《数据模型》PPT课件.ppt

数据库原理及应用,王飞 主编 曾俊国 陈永彬 蔡方凯 副主编 荣智涛 主审 中国水利水电出版社,主讲：,第二章 数据模型,模型(Model)是对现实世界的抽象。数据模型(Data Model)是对现实世界数据特征的抽象，是用来描述数据的一组概念和定义。数据模型是理解数据库的基础，现有的数据库都是基于某种数据模型建立的，数据模型是数据库系统的核心。要为数据库建立数据模型，首先要深入到信息的现实世界中进行系统需求分析，建立概念模型真实地、全面的描述现实世界中事物及联系，然后再将概念模型转化成数据模型。本章介绍信息的三个世界及联系、概念模型及其表示方法以及几种常见的数据模型,第二章 数据模型,2.1 信息的三种世界及描述 2.2 概念模型及表示 2.3 数据模型 2.4 疑难问题解答 2.5 本章小 结,2.1 信息的三种世界及描述,（1）现实世界 指客观事物及其联系之实际存在。现实世界是独立于人们意识之外的客观世界，事物及其联系就处在这个世界中。,2.1 信息的三种世界及描述,2）信息世界 指现实世界在人脑中形成的概念。信息世界又称为观念世界，客观事物在观念世界中称为实体 信息模型又称“实体联系模型”，是客观事物及其自然联系在人脑中形成的概念。数据模型本质上是“信息模型”的数据化表示,信息世界的基本概念,实体(Entity): 客观存在并可相互区分的事物。 实体集(Entity Set): 同类型实体的集合。每个实体集必须命名。 属性(Attribute): 实体所具有的特征和性质。 属性值(Attribute Value): 为实体的属性取值。 域(Domain): 属性值的取值范围。 码(Key): 唯一标识实体集中一个实体的属性或属性集。 实体型(Entity Type): 表示实体信息结构，由实体名及其属性名集合表示。如：实体名(属性1,属性2,) 学生(学号，姓名，性别，年龄),2.1 信息的三种世界及描述,（3）数据世界 是指人脑观念的数据化，进入计算机领域。数据世界是观念世界中信息的数据化。现实世界中的事物及联系在数据世界中用数据模型来描述 机器世界中的四个概念： (1)字段-标记实体属性的命名单位称为字段或数据项 (2)记录-字段的有序集合 (3)文件-同一类记录的汇集 (4)键(关键码)-能唯一标识文件中每个记录的字段或字段集。这个概念与实体标识符的概念相对应。,2.1 信息的三种世界及描述,3.名词术语 （1）实体与属性 实体是现实世界任何可相互区别的事物，不论是实际存在的东西，还是概念性的东西，或是事物与事物之间的联系，一律统称为实体。 属性是实体所具有的性质，统称为属性。如同现实世界中不同事物是由其特征决定的一样，在信息世界中不同实体是由其属性的不同而被区分的。 实体与属性分别是客观世界中对象与性质的抽象描述。一个对象具有某些属性，反过来，若干属性可以描述某一个对象。对象与属性之间具有相对性，即一个对象具有某一个属性，又可能是其他属性描述的对象例如，对象“职工”具有以下属性：姓名、性别、籍贯、出生日期、毕业学校等等，而“毕业学校”又是校名、校址、学校人数等属性描述的对象。 注意 实体靠属性来描述，实体与属性构成了信息世界表达概念的两个不同单位。,2.1 信息的三种世界及描述,(2）实体与属性的“型”与“值” 实体和属性都有“型”与“值”之分。“型”是概念的内涵，而“值”是概念的实例。“型”表达的是个体的共性，表示一个总体，是一个框架；而“值”是个体，是个体的具体内容。 例如：姓名、年龄、性别组成一个记录型，它的取值为为张英、20岁、女、是一个记录值。数据项“姓名”的“型”就是名称为“姓名”，数据特征最长为四位的字符串，而它的值可以是张英、李桂芳、欧阳青等等。记录型与记录值通常称为记录，同一术语在“型”与“值”不同的两级平行使用，这时应根据上下文的含义，判断该术语指的是“型”还是“值” 注意 通常，属性型是个变量，而属性值是该变量的取值,2.1 信息的三种世界及描述,（3）实体集 同一类型实体的集合称为实体集。 （4）域 实体中的每个属性，都有一个取值范围，这叫做属性的域。域可以是整数、实数、字符串、日期、逻辑值等。 注意 各实体集相应的属性有着相同的域。 （5）键 键也称关键字。所谓键，是指实体属性中，可用于区别实体集中不同个体的那个属性或属性的组合，称为该实体的键。,2.1 信息的三种世界及描述,例如：在“居民”这个实体中，“身份证号码”可以作为键，因为一旦身份证号码有了一个值，便惟一地标识了“居民”这个实体集中的某一个个体；当然，“姓名”也可以作为键，但是如果出现重名现象，“姓名”这个属性就不能作为键了。 注意 但有多个属性可作为键而选定其中一个时，则称它为该实体的“主键”。若在实体诸属性中，某属性虽非该实体主键，却是另一实体的主键，称此属性为“外部键”。,现实世界中客观对象的抽象过程,第二章 数据模型,2.1 信息的三种世界及描述 2.2 概念模型及表示 2.3 数据模型 2.4 疑难问题解答 2.5 本章小 结,2.2 概念模型及表示,概念模型是现实世界到机器世界的一个中间层次。现实世界的事物反映到人的头脑中来，人们把这些事物抽象为一种既不依赖于计算机系统又不为某一DBMS支持的概念模型，然后把概念模型转换为某一DBMS支持的数据模型。概念模型是对信息世界的管理对象、属性、及联系等信息的描述形式，概念模型针对于抽象的信息世界。,2.2 概念模型及表示,概念模型是从现实世界到机器世界的一个中间层次。 建立概念模型的目的 是将用户关于企业的描述及业务的需求等信息准确的纪录下来，按用户的观点对数据和信息建模。 这类模型强调其语义表达能力，它要能较方便地、直观地表达应用中各种语义知识，如被描述对象的意义和相互关系等。 是用户和数据库设计人员之间进行交流与沟通的工具。,2.2 概念模型及表示,概念模型实际上是现实世界到机器世界的一个中间层次。 把现实世界中的客观对象抽象为某种信息结构，这种信息结构不依赖于具体的计算机系统，完全不涉及信息在计算机系统中的结构。 强调语义表达能力，概念简单清晰，易于理解，是用户和DB设计人员交流的工具。 表示方法 E-R模型 实体联系模型(Entity Relationship Model) ER图,2.2 概念模型及表示,联系(Relationship): 在现实世界中，事物内部以及事物之间是有联系的，这些联系在信息世界中反映为实体型内部的联系和实体型之间的联系。 两个实体型之间存在的联系有三类 两个以上的实体型之间存在的联系有三类 同一个实体集内的各实体之间存在的联系有三类 (1)一对一联系 1 : 1 (2)一对多联系 1 : n (3)多对多联系 m : n,实体联系类型,两个实体型间的联系,两个实体型间的联系,一对一联系 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。 实例 班级与班长之间的联系： 一个班级只有一个正班长 一个班长只在一个班中任职,两个实体型间的联系 (续),一对多联系 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（n0）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 实例 班级与学生之间的联系： 一个班级中有若干名学生， 每个学生只在一个班级中学习,两个实体型间的联系 (续),多对多联系（m:n） 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（n0）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（m0）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 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,多个实体型间的联系(续),多个实体型间的一对多联系 若实体集E1，E2，.，En存在联系，对于实体集Ej（j=1，2，.，i-1，i+1，.，n）中的给定实体，最多只和Ei中的一个实体相联系，则我们说Ei与E1，E2，.，Ei-1，Ei+1，.，En之间的联系是一对多的。,多个实体型间的联系(续),实例 课程、教师与参考书三个实体型 如果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 课程与教师、参考书之间的联系是一对多的 多个实体型间的一对一联系 多个实体型间的多对多联系,同一实体集内各实体间的联系,一对多联系 实例 职工实体集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 一对一联系 多对多联系,2. 概念模型的表示方法,概念模型的表示方法很多 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,E-R图,实体型 用矩形表示，矩形框内写明实体名。,学生,教师,E-R图(续),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,E-R图(续),联系 联系本身：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） 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,联系的表示方法,联系的表示方法(续),联系的表示方法示例,联系的表示方法示例(续),联系属性的表示方法,某工厂的物资管理,物资管理涉及的实体： 仓库 属性有仓库号、面积、电话号码 零件 属性有零件号、名称、规格、单价 供应商 属性有供应商号、姓名、地址、电话号码 项目 属性有项目号、预算、开工日期 职工 属性有职工号、姓名、年龄、职称 实体之间的联系 (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。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。 (3)职工之间有领导-被领导关系。 (4)一个供应商可以供给若干项目多种零件，每个项目可以使用不同供应商供应的零件，每种零件可由不同供应商供给。用供应量来表示某供应商供应了多少数量的零件给某个项目。,第二章 数据模型,2.1 信息的三种世界及描述 2.2 概念模型及表示 2.3 数据模型 2.4 疑难问题解答 2.5 本章小 结,2.3 数据模型,1.数据模型 数据模型是客观事物及其联系的数据描述，数据模型不仅要表示存储了哪些数据，更重要的是以一定的结构形式表示出各种不同的数据之间的联系。利用这种联系可以很快地找到相关联的一串数据，从而可以利用这种联系做各种运算处理。数据模型应具有描述数据和数据联系两方面功。 注意 数据模型是实体模型的数据化。 数据模型表示的只是数据库的框架，在框架的约束下填上具体数据才能成为真正的数据库。,2.3 数据模型,2.数据的描述 对数据的描述应指出：模型中包含哪些记录类型，并对记录类型进行命名；指明各个记录类型由哪些数据项构成，并队数据项进行命名，每个数据项均需指明其数据类型和取值范围。 3.数据间联系的描述 对数据间联系的描述要指明：各个不同记录类型间所存在的联系和联系方式。数据模型中的“联系”是一种特殊类型的记录，通常还要对这种“联系”进行命名。,2.3 数据模型,注意 数据库系统与文件系统本质的不同就表现在文件系统中的记录之间没有联系，而在数据库中各个记录好似互相联系的，正是通过这种联系，数据库才能支持访问不同类型记录的数据。,数据模型的三要素,（1）数据结构 数据结构是所研究的对象类型（Object Type）的集合。这些对象是数据库的组成成分，它们包括两类，一类是与数据类型、内容、性质有关的对象，例如网状模型中的数据项、记录，关系模型中的域、属性、关系等；一类是与数据之间联系有关的对象，例如网状模型中的系型(Set Type)。 数据结构是对系统静态特性的描述。数据结构是刻画一个数据模型性质最重要的方面。,数据模型的三要素,（2）数据操作 数据操作是指对数据库中各种数据对象允许执行的操作的集合，包括操作对象及有关的操作规则。数据库主要有数据检索和数据更新(包括插入、删除、修改)两大类操作。数据模型必须定义这些操作的确切含义、操作符号、 操作规则(如优先级)以及实现操作的语言。数据操作是对系统动态特性的描述。,数据模型的三要素,（3）数据完整性约束条件 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。,数据库有不同的类型，它是根据数据模型划分的。在计算机系统中，任何一个数据库管理系统都是根据不同的数据模型有针对性地设计出来的。目前比较成熟的数据模型有：层次模型、网状模型和关系模型三种。其中关系模型在数据库系统中广泛应用，是本书讲解的重点 一 层次模型 层次模型是用树结构表示记录类型及其联系的数据模型。,2.3 数据模型,1. 层次数据模型的数据结构,层次模型 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. 根以外的其它结点有且只有一个双亲结点 层次模型中的几个术语 根结点，双亲结点，兄弟结点，叶结点,层次数据模型的数据结构(续）,层次数据模型的数据结构(续）,表示方法 实体型：用记录类型描述。 每个结点表示一个记录类型。 属性：用字段描述。每个记录类型可包含若干个字段。 联系：用结点之间的连线表示记录（类）型之间的 一对多的联系 实例：教员-学生数据模型（P23）,层次数据模型的数据结构(续）,特点 结点的双亲是唯一的 只能直接处理一对多的实体联系 每个记录类型定义一个排序字段，也称为码字段 任何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,层次数据模型的数据结构(续）,多对多联系在层次模型中的表示 用层次模型间接表示多对多联系 方法 将多对多联系分解成一对多联系 分解方法 冗余结点法 虚拟结点法,2. 层次模型的数据操纵,查询 插入 删除 更新,3. 层次模型的完整性约束,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,4.层次数据模型的存储结构,邻接法 按照层次树前序遍历的顺序把所有记录值依次邻接存 放，即通过物理空间的位置相邻来实现层次顺序 链接法 用指引元来反映数据之间的层次联系 子女兄弟链接法 P26 层次序列链接法 P26,5. 层次模型的优缺点,优点 层次数据模型简单，对具有一对多的层次关系的部门描述自然、直观，容易理解 性能优于关系模型，不低于网状模型 层次数据模型提供了良好的完整性支持 缺点 多对多联系表示不自然 对插入和删除操作的限制多 查询子女结点必须通过双亲结点 层次命令趋于程序化,6. 典型的层次数据库系统,IMS数据库管理系统 第一个大型商用DBMS 1968年推出 IBM公司研制,2.3数据库类型,二 .网状模型 用有向图结构表示实体类型及实体间联系的数据模型。 注意 网状模型有一个以上的结点无父结点；至少有一个结点有多于一个父结点。 网状模型能够反映各种复杂联系情况。在网状模型的具体实现上，对于记录间的m:n联系，是将其转换m个1:n联系来处理的,1.网状数据模型的数据结构,网状模型 满足下面两个条件的基本层次联系的集合为网状模型。 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。,网状数据模型的数据结构,网状数据模型的数据结构(续）,表示方法（与层次数据模型相同） 实体型：用记录类型描述。 每个结点表示一个记录类型。 属性：用字段描述。 每个记录类型可包含若干个字段。 联系：用结点之间的连线表示记录（类）型之 间的一对多的父子联系。,网状数据模型的数据结构(续）,特点 只能直接处理一对多的实体联系 每个记录类型定义一个排序字段，也称为码字段 任何记录值只有按其路径查看时，才能显出它的全部意义,网状数据模型的数据结构(续）,网状模型与层次模型的区别 网状模型允许多个结点没有双亲结点 网状模型允许结点有多个双亲结点 网状模型允许两个结点之间有多种联系（复合联系） 网状模型可以更直接地去描述现实世界 层次模型实际上是网状模型的一个特例,网状数据模型的数据结构(续）,网状数据模型的数据结构(续）,网状数据模型的数据结构(续）,网状数据模型的数据结构(续）,网状数据模型的数据结构(续）,多对多联系在网状模型中的表示 用网状模型间接表示多对多联系 方法 将多对多联系直接分解成一对多联系,2. 网状模型的数据操纵,查询 插入 删除 更新,3.网状数据模型的完整性约束,网状数据库系统（如DBTG）对数据操纵加 了一些限制，提供了一定的完整性约束 码 双亲结点与子女结点之间是一对多联系 属籍类别 加入类别(自动的，手工的) 移出类别(固定的，必须 的，随意的),3. 网状数据模型的完整性约束,完整性约束条件 允许插入尚未确定双亲结点值的子女结点值 允许只删除双亲结点值,4.网状数据模型的存储结构,关键 实现记录之间的联系 常用方法 单向链接 双向链接 环状链接 向首链接 例：P29,5.网状模型的优缺点,优点 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 具有良好的性能，存取效率较高 缺点 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 DDL、DML语言复杂，用户不容易使用,6. 典型的网状数据库系统,DBTG系统，亦称CODASYL系统 由DBTG提出的一个系统方案 奠定了数据库系统的基本概念、方法和技术 70年代推出 实际系统 Cullinet Software Inc.公司的 IDMS Univac公司的 DMS1100 Honeywell公司的IDS/2 HP公司的IMAGE,2.3数据库类型,三 .关系模型 关系的本质是一张二维表，而关系模型的本质则是用若干个二维表表示实体及其联系。关系模型与层次模型和网状模型的理论和风格截然不同，如果说层次和网状模型是用“图”来表示实体及其联系，那么关系模型则是用“表”来表示实体及其联系的。,关系数据模型的数据结构,在用户观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。,关系模型的基本概念,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。,关系模型的基本概念,主码（Key） 表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组。 域（Domain） 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） 学生（学号，姓名，年龄，性别，系，年级）,关系数据模型的数据结构(续）,实体及实体间的联系的表示方法 实体型：直接用关系（表）表示。 属性：用属性名表示。 一对一联系：隐含在实体对应的关系中。 一对多联系：隐含在实体对应的关系中。 多对多联系：直接用关系表示。,关系数据模型的数据结构(续）,例1 学生、系、系与学生之间的一对多联系： 学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级） 系 (系号，系名，办公地点) 例2 系、系主任、系与系主任间的一对一联系,关系数据模型的数据结构(续）,例3 学生、课程、学生与课程之间的多对多联系： 学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级） 课程（课程号，课程名，学分） 选修（学号，课程号，成绩）,关系数据模型的数据结构(续）,关系必须是规范化的，满足一定的规范条件 最基本的规范条件：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,查询、插入、删除、更新 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 存取路径对用户隐蔽，用户只要指出“干什么”，不必详细说明“怎么干”,3.关系模型的完整性约束,实体完整性 参照完整性 用户定义的完整性,4.关系数据模型的存储结构,表以文件形式存储 有的DBMS一个表对应一个操作系统文件 有的DBMS自己设计文件结构,5.关系模型的优缺点,优点 建立在严格的数学概念的基础上 概念单一。数据结构简单、清晰，用户易懂易用 实体和各类联系都用关系来表示。 对数据的检索结果也是关系。 关系模型的存取路径对用户透明 具有更高的数据独立性，更好的安全保密性 简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作,关系模型的优缺点（续）,缺点 存取路径对用户透明导致查询效率往往不如非 关系数据模型 为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化 增加了开发数据库管理系统的难度,6. 典型的关系数据库系统,ORACLE SYBASE INFORMIX DB/2 COBASE PBASE EasyBase DM/2 OpenBase,第二章 数据模型,2.1 信息的三种世界及描述 2.2 概念模型及表示 2.3 数据模型 2.4 疑难问题解答 2.5 本章小 结,概念模型,概念模型是从现实世界到机器世界的一个中间层次。把现实世界中的客观对象抽象为某种信息结构，这种信息结构不依赖于具体的计算机系统，完全不涉及信息在计算机系统中的结构。 建立概念模型的目的 是将用户关于企业的描述及业务的需求等信息准确的纪录下来，按用户的观点对数据和信息建模。 这类模型强调其语义表达能力，它要能较方便地、直观地表达应用中各种语义知识，如被描述对象的意义和相互关系等。 是用户和数据库设计人员之间进行交流与沟通的工具。,关系数据模型的数据结构(续),实体及实体间的联系的表示方法 实体型：直接用关系(表)表示。 属性：用属性名表示。 一对一联系：隐含在实体对应的关系中。 一对多联系：隐含在实体对应的关系中。 多对多联系：直接用关系表示。,关系数据模型的数据结构(续),例1 学生、系、系与学生之间的一对多联系： 学生(学号，姓名，年龄，性别，系号，年级) 系 (系号，系名，办公地点) 例2 系、系主任、系与系主任间的一对一联系 系 (系号，系名，办公地点，系主任) 系主任（姓名，性别，年龄，职称）,关系数据模型的数据结构(续),例3学生、课程、学生与课程之间的多对多联系： 学生(学号，姓名，年龄，性别，系号，年级) 课程(课程号，课程名，学分) 选修(学号，课程号，成绩),第二章 数据模型,2.1 信息的三种世界及描述 2.2 概念模型及表示 2.3 数据模型 2.4 疑难问题解答 2.5 本章小 结,2.5 本章小 结,本章介绍了信息抽象的三个世界，概念模型的概念及表示方法，数据模型的概念及常见数据模型的结构特点、完整性约束条件，并比较了几种数据模型的优缺点。读者通过对本章知识的学习，应当： 理解信息的转换过程及信息的在三个世界的基本术语 。 理解概念模型的基本概念。 理解数据模型的基本概念。 理解几种常见的数据模型的结构特点、数据表示、完整性约束条件。 理解几种常见的数据模型优缺点。 掌握关系模型的基本术语、结构特点、数据表示、完整性约束条件。,