一、數(shù)據(jù)模型

　　1.數(shù)據(jù)模型的三要素

　　(1)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是所研究的對象類型(Object Type)的集合。這些對象和對象類型是數(shù)據(jù)庫的組成成分。一般可分為兩類:一類是與數(shù)據(jù)類型、內(nèi)容和其它性質(zhì)有關(guān)的對象;一類是與數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系有關(guān)的對象。前者如網(wǎng)狀模型中的數(shù)據(jù)項和記錄，關(guān)系模型中的域、屬性和關(guān)系等。后者如網(wǎng)狀模型中的關(guān)系模型(set type)。在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域中，通常按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的類型來命名數(shù)據(jù)模型，進(jìn)而對數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行分類。如層次結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和關(guān)系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型分別稱作為層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型。相應(yīng)地，數(shù)據(jù)庫分別稱作為層次數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫。

　　(2)數(shù)據(jù)操作 數(shù)據(jù)操作是指對各種對象類型的實例(或值)所允許執(zhí)行的操作的集合，包括操作及有關(guān)的操作規(guī)則。在數(shù)據(jù)庫中，主要的操作有檢索和更新(包括插入、刪除、修改)兩大類。數(shù)據(jù)模型定義了這些操作的定義、語法(即使用這些操作時所用的語言)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是對系統(tǒng)靜態(tài)特性的描述，而數(shù)據(jù)操作是對系統(tǒng)動態(tài)特性的描述。兩者既有聯(lián)系，又有區(qū)別。

　　(3)數(shù)據(jù)的約束條件 數(shù)據(jù)的約束條件是完整性規(guī)則的集合。完整性規(guī)則是指在給定的數(shù)據(jù)模型中，數(shù)據(jù)及其聯(lián)系所具有的制約條件和依存條件，用以限制符合數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)以及狀態(tài)的變化，確保數(shù)據(jù)的正確性、有效性和一致性。

　　2.概念模型

　　數(shù)據(jù)模型是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)。每個DBMS軟件都是基于某種數(shù)據(jù)模型的。為了把現(xiàn)實世界中的具體事物或事物之間的聯(lián)系表示成DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型，人們首先必須將現(xiàn)實世界的事物及其之間的聯(lián)系進(jìn)行抽象，轉(zhuǎn)換為信息世界的概念模型;然后將信息世界的概念模型轉(zhuǎn)換為機(jī)器世界的數(shù)據(jù)模型。也就是說，首先把現(xiàn)實世界中的客觀對象抽象成一種信息結(jié)構(gòu)。這種信息結(jié)構(gòu)并不依賴于具體的計算機(jī)系統(tǒng)和DBMS。然后，再把概念模型轉(zhuǎn)換為某一計算機(jī)系統(tǒng)上某一DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型。因此，概念模型是從現(xiàn)實世界到機(jī)器世界的一個中間層次?，F(xiàn)實世界的事物反映到人的大腦之中，然后人們開始認(rèn)識這些事物，經(jīng)過選擇、命名、分類和組織等抽象工作之后形成概念模型，并進(jìn)入到信息世界。

　　•用戶(user) 關(guān)心的是現(xiàn)實世界中的事物、事物的屬性及其相互關(guān)系。例如，用戶可能關(guān)心他的顧客及其屬性，如顧客地址、銀行帳號等等。用戶也關(guān)心自己的定貨帳目，如誰訂的貨、訂的什么和訂多少等等。

　　•系統(tǒng)分析員(analyst) 同樣也關(guān)心現(xiàn)實世界，但是系統(tǒng)分析員需要分析用戶的信息需求。作為需求分析的結(jié)果，分析員必須以文檔的形式對需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的描述;這個文檔就是信息模型。

　　•實體(Entity) 實體是構(gòu)成數(shù)據(jù)庫的基本元素。實體是指一個存在的東西以區(qū)別這個東西所具有的屬性和這個東西與其它東西的聯(lián)系。實體可以是人，也可以是物;可以是實際對象，也可以是概念;可以是事物本身，也可以是指事物之間的聯(lián)系。

　　•屬性(Attribute) 一個實體可以由若干個屬性來刻畫。屬性是相對實體而言的，是實體所具有的特性。

　　•關(guān)鍵字(Key) 能唯一地標(biāo)識實體的屬性的集合稱為關(guān)鍵字(或碼)。

　　•域(Domain) 屬性的取值范圍稱作域。

　　•實體型(Entity Type) 一類實體所具有的共同特征或?qū)傩缘募戏Q為實體型。一般用實體名及其屬性來抽象地刻畫一類實體的實體型。

　　•實體集(Entity Set) 同型實體的集合叫實體集。例如，學(xué)生就是一個實體集。實體集的名即是實體型。對于學(xué)生和(學(xué)號，姓名，年齡，系，年級)均是實體型，而學(xué)生是對實體型(學(xué)號，姓名，年齡，系，年級)所起的名稱，兩者是指同一客觀對象。但本科生和研究生可以為相同實體型，而實體集不同。

　　•聯(lián)系(Relationship) 現(xiàn)實世界的事物之間是有聯(lián)系的。一般存在兩類聯(lián)系:一是實體內(nèi)部的組成實體的屬性之間的聯(lián)系，二是實體之間的聯(lián)系。在考慮實體內(nèi)部的聯(lián)系時，是把屬性看作為實體。一般來說，兩個實體之間的聯(lián)系可分為三種:

　　(1)一對一(1∶1)聯(lián)系 若對于實體集A中的每一個實體，實體集B中至多有唯一的一個實體與之聯(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，記作1∶1。

　　(2)一對多(1∶n)聯(lián)系 若對于實體集A中的每個實體，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。相應(yīng)地有多對一(n∶1)聯(lián)系 多對一聯(lián)系，從本質(zhì)上說，是一對多聯(lián)系的逆轉(zhuǎn)。其定義同一對多聯(lián)系類似，不再贅述。

　　(3)多對多(m∶n)聯(lián)系 若對于實體集A中的每一個實體，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中也有m個實體(m≥0)與之對應(yīng)，則稱實體集A與實體集B具有多對多聯(lián)系，記作m∶n。實質(zhì)上，多對多聯(lián)系是任意一種聯(lián)系。另外，同一實體集內(nèi)的各個實體間也可以有各種聯(lián)系。概念模型的表示方法最常用的是實體一聯(lián)系方法(Entity-Relationship Approach)，簡稱E-R方法。該方法是由P.P.S.Chen在1976年提出的。E-R方法用E-R圖來描述某一組織的概念模型。在這里僅介紹E-R圖的要點(diǎn)。在E-R圖中:

　　(1)長方形框表示實體集，框內(nèi)寫上實體型的名稱。

　　(2)用橢圓框表示實體的屬性，并用有向邊把實體框及其屬性框連接起來。

　　(3)用菱形框表示實體間的聯(lián)系，框內(nèi)寫上聯(lián)系名，用無向邊把菱形框及其有關(guān)的實體框連接起來，在旁邊標(biāo)明聯(lián)系的種類。如果聯(lián)系也具有屬性，則把屬性框和菱形框也用無向邊連接上。

　　3.三種主要的數(shù)據(jù)模型

　　實際DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型主要有三種:

　　•層次模型(Hierarchical Model)

　　•網(wǎng)狀模型(Network Model)

　　•關(guān)系模型(Relational Model)其中，關(guān)系模型是當(dāng)前DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型的主流。90年代運(yùn)行的DBMS幾乎都是基于關(guān)系模型的。層次模型和網(wǎng)狀模型統(tǒng)稱為非關(guān)系模型。非關(guān)系模型的結(jié)構(gòu)可以和圖論中的圖相對應(yīng)，比較直觀，但在理論上不完備，實現(xiàn)效率較低，故此目前很少用。但是最近，層次模型在研究面向?qū)ο蟮腄BMS中已得到重視。在關(guān)系模型中，數(shù)據(jù)在用戶的觀點(diǎn)中(或在用戶視圖中)的邏輯結(jié)構(gòu)是一張二維表(Table)。

　　•關(guān)系(Relation)，對應(yīng)于平常講的一張表。

　　•元組(Tuple)，表中的一行。

　　•屬性(Attribute)，表中的一列稱為一個屬性，給每一列起一個名，稱為屬性名。這一列或這個屬性所有可能取的值的集合稱為這個屬性的值域(Domain)，值域中的一個元素叫做這個屬性的值。

　　•主關(guān)鍵字(Primary Key Attribute或Primary Key)，是指能唯一標(biāo)識一個元組的一個或一組屬性。

　　•分量(Attribute value)，是指元組中的一個屬性值。

　　•關(guān)系模式(Relational Schema)，是對關(guān)系的描述，一般用關(guān)系名(屬性名1，屬性名2，…，屬性名n)來表示。同層次模型和網(wǎng)狀模型相比較，關(guān)系模型具有下列特點(diǎn):

　　(1)概念單一 在關(guān)系模型中，無論是實體還是實體之間的聯(lián)系都用關(guān)系來表示。在關(guān)系模型中，在用戶的觀點(diǎn)中，數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)就是表，也只有這唯一的概念。在非關(guān)系模型中，用戶要區(qū)分記錄型與記錄型之間的聯(lián)系兩個概念;當(dāng)環(huán)境復(fù)雜時，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，難以掌握。而關(guān)系模型，由于概念單一，可以變復(fù)雜為直觀、簡單，易學(xué)易用。

　　(2)規(guī)范化 所謂關(guān)系規(guī)范化是指在關(guān)系模型中，每一個關(guān)系都要滿足一定的條件要求。這些條件被稱為規(guī)范條件。對于關(guān)系，一個最基本的規(guī)范條件是，要求關(guān)系中的每一個屬性(或分量)均是不可分的數(shù)據(jù)項;也就是說不允許表中有表，表是不可嵌套的。

　　(3)在關(guān)系模型中，用戶對數(shù)據(jù)的操作的輸入和輸出都是表，也就是說，用戶通過操作舊表而得到一張新表。總之，關(guān)系模型概念簡單，結(jié)構(gòu)清晰，用戶易學(xué)易用，有嚴(yán)格的以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的關(guān)系理論作指導(dǎo)，便于DBMS的實現(xiàn)?；陉P(guān)系的DBMS簡化了應(yīng)用程序員的工作，便于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計和維護(hù)。故此，關(guān)系模型自誕生以后就得到了迅速的發(fā)展，成為應(yīng)用最為廣泛的、唯一的數(shù)據(jù)模型。