第2章 数据模型和系统结构.ppt

1、数据库原理及应用,第2章 数据模型与系统结构,第2章 数据模型与系统结构,2.1 数据模型的基本概念 2.2 概念数据模型 2.3 逻辑数据模型 2.4 数据库的系统结构,2.1 数据模型的基本概念,实体 属性 实体和属性的型与值 关键字 实体集合 三个世界的观点 实体间的联系 数据模型的构成要素,2.1 数据模型的基本概念,(1) 实体 实体是现实世界中任何可被识别的事物的抽象 。 可以是具体的人、事、物或抽象的概念。 (2) 属性 事物的性质和特征的抽象表示被称为属性 。 属性是对实体的描述；一个实体可以由若干个属性来刻画。 (3) 实体和属性的型与值 实体与属性的结构称为型，在结构约束下

2、的取值称为值。,2.1 数据模型的基本概念（续）,(4) 关键字 在实体的属性中，可惟一标识一个个体的属性或属性组（该属性组为极小属性组，即去掉其中任一属性就不能惟一标识一个个体）称为关键字 ，又称“标准码”、“候选码”或“码”。 码中的属性称为“主属性”，未包含在任一码中的属性称为“非主属性”。若存在多个码，则选定其中一个作“主码”。 (5) 实体集合 同一类型实体的集合称为实体集，也就是同一类型事物的抽象。,2.1 数据模型的基本概念（续）,(6) 三个世界的观点 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，对现实世界数据特征

3、的抽象 。 从事物的客观特性到计算机里的具体表现经历了现实世界、信息世界和机器世界三个数据领域。,2.1 数据模型的基本概念（续）,(6) 三个世界的观点 现实世界 又称物质世界，涉及的对象是客观存在的事物。这些事物可以是具体的，也可以是抽象的。 信息世界 信息世界又称抽象世界、概念世界，是现实世界在人们头脑中的反映，是对现实世界事物的抽象。 在进行数据处理时对现实世界事物的最高级抽象，抽象结果称为概念模型。 机器世界 是按计算机系统的观点对数据建模，是对信息世界的具体描述。,2.1 数据模型的基本概念（续）,(6) 三个世界的观点 信息世界中研究结果又分三个层次：物理模型、逻辑模型和外部模型

4、。 物理模型描述数据在计算机外存上的存储方式和方法，它依赖于硬件和软件，是最低层次的抽象。 逻辑模型按照选定的DBMS描述整体数据的逻辑关系，它不依赖计算机硬件，但依赖软件(DBMS)。 外部模型面向用户，是逻辑模型的一部分。,2.1 数据模型的基本概念（续）,(7) 实体间的联系 以下三种类型： 一对一联系（记为 1:1） 一对多联系（记为 1:n ） 多对多联系（记为 m:n）,(7) 实体间的联系 (续),一对一联系：如果实体集E1中每个实体至多和实体集E2中的一个实体有联系，反之亦然，那么实体集E1和E2的联系称为“一对一联系”，记为“1:1”。,一对一联系,(7) 实体间的联系 (续

5、),一对多联系：如果实体集E1中每个实体可以与实体集E2中任意个（零个或多个）实体间有联系，而E2中每个实体至多和E1中一个实体有联系，那么称E1对E2的联系是“一对多联系”，记为“1:n”。,一对多联系,(7) 实体间的联系 (续),多对多联系：如果实体集E1中每个实体可以与实体集E2中任意个（零个或多个）实体有联系，反之亦然，那么称E1和E2的联系是“多对多联系”，记为“m:n”。,多对多联系,2.1 数据模型的基本概念（续）,(8) 数据模型的构成要素 数据结构 数据操作 数据的完整性约束条件,2.1 数据模型的基本概念（续）,(8) 数据模型的构成要素 数据结构 是所研究的数据类型和数

6、据之间联系的集合。 对数据模型的静态描述。 数据操作 指对数据模型中的各种对象的值允许执行的操作的集合。 是对数据模型的动态描述 。 数据的完整性约束条件 是数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则的集合。 用来限定基于这种数据模型的数据库的状态及变化，保证数据的正确、有效和一致性。,2.2 概念数据模型,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 独立于计算机系统，完全不涉及信息在计算机中的表示，只是用来描述某个特定组织所关心的信息结构 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,概念模型的一种表示方法,实体联系方法(E-R方法)

7、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,E-R图,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，并用无向边将其与相应的实体连接起来,学生,教师,E-R图(续),联系 联系本身： 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连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1:1、1:n或m:n）,联系的表示方法,联系的属性,联系的属性： 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,联系的表示方法示例,联系的表示方法示例,多个实体型间的一对多联系 例如，课程、教师与参考书三个实体型 一门课程可以有

8、若干个教师讲授， 使用若干本参考书， 每一个教师只讲授一门课程， 每一本参考书只供一门课程使用,联系的表示方法示例,多个实体型间的一对一联系 两个以上实体型间的多对多联系 实例 供应商、项目、零件三个实体型 一个供应商可以供给多个项目多种零件 每个项目可以使用多个供应商供应的零件 每种零件可由不同供应商供给,联系的表示方法,单个实体型内的联系,联系的表示方法示例,一对多联系 实例 职工实体型内部具有领导与被领导的联系 某一职工（干部）“领导”若干名职工 一个职工仅被另外一个职工直接领导 这是一对多的联系 一对一联系 多对多联系,一个实例,用E-R图表示学生选课系统的概念模型 实体 学生：学号、

9、姓名、年龄、性别、身份证号、联系方式、专业 课程：课程编号、课程名称、授课时间、授课教师、所属专业、课程描述 专业：专业编号、专业名称 教师 ：教师编号、姓名、年龄、性别、专业、职称、联系方式,1学生实体属性图,图2-9 学生实体及其属性图,2课程实体属性图,图2-10课程实体及其属性图,3专业实体属性图,图2-11专业实体及其属性图,4. 教师实体属性图,图2-12教师实体及其属性图,5学生选课系统E-R图,学生和课程之间的关系是多对多的关系，一门课程可以被多个学生选修，同时，一个学生也可以选修多门课程，但是课程不能重复。 教师和课程之间的关系是多对多的关系，一门课程可以有多个教师教，同时，

10、一个老师也可以教多门课程。例如，不同的专业都可以开设计算机基础课，那么所有专业的计算机基础课可以是同一个老师教也可以是不同的老师教；同理，一个计算机老师既可以讲计算机基础课也可以讲其他的计算机课程。 课程和专业之间的关系是多对多的关系，一个专业的课程都由多个课程组成，每一门课程特别是公共课可以属于多个专业。例如，计算机基础课可以被多个专业开设。 学生和专业之间的关系是多对一的关系，一个学生只能属于一个专业，而一个专业可以由多个学生组成。,5学生选课系统E-R图,图2-13 选课系统的E-R图,m,n,n,1,m,n,m,n,2.3 逻辑数据模型,非关系模型 层次模型 网状模型 关系模型,2.3

11、.1 层次模型,层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型 层次模型用树状结构来表示各类实体以及实体间的联系 典型代表是美国IBM公司于1968年开发的IMS,一、层次数据模型的数据结构,层次模型 满足下面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，这个结点称为根结点 2. 根以外的其它结点有且只有一个双亲结点 层次模型中的几个术语 根结点，双亲结点，兄弟结点，叶结点,一、层次数据模型的数据结构(续),一、层次数据模型的数据结构(续),层次模型数据结构的特点： 结点的双亲是唯一的 只能直接处理一对多的实体联系 每个记录类型可以定义一个排序字段，也称为码字段 任何记

12、录值只有按其路径查看时，才能显出它的全部意义 没有一个子女记录值能够脱离双亲记录值而独立存在,层次模型示例图,图2-14 层次模型示例图,二、层次模型的数据操纵,层次模型的数据操纵 查询 插入 删除 更新,三、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,四、层次数据模型的存储结构,邻接法 按照层次树前序遍历的顺序把所有记录值依次邻接 存放，即通过物理空间的位置相邻来实现层次顺序,层次数据模型的存储结构（续）,层次数据库及其实例,按邻接法存放图 中以根记录A1为首的层次

13、记录实例集,按邻接法存放图中以根记录A1为首的层次记录实例集,层次数据模型的存储结构（续）,链接法 用指引来反映数据之间的层次联系 子女兄弟链接法 层次序列链接法,层次数据模型的存储结构（续）,子女-兄弟链接法 每个记录设两类指针，分别指向最左边的子女（每个记录型对应一个）和最近的兄弟,层次数据模型的存储结构（续）,层次序列链接法 按树的前序穿越顺序链接各记录值,五、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 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

14、须通过双亲结点 由于结构严密，层次命令趋于程序化,2.3.2 网状模型,用有向图结构表示实体类型及实体间联系的数据模型称为网状模型。 基于网状模型的数据库管理系统有IDMS、DMS1100等 。,一、 网状数据模型的数据结构,网状模型 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。,网状数据模型的数据结构（续）,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,网状数据模型的数

15、据结构（续）,网状模型与层次模型的区别 网状模型允许多个结点没有双亲结点 网状模型允许结点有多个双亲结点 网状模型允许两个结点之间有多种联系（复合联系） 网状模型可以更直接地去描述现实世界 层次模型实际上是网状模型的一个特例,网状模型的例子,图2-15 网状模型示例图,二、网状模型的数据操纵,主要有查询、插入、删除和修改。 其中执行插入操作时，允许插入无双亲的子结点； 执行删除操作时，允许只删除双亲结点，其子结点仍在； 执行修改操作时，只需修改指定记录即可，查询操作可以有多种实现方法。,三、网状模型的完整性约束,网状数据库系统（如DBTG）对数据操纵加了一些限制，提供了一定的完整性约束 码：唯

16、一标识记录的数据项的集合 一个联系中双亲记录与子女记录之间是一对多联系 支持双亲记录和子女记录之间某些约束条件,四、网状数据模型的存储结构,关键 实现记录之间的联系 常用方法 单向链接 双向链接 环状链接 向首链接,网状数据模型的存储结构（续）,学生/选课/课程的网状数据库实例,学生记录,课程记录,选课记录,五、网状数据模型的优缺点,优点 能够直接描述现实世界； 查询方便、结构对称、查询格式相同； 操作功能强、速度快、存取效率较高。 缺点 数据结构及其对应的数据操作语言极为复杂； 数据独立性差； 由于实体间的联系是通过存取路径来指示的，程序访问时要指定存取路径，程序设计困难。,2.3.3 关系

17、模型,关系模型（Relational Model）的主要特征是用二维表格表达实体集。 与前两种模型相比，数据结构简单，容易为初学者理解。 关系模型是由一组关系组成。 每个关系的数据结构实际上是一张二维表格（规范化）。,一、关系数据模型的数据结构,在用户观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。,学生登记表,属性,记录,关系（Relation） 一个关系对应通常说的一张表 元组（Tuple） 表中的一行即为一个元组 属性（Attribute） 表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名,主码（Key） 表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组。 域（Domain）

18、 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 关系名（属性1，属性2，属性n） 学生（学号，姓名，年龄，性别，系，年级）,关系数据模型的数据结构（续）,例1 学生、系、系与学生之间的一对多联系： 学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级） 系 (系号，系名，办公地点) 例2 系、系主任、系与系主任间的一对一联系,关系数据模型的数据结构（续）,例3 学生、课程、学生与课程之间的多对多联系： 学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级） 课程（课程号，课程名，学分） 选修（学号，课程号，成绩）,关系数据模型的数据结构（续）,关系必须是规范化的，满足一定的规范条件 最基本的规

19、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 图中工资和扣除是可分的数据项 ,不符合关系模型要求,一个工资表(表中有表)实例,关系数据模型的数据结构（续）,术语对比,二、关系数据模型的操纵,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 数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干元组的集合 存取路径对用户隐蔽，用户只要指出“干什么”，不必详细说明“怎么干”,三、关系数据模型的完整性约束,关系的完整性约束条件 实体完整性 参照完整性 用户定义的完整性,四、关系数据模型的存储结构,实体及实体间的联系都用表来表示 表以文件形式存储 有的DB

20、MS一个表对应一个操作系统文件 有的DBMS自己设计文件结构,五、关系数据模型的优缺点,优点 建立在严格的数学概念的基础上 概念单一、结构简单直观、易理解、语言表达简练 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,关系数据模型的优缺点（续）,缺点 存取路径对用户透明导致查询效率往往不如非 关系数据模型 为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化 增加了开发DBMS的难度,2.3.4 面向对象数据模型,指在面向对象程序设计中所支持的对象语义的逻辑数据模型，它是持久的和共享的对

21、象集合，具有模拟整个解决方案的能力。,一、面向对象数据模型的数据结构,面向对象数据模型把实体表示为类，一个类描述了对象属性和实体行为。 类-对象的实例对应于客户个体。 在对象内部，类的属性用特殊值来区分每个客户（对象），但所有对象都属于类，共享类的行为模式。 面向对象数据库通过逻辑包含（logical containment）来维护联系。,二、面向对象数据模型的特点,（1）对象与封装性 （2）类和继承,三、面向对象数据模型的优缺点,适合处理各种各样的数据类型 面向对象数据库适合存储不同类型的数据 面向对象程序设计与数据库技术相结合 提高开发效率 面向对象数据模型提供强大的特性，例如继承、多态和

22、动态绑定，允许用户不用编写特定对象的代码就可以构成对象并提供解决方案。 改善数据访问,三、面向对象数据模型的优缺点,没有准确的定义 维护困难 随着组织信息需求的改变，对象的定义也要求改变并且需移植现有数据库，以完成新对象的定义 当改变对象的定义和移植数据库时，它可能面临真正的挑战。 不适合所有的应用 面向对象数据模型用于需要管理数据对象之间存在的复杂关系的应用，适合于特定的应用 当用于普通应用时，其性能会降低并要求很高的处理能力。,2.4 数据库的系统结构,从数据库最终用户角度看（数据库系统外部的体系结构） ，数据库系统结构分为: 集中式数据库系统 客户/服务器数据库系统(C/S结构) 并行数

23、据库系统 分布式数据库系统 Internet与客户端/服务器模式,1. 集中式数据库系统,由一个处理器、与它相关联的数据存储设备以及其他外围设备组成，它被物理地定义到单个位置。 简单的说，就是指运行在一台计算机上的数据库系统，如运行在大型机、小型机或PC机、工作站上的数据库系统。,集中式数据库系统的优缺点,优点： 在集中式数据库里，大多数功能（如修改、备份、查询、控制访问等）都很容易实现； 数据库大小和它所在的计算机不需要担心数据库是否在中心位置。 缺点： 当中心站点计算机或数据库系统不能运行时，在系统恢复之前所有用户都不能使用系统； 从终端到中心站点的通信开销是很昂贵的。,客户/服务器数据库

24、系统(C/S结构),由客户端（client）和服务器端（server）逻辑组件构成。 客户端一般是个人电脑或工作站。 服务器端是大型工作站、小型计算机系统或大型计算机系统。 客户/服务器数据库架构由三个组件组成，分别是：客户端应用程序、DBMS服务器和通信网络接口。,客户/服务器数据库系统的优点：,用比较低廉的平台支持以前只能在大且昂贵的小型或大型计算机上运行的应用程序。 客户端提供基于图标的菜单驱动的界面，比在大且昂贵的小型或大型计算机上只能使用传统的命令行、哑终端界面更高级。 客户/服务器环境让用户更容易进行产品化工作，并能更好地使用现有的数据。 与集中式系统相比，客户/服务器数据库系统更

25、灵活。 响应时间和吞吐量高。 服务器（数据库）机器能够按照客户需求构建（定制）DBMS功能，这样可以提供更好的DBMS性能。 客户端（应用数据库）可以是个人工作站，可以按终端用户的需求进行定制，这样能提供更好的界面、更高的可用性、更快的响应，并且用户更易于使用。 几个不同的客户（应用）系统可以共享一个数据库（在服务器上）。,客户/服务器数据库系统的缺点：,在客户/服务器环境中，工作量大或者编程代价高，特别是在初始阶段。 缺乏对DBMS、客户、操作系统以及网络环境进行诊断、性能监控、跟踪和安全控制的管理工具。,3.并行数据库系统,并行数据库系统中有多个CPU、多个存储器、多个磁盘并行操作，以提高

26、处理速度和I/O速度。 并行数据库系统用于必须要对非常大的数据库进行查询的应用或者是每秒钟必须处理大量事务的应用。 采用以下几种不同的架构来实现并行数据库系统： 共享数据存储磁盘 共享内存 层次 独立资源,并行数据库系统的优缺点,优点: 并行数据库系统对于必须要查询大型数据库（千兆字节级的数据库）的应用或者是每秒钟必须处理大量事务（每秒处理上千事务）的应用非常有用； 在并行数据库系统里，吞吐量和响应时间是非常高的。 缺点： 在并行数据库系统中，存在初始化单个进程相关的启动代价，而且启动时间可能掩盖实际的处理时间，反过来又会影响加速； 由于在并行系统中执行的进程经常访问共享资源，因此在新的进程与

27、现有进程竞争共享资源（例如共享数据存储磁盘、系统总线等）时，就会产生干扰，使速度下降。,4. 分布式数据库系统,与客户/服务器架构类似，使用多个计算机系统以及用户能够访问远程系统的数据。 分布式数据库系统可以更好地实现数据共享，超过了客户/服务器系统可以达到的程度。 数据库存储在不同计算机上，计算机间通过互连网络互相通信、发送和接收数据。 与并行数据库系统不同，计算机之间不共享存储器或磁盘。分布在不同计算机上的数据库是局部独立的。,分布式数据库系统的优缺点,优点： 分布式数据库架构提供更高的效率和更好的性能。 响应时间和吞吐量高。 服务器（数据库）机器能够按照客户需求构建（定制）DBMS功能，

28、这样可以提供更好的DBMS性能。 客户端（应用数据库）可以是个人工作站，可以按终端用户的需求进行定制，这样能提供更好的界面、更高的可用性、更快的响应，并且用户更易于使用。 几个不同的客户（应用）系统可以共享一个数据库（在服务器上）。 与数据量和事务率增加一样，用户也可以增加系统。 当增加新的站点时，对正在进行的操作影响很小。 分布式数据库系统提供本地自治（local autonomy）。 缺点： 在分布式数据库系统中，故障的恢复比集中式系统更复杂。,5. Internet与客户端/服务器模式,图2-19 Internet与客户/服务器模式,2.4.2 数据库系统的三级模式结构,模式（Schem

29、a） 外模式（External Schema） 内模式（Internal Schema）,数据库系统的三级模式结构（续）,数据库系统的三级模式结构,一、模式（Schema）,模式（也称逻辑模式或概念模式） 数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述 所有用户的公共数据视图，综合了所有用户的需求 一个数据库只有一个模式 模式的地位：是数据库系统模式结构的中间层 与数据的物理存储细节和硬件环境无关 与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关,模式（续）,概念模式描述了一个整个数据库，是对数据需求的全部视图，包括下列活动： 数据上的约束。 数据的语义信息。 检查并保持数据的一致性和完整性。 安全信

30、息。,二、外模式（External Schema）,外模式（也称子模式或用户模式） 数据库用户（包括应用程序员和最终用户）使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述 数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示,外模式（续）,外模式的地位：介于模式与应用之间 模式与外模式的关系：一对多 外模式通常是模式的子集 一个数据库可以有多个外模式。反映了不同的用户的应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求 对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同 外模式与应用的关系：一对多 同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用 但一个应用程序只能使用一个外模式,外模式（续）,

31、外模式的用途 保证数据库安全性的一个有力措施 每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据,三、内模式（Internal Schema）,内模式（也称存储模式） 是数据物理结构和存储方式的描述 是数据在数据库内部的表示方式 记录的存储方式（顺序存储，按照B树结构存储， 按hash方法存储） 索引的组织方式 数据是否压缩存储 数据是否加密 数据存储记录结构的规定 一个数据库只有一个内模式,内模式（续）,例如学生记录，如果按堆存储，则插入一条新记录总是放在学生记录存储的最后，如右图所示,内模式（续）,如果按学号升序存储，则插入一条记录就要找到它应在的位置插入，如图（b）所示 如果按照学生年龄聚簇存

32、放，假如新插入的S3是16岁，则应插入的位置如图（c）所示,记录不同的存储方式示意图,三级模式的特点,三层数据库模式结构的优点,每个用户能访问相同数据但有他们自己所需要的、经过定制的不同数据视图。每个用户可改变自己查看数据的方式并且这种改变不会影响相同数据库的其他用户。 用户不用关心物理数据存储细节。用户与数据库之间的交互独立于物理数据存储组织。 物理存储组织的改变（例如转到新的存储设备）不影响数据库的内部结构。 数据库管理员（DBA）能改变数据库的存储结构而不会影响用户视图。 DBA能改变数据库的概念结构而不会影响所有用户。,2.4.3 数据独立性与二级映射功能,三级模式是对数据的三个抽象级别 二级映象在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换 外模式概念模式映射 概念模式内模式映射,2.4.3 数据独立性与二级映射功能（续）,1. 数据的物理独立性 当数据库的存储结构改变了（例如