第2章 數(shù)據(jù)模型與概念模型

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)原理及應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社

2023/2/5第2章數(shù)據(jù)模型與概念模型2.1信息的三種世界及其描述2.2概念模型及其表示2.2.1概念模型的基本概念

2.2.2概念模型的表示方法2.3常見的數(shù)據(jù)模型2.3.1數(shù)據(jù)模型概述2.3.2層次數(shù)據(jù)模型2.3.3網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型2.3.4關(guān)系數(shù)據(jù)模型2.3.6對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)模型理解掌握學(xué)會(huì)導(dǎo)入：

要想為一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)建立數(shù)據(jù)模型（表），首先深入到現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行系統(tǒng)需求分析，然后用概念模型真實(shí)地、全面地描述現(xiàn)實(shí)世界中的管理對(duì)象及聯(lián)系，最后通過(guò)一定方法將概念模型轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)模型?，F(xiàn)實(shí)世界信息世界計(jì)算機(jī)世界收集信息概念模型數(shù)據(jù)模型2.1信息的三種世界及其描述數(shù)據(jù)庫(kù)中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)來(lái)源于現(xiàn)實(shí)世界的信息流，

信息流通過(guò)一事實(shí)上方法將其轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)所能接受的數(shù)據(jù)形式。整個(gè)過(guò)程便是從現(xiàn)實(shí)世界向計(jì)算機(jī)世界的轉(zhuǎn)換。

1.信息的現(xiàn)實(shí)世界

將現(xiàn)實(shí)世界存在的各種事物、事物之間的相互聯(lián)系及事物的發(fā)生變化過(guò)程使用概念模型加以描述，通過(guò)實(shí)體、特征、實(shí)體集及聯(lián)系進(jìn)行劃分和認(rèn)識(shí)現(xiàn)實(shí)世界。(1)實(shí)體(Entity)

現(xiàn)實(shí)世界中存在的可以相互區(qū)分的事物或概念。如一個(gè)學(xué)生、一個(gè)工人、一臺(tái)機(jī)器等。

(2)實(shí)體的特征(EntityCharacteristic)

每個(gè)實(shí)體都有自己的特征，利用實(shí)體的特征可以區(qū)別不同的實(shí)體。如學(xué)生實(shí)體中的學(xué)號(hào)，姓名，年齡等都屬于特征，其實(shí)就是字段名。

(3)實(shí)體集及實(shí)體集間的聯(lián)系(Relation)

具有相同特征或能用同樣特征描述的實(shí)體的集合。通俗講，如學(xué)生表、成績(jī)表、職工表、工資表等實(shí)體集，以及實(shí)體集之間的聯(lián)系。2.信息世界

在信息世界中：實(shí)體的特征在頭腦中形成的知識(shí)稱為屬性；實(shí)體通過(guò)其屬性（字段名）表示稱為實(shí)例；同類實(shí)例的集合稱為對(duì)象，對(duì)象即實(shí)體集中的實(shí)體用屬性表示得出的信息集合；實(shí)體集之間的聯(lián)系用對(duì)象聯(lián)系表示。信息世界通過(guò)概念模型、過(guò)程模型和狀態(tài)模型反映現(xiàn)實(shí)世界，它要求對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的事物、事物間的聯(lián)系和事物的變化情況準(zhǔn)確、如實(shí)、全面地表示。概念模型通過(guò)E-R圖中的對(duì)象、屬性和聯(lián)系對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的事物及關(guān)系給出靜態(tài)描述。3.信息的計(jì)算機(jī)世界經(jīng)過(guò)信息世界概念模型的描述，將其數(shù)字化處理形成計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)，便進(jìn)入計(jì)算機(jī)世界。計(jì)算機(jī)世界所用術(shù)語(yǔ)：1)數(shù)據(jù)項(xiàng)(Item)：對(duì)象屬性的數(shù)據(jù)表示。名稱、類型、寬度和值域。

2)記錄(Record)：實(shí)例的數(shù)據(jù)表示。記錄有型和值之分：記錄的型是結(jié)構(gòu)，由數(shù)據(jù)項(xiàng)的型構(gòu)成；記錄的值表示對(duì)象中的一個(gè)實(shí)例，它的分量是數(shù)據(jù)項(xiàng)值。

3)文件(File)：對(duì)象的數(shù)據(jù)表示，同類記錄的集合。如學(xué)生表中每條記錄都要按其姓名、性別、年齡、所在系的結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)項(xiàng)值。

4)數(shù)據(jù)模型（DataModel）：現(xiàn)實(shí)世界中的事物和相互聯(lián)系數(shù)據(jù)化的結(jié)果就是數(shù)據(jù)模型。4.現(xiàn)實(shí)世界、信息世界和計(jì)算機(jī)世界的關(guān)系信息的三種世界術(shù)語(yǔ)的對(duì)應(yīng)關(guān)系表現(xiàn)實(shí)世界信息世界

計(jì)算機(jī)世界

實(shí)體

實(shí)例

記錄

特征

屬性

數(shù)據(jù)項(xiàng)

實(shí)體集

對(duì)象或?qū)嶓w型

數(shù)據(jù)或文件

實(shí)體間的聯(lián)系對(duì)象間的聯(lián)系

數(shù)據(jù)間的聯(lián)系

概念模型數(shù)據(jù)模型

現(xiàn)實(shí)世界、信息世界和計(jì)算機(jī)世界的關(guān)系信息的三個(gè)世界的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換過(guò)程

現(xiàn)實(shí)世界系統(tǒng)分析

信息世界數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)世界

事物及聯(lián)系信息化概念模型數(shù)據(jù)化數(shù)據(jù)模型現(xiàn)實(shí)世界的事物及聯(lián)系，通過(guò)系統(tǒng)分析成為信息世界的概念模型，然后將概念模型經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)化處理轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)模型。2.2概念模型及其表示2.2.1概念模型的基本概念

1.概念模型涉及的基本概念

(1)對(duì)象（Object）和實(shí)例（Instance）

現(xiàn)實(shí)世界中具有相同性質(zhì)、服從相同規(guī)則的一類事物（概念）的抽象稱為對(duì)象。對(duì)象中的每一個(gè)具體的事物（實(shí)體）為該對(duì)象的實(shí)例。

(2)屬性（Attribute）

屬性為實(shí)體的某一方面特征的抽象表示。

(3)主碼（PrimaryKey）和次碼(SecondaryKey)

碼能夠惟一標(biāo)識(shí)一個(gè)實(shí)體；不能惟一標(biāo)識(shí)實(shí)體的屬性叫次碼。

(4)域（Domain）

屬性的取值范圍稱為屬性的域。

概念模型是對(duì)信息世界的管理對(duì)象、屬性及聯(lián)系等信息的描述形式。概念模型不依賴計(jì)算機(jī)及DBMS，它是現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)全面反映。2.實(shí)體聯(lián)系的類型(1)兩個(gè)實(shí)體集之間的聯(lián)系

1)一對(duì)一聯(lián)系（1:1）:設(shè)有兩個(gè)實(shí)體集A和B，對(duì)于A中的每一個(gè)實(shí)體，B中至多有一個(gè)實(shí)體與之聯(lián)系；反之亦然。

2)一對(duì)多聯(lián)系（1:n）:設(shè)有兩個(gè)實(shí)體集A和B，對(duì)于A的每一個(gè)實(shí)體，B中有一個(gè)或多個(gè)實(shí)體與之聯(lián)系；而對(duì)于B的每一個(gè)實(shí)體，A中至多有一個(gè)實(shí)體與之聯(lián)系。

3)多對(duì)多聯(lián)系（m:n）:設(shè)有兩個(gè)實(shí)體集A和B，對(duì)于A的每一個(gè)實(shí)體，B中有一個(gè)或多個(gè)實(shí)體與之聯(lián)系；反之亦然。兩個(gè)實(shí)體集之間的聯(lián)系工廠

負(fù)責(zé)廠長(zhǎng)11學(xué)校

工作教師1n職工

參加體育團(tuán)體mn兩個(gè)實(shí)體集聯(lián)系的例子(2)多實(shí)體集之間的聯(lián)系1)多實(shí)體集之間的一對(duì)多聯(lián)系。

設(shè)實(shí)體集E1,…En，對(duì)于實(shí)體集Ej(j=1,…n)中的一個(gè)給定實(shí)體，最多只和其他實(shí)體集Ei(ij)中的一個(gè)實(shí)體相聯(lián)系，則稱Ej與E1…,En之間的聯(lián)系是一對(duì)多的。

2)多實(shí)體集之間的多對(duì)多聯(lián)系。

在兩個(gè)以上的多個(gè)實(shí)體集之間，當(dāng)一個(gè)實(shí)體集與其他實(shí)體集之間均存在多對(duì)多聯(lián)系，而其他實(shí)體集之間沒有聯(lián)系時(shí)，這種聯(lián)系稱為多實(shí)體集間的多對(duì)多聯(lián)系。課程講授教師參考書1nm供應(yīng)商供應(yīng)項(xiàng)目零件mpn2.2.2概念模型的表示方法1)用長(zhǎng)方形表示實(shí)體集，長(zhǎng)方形內(nèi)寫明實(shí)體集名。2)用橢圓形表示實(shí)體集的屬性，并用線段將其與相應(yīng)的實(shí)體集連接起來(lái)。3)用菱形表示實(shí)體集間的聯(lián)系，菱形內(nèi)寫上聯(lián)系名，用線段分別與有關(guān)實(shí)體集連接起來(lái)，在線段旁標(biāo)出聯(lián)系的類型。如果聯(lián)系具有屬性，則該屬性仍用橢圓框表示，仍需要用線段將屬性與其聯(lián)系連接起來(lái)。學(xué)生學(xué)號(hào)姓名性別年齡所在系2.3

常見的數(shù)據(jù)模型2.3.1數(shù)據(jù)模型概述

1.數(shù)據(jù)模型的三要素

1)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：所研究的對(duì)象類型的集合。包括與數(shù)據(jù)類型、內(nèi)容、性質(zhì)有關(guān)的對(duì)象；與數(shù)據(jù)之間聯(lián)系有關(guān)的對(duì)象。

2)數(shù)據(jù)操作：對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中各種數(shù)據(jù)對(duì)象允許執(zhí)行的操作集合。包括操作對(duì)象和有關(guān)的操作規(guī)則兩部分。

3)數(shù)據(jù)約束條件：一組數(shù)據(jù)完整性規(guī)則的集合。

2.常見的數(shù)據(jù)模型

層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型。

在非關(guān)系模型中，實(shí)體集用記錄表示，實(shí)體的屬性對(duì)應(yīng)記錄的數(shù)據(jù)項(xiàng)（或字段）。實(shí)體集之間的聯(lián)系轉(zhuǎn)換成兩兩記錄之間的聯(lián)系。非關(guān)系模型中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的單位是基本層次聯(lián)系。RiRjLij2.3.2層次數(shù)據(jù)模型1.層次模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(1)層次模型的定義

1)有且僅有一個(gè)結(jié)點(diǎn)沒有雙親結(jié)點(diǎn)，這個(gè)結(jié)點(diǎn)稱為根結(jié)點(diǎn)。

2)除根結(jié)點(diǎn)之外的其他結(jié)點(diǎn)有且只有一個(gè)雙親結(jié)點(diǎn)。

(2)層次模型的數(shù)據(jù)表示方法

實(shí)體集使用記錄表示；記錄型包含若干個(gè)字段；記錄值表示實(shí)體；記錄之間的聯(lián)系使用基本層次聯(lián)系表示。

(3)層次模型的特點(diǎn)

層次模型像一棵倒立的樹，只有一個(gè)根結(jié)點(diǎn)，有若干個(gè)葉結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)的雙親是惟一的。

院系編號(hào)院系名稱辦公地點(diǎn)教研室編號(hào)教研室學(xué)號(hào)姓名年齡專業(yè)方向職工號(hào)姓名教學(xué)院系數(shù)據(jù)模型院系教研室學(xué)生教師D10計(jì)算機(jī)系9號(hào)樓C01硬件教研室C02軟件教研室00001王平2000002李麗20電器92001王海自動(dòng)化92002張錚數(shù)據(jù)庫(kù)92003許明人工智能92004陳真教學(xué)院系數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)實(shí)例2.層次模型的完整性約束條件在進(jìn)行插入記錄值操作時(shí)，如果沒有指明相應(yīng)的雙親記錄值（首記錄值），則不能插入子女記錄值（屬記錄值）。(2)進(jìn)行刪除記錄操作時(shí)，如果刪除雙親記錄值（首記錄值），則相應(yīng)的子女結(jié)點(diǎn)值（屬記錄值）也同時(shí)被刪除。(3)進(jìn)行修改記錄操作時(shí)，應(yīng)修改所有相應(yīng)記錄，以保證數(shù)據(jù)的一致性。

2.3.3網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型1.網(wǎng)狀模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(1)網(wǎng)狀模型結(jié)構(gòu)的基本特征

1)有一個(gè)以上的結(jié)點(diǎn)沒有雙親。2)結(jié)點(diǎn)可以有多于一個(gè)的雙親。

(2)網(wǎng)狀模型的數(shù)據(jù)表示方法

1)使用記錄和記錄值表示實(shí)體集和實(shí)體；每個(gè)結(jié)點(diǎn)表示一個(gè)記錄，每個(gè)記錄包含若干個(gè)字段。

2)聯(lián)系(系)用結(jié)點(diǎn)間的有向線段表示。每個(gè)有向線段表示一個(gè)記錄間的一對(duì)多的聯(lián)系。

R1R2R1R2R3R4R1R3R2

L1L2L1L2L1L2L32.網(wǎng)狀模型的完整性約束條件支持記錄碼的概念。碼即惟一標(biāo)識(shí)記錄的數(shù)據(jù)項(xiàng)的集合。2)保證一個(gè)聯(lián)系中雙親記錄和子女記錄之間是一對(duì)多的聯(lián)系。3)可以支持雙親記錄和子女記錄之間某些約束條件。2.3.4關(guān)系數(shù)據(jù)模型1.關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(1)關(guān)系模型中的主要術(shù)語(yǔ)1)關(guān)系。一個(gè)關(guān)系對(duì)應(yīng)通常所說(shuō)的一張二維表。2)元組。表中的一行稱為一個(gè)元組。3)屬性。表中的一列稱為一個(gè)屬性。4)主碼。表中的某個(gè)屬性或?qū)傩越M，值可以惟一地確定一個(gè)元組，且屬性組中不含多余的屬性。5)域。屬性的取值范圍稱為域。6)分量。元組中的一個(gè)屬性值稱為分量。7)關(guān)系模式。關(guān)系的型稱為關(guān)系模式，是對(duì)關(guān)系的描述。(2)關(guān)系模型中的數(shù)據(jù)全部用關(guān)系表示關(guān)系模式一般的表示是：關(guān)系名(屬性1，屬性2，…，屬性n).學(xué)生學(xué)籍表

學(xué)號(hào)姓名性別年齡所在系00001王平男20計(jì)算機(jī)系00002李麗女20計(jì)算機(jī)系00010張曉剛男19數(shù)學(xué)系……………2.關(guān)系操作和完整性約束條件3.關(guān)系模型與非關(guān)系模型比較

1)關(guān)系數(shù)據(jù)模型建立在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)之上。

2)關(guān)系數(shù)據(jù)模型的概念單一，容易理解。

3)關(guān)系數(shù)據(jù)模型的存取路徑對(duì)用戶隱蔽。

4)關(guān)系模型中的數(shù)據(jù)聯(lián)系是靠數(shù)據(jù)冗余實(shí)現(xiàn)的。

關(guān)系操作主要包括數(shù)據(jù)查詢和插入、刪除、修改數(shù)據(jù)。關(guān)系中的數(shù)據(jù)操作是集合操作。關(guān)系操作語(yǔ)言都是高度非過(guò)程的語(yǔ)言關(guān)系的完整性約束條件包括三類：實(shí)體完整性、參照完整性和用戶定義的完整性。2.3.6對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)模型1.對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)模型的概念對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)模型使用二維表表示數(shù)據(jù)，它包括關(guān)系表和對(duì)象表兩種。關(guān)系表屬于關(guān)系模型，關(guān)系的屬性對(duì)應(yīng)于表的列，關(guān)系的元組對(duì)應(yīng)于表的行，關(guān)系模型裝不支持方法。對(duì)象表屬于面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型，支持面向?qū)ο蟮幕竟δ?，?duì)象的類抽象對(duì)應(yīng)二維表，類的實(shí)例（對(duì)象）對(duì)應(yīng)于表中的行，類的屬性對(duì)應(yīng)于表的列，通過(guò)對(duì)象可調(diào)用方法。２.對(duì)象表的數(shù)據(jù)類型和表結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）對(duì)象表的屬性支持復(fù)合數(shù)據(jù)類型關(guān)系表強(qiáng)調(diào)屬性數(shù)據(jù)只能是不可分割的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)項(xiàng)，復(fù)合數(shù)據(jù)是不允許出現(xiàn)的。對(duì)象表的數(shù)據(jù)可以是基本項(xiàng)，也可以是組合數(shù)據(jù)項(xiàng)學(xué)生信息的對(duì)象表結(jié)構(gòu)學(xué)號(hào)姓名年齡班級(jí)家庭聯(lián)系人姓名與學(xué)生關(guān)系電話單位（2）對(duì)象表的屬性支持可變長(zhǎng)數(shù)組類型關(guān)系表的屬性不支持?jǐn)?shù)組類型，更不支持可變長(zhǎng)的數(shù)組類型。對(duì)于一些數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不確定的信息，關(guān)系表只能獨(dú)立新建表的方法解決。對(duì)象表增加了數(shù)組類型，用戶可以使用可變長(zhǎng)的數(shù)組類型保存記錄中數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)不一樣的屬性數(shù)據(jù)。學(xué)生-選課的對(duì)象表學(xué)號(hào)姓名年齡班級(jí)課程名成績(jī)040011王剛2004（2）數(shù)據(jù)庫(kù)72C語(yǔ)言87軟件工程76040012李力2104（2）數(shù)據(jù)庫(kù)67040013田紅2004（3）數(shù)據(jù)庫(kù)86軟件工程75（3）對(duì)象表的屬性支持嵌入表數(shù)據(jù)類型

對(duì)象表中的屬性，不僅可以是復(fù)合數(shù)