數據模型與數據庫系統結構第1頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五主要內容2.1數據與數據模型2.2概念層數據模型2.3組織層數據模型2.4數據庫系統的結構2.5數據庫管理系統第2頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五2.1數據和數據模型現實世界的數據是散亂無章的，散亂的數據不利于人們對其進行有效的管理和處理。因此，必須把現實世界的數據按照一定的格式組織起來，以方便對其進行操作和使用。在用數據庫技術管理數據時，數據被按照一定的格式組織起來，比如二維表結構，以使數據能夠被更高效地管理和處理。3第3頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五2.1.1數據與信息描述事物的符號記錄稱為數據。將從數據中獲得的有意義的內容稱為信息數據是信息存在的一種形式，只有通過解釋或處理才能成為有用的信息。數據有一定的格式，這些格式的規定是數據的語法，而數據的含義是數據的語義。4第4頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五示例數據：（張三，9912101，男，1981，計算機系，應用軟件）解釋：張三是9912101班的男生，1981年出生，計算機系應用軟件專業。5數據信息解釋第5頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五數據的靜態特征數據的基本結構學生的學號、姓名、性別、出生日期；數據間的聯系學生選課中的學號與學生基本信息中的學號；數據取值范圍約束考試成績在0～100分之間。*6第6頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五動態特征指對數據可以進行的操作以及操作規則。對數據庫數據的操作主要有查詢數據更改數據：插入、刪除和更新一般將對數據的靜態特征和動態特征的描述稱為數據模型三要素，即數據的基本結構、數據的約束條件、定義在數據上的操作。7第7頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五2.1.2數據模型對于模型，人們并不陌生。建筑模型

飛機模型計算機中的模型是對事物、對象、過程等客觀系統中感興趣的內容的模擬和抽象表達，是理解系統的思維工具數據模型(datamodel)也是一種模型，它是對現實世界數據特征的抽象。8第8頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五數據模型（續）數據庫管理系統是基于某種數據模型對數據進行組織的，因此，了解數據模型的基本概念是學習數據庫知識的基礎。在數據庫領域中，數據模型用于表達現實世界中的對象，即將現實世界中雜亂的信息用一種規范的、形象化的方式表達出來。*9第9頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五數據模型（續）數據模型即要面向現實世界，又要面向機器世界，因此需滿足三個要求:能夠真實地模擬現實世界;容易被人們理解;能夠方便地在計算機上實現。*10第10頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五數據模型（續）數據模型實際上是模型化數據和信息的工具。根據模型應用的不同目的，可以將模型分為兩大類：概念層數據模型（概念模型），從數據的語義視角來抽取模型，是按用戶的觀點來對數據和信息進行建模。組織層數據模型（組織模型）。從數據的組織層次來描述數據,即用什么樣的邏輯結構來描述數據。*11第11頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五現實世界

人腦的認識抽象

信息世界概念模型

機器世界DBMS支持的數據模型轉換從現實世界到機器世界的過程第12頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五2.2概念層數據模型基本概念概念層數據模型是指抽象現實系統中有應用價值的元素及其關聯關系。反映現實系統中有應用價值的信息結構，不依賴于數據的組織層數據模型。13第13頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五2.2概念層數據模型（續）概念層數據模型用于對信息世界的建模，是現實世界到信息世界的第一層抽象，是數據庫設計人員進行數據庫設計的工具，也是數據庫設計人員和業務領域的用戶之間進行交流的工具。面向用戶、面向現實世界的數據模型，與具體的DBMS無關。常用的概念層數據模型有實體-聯系（Entity-Relationship，E-R）模型、語義對象模型。第14頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五實體-聯系模型實體-聯系方法使用的工具稱為E-R圖，它所描述的現實世界的信息結構稱為企業模式（EnterpriseSchema），也把這種描述結果稱為E-R模型。在E-R模型中主要涉及三方面內容：實體屬性聯系第15頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五實體-聯系模型實體屬性聯系

第16頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五實體具有公共性質的可相互區分的現實世界對象的集合。可以是具體的事物，也可以是抽象的概念或聯系具體的事物：學生、課程、職工抽象的聯系：學生選課第17頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五實體的表示方式在E-R圖中用矩形框表示實體，把實體名寫在框內，比如學生實體可以表示為：學生第18頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五屬性實體所具有的特征或性質。身高年齡性別體重……第19頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五屬性的表示方式用圓角矩形或橢圓形表示，在圓角矩形或橢圓形框內寫上屬性的名字，并用連線將屬性框與它所描述的實體聯系起來。學生學號姓名年齡學生學號年齡性別姓名第20頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五聯系聯系是數據之間的關聯集合，是客觀存在的應用語義鏈。實體內部的聯系：一個實體內屬性之間的聯系。職工實體內部的職工號和此職工的部門經理號實體之間的聯系：不同實體之間的聯系。課程實體和學生實體之間存在選課聯系。第21頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五聯系的表示方式

實體之間的聯系用菱形框表示，框內寫上聯系名，并用連線與有關的實體相連。聯系名實體1實體2第22頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五聯系的種類一對一聯系(1:1)一對多聯系(1:n)多對多聯系(m:n)第23頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五一對一聯系(1:1)

如果實體A中的每個實例在實體B中至多有一個（也可以沒有）實例與之關聯，反之亦然，則稱實體A與實體B具有一對一聯系，記作：1:1。第24頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五一對一聯系的例子

部門和正經理（假設一個部門只有一個正經理，一個人只當一個部門的經理）、系和正系主任（假設一個系只有一個正主任，一個人只當一個系的主任）都是一對一聯系。管理經理部門11第25頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五一對多的聯系

如果實體A與實體B之間存在聯系，并且對于實體A中的一個實例，實體B中有多個實例與之對應；而對實體B中的任意一個實例，在實體A中都只有一個實例與之對應，則稱實體A到實體B的聯系是一對多的，記為1:n。一對多聯系(1:n)第26頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

有部門和職工兩個實體，并且有語義：一個部門可以有多名職工，但是一個職工只在一個部門工作。則部門和職工之間的聯系是一對多的，我們把這種聯系命名為工作。一對多聯系的例子工作部門職工1n第27頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五●一對多聯系(單個實體內的聯系)實例：職工實體內部具有領導與被領導的聯系

某一職工（干部）“領導”若干名職工

一個職工僅被另外一個職工直接領導

職工領導1n單個實體內部1:n聯系第28頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五多對多的聯系

如果實體A與實體B之間存在聯系，并且對于實體A中的一個實例，實體B中有多個實例與之對應；而對實體B中的一個實例，在實體A中也有多個實例與之對應，則稱實體A到實體B的聯系是多對多的，記為m:n。多對多聯系(m:n)第29頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五多對多聯系的例子

有學生和課程兩個實體，并且有語義：一個學生可以修多門課程，一門課程可以被多個學生修。那么學生和課程之間的聯系就是多對多的，我們把這種聯系命名為選課。學生課程選課mn第30頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五1:1聯系 1:n聯系 m:n聯系實體A聯系名實體B11

總結：實體的聯系的表示方法實體A聯系名實體B1n實體A聯系名實體Bmn第31頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五課堂思考與練習P26/5(2)(4)(6)試給出3個實際情況的E-R圖，要求實體型之間具有一對一、一對多、多對多各種不同的聯系。以班級為例？班長、班級、學生……以選課為例第32頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五1:1聯系 1:n聯系 m:n聯系班級班級-班長班長11示例班級組成學生1n課程選修學生mn第33頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五兩個以上實體之間的聯系實例：顧客購買商品：每個顧客可以從多個售貨員那里購買商品，并且可以購買多種商品；每個售貨員可以向多名顧客銷售商品，并且可以銷售多種商品；每種商品可由多個售貨員銷售，并且可以銷售給多名顧客。

mnp顧客商品售貨員銷售第34頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五兩個以上實體之間的聯系(續)實例

課程、教師與參考書三個實體一門課程可以有若干個教師講授，使用若干本參考書，每一個教師只講授一門課程，每一本參考書只供一門課程使用課程講授教師1m兩個以上實體間1:n聯系參考書n第35頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五課堂練習實例用E-R圖表示某個工廠物資管理的概念模型。給定：實體倉庫：倉庫號、面積、電話號碼零件：零件號、名稱、規格、單價、描述供應商：供應商號、姓名、地址、電話號碼、帳號項目：項目號、預算、開工日期職工：職工號、姓名、年齡、職稱第36頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五實體之間的聯系：

(1)一個倉庫可以存放多種零件，一種零件可以存放在多個倉庫中。

(2)一個倉庫有多個職工當倉庫保管員，一個職工只能在一個倉庫工作。

(3)職工之間具有領導-被領導關系。即倉庫主任領導若干保管員。(4)

一個供應商可以供給多個項目多種零件；每個項目可以使用多個供應商供應的零件；每種零件可由不同供應商供給。第37頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五分析：實體之間的聯系

(1)倉庫和零件：一個倉庫可以存放多種零件，一種零件可以存放在多個倉庫中。

倉庫和零件具有多對多的聯系。用庫存量來表示某種零件在某個倉庫中的數量。倉庫零件庫存庫存量mn第38頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五

(2)一個倉庫有多個職工當倉庫保管員，一個職工只能在一個倉庫工作，

倉庫和職工之間是一對多的聯系。職工實體型中具有一對多的聯系倉庫職工工作1n第39頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五(3)職工之間具有領導-被領導關系。即倉庫主任領導若干保管員。職工領導1n第40頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五(4)一個供應商可以供給多個項目多種零件；每個項目可以使用多個供應商供應的零件；每種零件可由不同供應商供給。供應商、項目和零件三者之間具有多對多的聯系供應商供應項目mp零件n第41頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五工作m供應量供應商號姓名地址電話號碼賬號倉庫號面積電話號碼職工號姓名年齡倉庫職工職稱供應供應商庫存領導庫存量m1n1n項目零件項目號預算開工日期零件號單價描述規格名稱nnp第42頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五2.3組織層數據模型*2.3.1層次數據模型*2.3.2網狀數據模型2.3.3關系數據模型第43頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五2.3.1層次數據模型

采用層次模型作為數據的組織方式。典型代表是IBM公司的IMS（InformationManagementSystem）數據庫管理系統，是IBM公司1968年推出的第一個大型的商用數據庫管理系統。層次模型用樹形結構表示實體和實體之間的聯系。構成層次模型的樹由結點和連線組成，結點表示實體，連線表示相連的兩個實體間的聯系，這種聯系是一對多的。通常把表示“一”的實體放在上方，稱為父結點；把表示“多”的實體放在下方，稱為子結點。

第44頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五層次模型的兩點限制（1）有且僅有一個結點無父結點，這個結點即為樹的根；（2）其他結點有且僅有一個父結點。

第45頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五層次模型的優缺點優點層次模型的數據結構比較簡單清晰查詢效率高，性能優于關系模型，不低于網狀模型層次數據模型提供了良好的完整性支持缺點多對多聯系表示不自然對插入和刪除操作的限制多，應用程序的編寫比較復雜查詢子女結點必須通過雙親結點由于結構嚴密，層次命令趨于程序化第46頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五2.3.2網狀數據模型

用圖形結構表示實體和實體之間的聯系的數據模型就稱為網狀數據模型。去掉了層次模型中的兩點限制。可以直接表示多對多的聯系。同樣使用父結點和子結點這樣的術語，并且同樣一般把父結點放置在子結點的上方。

典型代表是CODASYL系統，它是CODASYL組織的標準建議的具體實現。

第47頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五網狀數據模型的實際系統CullinetSoftwareInc.公司的IDMSUnivac公司的DMS1100Honeywell公司的IDS/2第48頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五網狀數據模型的數據結構網狀模型滿足下面兩個條件的基本層次聯系的集合：1.允許一個以上的結點無雙親；2.一個結點可以有多于一個的雙親。第49頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五網狀數據模型的優缺點優點能夠更為直接地描述現實世界，如一個結點可以有多個雙親；具有良好的性能，存取效率較高；缺點結構比較復雜，而且隨著應用環境的擴大，數據庫的結構就變得越來越復雜，不利于最終用戶掌握；DDL、DML語言復雜，用戶不容易使用。第50頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五2.3.3關系數據模型1970年美國IBM公司SanJose研究室的研究員E.F.Codd首次提出了數據庫系統的關系模型；把數據看成是二維表中的元素，而這個二維表就是關系；用關系（表格數據）表示實體和實體之間聯系的模型稱為關系數據模型第51頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五關系數據模型的數據結構在用戶觀點下，關系模型中數據的邏輯結構是一張二維表，它由行和列組成。學號姓名年齡性別系名年級2005004王小明19女社會學20052005006黃大鵬20男商品學20052005008張文斌18女法律2005………………學生登記表屬性元組第52頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五關系必須是規范化的，滿足一定的規范條件最基本的規范條件：關系的每一個分量必須是一個不可分的數據項,不允許表中還有表：

圖中工資和扣除是可分的數據項,不符合關系模型要求

職工號姓名職稱工資扣除實發基本津貼職務房租水電86051陳平講師13051200501601122283

一個工資表(表中有表)實例第53頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五關系數據模型的優缺點優點：建立在嚴格的數學概念的基礎上概念單一實體和各類聯系都用關系來表示對數據的檢索結果也是關系關系模型的存取路徑對用戶透明具有更高的數據獨立性，更好的安全保密性簡化了程序員的工作和數據庫開發建立的工作第54頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五關系數據模型的優缺點（續）缺點：存取路徑對用戶透明導致查詢效率往往不如非關系數據模型為提高性能，必須對用戶的查詢請求進行優化增加了開發DBMS的難度第55頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五2.4數據庫系統結構2.4.1模式的基本概念2.4.2三級模式結構2.4.3模式映象與數據獨立性第56頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五2.4.1模式的基本概念模式是數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述。它僅僅涉及“型”的描述，不涉及具體的值。關系模式是關系的“型”或元組的結構共性的描述，它對應的是關系表的表頭。模式的一個具體值稱為模式的一個實例。一個模式可以有多個實例。第57頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五模式實例數據模型：關系模型第58頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五2.4.2三級模式結構外模式2外模式n外模式1概念模式內模式…(單個用戶視圖)(公共用戶視圖)(存儲視圖)第59頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五廣義上講內模式：最接近物理存儲，包括數據存儲位置、存儲方式等。外模式：最接近用戶，是用戶所看到的數據視圖。模式：介于內模式和外模式之間的中間層，是數據的邏輯組織方式。第60頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五關系數據庫中的模式一定是關系的，在該層可見的實體是關系的表和關系的操作符。外模式也是關系的或接近關系的，它們的內容來自模式。內模式不是關系的，它是數據的物理存儲方式。第61頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五外模式也稱為用戶模式、子模式。

用戶對現實系統中感興趣整體的局部數據結構的描述。是DB整體數據結構的子集或局部重構。用外模式定義語言表達。是保證數據庫安全的一個措施。第62頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五示例1——子集學

號姓

名年

齡性

別所

在

系0611101李勇21男計算機系0611102劉晨20男計算機系0611103王敏20女計算機系0621101張立20男信息管理系0621102吳賓19女信息管理系學

號姓

名性

別0611101李勇男0611102劉晨男0611103王敏女0621101張立男0621102吳賓女學生模式外模式學

號06111010611102061110306211010621102姓

名李勇劉晨王敏張立吳賓性

別男男女男女第63頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五示例2——重構學生（學號，姓名，性別，年齡，所在系）課程（課程號，課程名，學分）選課（學號，課程號，成績）學生（姓名，課程名，成績）姓名課程名成績第64頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五示例3——安全性職工表（職工號，姓名，所在部門，基本工資，職務工資，獎勵工資）職工信息（職工號，姓名，所在部門，基本工資，職務工資）獎勵工資第65頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五模式也稱為邏輯模式，是數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述，是所有用戶的公共數據描述。是數據庫系統結構的中間層。用模式定義語言表達。例，對關系數據庫，定義：表頭結構、屬性取值范圍、…。第66頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五模式實際上是數據庫數據在邏輯級上的視圖。一個數據庫只有一種模式。不涉及存儲記錄對列、索引、指針或其他存儲的訪問細節。第67頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五內模式也稱為存儲模式。數據的內部存儲結構描述（數據的組織與存儲）。第68頁，共77頁，2023年，2月20日，星期五2.4.3模式映象與數據獨立性數據庫系統的三級模式是對數據的三