1、 数据模型是客观事物及其联系的数据描述，它应具有描述数据模型是客观事物及其联系的数据描述，它应具有描述数据和数据联系两方面的功能。组成数据模型的三要素是数据数据和数据联系两方面的功能。组成数据模型的三要素是数据结构、数据操作和数据的完整性约束条件。结构、数据操作和数据的完整性约束条件。数据模型可以形式化地表示为：数据模型可以形式化地表示为：DM=(R，L)其中，其中，DM（Data Model）是数据模型的英文简称；）是数据模型的英文简称；R代代表记录型集合；表记录型集合；L代表不同记录型联系的集合。代表不同记录型联系的集合。例如，在学生选课问题中，例如，在学生选课问题中，R是学生和课程两个记
2、录型的是学生和课程两个记录型的集合，集合，L是它们之间的联系，即为是它们之间的联系，即为“选修选修”联系。联系。在数据库中用数据模型这个工具来在数据库中用数据模型这个工具来抽象、表示抽象、表示和处理和处理现实世界中的数据和信息。现实世界中的数据和信息。通俗地讲数据模型就是现实世界的模拟。通俗地讲数据模型就是现实世界的模拟。数据模型应满足三方面要求数据模型应满足三方面要求 能比较能比较真实地真实地模拟现实世界模拟现实世界 容易容易为人所理解为人所理解 便于在便于在计算机上计算机上实现实现 不同的数据模型实际上是提供模型化数据和信息不同的数据模型实际上是提供模型化数据和信息的不同工具。根据模型应用
3、的的不同工具。根据模型应用的不同目的不同目的，可以将，可以将这些模型划分为两类，它们分属于两个不同的层这些模型划分为两类，它们分属于两个不同的层次。次。第一类模型是第一类模型是概念模型概念模型，也称信息模型，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。于数据库设计。另一类模型是另一类模型是数据模型数据模型逻辑模型和物理模逻辑模型和物理模型型，主要包括网状模型、层次模型、关系模型等，主要包括网状模型、层次模型、关系模型等，它是按计算机系统的观点对数据建模，主要用于它是按计算机系统的观点对数据建模，主要用于DBMS的实现。的实现。
4、对数据的描述应指出在模型中包含哪些记录型，并对记对数据的描述应指出在模型中包含哪些记录型，并对记录型进行命名；指明各个记录型由哪些数据项构成，并对数录型进行命名；指明各个记录型由哪些数据项构成，并对数据项进行命名，每个数据项均需指明其数据类型和取值范围，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，这是数据完整性约束所必需的。这是数据完整性约束所必需的。例如，在前面的学生选课问题中，学生记录型例如，在前面的学生选课问题中，学生记录型S为（学号为（学号,姓名姓名,性别性别,班号），课程记录型班号），课程记录型C为（课程号为（课程号,课程名课程名,任课教任课教师）。如学号由长度为师）。如学
5、号由长度为10的字符型数据构成，性别只能取的字符型数据构成，性别只能取“男男”或或“女女”。对数据间联系的描述要指明各个不同记录型间所存在的对数据间联系的描述要指明各个不同记录型间所存在的联系和联系方式。联系和联系方式。数据模型中的数据模型中的“联系联系”是一种特殊类型记录，通常还要是一种特殊类型记录，通常还要对这种对这种“联系联系”进行命名。数据库系统与文件系统本质不进行命名。数据库系统与文件系统本质不同就表现在数据库中各个记录是互相联系的，正是通过这同就表现在数据库中各个记录是互相联系的，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，并提种联系，数据库才能支持访问不同类型记录的数
6、据，并提高数据访问的效率高数据访问的效率 例如，在前面的学生选课问题中，例如，在前面的学生选课问题中，“选修选修”联系将多联系将多个学生记录与多个课程记录关联起来，即多个学生可以选个学生记录与多个课程记录关联起来，即多个学生可以选修同一门课程，一个学生也可以选修多门课程。修同一门课程，一个学生也可以选修多门课程。计算机只能处理数据，所以首先要解决的问题是按用户计算机只能处理数据，所以首先要解决的问题是按用户的观点对数据和信息建模，然后按计算机系统的观点对数据的观点对数据和信息建模，然后按计算机系统的观点对数据建模。图建模。图2.1所示的是现实世界客观对象的抽象过程。所示的是现实世界客观对象的抽
7、象过程。概念模型概念模型实际上是现实世界到机器世界的一个中间层实际上是现实世界到机器世界的一个中间层次。概念模型用于信息世界的建模，是现实世界的第一层次。概念模型用于信息世界的建模，是现实世界的第一层抽象，是数据库设计人员进行数据库设计的有力工具。抽象，是数据库设计人员进行数据库设计的有力工具。l 实体（实体（Entity）:客观存在并可相互区别的事物称为实客观存在并可相互区别的事物称为实体。体。l 属性（属性（Attribute）:实体所具有的某一特性称为属性。实体所具有的某一特性称为属性。l 码（码（Key）:码有时也称关键字。所谓码，是指在实体码有时也称关键字。所谓码，是指在实体属性中，
8、可用于区别实体中不同个体的一个属性或几属性中，可用于区别实体中不同个体的一个属性或几个属性的组合，称为该实体集的个属性的组合，称为该实体集的“码码”。l 域（域（Domain）:属性的取值范围称为该属性的域。属性的取值范围称为该属性的域。l 实体型（实体型（Entity Type）:具有相同属性的实体必然具具有相同属性的实体必然具有共同的特征和性质。用实体名及其属性名集合来抽有共同的特征和性质。用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体，称为实体型。象和刻画同类实体，称为实体型。l 实体集（实体集（Entity Set）:同型实体的集合称为实体集。同型实体的集合称为实体集。在现实世界中，事物内
9、部以及事物之间是有联系的，这些联在现实世界中，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）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。实体内部的联系通常是指组成实体的各属性之之间的联系。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。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。两个实体集之间的联系可以分为以下两个实体集之间的联系可以分为以下3类：类：l一对一联系（简记为一对一联系（简记为1：1）l一对多联系（简记为一对多联系（简记为1：n）l多对多联系（简记为多对多联系（简
10、记为m：n）1.1：1联系联系 如果对于实体集如果对于实体集A中的每一个实体，实体集中的每一个实体，实体集B中至多有一中至多有一个（也可以没有）实体与之联系，反之亦然，则称实体集个（也可以没有）实体与之联系，反之亦然，则称实体集A与与实体集实体集B具有具有1：l联系。联系。例如，学校里面，一个班只有一个正班长，而一个班长例如，学校里面，一个班只有一个正班长，而一个班长只在一个班中任职，则班与班长之间具有一对一联系。只在一个班中任职，则班与班长之间具有一对一联系。2.1：n联系联系 如果对于实体集如果对于实体集A中的每一个实体，实体集中的每一个实体，实体集B中有中有n个实体个实体（n0）与之联系
11、，反之，对于实体集）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实中的每一个实体，实体集体集A中至多只有一个实体与之联系，则称实体集中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体集与实体集B有有1：n联系。联系。例如，一个班有若干名学生，而每个学生只在一个班中例如，一个班有若干名学生，而每个学生只在一个班中学习，则班与学生之间具有一对多联系。学习，则班与学生之间具有一对多联系。3.m：n联系联系 如果实体集如果实体集A中的每一个实体，实体集中的每一个实体，实体集B中有中有n个实体个实体（n0）与之联系，反之，对于实体集）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实中的每一个实体，实体集体集A
12、中也有中也有m个实体（个实体（m0）与之联系，则称实体集）与之联系，则称实体集A与实与实体集体集B具有多对多联系，记为具有多对多联系，记为m：n。例如，一门课程同时有若干个学生选修，而一个学生可例如，一门课程同时有若干个学生选修，而一个学生可以同时选修多门课程，则课程与学生之间具有多对多联系。以同时选修多门课程，则课程与学生之间具有多对多联系。建立概念模型最常用的方法是实体建立概念模型最常用的方法是实体-联系方法，简称联系方法，简称E-R方方法。该方法直接从现实世界中抽象出实体和实体间的联系，法。该方法直接从现实世界中抽象出实体和实体间的联系，然后用然后用E-R图来表示数据模型。图来表示数据模
13、型。在在E-R图中实体用方框表示；联系用菱形表示，并且用边图中实体用方框表示；联系用菱形表示，并且用边将其与有关的实体连接起来，并在边上标上联系的类型；属将其与有关的实体连接起来，并在边上标上联系的类型；属性用椭圆表示，并且用边将其与相应的实体连接起来。对于性用椭圆表示，并且用边将其与相应的实体连接起来。对于有些联系，其自身也会有某些属性，同实体与属性的连接类有些联系，其自身也会有某些属性，同实体与属性的连接类似，将联系与其属性连接起来。似，将联系与其属性连接起来。两个不同实体集之间存在两个不同实体集之间存在1：1、1：n和和m：n联系，可以用图联系，可以用图形来表示两个实体集之间的这三类联系
14、，如图形来表示两个实体集之间的这三类联系，如图2.2所示。所示。两个以上不同实体集之间可能存在各种关系，以两个以上不同实体集之间可能存在各种关系，以3个不同实体个不同实体集集A、B和和C为例，它们之间的典型关系有为例，它们之间的典型关系有1：n：m和和r：n：m联系。联系。对于对于1：n：m联系，表示联系，表示A和和B之间是之间是1：n（一对多）联系，（一对多）联系，B和和C之间是之间是n：m（多对多）联系，（多对多）联系，A和和C之间是之间是1：m（一对多）（一对多）联系。这两个典型关系的表示方法如图联系。这两个典型关系的表示方法如图2.3所示。所示。3.同一实体集内的二元联系的画法同一实体
15、集内的二元联系的画法 同一实体集内的二元联系表示其中实体之间相互联系，同同一实体集内的二元联系表示其中实体之间相互联系，同样有样有1：1、1：n和和n：m联系。例如，职工实体集中的领导与联系。例如，职工实体集中的领导与被领导的联系是被领导的联系是1：n的，而职工实体集中的婚姻联系是的，而职工实体集中的婚姻联系是1：l的。的。同一实体集内的同一实体集内的1：1、1：n和和n：m联系如图联系如图2.4所示。所示。【例【例2.1】试画出试画出3个个E-R图，要求实体型之间具有一对一、图，要求实体型之间具有一对一、一对多和多对多各种不同的联系。一对多和多对多各种不同的联系。解：解：部门和部门主任部门和
16、部门主任之间的之间的“领导领导”联系是联系是一个一对一的联系，其一个一对一的联系，其E-R图如图图如图2.5所示。所示。部门和职工之间的部门和职工之间的“所属所属”联系是一个一联系是一个一对多的联系，其对多的联系，其E-R图图如图如图2.6所示。所示。维修人员和设备之维修人员和设备之间的间的“维修维修”联系是一联系是一个多对多的联系，其个多对多的联系，其E-R图如图图如图2.7所示。所示。2.2.4 怎样设计怎样设计E-R图图设计设计E-R图的基本步骤如下：图的基本步骤如下：（1）用方框表示出实体。）用方框表示出实体。（2）用椭圆表示各实体的属性。）用椭圆表示各实体的属性。（3）用菱形表示实体
17、之间的联系。）用菱形表示实体之间的联系。注意：一个系统的注意：一个系统的E-R图不是唯一的，从不同的侧面出发图不是唯一的，从不同的侧面出发画出的画出的E-R图可能很不同。总体图可能很不同。总体E-R图所表示的实体联系模图所表示的实体联系模型，只能说明实体间的联系关系，还需要把它转换成数据模型，只能说明实体间的联系关系，还需要把它转换成数据模型才能被实际的型才能被实际的DBMS所接受。所接受。【例【例2.2】某大学选课管理中，学生可根据自己的情况选修某大学选课管理中，学生可根据自己的情况选修课程。每名学生可同时选修多门课程，每门课程可由多位教课程。每名学生可同时选修多门课程，每门课程可由多位教师
18、讲授，每位教师可讲授多门课程。画出对应的师讲授，每位教师可讲授多门课程。画出对应的E-R图。图。解：解：在该大学选课管理中，共有在该大学选课管理中，共有3个实体，学生实体的属个实体，学生实体的属性有学号、姓名、性别和年龄，教师实体的属性有教师号、性有学号、姓名、性别和年龄，教师实体的属性有教师号、姓名、性别和职称，课程实体的属性有课程号和课程名。如姓名、性别和职称，课程实体的属性有课程号和课程名。如图图2.8（a）所示。其中，学生实体和课程实体之间有）所示。其中，学生实体和课程实体之间有“选修选修”联系，这是联系，这是n：m联系，教师实体和课程实体之间有联系，教师实体和课程实体之间有“开课开课
19、”联系，这是联系，这是n：m联系，如图联系，如图2.8（b）所示。）所示。将它们合并在一起，给将它们合并在一起，给“选修选修”联系添加联系添加“分数分数”属性，属性，给给“开课开课”联系添加联系添加“上课地点上课地点”属性，得到最终的属性，得到最终的E-R图，图，如图如图2.8（c）所示。）所示。2.3 DBMS支持的数据模型支持的数据模型 E-R方法是抽象和描述现实世界的有力工具，用方法是抽象和描述现实世界的有力工具，用E-R图表图表示的概念模型独立于具体的示的概念模型独立于具体的DBMS所支持的数据模型，它是所支持的数据模型，它是各种数据模型的共同基础。还需将概念模型转换为各种数据模型的共
20、同基础。还需将概念模型转换为DBMS支支持的数据模型，也就是说必须把数据库组织成符合持的数据模型，也就是说必须把数据库组织成符合DBMS规规定的数据模型。定的数据模型。目前成熟地应用在目前成熟地应用在DBMS中的数据模型有层次模型、网状中的数据模型有层次模型、网状模型和关系模型。模型和关系模型。2.3.1 层次模型层次模型 层次数据模型是数据库系统最早使用的一种模型，它的数据层次数据模型是数据库系统最早使用的一种模型，它的数据结构是一棵结构是一棵“有向树有向树”。层次模型的特征是：。层次模型的特征是：l 有且仅有一个节点（即根节点）没有父节点。有且仅有一个节点（即根节点）没有父节点。l 其他节
21、点有且仅有一个父节点。其他节点有且仅有一个父节点。例如，图例如，图2.9所示为一个系教务管理层次数据模型，图所示为一个系教务管理层次数据模型，图2.9（a）是实体之间的联系，图）是实体之间的联系，图2.9（b）是实体型之间的联系。）是实体型之间的联系。图图2.10是一个实例。是一个实例。层次模型的主要优点如下：层次模型的主要优点如下：比较简单，仅用很少的几条命令就能操纵数据库。比较简单，仅用很少的几条命令就能操纵数据库。结构清晰，节点间联系简单，只要知道每个节点的双结构清晰，节点间联系简单，只要知道每个节点的双亲节点，就可以知道整个模型结构。亲节点，就可以知道整个模型结构。可以提供良好的数据完
22、整性支持。可以提供良好的数据完整性支持。层次模型的缺点如下：层次模型的缺点如下：不能直接表示两个以上实体间的复杂联系和实体间多不能直接表示两个以上实体间的复杂联系和实体间多对多联系。对多联系。对数据的插入和删除的操作限制太多。对数据的插入和删除的操作限制太多。1.查询孩子节点必须通过双亲节点。查询孩子节点必须通过双亲节点。2.3.2 网状模型网状模型 用网状结构表示实体及其之间联系的模型称为网状模型。用网状结构表示实体及其之间联系的模型称为网状模型。网中的每一个节点代表一个记录型，联系用链接指针来实现。网中的每一个节点代表一个记录型，联系用链接指针来实现。广义地讲，任何一个连通的基本层次联系的
23、集合都是网状模广义地讲，任何一个连通的基本层次联系的集合都是网状模型。它取消了层次模型的两点限制，网状模型的特征如下：型。它取消了层次模型的两点限制，网状模型的特征如下：l 允许节点有多于一个的父节点。允许节点有多于一个的父节点。l 可以有一个以上的节点没有父节点。可以有一个以上的节点没有父节点。如图如图2.11所示给出了一个简单的网状模型，其中所示给出了一个简单的网状模型，其中2.11（a）是）是学生选课学生选课E-R图。图图。图2.11（b）中，）中，S表示学生记录型，表示学生记录型，C表示课表示课程记录型，用联系记录型程记录型，用联系记录型L表示表示S和和C之间的一个多对多的选修之间的一
24、个多对多的选修联系。联系。图图2.12表示一个具体实例，其中表示一个具体实例，其中C记录有一个指针，指向记录有一个指针，指向该课程号的第一个该课程号的第一个L记录。记录。L记录有两个指针，第一个指针指记录有两个指针，第一个指针指向下一个同课程号的向下一个同课程号的L记录，第二个指针指向下一个同学号记录，第二个指针指向下一个同学号的的L记录。记录。S记录有一个指针，指向该学号的第一个记录有一个指针，指向该学号的第一个L记录。记录。这里构成的单链表均为循环单链接，用这些链表指针实现联这里构成的单链表均为循环单链接，用这些链表指针实现联系。系。网状模型的主要优点如下：网状模型的主要优点如下：更为直接
25、地描述客观世界，可表示实体间的多种复杂联系。更为直接地描述客观世界，可表示实体间的多种复杂联系。具有良好的性能和存储效率。具有良好的性能和存储效率。网状模型的缺点如下：网状模型的缺点如下：数据结构复杂，导致其数据结构复杂，导致其DDL语言也极其复杂。语言也极其复杂。1.数据独立性差，由于实体间的联系本质上是通过存取路径数据独立性差，由于实体间的联系本质上是通过存取路径表示的，因此应用程序在访问数据时要指定存取路径。表示的，因此应用程序在访问数据时要指定存取路径。2.3.3 关系模型关系模型 关系模型是用二维表格结构来表示实体和实体之间联系的关系模型是用二维表格结构来表示实体和实体之间联系的数据
26、模型。关系模型的数据结构（型）是一个数据模型。关系模型的数据结构（型）是一个“二维表框架二维表框架”组成的集合，每个二维表又称为关系，因此可以说，关系模组成的集合，每个二维表又称为关系，因此可以说，关系模型是型是“关系框架关系框架”组成的集合。组成的集合。目前大多数数据库管理系统都是关系型的，例如，目前大多数数据库管理系统都是关系型的，例如，SQL Server就是一种关系数据库管理系统，它支持关系数据模型。就是一种关系数据库管理系统，它支持关系数据模型。例如，图例如，图2.13给出了一个简单的关系模型，其中图给出了一个简单的关系模型，其中图2.13（a）给出了关系模式：给出了关系模式：教师（
27、教师编号，姓名，性别，所在系名）教师（教师编号，姓名，性别，所在系名）课程（课程号，课程名，教师编号，上课教室）课程（课程号，课程名，教师编号，上课教室）图图2.13（b）给出了这两个关系模式的关系，关系名称）给出了这两个关系模式的关系，关系名称分别为教师关系和课程关系，均包含两个元组，教师关系分别为教师关系和课程关系，均包含两个元组，教师关系的编号为主码，课程关系的课程号为主码。的编号为主码，课程关系的课程号为主码。关系模型的主要优点如下：关系模型的主要优点如下：与非关系模型不同，关系模型具有较强的数学理论根据。与非关系模型不同，关系模型具有较强的数学理论根据。数据结构简单、清晰，用户易懂易
28、用，不仅用关系描述实数据结构简单、清晰，用户易懂易用，不仅用关系描述实体，而且可用关系描述实体间的联系。体，而且可用关系描述实体间的联系。关系模型的存取路径对用户透明，从而具有更高的数据独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和更好的安全保密性，也简化了程序员的工作以及数立性和更好的安全保密性，也简化了程序员的工作以及数据库建立与开发工作。据库建立与开发工作。关系模型的缺点如下：关系模型的缺点如下：由于存取路径对用户透明，查询效率往往不如非关系模型，由于存取路径对用户透明，查询效率往往不如非关系模型，因此为了提高性能，必须对用户的查询表示进行优化，这因此为了提高性能，必须对用户
29、的查询表示进行优化，这样又将增加开发数据库管理系统的负担。样又将增加开发数据库管理系统的负担。1.关系必须是规范化的关系，即每个属性是不可分的数据项，关系必须是规范化的关系，即每个属性是不可分的数据项，不允许表中有表。不允许表中有表。关系是一张二维表，即元组的集合。关系框架是一个关关系是一张二维表，即元组的集合。关系框架是一个关系的属性名表。形式化表示为：系的属性名表。形式化表示为：R(A1,A2,An)其中，其中，R为关系名，为关系名，Ai（i=1，2，n）为关系的属性名。）为关系的属性名。关系之间通过公共属性实现联系。例如，图关系之间通过公共属性实现联系。例如，图2.13给出了两给出了两个
30、关系，通常情况下，需要增加如下任课关系：个关系，通常情况下，需要增加如下任课关系：任课（教师编号，姓名，课程号，上课教室）任课（教师编号，姓名，课程号，上课教室）该关系与前两个关系都有公共属性，从而实现关系之间该关系与前两个关系都有公共属性，从而实现关系之间的联系。的联系。关系数据库是指对应于一个关系模型的所有关系的集合。关系数据库是指对应于一个关系模型的所有关系的集合。例如，在一个学生课程管理关系数据库中，包含教师关系、例如，在一个学生课程管理关系数据库中，包含教师关系、课程关系、学生关系和任课关系等。课程关系、学生关系和任课关系等。各种数据模型按不同的应用层次分成三种类型，分别是概各种数据
31、模型按不同的应用层次分成三种类型，分别是概念数据模型、逻辑数据模型、物理数据模型。念数据模型、逻辑数据模型、物理数据模型。（1）概念数据模型，简称概念模型，是面向数据库用户）概念数据模型，简称概念模型，是面向数据库用户的实现世界的模型，主要用来描述世界的概念化结构，它使数的实现世界的模型，主要用来描述世界的概念化结构，它使数据库的设计人员在设计的初始阶段，摆脱计算机系统及据库的设计人员在设计的初始阶段，摆脱计算机系统及DBMS的具体技术问题，集中精力分析数据以及数据之间的联系等，的具体技术问题，集中精力分析数据以及数据之间的联系等，与具体的与具体的DBMS无关。概念数据模型必须换成逻辑数据模型
32、，无关。概念数据模型必须换成逻辑数据模型，才能在才能在DBMS中实现。在概念数据模型中最常用的是中实现。在概念数据模型中最常用的是E-R模型、模型、扩充的扩充的E-R模型、面向对象模型及谓词模型等。模型、面向对象模型及谓词模型等。（2）逻辑数据模型，简称数据模型，这是用户从数据库）逻辑数据模型，简称数据模型，这是用户从数据库所看到的模型，是具体的所看到的模型，是具体的DBMS所支持的数据模型，主要有层所支持的数据模型，主要有层次数据模型、网状数据模型和关系数据模型等。此模型既要面次数据模型、网状数据模型和关系数据模型等。此模型既要面向用户，又要面向系统，主要用于向用户，又要面向系统，主要用于DBMS的实现。的实现。2.4 各种数据模型的总结各种数据模型的总结
