1.2数据模型（实现世界的数据化过程）

一、两类数据模型

• 模型：实现世界特征的模拟和抽象。
• 数据模型（Data Model）：是现实世界数据特征的抽象。（数据的表现形式）
• 数据模型的作用：提供给我们模型化数据和信息的工具。表示事物本身以及事物与事物之间的关系。（数据以什么样的形式存入数据库）
• 数据模型应满足三方面要求：
  1. 能比较真实地模拟现实世界；
  2. 容易为人所理解；
  3. 便于在计算机上实现。
• 数据模型地分类：根据模型应用地不同目的，可以将模型分为两类（两个不同层次）。

1. 概念模型（信息模型）

·按照用户地观点对数据和信息建模；
·独立于计算机系统；
·主要用于数据库基本结构（框架）的设计，是数据库设计人员进行数据库设计的依据。

2.逻辑模型和物理模型（数据模型）

• 逻辑（结构）模型

  • 按计算机系统的观点对数据建模；
  • 决定了DBMS的类型。

• 物理模型

  • 对数据最低层的抽象；
  • 描述数据在系统内部的表示方式和存取方法。

  逻辑模型决定物理模型
  

二、概念模型

1.概念模型中的基本概念

• 实体（Entity）：客观存在并可相互区别的事物。
  
• 属性（Attribute）：实体所具备的某一特性称为属性。一个实体可以由若干个属性来刻画。
  
• 域（Domain）：属性的取值范围称为该属性的域。
  
• 实体集（Entity Set）：所用属性名完全相同的实体的集合。
  
• 实体型（Entity Type）：实体集的名及所用属性名的集合。
  
• 联系（Relationship）
  （1）实体内部的联系：组成实体的各属性之间的联系。
  （2）实体之间的联系：不同实体集之间的联系。※
       ①一对一联系（1：1）
       ②一对多联系（1：n）
       ③多对多联系（m：n）

2.概念模型的表示方法

     P.P.S.Chen 1976
    实体—联系方法（Entity-Relationship Approach）E-R方法
    或称为实体-联系模型，简称为E-R模型或E-R图
    E-R图它在描述客观世界中实体、实体属性及实体间的联系时采用不同的图形记号：
实体型：用矩形表示，矩形中写明实体名；
属性：用椭圆表示，用无向边链接实体；
联系：用菱形表示，用无向边连接相应的实体，并在无向边上标明联系的类型。

注意：

1. E-R图可以表示两个以上实体间的联系
2. 某些联系也具有属性；
3. 一个实体内部的一部分成员可以和另一部分成员有联系（is part of），称为自回路（自回路不是实体）。
   

3.概念模型的设计

分析E-R图的方法：找实体和联系
设计E-R图的方法：自底向上设计

1. 需求分析
   （1）任务：收集数据库所有用户的信息内容和处理需求，加以规格化和分析。
   需求分析是整个设计过程的基础，是最困难、最费时的一步。
   （2）成果：数据字典（DD）
   （3）建立数据字典
   
   （4）建立数据流图
   
   
2. 设计分E-R图（某几个实体之间的E-R图）
3. 由分E-R图合并成总E-R图
   

说明：ER图的结果不一定唯一：

1. 本身就有多种实现解决方案
2. 因为需求描述不够精确，不同的理解方式会产生不同的正确结果。

三、数据模型

数据模型通常由数据结构、数据造作和完整性约束三部分组成

1.数据结构

是所研究的对象类型的集合

作用：

• 数据结构是对系统静态特性的描述；
• 数据结构是刻画模型性质最基本的描述（数据模型的核心）。通常按照数据结构的类型来命名数据模型。

2.数据操作

    指对数据库中各种对象的实例允许执行的操作的集合，包括操作及有关的操作规则。

• 数据库的两大类操作：
  • 检索
  • 更新（包括插入、删除和修改）
    数据操作是对系统动态特性的描述。

3.数据的完整性约束条件

是一组完整性规则的集合

• 完整性规则：是指数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则，用以限定符合数据模型的数据库状态及状态的变化，以保证数据的正确、有效、相容。
  *

四、最常用的数据模型

数据模型根据采用的数据结构的类型，可划分为一下几种类型：

1.层次模型——树

1. 数据结构：树型

• 限制条件：
  • 只有一个结点没有双亲结点——根结点、
  • 根以外的其他结点有且只有一个双亲结点
    

2. 层次模型的数据操纵与完善性约束
   层次模型的数据操纵主要有查询、插入删除和更新。进行插入、删除、更新操作时要满足层次模型的完整性约束条件。
3. 层次模型的优缺点：
   优点：
   （1）其数据结构比较简单清晰；
   （2）查询效率高；
   （3）层次模型提供了良好的完整性支持。
   缺点：
   （1）现实世界中跟多联系时非层次性的，如结点之间具有多对多联系，不适合用层次模型表示；
   （2）如果一个结点育有多个双亲结点等，用层次模型表示这类联系就根笨拙，只能通过引入冗余数据（易产生不一致性）或创建非自然的数据结构（引入虚拟结点）来解决。
   （3）查询子女结点必须通过双亲结点；
   （4）由于结构严密，层次命令趋于程序化。

2.网状模型

典型代表：DBTG系统

1. 网状数据模型的数据结构
   限制条件：
   （1）允许一个以上的结点无双亲；
   （2）一个结点可以有多余一个的双亲。
   
2. 网状模型的数据操纵与完善性约束
   网状模型一般来说没有层次模型那样严格的完整性约束条件，但具体的网状数据库系统对数据操纵都加了一些限制，提供了一定的完整性约束。
3. 网状模型的优缺点：
   优点：
   （1）能够更为直接地描述现实世界，如一个结点可以有多个双亲，结点之间可以有多种联系。
   （2）具有良好的性能，存取效率较高；
   缺点：
   （1）结构比较复杂，而且随着应用环境地扩大，数据库的结构就变得越来越复杂，不利于用户的掌握；
   （2）网状模型的DDL、DML复杂，并且要嵌入某一种高级语言。用户不容易掌握，不容易使用
   （3）由于记录之间的联系是通过存取路径实现的，应用程序在访问数据时必须算则适当的存取路径，因此用户必须了解系统结构的细节，加重了编写应用程序的负担。

3. 关系模型——二维表

关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式由1970年IBM公司E.F.Codd首先提出。

1. 关系数据模型的数据结构——二维表

• 相关概念：
  • 关系（Relation）：二维表；
  • 元组（Tuple）：表中的一行即为一个元组（记录）；
  • 属性（Attribute）：表中的一列即为一个属性（字段）；
  • 属性名：一个属性的名字（字段名）；
  • 域（Domain）：属性的取值范围；
  • 分量：元组中的一个属性值（关系的每一个分分量须是一个不可分割的数据项，既不能存在表表结构）（单元格）；
  • 关系模式：对关系的描述，一般表示为：关系名（属性1，属性2，…，属性n）
  • 码（或关键字，简称键，Key）
    （1）键：在一个关系中，能唯一标识一元组的属性集
    ①候选键：不含多余属性的键。
    ②主键：关系模式中正在使用的候选键。
    （2）外键：关系模式R中的某属性集A（A不是R的主键）是另一关系模式S的主键，则A是R的外键。

2. 关系数据模型的操纵与完整性约束
   关系数据模型的操纵：查询、插入、删除和更新
   关系模型中的数据操作是集合操作（可以将关系看作是若干元组的集合），操作对象和操作结果都是关系（表）。
   关系的完整性约束条件包括：实体完整性、参照完整性、用户定义的完整性。

3. 关系数据模型的存储结构
   在数据库的物理组织中，表以文件形式存储，每一个表通常对应一种文件结构。

4. 关系模型的优缺点：
   优点：
   （1）关系模型与格式化模型不同，它是建立在严格的数学概念的基础上的。
   （2）关系模型的概念单一。无论实体还是实体之间的联系都用关系来表示。对数据的检索和更新结果也是关系（即表）。所以其数据结构简单、清晰，用户易懂易用。
   （3）关系模型的存取路径对用户透明，从而具有更高的数据独立性、更好的安全保密性，也简化了程序元的工作和数据库开发建立的工作。
   缺点：由于存取路径对用户是隐蔽的，查询效率往往不如格式化数据模型。为了提高性能，数据库管理系统必须对用户的查询请求进行优化，因此增加了开发数据库管理系统的难度。

优点：

• 关系模型是建立在严格的数据概念的基础上的。
• 概念单一，其数据结构简单、清晰。
• 存取路径对于用户透明（看不到），因而具有更高的数据独立性，更好的安全保密性。
  缺点：
• 数据联系是靠数据冗余实现的。
• 查询效率往往不如非关系数据模型。

5. 概念模型（E-R模型）向关系模型的转换方法
   1、实体型的转换
   讲每一个实体型用一个关系表示，实体型的属性就是关系的属性，实体型的码就是关系的主码。
   
   一个实体就是一张表！
   2、实体型间联系的转换（实体型：实体集的名及所用的集合）

   • 一对一的联系：
     法一：将原来的两个实体合并为一个新关系，新关系名用联系名表示，新关系的属性由两个实体属性集合而成，若属性名相同，应加以区分（如R.A,S.A等），任意一方的主码可作为新关系的主码；
     法二：将联系与某一方实验对应的关系合并，将联系的属性和另一方实体的主码作为新属性加入，原实体的主码仍为该关系的主码；※
     法三：将联系转换为一个独立的关系，该关系的属性由原两实体的主码和联系的属性组成，可选择任一实体的主码作为该关系的主码。
     
   • 一对多的联系
     法一：在原多方实体对应的关系中添加一方实体的主码和联系的属性作为属性集，原多方实体的主码仍是新关系的主码；※
     法二：将联系转换为一个独立的关系，该关系的属性由原两实体的主码和联系的属性组成，主码为原多方实体的主码。
   • 多对多的联系：联系的属性加上相关的两实体主码构成新关系的属性集，相关两实体主码构成新关系的属性集，相关两实体主码的集合是新关系的主码。

6. 关系模式的优化
   1、确定数据依赖。
   2、对数据依赖进行极小化处理，消除冗余联系。
   3、根据实际应用的需要确定范式级别。
   以上三步工作理论性比较强，主要目的：消除不必要冗余和操作异常。
   4、对关系模式进行必要的分解。