《数据库系统结构》PPT课件.ppt

,Beyond Technology,数据库原理,东软信息学院计算机系信息化课程,第 4 章 数据库系统结构,东北大学东软信息学院计算机系,目 录,4.1 数据模型 4.2 概念数据模型 4.3 组织数据模型 4.4 关系模型 4.5 数据库系统系统结构 4.6 DBMS的功能和特征,4.1 数据模型,4.1.1 数据模型的概念 4.1.2 数据模型三要素,4.1.1 数据模型的概念,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。 数据模型（Data Module）是对现实世界中数据特征的抽象和表示 。,数据和数据模型,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,数据模型,常用数据模型分为概念数据模型和组织数据模型。 概念数据模型：也称概念模型或信息模型，是按用户的观点对数据和信息进行建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象，强调其语义表达功能，易于用户理解，是用户和数据库设计人员交流的语言，主要用于数据库设计。 组织数据模型：它是按计算机系统的观点对数据进行建模，是现实世界数据特征的抽象，用于实现具体的DBMS。组织数据模型有层次模型、网状模型、关系模型和面向对象模型。,4.1.2 数据模型三要素,（1）数据结构：是所研究的对象类型的集合，是对系统静态特性的描述； （2）数据操作：对数据库中各种对象（型）的实例（值）允许执行的操作及操作规则的集合。这些操作可以是检索、插入、删除和修改，操作规则有优先级别等。数据操作是对系统动态特征的描述。 （3）数据的约束条件：是一组完整性规则的集合。也就是说，具体的应用数据必须遵循特定的语义约束条件，以保证数据的正确、有效和相容。,4.2 概念层模型,概念模型用于信息世界的建模，实现了由现实世界到信息世界的第一层抽象。 是面向用户面向现实世界的数据模型，与具体的DBMS无关。 是在数据库设计阶段设计人员使用的有力工具，也是数据库设计人员和用户之间进行交流的语言。 概念模型应该具有较强的语义表达能力，能够方便、直接的表达应用中的各种语义知识，还应该简单、清晰、易于用户理解。 最常用的是P.P.S.Chen于1976年提出的实体-联系方法（Entity-Relationship Approach）,4.2.1 E-R模型,实体：是现实世界中可以区别于其他对象的“事件”或“物体”。在E-R图中，用矩形表示实体，矩形框内标明实体名称。 属性：一个实体集内的所有实体都具有的共同性质我们称之为属性，在E-R图中，用椭圆形表示属性，在椭圆内标明属性名称，并将属性与其对应的实体用无向边进行连接。 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。在E-R图中，联系用菱形框表示，在菱形框内标明联系名称，并用无向边将联系框与它所关联的实体连接起来。,两个不同实体之间的联系,一对一联系：指实体集E1中的一个实体最多只与实体集E2中的一个实体相联系。记为1:1 例如：电影院的座位和观众实体之间的联系 一对多联系：表示实体集E1中的一个实体可与实体集E2中的多个实体相联系。记为1:n。 例如：部门和职工两个实体集 之间的联系 多对多联系：表示实体集E1中的多个实体可与实体集E2中的多个实体相联系。记为m:n。 例如：工程项目和职工两个实体集之间的联系,两个以上不同实体集之间的联系,两个以上不同实体集之间存在1:1:1、1:1:n、1:m:n和r:m:n的联系。 例：供应商、项目和零件之间是多对多（r:n:m）的联系。 例：病房、病人和医生之间是一对多（1:n:m）的联系。,同一实体集内的二元关系,同一实体集内的各实体之间也存在1:1、1:n和m:n的联系 。 例：职工实体集中的领导与被领导的联系 。,4.3 组织数据模型,4.3.1层次模型 （Hierarchical Model） 4.3.2网状模型 （Network Model） 4.3.3面向对象模型（Object Oriented Model ）,4.4关系模型,关系模型（Relation Model）是目前应用最广泛的一种数据模型。关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式。 从数据模型的三要素角度来介绍关系数据模型的特点。,4.4.1关系模型的数据结构,关系（Relation）：一个关系R对应一张二维表格，对应于概念模型中实体集的概念，要求： （1）关系的每一列必须是不可再分的项； （2）表中的各属性列不能同名； （3）表中的行、列无先后次序，即可以交换行、列的前后次序。 （4）表中的任意两行不能完全相同。,关系模型的数据结构,元组（Tuple）：表中的一行数据称为一个元组，即一条记录，对应于概念模型中实体的概 属性（Attribute）：表中的一列即为一个属性，也称为记录的一个字段，列名即属性名，或称字段名。属性对应于概念模型中的实体属性。 主码（Key）：也称主键或主关键字，是表中能够唯一的确定一个元组的属性或属性组。 候选码：可以唯一的确定一个元组的最小属性组都是表的候选码，简称码。 域（Domain）：属性的取值范围。,4.4.2 关系模型的数据操作,关系模型是建立在严格的数学概念基础上的，其理论基础是关系代数。 关系模型的数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干个元组的集合，一个完整的表（可以是空表或包含记录集的表），而不是表中的行。 集合处理能力是关系系统区别于其它系统的一个重要特征。 关系数据模型的数据操作主要包括查询、插入、删除和修改数据。,4.4.3 关系模型的数据完整性约束,数据的完整性是指数据的正确性和相容性，即数据库中存储的数据是正确的且有意义的。 关系模型的数据完整性约束是关系DBMS提供的一种机制，用来检查数据库中的数据是否满足语义而规定的一系列条件和规则。 加在数据库数据之上的语义约束条件称为数据完整性约束条件。,关系模型的数据完整性约束,1实体完整性 实体完整性是指关系数据库中的所有表必须有主码，且主码的值不能为“空值”，一张表中任意两个元组的主码值不能相同。实体完整性是关系模型必须满足的完整性约束条件。 关系模型中用主码作为记录的唯一标识，主码所包含的属性称为关系的主属性，其它的属性称为非主属性。,关系模型的数据完整性约束,2参照完整性 参照完整性又称引用完整性，是指一个关系中的某列的取值必须参照另一个关系中的主码的取值范围的特性。 外码是一个关系（称为参照关系）中的属性或属性组，它参照其它关系（称为被参照关系或目标关系）中的主码。,关系模型的数据完整性约束,【例3.1】学生实体和系别实体的关系以如下的关系模式表示，其中主码用下划线标识。 学生（学号，姓名，性别，出生日期，系号） 系别（系号，系名） 这两个关系中显然存在着参照关系，学生关系中的“系号”要参照系别关系中的“系号”。因为，学生关系中的系号必须是确实存在的系别中的系号，否则该学生的信息是没有意义的，这即是说，学生关系中的“系号”参照了系别关系中的“系号”，换句话说，即学生关系中的“系号”是外码，它引用了系别关系中的主码“系号”。,关系模型的数据完整性约束,3域完整性 域完整性是指属性被有效性约束，保证指定字段具有正确的数据类型、格式和有效的数据范围。例如，性别字段为字符数据类型，其值只能取男或女；身高为数值类型，取值范围为0.52.4m之间；大学生的年龄为整型，取值范围在1438岁之间等。 4用户定义完整性 用户自定义完整性则是根据应用环境的要求和实际的需要，对某一具体应用所涉及的数据提出的约束性条件。这一约束机制一般不应由应用程序提供，而应由关系模型提供定义并检验。如用户定义完整性可以定义列之间的有效性约束。,4.5 数据库系统体系结构,从数据库管理系统的角度看，数据库系统体系结构一般采用三级模式结构，这是数据库管理系统内部的体系结构。 站在最终用户的角度看，数据库系统体系结构分为 集中式结构（又可分单用户结构和主从式结构） 分布式结构 客户/服务器(C/S)结构 浏览器/服务器(B/S)结构 这是数据库系统外部的体系结构。,模式（Schema）是指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，而不涉及到具体的值。 一个数据库只有一个模式。,4.5.1 数据库系统的三级模式结构,三级模式和两级映像,三级模式,1概念模式 概念模式也称模式，是数据库中全部数据的逻辑结构和特征的描述。它由若干个概念记录类型组成，只涉及到行的描述，不涉及具体的值。 概念模式的一个具体值称为模式的一个实例，同一个模式可以有很多实例。 对于一个数据库，只有一个概念模式。,三级模式,2外模式 外模式也称用户模式或子模式。是用户与数据库系统的接口，是用户用到的那部分数据的描述。它是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的重构。 外模式是概念模式的子集，一个数据库可以有若干个外模式。,三级模式,3内模式 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。定义所有的内部记录类型、索引和文件的组织方式，以及数据控制方面的细节。,两级映像,模式/内模式的映像：该映像存在于概念模式和内模式之间，实现了概念模式到内模式之间的相互转换。 外模式/模式的映像：该映像存在于外模式和概念模式之间，实现了外模式到概念模式之间的相互转换。,数据的独立性,数据的独立性包括数据的物理独立性和数据的逻辑独立性。 数据的物理独立性是指当数据库的内模式发生改变时，数据的逻辑结构不变。概念模式/内模式映像保证了数据的物理独立性，将由内模式变化所带来的影响与概念模式隔离开来。 数据的逻辑独立性是指用户的应用程序与数据库的逻辑结构是相互独立的。外模式/概念模式映像保证了数据的逻辑独立性，将由概念模式变化所带来的影响与外模式隔离开来。,4.5.2 数据库系统的应用结构,1单用户结构 2主从式结构 3分布式数据库系统 4客户/服务器数据库体系结构 5浏览器/服务器数据库系统体系结构,4.6 DBMS的功能和特征,数据库管理系统（DBMS）是处理数据库访问的系统软件。,4.6.1 DBMS的功能,1数据定义 2数据库操作 3数据库运行管