第一章數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述熟練掌握：數(shù)據(jù)庫相關(guān)概念；數(shù)據(jù)庫的組成；三種數(shù)據(jù)模型掌握：數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的發(fā)展。1.1數(shù)據(jù)庫的相關(guān)概念

數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是與數(shù)據(jù)庫技術(shù)密切相關(guān)的4個(gè)基本概念。數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)（data）是對(duì)客觀事物的符號(hào)表示，是數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的基本對(duì)象。在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，數(shù)據(jù)指所有能輸入計(jì)算機(jī)并被計(jì)算機(jī)程序處理的符號(hào)介質(zhì)的總稱。圖形符號(hào)、數(shù)字、字母、聲音、圖像、學(xué)生的檔案記錄等都是數(shù)據(jù)。例如，一個(gè)人的聯(lián)系方式包括電話、地址、郵編、單位等，這些也都是數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫（database，DB）是存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備上，結(jié)構(gòu)化的相關(guān)數(shù)據(jù)的集合。它不僅存放數(shù)據(jù)，而且還存放數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)模型組織、描述，以文件的形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)上，是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)操作的對(duì)象和結(jié)果，具有較小的冗余度、較高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性和易擴(kuò)展性，可以被各種用戶共享。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（databasemanagementsystem，DBMS）是位于用戶與操作系統(tǒng)之間的幫助用戶建立、使用和管理數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理軟件，對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制，以保證數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性。用戶通過DBMS訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫管理員也通過DBMS進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的維護(hù)工作。它提供多種功能，可使多個(gè)應(yīng)用程序和用戶用不同的方法并發(fā)地建立、修改和詢問數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的主要功能：1、數(shù)據(jù)定義定義數(shù)據(jù)庫的模式、外模式和內(nèi)模式，以及它們的二級(jí)印像。2、數(shù)據(jù)操縱實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的基本操作，包括查詢、插入修改、刪除等。3、數(shù)據(jù)庫運(yùn)行管理對(duì)數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行管理是DBMS運(yùn)行的核心部分。DBMS通過對(duì)數(shù)據(jù)庫的控制以確保數(shù)據(jù)的正確有效和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的正常運(yùn)行。DBMS對(duì)數(shù)據(jù)庫的控制主要通過四個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)的安全性控制、數(shù)據(jù)的完整性控制、多用戶環(huán)境下的并發(fā)控制、數(shù)據(jù)庫的回復(fù)。4、數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù)功能包括數(shù)據(jù)庫的初始數(shù)據(jù)的裝入，數(shù)據(jù)庫的轉(zhuǎn)存、恢復(fù)、重組織、系統(tǒng)性能監(jiān)視、分析等功能。5、數(shù)據(jù)通信接口數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的組成DBMS是由許多程序組成的一個(gè)大型軟件，每個(gè)程序都有自己的功能，共同完成一個(gè)或幾個(gè)工作。1、語言編譯處理程序數(shù)據(jù)定義語言DDL編譯程序

把用DDL編寫的各級(jí)源模式編譯成各級(jí)目標(biāo)模式。數(shù)據(jù)操縱語言DML編譯程序

將應(yīng)用程序中的DML語句轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的檢索、插入和修改等基本操作。2、系統(tǒng)運(yùn)行控制程序系統(tǒng)總控程序：控制和協(xié)調(diào)各程序的活動(dòng)，是運(yùn)行程序的核心安全性控制程序：防止未被授權(quán)的用戶存取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。并發(fā)控制程序：協(xié)調(diào)多用戶、多任務(wù)環(huán)境下各應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫的并發(fā)操作，保證數(shù)據(jù)的一致性。完整性控制程序：檢查完整性約束條件，確保進(jìn)入數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的正確性、有效性和相容性。數(shù)據(jù)存取和更新程序：實(shí)施對(duì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的檢索、插入、修改和刪除操作。通信控制程序：實(shí)現(xiàn)用戶程序與DBMS間的通信3、系統(tǒng)建立、維護(hù)程序裝配程序:完成初始數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)裝入。重組程序：當(dāng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)性能降低時(shí)，需要重新組織數(shù)據(jù)庫，重新裝入數(shù)據(jù)。系統(tǒng)恢復(fù)程序：當(dāng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)受到破壞時(shí)，將數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)恢復(fù)到以前某個(gè)正確的狀態(tài)。4、數(shù)據(jù)字典是用來描述數(shù)據(jù)庫中有關(guān)信息的數(shù)據(jù)目錄，包括數(shù)據(jù)庫的三級(jí)模式、數(shù)據(jù)類型、用戶名和用戶權(quán)限等有關(guān)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的信息。是DBMS存取數(shù)據(jù)的基本依據(jù)。

目前，廣泛應(yīng)用的大型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有：微軟的SQLServer、IBM的DB2、ORACLE、SYBASE等。常用的桌面數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有：VisualFoxpro、Access等。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（Databasesystem，簡(jiǎn)稱DBS）是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫后的系統(tǒng)。一般由計(jì)算機(jī)硬件、數(shù)據(jù)庫集合、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、相關(guān)的軟件及其開發(fā)工具和人員構(gòu)成的。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)是整個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括：①數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化②數(shù)據(jù)共享③數(shù)據(jù)獨(dú)立性④統(tǒng)一的數(shù)據(jù)控制（安全性控制、完整性控制、并發(fā)操作控制）1.2數(shù)據(jù)管理技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展

20世紀(jì)50年代初期，計(jì)算機(jī)開始應(yīng)用于數(shù)據(jù)管理，并逐漸得到人們的認(rèn)可。幾十年來，數(shù)據(jù)管理技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)軟件、硬件的發(fā)展而不斷地發(fā)展，經(jīng)歷了人工管理、文件管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)3個(gè)階段。1.人工管理階段

(20世紀(jì)50年代中期以前)

計(jì)算機(jī)主要用于科學(xué)與工程計(jì)算。由于當(dāng)時(shí)沒有必要的軟件、硬件環(huán)境的支持，用戶只能直接在裸機(jī)上操作，采用批處理方式處理數(shù)據(jù)。人工管理階段具有如下特點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)不保存。（2）應(yīng)用程序管理數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)不能共享。（4）數(shù)據(jù)不具有獨(dú)立性。

應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)之間是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如圖所示。

2.文件管理系統(tǒng)階段

（20世紀(jì)50年代中期到20世紀(jì)60年代中期）

在文件管理方式下，人們將程序存儲(chǔ)到程序文件中，將處理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)文件中。文件管理方式最大的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)與程序的分離，大大提高了數(shù)據(jù)處理的效率，但在使用過程中仍存在以下缺點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)共享性差。在文件管理系統(tǒng)中，文件仍然是面向應(yīng)用的，當(dāng)不同的應(yīng)用程序具有部分相同的數(shù)據(jù)時(shí)，也必須建立各自的文件，而不能共享數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)的共享性差、冗余度高，浪費(fèi)存儲(chǔ)空間。（2）數(shù)據(jù)的獨(dú)立性差。在文件管理系統(tǒng)中，一旦數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)改變，就必須修改應(yīng)用程序；反之，一旦應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)改變，也必然引起數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的改變。在文件管理系統(tǒng)階段，應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)文件之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖所示。3.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)階段

（20世紀(jì)60年代后期）

這個(gè)階段中程序和數(shù)據(jù)的聯(lián)系通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)階段具有以下特點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)的共享性高、冗余度低。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)從整體角度對(duì)待和描述數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)不再面向特定的某個(gè)或多個(gè)應(yīng)用，而是面向整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。數(shù)據(jù)冗余明顯減少，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。

（2）數(shù)據(jù)獨(dú)立性高。在這一管理方式下，應(yīng)用程序不再只與一個(gè)孤立的數(shù)據(jù)文件相對(duì)應(yīng)，而是通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邏輯文件與物理數(shù)據(jù)之間的映射，這樣應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)的管理和訪問不但靈活方便，而且應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)之間完全獨(dú)立。（3）數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理和控制。數(shù)據(jù)庫的共享是并發(fā)（concurrency）的共享，即多個(gè)用戶可以同時(shí)存取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，甚至可以同時(shí)存取數(shù)據(jù)庫中同一個(gè)數(shù)據(jù)，而這些都由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)統(tǒng)一管理與控制，從而簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序。在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)階段，應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖所示。1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的組成

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)庫、硬件、軟件、數(shù)據(jù)庫管理員和用戶5部分組成。1）數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是一個(gè)結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)集合。在一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，可以根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)數(shù)據(jù)庫，并且數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)通?？梢员欢鄠€(gè)用戶所共享。2）軟件（1）DBMS，它是為數(shù)據(jù)庫的建立、使用和維護(hù)配置的軟件。（2）支持DBMS運(yùn)行的操作系統(tǒng)。（3）具有與數(shù)據(jù)庫接口的高級(jí)語言及其編譯系統(tǒng)，便于開發(fā)應(yīng)用程序。（4）以DBMS為核心的應(yīng)用開發(fā)工具，它們?yōu)閿?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用提供了良好的環(huán)境。（5）為特定應(yīng)用環(huán)境開發(fā)的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序。3）硬件

任何一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都需要有中央處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備等硬件。一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需要有足夠快的處理器來處理這些數(shù)據(jù)，以便快速響應(yīng)用戶的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)檢索請(qǐng)求，同時(shí)還需要有足夠容量的內(nèi)存與外存來存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)。4）數(shù)據(jù)庫管理員

數(shù)據(jù)庫管理員是對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行全面維護(hù)和管理的專門人員，他們?cè)跀?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和應(yīng)用中起著重要的作用。5）用戶

用戶也稱最終用戶，他們可以通過應(yīng)用系統(tǒng)的用戶接口使用數(shù)據(jù)庫。1.4數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級(jí)模式結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（AmericanNationalStandardInstitute，ANSI）的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)研究小組于1978年提出的標(biāo)準(zhǔn)化的建議，將數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)劃分為3個(gè)模式：概念模式、外模式和內(nèi)模式，又稱為數(shù)據(jù)庫的三級(jí)模式結(jié)構(gòu)，使不同級(jí)別的用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫形成不同的視圖。所謂視圖，是指觀察、認(rèn)識(shí)和理解數(shù)據(jù)庫的范圍、角度和方法，是數(shù)據(jù)庫在用戶“眼中”的反映，很顯然，不同層次的用戶所“看到”的數(shù)據(jù)庫是不相同的。1）概念模式

介于內(nèi)模式和外模式之間的中間層次概念模式對(duì)應(yīng)于概念級(jí)。它是對(duì)數(shù)據(jù)庫中全部數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和特征的總體描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖（全局視圖），由若干個(gè)概念記錄類型組成。

概念模式不僅要描述概念記錄類型，還要描述記錄間的聯(lián)系、操作、數(shù)據(jù)的完整性以及安全性等要求。定義模式時(shí)不僅要定義數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)（如數(shù)據(jù)記錄由哪些數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成，數(shù)據(jù)項(xiàng)的名字、類型、長(zhǎng)度和取值范圍等），而且還要定義與數(shù)據(jù)有關(guān)的安全性、完整性要求以及定義這些數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。2）外模式最接近用戶，也就是用戶所看到的數(shù)據(jù)視圖

外模式又稱子模式，對(duì)應(yīng)于用戶級(jí)，是對(duì)用戶用到的那部分?jǐn)?shù)據(jù)的描述。它是某個(gè)或某幾個(gè)用戶所看到的數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)視圖，與某一應(yīng)用有關(guān)的數(shù)據(jù)的邏輯表示。外模式由若干個(gè)外部記錄類型組成。用戶使用數(shù)據(jù)操縱語言對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，實(shí)際上是對(duì)外模式的外部記錄進(jìn)行操作。

一個(gè)數(shù)據(jù)庫可以有多個(gè)外模式。如果不同的用戶在應(yīng)用需求、數(shù)據(jù)的方式、對(duì)數(shù)據(jù)保密的要求等方面存在差異，則他們的外模式描述就是不同的。外模式是概念模式的子集，也稱子模式或用戶模式。3）內(nèi)模式最接近物理存儲(chǔ)，也就是數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)方式

內(nèi)模式又稱存儲(chǔ)模式，對(duì)應(yīng)于物理級(jí)，它是數(shù)據(jù)庫中全體數(shù)據(jù)的內(nèi)部表示或底層描述，是數(shù)據(jù)庫最低一級(jí)的邏輯描述，它描述了數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)介質(zhì)上的存儲(chǔ)方式和物理結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)著實(shí)際存儲(chǔ)在外存儲(chǔ)介質(zhì)上的數(shù)據(jù)庫。

在一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，只有唯一的數(shù)據(jù)庫。因而作為定義、描述數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的內(nèi)模式和定義、描述數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)的概念模式，也是唯一的。但建立在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之上的應(yīng)用則是非常廣泛、多樣的，所以對(duì)應(yīng)的外模式不是唯一的，也不可能是唯一的。

因此，概念模式描述的是數(shù)據(jù)的全局邏輯結(jié)構(gòu)，外模式涉及的是數(shù)據(jù)的局部邏輯結(jié)構(gòu)，即用戶可以直接接觸到的數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，而內(nèi)模式更多的是由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。三級(jí)模式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：保證了數(shù)據(jù)的獨(dú)立性；將內(nèi)模式和概念模式分開，保證了數(shù)據(jù)的物理獨(dú)立性；將外模式和概念模式分開，保證了數(shù)據(jù)的邏輯獨(dú)立性。簡(jiǎn)化了用戶接口；按照外模式編寫應(yīng)用程序或輸入命令，而不需要了解數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，方便用戶使用系統(tǒng)。有利于數(shù)據(jù)共享；在不同的外模式下可有多個(gè)用戶共享系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)冗余。利于數(shù)據(jù)的安全保密。在外模式下根據(jù)要求進(jìn)行操作，只能對(duì)限定的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，保證了其他數(shù)據(jù)的安全。2、三級(jí)模式間的映射

數(shù)據(jù)庫的三級(jí)模式是數(shù)據(jù)庫在3個(gè)級(jí)別（層次）上的抽象，使用戶能夠邏輯地、抽象地處理數(shù)據(jù)而不必關(guān)心數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的物理表示和存儲(chǔ)。

實(shí)際上，對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)而言，物理級(jí)數(shù)據(jù)庫是客觀存在的，它是進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作的基礎(chǔ)，概念級(jí)數(shù)據(jù)庫不過是物理級(jí)數(shù)據(jù)庫的一種邏輯的、抽象的描述（即模式），用戶級(jí)數(shù)據(jù)庫則是用戶與數(shù)據(jù)庫的接口，它是概念級(jí)數(shù)據(jù)庫的一個(gè)子集（外模式）。因此，為了實(shí)現(xiàn)三個(gè)抽象層次的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在這三級(jí)模式中提供了映射機(jī)制，即：外模式/概念模式映射概念模式/內(nèi)模式映射

用戶應(yīng)用程序根據(jù)外模式進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，通過外模式/概念模式映射，定義和建立某個(gè)外模式與模式間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將外模式與模式聯(lián)系起來，當(dāng)模式發(fā)生改變時(shí)，只要改變其映射，就可以使外模式保持不變，對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序也可保持不變；

另一方面，通過概念模式/內(nèi)模式映射，定義建立數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)（模式）與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)（內(nèi)模式）間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，只需改變模式/內(nèi)模式映射，就能保持模式不變，因此應(yīng)用程序也可以保持不變。

數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)的集合，它不僅要反映數(shù)據(jù)本身的內(nèi)容，而且要反映數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。由于計(jì)算機(jī)不可能直接處理現(xiàn)實(shí)世界中的具體事物，人們必須事先把具體事物轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)，這種具有聯(lián)系性的相關(guān)數(shù)據(jù)總是按照一定的組織關(guān)系排列，從而構(gòu)成一定的結(jié)構(gòu)，對(duì)這種結(jié)構(gòu)的描述就是數(shù)據(jù)模型。在數(shù)據(jù)庫中用數(shù)據(jù)模型這個(gè)工具來抽象、表示和處理現(xiàn)實(shí)世界的模擬。數(shù)據(jù)模型包括數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)部分、數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的操作部分和數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的約束條件。1.5數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型所描述的內(nèi)容包括三個(gè)部分：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)約束。

1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要描述數(shù)據(jù)的類型、內(nèi)容、性質(zhì)以及數(shù)據(jù)間的聯(lián)系等。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)操作和約束都建立在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上。不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有不同的操作和約束。

2）數(shù)據(jù)操作:數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)操作主要描述在相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的操作類型和操作方式。

3）數(shù)據(jù)約束：數(shù)據(jù)模型中的數(shù)據(jù)約束主要描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)數(shù)據(jù)間的語法、詞義聯(lián)系、他們之間的制約和依存關(guān)系，以及數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化的規(guī)則，以保證數(shù)據(jù)的正確、有效和相容。

不同的數(shù)據(jù)模型實(shí)際上是提供給用戶模型化數(shù)據(jù)和信息的不同工具。根據(jù)模型應(yīng)用的不同目的，可將模型劃分為兩類，它們分屬于兩個(gè)不同的層次。

第一層模型是概念層模型，習(xí)慣稱為概念模型，它是按照用戶的觀點(diǎn)來對(duì)數(shù)據(jù)和信息建模，主要用于數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。

另一層模型是組織層數(shù)據(jù)模型，簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)模型，它是按照計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的觀點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)建模，主要用于數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)，分為關(guān)系數(shù)據(jù)庫、層次數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫，其中，關(guān)系數(shù)據(jù)庫是目前最重要的一種數(shù)據(jù)庫。20世紀(jì)80年代以來，計(jì)算機(jī)廠商推出的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)大多采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

為了把現(xiàn)實(shí)中的具體事物抽象、組織為某一DBMS支持的數(shù)據(jù)模型，人們首先將現(xiàn)實(shí)世界抽象為信息世界，然后將信息世界轉(zhuǎn)換為機(jī)器世界。也就是說，首先把現(xiàn)實(shí)世界中的客觀對(duì)象抽象為某一信息結(jié)構(gòu)，即用概念模型描述數(shù)據(jù)，然后再把概念模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)上某一DBMS支持的數(shù)據(jù)模型，這一過程如圖所示。1.概念模型1）概念模型中的名詞術(shù)語（1）實(shí)體?？陀^存在并且相互區(qū)別的事物稱為實(shí)體。實(shí)體可以是實(shí)際的事物，例如，一名學(xué)生、一位教師；實(shí)體也可以是抽象的事件，例如，一場(chǎng)比賽、一次選課。（2）實(shí)體集。具有相同類型及相同性質(zhì)（或?qū)傩裕┑膶?shí)體集合稱為實(shí)體集。例如，某所學(xué)校的所有學(xué)生的集合是學(xué)生實(shí)體集，所有教師也是實(shí)體集。（3）實(shí)體的屬性。描述實(shí)體的特性稱為屬性。一個(gè)實(shí)體可以由若干個(gè)屬性來刻畫，例如，學(xué)生實(shí)體可以由學(xué)號(hào)、姓名、性別、年齡、院系等屬性描述。（4）屬性值。將屬性的具體取值稱為屬性值。（5）域。屬性值的取值范圍稱為改屬性的域。2）實(shí)體之間的聯(lián)系聯(lián)系：就是實(shí)體與實(shí)體之間的聯(lián)系。（1）一對(duì)一的聯(lián)系（1∶1）。班長(zhǎng)和班級(jí)之間是一對(duì)一的聯(lián)系，一個(gè)班級(jí)只能有一名正班長(zhǎng)，而每一名班長(zhǎng)只能在一個(gè)班級(jí)任職。（2）一對(duì)多的聯(lián)系（1∶n）。系和學(xué)生之間具有一對(duì)多聯(lián)系，一個(gè)系有若干名學(xué)生，而每一名學(xué)生只能在一個(gè)系中學(xué)習(xí)。（3）多對(duì)多的聯(lián)系（m∶n）。學(xué)生和課程之間具有多對(duì)多的聯(lián)系，一名學(xué)生可以選修多門課程，而每一門課程又可以被多名學(xué)生選修。3）實(shí)體聯(lián)系圖：E-R圖

實(shí)體聯(lián)系方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，通常使用它的工具---E-R圖來描述現(xiàn)實(shí)世界的信息結(jié)構(gòu)，并將所描述的結(jié)果稱為E-R模型。E-R模型可以轉(zhuǎn)換為DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型。E-R圖有4個(gè)要素：（1）矩形：表示實(shí)體，矩形框內(nèi)標(biāo)注實(shí)體名稱（2）橢圓：表示實(shí)體和聯(lián)系所具有的屬性，橢圓內(nèi)標(biāo)注屬性的名稱。（3）菱形框：表示實(shí)體之間的聯(lián)系，菱形框內(nèi)標(biāo)注聯(lián)系的名稱。（4）連線：用來連接實(shí)體與實(shí)體所具有的屬性、聯(lián)系與聯(lián)系所具有的屬性，以及實(shí)體與聯(lián)系。

下面用E-R圖來表示學(xué)校教師授課情況的概念模型，如圖所示，教師屬性有系部、姓名；課目屬性有編號(hào)、名稱；學(xué)生屬性有學(xué)號(hào)、姓名、年齡及班級(jí)。

2.數(shù)據(jù)模型

概念模型是人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界事物之間各種聯(lián)系的一種抽象表示，它只描述了實(shí)體的存在及其聯(lián)系，而不能指出如何實(shí)現(xiàn)各種聯(lián)系。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為了能很好地支持概念模型，必須要采用具體的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，這就是組織層數(shù)據(jù)模型，亦稱數(shù)據(jù)模型。數(shù)據(jù)模型是概念模型的數(shù)據(jù)化。任何一個(gè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)都是基于某種數(shù)據(jù)模型的。數(shù)據(jù)模型主要用于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）的實(shí)現(xiàn)。

目前常用的數(shù)據(jù)模型有3種：層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型。與之相對(duì)應(yīng)，數(shù)據(jù)庫也分為3種基本類型：層次數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫。1）層次模型

層次模型是用樹形結(jié)構(gòu)來表示實(shí)體與實(shí)體之間的聯(lián)系的。層次模型適合描述現(xiàn)實(shí)世界原本具有層次關(guān)系的系統(tǒng)，例如，企業(yè)、學(xué)校、機(jī)關(guān)及家族等。在這種模型中，記錄類型為結(jié)點(diǎn)，由根結(jié)點(diǎn)、父結(jié)點(diǎn)和子結(jié)點(diǎn)構(gòu)成。

層次模型像一棵倒置的樹，根結(jié)點(diǎn)在上，層次最高，子結(jié)點(diǎn)在下，逐層排列。其主要特征是：有且只有一個(gè)無雙親的根結(jié)點(diǎn)；根結(jié)點(diǎn)以外的子結(jié)點(diǎn)，向上僅有一個(gè)父結(jié)點(diǎn)，向下可以有若干個(gè)子結(jié)點(diǎn)，表示的是一個(gè)父結(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于多個(gè)子結(jié)點(diǎn)，而一個(gè)子結(jié)點(diǎn)是只能對(duì)應(yīng)于一個(gè)父結(jié)點(diǎn)的一對(duì)多的聯(lián)系。

層次模型只能直接表示一對(duì)多（包括一對(duì)一）聯(lián)系，而無法直接表示實(shí)體間的多對(duì)多聯(lián)系，但卻簡(jiǎn)單、直觀、處理方便、算法規(guī)范，如圖所示。

2）網(wǎng)狀模型

網(wǎng)狀模型用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表示實(shí)體與實(shí)體之間的聯(lián)系。網(wǎng)狀模型允許結(jié)點(diǎn)有多于一個(gè)的父結(jié)點(diǎn)，也可以有一個(gè)以上的結(jié)點(diǎn)沒有父結(jié)點(diǎn)，適合用于表示多對(duì)多的聯(lián)系。

網(wǎng)狀模型是層次模型的擴(kuò)展，表示多個(gè)從屬關(guān)系的層次結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)一種交叉關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其主要特征是：允許有一個(gè)以上的結(jié)點(diǎn)無雙親結(jié)點(diǎn)，至少有一個(gè)結(jié)點(diǎn)有多于一個(gè)的雙親結(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)狀模型在概念上、結(jié)構(gòu)上都比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)的算法也難以規(guī)范化，但這種數(shù)據(jù)模型可以表示較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如圖所示。

3）關(guān)系模型

是通過二維表來表示實(shí)體以及實(shí)體之間的聯(lián)系。在這種模型中，一個(gè)二維表就是一個(gè)關(guān)系，二維表不僅能夠描述實(shí)體本身，而且還能反映實(shí)體之間的聯(lián)系。但并不是所有的二維表都是關(guān)系模型，只有具有下列特點(diǎn)的二維表才是關(guān)系模型：（1）表格中的每一列都是不可再分的基本數(shù)據(jù)項(xiàng)。（2）每列的名字不同，同一列的數(shù)據(jù)類型相同。（3）行的順序無關(guān)緊要。（4）列的順序無關(guān)緊要。（5）關(guān)系中不允許有完全相同的兩行存在。通常將關(guān)系模型稱為關(guān)系或表，將關(guān)系中的行稱為元組（或記錄）。將關(guān)系中的列稱為屬性,(或字段）。關(guān)系模型的基本術(shù)語

在關(guān)系模型中，無論是實(shí)體還是實(shí)體之間的聯(lián)系均由關(guān)系（表）來表示。1.關(guān)系與表

關(guān)系（relation）是滿足一定條件的二維表，用來表示概念世界中的實(shí)體和實(shí)體之間的聯(lián)系，二維表名就是關(guān)系名。但并非任何一個(gè)二維表都是一個(gè)關(guān)系，確定二維表是一個(gè)關(guān)系應(yīng)具有以下幾個(gè)特征：（1）表中沒有組合的列，也就是說每一列都是不可再分