《數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)模型》PPT課件.ppt

1、第二章 數(shù)據(jù)模型,2,2020/9/12,數(shù)據(jù)模型回顧,在數(shù)據(jù)庫中用數(shù)據(jù)模型這個工具來抽象、表示和處理現(xiàn)實世界中的數(shù)據(jù)和信息。數(shù)據(jù)模型是現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)特征的抽象 數(shù)據(jù)模型(廣義)是數(shù)據(jù)庫研究的一個核心問題 為便于設計數(shù)據(jù)模型，常先將現(xiàn)實世界抽象為一種概念模型，然后再將概念模型轉(zhuǎn)換為特定的數(shù)據(jù)模型 每個DBMS都是基于某種數(shù)據(jù)模型(狹義)的。 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型:層次模型、網(wǎng)狀模型和關系模型,3,2020/9/12,數(shù)據(jù)模型回顧,數(shù)據(jù)模型是現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)特征的抽象根據(jù)模型應用的不同目的，數(shù)據(jù)模型分為兩類 (1) 概念模型 也稱信息模型，它是按用戶的觀點來對數(shù)據(jù)和信息建模。主要用于數(shù)據(jù)庫設計 (2) 數(shù)據(jù)

2、模型,邏輯數(shù)據(jù)模型主要包括網(wǎng)狀模型、層次模型、關系模型、面向?qū)ο竽Ｐ汀ο箨P系模型等， 物理數(shù)據(jù)模型是對數(shù)據(jù)最低層次的抽象，它描述數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部的表示方式和存取方法，在磁盤或磁帶上的存儲方式和存取方法。,它是按計算機系統(tǒng)的觀點對數(shù)據(jù)建模，主要用于DBMS的實現(xiàn),物理模型的實現(xiàn)是DBMS的任務，數(shù)據(jù)庫設計人員要了解和選擇物理模型,4,2020/9/12,數(shù)據(jù)模型回顧,數(shù)據(jù)模型通常由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作和完整性約束三個要素組成。 一、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 描述數(shù)據(jù)庫的組成對象以及對象之間的聯(lián)系 組成對象:與數(shù)據(jù)類型、內(nèi)容、性質(zhì)有關的對象 與數(shù)據(jù)之間聯(lián)系有關的對象 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是刻畫一個數(shù)據(jù)模型性質(zhì)最重要的方面，因此

3、通常按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型命名數(shù)據(jù)模型 層次結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和關系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型分別命名為層次模型、網(wǎng)狀模型和關系模型。 描述系統(tǒng)靜態(tài)特性,5,2020/9/12,數(shù)據(jù)模型回顧,二、數(shù)據(jù)操作 對數(shù)據(jù)庫中各種對象的實例允許執(zhí)行的操作的集合,包括操作及有關的操作規(guī)則。 如數(shù)據(jù)的檢索、插入、刪除和修改等。 數(shù)據(jù)模型必須定義這些操作的確切含義、操作符號、操作規(guī)則以及實現(xiàn)操作的語言。 數(shù)據(jù)操作用于描述系統(tǒng)的動態(tài)特性。,6,2020/9/12,數(shù)據(jù)模型回顧,三、數(shù)據(jù)的完整性約束條件 數(shù)據(jù)的完整性約束條件是一組完整性規(guī)則的集合。 完整性規(guī)則是給定的數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)及其聯(lián)系所具有的制約和依存規(guī)則，用以限定符合數(shù)據(jù)模型

4、的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，保證數(shù)據(jù)的正確、有效、相容 例如在關系模型中任何關系必須滿足實體完整性與參照完整性原則 數(shù)據(jù)模型應提供定義完整性約束條件的機制,7,2020/9/12,第2章 數(shù)據(jù)模型,2.1E-R概念模型 2.2層次數(shù)據(jù)模型 2.3網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型 2.4關系數(shù)據(jù)模型 2.5面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型 2.6 小結(jié),8,2020/9/12,2.1 E-R概念模型,概念模型的用途 用于信息世界的建模 是現(xiàn)實世界到機器世界的一個中間層次 是數(shù)據(jù)庫設計的有力工具 數(shù)據(jù)庫設計人員和用戶之間進行交流的語言 對概念模型的基本要求 較強的語義表達能力，能夠方便、直接地表達應用中的各種語義知識 簡單、清晰、易

5、于用戶理解。,9,2020/9/12,2.1.1E-R數(shù)據(jù)模型中的基本概念,1. 實體（Entity） 客觀存在并可相互區(qū)別的事物稱為實體。 可以是具體的對象，如一個學生,一本書,一輛汽車；也可以是抽象的概念或聯(lián)系，如一堂課,一次比賽等 2. 屬性（Attribute） 實體所具有的某一特征稱為屬性。 一個實體可以由若干個屬性來刻畫，如學生實體有學號、姓名、年齡、性別、系等方面的屬性 屬性有“類型”和“值”之分， “類型”即為屬性名，如姓名、年齡、性別是屬性的型；“值”即為屬性的具體內(nèi)容， 如(990001,張立，20，男，計算機)這些屬性值的集合表示了一個學生實體。,10,2020/9/12

6、,2.1.1E-R數(shù)據(jù)模型中的基本概念,3. 聯(lián)系（Relationship） 在現(xiàn)實世界中，事物內(nèi)部以及事物之間是有聯(lián)系的 在信息世界中將被抽象為實體內(nèi)部的聯(lián)系和實體之間的聯(lián)系。 實體內(nèi)部的聯(lián)系通常是指組成實體的各屬性之間的聯(lián)系； 實體之間的聯(lián)系通常是指不同實體集之間的聯(lián)系,11,2020/9/12,3. 聯(lián)系,兩個實體集之間的聯(lián)系有三種：,12,2020/9/12,兩個實體集之間的聯(lián)系,一對一聯(lián)系（1:1） 實體集A中的一個實體至多與實體集B中的一個實體相對應，反之亦然，則稱實體集A與實體集B為一對一的聯(lián)系。記作1:1。 實例: 班級與班長之間的聯(lián)系 一個班級只有一個正班長 一個班長只在一

7、個班中任職,13,2020/9/12,兩個實體集之間的聯(lián)系,一對多聯(lián)系（1:n） 實體集A中的一個實體與實體集B中的多個實體相對應，反之，實體集B中的一個實體至多與實體集A中的一個實體相對應。記作1:n。 實例: 班級與學生之間的聯(lián)系 一個班級中有若干名學生， 每個學生只在一個班級中學習,14,2020/9/12,兩個實體集之間的聯(lián)系,多對多聯(lián)系（m:n） 實體集A中的一個實體與實體集B中的多個實體相對應，反之，實體集B中的一個實體與實體集A中的多個實體相對應。記作（m:n）。 實例: 課程與學生之間的聯(lián)系 一門課程同時有若干個學生選修 一個學生可以同時選修多門課程,15,2020/9/12,

8、兩個以上的實體集之間的聯(lián)系,多個實體集之間也可以存在有聯(lián)系，稱多元聯(lián)系 若規(guī)定： 一個供應商可供應多種零件給多個工程， 一個工程可由多個供應商供應多種零件， 一種零件可由多個供應商供應給多個工程， 供應商、零件和工程間存在著多對多的聯(lián)系，表示為m：n：p,16,2020/9/12,兩個以上的實體集之間的聯(lián)系,區(qū)別多個實體間的聯(lián)系和多個實體兩兩間的聯(lián)系 下圖表示表示的是三個實體間的供應關系， 某個供應商供應某種零件給某個工程 “供應商S1供應零件P2給工程J1” 三個實體兩兩之間的多對多聯(lián)系與三個實體的多對多聯(lián)系的語義不同 三個實體的多對多僅能表示一個工程需要哪些零件,這些零件可以由哪些供應商供

9、應， 無法表示一個工程所用的零件具體由哪個供應商供應 反映不出一個供應商具體供應哪種零件給哪個工程,17,2020/9/12,實體集內(nèi)部不同實體間的聯(lián)系,同一實體集內(nèi)一對多聯(lián)系 實例 職工實體集內(nèi)部具有領導與被領導的聯(lián)系 某一職工（干部）“領導”若干名職工 一個職工僅被另外一個職工直接領導 這是一對多的聯(lián)系 同一實體集內(nèi)一對一聯(lián)系 同一實體集內(nèi)多對多聯(lián)系,18,2020/9/12,2.1.2E-R數(shù)據(jù)模型,概念模型的表示方法很多，最著名的是E-R模型 實體 - 聯(lián)系方法(Entity-Relationship Approach) 用E-R圖來描述現(xiàn)實世界的概念模型, E-R方法也稱為E-R模型

10、 E-R圖三個基本成分：實體、屬性和聯(lián)系的方法 （1）實體: 用矩形表示，矩形框內(nèi)寫明實體名。 （2）屬性: 用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應的實體連接起來,學生,教師,19,2020/9/12,2.1.2E-R數(shù)據(jù)模型,（3）聯(lián)系 實體之間的聯(lián)系用菱形框表示，菱形框內(nèi)標明聯(lián)系名，并分別用連線將關聯(lián)的實體連接起來，在連線旁標明實體間聯(lián)系的類型 選課聯(lián)系用屬性成績來表示某個學生選修某門課的成績，屬性成績不能放在學生或課程實體中，該屬性是描述選課聯(lián)系的。,20,2020/9/12,例：學生選修課程,學生,課程,選修,姓名,學號,系別,課程號,課程名,學分,成績,用矩形表 示實體,用橢圓表示實體的

11、屬性,用無向邊把實體與其屬性連接起來,用菱形表示實體間的聯(lián)系,實體與聯(lián)系用線段連接并注明類型,m,n,21,2020/9/12,（3）聯(lián)系,E-R模型中實體間的聯(lián)系提供了較多的語義 基數(shù)比約束 如在二元聯(lián)系中有1:1，1:n，m:n的聯(lián)系 參與約束 根據(jù)實體集中的實體是否全部參與聯(lián)系來描述實體參與聯(lián)系的約束 一個實體集中的所有實體都參與聯(lián)系稱為完全參與，否則，稱為部分參與。 如在教師與課程聯(lián)系中，一門課至少要有一位教師講授;而有教師不擔任授課任務，則在這一聯(lián)系中，課程實體為完全參與，教師實體為部分參與,22,2020/9/12,（3）聯(lián)系,實體的參與度 實體參與聯(lián)系的最小和最大次數(shù)，稱實體的參

12、與度 例如，學生選課中， 如果規(guī)定一個學生最少選修2門課，最多選修5門課，則學生在選課聯(lián)系中的參與度是(2，5) 規(guī)定一門課至少要有10個學生選修，至多有60個學生選修，則課程在選課聯(lián)系中的參與度是(10,60),23,2020/9/12,2.1.2E-R數(shù)據(jù)模型,(4) 弱實體 E-R模型中有一類特殊的實體，這種實體的存在是依賴于其他實體而存在的，稱這類實體為弱實體 相對于弱實體，它所依賴的實體稱為強實體 弱實體在E-R模型中用雙框矩形表示，為了表示全部參與，與菱形框間用雙線連接。 如在學生管理信息中，學生實體與家長實體之間存在著“所屬”關系，家長實體是不能脫離學生實體而獨立存在的，為弱實體

13、,24,2020/9/12,2.1.2E-R數(shù)據(jù)模型,（5）子類實體 在擴展E-R數(shù)據(jù)模型中增加了子類和超類的概念，使E-R數(shù)據(jù)模型具有了更多的語義 在基本E-R模型中，一個實體集是具有共同特性的一類實體的集合，但有時需要將實體集根據(jù)個體的不同特性分為多個子集 如學校里一個系的職工，按照他們不同的工作特點可分為教師、實驗人員和機關工作人員等。他們除具有共同的特性如姓名、年齡、性別外，還有各自不同的特性,25,2020/9/12,物資管理需求 倉庫 、零件、供應商、項目、職工,26,2020/9/12,物資管理需求 倉庫 、零件、供應商、項目、職工,27,2020/9/12,28,2020/9/

14、12,29,2020/9/12,一個學院有若干名職工，一個職工僅在一個學院工作，學院與職工間是1：m的聯(lián)系 一個學院有若干名學生，一名學生僅在一個學院學習，學院與學生間是1：m的聯(lián)系 一個學生可以選修多門課，一門課可供若干學生選修，學生與課程間是m：n的聯(lián)系 一個學生有一位家長聯(lián)系，一位家長對應一個學生，學生與家長間是1:1的聯(lián)系； 教師、課程、教科書之間存在著p：m：n的聯(lián)系。 一個教師可以講多門課； 一門課可以有多個授課教師， 一種教材可用于多門課且被不同的教師選用。 不同教師可以用不同的教材；,30,2020/9/12,31,2020/9/12,2.1 E-R概念模型,E-R模型被廣泛地

15、用于數(shù)據(jù)庫概念模型的設計。 在E-R圖中僅表示現(xiàn)實世界中的信息結(jié)構(gòu)及信息之間的關系，不涉及任何信息在計算機中的表示。 只要用戶的需求不變，E-R模型是穩(wěn)定的。 運用E-R模型，可以很方便地將其轉(zhuǎn)換為具體的DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型,32,2020/9/12,第2章 數(shù)據(jù)模型,2.1E-R概念模型 2.2層次數(shù)據(jù)模型 2.3網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型 2.4關系數(shù)據(jù)模型 2.5面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型 2.6 小結(jié),33,2020/9/12,2.2 層次模型,層次模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中最早出現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型，典型代表是IBM公司的IMS（Information Management System）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，1968年推出

16、 層次數(shù)據(jù)模型用樹型結(jié)構(gòu)表示各類實體以及實體間的聯(lián)系?，F(xiàn)實世界中，許多實體之間的聯(lián)系都表現(xiàn)出一種很自然的層次關系，如家族關系，行政機構(gòu)等。 滿足下面兩個條件的基本層次聯(lián)系的集合為層次模型 有且只有一個結(jié)點沒有雙親結(jié)點，這個結(jié)點稱為根節(jié)點 根以外的其它結(jié)點有且只有一個雙親結(jié)點,34,2020/9/12,一、層次數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),在層次模型中，根結(jié)點處在最上層，其它結(jié)點都有上一級結(jié)點作為其雙親結(jié)點，這些結(jié)點稱為其雙親結(jié)點的子女結(jié)點，同一雙親結(jié)點的子女結(jié)點稱為兄弟結(jié)點。沒有子女的結(jié)點稱為葉結(jié)點,雙親結(jié)點到子女結(jié)點間表示了記錄間的一對多的聯(lián)系,35,2020/9/12,層次模型的優(yōu)點,（1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

17、比較簡單，清晰。 （2）層次數(shù)據(jù)庫的查詢效率高。 （3）它提供了良好的數(shù)據(jù)完整性支持。,36,2020/9/12,層次模型的優(yōu)缺點,缺點： （1）不能直接表示兩個以上的實體型間的復雜的聯(lián)系和實體型間的多對多聯(lián)系，只能通過引入冗余數(shù)據(jù)或創(chuàng)建虛擬結(jié)點的方法來解決，易產(chǎn)生不一致性 （2）對數(shù)據(jù)的插入和刪除的操作限制太多。 （3）查詢子女結(jié)點必須通過雙親結(jié)點。 （4）由于結(jié)構(gòu)嚴密，層次命令趨于程序化,37,2020/9/12,第2章 數(shù)據(jù)模型,2.1E-R概念模型 2.2層次數(shù)據(jù)模型 2.3網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型 2.4關系數(shù)據(jù)模型 2.5面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型 2.6 小結(jié),38,2020/9/12,2.3 網(wǎng)狀模

18、型,現(xiàn)實世界中事物之間的聯(lián)系更多的是非層次關系的，用層次模型表示這種關系很不直觀，網(wǎng)狀模型克服了這一弊病，可以清晰的表示這種非層次關系。 滿足下面兩個條件的基本層次聯(lián)系的集合為網(wǎng)狀模型 允許一個以上的結(jié)點無雙親 一個結(jié)點可以有多于一個的雙親,39,2020/9/12,網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),兩個或兩個以上的結(jié)點都可以有多個雙親結(jié)點，則此時有向樹變成了有向圖 網(wǎng)狀模型可以更直接的描述現(xiàn)實世界，層次模型實際上是網(wǎng)狀模型的特例,40,2020/9/12,網(wǎng)狀模型的優(yōu)缺點,優(yōu)點 能夠更為直接地描述現(xiàn)實世界，如一個結(jié)點可以由多個雙親； 具有良好的性能，存取效率較高； 缺點 結(jié)構(gòu)比較復雜，而且隨著應用環(huán)境

19、的擴大，數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)就變的越來越復雜，不利于最終用戶掌握； 其DDL、DML語言復雜，用戶不容易使用；訪問數(shù)據(jù)時必須自行選擇存取路徑，增加了程序編寫的負擔。,41,2020/9/12,第2章 數(shù)據(jù)模型,2.1E-R概念模型 2.2層次數(shù)據(jù)模型 2.3網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型 2.4關系數(shù)據(jù)模型 2.5面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型 2.6 小結(jié),42,2020/9/12,2.4 關系模型,關系模型是最重要的一種數(shù)據(jù)模型。也是目前主要采用的數(shù)據(jù)模型，本課程的重點 系統(tǒng)而嚴格地提出關系模型的是美國IBM公司的E.F.Codd 1970年提出關系數(shù)據(jù)模型 E.F.Codd, “A Relational Model of Da

20、ta for Large Shared Data Banks”, Communication of the ACM,1970 之后，提出了關系代數(shù)和關系演算的概念 1972年提出了關系的第一、第二、第三范式 1974年提出了關系的BC范式 從而開創(chuàng)了數(shù)據(jù)庫的關系方法和數(shù)據(jù)規(guī)范化理論的研究，他為此獲得了1981年的圖靈獎。,43,2020/9/12,2.4 關系模型,1977年IBM公司研制的關系數(shù)據(jù)庫的代表System R開始運行，其后又進行了不斷的改進和擴充，出現(xiàn)了基于System R的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)SQL/DB。 20世紀80年代以來，計算機廠商新推出的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)幾乎都支持關系模型，非關系

21、系統(tǒng)的產(chǎn)品也都加上了關系接口。 數(shù)據(jù)庫領域當前的研究工作也都是以關系方法為基礎 關系數(shù)據(jù)庫已成為目前應用最廣泛的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)， 典型實驗系統(tǒng): System R、University INGRES 典型商用系統(tǒng): ORACLE、SQL Server、SYBASE、INFORMIX、DB2 FoxPro、MySQL、Access,44,2020/9/12,2.4.1 關系模型的基本概念和結(jié)構(gòu),在關系模型中，基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被限制為二維表，一張二維表稱為一個關系 1. 關系 關系是數(shù)學上集合論中的一個概念，關系模型是以關系為基礎發(fā)展起來的 (1) 關系（relation） 關系是一張二維表，是由多個行和

22、列組成的。一個關系可用來描述一個實體集,45,2020/9/12,1. 關系,(2) 屬性（attribute） 一個關系有多個列，每一列為關系的一個屬性 如學生關系中，有屬性名學號、姓名、出生年月 (3) 域（domain） 一個屬性對應一個值的集合。域是屬性的取值范圍 如學號的域是7位字符數(shù)字的集合，學生姓名是漢字字符串的集合等,46,2020/9/12,1. 關系,屬性,元組,(4) 元組（tuple） 關系是元組的集合，一個元組對應實體集中的一個個體。 一個元組由若干個分量組成。一個分量對應一個屬性值。,47,2020/9/12,1. 關系,(5) 鍵（key） 鍵是一個或多個屬性組成

23、的，能夠唯一標識一個元組。 一個關系中可能有多組屬性都能夠起到標識元組的作用。因而，一個關系中可能有多個鍵 選擇其中的一個作為主鍵，其余為候選鍵。,48,2020/9/12,2.4.1 關系模型的基本概念和結(jié)構(gòu),2.關系模式 對關系結(jié)構(gòu)的描述稱為關系模式(relation schema)。 關系模式可用如下形式表示： 關系名（屬性名1，屬性名2，屬性名n）。 如學生關系可表示為： 學生（學號,姓名,出生年月,性別,入學年份,班級） 關系數(shù)據(jù)庫模式是一組關系模式的集合，這組關系模式對應的關系的集合稱為關系數(shù)據(jù)庫,49,2020/9/12,2.4.1 關系模型的基本概念和結(jié)構(gòu),關系模型中基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是單一的關系 現(xiàn)實世界中實體及實體間的聯(lián)系都用關系表示,50,2020/9/12,2.4.1 關系模型的基本概念和結(jié)構(gòu),關系必須是規(guī)范化的，滿足一定的規(guī)范條件 最基本的規(guī)范條件：關系的每一個分量必須是一個不可分的數(shù)據(jù)項。 下表不符合關系模型要求,51,2020/9/12,2.4 關系數(shù)據(jù)模型,2.4.