1.2　數據庫體系結構

人們為數據庫設計了一個嚴謹的體系結構，數據庫領域公認的標準結構是三級模式結構，包括外模式、概念模式和內模式。數據庫體系結構能夠有效組織、管理數據，提高數據庫的邏輯獨立性和物理獨立性。

1.2.1　什么是模式

雖然實際的數據庫管理系統產品種類很多，支持不同的數據模式，使用不同的數據庫語言，建立在不同的操作系統之上，數據的存儲結構也各不相同，但它們在體系結構上通常具有相同的特征，即采用三級模式結構并提供兩級映像功能。

模式是數據庫中全體數據的邏輯結構和特征的描述，僅僅涉及型的描述，不涉及具體的值。模式的一個具體值稱為一個實例，同一個模式可以有很多實例。模式是相對穩定的，而實例是相對變動的，因為數據庫中的數據是在不斷更新的。模式反映的是數據的結構及其聯系，而實例反映的是數據庫某一時刻的狀態。

1.2.2　三級模式結構

美國國家標準協會（American National Standard Institute, ANSI）的數據庫管理系統研究小組于1978年提出了標準化的建議，將數據庫結構分為3級：面向用戶或應用程序員的用戶級、面向建立和維護數據庫人員的概念級、面向系統程序員的物理級。

其中，用戶級對應外模式，概念級對應概念模式，物理級對應內模式，不同級別的用戶對數據庫形成不同的視圖。所謂視圖，就是指觀察、認識和理解數據的范圍、角度和方法，是數據庫在用戶眼中的反映。很顯然，不同層次（級別）的用戶所看到的數據庫是不同的。數據庫系統結構層次如圖1.1所示。

1．分類

（1）外模式

外模式又稱子模式或用戶模式，對應用戶級。它是某個或某幾個用戶所看到的數據庫的數據視圖，是與某一應用有關的數據的邏輯表示。外模式是從模式導出的一個子集，包含模式中允許特定用戶使用的那部分數據。用戶可以通過外模式描述語言來描述、定義對應用戶的數據記錄（外模式），也可以利用數據操縱語言（Data Manipulation Language, DML）對這些數據記錄進行操作。總的來說，外模式反映了數據庫的用戶觀。

（2）概念模式

模式又稱概念模式或邏輯模式，對應概念級。它是由數據庫設計者綜合所有用戶的數據，按照統一的觀點構造的全局邏輯結構，是對數據庫中全部數據的邏輯結構和特征的總體描述，是所有用戶的公共數據視圖（全局視圖）。它是由數據庫管理系統提供的數據模式描述語言（Data Description Language, DDL）來描述、定義的，體現、反映了數據庫系統的整體觀。

（3）內模式

內模式又稱存儲模式，對應物理級。它是數據庫中全體數據的內部表示或底層描述，是數據庫最低一級的邏輯描述，它描述了數據在存儲介質上的存儲方式和物理結構，對應著實際存儲在外存儲介質上的數據庫。

在一個數據庫系統中只有唯一的數據庫，因而作為定義、描述數據庫存儲結構的內模式和定義、描述數據庫邏輯結構的模式也是唯一的，但建立在數據庫系統之上的應用則是非常廣泛、多樣的，所以對應的外模式不是唯一的，也不可能是唯一的。

2．工作原理

數據庫的三級模式是數據庫在3個級別（層次）上的抽象，使用戶能夠邏輯地、抽象地處理數據而不必關心數據在計算機中的物理表示和存儲。實際上，對于一個數據庫系統而言，物理級數據庫是客觀存在的，是進行數據庫操作的基礎；概念級數據庫不過是物理數據庫的一種邏輯、抽象的描述（模式）；用戶級數據庫則是用戶與數據庫的接口，是概念級數據庫的一個子集（外模式）。

用戶應用程序根據外模式進行數據操作，通過外模式—模式映射定義和建立某個外模式與模式間的對應關系，將外模式與模式聯系起來，當模式發生改變時，只要改變其映射，就可以使外模式保持不變，對應的應用程序也保持不變；另一方面，通過模式—內模式映射定義建立數據的邏輯結構（模式）與存儲結構（內模式）間的對應關系，當數據的存儲結構發生變化時，只需改變模式—內模式映射，就能保持模式不變，因此應用程序也可以保持不變。