数据模型



定义

1. 模型

• 一张地图、房地产沙盘都是模型。

• 模型是对现实世界中某个对象特征的模拟和抽象。

  例如：航模飞机是对真实飞机的模拟和抽象，它模拟了飞机的起飞、飞行、降落；它抽象了飞机的基本特征---机身、机头、机翼、机尾。

2. 数据模型

• 数据模型符合上述“模型”的定义。

• 特殊的是：这是专门描述“数据”这种对象的模型。

  由于计算机处理不了现实世界的具体事物，所以首先必须把一切“数字化”，把现实世界中的人、物、活动、概念等用【数据模型这个工具】来抽象、表示和处理。

• 再有：现有的所有数据库（DB）都是基于某种数据模型的。所以，数据模型是DB系统的核心和基础。

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两类数据模型

如同在建筑设计和施工的不同阶段需要不同的图纸一样，在开发实施数据库应用系统中也需要使用不同的数据模型，有如下两类3种：

• 概念模型
• 逻辑模型、物理模型

1. 概念模型（Conceptual Model）

概念模型是按照用户的观点来对数据和信息建模，主要用于数据库设计。

特点：概念模型与具体的计算机系统和DBMS无关。概念模型的表示方法有很多，最著名和常用的是“实体-联系方法（Entity - Relationship Approach）”，该方法用E-R图来描述概念模型。

2. 逻辑模型（Logical Model）

逻辑模型是按照计算机系统的观点来对数据和信息建模，主要用于DBMS的实现。

包括：

• 层次模型 - Hierarchical Model
• 网状模型 - Network Model
• 关系模型 - Relational Model
• 面向对象模型 - Object Oriented Model
• 对象关系模型 - Object Relational Model

3. 物理模型（Physical Model）

物理模型是对数据最底层的抽象，他描述数据在系统内部的表示方式和存取方法。如：在磁盘或者磁带上的存储方式和存取方法，是面向计算机系统的。物理模型的具体实现是DBMS的任务，数据库设计人员（即程序员）要了解和选择物理模型，一般用户则不必考虑物理级的细节。

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4. 基于上面1、2和3的数据库设计步骤

数据库设计目的：把现实世界的具体事物抽象、组织为某一DBMS支持的数据模型

1. 首先，把现实世界中的客观对象抽象为一种结构，此结构不依赖于具体的计算机系统，不是某一个DBMS支持的数据模型。这也就是所谓概念模型。
2. 然后，再把概念模型转换为某一个DBMS支持的数据模型。

具体描述1和2如下

1. 现实世界 —-> 概念模型 （数据库设计人员来做）
2. 概念模型 —-> 逻辑模型 （数据库设计人员 或者 数据库设计工具协助数据库设计人员完成）
3. 交流的语言。因此，概念模型应该有较强的语义表达能力，另一方面它还应该简单、清晰、易于用户理解。

   2. 信息世界的一些基本概念

   1. 实体（Entity）
      客观存在并可相互区别的事物称为实体。它可以是具体的人、事，也可以是抽象的联系
   2. 属性（Attribute）
      实体具有的某一特性称为属性。一个实体可以有若干的属性来刻画
   3. 码（Key）
      唯一标示一个实体的属性集称为码。注意是属性集，可以是1个或多个
   4. 域（Domain）
      域是一组具有相同数据类型的值的集合。就是属性的取值范围，如学号的domain为“8位整数”
   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。即实体型是描述某一类实体的，格式为“实体名(属性1, 属性2, …… )
   6. 实体集（Entity Set）
      同一类型实体的集合称为实体集。如，全体学生就是一个实体集。（在表中就代表所有的记录）
   7. 联系（Relationship）
      实体内部和之前的关系称为联系。内部：指的是各个属性之间的关系；之间：指的是不同实体集之间的关系
      
      1. 实体型内部的联系
         同一实体型内部的不同实体之间，存在着一对一、一对多和多对多的关系。（以我实际工作来看，一对多最经常，比如树形父子关系）
      2. 实体型之间的联系
         也是一对一、一对多和多对多

   3. 实体 - 联系方法（E-R图）

   概念模型是对信息世界进行建模，所以要能描述上述信息世界的概念。一种最著名和常用的方式是：E-R图。
   E-R图提供了表示实体型、属性和联系的方法：

   1. 实体型：矩形表示，内写实体名
   2. 属性：用椭圆形表示，用无向边与实体型连接起来。
   3. 联系：用菱形表示，内写联系名，用无向边将有关系的实体型连接起来，然后在无向边旁边标上联系的类型（1：1，1：n，m：n）。另外，联系也可以有属性。

   下面是所有构件的描述图：
   逻辑模型 —-> 物理模型 （DBMS来做）

逻辑模型（Logical Model）

逻辑模型是按照计算机系统的观点来对数据和信息建模，主要用于DBMS的实现。

包括：

• 层次模型 - Hierarchical Model
• 网状模型 - Network Model
• 关系模型 - Relational Model
• 面向对象模型 - Object Oriented Model
• 对象关系模型 - Object Relational Model

层次模型 —> 网状模型 —> 关系模型 —> 面向对象/对象关系模型

1. 层次模型、网状模型

层次和网状模型称为：格式化模型。这类模型在20世纪70到80年代初非常流行，但现在以被关系模型取代了。

2. 面向对象模型、对象关系模型

20世纪80年代以来面向对象的方法和技术在计算机各个领域蓬勃发展，也推动和影响了关系模型，从而产生了对象关系模型。一般来说，现在还都是用关系模型，有一些纯粹的面向对象模型的数据库已经出现，但是并没有流行。
1. 从RDBMS扩展而来的ORDBMS随着面向对象技术的发展而出现并能被接受了。
2. 1999年发布的SQL3终于提供了面向对象的扩展，由于SQL3晚于ORDBMS，所以各个数据库对面向对象模型的支持语法的、功能不尽相同。
3. SQL3扩展了：LOB、BOOLEAN、集合ARRAY、自定义DISTINCT类型等

一些ORDBMS的例子有：SQLServer和Oracle的地理信息支持

3. 关系模型

关系模型是目前最重要的数据模型，关系数据库依据关系模型。

历史：1970年IBM的San Jose研究室研究员E.F.Codd提出了关系模型。他于1981年获得ACM图灵奖。
关系模型建立在严格的数学概念基础上，每个关系的数据结构就是一张规范化的二维表。下面是一些关系模型术语：

1. 关系（Relation）
   一个关系对应一张二维表
2. 元组（Tuple）
   表中的一行即为一个元组
3. 属性（Attribute）
   表中的一列即为属性
4. 码（Key）
   表中可以唯一确定一个元组的属性组
5. 域（Domain）
   属性的取值范围，如：人的年龄为整数且在1-150之间
6. 分量
   元组中的一个属性值
7. 关系模型
   对关系的描述，格式：关系名（属性1，属性2，……）

物理模型（Physical Model）

在Database - Data Model（数据模型）中已经介绍过，物理模型的具体实现是DBMS的任务，而我们开发人员要做的就是：学习相关DBMS，了解和使用其设计好的物理模型

所以说：物理模型和具体的数据相关，如MySQL、SQL Server、Oracle等等

1. 作用

程序员设计依据一个具体的DBMS来设计一个物理模型后，该物理模型就完整的表达了将要被创建的数据库的所有要素，也就是说物理模型可以直接被转化为完整的建库SQL。

例如：下图是mysql的 Workbench工具，只有New Model（就是Physical Model）选项。也就是说 一个完整的物理模型就等于一个数据库

2. 元素

由于物理模型与具体数据相关，所以他们的元素不尽相同，但有些共有的如下：

1. Table（表）

表中有属性(Attribute)，属性有主属性(Key)和非主属性，还有外码，属性还有值域(Domain)等等

2. View（视图）

基于某一张或多张表而创建的逻辑表

3. Procedure（存储过程）

4. Index（索引）