Database Theory and Application Database Theory and Application

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数据库系统原理及应用 Database Theory and Application 第二章数据库系统结构与数据模型 Database Theory and Application

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第二章数据库系统结构与数据模型 2.1 数据库系统结构 2.2 数据库系统组成 2.3 数据模型 2.4 小结 Database Theory and Application

2.1 数据库系统结构从数据库管理系统角度看，数据库系统通常采用三级模式结构，是数据库系统内部的系统结构从数据库最终用户角度看（数据库系统外部的体系结构），数据库系统的结构分为: 集中式结构分布式结构客户／服务器浏览器／应用服务器／数据库服务器多层结构等 Database Theory and Application

数据库系统结构（续） Database Theory and Application

数据库系统结构（续） 2.1.1 数据库系统三级模式的基本概念数据库系统的三级模式结构 2.1.3 数据库的两级映像功能与数据独立性 Database Theory and Application

2.1.1 数据库系统三级模式的基本概念 “型” 和“值” 的概念型(Type) 对某一类数据的结构和属性的说明值(Value) 是型的一个具体赋值例如学生记录型：（学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯）一个记录值：（900201，李明，男，计算机，22，江苏） Database Theory and Application

数据库系统三级模式的基本概念（续）模式（Schema）数据库逻辑结构和特征的描述是型的描述反映的是数据的结构及其联系模式是相对稳定的实例（Instance）模式的一个具体值反映数据库某一时刻的状态同一个模式可以有很多实例实例随数据库中的数据的更新而变动 Database Theory and Application

数据库系统三级模式的基本概念（续）模式实例同一个模式可以有很多个实例。 Database Theory and Application

数据库系统三级模式的基本概念（续）例如：在学生选课数据库模式中，包含学生记录、课程记录和学生选课记录 2003年的一个学生数据库实例，包含： 2003年学校中所有学生的记录学校开设的所有课程的记录所有学生选课的记录 2002年度学生数据库模式对应的实例与 2003年度学生数据库模式对应的实例是不同的 Database Theory and Application

数据库系统结构（续） 2.1.1 数据库系统三级模式的基本概念数据库系统的三级模式结构 2.1.3 数据库的两级映像功能与数据独立性 Database Theory and Application

2.1.2 数据库系统的三级模式结构模式（Schema）外模式（External Schema）内模式（Internal Schema） Database Theory and Application

数据库系统的三级模式结构（续）图1.28 数据库系统的三级模式结构 Database Theory and Application

一、模式（Schema）模式（也称逻辑模式）数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述所有用户的公共数据视图，综合了所有用户的需求一个数据库只有一个模式模式的地位：是数据库系统模式结构的中间层与数据的物理存储细节和硬件环境无关与具体的应用程序、开发工具及高级程序设计语言无关 Database Theory and Application

模式（续）模式的定义数据的逻辑结构（数据项的名字、类型、取值范围等）数据之间的联系数据有关的安全性、完整性要求 Database Theory and Application

二、外模式（External Schema）
外模式（也称子模式或用户模式）数据库用户（包括应用程序员和最终用户）使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示 Database Theory and Application

外模式（续）外模式的地位：介于模式与应用之间模式与外模式的关系：一对多外模式通常是模式的子集一个数据库可以有多个外模式。反映了不同的用户的应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同外模式与应用的关系：一对多同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用但一个应用程序只能使用一个外模式 Database Theory and Application

示例1——子集学生学号学号姓名年龄性别所在系李勇 21 男计算机系刘晨 20 王敏女张立信息管理系吴宾 19 姓名李勇刘晨王敏张立吴宾性别男女模式学号姓名性别李勇男刘晨王敏女张立吴宾外模式 2017年2月26日8时45分 19

外模式（续）外模式的用途保证数据库安全性的一个有力措施每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据 Database Theory and Application

三、内模式（Internal Schema）
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记录的存储方式（顺序存储，按照B树结构存储，按hash方法存储）索引的组织方式数据是否压缩存储数据是否加密数据存储记录结构的规定一个数据库只有一个内模式 Database Theory and Application

内模式（续）例如学生记录，如果按堆存储，则插入一条新记录总是放在学生记录存储的最后，如右图所示 Database Theory and Application

内模式（续）如果按学号升序存储，则插入一条记录就要找到它应在的位置插入，如图1.29（b）所示如果按照学生年龄聚簇存放，假如新插入的S3是16岁，则应插入的位置如图1.29（c）所示图1.29 记录不同的存储方式示意图 Database Theory and Application

数据库系统结构（续） 1.3.1 数据库系统模式的概念数据库系统的三级模式结构 1.3.3 数据库的两级映像功能与数据独立性 Database Theory and Application

2.3.3 数据库的两级映像功能与数据独立性三级模式是对数据的三个抽象级别二级映象在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换外模式／模式映像模式／内模式映像 Database Theory and Application

一、外模式／模式映象模式：描述的是数据的全局逻辑结构外模式：描述的是数据的局部逻辑结构同一个模式可以有任意多个外模式每一个外模式，数据库系统都有一个外模式／模式映象，定义外模式与模式之间的对应关系映象定义通常包含在各自外模式的描述中 Database Theory and Application

外模式／模式映象（续）保证数据的逻辑独立性当模式改变时，数据库管理员修改有关的外模式／模式映象，使外模式保持不变应用程序是依据数据的外模式编写的，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。 Database Theory and Application

二、模式／内模式映象模式／内模式映象定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。例如，说明逻辑记录和字段在内部是如何表示的数据库中模式／内模式映象是唯一的该映象定义通常包含在模式描述中 Database Theory and Application

模式／内模式映象（续）保证数据的物理独立性当数据库的存储结构改变了（例如选用了另一种存储结构），数据库管理员修改模式／内模式映象，使模式保持不变应用程序不受影响。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。 Database Theory and Application

模式／内模式映象（续）数据库模式即全局逻辑结构是数据库的中心与关键独立于数据库的其他层次设计数据库模式结构时应首先确定数据库的逻辑模式 Database Theory and Application

模式／内模式映象（续）数据库的内模式依赖于它的全局逻辑结构独立于数据库的用户视图，即外模式独立于具体的存储设备将全局逻辑结构中所定义的数据结构及其联系按照一定的物理存储策略进行组织，以达到较好的时间与空间效率 Database Theory and Application

模式／内模式映象（续）数据库的外模式面向具体的应用程序定义在逻辑模式之上独立于存储模式和存储设备当应用需求发生较大变化，相应外模式不能满足其视图要求时，该外模式就得做相应改动设计外模式时应充分考虑到应用的扩充性 Database Theory and Application

模式／内模式映象（续）特定的应用程序在外模式描述的数据结构上编制的依赖于特定的外模式与数据库的模式和存储结构独立不同的应用程序有时可以共用同一个外模式数据库的二级映像保证了数据库外模式的稳定性从底层保证了应用程序的稳定性，除非应用需求本身发生变化，否则应用程序一般不需要修改 Database Theory and Application

模式／内模式映象（续）数据与程序之间的独立性，使得数据的定义和描述可以从应用程序中分离出去数据的存取由DBMS管理用户不必考虑存取路径等细节简化了应用程序的编制大大减少了应用程序的维护和修改 Database Theory and Application

2.2 数据库系统的组成数据库数据库管理系统（及其开发工具）应用系统数据库管理员 Database Theory and Application

数据库系统的组成（续）硬件平台及数据库软件人员 Database Theory and Application

一、硬件平台及数据库数据库系统对硬件资源的要求 (1) 足够大的内存操作系统 DBMS的核心模块数据缓冲区应用程序 Database Theory and Application

硬件平台及数据库（续） (2) 足够大的外存磁盘或磁盘阵列数据库光盘、磁带数据备份 (3) 较高的通道能力，提高数据传送率 Database Theory and Application

二、软件 DBMS 支持DBMS运行的操作系统与数据库接口的高级语言及其编译系统以DBMS为核心的应用开发工具为特定应用环境开发的数据库应用系统 Database Theory and Application

DBMS的功能和组成源模式和映象计划的DML请求非计划的DML请求 DDL 处理器 DML 查询语言编译器运行管理器
源模式、目标模式和映象元数据数据数据字典增强安全性和完整性约束优化处理器

三、人员数据库管理员系统分析员和数据库设计人员应用程序员用户 Database Theory and Application

人员（续）不同的人员涉及不同的数据抽象级别，具有不同的数据视图，如下图所示图1.30 各种人员的数据视图 Database Theory and Application

1. 数据库管理员(DBA) 具体职责： 1.决定数据库中的信息内容和结构 2.决定数据库的存储结构和存取策略 3.定义数据的安全性要求和完整性约束条件 Database Theory and Application

数据库管理员(续) 4.监控数据库的使用和运行周期性转储数据库数据文件日志文件系统故障恢复介质故障恢复监视审计文件 Database Theory and Application

数据库管理员(续) 5. 数据库的改进和重组性能监控和调优定期对数据库进行重组织，以提高系统的性能需求增加和改变时，数据库须需要重构造 Database Theory and Application

2. 系统分析员和数据库设计人员系统分析员负责应用系统的需求分析和规范说明与用户及DBA协商，确定系统的硬软件配置参与数据库系统的概要设计 Database Theory and Application

系统分析员和数据库设计人员（续）数据库设计人员参加用户需求调查和系统分析确定数据库中的数据设计数据库各级模式 Database Theory and Application

3. 应用程序员设计和编写应用系统的程序模块进行调试和安装 Database Theory and Application

4. 用户用户是指最终用户（End User）。最终用户通过应用系统的用户接口使用数据库。 1. 偶然用户不经常访问数据库，但每次访问数据库时往往需要不同的数据库信息企业或组织机构的高中级管理人员 Database Theory and Application

用户（续） 2. 简单用户主要工作是查询和更新数据库银行的职员、机票预定人员、旅馆总台服务员 3. 复杂用户工程师、科学家、经济学家、科技工作者等直接使用数据库语言访问数据库，甚至能够基于数据库管理系统的API编制自己的应用程序 Database Theory and Application

小结(续) 数据库系统的结构数据库系统三级模式结构数据库系统两层映像系统结构数据库系统的组成 Database Theory and Application

课后作业及思考题作业 P11习题8、P26习题6 思考题 P26习题7、8 Database Theory and Application

2.3 数据模型在数据库中用数据模型这个工具来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息。通俗地讲数据模型就是现实世界的模拟。数据模型应满足三方面要求能比较真实地模拟现实世界容易为人所理解便于在计算机上实现 Database Theory and Application

数据模型(续) 两大类数据模型数据模型的组成要素概念模型几种常见的数据模型 Database Theory and Application

两大类数据模型数据模型分为两类（分属两个不同的层次） (1) 概念模型也称信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模，用于数据库设计。 (2) 组织层的数据模型主要描述数据的逻辑结构组织。是按计算机系统的观点对数据建模，用于DBMS实现。 Database Theory and Application

两大类数据模型 (续) 客观对象的抽象过程---两步抽象现实世界中的客观对象抽象为概念模型；把概念模型转换为某一DBMS支持的数据模型。 Database Theory and Application

两大类数据模型 (续) 现实世界认识抽象现实世界概念模型数据库设计人员完成概念模型信息世界概念模型逻辑模型数据库设计人员完成 DBMS支持的数据模型逻辑模型物理模型由DBMS完成机器世界现实世界中客观对象的抽象过程 Database Theory and Application

2.3.2 数据模型的组成要素数据结构数据操作完整性约束条件 Database Theory and Application

一、数据结构什么是数据结构描述数据库的组成对象，以及对象之间的联系描述的内容与数据类型、内容、性质有关的对象与数据之间联系有关的对象数据结构是对系统静态特性的描述 Database Theory and Application

举例：学生选课系统的数据结构学生关系模式属性类型空说明学号 CHAR(8) 码姓名 CHAR(10) N 性别 CHAR(1) 0 男 1 女专业 CHAR Y 学生选课关系模式属性类型空说明学号 CHAR(8) 分别是外码一起是主码课程号成绩 INT Y 0=< >=100 课程关系模式属性类型空说明课程号 CHAR(8) 码课程名 CHAR(30) N 学时 INT Database Theory and Application

二、数据操作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数据操作的类型查询更新(包括插入、删除、修改) 数据操作是对系统动态特性的描述 Database Theory and Application

三、数据的完整性约束条件数据的完整性约束条件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储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。 Database Theory and Application

举例：学生选课系统的数据操作及完整性约束
学生关系（值）学号姓名性别专业 05001 李明男计算机 05010 王丽女 05130 张伟数控 06008 刘力选课关系（值）学号课程号成绩 05001 J001 85 05010 90 05130 J012 89 不符合用户定义的完整性不符合参照完整性李平男计算机 J002 75 180 80 课程关系（值） J002 J003 课程号课程名学时 J001 C语言 64 J002 数据结构 48 J012 AutoCAD J 数据库 Database Theory and Application

概念模型信息世界中的基本概念概念模型的一种表示方法一个实例 Database Theory and Application

概念模型概念模型的用途概念模型用于信息世界的建模是现实世界到机器世界的一个中间层次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对概念模型的基本要求较强的语义表达能力能够方便、直接地表达应用中的各种语义知识简单、清晰、易于用户理解 Database Theory and Application

一、信息世界中的基本概念身高、年龄性别、体重 …… (1) 实体（Entity）客观存在并可相互区别的事物称为实体。可以是具体的人、事、物或抽象的概念。 (2) 属性（Attribute）实体所具有的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。 (3) 码（Key）唯一标识实体的属性集称为码。 Database Theory and Application

信息世界中的基本概念(续) (4) 域（Domain）属性的取值范围称为该属性的域。 (5) 实体型（Entity Type）用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体称为实体型 (6) 实体集（Entity Set）同一类型实体的集合称为实体集 Database Theory and Application

信息世界中的基本概念(续) (7) 联系（Relationship）现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界中反映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 Database Theory and Application

二、概念模型的一种表示方法实体－联系方法(E-R方法) 用E-R图来描述现实世界的概念模型 E-R方法也称为E-R模型 Database Theory and Application

E-R图的组成实体用矩形表示，矩形框内写明实体名。属性用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体连接起来学生教师学生学号年龄性别姓名 Database Theory and Application

E-R图的组成(续) 联系联系的本身：用菱形表示，菱形框内写明联系名，并用无向边分别与有关实体连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1:1、1:n或m:n） Database Theory and Application

两个实体型之间的联系用图形来表示两个实体型之间的这三类联系实体型A 联系名实体型B 1 1:1联系 n 1:n联系 m m:n联系 Database Theory and Application

两个实体型之间的联系（续）一对一联系（1:1）　实例一个班级只有一个正班长一个班长只在一个班中任职定义：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（也可以没有）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 班级从属班长 1 1:1联系 Database Theory and Application

两个实体型之间的联系 (续) 一对多联系（1：n）实例一个班级中有若干名学生，每个学生只在一个班级中学习定义：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n≥0）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有一对多联系，记为1:n 班级组成学生 1 n 1:n联系 Database Theory and Application

两个实体型之间的联系 (续) 多对多联系（m:n）实例课程与学生之间的联系：一门课程同时有若干个学生选修一个学生可以同时选修多门课程定义：如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n≥0）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个实体（m≥0）与之联系，则称实体集A与实体B 具有多对多联系，记为m:n 课程选修学生 m n m:n联系 Database Theory and Application

两个以上实体型之间的联系实例课程、教师与参考书三个实体型一门课程可以有若干个教师讲授，使用若干本参考书，每一个教师只讲授一门课程，每一本参考书只供一门课程使用课程讲授教师 1 m 两个以上实体型间1:n联系参考书 n Database Theory and Application

两个以上实体型之间的联系(续) 两个以上实体型间的多对多联系实例供应商、项目、零件三个实体型一个供应商可以供给多个项目多种零件每个项目可以使用多个供应商供应的零件每种零件可由不同供应商供给供应商供应项目 m p 两个以上实体型间m:n联系零件 n Database Theory and Application

单个实体型内的联系一对多联系实例职工实体型内部具有领导与被领导的联系某一职工（干部）“领导”若干名职工一个职工仅被另外一个职工直接领导这是一对多的联系职工领导 1 n 单个实体型内部1:n联系 Database Theory and Application

联系的属性联系的属性：联系本身也是一种实体型，也可以有属性。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课程选修学生 m n 成绩 Database Theory and Application

三、一个实例用E-R图表示某个工厂物资管理的概念模型实体仓库：仓库号、面积、电话号码零件：零件号、名称、规格、单价、描述供应商：供应商号、姓名、地址、电话号码、帐号项目：项目号、预算、开工日期职工：职工号、姓名、年龄、职称 Database Theory and Application

一个实例实体之间的联系如下： (1)一个仓库可以存放多种零件，一种零件可以存放在多个仓库中。仓库和零件具有多对多的联系。用库存量来表示某种零件在某个仓库中的数量。 (2)一个仓库有多个职工当仓库保管员，一个职工只能在一个仓库工作，仓库和职工之间是一对多的联系。 (3)职工之间具有领导-被领导关系，即仓库主任领导若干保管员。职工实体型中具有一对多的联系 (4)供应商、项目和零件三者之间具有多对多的联系联系的属性 Database Theory and Application

例题某企业集团有若干工厂，每个工厂生产多种产品，且每一种产品可以在多个工厂生产，每个工厂按照固定的计划数量生产产品；每个工厂聘用多名职工，且每名职工只能在一个工厂工作，工厂聘用职工有聘期和工资。工厂的属性有工厂编号、厂名、地址，产品的属性有产品编号、产品名、规格，职工的属性有职工号、姓名。根据上述语义画出E-R图，在E-R图中需注明实体的属性、联系的类型及实体的标识符。工厂工厂编号厂名地址职工职工号姓名产品产品编号产品名规格数量 N 生产 M 聘用 N 聘期工资 1 Database Theory and Application

常用的几种数据模型非关系模型层次模型(Hierarchical Model) 网状模型(Network Model) 关系模型(Relational Model) 面向对象模型(Object Oriented Model）对象关系模型(Object Relational Model) Database Theory and Application

层次数据模型采用层次模型作为数据的组织方式。典型代表是IBM公司的IMS（Information Management System）数据库管理系统，是IBM公司1968年推出的第一个大型的商用数据库管理系统。层次模型用树形结构表示实体和实体之间的联系。构成层次模型的树由结点和连线组成，结点表示实体，连线表示相连的两个实体间的联系，这种联系是一对多的。通常把表示“一”的实体放在上方，称为父结点；把表示“多”的实体放在下方，称为子结点。 Database Theory and Application

层次模型的两点限制（1）有且仅有一个结点无父结点，这个结点即为树的根；（2）其他结点有且仅有一个父结点。 Database Theory and Application

层次结构示例 Database Theory and Application

网状数据模型用图形结构表示实体和实体之间的联系的数据模型就称为网状数据模型。去掉了层次模型中的两点限制。可以直接表示多对多的联系。同样使用父结点和子结点这样的术语，并且同样一般把父结点放置在子结点的上方。典型代表是CODASYL系统，它是CODASYL组织的标准建议的具体实现。 Database Theory and Application

网状结构示意图 Database Theory and Application

关系数据模型把数据看成是二维表中的元素，而这个二维表就是关系用关系（表格数据）表示实体和实体之间联系的模型称为关系数据模型示例：学生基本信息表 Database Theory and Application

2.4 小结数据模型数据模型的三要素概念模型， E-R 图的画法三种主要数据库模型 Database Theory and Application

下课了。。。追求休息一会儿。。。 Database Theory and Application

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