据库中的数据对象数据库在计算机系统中的位置硬件平台基础软件平台软件基础构架平台应用软件平台软件产品协同软件办公软件数据库系统操作系统中间件应用服务器小结：数据库系统的特点数据结构化数据的共享性高，冗余度低，易扩充数据独立性高数据由DBMS统一管理和控