第2章数据模型与概念模型

1、第2章数据模型与概念模型第2章数据模型与概念模型第2章数据模型与概念模型从数据转化的顺序来看，数据从现实世界进入到数据库需要经历三个阶从数据转化的顺序来看，数据从现实世界进入到数据库需要经历三个阶段，即现实世界阶段、信息世界阶段和机器世界阶段。段，即现实世界阶段、信息世界阶段和机器世界阶段。第2章数据模型与概念模型 在现实世界中客观存在着各种运动着的事物，各种事物及事物在现实世界中客观存在着各种运动着的事物，各种事物及事物之间存在着复杂的联系。不同的事物之间，存在着不同的特征，这之间存在着复杂的联系。不同的事物之间，存在着不同的特征，这些特征包括静态的和动态的特征。在这些特征中，可以抽取出一些

2、些特征包括静态的和动态的特征。在这些特征中，可以抽取出一些有意义的特征来描述不同的事物个体。有意义的特征来描述不同的事物个体。 例如：选择姓名、学号、班级、籍贯、所属院系等特征来描述一个例如：选择姓名、学号、班级、籍贯、所属院系等特征来描述一个学生，而描述一个老师的信息则常选择姓名、年龄、性别、籍贯、学生，而描述一个老师的信息则常选择姓名、年龄、性别、籍贯、所属院系等特征。所属院系等特征。 利用这些特征，就可以在表征各类不同事物的同时，将不同的事利用这些特征，就可以在表征各类不同事物的同时，将不同的事物区别开来。物区别开来。第2章数据模型与概念模型 世界上的很多事物表面上看起来相互独立，但实际

3、上它们之间是世界上的很多事物表面上看起来相互独立，但实际上它们之间是相互联系的。由于事物的多样性，导致事物之间的联系也是多方面相互联系的。由于事物的多样性，导致事物之间的联系也是多方面的。在实际应用中，人们只选择一些有意义或感兴趣的联系，而没的。在实际应用中，人们只选择一些有意义或感兴趣的联系，而没有必要选择所有的联系。有必要选择所有的联系。 例如：在教学管理系统中，教师和学生之间可以仅选择例如：在教学管理系统中，教师和学生之间可以仅选择“教学教学”这这种有意义的联系。种有意义的联系。第2章数据模型与概念模型n 实体实体(Entity)：现实世界中存在的可以相互区分的事物或概：现实世界中存在的

4、可以相互区分的事物或概念称为实体。一个实体对应了现实世界中的一个事物。实体可念称为实体。一个实体对应了现实世界中的一个事物。实体可以是具体的人、事、物，如一本书，一件衣服，一次借书、一以是具体的人、事、物，如一本书，一件衣服，一次借书、一次服装展览等，可以包含很多我们感兴趣的信息，也可以是抽次服装展览等，可以包含很多我们感兴趣的信息，也可以是抽象的概念或联系，如教师和学院的工作关系象的概念或联系，如教师和学院的工作关系(即某位教师在某即某位教师在某学院工作学院工作)也可以抽象为一个实体。也可以抽象为一个实体。第2章数据模型与概念模型n 实体集实体集(Entity Set)：性质相同的同类实体组

5、成的集合，称为实体集。：性质相同的同类实体组成的集合，称为实体集。现实世界中的事物很多，有一些事物具有被关注的一些共同的特征和现实世界中的事物很多，有一些事物具有被关注的一些共同的特征和性质，他们可以有类似的描述，可以被放在一起进行研究和处理。性质，他们可以有类似的描述，可以被放在一起进行研究和处理。例如：一个学校的所有学生，当利用学籍管理系统进行管理时，这些例如：一个学校的所有学生，当利用学籍管理系统进行管理时，这些学生的姓名、学号、班级和成绩等就是要关注的特征或性质，把这些学生的姓名、学号、班级和成绩等就是要关注的特征或性质，把这些学生的上述性质一起研究和处理，则这些学生就构成一个实体集。

6、学生的上述性质一起研究和处理，则这些学生就构成一个实体集。第2章数据模型与概念模型n 属性属性(Attribute)：实体所具有的某一特性称为属性。客观存在的不同事：实体所具有的某一特性称为属性。客观存在的不同事物，具有不同的特性。从客观世界抽象出来的不同实体，也具有各自不同物，具有不同的特性。从客观世界抽象出来的不同实体，也具有各自不同的特性。的特性。可以用若干个属性来刻画一个实体。可以用若干个属性来刻画一个实体。例如：对于大学生，有很多特性，如学校、学院、专业、班级、学号、姓例如：对于大学生，有很多特性，如学校、学院、专业、班级、学号、姓名、身高、年龄、籍贯、成绩、入学时间等，这些属性组合

7、起来共同表征名、身高、年龄、籍贯、成绩、入学时间等，这些属性组合起来共同表征了一个具体的学生。了一个具体的学生。在信息世界里，人们对某个实体的认识和理解是通过属性来实现的。因此在信息世界里，人们对某个实体的认识和理解是通过属性来实现的。因此要要正确、全面的描述或者刻画某一个实体，就必须根据不同事物的特征，要要正确、全面的描述或者刻画某一个实体，就必须根据不同事物的特征，合理、全面地抽象出不同事物的属性，使人们通过这些属性，就能够对某合理、全面地抽象出不同事物的属性，使人们通过这些属性，就能够对某个事物有一个全面的理解和把握。而且最重要的是，能够通过其中某一个个事物有一个全面的理解和把握。而且最

8、重要的是，能够通过其中某一个或一些属性把握不同个体之间的本质的区别。或一些属性把握不同个体之间的本质的区别。第2章数据模型与概念模型n 码码(Key)：能唯一标识每个实体的属性或属性集，称为码或关键字。：能唯一标识每个实体的属性或属性集，称为码或关键字。例如：一个学校里可能存在几个学生重名的现象，所以在数据库系统中就例如：一个学校里可能存在几个学生重名的现象，所以在数据库系统中就不能用姓名这个属性来唯一标识不同的学生，于是，只好给每个学生编一不能用姓名这个属性来唯一标识不同的学生，于是，只好给每个学生编一个不能重复的，能够将他们唯一区别开来的编号，即学号。学号就是实体个不能重复的，能够将他们唯

9、一区别开来的编号，即学号。学号就是实体学生的码。学生的码。第2章数据模型与概念模型第2章数据模型与概念模型n 字段字段(Field)：又称数据项，它是可以命名的最小信息单位。字段的定义：又称数据项，它是可以命名的最小信息单位。字段的定义包括字段名包括字段名(字段的名称字段的名称)、字段类型、字段类型(描述该字段的数据类型描述该字段的数据类型)、字段长度、字段长度(限定该字段值的长度限定该字段值的长度)等。等。n 记录记录(Record)：字段的有序集合称为记录，一般对应信息世界中的一个：字段的有序集合称为记录，一般对应信息世界中的一个具体的实体。它是对一个具体对象的描述。例如具体的实体。它是对

10、一个具体对象的描述。例如：(2009178007，男，男，178)，描述了一个学号为，描述了一个学号为2009178007，性别为男，身高为，性别为男，身高为178cm的学生。的学生。n 文件文件(File)：同类的记录汇集成文件。文件是描述实体集的。例如：所：同类的记录汇集成文件。文件是描述实体集的。例如：所有图书记录组成了一个图书文件。有图书记录组成了一个图书文件。n 关键字关键字(Key)：能唯一标识文件中每个记录的字段或字段集。例如学生：能唯一标识文件中每个记录的字段或字段集。例如学生的学号可以作为学生记录的关键字。如果一个字段不能唯一确定一条记录，的学号可以作为学生记录的关键字。如果

11、一个字段不能唯一确定一条记录，则可以用多个字段作为关键字来唯一标识一条记录。例如学号和课程号可则可以用多个字段作为关键字来唯一标识一条记录。例如学号和课程号可以作为学生选课记录的关键字。以作为学生选课记录的关键字。第2章数据模型与概念模型第2章数据模型与概念模型 数据库系统的主要功能是处理和表示对象与对象之间的联系。这数据库系统的主要功能是处理和表示对象与对象之间的联系。这种联系用模型表示就是数据库模型，它是人们对现实世界的认识和理种联系用模型表示就是数据库模型，它是人们对现实世界的认识和理解，也是对客观现实的近似描述。在不同的数据库管理系统中，应使解，也是对客观现实的近似描述。在不同的数据库

12、管理系统中，应使用不同的数据库模型，但不管采用什么样的模型，都要满足以下几个用不同的数据库模型，但不管采用什么样的模型，都要满足以下几个基本要求：基本要求：n 能按照人们的要求真实地表示和模拟现实世界；能按照人们的要求真实地表示和模拟现实世界；n 容易被人理解；容易被人理解；n 容易在计算机上实现；容易在计算机上实现； 数据库模型更多地强调数据库的框架和数据结构形式，而不关心数据库模型更多地强调数据库的框架和数据结构形式，而不关心具体数据。不同的数据库模型实际上就是提供模型化数据和信息的不具体数据。不同的数据库模型实际上就是提供模型化数据和信息的不同工具，根据模型应用的不同目的，可以将这些数据

13、库模型划分为两同工具，根据模型应用的不同目的，可以将这些数据库模型划分为两类，他们分别属于不同的层次。类，他们分别属于不同的层次。第2章数据模型与概念模型u 第一类模型是概念模型。它是按用户的观点来对数据和信息建模，第一类模型是概念模型。它是按用户的观点来对数据和信息建模，主要用于数据库设计。主要用于数据库设计。u 第二类模型是数据模型。主要包括网状模型、层次模型、关系模型第二类模型是数据模型。主要包括网状模型、层次模型、关系模型等。它是按计算机系统的观点对数据建模，主要用于等。它是按计算机系统的观点对数据建模，主要用于DBMS的实现。的实现。 概念模型：在把现实世界抽象为信息世界的过程中，只

14、抽取需要概念模型：在把现实世界抽象为信息世界的过程中，只抽取需要的元素及其关联，这时所形成的模型就是概念模型。在抽象出概念模的元素及其关联，这时所形成的模型就是概念模型。在抽象出概念模型后，再把概念模型转换为计算机上某一型后，再把概念模型转换为计算机上某一DBMS支持的数据模型。概支持的数据模型。概念模型不涉及数据组织，也不依赖于数据的组织结构，他只是现实世念模型不涉及数据组织，也不依赖于数据的组织结构，他只是现实世界到机器世界的一个中间描述形式。界到机器世界的一个中间描述形式。 目前，描述概念模型最常用的方法是实体目前，描述概念模型最常用的方法是实体联系方法联系方法(即即E-R方方法法)。这

15、种方法由于简单、实用，得到了非常普遍的应用。这种方法使。这种方法由于简单、实用，得到了非常普遍的应用。这种方法使用的工具称作用的工具称作E-R图，也把这种描述结果称为图，也把这种描述结果称为E-R模型。模型。第2章数据模型与概念模型实体（实体（Entity） 实体是现实存在的一个事物。具有相同特性的事物的集合构实体是现实存在的一个事物。具有相同特性的事物的集合构成实体集，集合中的元素成实体集，集合中的元素(个体个体)是客观存在的可区分的事物。是客观存在的可区分的事物。在在E-R图中，实体名写在矩形框内。图中，实体名写在矩形框内。概念模型涉及以下几个概念：概念模型涉及以下几个概念： 实体可以是具

16、体的人、事、物，比如一名学生、一本书等，也可实体可以是具体的人、事、物，比如一名学生、一本书等，也可以是一个抽象的概念，例如图书管理系统中，一次借书过程就是一个以是一个抽象的概念，例如图书管理系统中，一次借书过程就是一个实体。实体。第2章数据模型与概念模型(2) 属性（属性（Attribute） 属性为实体的某一方面特征的抽象表示，即事物所具有的状态特性属性为实体的某一方面特征的抽象表示，即事物所具有的状态特性. 实体的属性用椭圆框表示，框内是属性名，并用连线连到相应的实体的属性用椭圆框表示，框内是属性名，并用连线连到相应的实体。一个实体可以有若干个属性。例如，学生可以有姓名、学号、实体。一个

17、实体可以有若干个属性。例如，学生可以有姓名、学号、年龄、性别等属性，不同的属性值可以确定不同的学生。年龄、性别等属性，不同的属性值可以确定不同的学生。与属性相关的概念有以下几个：与属性相关的概念有以下几个：l 码码(Key)：能唯一标识实体的属性集称为码。例如：学生的学号就：能唯一标识实体的属性集称为码。例如：学生的学号就是一个码是一个码(当然也可以是其它的属性或属性集当然也可以是其它的属性或属性集)。对不同的学生码值一。对不同的学生码值一定是唯一的，不允许出现多个实体具有相同的码值情况。定是唯一的，不允许出现多个实体具有相同的码值情况。 比如，学号为比如，学号为2003002,年龄为年龄为2

18、1岁，男性的学生是岁，男性的学生是李四。李四。 左图中学号就是学生实左图中学号就是学生实体的码。由于存在重名的现体的码。由于存在重名的现象，所以通常姓名不被选为象，所以通常姓名不被选为码。码。第2章数据模型与概念模型l 域域(Domain)：实体属性的取值一般受到某个条件的约束，如果取值：实体属性的取值一般受到某个条件的约束，如果取值不满足约束条件，则认为是一个非法的值，这个约束条件所确定得却不满足约束条件，则认为是一个非法的值，这个约束条件所确定得却值范围就称为该属性的域。值范围就称为该属性的域。 例如：学生的性别的域是例如：学生的性别的域是“男男”，“女女”，而成绩的取值范围通常，而成绩的

19、取值范围通常会是会是0,1,2,.,100。l 实体型实体型(Entity Type)：一类实体的实体名及其属性名集合就构成了：一类实体的实体名及其属性名集合就构成了实体型。在一个数据库中，同一类实体的实体型是相同的，即它们的实体型。在一个数据库中，同一类实体的实体型是相同的，即它们的实体名及实体的属性名都是一样的。为了方便我们认为这些属性的排实体名及实体的属性名都是一样的。为了方便我们认为这些属性的排列顺序也是一致的。列顺序也是一致的。 例如：学生例如：学生(学号，姓名，性别，年龄学号，姓名，性别，年龄)就是表示学生实体的实体型。就是表示学生实体的实体型。l 关系模式关系模式(Relatio

20、n Schema)：对关系的描述称为关系模式，一般表：对关系的描述称为关系模式，一般表示为：示为： 关系名关系名(属性属性1，属性，属性2,属性属性n) 例如：学生例如：学生(学号，姓名，性别，年龄，系别，年级学号，姓名，性别，年龄，系别，年级)就是描述学生的就是描述学生的关系模型。关系模型。第2章数据模型与概念模型l 实体集实体集(Entity Set)：具有相同实体型的实体组成的集合称为实体集。：具有相同实体型的实体组成的集合称为实体集。例如：在一个学籍管理系统，一个学校的全体学生具有相同的实体型，例如：在一个学籍管理系统，一个学校的全体学生具有相同的实体型，这些学生实体的集合就是一个实体

21、集。这些学生实体的集合就是一个实体集。(3) 联系联系 在现实世界中，事物内部和事物之间是有联系的，这些联系在信在现实世界中，事物内部和事物之间是有联系的，这些联系在信息世界中包括实体内部的联系和实体之间的联系。实体内部的联系通息世界中包括实体内部的联系和实体之间的联系。实体内部的联系通常指组成实体的各属性之间的联系，实体之间的联系通常指不同实体常指组成实体的各属性之间的联系，实体之间的联系通常指不同实体之间的联系。之间的联系。 实体之间的联系可以分为以下实体之间的联系可以分为以下3类：类：l 一对一联系一对一联系(1:1)：如果对于实体集：如果对于实体集A中的每个实体，实体集中的每个实体，实

22、体集B中至中至多有一个多有一个(也可以没有也可以没有)实体与之联系，反之亦然，则称实体集实体与之联系，反之亦然，则称实体集A和实和实体集体集B之间具有一对一的联系，记为之间具有一对一的联系，记为1:1 例如：在学校里一个班只有一个班长，而一个班长只能是一个班的班例如：在学校里一个班只有一个班长，而一个班长只能是一个班的班长，所以班级和班长之间就是一对一的联系。长，所以班级和班长之间就是一对一的联系。第2章数据模型与概念模型l 一对多联系一对多联系(1:n)：如果对于实体集：如果对于实体集A中的每个实体，实体集中的每个实体，实体集B中有中有n个个(n=0)实体与之联系，反之实体集实体与之联系，反

23、之实体集B中的每个实体，实体集中的每个实体，实体集A中至多中至多有一个实体与之联系，则称实体集有一个实体与之联系，则称实体集A和实体集和实体集B之间具有一对多的联之间具有一对多的联系，记为系，记为1:n 例如：班级和学生之间的联系。一个班级有若干名学生，而每个学生例如：班级和学生之间的联系。一个班级有若干名学生，而每个学生只在一个班级中学习，则班级和学生之间就是一对多的联系。只在一个班级中学习，则班级和学生之间就是一对多的联系。l 多对多联系多对多联系(m:n)：如果对于实体集：如果对于实体集A中的每个实体，实体集中的每个实体，实体集B中有中有n个个(n=0)实体与之联系，反之，如果实体集实体

24、与之联系，反之，如果实体集B中的每个实体，实体集中的每个实体，实体集A中有中有m个个(m=0)实体与之联系，则称实体集实体与之联系，则称实体集A和实体集和实体集B之间具有多之间具有多对多的联系，记为对多的联系，记为m:n 例如：课程和学生之间的联系就是多对多的联系。一门课程同时有若例如：课程和学生之间的联系就是多对多的联系。一门课程同时有若干名学生选修，一个学生可以同时选修多门课程。干名学生选修，一个学生可以同时选修多门课程。第2章数据模型与概念模型一般在一般在E-R图中，用菱形表示联系，内部写上联系的名称，两端分别图中，用菱形表示联系，内部写上联系的名称，两端分别用连线连接发生联系的实体，并

25、分别表上联系的类型。用连线连接发生联系的实体，并分别表上联系的类型。 一般来说，两个以上的实体之间也可以存在一对一，一对多和多对多一般来说，两个以上的实体之间也可以存在一对一，一对多和多对多的联系。的联系。例如：对于课程、教师和学生这三个实体，如果一门课程可以有若干老例如：对于课程、教师和学生这三个实体，如果一门课程可以有若干老师讲授，而每名老师可以讲授多门课程，每名学生可以学习多门课程，师讲授，而每名老师可以讲授多门课程，每名学生可以学习多门课程，则老师和学生之间是则老师和学生之间是n:p的联系，老师和课程之间是的联系，老师和课程之间是n:m的联系，而学生的联系，而学生和课程之间则是和课程之

26、间则是p:m的联系。的联系。第2章数据模型与概念模型第2章数据模型与概念模型第2章数据模型与概念模型 数据库系统中通常按照数据结构的类型来命名数据模型。例如，层次数据库系统中通常按照数据结构的类型来命名数据模型。例如，层次结构、网状结构和关系结构的模型分别叫作层次模型结构、网状结构和关系结构的模型分别叫作层次模型、网状模型、网状模型和关系模型和关系模型。 层次模型和网状模型统称为非关系模型，非关系模型数据库系统在层次模型和网状模型统称为非关系模型，非关系模型数据库系统在 2020世纪世纪7070年代至年代至8080年代初非常流行，在数据库系统产品中占据主导地位，年代初非常流行，在数据库系统产品

27、中占据主导地位，而现在已经被关系模型数据库系统取代。除在美国等一些少数国家外，基而现在已经被关系模型数据库系统取代。除在美国等一些少数国家外，基本上很少使用。本上很少使用。 关系模型是目前使用最广泛的数据模型，占据了统治地位。所以，在关系模型是目前使用最广泛的数据模型，占据了统治地位。所以，在介绍层次模型、网状模型之后，我们主要介绍关系模型。介绍层次模型、网状模型之后，我们主要介绍关系模型。 第2章数据模型与概念模型 在非关系模型中，实体集用记录表示，实体的属性对应记录的数据项在非关系模型中，实体集用记录表示，实体的属性对应记录的数据项( (或字段或字段) )。实体集之间的联系转换成两两记录之

28、间的联系。非关系模型中数。实体集之间的联系转换成两两记录之间的联系。非关系模型中数据结构的单位是基本层次关系。所谓基本层次关系是指两个记录及它们之间据结构的单位是基本层次关系。所谓基本层次关系是指两个记录及它们之间的一对多的一对多( (包括一对一包括一对一) )的联系，其结构和表示方法如下图所示：的联系，其结构和表示方法如下图所示： 其中其中Ri位于联系位于联系Lij的始结点的始结点, ,称为双亲结点称为双亲结点(Parent)(Parent)； Rj位于联系位于联系Lij的的终结点，称为子女结点终结点，称为子女结点(Child)(Child)。第2章数据模型与概念模型 第2章数据模型与概念模

29、型右图为教学院系的数据结构，该层次数据库有右图为教学院系的数据结构，该层次数据库有4个记录。结构中：院系记录是个记录。结构中：院系记录是根结点根结点(有院系编号、院系名称和办公地点有院系编号、院系名称和办公地点3个数据项个数据项)，其两个子女结点是教，其两个子女结点是教研室研室(有教研室编号和教研室两个数据项有教研室编号和教研室两个数据项)和学生和学生(有学号、姓名和年龄有学号、姓名和年龄3个数据个数据项项)记录；教研室记录是院系的子女结点，它还是教师记录；教研室记录是院系的子女结点，它还是教师(有职工号、姓名和专业有职工号、姓名和专业方向方向3个数据项个数据项)记录的双亲结点记录的双亲结点.。学生和教师是叶结点，没有子女结点。学生和教师是叶结点，没有子女结点。第2章数据模型与概念模型 层次模型支持的操作主要有查询、插入、删除和更新。在对层次