1.3　數(shù)據(jù)模型與關(guān)系數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫中存儲和管理的數(shù)據(jù)都是來源于現(xiàn)實世界的客觀事物，計算機不能直接處理這些具體事物，為此，人們必須把具體事物轉(zhuǎn)換成計算機能處理的數(shù)據(jù)。這個轉(zhuǎn)換過程分兩步：先將現(xiàn)實世界抽象為信息世界，建立概念模型；再將信息世界轉(zhuǎn)換為計算機世界，建立數(shù)據(jù)模型。

1.3.1　概念模型

現(xiàn)實世界中的事物及聯(lián)系經(jīng)過分析、歸納、抽象，形成信息世界。在信息世界中，為直觀地反映事物及其聯(lián)系而建立起來的模型稱為概念模型。它是按用戶的觀點對信息建立的模型，不依賴于具體計算機系統(tǒng)，主要用于數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。

目前常用實體-聯(lián)系模型表示概念模型。

1.實體

客觀存在并且可以相互區(qū)別的事物稱為實體。實體可以是具體的人、事、物，如一名學(xué)生、一本書、一門課程等；也可以是事件，如學(xué)生的一次選課、一場比賽、一次借書等。

2.實體的屬性

實體所具有的某一特性稱為屬性。如學(xué)生實體有學(xué)號、姓名、性別、出生日期、專業(yè)等多個屬性。屬性包括屬性名和屬性值，如學(xué)號、姓名、性別、出生日期、專業(yè)等為屬性名，（13011103，許志華，男，06/12/1995，機械工程）為某個學(xué)生實體的屬性值。

3.實體型

用實體名及其屬性名來抽象描述同一類實體，稱為實體型。例如，學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，出生日期，專業(yè)）就是一個實體型，它描述的是學(xué)生這一類實體。

4.實體集

同類型實體的集合稱為實體集。例如，全體學(xué)生就是一個實體集，而（13011103，許志華，男，06/12/1995，機械工程）是這個實體集中的一個實體。

實體集和實體型的區(qū)別在于：實體集是同一類實體的集合，而實體型是同一類實體的抽象描述。

5.實體間的聯(lián)系

實體間的聯(lián)系通常是指兩個實體集之間的聯(lián)系，聯(lián)系有以下3種類型：

（1）一對一聯(lián)系（1：1）

如果對于實體集A中的每一個實體，在實體集B中至多有一個實體與之聯(lián)系，反之亦然，則稱實體集A與實體集B具有一對一聯(lián)系，記為1：1。

例如：在學(xué)校，一個班級只有一個班長，而一個班長只能在一個班級任職，則班級和班長之間具有一對一的聯(lián)系。

（2）一對多聯(lián)系（1：n）

如果對于實體集A中的每一個實體，在實體集B中有n個實體（n≥0）與之聯(lián)系，反之，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中至多只有一個實體與之聯(lián)系，則稱實體集A與實體集B有一對多聯(lián)系，記為1：n。

例如：一個班級有多個學(xué)生，而每個學(xué)生只在一個班級中學(xué)習(xí)，則班級與學(xué)生之間具有一對多的聯(lián)系。

（3）多對多聯(lián)系（m：n）

如果對于實體集A中的每一個實體，在實體集B中有n個實體（n≥0）與之聯(lián)系，反之，對于實體集B中的每一個實體，在實體集A中有m個實體（m≥0）與之聯(lián)系，則稱實體集A與實體集B具有多對多聯(lián)系，記為m：n。

例如：一門課程同時有多個學(xué)生選修，而一個學(xué)生也可以同時選修多門課程，則課程與學(xué)生之間具有多對多的聯(lián)系。

在實際應(yīng)用中，通常將多對多聯(lián)系轉(zhuǎn)換為幾個一對多聯(lián)系。

除了兩個實體集之間的聯(lián)系，一個實體集內(nèi)的實體與實體之間也可以有上述3種聯(lián)系。此外，一個實體內(nèi)部也有聯(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。

6.E-R圖

概念模型的表示方法有很多，其中最常用的是實體-聯(lián)系方法，該方法用E-R（Entity-Relationship）圖來描述概念模型。E-R圖中包含實體、屬性和聯(lián)系，它們的表示方法如下：

（1）實體：用矩形框表示，框內(nèi)寫明實體名。

（2）屬性：用橢圓形框表示，框內(nèi)寫明屬性名，并用無向邊將其與對應(yīng)實體連接起來。

（3）聯(lián)系：用菱形框表示，框內(nèi)寫明聯(lián)系名，并用無向邊分別與有關(guān)實體連接起來，同時在無向邊旁標(biāo)注聯(lián)系的類型（1：1，1：n或m：n）。

學(xué)生與課程之間的聯(lián)系用E-R圖表示如圖1-5所示。圖1-5只是一個簡單的舉例，而一個實際應(yīng)用系統(tǒng)的完整E-R圖，要比圖1-5復(fù)雜得多，包括系統(tǒng)中所有的實體、實體所有的屬性和實體間所有的聯(lián)系。

1.3.2　數(shù)據(jù)模型

現(xiàn)實世界抽象為信息世界并建立概念模型后，還需進行第二次抽象，轉(zhuǎn)換為計算機世界，并建立數(shù)據(jù)模型。

數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)用來表示實體及實體間聯(lián)系的方法。與概念模型不同，數(shù)據(jù)模型是按計算機系統(tǒng)的觀點建立的模型，主要用于數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)。數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫的框架，是數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)，任何一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)都是基于某種數(shù)據(jù)模型的。

常用的數(shù)據(jù)模型有層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型3種，與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫類型有層次數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫。層次模型和網(wǎng)狀模型統(tǒng)稱為非關(guān)系模型，在20世紀(jì)70至80年代初期較為流行，現(xiàn)在最常用的是關(guān)系模型。

1.層次模型

用樹形結(jié)構(gòu)表示實體及其聯(lián)系的模型稱為層次模型，如圖1-6所示，其中的實體稱為結(jié)點，實體間的聯(lián)系用結(jié)點間的連線（有向邊）表示。

層次模型是最早出現(xiàn)的數(shù)據(jù)模型，現(xiàn)實世界中許多事物之間的聯(lián)系本來就是一種層次關(guān)系，如家族關(guān)系、行政機構(gòu)等。層次模型的特點如下：

（1）每棵樹有且只有一個結(jié)點沒有雙親，該結(jié)點稱為根結(jié)點。

（2）根結(jié)點以外的其他結(jié)點有且只有一個雙親結(jié)點。

（3）只能直接處理一對多的實體聯(lián)系。

（4）任何一個結(jié)點的值，只有按其路徑查看時，才能顯示它的全部意義。

2.網(wǎng)狀模型

網(wǎng)狀模型是采用有向圖結(jié)構(gòu)表示實體及其之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)模型，如圖1-7所示。由于現(xiàn)實世界中事物之間的聯(lián)系更多是非層次關(guān)系的，所以用網(wǎng)狀模型表示非層次關(guān)系比層次模型更加直觀。網(wǎng)狀模型的特點如下：

（1）允許一個以上的結(jié)點無雙親。

（2）一個結(jié)點可以有多于一個的雙親。

（3）兩個結(jié)點之間有多種聯(lián)系。

3.關(guān)系模型

用二維表的形式表示實體及實體間聯(lián)系的數(shù)據(jù)模型稱為關(guān)系模型。由行列構(gòu)成的二維表，在數(shù)據(jù)庫理論中稱為關(guān)系。表1-1所示為一個關(guān)系的示例（學(xué)生表列出了某校部分學(xué)生）。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用關(guān)系模型作為數(shù)據(jù)的組織方式，實體與實體間的聯(lián)系用關(guān)系（二維表）表示。關(guān)系模型是目前最常用的數(shù)據(jù)模型，它建立在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)概念基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)描述一致，模型概念單一。

1.3.3　關(guān)系數(shù)據(jù)庫

建立在關(guān)系模型基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)庫就是關(guān)系數(shù)據(jù)庫。20世紀(jì)80年代以來，計算機廠商推出的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)幾乎都是關(guān)系模型，即使非關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也都添加了關(guān)系接口。關(guān)系數(shù)據(jù)庫已成為應(yīng)用最廣泛的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，Visual FoxPro就是一種關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

1.關(guān)系的相關(guān)概念

（1）關(guān)系

關(guān)系是一張規(guī)范化的二維表，表名稱為關(guān)系名，表1-1所示的學(xué)生表就是一個關(guān)系。

（2）元組

表中的一行稱為關(guān)系的一個元組。元組指包含數(shù)據(jù)的行，不包括標(biāo)題行。在表1-1的關(guān)系中，一名學(xué)生的信息占一行，有多少名學(xué)生此關(guān)系就有多少個元組。

（3）屬性

表中的一列稱為關(guān)系的一個屬性，每一列的標(biāo)題稱為屬性名。表1-1所示的關(guān)系共有9列，所以此關(guān)系共有9個屬性，屬性名分別為學(xué)號、姓名、性別、出生日期、專業(yè)、生源地、民族、政治面貌、入學(xué)成績。

（4）域

屬性的取值范圍稱為域，如性別屬性的域為（男，女）。

（5）關(guān)鍵字

關(guān)系中能唯一標(biāo)識元組的一個或一組屬性稱為關(guān)鍵字。如學(xué)生表中的學(xué)號。

（6）候選關(guān)鍵字

候選關(guān)鍵字是具有關(guān)鍵字特性的一個或一組屬性的統(tǒng)稱。例如，在學(xué)生表中，學(xué)號唯一，不能有重復(fù)值，可以作為候選關(guān)鍵字。

（7）主關(guān)鍵字

主關(guān)鍵字是從多個候選關(guān)鍵字中選出的能夠唯一標(biāo)識元組的關(guān)鍵字。一個關(guān)系中只能有一個主關(guān)鍵字。如學(xué)生表中，學(xué)號是唯一的，所以學(xué)號是主關(guān)鍵字。

（8）外部關(guān)鍵字（★）

如果一個關(guān)系R中的某個屬性不是本關(guān)系的主關(guān)鍵字或候選關(guān)鍵字，而是另一個關(guān)系S的主關(guān)鍵字或候選關(guān)鍵字，則稱該屬性為本關(guān)系R的外部關(guān)鍵字，R為參照關(guān)系，S為被參照關(guān)系。

例如，表1-2的成績表中課程號是表1-3的課程表的主關(guān)鍵字，學(xué)號是表1-1學(xué)生表的主關(guān)鍵字，所以課程號和學(xué)號都是成績表的外部關(guān)鍵字，成績表為參照關(guān)系，課程表和學(xué)生表為被參照關(guān)系。

（9）關(guān)系模式

關(guān)系的描述稱為關(guān)系模式，一般表示為：關(guān)系名（屬性名1，屬性名2，……，屬性名n）。例如，表1-3的課程表的關(guān)系模式為：課程（課程號，課程名，課時，學(xué)分，校區(qū)）。

2.關(guān)系的規(guī)范化條件

關(guān)系是一個二維表，但不是所有的二維表都可以稱為關(guān)系。關(guān)系模型要求關(guān)系必須滿足一定的規(guī)范化條件，只有滿足條件的二維表才可稱為關(guān)系。關(guān)系的規(guī)范化條件包括：

（1）關(guān)系的每一個分量必須是一個不可分的數(shù)據(jù)項，即表中不可包含表。

（2）一個關(guān)系中不能有相同的屬性名。

（3）一個關(guān)系中不能有完全相同的元組。

（4）同一屬性的所有值必須是同一數(shù)據(jù)類型且來自同一個域。

（5）一個關(guān)系中元組的次序可以任意。

（6）一個關(guān)系中屬性的次序可以任意。

3.關(guān)系完整性

關(guān)系模型的完整性規(guī)則是對關(guān)系的某種約束條件。關(guān)系模型中有3類完整性約束：實體完整性、參照完整性、用戶定義完整性。其中，實體完整性和參照完整性是關(guān)系模型必須滿足的完整性約束條件。

（1）實體完整性

實體完整性規(guī)定：關(guān)系中所有元組的主關(guān)鍵字值不能為空值。

例如，表1-1所示的學(xué)生表中的學(xué)號為主關(guān)鍵字，所有學(xué)生的學(xué)號不能為空。

空值（NULL）是指“不知道”或“不確定”的值。關(guān)系中的一個元組對應(yīng)一個實體，若某元組的主關(guān)鍵字為空值，則說明存在一個不可標(biāo)識的實體，這與實體的定義相矛盾。

（2）參照完整性

參照完整性規(guī)定：若一個關(guān)系R的外部關(guān)鍵字F是另一個關(guān)系S的主關(guān)鍵字，則R中的每一個元組在F上的值必須是S中某一元組的主關(guān)鍵字的值，或者取空值。

例如，表1-2所示的成績表中，課程號是外部關(guān)鍵字，它是表1-3所示的課程表的主關(guān)鍵字，所以成績表中的所有課程號都必須是課程信息表中的某個課程號。

參照完整性用來約束關(guān)系與關(guān)系之間的關(guān)系。在使用參照完整性規(guī)則時，有以下幾點需要注意：

①外部關(guān)鍵字和相應(yīng)的主關(guān)鍵字可以不同名，只要相對應(yīng)并定義在相同的值域即可。

②外部關(guān)鍵字的值是否可以為空值，應(yīng)視具體問題而定。

如表1-2的成績表中，每行的課程號都不能為空，若為空，則不能標(biāo)識是哪一門課的成績。

再如有以下兩個關(guān)系：

學(xué)生關(guān)系中的專業(yè)號是外部關(guān)鍵字，它是專業(yè)關(guān)系中的主關(guān)鍵字，則在學(xué)生關(guān)系中，可以有某些元組的專業(yè)號為空值，說明這些學(xué)生目前還沒有確定專業(yè)。

（3）用戶定義完整性（★）

任何關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都應(yīng)該支持實體完整性和參照完整性。除此之外，有些關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)根據(jù)其應(yīng)用環(huán)境的不同，往往還需要一些特殊的約束條件。

用戶定義完整性是針對某一具體關(guān)系的約束條件，它反映某一具體應(yīng)用所涉及的數(shù)據(jù)必須滿足的語義要求。在Visual FoxPro數(shù)據(jù)庫表中是指列（字段）的數(shù)據(jù)類型、寬度、精度、取值范圍、是否允許空值（NULL）。例如，成績表中的成績應(yīng)為數(shù)值型數(shù)據(jù)，取值范圍可規(guī)定在0～100之間；學(xué)生表中，性別為字符型數(shù)據(jù)，取值范圍為（男，女）。