1.2 《数据库系统概论》之数据模型（概念模型、逻辑模型--物理模型、层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型、对象关系模型）

前言

• 本篇文章学习书籍：《数据库系统概论》第5版 王珊 萨师煊编著
• 视频资源来自：数据库系统概论完整版(基础篇+高级篇+新技术篇)
• 由于 BitHachi 学长已经系统的整理过本书了，我在学习课本和视频以及学长文章的同时在学长文章的基础上进行相应学习修改。（学长原系列目录：Here）
• 资料参考网站：MySQL教程

0.思维导图

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1.数据模型的概念

• 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。

数据模型应满足三方面要求：

• 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

2.两大类数据模型

数据模型分为两类（分属两个不同的层次）

• (1) 概念模型 也称信息模型，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
  逻辑模型主要包括网状模型、层次模型、关系模型、面向对象模型等，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，描述数据在系统内部的表示方式和存取方法，在磁盘或磁带上的存储方式和存取方法。

客观对象的抽象过程—两步抽象

• 现实世界中的客观对象抽象为概念模型；

• 把概念模型转换为某一DBMS支持的数据模型。

3.数据模型的组成要素

(1)数据结构

数据结构是所研究的对象类型的集合。这些对象是数据库的组成成分，数据结构指对象和对象间联系的表达和实现，是对系统静态特征的描述，包括两个方面：
（1）数据本身：类型、内容、性质。例如关系模型中的域、属性、关系等。
（2）数据之间的联系：数据之间是如何相互关联的，例如关系模型中的主码、外码联系等。

(2)数据操作

数据操作

• 对数据库中各种对象(型)的实例(值)允许执行的操作，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)

(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，规定数据库状态及状态变化所应满足的条件，以保证数据的正确性、有效性和相容性。

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储存规则

4.概念模型

(1)用途与基本要求

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
• 能够方便、直接地表达应用中的各种语义知识
• 简单、清晰、易于用户理解

(2) 信息世界中的基本概念

• (1) 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。
• (2) 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。
• (3) 码（Key）
  唯一标识实体的属性集 称为码。
• (4) 域（Domain）
  属性的取值范围称为该属性的域。
• (5) 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
• (6) 实体集（Entity Set）
  同一类型实体的集合 称为实体集
• (7) 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内部的联系和实体之间的联系。
  • 实体 内部的联系 通常是指组成实体的 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

(3)两个实体型之间的联系

① 一对一联系（1:1）

实例

• 一个班级只有一个正班长
• 一个班长只在一个班中任职

定义：
如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个（也可以没有）实体与之联系，反之亦然。则称实体集A与实体集B具有一对一联系，记为1:1

② 一对多联系（1:n）

实例

一个班级中有若干名学生，
每个学生只在一个班级中学习

定义：
如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n≥0）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体集B有一对多联系，记为1:n

③ 多对多联系（m:n）

实例

课程与学生之间的联系：

• 一门课程同时有若干个学生选修
• 一个学生可以同时选修多门课程

定义：
如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n≥0）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体（m≥0）与之联系，则称实体集A与实体B具有多对多联系，记为m:n

(4)两个以上实体型之间的联系

① 一对多联系（1:m||1:n）

• 若实体集E1，E2，…，En存在联系，对于实体集Ej（j=1，2，…，i-1i+1，…，n）中的给定实体，最多只和Ei中的一个实体相联系，则我们说Ei与E1E2，…，Ei-1，Ei+1，…，En之间的联系是一对多的。

实例

• 课程、教师与参考书三个实体型
  一门课程可以有若干个教师讲授，
  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

② 一对一联系（1:1:1）

实例

• 一个独生子女只有一个父亲，一个母亲
• 一个父亲也只有一个独生子女
• 一个母亲也只有一个独生子女

③ 多对多联系（m:n:p）

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

(5)单个实体型内的联系

① 一对多联系（1:n）

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

② 一对一联系（1:1）

• 身份证可以唯一确认一个人的身份，人与身份证 有确认和被确认 的关系
• 一个身份证唯一确定一个人
• 一个人也唯一确认一个身份证

③ 多对多联系 （m:n）

• 饮料和厂商之间有 制造和被制造 的关系
• 多个饮料可以被多个厂商制造
• 多个厂商可以制造出多种饮料

在这里插入图片描述

(6)概念模型的一种表示方法

① 实体－联系方法(E-R方法)

• E-R图也称实体-联系图(Entity Relationship Diagram)，提供了表示实体类型、属性和联系的方法，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 实体型

用矩形表示，矩形框内写明实体名。

在这里插入图片描述

③ 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

在这里插入图片描述

④ 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）

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⑤ 联系的表示方法

⑥ 联系的表示方法示例

⑦ 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

在这里插入图片描述

⑧ 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
  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

实体之间的联系如下：

(1)一个仓库可以存放多种零件，一种零件可以存放在多个仓库中。仓库和零件具有多对多的联系。用库存量来表示某种零件在某个仓库中的数量。

(2)一个仓库有多个职工当仓库保管员，一个职工只能在一个仓库工作，仓库和职工之间是一对多的联系。职工实体型中具有一对多的联系

(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。

(4)供应商、项目和零件三者之间具有多对多的联系

5.非关系模型

（1）层次模型(Hierarchical Model)

• 层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型
• 层次数据库系统的典型代表是IBM公司的IMS（Information Management System）数据库管理系统
• 层次模型用树形结构来表示各类实体以及实体间的联系

① 数据结构

满足下面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

② 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

在这里插入图片描述

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③ 多对多联系在层次模型中的表示

方法：

• 将多对多联系分解成一对多联系

分解方法：

• 冗余结点法

• 虚拟结点法

④ 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

⑤ 存储结构

邻接法：

按照层次树 前序遍历（T-L-R）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。又可分为：子女－兄弟链接法和层次序列链接法。

❶ 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

❷ 层次序列链接法

• 按树的 前序穿越顺序 链接各记录值

⑥ 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
  查询子女结点必须通过双亲结点
  由于结构严密，层次命令趋于程序化

（2）网状模型(Network Model)

网状数据库系统采用网状模型作为数据的组织方式

① 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。

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

网状模型中子女结点与双亲结点的联系可以不唯一
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

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多对多联系在网状模型中的表示:

方法：将多对多联系直接分解成一对多联系

例如：一个学生可以选修若干门课程，·某一课程可以被多个学生选修，学生与课程之间是多对多联系 ·

• 引进一个学生选课的联结记录，由3个数据项组成
  学号
  课程号
  成绩
  表示某个学生选修某一门课程及其成绩

② 网状数据模型的操纵与完整性约束（续）

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

③ 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

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④ 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，数据库的结构就变得越来越复杂，不利于最终用户掌握；
  DDL、DML语言复杂，用户不容易使用；

6.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
计算机厂商新推出的数据库管理系统几乎都支持关系模型

（1）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。
几个名词解释：

• 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）
  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）

在这里插入图片描述

举几个例子：

• 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

• 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）

规范化：

关系必须是规范化的，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
图1.27中工资和扣除是可分的数据项 ,不符合关系模型要求

在这里插入图片描述

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（2）关系数据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

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”

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

（3）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；

（4）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
  • 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;

7.面向对象数据模型

• 将语义数据模型和面向对象程序设计方法结合起来，用面向对象观点来描述现实世界实体(对象)的逻辑组织、对象间限制、联系等的模型。

• 一系列面向对象核心概念构成了面向对象数据模型( Object Oriented Data Model, 00模型)的基础。

8.对象关系模型

• 对象关系数据库系统(Object Relational DataBase System, ORDBS) 是关系数据库与面向对象数据库的结合。
• 它保持了关系数据库系统的非过程化数据存取方式和数据独立性，继承了关系数据库系统已有的技术，支持原有的数据管理，又能支持00模型和对象管理。各数据库厂商都在原来的产品基础上进行了扩展。
• 1999 年发布的SQL标准(也称为SQL99)，增加了SQL/Object Language Binding, 提供了面向对象的功能标准。SQL99对ORDBS标准的制定滞后于实际系统的实现。所以各个ORDBS产品在支持对象模型方面虽然思想一致，但是所采用的术语、语言语法、扩展的功能都不尽相同。