数据库系统概论第三四

.,1,.外模式(externalschema)：又称用户模式，是用户与数据库系统的接口，是站在用户的角度对部分数据库中数据的外部逻辑值进行描述。如用DML中的GET操作读一个外部记录值。,外模式是保证数据库安全的重要措施，每个用户只能看到和访问所对应的外模式中的数据，而数据库中的其他数据均不可见。,外模式是概念模式的子集(逻辑的)。一个数据库通常有多个外模式。当不同用户在应用需求、保密级别等方面存在差异时，其外模式描述就会有所不同。一个应用程序只能使用一个外模式，但同一外模式可为多个应用程序所使用。,第三节、数据库系统的体系结构,一、数据库系统的三级模式结构：,.,2,第三节、数据库系统的体系结构,一、数据库系统的三级模式结构：,.(概念)模式(Schema)：,描述数据库中全部数据的逻辑结构和特征，要定义记录、数据完整性约束等，简称为模式，,包含概念模式(conceptualschema)和逻辑模式(logicalschema)，是所有数据库用户的公共数据视图。,它不涉及存储结构、访问技术等细节，这样外模式才能做到数据独立性。,.,3,如Student关系：Student(StudentNo，StudentName，Age，Dept)。分别代表学号(整型)，姓名(字符型)，年龄(整形)，系别(字符型)。,一个数据库只有一个模式。其中概念模式可用实体联系模型来描述，逻辑模式以某种数据模型(比如关系模型)为基础，综合考虑所有用户的需求，并将其形成全局逻辑结构。,模式不仅要描述数据的逻辑结构，比如数据记录的组成，各数据项的名称、类型、取值范围，而且还要描述数据间的联系、数据的完整性以及安全性要求。,第三节、数据库系统的体系结构,一、数据库系统的三级模式结构：,.(概念)模式(Schema)：,.,4,.内模式(internalschema)：,又称存储模式，是数据物理存储方面的描述，是数据在数据库内部,包括所有的内部记录类型、索引、文件的组织方式以及数据控制等。,比内模式更接近物理存储的是操作系统，如从磁盘上读数据等。,一个数据库只有一个内模式。,第三节、数据库系统的体系结构,一、数据库系统的三级模式结构：,的表示方式。,但内模式不涉及物理记录，也不涉及硬件设备，比如，对硬盘的读写,操作是由操作系统(其中的文件系统)来完成。,.,5,第三节、数据库系统的体系结构,一、数据库系统的三级模式结构：,注意：,在三层模式结构中，数据库模式是数据库的核心与关键，,数据按外模式的描述提供给用户，通常是模式的子集。,按内模式的描述存储在磁盘上，依赖于全局逻辑结构，,模式介于外、内模式之间，既不涉及外部的访问，也,不涉及内部存储，起到隔离作用，以保持数据的独立性。,独立于具体的存储设备。,.,6,第三节、数据库系统的体系结构,一、数据库系统的三级模式结构：,作为概念模式来约束其他两级，使得这两级中任何一级改变都不受另一级的牵制。,注意：,数据按外模式的描述提供给用户，,按内模式的描述提供给磁盘存储，,.,7,第三节、数据库系统的体系结构,一、数据库系统的三级模式结构：,（1）保证数据的独立性。将模式和内模式分开，保证了数据的物理独立性；将外模式和模式分开，保证了数据的逻辑独立性。（2）简化了用户接口。按照外模式编写应用程序或敲入命令，而不需了解数据库内部的存储结构，方便用户使用系统。（3）有利于数据共享。在不同的外模式下可有多个用户共享系统中数据，减少了数据冗余。（4）利于数据的安全保密。在外模式下根据要求进行操作，不能对限定的数据操作，保证了其他数据的安全。,三级模式结构的优点：,.,8,第三节、数据库系统的体系结构,二、数据库系统的两级映像(mapping)功能：,外模式/模式映像：,模式/内模式映像：,所谓映像就是一种对应规则，说明映像的双方如何进行转换。,存在于外模式和模式之间，用于保持外模式和模式之间的对应。当数据库的模式发生改变时，只需要对外模式/模式映象进行修改，而使外模式保持不变，使得数据库具有逻辑数据独立性。该映象由数据库管理系统DBMS实现。,存在于模式和内模式之间，用于保持模式与内模式之间的对应。当数据库的内模式发生改变时，只需要对模式/内模式映象进行修改，而使概念模式保持不变，使得数据库具有物理数据独立性。该映象同样是由数据库管理系统DBMS实现。,.,9,1.概念模式/内模式映像：,位于概念级、内部级之间，来定义概念模式与内模式数据的对应性。,它们各自的数据结构可能不一致，即字段、记录类型可能不一样。,一旦内模式作了修改，为保证概念模式不变，对概念模式/内模式映像也做相应修改，对外模式和用户程序影响很小，这样就达到了物理数据独立性。,第三节、数据库系统的体系结构,二、数据库系统的两级映像(mapping)功能：,.,10,有了模式/内模式映像，当内模式改变时，比如存储设备或存储方式有所改变，只要对模式/内模式映像做相应的改变，使模式保持不变，则应用程序不受影响，从而保证了数据与程序之间的物理独立性，即数据的物理独立性。,通过模式与内模式之间的映像把描述全局逻辑结构的模式与描述物理结构的内模式联系起来。由于数据库只有一个模式，也只有一个内模式，因此，模式/内模式映像也只有一个，通常放在内模式中描述。,1.概念模式/内模式映像：,第三节、数据库系统的体系结构,二、数据库系统的两级映像(mapping)功能：,.,11,位于外部级和概念级之间，来定义外模式和概念模式间数据的对应性，可能是多对一的关系。一旦概念模式做了修改，为保证外模式不变，对外模式/概念模式也做相应修改，对用户程序影响很小，这样就达到了数据的逻辑独立性。,通过该映像把描述局部逻辑结构的外模式与描述全局逻辑结构的模式联系起来。,2.外模式/概念模式映像：,第三节、数据库系统的体系结构,二、数据库系统的两级映像(mapping)功能：,.,12,注意：由于有两层映像，在内模式发生变化，甚至模式发生变化时，都可以使外模式在最大限度上保持不变。由于应用程序是在外模式所描述的数据结构的基础上编写的，外模式的稳定性就保证了应用程序的稳定性。而这正是数据库结构采用三层模式、两层映像为系统提供了高度的数据独立性所得到的结果。,有了外模式/模式映像，当模式改变时，比如增加新的属性、修改属性的类型，只要对外模式/模式映像做相应的改变，使外模式保持不变，则以外模式为依据的应用程序就不受影响，从而保证了数据与程序间的逻辑独立性，即数据的逻辑独立性。,由于一个模式与多个外模式对应，因此，对于每个外模式都有一个外模式/模式映像用于描述该外模式与模式之间的对应关系。,2.外模式/概念模式映像：,第三节、数据库系统的体系结构,二、数据库系统的两级映像(mapping)功能：,.,13,数据模式与数据库的区别类似于C中类与对象的区别。数据库是数据模式的一个实例。模式是相对稳定的，而库的内容是经常变化的。,概念模式/内模式一般放在内模式中描述；外模式/概念模式一般放在外模式中描述。,第三节、数据库系统的体系结构,注意：,.,14,.,15,是所研究对象类型的集合，包含数据类型、性质、数据间的联系以及逻辑上如何组织。,对各种对象的实例所执行操作的集合，包含增、删、改、查等以及操作的规则、实现语言等。,即定义数据约束条件，以保证其正确、有效、相容。,DM组成,第四节、数据模型,一.数据模型(DataModel)的概念,数据结构：,操作集合：,完整性约束规则：,1.数据模型的组成要素,是现实世界的特征的模拟和抽象。,.,16,第四节、数据模型,一.数据模型(DataModel)的概念,DM分类,ER模型、EER模型、OO模型等，强调语义表达，概念清晰；,层次、网状、关系模型，有严格的形式化定义，是面向数据库的逻辑结构的。,概念数据模型：,基本数据类型：,1.数据模型的组成要素,它是按用户的观点对数据和信息进行建模，主要用于数据库设计；,它是现实世界数据特征的抽象，它是按计算机系统的观点对数据建模，主要用于DBMS的实现。,.,17,2.数据之间的联系,第四节、数据模型,一.数据模型(DataModel)的概念,数据处理的抽象和转换过程,不依赖于具体的计算机系统，是计算机内部数据的抽象表示,计算机上某一DBMS支持的数据模型,.,18,3.信息世界(概念模型)中的基本概念,第四节、数据模型,一.数据模型(DataModel)的概念,.实体(Entity)：客观存在且相互区别的事物。,.属性(Attribute)：每个实体具有的特性。一个实体可有若干个属性，如学生的姓名、年龄和性别等。,.码(Key)：唯一能标识实体的属性，如学生的姓名(无重名)。,.实体集(EntitySet)：具有相同属性的实体的集合。,实体可以是可触及的对象，如一个学生，一本书；也可以是抽象的事件，如一堂课，一次比赛等。,属性有型和“值”之分,.域（Domain）：属性值的取值范围称为该属性的域。,如姓名的域为字符串集合，年龄的域为小于40的整数，性别的域为（男，女）。,.,19,.联系(Relationship)：,3.信息世界(概念模型)中的基本概念,第四节、数据模型,一.数据模型(DataModel)的概念,在现实世界中，事物内部以及事物之间是有联系的。,这些联系反映到信息世界中来，被抽象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。,.,20,两个实体型之间的联系分为一对一、一对多和多对多等三种联系。,3.信息世界(概念模型)中的基本概念,第四节、数据模型,一.数据模型(DataModel)的概念,（1）一对一联系（1:1）实体集A中的一个实体至多与实体集B中的一个实体相对应，反之亦然，则称实体集A与实体集B为一对一的联系。记作1:1。如：班级与班长，观众与座位，病人与床位。,（2）一对多联系（1:n）实体集A中的一个实体与实体集B中的多个实体相对应，反之，实体集B中的一个实体至多与实体集A中的一个实体相对应。记作1:n。如：班级与学生、公司与职员、省与市。,（3）多对多（m:n）实体集A中的一个实体与实体集B中的多个实体相对应，反之，实体集B中的一个实体与实体集A中的多个实体相对应。记作（m:n）。如：教师与学生,学生与课程，工厂与产品。,.,21,不同实体集实体之间的联系,实际上，一对一联系是一对多联系的特例，而一对多联系又是多对多联系的特例。可以用图形来表示两个实体型之间的这三类联系，如图所示。,两个实体型之间的联系分为一对一、一对多和多对多等三种联系。,3.信息世界(概念模型)中的基本概念,第四节、数据模型,一.数据模型(DataModel)的概念,.,22,3.信息世界(概念模型)中的基本概念,第四节、数据模型,一.数据模型(DataModel)的概念,信息世界(概念模型)的表示方法：,ER模型,实体联系模型(EntityRelationshipModel),从现实世界中抽象出实体类型及其联系，用实体联系图即ER图表示数据模型。,2)属性：用椭圆表示，并用无向线段与相应的实体(联系)连接。双椭圆表示实体的码(主属性)。,5)在联系的两个无向线段旁标明联系的类型。,4)用无向线段将实体与其属性、实体的联系与联系的属性以及实体与实体间的联系连接起来。,3)联系：用菱形表示，菱形框内写明联系名。,概念模型的表示方法（E-R图）包括以下要素：,1)实体型：用矩形表示，矩形内写实体名。,.,23,工厂库存管理的E-R模型,.,24,注意：E-R模型(概念模型)离现实世界较近，但缺乏详细的数据结构，实际上，总是先设计出E-R模型，再将其转换为与DBMS关联的数据模型。,3.信息世界(概念模型)中的基本概念,第四节、数据模型,一.数据模型(DataModel)的概念,.,25,4.计算机世界(概念模型)中的基本概念,第四节、数据模型,一.数据模型(DataModel)的概念,信息世界中的实体抽象为计算机世界中的数据，存储在计算机中。,在计算机世界中，常用的主要概念如下,.字段（Field）,.记录（Record）,.文件（File）,对应于属性的数据称为字段，也称为数据项。字段的命名往往和属性名相同。,对应于每个实体的数据称为记录。,对应于实体集的数据称为文件。,如学生有学号、姓名、年龄、性别、系等字段,如一个学生（990001，张立，20，男，计算机）为一个记录,如所有学生的记录组成了一个学生文件。,.,26,4.计算机世界(概念模型)中的基本概念,第四节、数据模型,一.数据模型(DataModel)的概念,实体型之间的联系抽象为记录与记录之间的联系。,在计算机世界中，信息模型被抽象为数据模型，,实体型内部的联系抽象为同一记录内部各字段间的联系，,现实世界是设计数据库的出发点，也是使用数据库的最终归宿。,实体模型和数据模型是现实世界事物及其联系的两级抽象。,而数据模型是实现数据库系统的根据。,.,27,4.计算机世界(概念模型)中的基本概念,第四节、数据模型,一.数据模型(DataModel)的概念,通过以上的介绍，我们可总结出三个世界中各术语的对应关系如下图所示。,信息世界实体集实体属性实体模型,三个世界各术语的对应关系,现实世界事物总体事物个体特征事物间联系,计算机世界文件记录字段数据模型,.,28,第四节、数据模型,二.数据模型(DataModel)的分类,数据模型的好坏，直接影响数据库的性能。,数据模型的选择，是设计数据库的一项首要任务。,目前最常用的数据模型有层次模型(HierarchicalModel)、,网状模型(NetworkModel)和关系模型(RelationalModel)。,.,29,这三种数据模型的根本区别在于数据结构不同，,第四节、数据模型,二.数据模型(DataModel)的分类,即数据之间联系的表示方式不同。,层次模型用“树结构”来表示数据之间的联系；,网状模型是用“图结构”来表示数据之间的联系；,关系模型是用“二维表”来表示数据之间的联系。,早期的非关系模型,面向对象的数据模型是用面向对象的观点描述实体。,广泛运用,未来的,.,30,第四节、数据模型,二.数据模型(DataModel)的分类,1.层次模型(HierarchicalModel),典型代表是IBM公司的IMS(InformationManagementSystem),层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型。,它是一棵有向树，树的结点是记录类型。,结点间的父子联系是1:n(1:1)。,通过指针来实现记录之间的联系，查询效率高。,通常无法表示实体间复杂的联系。,用一棵“有向树”的数据结构来表示各类实体以及实体间的联系。,包含实体的若干字段,世界上第一个DBMS产品,.,31,第四节、数据模型,二.数据模型(DataModel)的分类,1.层次模型(HierarchicalModel),例如：,.,32,第四节、数据模型,二.数据模型(DataModel)的分类,1.层次模型(HierarchicalModel),.,33,第四节、数据模型,二.数据模型(DataModel)的分类,1.层次模型(HierarchicalModel),层次模型的优点：,（3）提供了良好的数据完整性支持。,（1）树形结构易于实现，几条命令就能操纵数据库，容易使用；,（2）结构清晰，联系单一(1:n)，有向查询方便。,现实世界中许多实体间的联系本来就呈现出一种自然的层次关系，如表示行政层次，家族关系很方便,.,34,第四节、数据模型,二.数据模型(DataModel)的分类,1.层次模型(HierarchicalModel),层次模型的缺点：,（1）难以表示两个以上实体间复杂的多对多联系；,只能通过引入冗余数据或创建虚拟结点的方法来解决，易产生不一致性。,（2）对数据的插入和删除的操作限制太多；,（3）查询子女结点必须通过双亲结点。,反响查询较困难(m:n)，编程复杂,.,35,第四节、数据模型,二.数据模型(DataModel)的分类,2.网状模型(NetworkModel),现实世界中事物之间的联系更多的是非层次关系。,典型代表是DBTG系统(DataBaseTaskGroup),20世纪70年代数据系统语言研究会CODASYL提出,网状模型使用图取代层次模型中的树，允许各结点间更加普遍的联系。,有向树成为有向图,结点表示记录型(实体)，记录型包含若干字段(实体的属性)，,结点间连线表示记录类型（实体）间的父子关系。,.,36,第四节、数据模型,二.数据模型(DataModel)的分类,2.网状模型(NetworkModel),例如：,.,37,第四节、数据模型,二.数据模型(DataModel)的分类,2.网状模型(NetworkModel),网状模型的优点：,（1）可直接描述客观世界，表示实体间的多种复杂联系；,（2）图的数据结构易于实现，运用指针，具有良好的性能和存储效率；,.,38,第四节、数据模型,二.数据模型(DataModel)的分类,2.网状模型(NetworkModel),网状模型的缺点：,（1）结构复杂，数据独立性差，编程和操作极其复杂；,（2）对计算机的硬件和软件环境要求较高。,应用程序在访问数据时要指定存取路径,.,39,第四节、数据模型,二.数据模型(DataModel)的分类,3.关系模型(RelationalModel),关系模型发展较晚，但理论体系完整；,1970年美国的IBM公司SanJose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，开创了数据库关系方法和关系数据理论的研究，为数据库技术奠定了理论基础。,关系模型是目前最常用的数据模型之一；,20世纪80年代以来，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，非关系系统的产品也都加上了关系接口。,关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式,离散数学和集合论为基础,.,40,第四节、数据模型,二.数据模型(DataModel)的分类,3.关系模型(RelationalModel),关系数据库已成为目前应用最广泛的数据库系统,如现在广泛使用的小型数据库系统Foxpro、Acess，,大型数据库系统Oracle、Informix、Sybase、SQLServer,等都是关系数据库系统。,.,41,第四节、数据模型,二.数据模型(DataModel)的分类,3.关系模型(RelationalModel),例如：,.,42,第四节、数据模型,二.数据模型(DataModel)的分类,3.关系模型(Rela