第2講-數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)過程

第1部分:

引言

數(shù)據(jù)模型與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)過程

教師：朱征宇

單位：重慶大學(xué)計算機學(xué)院

課程名稱:數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

--------------------一幾種典型的數(shù)據(jù)模型層次數(shù)據(jù)模型網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型關(guān)系數(shù)據(jù)模型對象數(shù)據(jù)模型XML數(shù)據(jù)模型思考問題：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述包括哪些方面？數(shù)據(jù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)&數(shù)據(jù)間的聯(lián)系！21.1層次數(shù)據(jù)模型

第一個商用的層次數(shù)據(jù)模型系統(tǒng)：

IBM公司開發(fā)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(IMS,InformationManagementSystem)

在數(shù)據(jù)庫早期階段曾經(jīng)廣泛應(yīng)用!層次數(shù)據(jù)模型表現(xiàn)為倒立的樹，用樹形結(jié)構(gòu)來表示實體間的聯(lián)系。用戶把層次數(shù)據(jù)庫理解為段（segment）的層次，一個段等價于一個文件系統(tǒng)的‘記錄型’。在層次數(shù)據(jù)模型中，文件或記錄之間的聯(lián)系形成層次。 換句話說，層次數(shù)據(jù)庫把記錄集合表示成倒立的樹結(jié)構(gòu)。簡介層次數(shù)據(jù)模式層次模式 利用層次模型（記錄&PCR）來描述應(yīng)用，可以得到一個層次模式（數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)）。型&實例 一個型多個實例

模式的型：“樹”結(jié)構(gòu)（圖2-5）

模式的實例：森林結(jié)構(gòu)（圖2-6）系班教研組學(xué)生教師901班911班王一李四計算機系921班931班錢英周新硬件教研組軟件教研組鄭三

陳芝張三趙立孫玉吳堅洪流丁偉雙親子女關(guān)系1.1層次數(shù)據(jù)模型

非層次結(jié)構(gòu)的描述問題：

M:N聯(lián)系如何描述？

雙親聯(lián)系如何描述？

多數(shù)客觀數(shù)據(jù)不是層次型的，你該如何辦呢？學(xué)生課程學(xué)生班運動隊1.1層次數(shù)據(jù)模型6非層次結(jié)構(gòu)的解決方案：

間接表示法方法一：采用副本 對M：N聯(lián)系 對多雙親聯(lián)系

缺點：數(shù)據(jù)冗余（增加空間，一致性維護(hù)難）學(xué)生課程課程學(xué)生班學(xué)生運動隊學(xué)生1.1層次數(shù)據(jù)模型7方法二：虛擬記錄

對M：N聯(lián)系（圖2-13）

雙親聯(lián)系（圖2-14）

不足：增加處理開銷學(xué)生(課程)v課程(學(xué)生)v班學(xué)生運動隊(學(xué)生)v1.1層次數(shù)據(jù)模型8非層次聯(lián)系模式的實例*(虛擬記錄方式)模式

M:N聯(lián)系

(虛擬記錄方式)實例

M:N聯(lián)系的實例學(xué)生(課程)v課程(學(xué)生)v王一張三李四人工智能人工智能人工智能數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫人工智能數(shù)據(jù)庫王一張三李四張三李四虛擬記錄實際記錄虛擬記錄實際記錄非層次結(jié)構(gòu)模式的實例什么樣？1.1層次數(shù)據(jù)模型9層次模型的優(yōu)缺點*優(yōu)點：數(shù)據(jù)模型比較簡單，操作簡單。 采用定長記錄(僅允許簡單屬性)，物理實現(xiàn)(按樹順序掃描)為線性存儲。對于實體間聯(lián)系是固定的、且預(yù)先定義好的應(yīng)用系統(tǒng)，其性能較高。提供較好的完整性支持。缺點：不適合于表示非層次性的聯(lián)系。對插入和刪除操作的限制比較多。查詢子女結(jié)點必須通過雙親結(jié)點。導(dǎo)航式操作，要求熟悉詳細(xì)組織結(jié)構(gòu)如何評價層次模型？1.1層次數(shù)據(jù)模型1.2網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來表示實體及其聯(lián)系的模型。第一個網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型系統(tǒng)(也是第一個DBMS):

美國通用電器公司（Bachman等人）開發(fā)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)IDS(IntegratedDataStore) 奠定了網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)！20世紀(jì)70年代曾廣泛應(yīng)用。思考問題：(看圖)

與層次模型的關(guān)鍵不同？

允許一個子節(jié)點可以有一個以上的 父節(jié)點沒有父節(jié)點。 父節(jié)點與某個子節(jié)點記錄之間可以 有多種關(guān)系(不同系型，見后說明)。簡介系班教研組學(xué)生教師（網(wǎng)狀模型）（層次模型）11網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模式網(wǎng)狀模式 利用網(wǎng)狀模型（記錄&系）來描述應(yīng)用，可以得到一個網(wǎng)狀模式（數(shù)據(jù)庫設(shè)計）。型&

實例 一個型(系,多屬系)多個實例(值) 模式的型：“圖” 模式的實例：“圖”1.2網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型Link指針系不能直接用來表示一個記錄型的自身聯(lián)系，圖2-19（a）M:N聯(lián)系需用link表示(學(xué)生-課程)多元聯(lián)系也用link表示供應(yīng)商-零件-工程項目)注：Link記錄也可以附有關(guān)于聯(lián)系的數(shù)據(jù)項！

為何需要引入link指針？1.2網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的物理實現(xiàn)網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的存儲結(jié)構(gòu)依具體系統(tǒng)不同而不同，常用的方法是鏈接法，包括單向鏈接、雙向鏈接、環(huán)狀鏈接、向首鏈拉等。(采用指針鏈實現(xiàn)，允許復(fù)雜屬性結(jié)構(gòu))由此可推知：數(shù)據(jù)類型可以是各種復(fù)雜類型。網(wǎng)狀模型數(shù)據(jù)如何實際存儲？1.2網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型網(wǎng)狀模型－的物理存儲結(jié)構(gòu)-實例*網(wǎng)狀模型數(shù)據(jù)的存儲實例什么樣？1.2網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型15網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的優(yōu)缺點*優(yōu)點：能夠更為直接地描述現(xiàn)實世界。是早期實用非常廣泛的模型 （網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫之父CharlesBachman,1973年曾獲ACM圖靈獎)具有良好的性能，存取效率較高。缺點：其DDL語言極其復(fù)雜。數(shù)據(jù)獨立性較差。導(dǎo)航式操作：由于實體間的聯(lián)系本質(zhì)上通過存取路徑指示的，因此應(yīng)用程序在訪問數(shù)據(jù)時要指定存取路徑。如何評價網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型？1.2網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型RelationalModelExampleoftabulardataintherelationalmodelRelationalschema:instructor(id,name,dept_name,salary)ColumnsRows1.3關(guān)系數(shù)據(jù)模型關(guān)系模型如何描述數(shù)據(jù)？ASampleRelationalDatabase關(guān)系模型有型與實例區(qū)分？關(guān)系模型如何描述數(shù)據(jù)間的聯(lián)系？[型模式][實例關(guān)系]系與建筑大樓間的聯(lián)系(什么系位于什么大樓)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用關(guān)系描述!數(shù)據(jù)間聯(lián)系也用關(guān)系!描述物描述事1.3關(guān)系數(shù)據(jù)模型關(guān)系數(shù)據(jù)模型的優(yōu)缺點*優(yōu)點：

(參：1.13節(jié)&2章首頁)在商用數(shù)據(jù)處理應(yīng)用中，關(guān)系模型已成為當(dāng)今主要的數(shù)據(jù)模型描述形式簡單（關(guān)系），數(shù)據(jù)處理高效與網(wǎng)狀和層次模型相比，關(guān)系模型有效地簡化了編程者的工作。 （使用描述性語言SQL，而非導(dǎo)航式操作，不需考慮底層細(xì)節(jié)）設(shè)計應(yīng)用程序時不需考慮執(zhí)行效率（數(shù)據(jù)庫提供有效支持）關(guān)系數(shù)據(jù)庫具有堅實的理論基礎(chǔ)（集合論與關(guān)系代數(shù)-2、6章，規(guī)范化理論-8章等）缺點：

（參：王能斌-《數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)教程》2章）以記錄為基礎(chǔ)，不能很好地面向用戶和應(yīng)用不能以自然的方式表示實體間的聯(lián)系數(shù)據(jù)類型太少（僅簡單數(shù)據(jù)類型），難以滿足應(yīng)用需要如何評價關(guān)系模型？1.3關(guān)系數(shù)據(jù)模型基于對象的數(shù)據(jù)模型面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計已經(jīng)成為占統(tǒng)治地位的軟件開發(fā)方法，直接導(dǎo)致了面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的發(fā)展(object-baseddatamodel,OBDM)面向?qū)ο竽Ｐ椭С址庋b、方法、繼承、和對象標(biāo)識等概念支持豐富的類型系統(tǒng)（可定義各種復(fù)雜數(shù)據(jù)類型）數(shù)據(jù)被封裝在數(shù)據(jù)對象中，對外提供方法作為數(shù)據(jù)訪問接口目前，在數(shù)據(jù)建模中常有應(yīng)用；上時間80年代，開發(fā)有多種基于面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)目前，主要的數(shù)據(jù)庫廠商都支持對象-關(guān)系數(shù)據(jù)模型(object-relationaldatamodel,ORDM)1.4對象數(shù)據(jù)模型為什么會出現(xiàn)對象數(shù)據(jù)模型？對象數(shù)據(jù)模型已得到普遍使用？Object-RelationalDataModels*（Relationalmodel:flat,“atomic”values）ObjectRelationalDataModels (ItisproducedbyconbiningRDMwithOBDM)Extendtherelationaldatamodelbyincludingobjectorientationandconstructstodealwithaddeddatatypes.Allowattributesoftuplestohavecomplextypes,includingnon-atomicvaluessuchasnestedrelations.Preserverelationalfoundations,inparticularthedeclarativeaccesstodata,whileextendingmodelingpower.Provideupwardcompatibilitywithexistingrelationallanguages.什么是對象關(guān)系數(shù)據(jù)模型,有何特點？1.4對象數(shù)據(jù)模型對象數(shù)據(jù)模型的優(yōu)缺點*優(yōu)點：能夠支持復(fù)雜數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)可以對象為基礎(chǔ)，很好地面向用戶和應(yīng)用描述數(shù)據(jù)特別適用于應(yīng)用設(shè)計的數(shù)據(jù)建模階段目前主要的數(shù)據(jù)庫廠商,都支持對象-關(guān)系數(shù)據(jù)模型缺點：描述形式相對復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理效率降低增加了編程工作的復(fù)雜性真正基于對象的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)還少見,目前還不是主流如何評價對象數(shù)據(jù)模型？1.4對象數(shù)據(jù)模型XML:ExtensibleMarkupLanguageDefinedbytheWWWConsortium(W3C)OriginallyintendedasadocumentmarkuplanguagenotadatabaselanguageTheabilitytospecifynewtags,andtocreatenestedtagstructuresmadeXMLagreatwaytoexchangedata,notjustdocumentsXMLhasbecomethebasisforallnewgenerationdatainterchangeformats.Awidevarietyoftoolsisavailableforparsing,browsingandqueryingXMLdocuments/data(XqueryLanguage)1.5XML數(shù)據(jù)模型為什么會出現(xiàn)XML數(shù)據(jù)模型？XML數(shù)據(jù)模型已得到普遍使用？異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成異構(gòu)系統(tǒng)的互通互聯(lián)和數(shù)據(jù)交換尤其是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及<course>

Thiscourseisbeingofferedforthefirsttimein2009.

<courseid>BIO-399</courseid>

<title>ComputationalBiology</title>

<deptname>Biology</deptname>

<credits>3</credits>

</course>XML數(shù)據(jù)模型的優(yōu)缺點*優(yōu)點：(1.13節(jié)&23章首頁&23.6節(jié))能夠支持復(fù)雜數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)的描述可以新增標(biāo)簽和定義標(biāo)簽語義尤其適合于異構(gòu)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)交換，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)交換和復(fù)雜數(shù)據(jù)類型的存儲XML數(shù)據(jù)可存儲在非關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，也可存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中缺點：為半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)描述形式相對復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理效率降低增加了編程工作的復(fù)雜性尤其是要實現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫特點(事務(wù)、安全性、高效存儲訪問)更為困難如何評價XML數(shù)據(jù)模型？1.5XML數(shù)據(jù)模型24一個大型DBS幾乎用到所有數(shù)據(jù)庫技術(shù)經(jīng)常用到的技術(shù)，可從DBS的設(shè)計、開發(fā)和使用環(huán)節(jié)說起！Step1:需求分析 （數(shù)據(jù)流圖---待續(xù)） 數(shù)據(jù)需求分析

（用戶需求說明書）

*功能需求分析 （功能需求規(guī)格說明書）Step2:數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計 概念設(shè)計

（概念模型-抽象結(jié)構(gòu)，一般與DBMS無關(guān)） 邏輯設(shè)計

（邏輯模型-與DBMS密切相關(guān)）Step3:數(shù)據(jù)存儲訪問設(shè)計 數(shù)據(jù)存儲設(shè)計(物理設(shè)計)（物理模型-與DBMS密切相關(guān)）

數(shù)據(jù)訪問設(shè)計(物理設(shè)計)

(索引) 數(shù)據(jù)控制設(shè)計(完整性&安全性&視圖)Step4:數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)(建立數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)錄入)------------------此外，應(yīng)涉及的工作還有：----------------------Step5:*應(yīng)用功能開發(fā)

（數(shù)據(jù)查詢技術(shù)，嵌入式編程）Step6：系統(tǒng)運行&維護(hù)（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更新，數(shù)據(jù)更新）Step7:*數(shù)據(jù)分析

（數(shù)據(jù)倉庫，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)）二數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)過程DBS開發(fā)涉及哪些數(shù)據(jù)庫技術(shù)？DBS的設(shè)計有哪些主要環(huán)節(jié)？

主要環(huán)節(jié)：涉及數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計首先必須準(zhǔn)確的了解和分析用戶需求。需求分析階段是整個設(shè)計過程的基礎(chǔ)，是最困難、最耗費時間的一步。作為地基的需求分析是否做得充分與準(zhǔn)確，決定了在其上構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫大廈的速度與質(zhì)量。需求分析做得不好，甚至?xí)?dǎo)致整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計返工重做。252.1數(shù)據(jù)需求分析涉及數(shù)據(jù)庫技術(shù)26分析系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理流程分析流程中各個業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)功能需求分析：業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)中具體處理功能（編程要求）數(shù)據(jù)需求分析：處理功能中涉及哪些數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)庫要求）分析產(chǎn)生結(jié)果：數(shù)據(jù)流圖（處理功能+相關(guān)數(shù)據(jù)）主要：數(shù)據(jù)流圖分析方法收集數(shù)據(jù)對象收集數(shù)據(jù)字典輔助：數(shù)據(jù)抽取分析方法E-R模型，統(tǒng)一建模語言UML

(初步,客戶交流)數(shù)據(jù)視圖應(yīng)用需求分析的任務(wù)是什么？數(shù)據(jù)需求分析涉及哪些數(shù)據(jù)庫技術(shù)？首頁2.1數(shù)據(jù)需求分析涉及數(shù)據(jù)庫技術(shù)27數(shù)據(jù)流程圖(樣例)《數(shù)據(jù)系統(tǒng)原理教程》王珊-清華大學(xué),P185數(shù)據(jù)流圖及作用？

(第二層數(shù)據(jù)流圖)2.1數(shù)據(jù)需求分析涉及數(shù)據(jù)庫技術(shù)28分析數(shù)據(jù)對象特征和使用需求建立數(shù)據(jù)模型（對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部關(guān)聯(lián)）概念設(shè)計（抽象描述數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)）邏輯設(shè)計（確定便于實現(xiàn)的邏輯結(jié)構(gòu)）特別指出，還應(yīng)當(dāng)包括：根據(jù)開發(fā)需要調(diào)整和選擇數(shù)據(jù)模型 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化！分析和描述數(shù)據(jù)約束E-R模型，UML（概念設(shè)計） ---面向客觀世界！關(guān)系數(shù)據(jù)模型（邏輯設(shè)計）對象數(shù)據(jù)模型（邏輯設(shè)計）---面向計算機實現(xiàn)！XML數(shù)據(jù)模型（邏輯設(shè)計）2.2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及的數(shù)據(jù)庫技術(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)是什么？數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及哪些數(shù)據(jù)庫技術(shù)？概念結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個數(shù)據(jù)庫設(shè)計的關(guān)鍵，通過對用戶需求進(jìn)行綜合、歸納與抽象，形成一個獨立于具體的DNMS的概念模型。邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計是將概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為某個DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型，并對其進(jìn)行優(yōu)化。29概念結(jié)構(gòu)設(shè)計是什么？邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計是什么？2.2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及數(shù)據(jù)庫技術(shù)30多層抽象概念(三層模式結(jié)構(gòu))物理層(Physicallevel):

(物理模式、內(nèi)模式)

describeshowarecord(e.g.,customer)isstored.邏輯層(Logicallevel):

(邏輯模式、外模式)

describesdatastoredindatabase,andtherelationshipsamongthedata. type

customer=record

customer_id:string;

customer_name:string;

customer_street:string;

customer_city:integer;end;視圖層(Viewlevel)/應(yīng)用層:

(子模式、視圖)

applicationprogramshidedetailsofdatatypes.Viewscanalsohideinformation(suchasanemployee’ssalary)forsecuritypurposes.三層模式之間如何關(guān)聯(lián)，有何優(yōu)點？如何體現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計效率？2.2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及數(shù)據(jù)庫技術(shù)31三層模式兩級映射及優(yōu)點第一級映射第二級映射兩級獨立：

應(yīng)用獨立性！

物理獨立性！首頁2.2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及數(shù)據(jù)庫技術(shù)數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計是為邏輯數(shù)據(jù)模型選取一個最合適應(yīng)用環(huán)境的物理結(jié)構(gòu)（包括存儲結(jié)構(gòu)和存取方法）322.3數(shù)據(jù)庫物理設(shè)計數(shù)據(jù)庫實施階段，設(shè)計人員運用DBMS提供的數(shù)據(jù)語言及其宿主語言，根據(jù)邏輯設(shè)計和物理設(shè)計的結(jié)果建立數(shù)據(jù)庫，編制與調(diào)試應(yīng)用程序，組織數(shù)據(jù)入庫，并進(jìn)行試運行。332.4數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過試運行后，即可投入正式運行。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運行過程中必須不斷對其進(jìn)行評價、調(diào)整與修改。設(shè)計一個完善的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)是不可能一蹴而就的，它往往是上述幾個階段的不斷反復(fù)的過程。342.5數(shù)據(jù)庫運行和維護(hù)階段35352.6數(shù)據(jù)庫技術(shù)總結(jié)DBS開發(fā)涉及的數(shù)據(jù)庫技術(shù)大型商用數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品（實現(xiàn)了上述各種數(shù)據(jù)庫技術(shù)）1數(shù)據(jù)分析與挖掘應(yīng)用開發(fā)應(yīng)用設(shè)計和開發(fā)需求分析數(shù)據(jù)流圖數(shù)據(jù)字典數(shù)據(jù)視圖ER模型&UML結(jié)構(gòu)設(shè)計E-R模型&URL對象數(shù)據(jù)模型關(guān)系數(shù)據(jù)模型XML數(shù)據(jù)模型存儲訪問SQL存儲和文件結(jié)構(gòu)查詢處理查詢優(yōu)化信息檢索索引與散列數(shù)據(jù)控制事務(wù)管理并發(fā)控制DBMS體系結(jié)構(gòu)安全性控制并行數(shù)據(jù)庫分布式數(shù)據(jù)庫備份與恢復(fù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)維護(hù)開發(fā)環(huán)節(jié)各環(huán)節(jié)涉及的數(shù)據(jù)庫技術(shù)

數(shù)據(jù)庫技術(shù)