《数据库原理与应用》第2章.概念数据模型

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1、返回返回返回返回1第 2 章 概念数据模型2.1.1 数据模型的组成要素 数据模型是模型的一种，是现实世界数据特征的抽象。 数据模型通常由数据结构、数据操作和数据的约束条件 三个要素组成。 1. 数据结构 数据结构用于描述系统的静态特性。 数据结构是所研究的对象类型的集合，它是刻画一个数 据模型性质最重要的方面。 在数据库系统中，人们通常按照其数据结构的类型来命 名数据模型。 数据结构有层次结构、网状结构和关系结构三种类型， 按照这三种结构命名的数据模型分别称为层次模型、网 状模型和关系模型。返回返回返回返回22. 数据操作 数据操作用于描述系统的动态特性。 数据操作是对数据库中各种数据操作的

2、集合，包括 操作及相应的操作规则。 如数据的检索、插入、删除和修改等。 数据模型必须定义这些操作的确切含义、操作规则 以及实现操作的语言。 3. 数据的约束条件 数据的约束条件是一组完整性规则的集合。 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。 数据模型还应该提供定义完整性约束条件的机制，以反映 具体应用所涉及的数据必须遵守的特定的语义约束条件。 例如，在学生数据库中，学生的年龄不得超过 40 岁。返回返回返回返回32.1.2 数据之间的联系 2.1.2.1 三个世界的划分 由于计算机不能直

3、接处理现实世界中的具体事物， 所以人们必须将具体事物转换成计算机能够处理的 数据。 在数据库中用数据模型来抽象、表示和处理现实世 界中的数据。 数据库即是模拟现实世界中某应用环境（一个企业 、单位或部门）所涉及的数据的集合，它不仅要反 映数据本身的内容，而且要反映数据之间的联系。 这个集合或者包含了信息的一部分（用用户视图模 拟），或者包含了信息的全部（用概念视图模拟） ，而这种模拟是通过数据模型来进行的。返回返回返回返回4为了把现实世界中的具体事物抽象、组织为某一 DBMS 支持的数据模型，在实际的数据处理过程中 ， 首先将现实世界的事物及联系抽象成信息世界的信息模型， 然后再抽象成计算机世

4、界的数据模型。 信息模型并不依赖于具体的计算机系统，不是某一 个 DBMS 所支持的数据模型，它是计算机内部数据 的抽象表示，是概念模型； 概念模型经过抽象，转换成计算机上某一 DBMS 支 持的数据模型。所以说，数据模型是现实世界的两 级抽象的结果。 在数据处理中，数据加工经历了现实世界、信息世 界和计算机世界三个不同的世界，经历了两级抽象 和转换。这一过程如图 1.6 所示。 返回返回返回返回5图 1.6 数据处理的抽象和转换过程现实世界信息世界认识抽象计算机世界返回返回返回返回62.1.1.2 信息世界中的基本概念 在信息世界中，常用的主要概念如下： 1. 实体（ Entity ） “”

5、客观存在并且可以相互区别的 事物 称为实体。 实体可以是可触及的对象，如一个学生，一本书，一 辆汽车；也可以是抽象的事件，如一堂课，一次比赛 等。 2. 属性 (Attributes) 实体的某一特性称为属性。 如学生实体有学号、姓名、年龄、性别、系等方面的属性。 属性有 “ 型 “”和 值 之分， “ 型 “ 即为属性名，如姓名、年龄、 “”性别是属性的型； 值 即为属性的具体内容，如（ 990001, 张立 ， 20 ，男，计算机）这些属性值的集合表示了一个学生实体。返回返回返回返回73. 实体型（ Entity Type ） 若干个属性型组成的集合可以表示一个实体的类型 ，简称实体型。

6、如学生（学号，姓名，年龄，性别，系）就是一个实体型。 4. 实体集 (Entity Set) 同型实体的集合称为实体集。如所有的学生、所有的课程等。 5. 键（ Key ） 能唯一标识一个实体的属性或属性集称为实体的键 。 如学生的学号，学生的姓名可能有重名，不能作为学生实体 的键。返回返回返回返回86. 域（ Domain ） 属性值的取值范围称为该属性的域。 如学号的域为 6 位整数，姓名的域为字符串集合，年龄的域为小 于 40 的整数，性别的域为（男，女）。 7. 联系（ Relationship ） 在现实世界中，事物内部以及事物之间是有联系的， 这些联系同样也要抽象和反映到信息世界中

7、来， 在信息世界中将被抽象为实体型内部的联系和实体型 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。 反映实体型及其联系的结构形式称为实体模型，也称 作信息模型，它是现实世界及其联系的抽象表示。返回返回返回返回9两个实体型之间的联系有如下三种类型： （ 1 ）一对一联系（ 1:1 ） 实体集 A 中的一个实体至多与实体集 B 中的一个实体 相对应，反之亦然，则称实体集 A 与实体集 B 为一对 一的联系。记作 1:1 。 如：班级与班长，观众与座位，病人与床位。 （ 2 ）一对多联系（ 1:n ） 实体集 A 中的一个实体与实体

8、集 B 中的多个实体相对 应，反之，实体集 B 中的一个实体至多与实体集 A 中 的一个实体相对应。记作 1:n 。 如：班级与学生、公司与职员、省与市。 （ 3 ）多对多（ m:n ） 实体集 A 中的一个实体与实体集 B 中的多个实体相对 应，反之，实体集 B 中的一个实体与实体集 A 中的多 个实体相对应。记作（ m:n ）。 如：教师与学生 , 学生与课程，工厂与产品。返回返回返回返回10实际上，一对一联系是一对多联系的特例，而一对 多联系又是多对多联系的特例。 可以用图形来表示两个实体型之间的这三类联系，如图书 1.7 所示。A B A B A B(a) (b) (c)图 1.7 不

9、同实体集实体之间的联系返回返回返回返回112.1.1.3 计算机世界中的基本概念 信息世界中的实体抽象为计算机世界中的数据，存储 在计算机中。在计算机世界中，常用的主要概念如下 ： 1. 字段（ Field ） 对应于属性的数据称为字段，也称为数据项。字段的 命名往往和属性名相同。 如学生有学号、姓名、年龄、性别、系等字段。2. 记录（ Record ） 对应于每个实体的数据称为记录。如一个学生（ 990001 ，张立， 20 ，男，计算机）为一个记录。3. 文件（ File ） 对应于实体集的数据称为文件。如所有学生的记录组成了一个学生文件。返回返回返回返回12在计算机世界中，信息模型被抽象

10、为数据模型，实体 型内部的联系抽象为同一记录内部各字段间的联系， 实体型之间的联系抽象为记录与记录之间的联系。 现实世界是设计数据库的出发点，也是使用数据库的 最终归宿。 实体模型和数据模型是现实世界事物及其联系的两级 抽象。而数据模型是实现数据库系统的根据。 通过以上的介绍，我们可总结出三个世界中各术语的 对应关系如图 1.8 所示。 现实世界 信息世界计算机世界 事物总体 实体集文件 事物个体 实体记录 特征 属性字段 事物间联系 实体模型数据模型图 1.8 三个世界各术语的对应关系返回返回返回返回132.1.3 数据模型的分类 数据模型的好坏，直接影响数据库的性能。 数据模型的选择，是设

11、计数据库的一项首要任 务。 目 前 最 常 用 的 数 据 模 型 有 层 次 模 型 （ Hierarchical Model ）、网状模型（ Network Model ）和关系模型（ Relational Model ）。 这三种数据模型的根区别在于数据结构不同， 即数据之间联系的表示方式不同。 “”层次模型用 树结构 来表示数据之间的联系； “”网状模型是用 图结构 来表示数据之间的联系； “”关系模型是用 二维表 来表示数据之间的联系。返回返回返回返回14 其中层次模型和网状模型是早期的数据模型，统称为 非关系模型。 20 世纪 70 年代至 80 年代初，非关系模型的数据库系 统非

12、常流行，在数据库系统产品中占据了主导地位， 现在已逐渐被关系模型的数据库系统取代， 但在美国等国，由于早期开发的应用系都是基于层次 数据库或网状数据库系统，因此目前层次数据库或网 状数据库的系统仍很多。 20 世纪 80 年代以来，面向对象的方法和技术在计算 机各个领域，包括程序设计语言、软件工程、计算机 硬件等各方面都产生了深远的影响，出现了一种新的 数据模型面向对象的数据模型 返回返回返回返回152.1.3.1 层次模型 层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型，采 用层次模型的数据库的典型代表是 IBM 公司的 IMS （ Information Management System ）数

13、据库管 理系统， 现实世界中，许多实体之间的联系都表现出一种很 自然的层次关系，如家族关系，行政机构等。 “”层次模型用一棵 有向树 的数据结构来表示各类实 体以及实体间的联系。 在树中，每个结点表示一个记录类型，结点间的连线（或边） 表示记录类型间的关系，每个记录类型可包含若干个字段，记 录类型描述的是实体，字段描述实体的属性，各个记录类型及 其字段都必须命名。 如果要存取某一记录型的记录，可以从根结点起，按照有向树 层次向下查找。返回返回返回返回16图 1.9 是层次模型有向树的示意图。结 点 A 为根结点， ,F,G 为叶结 点， B,D为兄结点图 1.9 层次模型有向树的示意图 ABC

14、DEF返回返回返回返回171. 层次模型的特征 （ 1 ）有且仅有一个结点没有双亲，该结点就是根结点； （ 2 ）根以外的其他结点有且仅有一个双亲结点，这就使 得层次数据库系统只能直接处理一对多的实体关系； （ 3 ）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。 例如：以下是一个层次模型的例子，如图 1.10 所示。D# DN DLR# RNS# SN SST# TN TD教研室 R学生 S图 1.10 TS 数据库模型返回返回返回返回18层次数据库为 TS ，它具有四个记录型，分别是： 记录型 D （系）是根结点，由字段

15、D# （系编号）、 DN （系名）、 DL （系地点）组成，它有两个孩子结 点，： R 和 S ， 记录型 R （教研室）是 D 的孩子结点，同时又是 T 的 双亲结点，它由 R# （教研室编号）、 RN （教研室 名）两个字段组成， 记 录 型 S （ 学 生 ） 由 S# （ 学 号 ） 、 SN （ 姓 名）、 SS （成绩）三个字段组成， 记录型 T （教师）由 T# （职工号）、 TN （姓名）、 TD （研究方向）三个字段组成， S 与 T 是叶结点，它们没有子女结点，由 D 到 R ， R 到 T ，由 D 到 S 均是一对多的关系。返回返回返回返回19对应上述数据模型的一个值，该值是 D02 系（计算机系）记录值及其所有后代记 录值组成的一棵树， D02 系有 3 个教研室子记录值： R01 、 R02 、 R03 和3个学生记录值： S63871 、 S63874 、 S63876 ， 教 研 室R01有3个 教 师 记 录 值 ： T2101 、 T17090 、 T3501.返回返回返回返回20