数据库数据模型

清疚 2022-12-19 15:26 100阅读 0赞

**目录**

1  基本概念

2  数据模型的三要素

3  E-R模型

3.1  实体

3.2  联系

3.3  属性

3.4  实体-联系方法

3.5  扩展的E-R模型

4  数据模型

5  关系模型

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# 1  基本概念 #

模型就是对现实世界特征的模拟和抽象，数据模型是对现实世界数据特征的抽象。常用的数据模型分为概念数据模型和基本数据模型。  
    （1）概念数据模型。概念数据模型又称信息模型，是按用户的观点对数据和信息建模；是现实世界到信息世界的第一层抽象，强调其语义表达能力，易于用户理解；是用户和数据库设计人员交流的语言，主要用于数据库设计。这类模型中最著名的是实体-联系模型，简称E-R模型。  
    （2）基本数据类型。它是按计算机系统的观点对数据建模，是现实世界数据特征的抽象，用于DBMS的实现。基本的数据模型有层次模型、网状模型、关系模型和面向对象模型（Oriented Model）。

（3）实体（Entity）。现实世界中客观存在并可相互区分的事物叫做实体。实体可以是一个具体的人或物，如王伟、汽车等；也可以是抽象的事件或概念，如购买一本图书等。

（4）属性（Attribute）。实体的某一特性称为属性，如学生有学号、姓名、年龄、性别等方面的属性。属性有“型”和“值”之分，“型”即为属性名，如姓名、年龄、性别是属性的型；“值”即为属性的具体内容，如（010001，张三，20，男，计算机）这些属性值的集合表示了一个学生实体。

（5）实体型（EntityType）。若干属性型组成的集合可以表示一个实体的类型，简称实体型。如学生（学号、姓名、年龄、性别、系）就是一个实体型。

（6）实体集（Entity Set）。同型实体的集合称为实体集，如所有的学生、所有的课程等。

（7）码（Key）。能唯一表示一个实体的属性或属性集称为码，如学生的学号。学生的姓名可能有重名，不能作为学生实体的码。

（8）域（Domain）。属性值的取值范围称为该属性的域，如学号的域为6位整数，姓名的域为字符串集合，年龄的域为小于40的整数，性别的域为（男，女）。

（9）联系（Relationship）。在现实世界中，事物内部以及事物之间是有联系的，这些联系同样要抽象和反应到信息世界中来。在信息世界中将被抽象为实体型内部的联系和实体型之间的联系。实体内部的联系通常是指组成实体的各属性之间的联系，实体之间的联系通常是指不同实体集之间的联系。

# 2  数据模型的三要素 #

数据库结构的基础是数据模型，是用来描述数据的一组概念和定义。数据模型的三要素是数据结构、数据操作和数据的约束条件。  
    （1）数据结构。数据结构是所研究的对象类型的集合，是对系统静态特性的描述。  
    （2）数据操作。数据操作是对数据库中各种对象（型）的实例（值）允许执行的操作的集合，包括操作及操作规则。例如操作有检索、插入、删除和修改，操作规则有优先级别等。数据操作是对系统动态特性的描述。  
    （3）数据的约束条件。数据的约束条件是一组完整性规则的集合。也就是说，对于具体的应用数据必须遵循特定的语义约束条件，以保证数据的正确、有效和相容。例如某单位人事管理中，要求在职的“男”职工的年龄必须大于18岁小于60岁，工程师的基本工资不能低于1500元，每个职工可担任一个工种，这些要求可以通过建立数据的约束条件来实现。

#    3  E-R模型 #

概念模型是对信息世界建模，所以概念模型能够方便、准确地表示信息世界中常用概念。概念模型有很多种表示方法，其中最常用的是P.P.S.Chen 于1976年提出的实体-联系方法（Entity Relationship Approach）。该方法用E-R图来描述现实世界的概念模型，称为实体-联系模型（Entity-Relationship Model，E-R模型）。  
E-R模型是软件工程设计中的一个重要方法，因为它接近人的思维方式，容易理解并且与计算机无关，所以用户容易接受，是用户和数据库设计人员交流的语言。但是，E-R模型只能说明实体间的语义联系，还不能进一步地详细说明数据结构。在解决实际应用问题时，通常先设计一个E-R模型，然后再把其转换成计算机能接受的数据模型。

## 3.1  实体 ##

在E-R模型中，实体用矩形表示，通常矩形框内写明实体名。实体是现实世界中可以区别于其他对象的“事件”或“物体”。例如，企业中每个人都是一个实体。每个实体由一组特性（属性）来表示，其中某一部分属性可以唯一标识实体，例如职工实体集中的职工号。实体集是具有相同属性的实体集合。例如，学校的所有教师具有相同的属性，因此教师的集体集合可以定义为一个实体集；学生具有相同的属性，因此学生的集合可以定义为另一个实体集。

## 3.2  联系 ##

在E-R模型中，联系用菱形表示，通常菱形框内写明联系名，并用无向边分别与有关实体连接起来。同时在无向边旁标注上联系的类型（1：1、1：n或m:n）。实体的联系分为实体内部的联系和实体与实体之间的联系。实体内部的联系反应数据在同一记录内部各字段间的联系。  
1）两个不同实体之间的联系  
两个不同实体集之间存在以下3种联系类型。

*      一对一（1 : 1）。指实体集E1中的一个实体最多与实体集E2中的一个实体相联系。
 *      一对多（1 : n）。表示实体集E1中的一个实体可与实体集E2中的多个实体相联系。
 *      多对多（m : n）。表示实体集E1中的多个实体可与实体集E2中的多个实体相联系。

## 3.3  属性 ##

属性是实体某方面的特性。例如，职工实体集具有职工号、姓名、年龄、参加工作时间和通信地址等属性。每个属性都有其取值范围，例如职工号为000001~99999的6位数整型数，姓名为10位的字符串，年龄的取值范围为18~60等。在同一实体集中，每个实体的属性及其域是相同的，但可能取不同的值。E-R模型中的属性有以下分类。  
（1）简单属性和复合属性。简单属性是原子性的、不可再分的，符合属性可以细分为更小的部分（即划分为别的属性）。有时用户希望访问整个属性，有时希望访问属性中的某个成分，那么在模式设计时可采用复合属性。例如，职工实体集的通信地址可以进一步分为邮编、省、市、街道。若不特别声明，通常指的是简单属性。  
（2）单属性值和多属性值。在前面所举的例子中，定义的属性对于一个特定的实体都只有单独的一个值。例如，对于一个特定的职工，只对应一个职工号、职工姓名，这样的属性称为单值属性。但是，在某些特定情况下，一个属性可能对应一组值。例如，职工可能有0个、1个或多个亲属，那么职工的亲属的姓名可能有多个数目，这样的属性称为多值属性。  
（3）NULL属性。当实体在某个属性上没有值或属性值未知时，使用NULL值，表示无意义或不知道。  
（4）派生属性。派生属性可以从其他属性得来。例如，职工实体集中有“参加工作时间”和“工作年限”属性，那么“工作年限”的值可以由当前时间和参加工作时间得到。这里，“工作年限”就是一个派生属性。

## 3.4  实体-联系方法 ##

概念模型中最常用的方法为实体-联系方法，简称E-R方法。该方法直接从现实世界中抽象出实体和实体间的联系，然后用非常直观的E-R图来表示数据模型。在E-R图中有下表所示的几个主要构件。

**      E-R图中的主要构件**

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 构 件 </td> 
 <td> 说 明 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 矩形 </td> 
 <td> 表示实体集 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 双边矩形 </td> 
 <td> 表示弱实体集 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 菱形 </td> 
 <td> 表示联系集 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 双边菱形 </td> 
 <td> 表示弱实体集对应的标识性联系 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 椭圆 </td> 
 <td> 表示属性 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 线段 </td> 
 <td> 将属性与相关的实体集连接，或将实体集与联系集相连 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 双椭圆 </td> 
 <td> 表示多值属性 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 虚椭圆 </td> 
 <td> 表示派生属性 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 双线 </td> 
 <td> 表示一个实体全部参与到联系集中 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

说明：在E-R图中，实体集中作为主码的一部分属性以下划线标明。另外，在实体集与联系的线段上标上联系的类型。  
例：学校有若干个系，每个系有若干名教师和学生；每个教师可以担任若干门教程，并参加多个项目；每个学生可以同时选修多门课程。设计该学校教学管理系统的E-R模型，给出每个实体、联系的属性。  
（1）该学校教学管理系统的E-R模型有5个实体，即系、教师、学生、项目和课程。设计各实体属性如下：  
    系（系号，系名，主任名）  
    教师（教师号，教师名，职称）  
    学生（学号，姓名，年龄，性别）  
    项目（项目号，名称，负责人）  
    课程（课程号，课程名，学分）  
（2）各实体之间的联系如下：  
    教师担任课程的 1:n “任课”联系；教师参加项目的 n:m “参加”联系；学生选修课程的 n:m “选修”联系；教师、学生与系之间所属关系的 1:n:m “领导”联系。其中，“参加”联系有一个排名属性，“选修”联系有一个成绩属性。  
    通过上述分析，该学校教学管理系统的E-R模型如下图所示。

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    需要指出的是，E-R模型强调的是语义，与现实世界的问题密切相关。这句话的意思是，尽管都是学校教学管理，但由于不同的学校教学管理的方法可能会有不同的语义，因此会得到不同的E-R模型。

## 3.5  扩展的E-R模型 ##

尽管基本的E-R模型足以对大多数数据库特征建模，但数据库某些情况下的特殊语义仅用基本E-R模型无法表达清楚，所以出现了扩展的E-R模型。扩展的E-R模型包括弱实体、特殊化、普遍化等概念。  
**1. 弱实体**  
    在现实世界中有一种特殊的联系，这种联系代表实体间的所有（Ownership）关系，例如职工与家属之间的联系，家属总是属于职工的。这种实体对于另一些实体具有很强的依赖关系，即一个实体的存在必须以另一个实体为前提，将这类实体称为弱实体。  
    在扩展的E-R图中，弱实体用双线矩形框表示。下图为职工与家属的E-R图。

![20201108231422122.jpeg][]  
**2. 特殊化**  
    前面说到，实体集是具有相同属性的实体集合。但在现实世界中，某些实体一方面具有一些共性，另一方面还具有各自的特殊性。这样，一个实体集可以按照某些特征区分为几个子实体。例如，学生实体可以分为研究生、本科生和大专生等子集。将这些从普遍到特殊的过程称为“特殊化”。  
将几个具有共同特性的实体概括成一个更普遍的实体集的过程称为“普遍化”。例如，可以将大专生、本科生和研究生概括为学生，还可以将学生、教师和职工概括为人。这就是从特殊到一般的过程。  
设有实体集E，如果S是E的某些真子集的集合，记![S=\\left \\\{ Si | Si \\subset E, i=1,2,...,n \\right \\\}][S_left _ Si _ Si _subset E_ i_1_2_..._n _right] ，则称S是E的一个特殊化，E是S1,S2,...,Sn的超类，S1,S2,...,Sn称为E的子类。  
    如果![\\bigcup\_\{i=1\}^\{n\}Si=E][bigcup_i_1_n_Si_E],则称S是E的全特殊化，否则是E的部分特殊化。

如果![Si \\cap Sj \\neq \\Phi , i \\neq j][Si _cap Sj _neq _Phi _ i _neq j] ，则S是不相交特殊化，否则是重叠特殊化。  
    教职工实体集中的某个职工既是在职生又是教师或工人，那么在职生、教师和工人应该是重叠特殊化；而在职生、教师和工人的集合等于教职工，所以是全部特殊化。  
    在扩展的E-R模型中，子类继承超类的所有属性和联系，但是，子类还有自己特殊的属性和联系。例如，研究生除了学习以外，还要参加科研项目。那么，研究生不仅要继承学生的所有属性，还要增加学位类型、导师的属性，并且需要增加与项目的联系。  
    在扩展的E-R模型中，超类-子类关系模型使用特殊化圆圈和联线的一般方式来表示。超类到圆圈有一条连线，连线为双线表示全特殊化，连线为单线表示部分特殊化；双竖边矩形框表示子类；有符号“∪”的线表示特殊化；圆圈中的d表示不相交特殊化；圆圈中的ο表示重叠特殊化；超类与圆圈用单线连接，表示部分特殊化。下图给出了一个特殊化应用实例。

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# 4  数据模型 #

在数据库领域中常见的数据模型有层次模型、网状模型、关系模型和面向对象模型。  
    （1）层次模型（Hierarchical Model）采用树形结构表示数据与数据间的联系。在层次模型中，每一个结点表示一个记录类型（实体），记录之间的联系用结点之间的连线表示，并且根结点以外的其它结点有且只有一个双亲结点。  
    （2）网状模型（Network Model）也称DBTG模型，该是一个比层次模型更具有普遍性的数据结构，是层次模型的一个特例。网状模型可以直接地描述现实世界，因为去掉了层次模型的两个限制，允许两个结点之间有多种联系（称之为复合联系）。  
    （3）关系模型（Relation Model）是目前最常用的数据模型之一。关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式，在关系模型中用表格结构表达实体集以及实体集之间的联系，其最大特色是描述的一致性。  
    （4）面向对象模型（Object Oriented Model）采用面向对象的方法来设计数据库。面向对象的数据库存储对象是以对象为单位，每个对象包含对象的属性和方法，具有类和继承等特点。Computer Assoicates的Jsamine就是面向对象模型的数据库系统。  
    面向对象数据模型比网状、层次、关系数据模型具有更加丰富的表达能力。但正因为面向对象模型的丰富表达能力，模型相对比较复杂，实现起来比较困难。

# 5  关系模型 #

关系模型（Relation Model）是目前最常用的数据模型之一。关系数据库采用关系模型作为数据的组织方式，在关系模型中用表格结构表达实体集以及实体集之间的联系，其最大特色是描述的一致性。关系模型是由若干关系模式组成的集合。一个关系模式相当于一个记录型，对应于程序设计语言中类型定义的概念。关系是一个实例，也是一张表，对应于程序设计语言中变量的概念。给定变量的值随时间可能发生变化，类似地，当关系被更新时，关系实例的内容也随时间发生了变化。  
    例：教学数据库的4个关系模型如下：  
    S(Sno, Sname, SD, Sage, Sex)；学生S关系模式，属性为学号、姓名、系、年龄和性别。  
    T(Tno, Tname, Age, Sex)；教师T关系模式，属性为教师号、姓名、年龄和性别。  
    C(Cno, Cname, Pcno)；课程C关系模式，属性为课程号、课程名和先修课程号。  
    SC(Sno, Cno, Grade)；学生选课SC关系模式，属性为学号、课程号和成绩。  
    关系模型中有下划线的属性是主码属性。下图是教学模型的一个具体实例。

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    由于关系模型比网状、层次模型更加简单、灵活，因此，在数据处理领域中，关系数据库的使用已相当普遍。但是，现实世界中存在着许多含有更多复杂数据结构的实际应用领域。例如CAD数据、图形数据和人工智能研究等，需要有一种数据模型来表达这类信息，这种数据模型就是面向对象的数据模型。

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[bigcup_i_1_n_Si_E]: https://private.codecogs.com/gif.latex?%5Cbigcup_%7Bi%3D1%7D%5E%7Bn%7DSi%3DE
[Si _cap Sj _neq _Phi _ i _neq j]: https://private.codecogs.com/gif.latex?Si%20%5Ccap%20Sj%20%5Cneq%20%5CPhi%20%2C%20i%20%5Cneq%20j
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