第02讲数据模型与数据库系统结构课件

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1、第2章 数据库系统结构 2.1 数据和数据模型 2.2 概念层数据模型 2.3 组织层数据模型 2.4 数据库系统的结构第02讲 数据模型与数据库系统结构2.1 数据和数据模型1.1.数据数据数据是人们从实际当中抽取感兴趣的事物特征或数据是人们从实际当中抽取感兴趣的事物特征或属性。属性。数据有一定的格式，例如，性别是一个汉字的字数据有一定的格式，例如，性别是一个汉字的字符。格式的规定是数据的语法，而数据的含义是符。格式的规定是数据的语法，而数据的含义是数据的语义数据的语义 数据是信息存在的一种形式，只有通过解释或处数据是信息存在的一种形式，只有通过解释或处理才能成为有用的信息。理才能成为有用的

2、信息。 通过解释、推论、归纳、分析和综合等方法，从通过解释、推论、归纳、分析和综合等方法，从数据所获得的有意义的内容称为信息。数据所获得的有意义的内容称为信息。第02讲 数据模型与数据库系统结构数据的三种范畴数据的三种范畴第02讲 数据模型与数据库系统结构2. 2. 数据模型数据模型模型是现实世界感兴趣的内容的抽象特征的模型是现实世界感兴趣的内容的抽象特征的模拟和抽象。（是理解系统的思维工具）模拟和抽象。（是理解系统的思维工具）数据模型是用来抽象、表示和处理现实世界数据模型是用来抽象、表示和处理现实世界中的数据和信息的。（如：数据库、文件）中的数据和信息的。（如：数据库、文件）数据模型应满足三

3、个条件：数据模型应满足三个条件：能比较真实地模拟现实世界；能比较真实地模拟现实世界；容易被人们理解；容易被人们理解；便于在计算机上实现。便于在计算机上实现。第02讲 数据模型与数据库系统结构数据模型分类不同的数据模型实际上是提供给我们模型化数据和不同的数据模型实际上是提供给我们模型化数据和不同的数据模型实际上是提供给我们模型化数据和不同的数据模型实际上是提供给我们模型化数据和信息的不同工具。信息的不同工具。信息的不同工具。信息的不同工具。 第一类是概念层模型：从数据的第一类是概念层模型：从数据的第一类是概念层模型：从数据的第一类是概念层模型：从数据的语义视角语义视角语义视角语义视角来抽取模来抽

4、取模来抽取模来抽取模型，此模型是按用户的观点来对数据和信息进行建型，此模型是按用户的观点来对数据和信息进行建型，此模型是按用户的观点来对数据和信息进行建型，此模型是按用户的观点来对数据和信息进行建模。模。模。模。第二类是组织层模型：从数据的第二类是组织层模型：从数据的第二类是组织层模型：从数据的第二类是组织层模型：从数据的组织层次组织层次组织层次组织层次来描述数来描述数来描述数来描述数据，主要包括层次模型、网状模型、关系模型以及据，主要包括层次模型、网状模型、关系模型以及据，主要包括层次模型、网状模型、关系模型以及据，主要包括层次模型、网状模型、关系模型以及对象对象对象对象- - - -关系模

5、型。此模型是从计算机系统的观点对数关系模型。此模型是从计算机系统的观点对数关系模型。此模型是从计算机系统的观点对数关系模型。此模型是从计算机系统的观点对数据进行建模，主要用于据进行建模，主要用于据进行建模，主要用于据进行建模，主要用于DBMSDBMSDBMSDBMS的实现。的实现。的实现。的实现。 第02讲 数据模型与数据库系统结构数据模型是数据库系统的核心和基础。数据模型是数据库系统的核心和基础。DBMSDBMS都基于某种数据模型。都基于某种数据模型。 为了把现实世界中的具体事物抽象、组织为为了把现实世界中的具体事物抽象、组织为某一具体某一具体DBMSDBMS支持的数据模型，通常首先将支持的

6、数据模型，通常首先将现实世界抽象为信息世界现实世界抽象为信息世界( (概念层模型），然概念层模型），然后再将信息世界转换为机器世界（组织层模后再将信息世界转换为机器世界（组织层模型）。型）。概念层模型与概念层模型与DBMSDBMS无关，组织层模型与无关，组织层模型与DBMSDBMS有关有关第02讲 数据模型与数据库系统结构现实世界现实世界信息世界：概念模型信息世界：概念模型机器世界：具体机器世界：具体DBMSDBMS支支持的数据模型持的数据模型转换转换人的认识抽象人的认识抽象现实世界客观事物的抽象过程 第02讲 数据模型与数据库系统结构数据的两个特征静态特性静态特性：包括数据的基本结构、数据间

7、的：包括数据的基本结构、数据间的联系和数据中的约束。联系和数据中的约束。 动态特征动态特征：指定义在数据上的操作。比如对：指定义在数据上的操作。比如对学生的基本信息可以查询、修改和增加新记学生的基本信息可以查询、修改和增加新记录等。录等。 第02讲 数据模型与数据库系统结构 2.2 概念层数据模型 概念层次模型实际上是现实世界到机器世界的一个中间层概念层次模型实际上是现实世界到机器世界的一个中间层概念层次模型实际上是现实世界到机器世界的一个中间层概念层次模型实际上是现实世界到机器世界的一个中间层次。次。次。次。 概念层次模型概念层次模型概念层次模型概念层次模型：抽象现实系统中有应用价值的元素及

8、其关：抽象现实系统中有应用价值的元素及其关：抽象现实系统中有应用价值的元素及其关：抽象现实系统中有应用价值的元素及其关联，反映现实系统中有应用价值的信息结构，不依赖于数联，反映现实系统中有应用价值的信息结构，不依赖于数联，反映现实系统中有应用价值的信息结构，不依赖于数联，反映现实系统中有应用价值的信息结构，不依赖于数据的组织结构。据的组织结构。据的组织结构。据的组织结构。 概念模型用于信息世界的建模，是现实世界到信息世界的概念模型用于信息世界的建模，是现实世界到信息世界的概念模型用于信息世界的建模，是现实世界到信息世界的概念模型用于信息世界的建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象第一层抽象第一

9、层抽象第一层抽象。 是数据库设计人员和用户之间进行交流的工具是数据库设计人员和用户之间进行交流的工具是数据库设计人员和用户之间进行交流的工具是数据库设计人员和用户之间进行交流的工具 。 是面向用户、面向现实世界的数据模型，是是面向用户、面向现实世界的数据模型，是是面向用户、面向现实世界的数据模型，是是面向用户、面向现实世界的数据模型，是与与与与DBMSDBMSDBMSDBMS无关无关无关无关 。 常用的概念模型：实体常用的概念模型：实体常用的概念模型：实体常用的概念模型：实体- - - -联系模型、语义对象模型联系模型、语义对象模型联系模型、语义对象模型联系模型、语义对象模型 第02讲 数据模

10、型与数据库系统结构实体-联系模型 实体 属性 联系 第02讲 数据模型与数据库系统结构实体具有公共性质的可相互区分的现实世具有公共性质的可相互区分的现实世界对象的集合。界对象的集合。可以是具体的事物，也可以是抽象的可以是具体的事物，也可以是抽象的概念或联系概念或联系具体的事物：具体的事物：学生、课程、职工抽象的联系：抽象的联系：学生选课第02讲 数据模型与数据库系统结构实体的表示方式在在E-RE-R图中用矩形框表示实体，把实体名图中用矩形框表示实体，把实体名写在框内，比如学生实体可以表示为：写在框内，比如学生实体可以表示为：学生第02讲 数据模型与数据库系统结构属性实体所具有的特征或性质。实体

11、所具有的特征或性质。身高年龄性别体重第02讲 数据模型与数据库系统结构联系 联系是数据之间的关联集合，是客观存在的联系是数据之间的关联集合，是客观存在的应用语义链应用语义链 。实体内部的联系：一个实体内属性之间的联实体内部的联系：一个实体内属性之间的联系。系。职工实体内部的职工号和此职工的部门经理职工实体内部的职工号和此职工的部门经理号号实体之间的联系：不同实体之间实体之间的联系：不同实体之间的的联系。联系。课程课程实体和学生实体之间存在选课联系。实体和学生实体之间存在选课联系。第02讲 数据模型与数据库系统结构联系的表示方式 实体之间的实体之间的联系用菱形框表联系用菱形框表示，框内写上联示，

12、框内写上联系名，并用连线系名，并用连线与有关的实体相与有关的实体相连。连。联系名实体1实体2第02讲 数据模型与数据库系统结构联系的种类一对一联系一对一联系(1:1)一对多联系一对多联系(1:n)多对多联系多对多联系(m:n)第02讲 数据模型与数据库系统结构一对一联系（实体内部的联系） 如果实体如果实体A A中的每个实例在实体中的每个实例在实体B B中至多中至多有一个（也可以没有）实例与之关联，有一个（也可以没有）实例与之关联，反之亦然，则称实体反之亦然，则称实体A A与实体与实体B B具有一对具有一对一联系，记作：一联系，记作：1 : 11 : 1。 一对一联系一对一联系(1:1)第02讲

13、 数据模型与数据库系统结构一对一联系的例子部门和正经理（假设部门和正经理（假设一个部门只有一个正一个部门只有一个正经理，一个人只当一经理，一个人只当一个部门的经理）、系个部门的经理）、系和正系主任（假设一和正系主任（假设一个系只有一个正主任，个系只有一个正主任，一个人只当一个系的一个人只当一个系的主任）都是一对一联主任）都是一对一联系。系。 管理经理部门11第02讲 数据模型与数据库系统结构一对多的联系一对多的联系 如如果果实实体体A与与实实体体B之之间间存存在在联联系系，并并且且对对于于实实体体A中中的的一一个个实实例例，实实体体B中中有有多多个个实实例例与与之之对对应应；而而对对实实体体B

14、中中的的任任意意一一个个实实例例，在在实实体体A中中都都只只有有一一个个实实例例与与之之对对应应，则则称称实实体体A到到实实体体B的的联联系系是是一一对多的，记为对多的，记为1 : n 。第02讲 数据模型与数据库系统结构 有部门和职工两个实体，有部门和职工两个实体，并且有语义：一个部门可以有并且有语义：一个部门可以有多名职工，但是一个职工只在多名职工，但是一个职工只在一个部门工作。则部门和职工一个部门工作。则部门和职工之间的联系是一对多的，我们之间的联系是一对多的，我们把这种联系命名为工作。把这种联系命名为工作。一对多联系的例子一对多联系的例子工作部门职工1n第02讲 数据模型与数据库系统结

15、构多对多的联系多对多的联系 如如果果实实体体A与与实实体体B之之间间存存在在联联系系，并并且且对对于于实实体体A中中的的一一个个实实例例，实实体体B中中有有多多个个实实例例与与之之对对应应；而而对对实实体体B中中的的一一个个实实例例，在在实实体体A中中也也有有多多个个实实例例与与之之对对应应，则则称称实实体体A到实体到实体B的联系是多对多的，记为的联系是多对多的，记为m : n 。第02讲 数据模型与数据库系统结构多对多联系的例子 有学生和课程两个实有学生和课程两个实体，并且有语义：一个学体，并且有语义：一个学生可以修多门课程，一门生可以修多门课程，一门课程可以被多个学生修。课程可以被多个学生

16、修。那么学生和课程之间的联那么学生和课程之间的联系就是多对多的，我们把系就是多对多的，我们把这种联系命名为选课。这种联系命名为选课。学生课程选课mn第02讲 数据模型与数据库系统结构关联多个实体的联系顾客购买商品：每个顾客可以从多个售货员那里购买商品，并且可以购买多种商品；每个售货员可以向多名顾客销售商品，并且可以销售多种商品；每种商品可由多个售货员销售，并且可以销售给多名顾客。 m mn np p顾客顾客商品商品售货员售货员销售销售第02讲 数据模型与数据库系统结构问题？画出如下问题的E-R模型：某个公司有多个部门该公司有很多员工该公司会承接很多项目每个项目由一个部门负责一个员工可以参与多个

17、项目（可不是所在部门负责的项目）一个员工只能属于一个部门需要知道员工的姓名，性别，身份证号码，工资需要知道部门的编号，名称，所在地需要知道项目的编号，名称，类型，经费第02讲 数据模型与数据库系统结构2.3 组织层数据模型2.3.1 关系数据模型的数据结构2.3.2 关系数据模型的数据操作2.3.3 关系数据模型的数据完整性约束第02讲 数据模型与数据库系统结构关系数据模型的数据结构把数据看成是二维表中的元素，而这个二维把数据看成是二维表中的元素，而这个二维表就是关系表就是关系 用关系（表格数据）表示实体和实体之间联用关系（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系的模型称为关系

18、数据模型示例：学生基本信息表示例：学生基本信息表第02讲 数据模型与数据库系统结构一些基本术语关系关系 ：关系就是二维表。并满足如下性质：关系就是二维表。并满足如下性质：关系表中的每一列都是不可再分的基本属关系表中的每一列都是不可再分的基本属性；性；表中的行、列次序并不重要。表中的行、列次序并不重要。元组元组：表中的每一行称作是一个元组，它相：表中的每一行称作是一个元组，它相当于一个记录值。当于一个记录值。属性属性：表中的每一列是一个属性值的集合，：表中的每一列是一个属性值的集合，列可以命名，称为属性名。列可以命名，称为属性名。第02讲 数据模型与数据库系统结构一些基本术语（续）主码主码：表中

19、用于惟一地确定一个元组的一个：表中用于惟一地确定一个元组的一个属性或最小的属性组。属性或最小的属性组。域域：属性的取值范围。如性别的域为：属性的取值范围。如性别的域为: :（男男,女女）第02讲 数据模型与数据库系统结构主码示例学生基本信息表：学生基本信息表：（学号学号，姓名，年龄，性别，所在系），姓名，年龄，性别，所在系）学生修课信息表：学生修课信息表：（学号，课程号学号，课程号，成绩），成绩）第02讲 数据模型与数据库系统结构关系模型的数据操作 关系模型的操作对象是集合（也就是关系）。非关系型数据库系统中典型的操作是一次一行或一次一个记录。因此，集合处理能力是关系系统区别于其他系统的一个重

20、要特征。关系数据模型的数据操作主要包括四种：查询、插入、删除和修改数据。 第02讲 数据模型与数据库系统结构关系模型的数据完整性约束 实体完整性实体完整性 参照完整性参照完整性用户定义的完整性用户定义的完整性第02讲 数据模型与数据库系统结构实体完整性实体完整性实实体体完完整整性性是是保保证证关关系系中中的的每每个个元元组组都是可识别的和惟一的。都是可识别的和惟一的。 而且表中不允许存在如下的记录：而且表中不允许存在如下的记录：无主码值的记录无主码值的记录主码值相同的记录主码值相同的记录第02讲 数据模型与数据库系统结构参照完整性参照完整性用于描述实体之间的联系。用于描述实体之间的联系。参照完

21、整性一般是指多个实体（表）之间的参照完整性一般是指多个实体（表）之间的关联关系。关联关系。 一般用外码实现。一般用外码实现。外码外码：取作本表（子表）属性之一的外表（父：取作本表（子表）属性之一的外表（父表，主表）主码。表，主表）主码。主码值先在主表中生成，后在子表中引用主码值先在主表中生成，后在子表中引用第02讲 数据模型与数据库系统结构外码引用例1学生班属于(学号学号, 姓名姓名, 班号班号, )（班号班号，专业，人数，专业，人数, , ）第02讲 数据模型与数据库系统结构外码引用例2学生课程修课（学号学号，姓名，姓名，）（课程号课程号，课程名，课程名, , ）(学号学号, 课程号课程号,

22、 成绩成绩, )第02讲 数据模型与数据库系统结构参照完整性规则参照完整性规则就是定义外码与主码之间的引用规则。对于外码，一般应符合如下要求：或者值为空；或者等于其所应用的关系中的某个元组的主码值。第02讲 数据模型与数据库系统结构用户定义的完整性用户定义的完整性按应用语义，属性数据有：类型与长度限制：方便计算机操作：方便计算机操作取值范围限制：防止属性值与应用语义：防止属性值与应用语义矛盾矛盾第02讲 数据模型与数据库系统结构语义许可取值范围约束例：成绩取n0 . 100,n优、良、中、及格、不及格 第02讲 数据模型与数据库系统结构2.4 数据库系统的结构 2.4.1 三级模式结构 2.4

23、.2 二级映象功能 2.4.3 数据库管理系统 第02讲 数据模型与数据库系统结构三级模式结构 模式描述了数据库中全体数据的逻辑结构和特征。 只涉及到型的描述，不涉及具体的值。 关系模式是关系的“型”或元组结构共性的描述。第02讲 数据模型与数据库系统结构关系模式表头表头 （关系模式）元组元组属性1属性2属性n第02讲 数据模型与数据库系统结构三级模式结构外模式2外模式n外模式1概念模式内模式( (单个用户视图单个用户视图) )( (公共用户视图公共用户视图) )( (存储视图存储视图) )第02讲 数据模型与数据库系统结构概念模式是关系的。外模式也是关系的或接近关系的，其内容来自概念模式，它

24、最接近用户。内模式不是关系的，它是数据的物理存储方式。三级模式结构第02讲 数据模型与数据库系统结构外模式也称为用户模式、子模式。也称为用户模式、子模式。 用户对现实系统中用户对现实系统中感兴趣感兴趣整体的局部数据结整体的局部数据结构的描述。构的描述。 是是DBDB整体数据结构的子集或局部重构。整体数据结构的子集或局部重构。 用外模式定义语言表达。例，对用外模式定义语言表达。例，对RDBRDB，定义视，定义视图结构。图结构。是保证数据库安全的一个措施。是保证数据库安全的一个措施。 第02讲 数据模型与数据库系统结构学号姓名性别系别年龄住址出身学位学分补贴第02讲 数据模型与数据库系统结构概念模

25、式 也称为逻辑模式或模式，是数据库中也称为逻辑模式或模式，是数据库中全体全体数据数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据描述。户的公共数据描述。 是数据库系统结构的是数据库系统结构的中间层中间层。用模式定义语言表达。例，对关系数据库，用模式定义语言表达。例，对关系数据库，定义：表头结构、属性取值范围、定义：表头结构、属性取值范围、。第02讲 数据模型与数据库系统结构内模式内模式也称为存储模式。也称为存储模式。数据的内部存储结构描述（数据的组织与存数据的内部存储结构描述（数据的组织与存储）。储）。 用内模式定义语言描述。例，对用内模式定义语言描述。例，对R

26、DBRDB，定义数，定义数据文件的位置、索引的依据等。据文件的位置、索引的依据等。 第02讲 数据模型与数据库系统结构2.4.2 二级映象功能数据库系统的三级模式是对数据的三个抽象数据库系统的三级模式是对数据的三个抽象级别，它把数据的具体组织留给级别，它把数据的具体组织留给DBMSDBMS管理，管理，使用户能逻辑地、抽象地处理数据，而不必使用户能逻辑地、抽象地处理数据，而不必关心数据在计算机中的具体表示方式与存储关心数据在计算机中的具体表示方式与存储方式。方式。为为了了能能够够在在内内部部实实现现这这三三个个抽抽象象层层次次的的联联系系和和转转换换，数数据据库库管管理理系系统统在在三三级级模模

27、式式之之间间提提供了两层映象：供了两层映象：外模式外模式外模式外模式/ / / /模式映象模式映象模式映象模式映象模式模式模式模式/ / / /内模式映象内模式映象内模式映象内模式映象第02讲 数据模型与数据库系统结构模式间的映象（DBMS基本功能之一）维持维持DBDB数据与数据与DBDB应用程序相互独立，从应用程序相互独立，从而使而使DBDB应用程序不随应用程序不随DBDB数据的逻辑或存数据的逻辑或存储结构的变动而变动。储结构的变动而变动。 第02讲 数据模型与数据库系统结构模式模式/ /内模式映象内模式映象 当存储结构改变时，可（由当存储结构改变时，可（由DBADBA）用内模）用内模式定义

28、语句，调整内模式定义，从而保式定义语句，调整内模式定义，从而保持模式不变。持模式不变。 数据和程序物理独立（存储独立） 第02讲 数据模型与数据库系统结构外模式外模式/ /模式映象模式映象 当模式改变时，可用外模式当模式改变时，可用外模式/ /模式定义语模式定义语句，调整外模式句，调整外模式/ /模式映象定义，从而保模式映象定义，从而保持外模式不变。持外模式不变。 数据和程序逻辑独立（概念独立） 第02讲 数据模型与数据库系统结构第02讲 数据模型与数据库系统结构2.4.3 数据库管理系统DBMS是处理数据库访问的系统软件。处理过程:用户使用数据库语言发出一个访问请求； DBMS接受请求并分析

29、；DBMS检查用户外模式、相应的外模式概念模式间的映象、概念模式、概念模式内模式间的映象和存储结构定义。 第02讲 数据模型与数据库系统结构DBMS的功能和组成源模式源模式和映象和映象计划的计划的DML请求请求非计划的非计划的DML请求请求DDL处理器处理器DML处理器处理器查询语言查询语言处理器处理器编译器编译器运行管理器运行管理器源模式、目标源模式、目标模式和映象模式和映象元数据元数据数据数据数据字典数据字典增增 强强 安安 全全性性 和和 完完 整整性约束性约束优化处理器优化处理器第02讲 数据模型与数据库系统结构数据库管理系统的功能数据定义 数据操作优化和执行 数据安全和完整性 数据恢复和并发 数据字典 性能 第02讲 数据模型与数据库系统结构作业作业P25 10将图书馆借书管理的将图书馆借书管理的E-RE-R模型转化为关系模式模型转化为关系模式第02讲 数据模型与数据库系统结构Thanks!第02讲 数据模型与数据库系统结构