数据库中北大学第二章ppt总结和课后习题详解（小宇特详解）

第2章数据模型与系统结构

2.1 数据模型的基本概念

现实世界——具体事物->信息世界——概念模型->机器世界——DBMS支持的数据模型

计算机不可能直接处理现实世界中的具体事物，人们必须把具体事物转换成计算机能够处理的数据。
用数据模型这个工具对现实世界中的事物进行抽象、表示和处理。
数据模型是对现实世界数据特征的抽象
现有数据库系统均是基于某种数据模型。数据模型是数据库系统的核心和基础。

按照模型应用的不同目的，分类两类数据模型：
概念模型
机器世界的数据模型
按计算机系统的观点来组织数据，主要描述数据的结构特点和结构约束。
分为：逻辑模型和物理模型

逻辑模型按照选定的DBMS描述整体数据的逻辑关系，它不依赖计算机硬件，但依赖软件(DBMS)。
物理模型描述数据在计算机外存上的存储方式和方法，它依赖于硬件和软件，是最低层次的抽象。

(1) 实体

现实世界中任何可被识别的事物的抽象。
可以是具体的人、事、物或抽象的概念。

(2) 实体集合：

同一类型实体的集合，也就是同一类型事物的抽象。

(3) 属性：

实体所具有的特征和性质的抽象表示被称为属性。
属性是对实体的描述；一个实体可以由若干个属性来刻画。

(4) 属性的值：

为实体的属性在结构约束下的取值称为值。

(5) 实体和属性的型与值

实体与属性的结构称为型，在结构约束下的取值称为值。

(6) 关键字

在实体的属性中，可惟一标识一个个体的属性或属性组（该属性组为极小属性组，即去掉其中任一属性就不能惟一标识一个个体）称为关键字，又称“标准码”、“候选码”或“码”。
码中的属性称为“主属性”，未包含在任一码中的属性称为“非主属性”。若存在多个码，则选定其中一个作“主码”

(7) 实体间的联系

两个实体间有以下三种类型：
一对一联系（记为 1:1）
一对多联系（记为 1:n ）
多对多联系（记为 m:n）

(8) 数据模型的构成要素

数据结构

是所研究的数据类型和数据之间联系的集合。
对数据模型的静态描述。

数据操作

指对数据模型中的各种对象的值允许执行的操作的集合。
是对数据模型的动态描述。

数据的完整性约束条件

是数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则的集合。
用来限定基于这种数据模型的数据库的状态及变化，保证数据的正确、有效和一致性。

一对一联系：如果实体集E1中每个实体至多和实体集E2中的一个实体有联系，反之亦然，那么实体集E1和E2的联系称为“一对一联系”，记为“1:1”

一对多联系：如果实体集E1中每个实体可以与实体集E2中任意个（零个或多个）实体间有联系，而E2中每个实体至多和E1中一个实体有联系，那么称E1对E2的联系是“一对多联系”，记为“1:n”。

多对多联系：如果实体集E1中每个实体可以与实体集E2中任意个（零个或多个）实体有联系，反之亦然，那么称E1和E2的联系是“多对多联系”，记为“m:n”。

2.2 概念数据模型

概念模型的用途

概念模型用于信息世界的建模
是现实世界到机器世界的一个中间层次
独立于计算机系统，完全不涉及信息在计算机中的表示，只是用来描述某个特定组织所关心的信息结构
是数据库设计的有力工具
数据库设计人员和用户之间进行交流的工具

概念模型的一种表示方法

实体－联系方法(Entity Relationship Model)
用E-R图来描述现实世界的概念模型
E-R方法也称为E-R模型

联系
联系本身：
用菱形表示，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，同时在无向边旁标上联系的类型（1:1、1:n或m:n）

联系的属性：
联系本身也是一种实体型，也可以有属性。如果一个联系具有属性，则这些属性也要用无向边与该联系连接起来

多个实体型间的一对多联系

例如，课程、教师与参考书三个实体型
一门课程可以有若干个教师讲授，
使用若干本参考书，
每一个教师只讲授一门课程，
每一本参考书只供一门课程使用

两个以上实体型间的多对多联系
实例
供应商、项目、零件三个实体型
一个供应商可以供给多个项目多种零件
每个项目可以使用多个供应商供应的零件
每种零件可由不同供应商供给

一对多联系
实例
职工实体型内部具有领导与被领导的联系
某一职工（干部）“领导”若干名职工
一个职工仅被另外一个职工直接领导
这是一对多的联系

学生和课程之间的关系是多对多的关系，一门课程可以被多个学生选修，同时，一个学生也可以选修多门课程，但是课程不能重复。
教师和课程之间的关系是多对多的关系，一门课程可以有多个教师教，同时，一个老师也可以教多门课程。例如，不同的专业都可以开设计算机基础课，那么所有专业的计算机基础课可以是同一个老师教也可以是不同的老师教；同理，一个计算机老师既可以讲计算机基础课也可以讲其他的计算机课程。
课程和专业之间的关系是多对多的关系，一个专业的课程都由多个课程组成，每一门课程特别是公共课可以属于多个专业。例如，计算机基础课可以被多个专业开设。
学生和专业之间的关系是多对一的关系，一个学生只能属于一个专业，而一个专业可以由多个学生组成。

2.3 逻辑数据模型

非关系模型

关系模型

关系模型（Relational Model）的主要特征是用二维表格表达实体集。
数据结构简单，容易为初学者理解。

关系模型是由一组关系组成。
每个关系的数据结构实际上是一张二维表格（规范化）。

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。

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）
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
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）

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,
不允许表中还有表
图中工资和扣除是可分的数据项 ,不符合关系模型要求

关系名->表名

关系模式->表头（表格的描述）

关系->（一张）二维表

元组->（记录或行）

属性->列

属性名->列名

属性值->列值

分量->一条记录中的一个列值

非规范关系->表中有表（大表中嵌有小表）

关系数据模型的操纵

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”

关系数据模型的完整性约束

实体完整性
参照完整性
用户定义的完整性

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

关系数据模型的优缺点

优点
建立在严格的数学概念的基础上
概念单一、结构简单直观、易理解、语言表达简练
实体和各类联系都用关系来表示
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开发建立的工作

缺点
存取路径对用户透明导致查询效率往往不如非关系数据模型
为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化，增加了开发DBMS的难度

从数据库管理系统角度看，数据库系统通常采用三级模式结构，这是数据库系统内部的系统结构。

模式（Schema）

外模式（External Schema）

内模式（Internal Schema）

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）
数据库逻辑结构和特征的描述
是型的描述
反映的是数据的结构及其联系
模式是相对稳定的
实例（Instance）
模式的一个具体值
反映数据库某一时刻的状态
同一个模式可以有很多实例
实例随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
2019年的一个学生数据库实例，包含：
2019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
2020年度学生数据库模式对应的实例与
2019年度学生数据库模式对应的实例是不同的

模式

模式（也称逻辑模式或概念模式）
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，综合了所有用户的需求
一个数据库只有一个模式
模式的地位：是数据库系统模式结构的中间层
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、开发工具及高级程序设计语言无关

概念模式是对数据需求的全部视图，包括下列活动：
所有实体、属性和实体间的联系
数据上的约束。
数据的语义信息。
检查并保持数据的一致性和完整性。
安全信息。

外模式

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）能够看见和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

外模式的地位：介于模式与应用之间
模式与外模式的关系：一对多
外模式通常是模式的子集
一个DB可以有多个外模式。反映了不同的用户在应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求等方面的差异
对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同
外模式与应用的关系：一对多
同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用
但一个应用程序只能使用一个外模式

外模式的用途
保证数据库安全性的一个有力措施
每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据

内模式

内模式（也称存储模式）
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表示方式
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
数据是否压缩存储
数据是否加密
数据存储记录结构的规定
一个数据库只有一个内模式

每个用户能访问相同数据，但也可根据自己的需要定制不同数据视图。每个用户可改变自己查看数据的方式而这种改变不会影响相同数据库的其他用户。
用户不用关心物理数据存储细节。用户与数据库之间的交互独立于物理数据存储组织。
物理存储组织的改变（例如转到新的存储设备）不影响数据库的内部结构。
数据库管理员（DBA）能改变数据库的存储结构而不会影响用户视图。
DBA能改变数据库的概念结构而不会影响所有用户。

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

外模式／模式映像
模式／内模式映像

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自外模式的描述中

外模式／模式映像保证数据的逻辑独立性
当模式改变时，数据库管理员修改有关的外模式／模式映像，使外模式保持不变
应用程序是依据数据的外模式编写的，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。

模式／内模式映像定义了数据全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。
例如，说明逻辑记录和字段在内部是如何表示的
数据库中模式／内模式映像是唯一的
该映像定义通常包含在模式描述中

模式／内模式映像保证数据的物理独立性
当数据库的存储结构改变了（例如选用了另一种存储结构），数据库管理员修改模式／内模式映像，使模式保持不变
应用程序不受影响。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。

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及其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

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

中北大学去年的题有三道是画E-R图

这里着重看一下学校的例题

中北大学教务管理服务平台E-R图

课堂练习1

1、一个图书借阅管理数据库要求提供下述服务：
（1）可随时查询书库中现有书籍的品种、数量与存放位置。所有各类书籍均可由书号唯一标识。
（2）可随时查询书籍借还情况，包括借书人单位、姓名、借书证号、借书日期和还书日期。约定：任何人可借多种书，任何一种书可为多个人所借，借书证号具有唯一性。
（3）当需要时，可通过数据库中保存的出版社的电报编号、电话、邮编及地址等信息向相应出版社增购有关书籍。约定：一个出版社可出版多种书籍，同一本书仅为一个出版社出版，出版社名具有唯一性。
根据以上描述，建立满足本需求的E-R图。

2、设某商业集团数据库中有三个实体集。
“商店”实体集，属性有商店编号、商店名、地址等；
“商品”实体集，属性有商品号、商品名、规格、单价等；
“职工”实体集，属性有职工编号、姓名、性别、业绩等。
商店与商品间存在“销售”联系，每个商店可销售多种商品，每种商品也可放在多个商店销售，每个商店销售一种商品，有月销售量；
商店与职工间存在着“聘用”联系，每个商店有许多职工，每个职工只能在一个商店工作，商店聘用职工有聘期和月薪。

根据以上描述，建立满足本需求的E-R图，并在图上注明属性、联系的类型。

课后习题

1.关系数据模型（）。

A、只能表示实体间的1:1联系

B、只能表示实体间的1:n联系

C、只能表示实体间的m:n联系

D、可以表示实体间的上述三种联系

参考答案

2.构造E-R模型的三个基本要素是（）。

A、实体、属性、属性值

B、实体、实体集、属性

C、实体、实体集、联系

D、实体、属性、联系

参考答案

3.数据模型的三要素是（）。

A、外模式、模式、内模式

B、关系模型、层次模型、网状模型

C、实体、联系、属性

D、数据结构、数据操作、完整性约束

参考答案

4.关系模型的数据结构是（）。

A、树

B、二维表

C、有向图

D、链表

参考答案

5.如果一门课程可以由若干个教师教授，一名教师可以教授若干门课程，那么，“教师”与“课程”这两个实体集之间的联系是（）。

A、n:1

B、n:m

C、1:n

D、1:1

参考答案

多选题

1.数据库领域中主要的逻辑数据模型有哪些（）

A、关系模型

B、概念模型

C、层次模型

D、网状模型

参考答案

ACD

2.关于数据库三级模式结构的说法中，正确的是（）

A、

一个数据库可以有多个外模式，但只能有一个模式

B、一个数据库可以有多个外模式，但只能有一个内模式

C、一个数据库仅有一个模式，也只能有一个内模式

D、一个数据库仅有一个外模式，也只能有一个内模式

参考答案

ABC

3.下列说法正确的是（）。

A、在数据库系统中，外模式/模式映像保证了数据与应用程序间的逻辑独立性

B、在三级模式间引入二级映像的主要作用是提高数据的独立性。

C、现实世界中的事物个体，经过两级抽象后，在计算机世界中，对应的是一条记录。

D、在数据库系统的三级模式结构中，模式描述了数据库中全体数据的全局逻辑结构和特征。

参考答案

ABCD

判断题

关系模型的数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系

参考答案

正确

一个关系模式是关系的“型”，可表示为：关系名（属性1，属性2，…，属性n）。

参考答案

正确

一个数据库系统中，外模式/模式映像只能有一个

参考答案

）

A、关系模型

B、概念模型

C、层次模型

D、网状模型

参考答案

ACD

2.关于数据库三级模式结构的说法中，正确的是（）

A、

一个数据库可以有多个外模式，但只能有一个模式

B、一个数据库可以有多个外模式，但只能有一个内模式

C、一个数据库仅有一个模式，也只能有一个内模式

D、一个数据库仅有一个外模式，也只能有一个内模式

参考答案

ABC

3.下列说法正确的是（）。

A、在数据库系统中，外模式/模式映像保证了数据与应用程序间的逻辑独立性

B、在三级模式间引入二级映像的主要作用是提高数据的独立性。

C、现实世界中的事物个体，经过两级抽象后，在计算机世界中，对应的是一条记录。

D、在数据库系统的三级模式结构中，模式描述了数据库中全体数据的全局逻辑结构和特征。

参考答案

ABCD

判断题

关系模型的数据操作是集合操作，操作对象和操作结果都是关系

参考答案

正确

一个关系模式是关系的“型”，可表示为：关系名（属性1，属性2，…，属性n）。

参考答案

正确

一个数据库系统中，外模式/模式映像只能有一个

参考答案

错误