数据库课件第2章 数据模型

数据库技术及应用

——基于SQLServer2016和MongoDB第2章数据模型第2章数据模型2.1数据模型的概念及类型2.2概念模型2.3逻辑模型（重点）2.4物理模型2.5关系代数数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB22.1数据模型的概念及类型数据模型数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB3抽象转化信息世界（概念模型）机器世界（数据模型）现实世界（事物）概念模型→逻辑模型数据库设计人员完成现实世界→概念模型数据库设计人员完成逻辑模型→物理模型由DBMS完成2.1数据模型的概念及类型数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB4

学生

学

号

姓

名

年龄

性别

籍贯学生1

100927杨明白22男

北京学生2

100652刘明24男

湖北学生3

101091李伟23男

山西学生4

100676王莹莹22女

四川实体↓属性↓

←

值1←

值2←

值3←

值4←记录型记录↓项↓机器世界信息世界↑事物

↑特征

现实世界用概念模型用数据模型

值1→

实体型→

值3→

值4→

值2→实体集2.1数据模型的概念及类型数据模型用来形式化描述数据数据之间的联系数据语义和约束规则数据模型的组成要素数据结构数据操作数据完整性数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB52.1数据模型的概念及类型数据结构的概念描述数据库的组成对象，以及对象之间的联系数据结构描述的内容对象的数据类型、内容、性质，如关系模型中的属性与数据之间联系有关的对象数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB62.1数据模型的概念及类型数据操作对数据库中各种对象(型)的实例(值)允许执行的操作及有关的操作规则，是对系统动态特性的描述数据操作的类型查询更新(包括插入、删除、修改)数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB72.1数据模型的概念及类型数据的完整性约束一组完整性规则的集合。完整性规则：给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效、相容。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB82.1数据模型的概念及类型根据应用目的，模型分为两个层次：概念模型(信息模型)按用户的观点，独立于计算机实现的，只用来描述和组织所关心的信息结构的概念数据模型，强调语义数据库设计人员和用户之间进行交流的语言对应于信息世界数据模型按计算机系统的观点，直接面向计算机系统的，描述数据库中数据的逻辑结构的基本数据模型对应于数据世界（机器世界）包括逻辑模型和物理模型数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB92.1数据模型的概念及类型数据模型逻辑模型：采用某一数据模型组织数据，如关系模型。物理模型：描述数据在系统内部的表示方式和存取方法概念模型概念模型用于信息世界的建模；是现实世界到机器世界的第一层抽象；是数据库设计的有力工具；数据库设计人员和用户之间进行交流的语言；数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB102.2概念模型信息世界中的基本概念实体Entity：客观存在并相互区别的事物。具体的人、事、物，抽象的概念（订货）属性Attribute：实体或联系的特征。学生（学号，姓名，性别）关键字，键Key：唯一标识实体的属性或属性组域Domain：属性的取值范围。性别（男，女）实体型EntityType：实体名＋属性名集合实体集EntitySet：同型实体的集合联系Relationship：实体与实体之间的联系数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB112.2概念模型实体间的联系实体之间的对应关系称为联系，它反映了现实世界事物之间的相互关联。联系的类型：一对一联系记为1：1。如学校与校长间的联系一对多联系记为１：n。

如宿舍房间与学生的联系多对多联系记为m：n。

如一个教师可以教授多个学生，而一个学生又可以受教于多个教师数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB12设实体集

E1E22.2概念模型实体间的联系数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB13实体集A

实体集B

联系名 1 1 (a) 实体集A

实体集B

1 n (b) 实体集A

实体集B

m n (c) 联系名 联系名 2.2概念模型概念模型的一种表示方法E-R图提供了表示实体、属性和实体间联系的方法实体：矩形属性：椭圆联系：菱形数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB14学生与课程间的联系学号

学生2.2概念模型两实体集间多实体集间同一实体集内数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB15相同实体集间的两个联系职工E领导1n职工E领导1n职工中的M医生D病人P诊病1n护理mn2.2概念模型E-R模型实例数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB16mn选修姓名学号出生日期课程号学分课程名成绩

学生课程2.3逻辑模型基本概念1）数据项（Item）。又称为字段（Field），是数据库中可以命名的最小逻辑数据单位，用于描述属性的数据。2）记录（Record）。记录是数据项的有序集，即一个记录是有若干个数据项组成，用它描述实体。3）记录型（RecordType）。记录名及其所有数据项的集合，称为记录型。例如，学生（学号，姓名，性别，出生日期，所属系）就是学生的记录型。4）文件（File）。文件是一个具有符号名的一组同类记录的集合。文件包含记录的结构和记录的值。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB172.3逻辑模型最常用的逻辑模型层次模型（HierarchicalModel）网状模型（NetworkModel）关系模型（RelationalModel）面向对象模型（Object-OrientedModel）关键字-值模型（Key-Value）列存储模型（Column-oriented）文档模型（Document）图存储模型。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB182.3逻辑模型层次模型层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型层次数据库系统的典型代表是IBM公司1968年推出的IMS（InformationManagementSystem）数据库管理系统层次模型用树形结构来表示各类实体以及实体间的联系数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB192.3逻辑模型层次模型通过树形结构表示实体及联系。如描述学校管理机构。每个结点表示一个实体（型），箭头表示实体（型）间的联系（由父到子）。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB20树枝根2.3逻辑模型层次数据模型主要特点有且仅有一个根结点；每个非根结点有且仅有一个父(直接上层)结点。它最适合表示实体的一对多联系。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB21非根根2.3逻辑模型网状数据模型典型代表是DBTG系统：70年代由DBTG提出的一个系统方案奠定了数据库系统的基本概念、方法和技术实际系统CullinetSoftwareInc.公司的IDMSUnivac公司的DMS1100Honeywell公司的IDS/2HP公司的IMAGE数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB222.3逻辑模型网状数据模型通过网状结构表示实体及联系。“网”中每个结点表示一个实体(型)，结点之间箭头表示实体(型)间的联系。网状数据模型主要特点：网状数据模型可能有多个根结点，某些非根结点可能有多个父结点，适合表示实体的多对多联系。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB23根多个父结点2.3逻辑模型网状数据模型适合复杂的关系最少的数据冗余算法复杂、专用优点:能直观、形象地描述实体及其联系，易于被人们所理解和掌握。缺点:数据结构较复杂，存储数据需要更多的链接指针；在检索数据时，需要考虑数据的存储路径；在插入或删除数据时，涉及到调整链接指针数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB242.3逻辑模型——关系模型关系模型E.F.Codd于1970年提出关系数据模型,“ARelationalModelofDataforLargeSharedDataBanks”,《CommunicationoftheACM》之后，提出了关系代数和关系演算的概念1972年提出了关系的第一、第二、第三范式1974年提出了关系的BC范式80年代后，关系数据库系统成为最重要、最流行的数据库系统数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB252.3逻辑模型——关系模型关系数据模型数据模型的任务是描述现实世界中的实体及其联系。关系数据模型就是采用一个有序数组描述实体及其属性，用这种有序数组的集合描述一个实体集合，而采用定义在两个集合上的关系反映不同实体间的联系。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB26部门编号部门名称员工编号员工姓名性别住址D001总经理办E001钱达理男东风路78号D001总经理办E002东方牧男五一北路25号D002市场部E003郭文斌男公司集体宿舍D003销售部E004肖海燕女公司集体宿舍D004仓储部E005张明华男韶山北路55号2.3逻辑模型——关系模型关系模型的组成关系数据结构单一的数据结构----关系现实世界的实体以及实体间的各种联系均用关系来表示数据的逻辑结构----二维表从用户角度，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表。关系操作集合插入、删除、修改、查询（选择、投影、连接、除、并、交、差）关系完整性约束实体完整性、参照完整性、域完整性、用户定义完整性数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB272.3逻辑模型——关系模型关系数据库就是一些相关的二维表和其他数据库对象的集合。在这个定义中明确，关系数据库中的所有信息都存储在二维表格中；一个关系数据库可能包含多个表；除了这种二维表外，关系数据库还包含一些其他对象，如视图等。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB28北京科技大学通信工程系数据表….…

订单

客户

产品

产品数据库表2.3逻辑模型——关系模型1.关系是一张二维表，通常将一个无重复行、重复列的二维表看成一个关系，每个关系都有一个关系名。2.元组二维表的每一行在关系中称为元组。描述了现实世界中的一个实体或不同实体间的一种联系。3.属性二维表的每一列在关系中称为属性，每个属性都有一个属性名，各个属性的取值称为属性值。每个属性有一定的取值范围，称为值域。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB292.3逻辑模型——关系模型4．域（Domain）关系中每个属性的值是有一定变化范围，每一个属性所对应的变化范围叫做属性的变域或简称域，它是属性值的集合，关系中所有属性的实际取值必须来自于它对应的域。5．分量一个元组在一个属性域上的取值称为该元组在此属性上的分量。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB302.3逻辑模型——关系模型6．关系模式二维表的表头那一行称为关系模式，即一个关系的关系名及其全部属性名的集合。关系模式是概念模型中实体型及实体型之间联系的数据模型表示。一般表示为：关系名（属性名1，属性名2，……，属性名n）关系模式指出了一个关系的结构；而关系则是由满足关系模式结构的元组构成的集合。关系模式是稳定的、静态的，而关系则是随时间变化的、动态的。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB312.3逻辑模型——关系模型一个关系就是没有重复行和重复列的二维表，二维表的每一行在关系中称为元组，每一列在关系中称为属性。学生关系的每一行代表一个学生的记录，每一列代表学生记录的一个字段。属性个数（n）称为关系的元。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB32属性信息9元关系2.3逻辑模型——关系模型举例数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB33元组1元组2元组3元组4元组…行(元组)列(属性)同一关系2.3逻辑模型——关系模型7.候选码（Candidatekey）若关系中的某一属性或属性组合的值能唯一地标识一个元组，则称该属性组为候选码在最简单的情况下，候选码只包含一个属性。在最极端的情况下，关系模式的所有属性组是这个关系模式的候选码，称为全码（All-key）8.主码若一个关系有多个候选码，则选定其中一个为主码（Primarykey）。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB342.3逻辑模型——关系模型9主属性（PrimaryAttribute）和非主属性主码的各个属性称为主属性。不包含在任何侯选码中的属性称为非主属性。10.外码如果关系中某个属性或属性组合并非码，但却是另一个关系的主码，则称此属性或属性组合为本关系的外码或外键(ForeignKey)。在关系数据库中，用外码表示两个表间的联系。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB352.3逻辑模型——关系模型10.外码数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB36学号姓名性别所在系101张三男901102李四男902105胡小斌男901系编号系名系主任901通信王平902电子李义学生表所在系表PKPKFK2.3逻辑模型——关系模型关系模型的组成关系模型的数据结构：关系是关系模型中最基本的数据结构。关系模型的数据操作：主要包括查询、插入、删除和修改。数据的完整性约束：实体完整性、参照完整性、域完整性和用户定义完整性。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB372.3逻辑模型——关系模型1）实体完整性（EntityIntegrity）若属性A是关系R的主属性，则属性A不能取空值且取值唯一；就是一个关系模型中的所有元组都是惟一的，没有两个完全相同的元组，也就是一个二维表中没有两个完全相同行，也称为行完整性。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB38例：学生（学号，姓名，性别，专业号，年龄）2.3逻辑模型——关系模型域完整性对关系R中属性（列）数据的规范，限制属性的数据类型、格式以及取值范围。就是对表中列数据的规范，也称列完整性，用于限制列的数据类型、格式以及取值范围。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB392.3逻辑模型——关系模型参照完整性在关系模型中实体及实体间的联系都是用关系来描述的，因此存在着关系与关系间的引用。参照完整性是通过定义外键来（存在或为空）建立的。例1学生实体、专业实体学生（学号，姓名，性别，专业号，年龄）专业（专业号，专业名）学生关系引用了专业关系的主码“专业号”。学生关系中的“专业号”值必须是确实存在的专业的专业号，即专业关系中有该专业的记录。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB402.3逻辑模型——关系模型用户定义的完整性针对某一具体关系数据库的约束条件，反映某一具体应用所涉及的数据必须满足的语义要求例：工龄<年龄学生成绩>=0数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB41面向对象模型的主要概念：（1）对象与对象标识：一个对象就是一个实体所具有的属性和定义于这些属性之上的一组操作的集合体，每个对象有一个唯一的标识，称为对象标识。（2）封装：每一个对象是其状态与操作的封装（3）类与类层次：将属性集和操作相同的所有对象组合在一起，可以构成一个类。（4）消息：消息是对象间通信的手段，一个对象通过向另一个对象发送消息来请求其服务。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB422.3逻辑模型——面向对象模型2.3逻辑模型——面向对象模型面向对象的特点抽象性封装性继承性多态性数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB432.3逻辑模型关键字-值模型最简单的NoSQL数据库是关键字-值（Key-Value）存储模型。这种数据库存储数据时不采用任何模式，这意味着存储的数据无需遵循任何预定义的结构。Key-Value模型比较简单，类似于HashTable，一个关键字对应一个值，本质是一种“映射”。Key-Value模型的优点是易于实现和添加数据，因此非常适合用于提供基于键来存储和检索数据的简单存储，缺点是无法根据存储的值来查找元素。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB442.3逻辑模型关键字-值模型数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB45键（Key）值（Value）D:\path\bagBinary:pictureHttp:///Binary:<html>Fish:2008Binary:30中国:上海:浦东Binary:浦东国际机场2.3逻辑模型列存储模型列存储模型在以列的方式存储数据，列是数据库中最小的存储单元，它是一个三元组，包括独一无二的名称、值和时间戳，即一个带有时间戳的Key-Value键值对。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB462.3逻辑模型列存储模型数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB472.3逻辑模型文档模型（1）可以定义具体的对象结构。在Key-Value模型中，数据对象的结构都是一样的，没有具体结构。其优点是可以存放任何类型的数据，而缺点是数据访问的灵活性低，如无法通过内容或字段值进行查找数据（只能通过关键字来查找）。相反，在文档模型中可以定义具体的对象结构。（2）可以根据数据对象的内容进行查找数据和建立索引。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB482.3逻辑模型文档模型数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB49一条文档记录，内含若干个成对的键值对,该数据格式叫JSON2.3逻辑模型图存储模型该模型以图的形式存储数据，是图形关系的最佳数据模型。图存储模型记为G（V,E），V为结点的集合，每个结点具有若干属性，E为边的集合，也可以具有若干属性。该模型支持图结构的各种基本算法，可以直观地表达和展示数据之间的联系。使用传统关系数据库来解决的话性能低下，而且设计使用不方便。主要应用于航线拓扑图、社交网络、推荐系统和关系图谱。比较典型的图存储数据库是Noeo4J。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB502.3逻辑模型图存储模型数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB512.3逻辑模型8种逻辑数据模型的比较数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB522.4物理模型物理模型是面向计算机等数据处理存储设备物理表示的模型，是描述数据在系统存储设备内部的表示方式和存取方法，如存储位置和方式、索引等，同具体的DBMS、操作系统和处理存储设备有关。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB532.5关系代数关系数据库的基本特征有坚实的理论基础（关系代数）几个元素组成的一个有序组称为一个元组，通常元组是用圆括号括起来的一些元素表示，元素间使用逗号分隔。例如(E001,钱达理,男,东风路78号)是元组的例子。在关系数据库中，可以把一个表的每一行看作一个元组。数据结构简单、易于理解对用户提供了较全面的操作支持得到了众多开发商的支持数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB542.5关系代数域（Domain）域是一组具有相同数据类型的值的集合。例如:整数实数介于某个取值范围的整数指定长度的字符串集合{‘男’，‘女’}介于某个取值范围的日期｛张清玫，刘逸｝｛计算机专业，通信工程专业｝数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB552.5关系代数笛卡尔积给定一组域D1，D2，…，Dn，这些域中可以有相同的。D1，D2，…，Dn的笛卡尔积为：D=D1×D2×…×Dn＝{（d1，d2，…，dn）｜di

Di，i＝1，2，…，n}所有域的所有取值的一个组合不能重复数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB562.5关系代数笛卡尔积（续）设有三个集合如下：A={a1，a2}，B={b1，b2}，C={c1，c2}，则集合A、B、C上的笛卡儿积为数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB57ABCa1b1c1a1b1c2a1b2c1a1b2c2a2b1c1a2b1c2a2b2c1a2b2c22.5关系代数笛卡尔积（续）D中的每一个元素(d1，d2，…，dn)叫做一个元组。元组中的每一个值di叫做一个分量。一个元组是组成该元组的各分量的有序集合，而不仅仅是各分量集合。笛卡尔积可表示为一个二维表。表中的每行对应一个元组，表中的每列对应一个域。基数（Cardinalnumber）若Di（i＝1，2，…，n）为有限集，其基数为mi（i＝1，2，…，n），则D1×D2×…×Dn的基数M为：数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB582.5关系代数关系D1×D2×…×Dn的子集叫作在域D1，D2，…，Dn上的关系，表示为

R（D1，D2，…，Dn）

R：关系名

n：关系的目或度（Degree）每个关系都有一个关系名。二维表的名称就是关系的名称，二维表的每一列都是一个属性。n元关系就会有n个属性。一个关系中的每一个属性都有一个名字，且各个属性的属性名都不同，对应参与笛卡儿积运算的每个集合的名称。一个属性的取值范围Di(i=1,2,3,…,n)称为该属性的域（Domain）。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB592.5关系代数基本关系的性质列是同质的（Homogeneous）每一列中的分量是同一类型的数据，来自同一个域不同的列可出自同一个域（注意属性和域的关系）其中的每一列称为一个属性不同的属性要给予不同的属性名列的顺序无所谓，列的次序可以任意交换任意两个元组不能完全相同行的顺序无所谓，行的次序可以任意交换分量必须取原子值：各分量都是不可分的数据项。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB602.5关系代数关系模式实际上完整的关系模式的数学定义为：

R(U、D、dom、F)

其中：R为关系模式名，U为组成该关系的属性名的集合，D为属性组U中属性所来自的域的集合，dom为属性向域映像的集合，F为属性间函数依赖关系的集合。关系模式通常简写为：

R(U)或R(A1，A2，A3，…，An)

其中：R为关系名，Ai(i=1,2,3,…,n)为属性名。域名构成的集合及属性向域映像的集合一般为关系模式定义中的属性的类型和长度。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB612.5关系代数关系运算符关系运算符主要包括四类：集合运算符、专门的关系运算符、算术比较运算符和逻辑运算符。（1）集合运算符：∪（并运算）、─(差运算）、∩（交运算）、╳（笛卡尔集）。（2）专门的关系运算符：σ(选择)、兀(投影)，⋈(连接)、÷（除）。（3）(算术)比较运算符：＞（大于）、≥（大于等于）、＜（小于）、≤（小于等于）、＝（等于）、≠（不等于）。（4）逻辑运算符：﹁（非）、∧（与）、∨（并）。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB622.5关系代数关系运算种类关系运算的种类可分为两类，即传统的关系运算和专门的关系运算。传统和关系运算将关系看做元组的集合，即关系运算的方向是“水平”方向行的角度来进行。专门的关系运算不仅涉及行而且涉及列。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB632.5关系代数传统的集合运算主要使用传统的集合运算方法，将关系（表）作为行（元组）的集合，从关系（表）的行方向角度进行运算。有时需要两个关系进行运算，例如找到两个表中相同的部分，这种运算类似于传统集合运算中的交运算。传统的集合运算可以实现的基本操作：①并运算,实现数据的插入和添加。②差运算，实现数据记录的删除。③修改数据记录的操作，由先删除（差）后插入（并）两个操作实现。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB642.5关系代数并运算设关系R和关系S是同一关系模式下的关系，则关系R和关系S的并（Union）运算是指关系R和关系S的所有元组合并，再删除重复的元组，组成一个新关系，其结果仍为n元关系。记作：其中，“∪”为并运算符，t为关系R或关系S的元组变量，“∨”为逻辑或运算符。数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB652.5关系代数数据库技术及应用——基于SQLServer2016和MongoDB66差运算设关系R和S是同一关系模式下的关系，则R和S的差（Difference）运算是由属于R但不属于S的元组组成的集合，即关系R中删除与关系S中相同的元组，组成一个新的关系，其结果仍为n元关系。记作：其中，“-”为差运算符，t为元组变量，“∧”为逻辑与运算符。差运算主要用于关系数据的删除操作。2.5关系代数交运算关系R和S是同一关系模式下的关系，则R和S的交（Intersection）运算是由既属于R又属于