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第四章数据库系统结构第1页，本讲稿共39页4.1 数据和数据模型 4.1.1 数据 4.1.2 数据模型 第2页，本讲稿共39页4.1.1 数据数据是信息存在的一种形式，只有通过解释或处理才能成为有用的信息。第3页，本讲稿共39页4.1.2 数据模型l模型 是对事物、对象、过程等客观系统中感兴趣的内容的模拟和抽象表达，是理解系统的思维工具。l数据模型(Data Model)也是一种模型，它是对现实世界数据特征的抽象。数据模型一般应满足三个要求：第一要能够比较真实地模拟现实世界；第二要容易被人们理解；第三要能够很方便地在计算机上实现。第4页，本讲稿共39页4.1.2 数据模型根据模型应用的不同目的，可以将这些模型分为两大类，它们分别属于两个不同的层次。第一类是概念层模型 另一类是组织层数据模型 第5页，本讲稿共39页概念层模型从数据的应用语义视角来抽取模型并按用户的观点来对数据和信息进行建模。这类模型主要用在数据库的设计阶段它与具体的数据库管理系统无关。第6页，本讲稿共39页组织层数据模型指用什么样的结构来组织数据 与具体的数据库管理系统无有关。主要包括：l层次模型（用树型结构组织数据）l网状模型（用图型结构组织数据）l关系模型（用简单二维表结构组织数据）l对象关系模型（用复杂表格及其他结构组织数据）第7页，本讲稿共39页数据和数据模型 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，然后再将信息世界转换为机器世界。即：首先把现实世界中的客观对象抽象为某一种信息结构，然后再把概念级模型转换为计算机上的DBMS支持的数据模型，也就是组织层数据模型。现实世界人的认识抽象信息世界：概念模型机器世界：具体的DBMS支持的组织模型第8页，本讲稿共39页4.2 概念层数据模型4.4.1 基本概念4.4.2 实体-联系模型 第9页，本讲稿共39页4.4.1 基本概念l概念层模型实际上是现实世界到机器世界的一个中间层次。概念层次模型：抽象现实系统中有应用价值的元素及其关联关系，反映现实系统中有应用价值的信息结构，并且不依赖于数据的组织结构。n概念数据模型是面向用户、面向现实世界的数据模型，它与具体的DBMS无关。n常用的概念模型有实体-联系（Entity-Relationship，简称E-R）模型、语义对象模型。我们这里只介绍实体-联系模型。第10页，本讲稿共39页4.4.2 实体-联系模型 1.实体:实体是具有公共性质的可相互区别的现实世界对象的集合。实体可以是具体的，也可以是抽象的概念或联系。在E-R图中用矩形框表示具体的实体，把实体名写在框内。如图(a)：实体中的每个具体的记录值（一行数据），比如学生实体中的每个具体的学生，我们称之为实体的一个实例。第11页，本讲稿共39页4.属性属性：属性就是描述实体或者联系的性质或特征的数据项，属于一个实体的所有实体实例都具有共同的性质，在E-R模型中，这些性质或特征就是属性。属性在E-R图中用圆角矩形表示，在矩形框内写上属性的名字，并用连线将属性矩形框与它所描述的实体联系起来。如下页图所示。第12页，本讲稿共39页3.联系l3.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之间的联系。l联系是数据之间的关联集合，是客观存在的应用语义链。联系用菱形框表示，框内写上联系名，并用连线将联系框与它所关联的实体连接起来。第13页，本讲稿共39页实体型之间的联系分为三类 一对一联系：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。例如，部门和经理（假设一个部门只有一个经理）、系 和正系主任（假设一个系只有一个正主任）都是一对一联系。如图（a）所示。经理管理部门图(a)11第14页，本讲稿共39页实体型之间的联系分为三类（续）一对多联系：如果实体A中的每个实例在实体B中有n个实例（n0）与之联系，而实体B中每个实例在实体A中只有一个实例与之联系，则称实体A与实体B是一对多联系，记作：1:n。例，假设一个部门有若干职工，而一个职工只在一个部门工作，则部门和职工之间就是一对多联系。如图（b）所示。职工工作部门图(b)1n第15页，本讲稿共39页实体型之间的联系分为三类（续）多对多联系：如果对于实体A中的每个实例，实体B中有n个实例（n0）与之联系，而实体B中的每个实例，在实体A中也有m个实例（m0）与之联系，则称实体A与实体B的联系是多对多的，记为m:n。例如学生和课程，一个学生可以选修多门课程，一门课程也可以被多个学生选修，因此学生和课程之间是多对多的联系。如图（c）所示。n学生选课图(c)m学号姓名性别成绩课程课程号课程名学分第16页，本讲稿共39页E-R图不仅能描述两个实体之间的联系，而且还能描述两个以上实体之间的联系。比如有顾客、商品、售货员三个实体，并且有语义：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。描述顾客、商品和售货员之间的关联关系的E-R图如下图所示，这里联系被命名为“销售”。售货员销售商品pm顾客n实体型之间的联系分为三类（续）第17页，本讲稿共39页4.3 组织层数据模型 4.3.1 关系模型的数据结构 4.3.2 关系模型的数据操作 4.3.3 关系模型的数据完整性约束 第18页，本讲稿共39页4.3.1 关系模型的数据结构 组织层数据模型是从数据的组织方式的角度来描述信息，目前，在数据库领域中最常用的组织层数据模型有四种，它们是：层次模型、网状模型、关系模型和面向对象模型。组织层数据模型是按存储数据的逻辑结构来命名的。l 关系模型的数据结构 关系数据模型源于数学，它用二维表来组织数据，而这个二维表在关系数据库中就称为关系。关系数据库就是表或者说是关系的集合。关系系统要求只让用户所感觉的数据库就是一张张表。在关系系统中，表是逻辑结构而不是物理结构。第19页，本讲稿共39页一些关系模型中的基本术语：1关系关系就是二维表，它满足如下两个条件：关系表中的每一列都是不可再分的基本属性。表中各属性不能重名。表中的行、列次序并不重要。即交换列的前后顺序不影响其表达的语义。4.元组 表中的每一行数据称作是一个元组，它相当于一个记录值。3属性 表中的每一列是一个属性值集，列可以命名，称为属性名。4主码 主码（Primary key）也译为主键或主关键字，是表中的属性或属性组，用于惟一地确定一个元组。5域 属性的取值范围就称为域。例如，大学生的年龄一般在1440岁之间，因此学生的属性“年龄”的域就是（1440）第20页，本讲稿共39页4.3.2 关系模型的数据操作 关系模型的操作对象是集合，而不是行，也就是操作的数据以及操作的结果都是完整的表（是包含行集的表，而不只是单行）。而非关系型数据库系统中典型的操作是一次一行或一次一个记录。因此，集合处理能力是关系系统区别于其他系统的一个重要特征。关系数据模型的数据操作主要包括四种：查询、插入、删除和修改数据。关系数据库中的信息内容只有一种表示方式，那就是表中的行列位置有明确的值。但在非关系系统中，这些信息一般由指针来表示。第21页，本讲稿共39页4.3.3 关系模型的数据完整性约束 数据完整性是指数据库中存储的数据是有意义的或正确的。数据完整性约束主要包括三大类：l实体完整性l参照完整性l用户定义的完整性。第22页，本讲稿共39页实体完整性指的是关系数据库中的所有的表都必须有主码，而且表中不允许存在如下的记录无主码值的记录主码值相同的记录。关系模型中使用主码作为记录的惟一标识，主码所包含的属性称为关系的主属性，其他的非主码属性称为非主属性。在关系数据库中主属性不能取空值。关系数据库中的空值是特殊的标量常数，它代表未定义的（不适用的）或者有意义但目前还处于未知状态的值。第23页，本讲稿共39页参照完整性参照完整性有时也称为引用完整性。参照完整性是描述实体之间的联系的。参照完整性一般是指多个实体或表之间的关联关系。限制一个表中某列的取值受另一个表的某列的取值范围约束的特点就称为参照完整性。在关系数据库中用外码（Foreign key，有时也称为外部关键字或外键）来实现参照完整性。外码一般在联系实体中，用于表示两个或多个实体之间的关联关系。例1：学生实体和专业实体可以用下面的关系表示。学生（学号，姓名，性别，专业号，出生日期）专业（专业号，专业名）例4.学生、课程以及学生与课程之间的选课关系可以用如下三个关系表示：学生（学号，姓名，性别，专业号，出生日期）课程（课程号，课程名，学分）选课（学号，课程号，成绩）第24页，本讲稿共39页3.用户定义的完整性 用户定义的完整性也称为域完整性或语义完整性。用户定义的完整性就是针对某一具体应用领域定义的数据库约束条件。它反映某一具体应用所涉及的数据必须满足应用语义的要求。用户定义的完整性实际上就是指明关系中属性的取值范围，也就是属性的域，即限制关系中的属性的取值类型及取值范围，防止属性的值与应用语义矛盾。例如，学生的考试成绩的取值范围为0100，或取优、良、中、及格、不及格。第25页，本讲稿共39页4.4 数据库系统的结构4.4.1 三级模式结构 4.4.2 二级映象功能 4.4.3 数据库管理系统 第26页，本讲稿共39页4.4.1 三级模式结构l数据模型（组织模型）是描述数据的一种形式，模式是用给定的数据模型对具体数据的描述。模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它仅仅涉及到型的描述，不涉及到具体的值。关系模式是关系的“型”或元组的结构共性的描述。关系模式实际上对应的是关系表的表头，如图2-5所示 关系模式一般表示为：关系名（属性1，属性2，属性n）属性名1属性名2属性名n 表头（关系模式）图25 元组第27页，本讲稿共39页三级模式结构（续）l模式的一个具体值称为模式的一个实例，一个模式可以有多个实例。模式是相对稳定的（结构不会经常变动），而实例是相对变动的（具体的数据值可以经常变化）。数据模式描述一类事物的结构、属性、类型和约束，实质上是用数据模型对一类事物进行模拟，而实例是反映某类事物在某一时刻的当前状态。ANSISPARC体系结构将数据库划分为三层结构：即内模式、概念模式和外模式。外模式1外模式2外模式n概念模式内模式单个用户视图公共视图存储视图数据库系统的三级模式结构（26）第28页，本讲稿共39页三级模式结构（续）广义地讲：内模式：是最接近物理存储的，也就是数据的物理存储方式外模式：是最接近用户的，也就是用户所看到的数据视图 概念模式：是介于内模式和外模式之间的中接层次 外模式是单个用户的数据视图，而概念模式是一个部门或公司的整体数据视图。换句话说，外模式可以有许多，每一个都或多或少地抽象表示整个数据库的某一部分；而概念模式只有一个，它包含对现实世界数据库的抽象表示。大多数用户只对整个数据库的某一部分感兴趣。内模式也只有一个，它表示数据库的物理存储。第29页，本讲稿共39页1外模式 l外模式也称为用户模式或子模式，它是对现实系统中用户感兴趣的整体数据结构的局部描述，用于满足不同数据库用户需求的数据视图，是数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是对数据库整体数据结构的子集或局部重构 外模式通常是模式的子集。一个数据库可以有多个外模式。由于它是各个用户的数据视图，如果不同的用户在应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求等方面存在差异，则其外模式描述就是不相同的。即使对模式中同样的数据，在外模式中的结构、类型、长度等都可以不同。外模式是保证数据库安全的一个措施。每个用户只能看到和访问其所对应的外模式中的数据，并将其不需要的数据屏蔽起来，因此保证不会出现由于用户的误操作和有意破坏而造成数据损失。第30页，本讲稿共39页4.概念模式 l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视图。它是数据库系统结构的中间层，既不涉及数据的物理存储细节和硬件环境，也与具体的应用程序、与所使用的应用开发工具和环境无关。概念视图是概念模式定义的。概念模式实际上是数据库数据在逻辑级上的视图。一个数据库只有一种模式。数据库模式以某种数据模型为基础，统一综合地考虑了所有用户的需求，并将这些需求有机地结合成一个逻辑整体。定义数据库模式时不仅要定义数据的逻辑结构，比如，数据记录由哪些数据项组成，数据库项的名字、类型、取值范围等，而且还要定义数据之间的联系，定义与数据有关的安全性、完整性要求。第31页，本讲稿共39页3内模式 内模式也称为存储模式。内模式是对整个数据库的底层表示，它描述了数据的存储结构，比如数据的组织与存储。注意内模式与物理层是不一样的，内模式不涉及物理记录的形式（即物理块或页，输出输出单位），也不考虑具体设备的柱面或磁道大小。内模式用另一种数据定义语言内部数据定义语言来描述。第32页，本讲稿共39页4.4.2 二级映象功能 l除了三级模式结构之外，在数据库体系结构中还有一定的映象关系，即概念模式和内模式间的映象以及外模式和概念模式间的映象。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 1.概念模式内模式映象 概念模式内模式映象定义了概念视图和存储的数据库的对应关系，它说明了概念层的记录和字段在内部层次怎样表示。如果数据库的存储结构改变了，也就是，如果改变了存储结构的定义，那么概念模式内模式的映象必须进行相应的改变，以使概念模式能够保持不变。（当然，对这些变动的管理是系统管理员的责任）。换句话说，概念模式内模式映象保证了数据的物理独立性，由内模式变化带来的影响必须与概念模式隔离开来。第33页，本讲稿共39页4.4.2 二级映象功能4.外模式概念模式映象 外模式概念模式映象定义了特定的外部视图和概念视图之间的对应关系。一般地说，这两层之间的差异情况与概念视图与存储模式之间的差异情况是类似的。例如，概念模式的结构可以改变，但概念结构的这些改变可以不影响外模式。外模式的内容可以包含在多个概念模式中，而且外模式的一个字段可以由几个概念模式的字段合并而成，等等。很明显，概念模式内模式的映象是数据物理独立性的关键，外模式概念模式的映象是数据逻辑独立性的关键。第34页，本讲稿共39页4.4.3 数据库管理系统 数据库管理系统（DBMS）是处理数据库访问的系统软件，从概念上讲，它包括以下处理过程（参见图2-8）用户使用数据库语言（比如SQL）发出一个访问请求 DBMS接受请求并分析 然后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 通常在检索数据时，从概念上讲，DBMS首先检索所有要求的存储记录的值，然后构造所要求的概念记录值，最后再构造所要求的外部记录值。每个阶段都可能需要数据类型或其他方面的转换，下面较详细地解释一下DBMS的功能。第35页，本讲稿共39页 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优化处理器运行管理器源模式目标模式和映象源数据数据数据字典增强安全性与完整性约束图28DBMS功能和组成第36页，本讲稿共39页DBMS支持的功能 1数据定义 DBMS必须能够接受数据库定义的源形式，并把它们转换成相应的目标形式。4.数据操纵 DBMS必须能够检索、更新或删除数据库中已有的数据，或向数据库中插入数据。3.优化和执行 计划（在请求执行前就可以预见到的请求）的或非计划（不可预知的请求）的数据操纵语言请求必须经过优化器的处理，优化器是用来决定执行请求的最佳方式。4.数据安全和完整性 DBMS要监控用户的请求，拒绝那些有破坏DBA定义的数据库安全性和完整性的请求。第37页，本讲稿共39页DBMS支持的功能（续）5.数据恢复和并发 DBMS必须保证有恢复和并发控制功能。6数据字典 DBMS包括数据字典。数据字典本身也可以看作是一个数据库，只不过它是系统数据库，而不是用户数据库。“字典”是“数据的数据”（有时也称为数据的描述或元数据）。特别地，在数据字典中，也保存各种模式和映象的各种安全性和完整性约束。有些人也把数据字典称为目录或分类，有时甚至称为数据存储池。7性能 DBMS应尽可能高效地完成上述任务。第38页，本讲稿共39页小结 本章首先介绍了数据库中数据模型的概念。数据模型根据其应用的对象划分为两个层次：概念层数据模型和组织层数据模型。概念模型是对现实世界信息的第一次抽象，它与具体的数据库管理系统无关。组织层数据模型是对现实世界信息的第二次抽象，它与具体的数据库管理系统有关。最后我们从体系结构角度分析了数据库系统，本部分介绍了三个模式和两个映象。三个模式分别为：内模式、概念模式和外模式。内模式最接近物理存储，它考虑数据的物理存储；外模式最接近用户，它主要考虑单个用户看待数据的方式；概念模式介于内模式和外模式之间，它提供数据的公共视图。两个映象分别是概念模式与内模式间的映象和外模式与概念模式间的映象，这两个映象是提供数据的逻辑独立性和物理独立性的关键。第39页，本讲稿共39页