第1章 数据库系统及VFP概述2

1.5数据库系统的体系结构数据库系统的体系结构是数据库系统的一个总框架。由于采用的语言以及基础操作系统不同，不同数据库系统的具体结构千差万别，但绝大多数的数据库系统在总体结构上都具有三级模式的结构特征，即外模式、模式和内模式。数据库系统的三级模式是对数据的三级抽象。为了实现三个抽象层次的转换，数据库系统在三级模式中提供了两级映射(像)(所谓映射就是存在某种对应关系)：外模式/模式映射、模式/内模式映射。美国ANSI/X3/SPARC的数据库管理系统研究小组于1975年、1978年提出了标准化的建议，将数据库结构分为3级：面向用户或应用程序员的用户级；面向建立和维护数据库人员的概念级；面向系统程序员的物理级。用户级对应外模式，概念级对应模式，物理级对应内模式，使不同级别的用户对数据库形成不同的视图。所谓视图，就是指观察、认识和理解数据的范围、角度和方法，简而言之，视图就是数据库在用户“眼中”的反映。很显然，不同层次（级别）用户所“看到”的数据库是不相同的。外模式数据库系统的体系结构外模式又称子模式或用户模式，对应于用户级。它是某个或某几个用户所看到的数据库的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。外模式是从模式导出的一个子集，包含模式中允许特定用户使用的那部分数据。用户可以通过外模式描述语言（外模式DDL）来描述、定义对应于用户的数据记录（外模式），也可以利用数据操纵语言（DML）对这些数据记录进行操作。外模式反映了数据库的用户观。模式数据库系统的体系结构模式又称概念模式或逻辑模式，对应于概念级。它是由数据库设计者综合所有用户的数据，按照统一的观点构造的全局逻辑结构，是对数据库中全部数据的逻辑结构和特征的总体描述，是所有用户的公共数据视图（全局视图）。模式是由数据库系统提供的数据模式描述语言（DataDescriptionlanguage，模式DDL）来描述、定义的，体现、反映了数据库系统的整体观。内模式数据库系统的体系结构内模式又称存储模式，对应于物理级。它是数据库中全体数据的内部表示或底层描述，是数据库最低一级的逻辑描述，它描述了数据在存储介质上的存储方式和物理结构，对应着实际存储在外存储介质上的数据库。内模式由内模式描述语言（内模式DDL）来描述、定义，它是数据库的存储观。在一个数据库系统中，只有唯一的数据库，因而作为定义、描述数据库存储结构的内模式和定义、描述数据库逻辑结构的模式，是唯一的，但建立在数据库系统之上的应用则是非常广泛、多样的，所以对应的外模式不是唯一的，也不可能唯一。两级映射数据库系统的体系结构„外模式/模式映射：定义某一个外模式和模式之间的对应关系。当模式改变时，外模式/模式的映射要作相应的改变，以保证外模式保持不变。从而保证了数据的逻辑独立性。„模式/内模式映射：定义数据逻辑结构（模式）和存储结构（内模式）之间的对应关系。同样，当数据库的存储结构改变时，模式/内模式的映射也必须作相应的修改，使得模式保持不变。从而保证了数据的物理独立性。数据库内模式模式/内模式映射外模式1外模式2物理级存储视图模式概念级全局视图用户视图外模式/模式映射用户级应用程序1应用程序2应用程序3应用程序4OSDBMS数据库系统体系结构三级模式的优点数据库系统的体系结构„保证数据的独立性„简化了用户接口，方便了用户使用„有利于数据共享„有利于数据安全保密1.6数据模型数据库中的数据是结构化的，即建立数据库就需要考虑如何去组织数据，如何表示数据及数据之间的联系，并将其合理地存放在计算机中，才能便于对其进行有效的处理。数据模型就是描述数据及数据之间联系的结构形式，它研究的内容就是如何组织数据库中的数据。数据模型是数据库的核心内容。为了建立数据模型，就必须对需要描述的事物进行抽象。数据抽象数据模型针对数据的组织过程我们可以将其对象划分为“三个世界”，即现实世界、信息世界和数据世界（也称为计算机世界）。存在于人们头脑之外的客观世界称为现实世界；现实世界中事物及其之间的内在联系在人们头脑中的反映就是一个信息世界，信息世界中的信息可以用文字或符号记载下来；最后人们对信息进行整理并以数据的形式表现出来，就构成了数据世界。三个“世界”之间的关系对象属性实体现实世界事物及联系对象性质事物信息世界概念模型数据世界数据模型记录字段数据抽象数据表示可以看出，数据世界中的数据,是经过两级抽象而来的，并且反映的是现实世界的有关信息。现实世界的复杂事物经过两级抽象的结果就是数据模型。而抽象的过程是先将现实世界的事物及联系抽象为信息世界的概念模型，然后再将概念模型经过二级抽象得到数据模型。从图中还可以看出，概念模型和数据模型实际上是数据抽象的两个结果。概念模型数据模型现实世界的事物及联系经过人们头脑的认识、整理、分类之后进入信息世界，以概念模型的形式表现出来。概念模型也称实体模型或信息模型，它是按用户的观点对现实世界中的事物及联系建立的一种模型。这类模型概念简单、清晰，与计算机无关，用户易于理解，是用户与数据库设计人员之间交流的语言。实现概念模型的过程就是实现从现实世界到数据世界的两级抽象中的第一级抽象——信息抽象过程。„基本概念‹实体(Entity)实体是指客观存在并可相互区分的事物。实体可以指实际的对象，如一个学生、一个部门等，也可以指某些概念，如一次定货、一次演出等。‹属性(Attribute)属性是指实体或联系所具有的特征。一个实体可以由若干个属性来刻画。如一个学生实体的学号、姓名、性别、年龄、班级等都是学生的属性。属性有“型”和“值”的区分，如学生属性的学号、姓名、性别、年龄、班级等是属性的型，而属性的值是其型的具体内容，如9708128、王平、男、18、97081分别是学号、姓名、性别、年龄、班级的值。‹联系(Relationship)‹实体型(EntityType)和实体集(EntitySet)具有相同属性的实体具有共同的特征和性质。用实体名及其属性名集合来描述同类实体，称为实体型。例如，学生（学号、姓名、性别、年龄、班级）是一个实体型。同型实体的集合称为实体集。例如，全体学生就是一个实体集。联系是实体集之间关系的抽象表示。例如，教师实体集和学生实体集之间存在“讲授”联系，学生实体集和课程实体集之间存在“选修”联系。唯一标识实体的属性集称为关键字，又称码、键。如学号是学生实体的关键字。‹关键字(Key)‹域(Domain)某个（些）属性的取值范围。例如，学号的域为7位数字，姓名的域为字符串集合等。„实体联系的类型两个实体集之间的联系可分为三种类型：一对一联系(1:1)、一对多联系(1:n)、多对多联系(m:n)。‹一对一联系(1:1)如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个实体与之联系，反之亦然，则称实体集A与实体集B具有一对一联系，记为1:1。如一个学校只能有一个校长，一个校长也只能在一个学校任职，则学校与校长的联系即为一对一的联系。还有班级与班长也是一对一的联系。‹一对多联系(1:n)‹多对多联系(m:n)如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n（n≥0）个实体与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体集B具有一对多的联系，记为1:n。如一个学校可以有多个系，而一个系只对应一个学校，学校与系的联系即为一对多的联系，还有系对班级、班级对学生、公司对职员都是一对多的联系。如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n（n≥0）个实体与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m（m≥0）个实体与之联系，则称实体集A与实体集B具有多对多的联系，记为m:n。如一个老师可以有多个学生，而一个学生同时会有多个老师，老师与学生的联系即为多对多的联系，还有学生与课程、商店与商品、工厂与产品等都是多对多的联系。实体集A联系名实体集B11(a)1:1的联系(b)1:n的联系(c)m:n的联系实体之间的联系示意图实体集A联系名实体集B1n实体集A联系名实体集Bmn„实体联系模型概念模型最常用的的表示方法是实体－联系方法。该方法用E-R图来描述某一组织的概念模型，这种模型也称为实体联系模型(Entity-RelationshipModel，简称E-R模型)。‹基本表示法：1）实体集：用矩形框表示，矩形框内写明名称；2）属性：用椭圆框表示，椭圆框内写明属性名，并用无向边与相应的实体集连接。3）联系：用菱形框表示，菱形框内写明联系名，并用无向边与有关实体集连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型。4）如果一个联系具有属性，则这些属性也要用无向边与该联系连接起来。‹举例：学生实体集及属性学号学生入学时间系出生年份姓名性别供应商供应项目零件供应量联系的属性实体及其联系图数据模型数据模型„数据模型：是数据库结构和语意的一种抽象，通俗地说，数据模型就是现实世界事物及事物之间联系的数据表示。从数据组织形式而言，数据库的数据结构形式就是数据模型。„数据模型的三要素：‹数据结构‹数据操作‹数据的约束条件‹数据结构（最重要）1）研究对象类型的集合。2）分为两类：与数据类型、内容、性质有关的对象；与数据之间联系有关的对象。3）数据模型的命名一般是由数据结构决定的，如网状、层状、关系。‹数据操作1）指对数据库中各种对象的实例允许执行的操作的集合，包括操作和相关的操作规则。2）操作分为两大类：检索和更新(删除、插入、更改)。3）对数据模型来说，要求定义这些操作的确切含义、操作符号、操作规则(如优先级别)以及实现操作的语言。‹数据的约束条件1）完整性规则的集合。2）完整性规则是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。三种基本数据模型数据模型„层次模型层次模型采用树状结构表示实体及其联系，适合于表示实体之间1:n联系。其结构自顶向下层次分明，如一个学校的行政机构可以抽象为一个层次模型。对层次模型的数据搜索只允许自上向下的单向搜索，这样就使得层次模型中的数据操作受到很大限制。基本数据模型主要有层次、网状和关系三种。„网状模型„关系模型网状模型采用结点间的连通图（网状结构）表示实体及其联系，能表示实体之间各种复杂的联系情况。关系模型采用“二维表”表示实体及其联系，能直接表示实体之间各种复杂的联系情况。关系数据模型具有简单明了、理论严谨等优点，是三种基本数据模型中最重要的模型。目前使用很广。在网状模型中，对数据的搜索可以用两种方式：1）可以从网络中任一点开始搜索；2）可以沿着网络中的路径按任意方向搜索。在计算机中实现较为困难，使用不方便。