数据库设计（三）数据库系统结构

关键词

三级模式，两级映象

模式

• 引入
  在数据模型中有型(Type)和值(Value)的概念。型就是某一类数据结构和属性的说明，值就是具体的赋值。

• 模式
  模式(Schema)是数据库中全体数据的逻辑结构和特征描述，是数据库的型。

• 实例
  模式的一个具体值称为模式的一个实例(Instance)，同一个模式可以有多个实例。

• 模式与实例的关系
  模式是相对稳定的，而实例是不断变化的；模式反映的是数据的结构及其联系，而实例反映的是数据库某一刻的状态。

三级模式结构

• 数据库系统由外模式、模式、内模式三级构成。
• 数据库系统的三级模式是对数据的三个抽象级别，三级模式把数据的具体组织交给DBMS管理，使用户不必关心数据在计算机当中如何表示，如何存储，用户可专注于数据的逻辑抽象。

1. 外模式

外模式（亦称子模式或者用户模式），是数据库用户能够看到和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述。外模式保证了数据库的安全性，每个用户只能看到和访问对应外模式中的数据，数据库的其他数据对该用户均不可见。

一般地，

• 外模式是模式的的子集，一个数据库可以有多个外模式。
• 对模式中的同一数据，在外模式中也可以不同。
• 一个外模式可以被多个应用程序所使用，一个应用程序只能使用一个外模式。

DBMS提供子模式描述语言（子模式DDL）来严格定义子模式。

2. 模式

模式（亦称逻辑模式）是数据库全体数据的逻辑结构和特征描述，是所用用户的公共数据视图。是数据库系统结构的中间层，既不涉及数据的物理存储细节，也不涉及具体的应用程序、开发工具和语言。

模式是数据库在逻辑级的视图，一个数据库只有一个模式，定义模式时要考虑数据的逻辑结构和数据间的联系，定义数据的安全性和完整性。

DBMS提供模式描述语言（模式DDL）来严格定义模式。

3. 内模式

一个数据库只有一个内模式（亦称存储模式），内模式是数据物理结构和存储方式的描述，是数据库中数据的内部表示方式。

DBMS提供内模式描述语言（内模式DDL）来严格定义内模式。

两级映象

为了能够在系统内部实现数据在3个抽象层次的联系和转换DBMS在三级模式之间提供两级映像功能：

• 外模式/模式映像
• 模式/内模式映像

其中外模式/模式映像保证了数据和程序之间的逻辑独立性；模式/内模式映像保证了数据和程序之间的物理独立性。

1. 外模式/模式映像

模式描述数据的全局逻辑结构，外模式描述数据的局部逻辑结构。同一个模式可以有多个外模式，每一个外模式在数据库系统中都有一个对应外模式/模式映像，它定义了外外模式与模式之间的对应关系。映像的定义通常包含在各自外模式的描述中。

当模式改变时，DBA可以对各个外模式/模式映像做相应的改变，从而使外模式保持不变，应用程序是依赖于外模式编写的，所以应用程序可以不修改。所以说外模式/模式映像保证了数据和程序之间的逻辑独立性。

2. 模式/内模式映像

数据库模式和内模式都只有一个，因此模式/内模式映像也是唯一的，模式/内模式映像定义了数据全局逻辑结构与存储结构的对应关系。当数据库的存储方式发生变化时，由DBA对模式/内模式映像做相应的改变，可使模式保持不变，进而使外模式也保持不变，最后可达到应用程序不变的目的。所以说模式/内模式映像保证了数据和程序之间的物理独立性。

三级模式在RDBMS中的体现

• 外模式对应于视图(View)和一部分基本表(Base Table)；
• 模式对应于基本表(Base Table)；
• 内模式对应于存储文件(Stored File)；

总结

在数据库的三级模式中，模式是全局的逻辑结构，它作为中间层独立于其它两层，在设计数据库模式结构时要首先确定数据库的逻辑结构。

数据库的内模式依赖于它的模式（全局逻辑结构），独立于外模式，也独立于具体的存储设备。它将模式定义的数据结构和联系按照一定的存储策略进行组织，从而达到较好的时间和空间效率。

数据库的外模式面向具体的应用程序，它定义在模式之上，因此可以独立于存储模式和存储设备。

数据库的二级映像保证了数据库外模式的稳定性，进而保证了依赖于特定外模式的应用程序的稳定性。一般情况下，只要应用程序的需求不变，应用程序就可以不用修改。