1.2　數(shù)據(jù)模型

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數(shù)據(jù)模型（Data Model）也是一種模型，它是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)特征的抽象。

數(shù)據(jù)模型就是現(xiàn)實(shí)世界的模擬。

1.2.1　兩類數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)模型應(yīng)滿足三方面要求：

能比較真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)世界；

容易為人所理解；

便于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)模型應(yīng)用的不同目的，可以將這些模型劃分為兩類，它們分別屬于兩個(gè)不同的層次。

第一類是概念模型（Conceptual Model），也稱信息模型，它是按用戶的觀點(diǎn)來對(duì)數(shù)據(jù)和信息建模，主要用于數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。

第二類是邏輯模型和物理模型，其中邏輯模型主要包括層次模型（Hierarchical Model）、網(wǎng)狀模型（Network Model）、關(guān)系模型（Relational Model）、面向?qū)ο竽Ｐ停∣bject Oriented Model）和對(duì)象關(guān)系模型（Object Relational Model）等。它是按計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的觀點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)建模，主要用于DBMS的實(shí)現(xiàn)。物理模型是對(duì)數(shù)據(jù)最低層的抽象，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(chǔ)方式和存取方法，是面向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的。

圖1-3　現(xiàn)實(shí)世界中客觀對(duì)象的抽象過程

1.2.2　數(shù)據(jù)模型的組成要素

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部分組成。

一、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述數(shù)據(jù)庫的組成對(duì)象以及對(duì)象之間的聯(lián)系。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是所描述的對(duì)象類型的集合，是對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)特性的描述。

二、數(shù)據(jù)操作

數(shù)據(jù)庫主要有查詢和更新（包括插入、刪除、修改）兩大類操作。

數(shù)據(jù)操作是對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的描述。

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。

例如，在關(guān)系模型中，任何關(guān)系必須滿足實(shí)體完整性和參照完整性兩個(gè)條件。

例如，在某大學(xué)的數(shù)據(jù)庫中規(guī)定教授的退休年齡是65周歲，男職工的退休年齡是60周歲，女職工的退休年齡是55周歲等。

1.2.3　概念模型

概念模型是現(xiàn)實(shí)世界到機(jī)器世界的一個(gè)中間層次。

①概念模型用于信息世界的建模；

②現(xiàn)實(shí)世界到信息世界的第一層抽象；

③數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的有力工具；

④數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)人員和用戶之間進(jìn)行交流的語言。

概念模型要求：

①具有較強(qiáng)的語義表達(dá)能力；

②能夠方便、直接地表達(dá)應(yīng)用中的各種語義知識(shí)；

③簡(jiǎn)單、清晰、易于用戶理解。

一、信息世界中的基本概念

1實(shí)體（Entity）

客觀存在并可相互區(qū)別的事物稱為實(shí)體。實(shí)體可以是具體的人、事、物，也可以是抽象的概念或聯(lián)系。

例如，一個(gè)職工、一個(gè)學(xué)生、一個(gè)部門、一門課、學(xué)生的一次選課等都是實(shí)體。

2屬性（Attribute）

實(shí)體所具有的某一特性稱為屬性。

一個(gè)實(shí)體可以由若干個(gè)屬性來刻畫。

例如，學(xué)生實(shí)體可以由學(xué)號(hào)、姓名、性別、出生年月、所在院系、入學(xué)時(shí)間等屬性組成。（94002268，張山，男，197605，計(jì)算機(jī)系，1994）這些屬性組合起來表征了一個(gè)學(xué)生。

3碼（Key）

惟一標(biāo)識(shí)實(shí)體的屬性集稱為碼。

例如，學(xué)號(hào)是學(xué)生實(shí)體的碼。

4域（Domain）

域是一組具有相同數(shù)據(jù)類型的值的集合。屬性的取值范圍來自某個(gè)域。

例如，學(xué)號(hào)的域?yàn)?位整數(shù)，學(xué)生年齡的域?yàn)檎麛?shù)，性別的域?yàn)椋校?/p>

5實(shí)體型（Entity Type）

具有相同屬性的實(shí)體必然具有共同的特征和性質(zhì)。用實(shí)體名及其屬性名集合來抽象和刻畫同類實(shí)體，稱為實(shí)體型。

例如，學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，性別，出生年月，所在院系，入學(xué)時(shí)間）就是一個(gè)實(shí)體型。

6實(shí)體集（Entity Set）

同一類型實(shí)體的集合稱為實(shí)體集。例如，全體學(xué)生就是一個(gè)實(shí)體集。

7聯(lián)系（Relationship）

在現(xiàn)實(shí)世界中，事物內(nèi)部以及事物之間是有聯(lián)系的，這些聯(lián)系在信息世界中反映為實(shí)體（型）內(nèi)部的聯(lián)系和實(shí)體（型）之間的聯(lián)系。

實(shí)體內(nèi)部的聯(lián)系通常是指組成實(shí)體的各屬性之間的聯(lián)系；實(shí)體之間的聯(lián)系通常是指不同實(shí)體集之間的聯(lián)系。

二、兩個(gè)實(shí)體型之間的聯(lián)系

1一對(duì)一聯(lián)系（1：1）

如果對(duì)于實(shí)體集A中的每一個(gè)實(shí)體，實(shí)體集B中至多有一個(gè)（也可以沒有）實(shí)體與之聯(lián)系，反之亦然，則稱實(shí)體集A與實(shí)體集B具有一對(duì)一聯(lián)系，記為1：1。

例如，學(xué)校里面，一個(gè)班級(jí)只有一個(gè)正班長(zhǎng)，而一個(gè)班長(zhǎng)只在一個(gè)班中任職，則班級(jí)與班長(zhǎng)之間具有一對(duì)一聯(lián)系。

1：1聯(lián)系

2一對(duì)多聯(lián)系（1：n）

如果對(duì)于實(shí)體集A中的每一個(gè)實(shí)體，實(shí)體集B中有n個(gè)實(shí)體（n≥0）與之聯(lián)系，反之，對(duì)于實(shí)體集B中的每一個(gè)實(shí)體，實(shí)體集A中至多只有一個(gè)實(shí)體與之聯(lián)系，則稱實(shí)體集A與實(shí)體集B有一對(duì)多聯(lián)系，記為1：n。

例如，一個(gè)班級(jí)中有若干名學(xué)生，而每個(gè)學(xué)生只在一個(gè)班級(jí)中學(xué)習(xí)，則班級(jí)與學(xué)生之間具有一對(duì)多聯(lián)系。

1：n聯(lián)系

3多對(duì)多聯(lián)系（m：n）

如果對(duì)于實(shí)體集A中的每一個(gè)實(shí)體，實(shí)體集B中有n個(gè)實(shí)體（n≥0）與之聯(lián)系，反之，對(duì)于實(shí)體集B中的每一個(gè)實(shí)體，實(shí)體集A中也有m個(gè)實(shí)體（m≥0）與之聯(lián)系，則稱實(shí)體集A與實(shí)體集B具有多對(duì)多聯(lián)系，記為m：n。

例如，一門課程同時(shí)有若干個(gè)學(xué)生選修，而一個(gè)學(xué)生可以同時(shí)選修多門課程，則課程里學(xué)生之間具有多對(duì)多聯(lián)系。

m：n聯(lián)系

實(shí)際上，一對(duì)一聯(lián)系是一對(duì)多聯(lián)系的特例，而一對(duì)多聯(lián)系又是多對(duì)多聯(lián)系的特例。

三、兩個(gè)以上的實(shí)體型之間的聯(lián)系

一般地，兩個(gè)以上的實(shí)體型之間也存在著一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多聯(lián)系。

若實(shí)體型E₁，E₂，…，E_n之間存在聯(lián)系，對(duì)于實(shí)體型E_i（j＝1，2，…，i－1，i＋1，…，n）中的給定實(shí)體，最多只和E_i中的一個(gè)實(shí)體相聯(lián)系，則說E_i與E₁，E₂，…，E_i－1，E_i＋1，…，E_n之間能聯(lián)系是一對(duì)多的。請(qǐng)讀者給出多實(shí)體型之間一對(duì)一、多對(duì)多聯(lián)系的定義。

例如，對(duì)于課程、教師與參考書3個(gè)實(shí)體型，如果一門課程可以有若干個(gè)教師講授，使用若干本參考書，而每一個(gè)教師只講授一門課程，每一本參考書只供一門課程使用，則課程與教師、參考書之間的聯(lián)系是一對(duì)多的。

兩個(gè)以上實(shí)體型間1：n聯(lián)系

又如，有3個(gè)實(shí)體型：供應(yīng)商、項(xiàng)目、零件，一個(gè)供應(yīng)商可以供給多個(gè)項(xiàng)目多種零件，而每個(gè)項(xiàng)目可以使用多個(gè)供應(yīng)商供應(yīng)的零件，每種零件可由不同供應(yīng)商供給，由此看出供應(yīng)商、項(xiàng)目、零件三者之間是多對(duì)多的聯(lián)系。

兩個(gè)以上實(shí)體型間m：n聯(lián)系

四、單個(gè)實(shí)體型內(nèi)的聯(lián)系

同一個(gè)實(shí)體集內(nèi)的各實(shí)體之間也可以存在一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多的聯(lián)系。

例如，職工實(shí)體型內(nèi)部具有領(lǐng)導(dǎo)與被領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)系，即某一職工（干部）“領(lǐng)導(dǎo)”若干名職工，而一個(gè)職工僅被另外一個(gè)職工直接領(lǐng)導(dǎo)，因此這是一對(duì)多的聯(lián)系。

單個(gè)實(shí)體型內(nèi)部1：n聯(lián)系

五、概念模型的一種表示方法：實(shí)體-聯(lián)系圖（E-R圖）方法

E-R圖提供了表示實(shí)體型、屬性和聯(lián)系的方法。

實(shí)體型：用矩形表示，矩形框內(nèi)寫明實(shí)體名。

屬性：用橢圓形表示，并用無向邊將其與相應(yīng)的實(shí)體型連接起來。

例如，學(xué)生實(shí)體具有學(xué)號(hào)、姓名、性別、出生年份、系、入學(xué)時(shí)間等屬性，用E-R圖表示如圖1-4所示。

圖1-4　學(xué)生實(shí)體及屬性

聯(lián)系：用菱形表示，菱形框內(nèi)寫明聯(lián)系名，并用無向邊分別與有關(guān)實(shí)體型連接起來，同時(shí)在無向邊旁標(biāo)上聯(lián)系的類型（1：1，1：n或m：n）。

需要注意的是，如果一個(gè)聯(lián)系具有屬性，則這些屬性也要用無向邊與該聯(lián)系連接起來。

例如，如果用“供應(yīng)量”來描述聯(lián)系“供應(yīng)”的屬性，表示某供應(yīng)商供應(yīng)了多少數(shù)量的零件給某個(gè)項(xiàng)目。那么這3個(gè)實(shí)體及其之間聯(lián)系的E-R圖表示可如圖1-5所示。

圖1-5　聯(lián)系的屬性

六、一個(gè)實(shí)例

下面用E-R圖來表示某個(gè)工廠物資管理的概念模型。

物資管理涉及的實(shí)體有：

①倉庫屬性有倉庫號(hào)、面積、電話號(hào)碼；

②零件屬性有零件號(hào)、名稱、規(guī)格、單價(jià)、描述；

③供應(yīng)商屬性有供應(yīng)商號(hào)、姓名、地址、電話號(hào)碼、賬號(hào)；

④項(xiàng)目屬性有項(xiàng)目號(hào)、預(yù)算、開工日期；

⑤職工屬性有職工號(hào)、姓名、年齡、職稱。

這些實(shí)體之間的聯(lián)系如下：

（1）一個(gè)倉庫可以存放多種零件，一種零件可以存放在多個(gè)倉庫中，因此倉庫和零件具有多對(duì)多的聯(lián)系。用庫存量來表示某種零件在某個(gè)倉庫中的數(shù)量。

（2）一個(gè)倉庫有多個(gè)職工當(dāng)倉庫保管員，一個(gè)職工只能在一個(gè)倉庫工作，因此倉庫和職工之間是一對(duì)多的聯(lián)系。

（3）職工之間具有領(lǐng)導(dǎo)-被領(lǐng)導(dǎo)關(guān)系。即倉庫主任領(lǐng)導(dǎo)若干保管員，因此職工實(shí)體集中具有一對(duì)多的聯(lián)系。

（4）供應(yīng)商、項(xiàng)目和零件三者之間具有多對(duì)多的聯(lián)系。即一個(gè)供應(yīng)商可以供給若干項(xiàng)目多種零件，每個(gè)項(xiàng)目可以使用不同供應(yīng)商供應(yīng)的零件，每種零件可由不同供應(yīng)商供給。

下面給出此工廠的物資管理E-R圖：

圖1-6（a）　實(shí)體及屬性

圖1-6（b）　實(shí)體及其聯(lián)系

圖1-6（c）　完整的實(shí)體-聯(lián)系圖

1.2.4　最常用的數(shù)據(jù)模型

目前，數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域中最常用的邏輯數(shù)據(jù)模型有：層次模型（Hierarchical Model）、網(wǎng)狀模型（Network Model）、關(guān)系模型（Relational Model）、面向?qū)ο竽Ｐ停∣bject Oriented Model）、對(duì)象關(guān)系模型（Object Relational Model）。

1.2.5　關(guān)系模型

關(guān)系模型是目前最重要的一種數(shù)據(jù)模型。

一、關(guān)系數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

·關(guān)系（Relation）：一個(gè)關(guān)系對(duì)應(yīng)通常說的一張表，如下表中的這張學(xué)生登記表；

·元組（Tuple）：表中的一行即為一個(gè)元組；

·屬性（Attribute）：表中的一列即為一個(gè)屬性，給每一個(gè)屬性起一個(gè)名稱即屬性名。

如下表有6列，對(duì)應(yīng)6個(gè)屬性（學(xué)號(hào)，姓名，年齡，性別，系名和年級(jí)）：

·碼（Key）：也稱為碼鍵。表中的某個(gè)屬性組，它可以惟一確定一個(gè)元組；如上表中的學(xué)號(hào)，可以惟一確定一個(gè)學(xué)生，也就成為本關(guān)系的碼；

·域（Domain）：屬性的取值范圍，如人的年齡一般在1～150歲之間；

·分量：元組中的一個(gè)屬性值；

·關(guān)系模式：對(duì)關(guān)系的描述，一般表示為：關(guān)系名（屬性1，屬性2，…，屬性n）。

例如，上面的關(guān)系可描述為：學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，年齡，性別，系名，年級(jí)）

在關(guān)系模型中，實(shí)體以及實(shí)體間的聯(lián)系都是用關(guān)系來表示。

例如，學(xué)生、課程、學(xué)生與課程之間的多對(duì)多聯(lián)系在關(guān)系模型中可以如下表示：

學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，年齡，性別，系名，年級(jí)）

課程（課程號(hào)，課程名，學(xué)分）

選修（學(xué)號(hào)，課程號(hào)，成績(jī)）

二、關(guān)系數(shù)據(jù)模型的操縱與完整性約束

關(guān)系數(shù)據(jù)模型的操作主要包括查詢、插入、刪除和更新數(shù)據(jù)。這些操作必須滿足關(guān)系的完整性約束條件。

關(guān)系的完整性約束條件包括三大類：

①實(shí)體完整性；

②參照完整性；

③用戶定義的完整性。

三、關(guān)系數(shù)據(jù)模型的優(yōu)點(diǎn)

1關(guān)系模型與格式化模型不同，它是建立在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)概念的基礎(chǔ)上的。

2關(guān)系模型的概念單一。

3關(guān)系模型的存取路徑對(duì)用戶透明，從而具有更高的數(shù)據(jù)獨(dú)立性、更好的安全保密性也簡(jiǎn)化了程序員的工作和數(shù)據(jù)庫開發(fā)建立的工作。