1.2　数据模型

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数据模型（Data Model）也是一种模型，它是对现实世界数据特征的抽象。

数据模型就是现实世界的模拟。

1.2.1　两类数据模型

数据模型应满足三方面要求：

能比较真实地模拟现实世界；

容易为人所理解；

便于在计算机上实现。

根据模型应用的不同目的，可以将这些模型划分为两类，它们分别属于两个不同的层次。

第一类是概念模型（Conceptual Model），也称信息模型，它是按用户的观点来对数据和信息建模，主要用于数据库设计。

第二类是逻辑模型和物理模型，其中逻辑模型主要包括层次模型（Hierarchical Model）、网状模型（Network Model）、关系模型（Relational Model）、面向对象模型（Object Oriented Model）和对象关系模型（Object Relational Model）等。它是按计算机系统的观点对数据建模，主要用于DBMS的实现。物理模型是对数据最低层的抽象，它描述数据在系统内部的表示方式和存取方法，在磁盘或磁带上的存储方式和存取方法，是面向计算机系统的。

图1-3　现实世界中客观对象的抽象过程

1.2.2　数据模型的组成要素

数据模型通常由数据结构、数据操作和完整性约束三部分组成。

一、数据结构

数据结构描述数据库的组成对象以及对象之间的联系。

数据结构是所描述的对象类型的集合，是对系统静态特性的描述。

二、数据操作

数据库主要有查询和更新（包括插入、删除、修改）两大类操作。

数据操作是对系统动态特性的描述。

三、数据的完整性约束条件

数据的完整性约束条件是一组完整性规则。

例如，在关系模型中，任何关系必须满足实体完整性和参照完整性两个条件。

例如，在某大学的数据库中规定教授的退休年龄是65周岁，男职工的退休年龄是60周岁，女职工的退休年龄是55周岁等。

1.2.3　概念模型

概念模型是现实世界到机器世界的一个中间层次。

①概念模型用于信息世界的建模；

②现实世界到信息世界的第一层抽象；

③数据库设计人员进行数据库设计的有力工具；

④数据库设计人员和用户之间进行交流的语言。

概念模型要求：

①具有较强的语义表达能力；

②能够方便、直接地表达应用中的各种语义知识；

③简单、清晰、易于用户理解。

一、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称为实体。实体可以是具体的人、事、物，也可以是抽象的概念或联系。

例如，一个职工、一个学生、一个部门、一门课、学生的一次选课等都是实体。

2属性（Attribute）

实体所具有的某一特性称为属性。

一个实体可以由若干个属性来刻画。

例如，学生实体可以由学号、姓名、性别、出生年月、所在院系、入学时间等属性组成。（94002268，张山，男，197605，计算机系，1994）这些属性组合起来表征了一个学生。

3码（Key）

惟一标识实体的属性集称为码。

例如，学号是学生实体的码。

4域（Domain）

域是一组具有相同数据类型的值的集合。属性的取值范围来自某个域。

例如，学号的域为8位整数，学生年龄的域为整数，性别的域为（男，女）。

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。用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体，称为实体型。

例如，学生（学号，姓名，性别，出生年月，所在院系，入学时间）就是一个实体型。

6实体集（Entity Set）

同一类型实体的集合称为实体集。例如，全体学生就是一个实体集。

7联系（Relationship）

在现实世界中，事物内部以及事物之间是有联系的，这些联系在信息世界中反映为实体（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。

二、两个实体型之间的联系

1一对一联系（1：1）

如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个（也可以没有）实体与之联系，反之亦然，则称实体集A与实体集B具有一对一联系，记为1：1。

例如，学校里面，一个班级只有一个正班长，而一个班长只在一个班中任职，则班级与班长之间具有一对一联系。

1：1联系

2一对多联系（1：n）

如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n≥0）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体集B有一对多联系，记为1：n。

例如，一个班级中有若干名学生，而每个学生只在一个班级中学习，则班级与学生之间具有一对多联系。

1：n联系

3多对多联系（m：n）

如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n≥0）与之联系，反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体（m≥0）与之联系，则称实体集A与实体集B具有多对多联系，记为m：n。

例如，一门课程同时有若干个学生选修，而一个学生可以同时选修多门课程，则课程里学生之间具有多对多联系。

m：n联系

实际上，一对一联系是一对多联系的特例，而一对多联系又是多对多联系的特例。

三、两个以上的实体型之间的联系

一般地，两个以上的实体型之间也存在着一对一、一对多、多对多联系。

若实体型E₁，E₂，…，E_n之间存在联系，对于实体型E_i（j＝1，2，…，i－1，i＋1，…，n）中的给定实体，最多只和E_i中的一个实体相联系，则说E_i与E₁，E₂，…，E_i－1，E_i＋1，…，E_n之间能联系是一对多的。请读者给出多实体型之间一对一、多对多联系的定义。

例如，对于课程、教师与参考书3个实体型，如果一门课程可以有若干个教师讲授，使用若干本参考书，而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，则课程与教师、参考书之间的联系是一对多的。

两个以上实体型间1：n联系

又如，有3个实体型：供应商、项目、零件，一个供应商可以供给多个项目多种零件，而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，由此看出供应商、项目、零件三者之间是多对多的联系。

两个以上实体型间m：n联系

四、单个实体型内的联系

同一个实体集内的各实体之间也可以存在一对一、一对多、多对多的联系。

例如，职工实体型内部具有领导与被领导的联系，即某一职工（干部）“领导”若干名职工，而一个职工仅被另外一个职工直接领导，因此这是一对多的联系。

单个实体型内部1：n联系

五、概念模型的一种表示方法：实体-联系图（E-R图）方法

E-R图提供了表示实体型、属性和联系的方法。

实体型：用矩形表示，矩形框内写明实体名。

属性：用椭圆形表示，并用无向边将其与相应的实体型连接起来。

例如，学生实体具有学号、姓名、性别、出生年份、系、入学时间等属性，用E-R图表示如图1-4所示。

图1-4　学生实体及属性

联系：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型连接起来，同时在无向边旁标上联系的类型（1：1，1：n或m：n）。

需要注意的是，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。

例如，如果用“供应量”来描述联系“供应”的属性，表示某供应商供应了多少数量的零件给某个项目。那么这3个实体及其之间联系的E-R图表示可如图1-5所示。

图1-5　联系的属性

六、一个实例

下面用E-R图来表示某个工厂物资管理的概念模型。

物资管理涉及的实体有：

①仓库属性有仓库号、面积、电话号码；

②零件属性有零件号、名称、规格、单价、描述；

③供应商属性有供应商号、姓名、地址、电话号码、账号；

④项目属性有项目号、预算、开工日期；

⑤职工属性有职工号、姓名、年龄、职称。

这些实体之间的联系如下：

（1）一个仓库可以存放多种零件，一种零件可以存放在多个仓库中，因此仓库和零件具有多对多的联系。用库存量来表示某种零件在某个仓库中的数量。

（2）一个仓库有多个职工当仓库保管员，一个职工只能在一个仓库工作，因此仓库和职工之间是一对多的联系。

（3）职工之间具有领导-被领导关系。即仓库主任领导若干保管员，因此职工实体集中具有一对多的联系。

（4）供应商、项目和零件三者之间具有多对多的联系。即一个供应商可以供给若干项目多种零件，每个项目可以使用不同供应商供应的零件，每种零件可由不同供应商供给。

下面给出此工厂的物资管理E-R图：

图1-6（a）　实体及属性

图1-6（b）　实体及其联系

图1-6（c）　完整的实体-联系图

1.2.4　最常用的数据模型

目前，数据库领域中最常用的逻辑数据模型有：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）。

1.2.5　关系模型

关系模型是目前最重要的一种数据模型。

一、关系数据模型的数据结构

·关系（Relation）：一个关系对应通常说的一张表，如下表中的这张学生登记表；

·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。

如下表有6列，对应6个属性（学号，姓名，年龄，性别，系名和年级）：

·码（Key）：也称为码键。表中的某个属性组，它可以惟一确定一个元组；如上表中的学号，可以惟一确定一个学生，也就成为本关系的码；

·域（Domain）：属性的取值范围，如人的年龄一般在1～150岁之间；

·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）。

例如，上面的关系可描述为：学生（学号，姓名，年龄，性别，系名，年级）

在关系模型中，实体以及实体间的联系都是用关系来表示。

例如，学生、课程、学生与课程之间的多对多联系在关系模型中可以如下表示：

学生（学号，姓名，年龄，性别，系名，年级）

课程（课程号，课程名，学分）

选修（学号，课程号，成绩）

二、关系数据模型的操纵与完整性约束

关系数据模型的操作主要包括查询、插入、删除和更新数据。这些操作必须满足关系的完整性约束条件。

关系的完整性约束条件包括三大类：

①实体完整性；

②参照完整性；

③用户定义的完整性。

三、关系数据模型的优点

1关系模型与格式化模型不同，它是建立在严格的数学概念的基础上的。

2关系模型的概念单一。

3关系模型的存取路径对用户透明，从而具有更高的数据独立性、更好的安全保密性也简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作。