1.2.7 关系模型
关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式
1970年美国IBM公司San Jose研究室的研究员E.F.Codd首次提出了数据库系统的关系模型
计算机厂商新推出的数据库管理系统几乎都支持关系模型
一、关系数据模型的数据结构
在用户观点下，关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。
学生登记表
关系（Relation）
一个关系对应通常说的一张表
元组（Tuple）
表中的一行即为一个元组
属性（Attribute）
表中的一列即为一个属性，给每一个属性起一个名称即属性名
主码（Key）
也称为码键，表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组。
域（Domain）
属性的取值范围来自于某个域。是一组具有相同的数据类型的值的集合。
分量
元组中的一个属性值。
关系模式
对关系的描述
关系名（属性1，属性2，…，属性n）
学生（学号，姓名，年龄，性别，系，年级）
例1
学生、系、系与学生之间的一对多联系：
学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级）
系 (系号，系名，办公地点)
例2
系、系主任、系与系主任间的一对一联系
例3
学生、课程、学生与课程之间的多对多联系：
学生（学号，姓名，年龄，性别，系号，年级）
课程（课程号，课程名，学分）
选修（学号，课程号，成绩）
关系必须是规范化的，满足一定的规范条件
最基本的规范条件：关系的每一个分量必须是一个不可分的数据项，不孕表中还有表。
工资和扣除是可分的数据项 ,不符合关系模型要求
表1.2 术语对比
二、关系数据模型的操纵与完整性约束
数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系
查询，
插入
删除
更新
数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系，即若干元组的集合
存取路径对用户隐蔽，用户只要指出“干什么”，不必详细说明“怎么干”
关系的完整性约束条件
实体完整性
参照完整性
这两个条件是关系的两个不变性
用户定义的完整性
提高了数据的独立性，提高了用户生产率
三、关系数据模型的存储结构
实体及实体间的联系都用表来表示
表以文件形式存储
有的DBMS一个表对应一个操作系统文件
有的DBMS自己设计文件结构
3.关系模型的优缺点
优点：
建立在严格的数学概念基础上
概念单一
实体和各类联系都是用关系来表示
对数据的检索结果也是关系
关系模型的存取路径对用户透明
具有更高的数据独立性，更好的安全保密性
简化了程序员的工作和数据库的开发建立的工作
缺点:
存取路径对用户透明，查询效率往往不如格式化的数据模型
为了提高性能，必须对用户的查询请求进行优化，增加了开发数据库管理系统的难度
第三讲 数据库系统的结构
1
数据的逻辑独立性是指（ ）。
A.
内模式改变，模式不变
B.
模式改变，内模式不变
C.
模式改变，外模式和应用程序不变
D.
内模式改变，外模式和应用程序不变
正确答案：C
1.3数据库系统的结构
从数据库应用开发人员角度看
数据系统采用三级模式结构，是数据库系统内部的系统结构
从数据库最终用户角度看
数据库系统的结构有：
单用户结构
主从式结构
分布式结构
客户–服务器
浏览器-应用服务器/数据库服务器
1.3.1 数据库系统模式的概念
“型” 和“值” 的概念
型(Type)
对某一类数据的结构和属性的说明
值(Value)
是型的一个具体赋值
例如
学生记录型：
（学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯）
一个记录值：
（900201，李明，男，计算机，22，江苏）
模式（Schema)
是对数据库逻辑结构和特征的描述
是型的描述，不涉及具体值
模式是相对稳定的
实例（Instance)
数据库某一时刻的状态–模式的一个具体值
同一个模式可以有很多实例
实例随着数据库中的数据的更新而变动
例如：在学生选课数据库模式中，包含学生记录、课程记录和学生选课记录
2003年的一个学生数据库实例，包含：
2003年学校中所有学生的记录
学校开设的所有课程的记录
所有学生选课的记录
2002年度学生数据库模式对应的实例与2003年度学生数据库模式对应的实例是不同的
1.3.2 数据库系统的三级模式结构
模式（Schema）
外模式（External Schema）
内模式（Internal Schema）
模式的定义
数据的逻辑结构（数据项的名字、类型、取值范围等）
数据之间的联系
数据有关的安全性、完整性要求
1.模式（Schema)
模式也称作逻辑模式
数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述
所有用户的公共数据视图
一般，某个应用的数据库有一个模式
模式是数据库系统模式结构的中心
与数据的物理存储细节和硬件环境无关
与具体的应用程序，开发工具以及高级程序设计语言无关
定义模式
DDL定义数据的逻辑结构，以及某种数据模型为基础
数据记录由哪些数据项构成，数据项的名字，类型，取值范围等
定义数据之间的联系
定义与数据有关的安全性，完整性要求
二、外模式（External Schema）
外模式（也称子模式或用户模式）
数据库用户（包括应用程序员和最终用户）使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述
数据库用户的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示
外模式和模式的关系
外模式通常是模式的子集，一个模式有多个外模式
反映了不同的用户的应用需求，看待数据的方式，对数据保密的要求
对模式中的某一个数据，在不同的外模式中的结构，类型，长度，保密级别等都可以不同
外模式与应用的关系
一个外模式可以为多个应用系统所使用，一个应用程序只能使用一个外模式
外模式的用途
每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据，简化用户视图
保证数据库安全性的一个有力的措施
三、内模式（Internal Schema）
内模式也称作是存储模式
是数据物理结构和存储方式的描述
是数据在数据库内部的标识方式
记录的存储方式（顺序存储，按照B树结构存储， 按hash方法存储）
索引的组织方式（B+树，Bitmap,hash)
数据是否压缩存储
数据是否加密的
数据存储记录结构的规定–如定长/变长，记录是否可以跨页存放等
一个数据库只有一个内模式
例如学生记录，如果按堆存储，则插入一条新记录总是放在学生记录存储的最后，如右图所示
如果按学号升序存储，则插入一条记录就要找到它应在的位置插入，如图1.29（b）所示
如果按照学生年龄聚簇存放，假如新插入的S3是16岁，则应插入的位置如图1.29（c）所示
图1.29 记录不同的存储方式示意图
1.3.3 数据库的二级映像功能与数据独立性
三级模式是对数据的三个抽象级别
数据库管理系统内部提供的二级映像
外模式/模式映像
模式/内模式映像
三个抽象层次的联系和转换
一、外模式／模式映象
模式：描述的是数据的全局逻辑结构
外模式：描述的是数据的局部逻辑结构
同一个模式可以有任意多个外模式
每一个外模式，数据库系统都有一个外模式／模式映象，定义外模式与模式之间的对应关系
映象定义通常包含在各自外模式的描述中
对每一个外模式，有一个外模式/模式的映像，定义外模式与模式之间的对应关系，映像定义通常包含在各个外模式的描述中
保证数据的逻辑独立性
当模式改变的时候，数据库管理员对外模式/模式映像做出相应改变，使得外模式保持不变
应用程序时依据数据的外模式编写的，应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称为数据的逻辑独立性
二、模式／内模式映象
定义了数据的全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。
比如：说明某个逻辑记录对应何种存储结构
数据库中的模式/内模式映像是唯一的
该映像定义通常包含在模式描述中。
保证了数据的物理独立性
当数据库的存储结构改变了（例如选用了另外一种存储结构），数据库管理员修改模式/内模式映像，使得模式保持不变
模式不变，则应用程序不变，保证了数据与程序的物理独立性，简称为数据的物理独立性
数据库模式
即全局逻辑结构是数据库的中心与关键
独立于数据库的其他层次
设计数据库模式结构时应首先确定数据库的逻辑模式
数据库的内模式
依赖于它的全局逻辑结构
独立于数据库的用户视图，即外模式
独立于具体的存储设备
将全局逻辑结构中所定义的数据结构以及联系按照一定的物理存储策略进行组织，以达到较好的时间与空间的效率
数据库的外模式
面向具体的应用程序
定义在逻辑模式之上
独立于存储模式和存储设备
当应用需求发生较大变化，相应外模式不能满足其视图要求时，该外模式就得做相应改动
设计外模式时应充分考虑到应用的扩充性
数据库的二级映像功能与数据的独立性
保证了应用程序的稳定性
除非应用需求本身发生了变化，否则应用程序一般不需要修改
从程序为中心–发展到以数据为中心
具有了数据与程序之间的独立性，使得数据的定义和描述可以从应用程序中分离出去
数据的存取由数据库管理系统管理
简化了应用程序的编制
大大减小了应用程序的维护和修改
特定的应用程序
在外模式描述的数据结构上编制的
依赖于特定的外模式
与数据库的模式和存储结构独立
不同的应用程序有时可以共用同一个外模式
数据库的二级映像
保证了数据库外模式的稳定性
从底层保证了应用程序的稳定性，除非应用需求本身发生变化，否则应用程序一般不需要修改
数据与程序之间的独立性，使得数据的定义和描述可以从应用程序中分离出去
数据的存取由DBMS管理
用户不必考虑存取路径等细节
简化了应用程序的编制
大大减少了应用程序的维护和修改
1
数据库系统由数据库、数据库管理系统、应用系统和（ ）组成
A.
系统分析员
B.
程序员
C.
数据库管理员
D.
操作员
正确答案：C
第四讲 数据库系统的组成
1.4 数据库系统的组成
数据库
应用系统
数据管理员
数据库管理系统（及其开发工具）
1.硬件平台以及数据库
2.软件
3.人员
1.硬件平台以及数据库
硬件平台以及数据库
数据库系统对硬件资源的要求
（1）足够大的内存
操作系统
DBMS的核心模块
数据缓冲区
应用程序
磁盘或磁盘阵列
数据库
光盘、磁带
数据备份
（2）足够大的磁盘或者磁盘阵列等外部设备
（3）较高的通道能力，提高了数据传送率
2.软件
数据库管理系统
支持数据库管理系统运行的操作系统
与数据库接口的高级语言以及编译系统
以数据库管理系统为核心的医用开发工具
为特定应用环境开发的数据库应用系统
3.人员
数据库管理员
系统分析员和数据库设计人员
应用程序员
用户
不同的人员涉及不同的数据抽象级别，具有不同的数据视图，如下图所示
1. 数据库管理员(DBA)
具体职责：
1.决定数据库中的信息内容和结构
2.决定数据库的存储结构和存取策略的设计
3.定义数据的安全性要求和完整性约束条件
4.监控数据库的使用和运行
周期性转储数据库
数据文件
日志文件
系统故障恢复
介质故障恢复
监视审计文件
5. 数据库的改进和重组
性能监控和调优
定期对数据库进行重组织，以提高系统的性能
需求增加和改变时，数据库须需要重构造
2. 系统分析员和数据库设计人员
系统分析员
负责应用系统的需求分析和规范说明
与用户以及DBA协商，确定系统的硬件和软件的配置
参与数据库系统的概要设计
数据库设计人员
参加用户需求调查和系统分析
确定数据库中的数据
设计数据库各级模式
3. 应用程序员
设计和编写应用系统的程序模块
进行调试和安装
4. 用户
用户是指最终用户（End User）。最终用户通过应用系统的用户接口使用数据库。
1. 偶然用户
不经常访问数据库，但每次访问数据库时往往需要不同的数据库信息
企业或组织机构的高中级管理人员
2. 简单用户
主要工作是查询和更新数据库
银行的职员、机票预定人员、旅馆总台服务员
3. 复杂用户
工程师、科学家、经济学家、科技工作者等
直接使用数据库语言访问数据库，甚至能够基于数据库管理系统的API编制自己的应用程序
1.5 小结
数据库系统概述
数据库的基本概念
数据管理的发展过程
数据模型
数据模型的三要素
概念模型， E-R 模型
三种主要数据库模型
数据库系统的结构
数据库系统三级模式结构
数据库系统两层映像系统结构
数据库系统的组成
- 数据库的基本理论
数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统；
数据模型组成的三要素：数据结构、数据操作、约束条件；
概念模型的组成；
三种数据模型及其特点；结合层次、网状模型重点讨论关系模式的特点；
数据库系统结构中有关数据库系统的三种模式和映象、数据独立性。
数据、数据库、数据库管理系统、数据库系统。
数据(Data)：实际上就是描述事物的符号记录。
数据库(Database,DB)：是长期存储在计算机内有结构的大量的共享的数据集合。
数据库管理系统（Database Management System，简称DBMS）：是位于用户与操作系统之间的一层数据管理软件。
数据库系统（Database System，简称DBS）：是指在计算机系统中引入数据库后的系统构成，一般由数据库、数据库管理系统（及其开发工具）、应用系统、数据库管理员和用户构成。
数据库系统管理员（Database Administrator，简称DBA）：负责数据库的建立、使用和维护的专门的人员。
数据管理技术的发展过程
人工管理阶段(40年代中–50年代中)
文件系统阶段(50年代末–60年代中)
数据库系统阶段(60年代末–现在)
数据库系统的特点
数据结构化：在描述数据时不仅要描述数据本身，还要描述数据之间的联系。
数据的共享性高、冗余度低、易扩充
数据独立性高：逻辑独立性、物理独立性
统一由DBMS管理和控制
数据独立性高
数据独立性是数据库领域中一个常用术语，包括数据的物理独立性和逻辑独立性。
物理独立性是指用户的应用程序与存储在计算机磁盘上的数据之间是相互独立的。
逻辑独立性是指用户的应用程序和数据库的逻辑结构是相互独立的，在数据库的逻辑结构发生改变的时候，用户的程序可以不需要改变。
数据模型的组成要素
数据结构：用于描述系统的静态特性，研究与数据类型、内容、性质有关的对象，例如关系模型中的域、属性、关系等。
数据操作：数据库主要有检索和更新（包括插入、删除、修改）两大类操作。数据模型必须定义这些操作的确切含义、操作符号、操作规则（如优先级）以及实现操作的语言。
数据的约束条件：是一组完整性规则的集合。完整性规则是给定的数据模型中数据及其联系所具有的制约和储存规则，用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化，以保证数据的正确、有效、相容。此外，数据模型还应该提供定义完整性约束条件的机制。
信息世界中的基本概念
(1)实体（Entity） ：客观存在并可相互区别的事物。
(2)属性（Attribute）：实体所具有的某一特性。
(3)码（Key）：唯一标识实体的属性集称为码。
(4)域（Domain）：属性的取值范围
(5)实体型（Entity Type）：具有相同属性的实体必然具有共同的特征和性质。
(6)实体集（Entity Set）：同型实体的集合
(7)联系（Relationship）
联系（Relationship)
现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界中反映为实体内部的联系和实体之间的联系。
1对1联系、1对多联系、多对多联系
最常用的数据模型
层次模型
网状模型
关系模型
面向对象模型
数据结构、数据操作和完整性约束条件三个方面的内容完整的描述了一个数据模型
在非关系模型中，实体用记录表示，实体的属性对应记录的数据项（或字段），实体之间的联系转换成记录之间的两两联系。
关系模型：在用户看来，一个关系模型的逻辑结构是一张二维表，它由行和列组成。
关系模型的数据结构：
关系：对应通常说的表；
元组：表中的一行即为一个元组；
属性：表中的一列即为一个属性；
主码（Key）：表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组；
域（Domain）：属性的取值范围；
分量：元组中的一个属性值；
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）
数据库系统模式的概念
“型” 和“值” 的概念
型（Type）
对某一类数据的结构和属性的说明
值（Value）
是型的一个具体赋值
例如：学生记录
记录型：
（学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯）
该记录型的一个记录值：
（9002三级模式与二级映象
01，李明，男，计算机，22，江苏）
三级模式是对数据的三个抽象级别
二级映象在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转换以及映象的作用
数据库系统的组成
硬件平台及数据库
软件
人员
数据库管理员
系统分析与设计员
程序员
用户