【数据库】数据模型

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2023-07-22 06:57 18阅读 0赞

**数据模型是对现实世界数据特征的抽象。** 也就是说数据模型是用来描述数据、组织数据和对数据进行操作的。**数据模型是数据库系统的核心和基础。**  
数据模型的简单定义：能表示实体类型及实体间联系的模型称为“数据模型”。

## 两类数据模型 ##

数据模型的种类很多，目前被广泛使用的可分为两种类型。第一类是概念模型，第二类是逻辑模型和物理模型。

*  第一类概念模型，也称信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模，主要用于数据库设计。
 *  第二类中的逻辑模型，它是对现实世界的第二层抽象。这类模型是按计算机系统的观点对数据建模，主要用于数据库管理系统的实现，称为“逻辑数据模型" ，一般又称为"结构数据模型"。例如层次、网状、关系、面向对象等模型。这类模型有严格的形式化定义，以便于在计算机系统中实现。它通常有一组严格定义了的无义性语法和语义的数据库语言，人们可以用这种语言来定义、操纵数据库中的数据。
 *  第二类中的物理模型是对数据最底层的抽象，它描述数据在系统内部的表示方式和存取方式，或在磁盘或磁带上的存储方式和存取方式，是面向计算机系统的。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1pEXzAxMg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 数据模型的组成要素 ##

**数据模型通常由数据结构、数据操作和数据完整性约束三个部分组成**：  
1、数据结构是指对实体类型和实体间联系的表达和实现；  
2、数据操作是指对数据库的检索和更新(包括插入、删除和修改)两类操作；  
3、数据完整性约束给出数据及其联系应具有的制约和依赖规则。

## 实体 - 联系方法 ##

实体联系模型( Entity Relationship Model，简记为ER模型)是P. P. Chen于1976年提出的。**这个模型直接从现实世界中抽象出实体类型及实体间联系，然后用实体联系图( ER图)表示数据模型。设计ER图的方法称为ER方法**。 ER 图是直接表示概念模型的有力工具。

**ER图有三个基本成分：  
① 矩形框，用于表示实体类型(考虑问题的对象)。  
② 菱形框，用于表示联系类型(实体间联系)。  
③ 椭圆形框，用于表示实体类型和联系类型的属性。**

相应的命名均记入各种框中。对于实体标识符的属性，在属性名下画一条横线。实体与属性之间,联系与属性之间用直线连接；联系类型与其涉及的实体类型，之间也以直线相连，用来表示它们之间的联系，并在直线端部标注联系的类型(1:1、1:N或M:N)。

下面通过例子说明设计ER图的过程。  
例、为仓库管理设计一个ER模型。仓库主要管理零件的采购和供应等事项。仓库根据需要向外面供应商订购零件,而许多工程项目需要仓库提供零件。ER图的建立过程如下:

1.  首先确定实体类型。本问题有三个实体类型：零件PART,工程项目PROJECT,零件供应商SUPPLER。
2.  确定联系类型。PROJECT 和PART之间是M: N联系, PART和SUPPLIER之间也是M:N联系,分别命名为P\_ P和P\_ S。
3.  把实体类型和联系类型组合成ER图。
4.  确定实体类型和联系类型的属性。实体类型PART的属性有零件编号P \# ，零件名称PNAME，颜色COLOR，重量WEIGHT。实体类型PROJECT的属性有项目编号J\# ，项目名称JNAME，项目开工日期DATE。实体类型SUPPLIER的属性有供应商编号S \# ，供应商名称SNAME，地址SADDR。  
    联系类型P\_ P 的属性是某项目需要某种零件的数量TOTAL。联系类型P\_ S的属性是某供应商供应某种零件的数量QUANTTTY。联系类型的数据在数据库技术中称为"相交数据”。联系类型中的属性是实体发生联系时产生的属性，而不应该包括实体的属性或标识符。
5.  确定实体类型的键,在ER图中属于键的属性名下画一条横线。具体的ER图如下图所示。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1pEXzAxMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## 常用的数据模型 ##

首先，介绍一下基本层次联系。  
所谓基本层次联系是指两个记录以及它们之间的一对多（包括一对一）的联系。如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1pEXzAxMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
数据库领域中主要的逻辑数据模型有：

*  **层次模型**
 *  **网状模型**
 *  **关系模型**
 *  **面向对象数据模型**
 *  **对象关系数据模型**
 *  **半结构化数据模型**

## 层次模型 ##

**1、层次模型的数据结构**

在数据库中定义满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型：  
（1）有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点；  
（2）根以外的其他结点有且只有一个双亲结点。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1pEXzAxMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
从上图可以看出层次模型想一颗倒立的树，结点的双亲是唯一的。

**2、层次模型的数据操纵与完整性约束**  
层次模型的数据操纵主要有查询、插入、删除和更新。进入插入、删除、更新操作时要满足层次模型的完整性约束条件。  
层次模型的完整性约束条件：

*  无相应的双亲结点值就不能插入子女结点值。
 *  如果删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被同时删除。
 *  更新操作时，应更新所有相应记录，以保证数据的一致性。

**3、层次模型的优缺点**  
**层次模型的优点：**  
（1）层次模型的数据结构比较简单清晰  
（2）层次数据库的查询效率高  
（3）层次数据模型提供了良好的完整性支持  
**层次模型的缺点：**  
（1）现实世界中很多联系是非层次性的，如结点之间具有多对多联系，不适合用层次模型表示。  
（2）应用程序的编写比较复杂。  
（3）查询子女结点必须通过双亲结点。  
（4）由于结构严密，层次命令趋于程序化。

## 网状模型 ##

网状数据模型的典型代表是DBTG系统，亦称CODASYL系统。

**1、网状模型的数据结构**  
在数据库中，把满足下面两个条件的基本层次联系的集合称为网状模型：  
（1）允许一个以上的结点无双亲；  
（2）一个结点可以有多于一个的双亲。  
层次模型中子女结点与双亲结点的联系是唯一的，而在网状模型中这种联系可以不唯一。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1pEXzAxMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
**2、网状模型的数据操纵与完整性约束**  
网状模型一般来说没有层次模型那样严格的完整性约束条件，但具体的网状数据库系统对数据操纵都伽罗一些限制，提供了一定的完整性约束。  
例如，DBTG在模式数据定义语言中提供了定义DBTG数据库完整性的若干概念和语句，主要有：

*  支持记录码的概念，码即唯一标识记录的数据项的集合。
 *  保证一个联系中双亲记录和子女记录之间是一对多联系。
 *  可以支持双亲记录和子女记录之间的某些约束条件。

**3、网状模型的优缺点**  
网状模型的优点：  
（1）能够更为直接地描述现实世界，如一个结点可以有多个双亲，结点之间可以有多种联系。  
（2）具有良好的性能，存取效率高。  
网状模型的缺点：  
（1）结构比较复杂，而且随着应用环境的扩大，数据库的结构就变得越来越复杂，不利于最终用户掌握。  
（2）网状模型的DDL、DML复杂，并且要嵌入某一种高级语言中。用户不容易掌握，不容易使用。  
（3）由于记录之间的联系是通过存取路径实现的，应用程序在访问数据时必须选择适当的存取路径，因此用户必须了解系统结构的细节，加重了编写应用程序的负担。

## 关系模型 ##

**1、关系模型的数据结构**  
从用户观点看，关系模型由一组关系组成。每个关系的数据结构是一张规范化的二维表。下面以学生登记表为例，介绍关系模型中的一些术语。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1pEXzAxMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

*  关系(Relation)：一个关系对应通常说的一张表。
 *  元组(Tuple)：表中的一行即为一个元组
 *  属性(Attribute)：表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名
 *  主码(Key) ：表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组。
 *  域(Domain)：域是一组具有相同数据类型的值的集合。即属性的取值范围。
 *  分量：元组中的一个属性值。
 *  关系模式：对关系的描述  
    关系名(属性1，属性2，…，属性n )  
    例如，上面关系可描述为 学生(学号，姓名，年龄，性别，系，年级)

**关系模型要求关系必须是规范化的**，满足一定的规范条件。其中，基本的规范条件：**关系的每一个分量必须是一个不可分的数据项。**

**2、关系模型的数据操纵与完整性约束**

*  关系模型的数据操纵主要有查询、插入、删除和更新数据。
 *  关系模型中的数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干元组的集合。
 *  关系模型把存取路径向用户隐藏起来，用户只要指出“干什么”或“找什么”，不必详细说明“怎么干”或“怎么找”。
 *  关系的完整性约束条件包括三大类：实体完整性、参照完整性和用户定义的完整性。

**3、关系模型的优缺点**  
**关系模型的优点：**  
（1）关系模型与格式化模型不同，他是建立在严格的数据概念的基础上的。  
（2）关系模型的概念单一。  
（3）关系模型的存取路径对用户透明，从而具有更高的数据独立性、更好的安全保密性，也简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作。

当然，关系模型也有缺点，例如，由于存取路径对用户是隐藏的，查询效率往往不如格式化数据模型。

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