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前言

• 在之前对数据库系统的学习中，我们了解了很多基础的概念和知识。
• 今天，我们将深入探讨数据库系统的三级模式结构，这是数据库设计和管理中非常重要的一部分内容。
• 理解三级模式结构有助于我们更好地组织、管理和使用数据库中的数据，提高数据库的性能和可维护性。

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一、模式的概念

• 在数据库中，模式（Schema）是对数据库中数据的一种抽象描述，它定义了数据的结构、数据之间的关系以及数据的约束条件等。

简单来说，模式就像是一个蓝图，它规定了数据库中数据应该如何存储和组织。

例如，在一个学生信息数据库中，模式会定义学生表包含哪些列，如学号、姓名、年龄、性别等，以及这些列的数据类型（比如学号是整数类型，姓名是字符串类型等）。同时，模式还会定义一些约束，比如学号必须是唯一的，年龄必须在一个合理的范围内等。

模式并不包含具体的数据，它只是对数据的一种规范和定义。不同的数据库管理系统可能会有不同的方式来定义和管理模式，但总体的概念是相似的。

二、三级模式结构

数据库系统的三级模式结构包括外模式、模式和内模式。

1. 外模式（External Schema）：也称为子模式或用户模式，它是用户与数据库系统的接口。外模式是特定用户所看到的数据库中的数据视图，它可以根据不同用户的需求和权限，定义不同的数据子集和数据操作。

比如，学校的教务管理人员可能只需要看到学生的成绩、选课信息等；而学生本人可能只能看到自己的个人信息、成绩等。这些不同的视图就是通过外模式来定义的。外模式可以提高数据的安全性，因为它可以限制用户只能访问他们有权限访问的数据。

2. 模式（Schema）：前面我们已经提到了模式的概念，这里的模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述。它是一种全局模式，定义了数据库中所有数据的结构、关系和约束，是数据库设计的核心。

模式独立于具体的应用程序和存储设备，它只关心数据的逻辑结构。例如，在一个图书管理数据库中，模式会定义图书表、读者表、借阅记录表等之间的关系，以及每个表的列和约束。

3. 内模式（Internal Schema）：也称为存储模式，它描述了数据在数据库内部的存储方式和物理结构。内模式涉及到数据的存储位置、存储格式、索引结构等。

比如，数据可能以文件的形式存储在磁盘上，内模式会定义这些文件的组织方式，是顺序存储还是索引存储等。内模式的设计会影响数据库的性能，合理的内模式设计可以提高数据的存取效率。

三、两级映像与数据独立性

在数据库系统的三级模式结构中，存在两级映像，即外模式/模式映像和模式/内模式映像，它们保证了数据的独立性。

1. 外模式/模式映像：这个映像定义了外模式和模式之间的对应关系。当模式发生变化时（比如增加了一个新的列或者修改了数据的约束条件），只要修改外模式/模式映像，就可以保持外模式不变，从而使得应用程序不需要进行修改。这就是数据的逻辑独立性，即数据的逻辑结构的变化不会影响应用程序的运行。

2. 模式/内模式映像：该映像定义了模式和内模式之间的对应关系。当内模式发生变化时（比如更换了存储设备或者改变了数据的存储结构），只要修改模式/内模式映像，就可以保持模式不变，进而应用程序也不需要修改。这就是数据的物理独立性，即数据的物理存储结构的变化不会影响应用程序对数据的使用。

通过两级映像和数据独立性，数据库系统可以更好地适应变化，提高系统的可维护性和稳定性。

总结（核心概念速记）：

核心概念速记
数据库系统的三级模式结构 = 数据库的"架构指南"

• 模式概念：对数据库数据的抽象描述，规定数据存储和组织规范，不包含具体数据。
• 三级模式：
  • 外模式（子模式/用户模式）：用户与数据库接口，特定用户数据视图，提高数据安全性。
  • 模式：全体数据逻辑结构和特征描述，全局模式，数据库设计核心，独立于应用和存储设备。
  • 内模式（存储模式）：描述数据存储方式和物理结构，影响数据库性能。
• 两级映像与数据独立性：
  • 外模式/模式映像：保证数据逻辑独立性，模式变化时可保持外模式和应用程序不变。
  • 模式/内模式映像：保证数据物理独立性，内模式变化时可保持模式和应用程序不变。

三级模式结构对比

模式	主要定义	关键作用	注意事项
外模式	特定用户数据视图	提供用户接口，限制数据访问	依用户需求和权限定义
模式	全体数据逻辑结构	定义数据结构、关系和约束	独立于应用和存储
内模式	数据存储方式和结构	影响数据存取效率	合理设计提高性能

映像与独立性图解

外模式 —— 外模式/模式映像 —— 模式 —— 模式/内模式映像 —— 内模式
   │                  │                     │
   └──── 逻辑独立性 ───┘                     └──── 物理独立性 ───┘

知识图谱

数据库系统概论（三）数据库系统的三级模式结构
├─ 模式的概念
│  ├─ 定义：对数据的抽象描述，规定存储和组织规范
│  ├─ 示例：学生信息数据库的表结构和约束
│  └─ 特点：不包含具体数据，不同系统定义方式有别
├─ 三级模式结构
│  ├─ 外模式：用户接口，特定数据视图，提高安全性
│  ├─ 模式：全体数据逻辑描述，数据库设计核心
│  └─ 内模式：数据存储方式和物理结构，影响性能
├─ 两级映像与数据独立性
│  ├─ 外模式/模式映像：保证逻辑独立性
│  ├─ 模式/内模式映像：保证物理独立性
│  └─ 作用：适应变化，提高可维护性和稳定性
└─ 核心要点
   ├─ 三级模式结构是数据库设计重要部分
   └─ 两级映像保障数据独立性，增强系统适应性

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以上就是这篇博客的全部内容，下一篇我们将继续探索更多精彩内容。

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