2.2.3　邏輯數(shù)據(jù)模型

20世紀(jì)60年代末70年代初相繼出現(xiàn)了層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型，它們的特點是能有效地存儲數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，但其表達能力有限，不能描述和模擬現(xiàn)實世界中的復(fù)雜應(yīng)用，基本上是面向機器的。所以，對于決策支持系統(tǒng)和計算機輔助制造這樣的復(fù)雜應(yīng)用，其描述能力和建模能力顯然不足。隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)和人工智能的發(fā)展，在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上產(chǎn)生了一批面向用戶的語義模型，如前面所述的E-R模型和函數(shù)數(shù)據(jù)模型等。盡管如此，三大傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型特別是關(guān)系模型仍是當(dāng)今使用的主流模型。

1.層次模型

在現(xiàn)實世界中，許多事物之間的聯(lián)系可以用一種層次結(jié)構(gòu)表示出來。如一個學(xué)校由若干個學(xué)院組成，一個學(xué)院由若干個系組成，一個系由若干個專業(yè)組成等。層次模型就是根據(jù)現(xiàn)實世界中存在的這些層次結(jié)構(gòu)特點而提出的一種數(shù)據(jù)模型。層次模型是三大傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型中出現(xiàn)最早的一個。基于層次模型的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)IMS是IBM公司于1968年推出的世界上第一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

層次模型是用樹型結(jié)構(gòu)來表示實體集之間聯(lián)系的模型。層次模型可以看作是一棵以記錄型為節(jié)點的有向樹，它把整個數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)表示成一個有序樹的集合，而這些有序樹的每一個節(jié)點是一個由若干數(shù)據(jù)項組成的邏輯記錄型。

圖2.9給出的是一個層次模型的例子。它表示的是一個學(xué)校教務(wù)管理系統(tǒng)的信息。學(xué)校設(shè)有若干個學(xué)院，每個學(xué)院設(shè)有若干個系，每個系設(shè)有若干個專業(yè)和若干個教師，每個專業(yè)和教師只屬于一個系。另外，每個專業(yè)開設(shè)若干門課程并有若干個學(xué)生，而一個學(xué)生只能屬于某一個專業(yè)，一門課程也只能由一個專業(yè)開設(shè)。

由圖2.9可見，該層次模型有六個記錄類型，即學(xué)院、系、專業(yè)、教師、課程和學(xué)生。學(xué)院稱為根記錄類型，它是系記錄類型的父記錄類型，而系則是學(xué)院記錄類型的子記錄類型。在層次模型中只有一個節(jié)點而無父節(jié)點，該節(jié)點稱為根節(jié)點（“學(xué)院”記錄類型）。其他節(jié)點是依據(jù)根節(jié)點而存在的，它們有且僅有一個父節(jié)點。同一個父節(jié)點下的子節(jié)點稱為兄弟節(jié)點，無子節(jié)點的節(jié)點則稱為葉節(jié)點。在層次模型中，父節(jié)點與子節(jié)點的聯(lián)系都是一對多的聯(lián)系，且總是從父節(jié)點指向子節(jié)點。所以，記錄之間的聯(lián)系可以不用命名，只要指出父節(jié)點就可以找到其子節(jié)點。在層次模型中，從根節(jié)點開始，按照父—子聯(lián)系，依次連接的記錄序稱為層次路徑。在層次模型中，數(shù)據(jù)是按層次路徑存取的。

層次模型只能表示一對多聯(lián)系，而現(xiàn)實世界中事物之間的聯(lián)系往往是很復(fù)雜的，既有一對多聯(lián)系，也有多對多聯(lián)系。為了反映多對多聯(lián)系，層次模型引入一種輔助數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——虛擬記錄類型和邏輯指針，將其轉(zhuǎn)換成一對多聯(lián)系。例如，在學(xué)校教務(wù)管理系統(tǒng)中，如果要反映學(xué)生選修課程的情況，因為學(xué)生和課程之間為多對多聯(lián)系，所以要引進一個虛擬記錄類型“選修”和邏輯指針，將其轉(zhuǎn)換成一對多聯(lián)系（如圖2.10所示）。

層次模型是一種簡單的模型，無法描述復(fù)雜的聯(lián)系，表達能力弱，所以其適用范圍受限。

2.網(wǎng)狀模型

美國負責(zé)開發(fā)COBOL（Common Business Oriented Language）語言的委員會CODASYL（Conference on Data System Languages）的一個小組DBTG（Data Base Task Group）在其發(fā)表的一個報告中提出了網(wǎng)狀模型。網(wǎng)狀模型中的每一個節(jié)點代表一個記錄類型，聯(lián)系用鏈接指針來實現(xiàn)。網(wǎng)狀模型突破了層次模型的兩點限制，即允許節(jié)點有多于一個的父節(jié)點；可以有一個以上的節(jié)點沒有父節(jié)點。在網(wǎng)狀模型中，子女到雙親的聯(lián)系不是唯一的，即在網(wǎng)狀模型中可以很容易地實現(xiàn)多對多聯(lián)系，可以描述更復(fù)雜的現(xiàn)實世界。在網(wǎng)狀模型中，給每一對父節(jié)點與子節(jié)點之間的聯(lián)系都要指定名字，這種聯(lián)系稱為系。系中的父節(jié)點稱為首記錄型或主記錄型，子節(jié)點稱為屬記錄型。

如圖2.11所示，圖中有四個系，分別為“專業(yè)-學(xué)生”系、“專業(yè)-課程”系、“學(xué)生-成績”系和“課程-成績”系。

網(wǎng)狀模型的主要缺點是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身及其相應(yīng)的數(shù)據(jù)操作語言都極為復(fù)雜。一般來說，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則其功能越強，所要處理的操作也越多，因此，相應(yīng)的數(shù)據(jù)操作語言也就越復(fù)雜。而且由于網(wǎng)狀模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故給數(shù)據(jù)庫設(shè)計帶來了困難。

3.關(guān)系模型

基于層次模型和網(wǎng)狀模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)出來以后，在繼續(xù)開發(fā)新型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)層次模型和網(wǎng)狀模型缺乏堅實的理論基礎(chǔ)，難以開展深入的理論研究。于是人們開始尋求具有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)模型。在這種背景下，埃德加·弗蘭克·科德于1970年提出了關(guān)系模型。關(guān)系模型是目前數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)普遍采用的數(shù)據(jù)模型，也是應(yīng)用最廣的數(shù)據(jù)模型。自1980年以來，計算機廠商推出的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的產(chǎn)品幾乎都是支持關(guān)系模型的。關(guān)系模型流行的主要原因在于：關(guān)系模型對數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)聯(lián)系的表示非常簡單，無論是數(shù)據(jù)還是數(shù)據(jù)間的聯(lián)系都用關(guān)系來表示；關(guān)系模型支持高度非過程化的說明型語言表示數(shù)據(jù)的操作；同時，關(guān)系模型具有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)——關(guān)系代數(shù)。

關(guān)系模型通過表格數(shù)據(jù)，而不是通過指針連接來表示和實現(xiàn)兩個實體集間的聯(lián)系?；蛘呖梢酝ㄋ椎卣f，關(guān)系就是二維表格，表格中的每一行稱作一個元組，它相當(dāng)于一個記錄值；每一列是一個屬性值，列可以命名，稱為屬性名，此處的屬性與前面所講的實體屬性相同，屬性值相當(dāng)于記錄中的數(shù)據(jù)項或字段值。關(guān)系是元組的集合，如果表格有n列，則稱該關(guān)系為n元關(guān)系。關(guān)系具有以下屬性：①表格中的每一列都是不可再分的基本屬性；②各列的名字不同，列的順序不重要；③行的次序無關(guān)緊要；④關(guān)系中不允許有完全相同的兩行存在。

表2.1就是一個關(guān)系模型的例子。

表2.1　員工信息表

通常，我們將關(guān)系名及其屬性名集合稱為關(guān)系模式，具體的關(guān)系是實例。表2.1中員工信息表的關(guān)系模式：員工信息表（員工編碼，姓名，部門，性別，職務(wù)）。其中“員工信息表”為關(guān)系名，這個關(guān)系描述了某單位員工的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在支持關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)被看作是一個個的關(guān)系，描述數(shù)據(jù)庫全部關(guān)系的一組關(guān)系模式稱為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)庫模式。任何時刻數(shù)據(jù)庫的所有具體的關(guān)系組成關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的一個實例。

關(guān)系模型具有以下特點。

（1）描述的一致性。

無論是信息世界中的實體還是聯(lián)系都是用一個關(guān)系來描述，從而保證了數(shù)據(jù)操作語言相應(yīng)的一致性，對于每一種基本操作功能，都只需要一種操作運算。

（2）利用公共屬性連接。

關(guān)系模型中的各個關(guān)系之間都是通過公共屬性發(fā)生聯(lián)系的。

（3）結(jié)構(gòu)簡單直觀。

采用表結(jié)構(gòu)，用戶容易理解，有利于和用戶進行交互，并且在計算機中實現(xiàn)也極為方便。

（4）有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)。

二維表的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是關(guān)系數(shù)據(jù)理論，對二維表進行的數(shù)據(jù)操作相當(dāng)于在關(guān)系理論中對關(guān)系進行運算。這樣，在關(guān)系模型中整個模型定義與操作均建立在嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上。

（5）語言表達簡練。

在進行數(shù)據(jù)庫查詢時，用嚴(yán)密的關(guān)系運算表達式來描述查詢，從而使查詢語句的表達非常簡單直觀。

關(guān)系模型的缺點是：在執(zhí)行查詢操作時需要執(zhí)行一系列的查表、拆表、并表操作，故執(zhí)行時間較長。但是，采用優(yōu)化技術(shù)的當(dāng)代關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的查詢操作的效率完全不輸于建立在其他數(shù)據(jù)模型上的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

正因為以上特點，關(guān)系模型和關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)已成為當(dāng)代數(shù)據(jù)庫技術(shù)的主流。

4.三種數(shù)據(jù)模型的比較

前面討論的層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型由于結(jié)構(gòu)上的不同，它們都有各自的特點。為了進行比較，首先要給出比較的標(biāo)準(zhǔn)，由此才能看出一個模型的好壞。對于數(shù)據(jù)模型，一般人們主要關(guān)心以下兩個方面。

（1）使用容易程度。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的用戶是各種各樣的。因此，為用戶提供一個良好接口的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將是十分受歡迎并具有生命力的。所以，在選擇數(shù)據(jù)模型時需要選擇一個用戶使用方便的（即能使程序設(shè)計和表達詢問很容易的）模型。

（2）實現(xiàn)效率。

這方面要考慮數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實現(xiàn)難易和效率如何。這就要求一個數(shù)據(jù)模型允許DBMS方便地把概念模式和概念到物理的映像轉(zhuǎn)換成一種既能節(jié)省空間又能快速響應(yīng)詢問的實現(xiàn)。

就使用方便來說，關(guān)系模型是最佳的。關(guān)系模型對用戶的要求很低，有功能豐富的、容許表達對關(guān)系數(shù)據(jù)庫進行各種詢問的高級語言，這些語言對于那些不熟悉程序設(shè)計的人來說是十分合適的。相對而言，層次模型和網(wǎng)狀模型這樣的格式化模型要求用戶既要了解記錄類型存取路徑，又要了解它們之間的相互關(guān)系，這些都增加了用戶的負擔(dān)。

從實現(xiàn)效率來看，層次模型和網(wǎng)狀模型要優(yōu)于關(guān)系模型。格式化模型的存取路徑事先都是規(guī)定好的，鏈技術(shù)可以大顯身手，這樣存取的效率就比較高，而且實現(xiàn)起來相對也容易些。

從存儲空間上來說，格式化模型較關(guān)系模型更能合理利用空間。在關(guān)系模型中是靠冗余來實現(xiàn)連接的。

以前，商品化的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)幾乎全都是基于層次模型和網(wǎng)狀模型。因為這樣的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)著眼于大型數(shù)據(jù)庫的維護，而這些數(shù)據(jù)模型又很容易支持它們對高效率實現(xiàn)的要求。但是，現(xiàn)在關(guān)系模型已經(jīng)受到人們的重視。一方面，因為用于設(shè)計大型數(shù)據(jù)庫的概念也適用于中小型數(shù)據(jù)庫，而小型數(shù)據(jù)庫比大型數(shù)據(jù)庫要多得多。隨著小型數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用，關(guān)系模型固有的容易使用的特點越來越突出。另一方面，關(guān)系模型那些表面上的低效性有許多是能夠消除的。例如，可以通過優(yōu)化技術(shù)來提高效率。此外，用層次模型和網(wǎng)狀模型設(shè)計的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是通過指針鏈來查找數(shù)據(jù)，而用關(guān)系模型設(shè)計的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)則是通過查表來查找數(shù)據(jù)。改進指針鏈的查找收效甚微，而加快查表速度則大有潛力可挖。所有這些都促使人們采用關(guān)系模型。

5.傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的弱點

人們將層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型統(tǒng)稱為傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型。由于歷史條件和技術(shù)條件的限制，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型也有弱點。

（1）以記錄為基礎(chǔ)，不能很好地面向用戶和應(yīng)用。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的基本結(jié)構(gòu)是記錄，而人們對現(xiàn)實世界的認識往往通過實體，實體不一定與記錄相對應(yīng)。一個記錄中可能包含多個實體，同樣一個實體也可能分在多個記錄中加以描述。有些實體也可能僅僅作為某個記錄中的屬性出現(xiàn)，無記錄與其相對應(yīng)。記錄的劃分往往從實現(xiàn)考慮，而不一定反映人們對現(xiàn)實世界的認識。另外，記錄中的屬性以及每個屬性的域都是事先定義好了的，無法靈活地描述紛繁的現(xiàn)實世界。

（2）不能以自然的方式表示實體間的聯(lián)系。

實體的描述是數(shù)據(jù)模型的一個方面，實體間聯(lián)系也是數(shù)據(jù)模型的一個重要方面。層次模型和網(wǎng)狀模型雖然提供了描述聯(lián)系的手段，但這些描述聯(lián)系的方式不是實體間聯(lián)系的自然表現(xiàn)，而是聯(lián)系在數(shù)據(jù)庫中的物理實現(xiàn)。把本來應(yīng)該對用戶隱蔽的物理實現(xiàn)的細節(jié)當(dāng)作數(shù)據(jù)模型的組成部分呈現(xiàn)在用戶面前，這不但不便于用戶的理解和使用，而且也有損于數(shù)據(jù)的物理獨立性。盡管關(guān)系模型避免了這個缺點，實體間的聯(lián)系或通過一個表示聯(lián)系的關(guān)系來表示，或通過公共屬性來體現(xiàn)，但是關(guān)系模型表示聯(lián)系的方式不是顯式的，故用戶很難從數(shù)據(jù)模式看出實體間的全面聯(lián)系，現(xiàn)實世界中的實體聯(lián)系被湮沒在關(guān)系和屬性之中。所以，三種傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型都不能自然地表示實體間的聯(lián)系。

（3）數(shù)據(jù)類型太少，難以滿足應(yīng)用需要。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型原來都是面向事物處理的。它們一般只提供最常用的一些簡單的數(shù)據(jù)類型，如整數(shù)、實數(shù)、字符串等。隨著計算機應(yīng)用的發(fā)展，不但要求數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供更豐富的數(shù)據(jù)類型和允許用戶定義新的數(shù)據(jù)類型，還希望屬性值不直接給出，而由規(guī)則或過程導(dǎo)出。隨著時態(tài)和空間數(shù)據(jù)庫的發(fā)展，要求數(shù)據(jù)附有時間屬性和空間屬性，這些都是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型不能直接支持的。

由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型存在上述的不足，從20世紀(jì)70年代后期開始陸續(xù)出現(xiàn)了各種非傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，這些數(shù)據(jù)模型出現(xiàn)在關(guān)系模型之后，因此又稱為后關(guān)系數(shù)據(jù)模型。如前面介紹的E-R模型以及面向?qū)ο竽Ｐ汀?/p>