第2章数据模型概要

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1、,第 2 章 数据模型,本章内容： 传统数据模型 关系数据模型 对传统数据模型的评价 E-R数据模型 UML E-R数据模型,数据模型是描述数据、数据间的联系、数据的语义以及数据一致性约束的概念工具的集合。 由于现有的数据库管理系统均是基于某种数据模型实现的。因此，了解数据模型的基本概念是学习数据库课程的基础。,引言,数据模型可分为两类: 一类是概念数据模型，是现实世界的第一层抽象。也是一种高层数据模型。 概念模型用来表示现实世界中实体以及实体间的联系。强调语义表达能力。 因此，模型中的概念应该简单、清晰、易于用户理解。概念模型是用户和数据库人员之间进行交流的工具。最著名的概念模型是“实体-联

2、系（E-R）模型（或简称E-R模型）”。,引言,引言,另一类是直接面向数据库逻辑结构的数据模型,称为“基本数据模型”或“结构数据模型”，是现实世界的第二层抽象，是一种低层模型。例如, 层次数据模型（或简称层次模型）、网状数据模型（或简称网状模型）、关系数据模型（或简称关系模型）、面向对象数据模型（或简称对象模型）。这类模型有严格的形式化定义, 便于在计算机系统中实现。,关系模型是一种低层模型，它是用表的集合来表示数据和数据间的联系。多数数据库管理系统都是基于关系模型的。 在数据库应用中，通常是先用E-R模型在高层对数据建模，然后再将其转换为低层的关系模型。,引言,2.1 传统数据模型 2.1.

3、1层次数据模型 (hierarchical data model) 层次数据模型是一种用树型（层次）结构表示数据及数据间联系的数据模型。 特点：是以记录为节点的有向树，且满足以下条件： 有且仅有一个节点没有双亲节点，即根节点。 其他节点有且仅有一个双亲节点。,2.1.1 层次数据模型,层次数据模型的例子,任何一个给定的记录值只有按其路径查看时，才能显出它的全部意义，没有一个子女记录值能够脱离双亲记录值而独立存在。,记录和字段 记录是用来描述某个事物或事物间关系的命名的数据单位，也是存储的数据单位。一个记录包含若干字段。 每个字段也是命名的，字段只能是简单数据类型（整数、实数、字符串等）。,2.

4、1.1 层次数据模型,记录的型（记录的数据模式）,记录的一个实例,2.1.1 层次数据模型,一个系通常有若干个班级，系和班级的这种“一对多(1:N)”关系在层次数据模型中用双亲子女关系(PCR)表示。图中“1”和“N”表示“1个”系有“多个”班级。,双亲子女关系的型,2.1.1 层次数据模型,假如，计算机系的学生由4个班级组成，则图表示一个双亲子女实例。,双亲子女关系的实例,2.1.1 层次数据模型,利用双亲子女关系，可以构成层次数据模式。,2.1.1 层次数据模型,图表示一个系由若干个班级和教研组组成；一个班级由若干个学生组成；一个教研组由若干个教师组成。,层次数据模型的例子,非层次关系表示

5、问题。 M:N 假设一个学生可以选修多门课程，而一门课程可以由多个学生选修，那么学生和课程之间的这种选修关系是一种“多对多（M:N）”的联系（非层次关系）。, 虚拟记录,2.1.1 层次数据模型, 在层次数据模型中M:N也用双亲子女关系(PCR)表示。由于不允许一个记录有多个双亲，需要复制记录，导致冗余。如下图：,2.1.1 层次数据模型,2.1.1 层次数据模型,一个记录是两个以上PCR的子女,冗余结点法优点： 结构清晰，允许结点改变存储位置。 冗余结点法缺点： 需要额外空间，易产生数据不一致。,用虚拟记录表示前面的联系，解决了冗余。,2.1.1 层次数据模型,为避免这一情况，只存一份记录，

6、其它引用该记录的地方用指针代替 这种用指针代替的记录称为虚拟记录。,层次数据模型常用的实现方法： 邻接法 链接法,2.1.1 层次数据模型,略。,层次数据模型的优点： 能直观地描述客观世界； 记录之间的联系通过指针来实现，查询效率较高。 层次数据模型的缺点： 只能直接表示一对多的联系，不能直接表达多对多的联系； 数据的查询和更新较复杂。（如查询子女结点必须通过双亲结点）,2.1.1 层次数据模型,2.1.2 网状数据模型(network data model),特点：网状数据模型是一种用有向图表示数据及数据之间联系的数据模型。其中每个结点表示一个记录类型（实体） ，每个记录类型可有若干个字段（

7、实体的属性） ；结点间的连线表示记录类型之间的一对多联系（箭头表示从箭尾的记录类型到箭头的记录类型间联系是1:N联系）。,班级 - 学生系,2.1.2 网状数据模型,学号 姓名 系别,课程号 课程名 学分,学号 课程号 成绩,s-sc,c-sc,学生,课程,选课,学生/选课/课程的网状数据模型, 网状数据模型常用的实现方法： 单向链接、双向链接、环状链接、向首链接等。,2.1.2 网状数据模型,网状模型的优点： 网状模型中，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，结点之间可以有多种联系(突破了层次数据模型的限制）； 不同记录之间的联系通过指针实现； 多对多（M:N）联系也容易

8、实现（一个M:N联系可拆成两个1:N联系），查询效率较高；,2.1.2 网状数据模型,网状数据模型的缺点： 结构较复杂，且随着应用环境扩大，数据库结构将变得更复杂，不便于修改数据库的结构，不利于最终用户掌握； 网状模型的DDL、DML复杂，编写应用程序困难，用户不易掌握和使用。,2.1.2 网状数据模型,2.2 关系数据模型,关系数据模型是目前使用最广泛的一种数据模型。利用二维表的集合来表示数据和数据间的联系。表中的每一行称为一个元组（对应记录），表中的每一列称为一个属性（对应字段），如图所示。,关系数据模型中的二维表,Compare with,2.2 关系数据模型,2.2 关系数据模型,关系

9、数据库中的数据是以表的形式存放，一个关系对应一张表，表中的每一行对应不同的记录，表中的每一列对应不同的属性。 表中不允许有重复记录，列名惟一，行序和列序可以任意。,2.2 关系数据模型,（a）,（b） 部门关系表,属性和域 属性-用来描述事物特征。 例如：学生的姓名、学号、性别、出生年月等。 域-属性的取值范围。 例如：姓名的取值范围是合法姓名的集合。 学号的域是若干位数字组成的字符串的集合。 性别的域是男，女 注意：关系数据模型中，所有的属性都应是不可再分的 原子数据的集合。 关系数据模型中，允许某些属性值为空，即NULL。,2.2.1 关系的基本概念和定义,关系和元组 设有一关系R，R上有

10、属性： A1，A2，An 其对应域分别为： D1，D2，Dn 则关系R可表示为： R （A1/D1，A2/D2，An/Dn） 其中：n为关系R的属性个数，也称为关系的目。 同一关系中，不允许有同名属性，但不同属性可有相同的域。,2.2.1 基本概念及定义,关系R某个时刻的值用r表示 ,它是n目元组的集合,即： r = t1,t2,tm 每个元组t可表示为： t = , viDi , 1i n 即 ti D1D2 Dn， 1 i n,2.2.1 基本概念及定义,键 键（或候选键）如果关系的某一个属性或属性组的值唯一地决定其它所有属性的值。而其任 何真子集无此性质，则这个属性或属性组称为该 关系的

11、键。 例：学生关系中，学号就是候选键。,2.2.1 基本概念及定义,超键-与上相同，区别仅在于其真子集也 具此性质。,主键-一个关系R可有多个候选键，若选中 一个作为Key，则它就是主键，其它称候补键， 每个元组的主键值应是唯一的。,全键-由所有属性组成的键，称为全键。,2.2.1 基本概念及定义,外键-引用其它关系的Key或本关系的Key， 称为外键。,例：COURSE（课程号，课程名，学分，开课时间， 先修课程号） GRADE （学号，课程号，成绩） 其中： 的主键是课程号。 的主键是学号+课程号。 中先修课程号是引用本关系的键，是外键。 中学号、课程号是引用STUDENT关系和 COUR

12、SE中的键，也是外键。,2.2.1 基本概念及定义,主属性-包含在候选键中的属性，称为主属性。,非主属性-不包含在候选键中的属性，称非主属性。,2.2.1 基本概念及定义, 关系数据模型是用关系描述事物间联系的，且 这种联系通常都隐含在它们的公共属性中，尤其是外键中。 因此，关系数据模型不能显示地表示这种事物间的联系，是这种模型的一个缺点。,2.2.1 基本概念及定义,关系模式R（A1/D1,A2/D2,，AN/DN）中， R的任何一个元组 t 应满足条件： t D1 D2 Dn,满足上述条件的元组是合乎语法的，但,并不是每个合乎语法的元组都能成为R的元组，它还要受到语义上的限制。,2.2.2

13、 约束,如，一个大学生的年龄在5岁100岁之间。 身高3米 这就是语义上的限制。数据的语义不但限制 属性的值，而且还会制约属性间的关系。,例：在一个R中，作为主键的属性或属性组， 其值不为空或不重复出现等等。 语义施加在属性间的限制，称为完整性约束。,2.2.2 约束,关系数据模型的完整性约束共分为4类： 域完整性约束 域完整性约束是最简单、最基本的约束。 属性值应是域中的值，属性的值能否为空， 由问题的语义决定。,例：考试分数（成绩）的取值范围是0100。,2.2.2 约束,2. 实体完整性约束 每一个关系都应有一个主键，用来唯一识别 一个元组的。它的值不能为空，否则无法区分和识别元组，这就

14、是实体完整性约束。,2.2.2 约束,3. 引用完整性约束 这是指不同关系之间或同一关系的不同元组 间的约束。设关系R有一外键FK，则其某一元组 t的外键值为tFK。,设FK引用关系R的主键Pk，R可以是R, 也 可以不是R。引用完整性约束要求tFK遵守下面约束： tPK （t为R中某一元组） tFK NULL 即外键要么是空缺，要么是引用实际存在的主键值。,2.2.2 约束,假定现在往职工关系 中插入一个元组： （“WH7”，”E9”，1400） 请问是否有问题？,仓库,职工,2.2.2 约束,利用引用完整性约束就可以解决这类问题。,由于仓库号是仓库关系的候选键，同时是职工 关系的外键。在定

15、义职工关系的仓库号字段时，只 要说明外键约束： 仓库号 CHAR（4）NOT NULL REFERENCES 仓库（仓库号）,有了以上的约束，系统就会自动检查相应的记录是否存在，从而保证数据的引用完整性。,2.2.2 约束,4. 一般性完整性约束,用户为了满足特定的要求而做的一些与数据 完整性有关的规定。,2.2.2 约束,2.2.3 操作 关系数据模型提供了两类操作： 关系代数操作(relational algebra operations) 关系演算(relational calculus) 2.2.3.1 关系代数操作 选择操作 一元关系运算。按给定条件从关系中挑选满足条件的元组组成的集合 。 语法格式： （）,订购单关系,例： 职工号=“E3”（订购单）,2.2.3 操作,订购单关系,例： 职工号=“E3”（订购单）,结果如下：,2.2.3 操作, 投影操作 一元关系运算。从关系中挑选指定的属性组成的新关系。 语法格式：（）,2.2.3 操作,订购单关系,2.2.3 操作,订购单关系,例： 职工号，供应商号（订购单）,结果：,2.2.3 操作,订购单关系,例： 订购单号，供应商号（ 职工号=“E3” （订购单）,嵌套使用的情况：, 选择指定的属性，形成一个 可能含有重复行的表格； 删除重复行，形