任務1.2.2 掌握數據模型

在數據庫領域，數據模型按不同的應用目的，主要分為3種類型：概念數據模型、邏輯數據模型和物理數據模型。

1.概念數據模型

概念數據模型（Conceptual Data Model）也稱為概念模型，它按照用戶的觀點對數據和信息建模，是對現實世界的抽象反映。它使數據庫設計人員在設計的初始階段擺脫了計算機系統及DBMS的具體技術問題，能集中精力分析數據及數據之間的聯系等，不依賴于具體的計算機系統，是現實世界到數據世界的中間層。概念數據模型主要用來完成數據庫設計，它必須轉換成邏輯數據模型才能在DBMS中實現。

概念數據模型是數據庫設計者進行數據庫設計的有力工具，也是設計者與用戶之間進行交流的“語言”。因此，概念數據模型一方面應該具有強大的語義表達能力，另一方面應該清晰、直接、易于用戶理解。

描述概念數據模型的工具是E-R模型，主要包括實體、聯系和屬性3個基本概念。

（1）實體（Entity）

實體可以是現實世界中可互相區別的事件或物體，也可以是抽象的概念或聯系。例如，學校中的每個人都是一個實體。每個實體由一組屬性來表示，其中一些屬性可以唯一地標識一個實體，如學號。與此類似，每一門課程也可以看作一個實體，而課程號唯一地標識了某個具體的課程實體。當然，實體也可以是抽象的概念，如學生選課、機票預訂等。實體集是具有相同屬性的實體集合，而實例是實體集中的某個特例。

實體集與實例舉例如圖1-7所示。

（2）聯系（Relationship）

在客觀世界中，事物彼此之間是有聯系的。實體之間的聯系可以分為以下3類。

① 一對一聯系（1 : 1）。

如果實體集E(1)中的每一個實體至多與實體集E(2)中的一個實體相對應，并且實體集E(2)中的每一個實體至多與實體集E(1)中的一個實體相對應，則稱實體集E(1)與實體集E(2)為一對一聯系，記作1 : 1。

例如，電影院里一個座位只能坐一個觀眾，因此觀眾與座位之間是一對一聯系。

② 一對多聯系（1 : n）。

如果實體集E(1)中的一個實體與實體集E(2)中的多個實體相對應，并且實體集E(2)中的一個實體至多與實體集E(1)中的一個實體相對應，則稱實體集E(1)與實體集E(2)為一對多聯系，記作1 : n。

例如，一個系部有多位教師，而每位教師只屬于某一個系部，因此系部與教師之間是一對多聯系。

③ 多對多聯系（m : n）。

如果實體集E(1)中的一個實體與實體集E(2)中的多個實體相對應，并且實體集E(2)中的一個實體與實體集E(1)中的多個實體相對應，則稱實體集E(1)與實體集E(2)為多對多聯系，記作m : n。

例如，一個項目有多個職工，一個職工也可以參與多個項目，因此職工與項目之間是多對多聯系。

實體間的聯系舉例如圖1-8所示。

（3）屬性（Attribute）

實體或聯系所具有的某方面特性被稱為屬性。一個實體可以由若干個屬性來描述。例如，學生實體可能有學號、姓名、專業、性別、出生日期等屬性；課程實體可能有課程號、課程名稱、開課學期、學時、學分等屬性。可以唯一確定一個實體的屬性（一個或多個）稱之為主鍵。

聯系也可能有屬性。例如，學生與課程的聯系是“學習”，學生“學習”某門課程所獲取的“成績”同時依賴于某個特定的學生以及某門特定的課程，所以“成績”是學生與課程之間的聯系“學習”的屬性。

概念數據模型有多種表示方法，其中最為常用的是陳品山（P.P.S.Chen）于1976年提出的實體-聯系（E-R）模型，也就是E-R圖，它提供了表示實體、屬性和聯系的方法。

① 實體：用矩形框表示，矩形框內寫明實體名。

② 屬性：用橢圓形框表示，并用無向邊將其與相應的實體連接起來，確定為主鍵的屬性用添加下劃線的方式表示。聯系也是可以有屬性的。

③ 聯系：用菱形框表示，菱形框內寫明聯系名，并用無向邊分別與實體相連，同時注明聯系的類型（1 : 1、1 : n或m : n）。

學生成績管理系統數據庫的E-R模型如圖1-9所示。

2.邏輯數據模型

邏輯數據模型（Logical Data Model）簡稱數據模型，它按計算機系統的觀點對數據建模，是對概念數據模型的進一步分解和細化。它也是用戶從數據庫中看到的模型，是具體的 DBMS 支持的數據模型，主要包括層次模型（Hierarchical Model）、網狀模型（Network Model）、關系模型（Relation Model）等。此模型既要面向用戶，又要面向系統，主要用于DBMS的實現。

邏輯數據模型的選擇將直接影響數據庫的性能。邏輯數據模型的選擇對數據庫設計者來說是首要任務。目前常用的邏輯數據模型有3種：層次模型、網狀模型和關系模型。

（1）層次模型

層次模型的基本數據結構就是層次結構。由于在層次模型中，各類實體及實體間的聯系是用“有向樹”的數據結構來表示的，所以也稱其為樹形結構。大學系部的層次模型如圖1-10所示，系部就是“樹根”（根節點），系部下面的各辦公室就是“樹枝”（樹節點）。

從模型圖可見，層次模型的優點是數據結構簡單、節點間聯系清晰；缺點是不能直接表示實體間的復雜聯系（如多對多聯系），查詢樹節點必須通過根節點，查詢效率較低。

（2）網狀模型

網狀模型的基本數據結構就是網絡結構。網狀模型中的每個節點表示一個實體，節點之間的連線表示實體與實體之間的聯系，從而構成一個復雜的網狀結構。學生與課程的網狀模型如圖1-11所示。

（3）關系模型

關系模型在邏輯數據模型中占據了最重要的地位。20世紀80年代以來，計算機廠商推出的DBMS幾乎都支持關系模型，數據庫領域當前的研究方向也大都以關系模型為根基。

每個關系的數據結構都是一張規范化的二維表，每張二維表都可以稱為關系，表中的每一行對應一個元組或者一條記錄，表中的每一列對應一個屬性或者一個字段。表1-1所示的課程信息表便是以二維表的形式來表示課程關系的。

關系模型的優點是數據結構簡單、清晰，用戶易懂、易使用，并且存取路徑透明，從而可以保證更高的數據獨立性和安全保密性。

3.物理數據模型

物理數據模型（Physical Data Model）簡稱物理模型，是面向計算機系統的物理表示模型，描述了系統內部的表示方法和存取方法，或者在磁盤、磁帶上的存儲方式和存取方法。它不僅與具體的 DBMS 有關，還與操作系統和硬件有關。設計人員在實現邏輯數據模型時都需選擇對應的物理數據模型。DBMS為了保證其獨立性與可移植性，大部分物理數據模型的實現工作由系統自動完成，設計者只需設計索引、聚集等特殊結構。

這3個模型的生成過程就是實現一個軟件系統的3個關鍵步驟，是從抽象到具體的不斷細化，是完善的分析、設計和開發過程。

各種機器上實現的DBMS都是基于某種數據模型的。為了把現實世界中的具體事物抽象、組織成某種 DBMS支持的數據模型，人們常常先把現實世界轉換為信息世界，將客觀世界中的事物用對應的信息結構表達出來；然后將信息世界轉換為機器世界，也就是某一個 DBMS支持的數據模型。也就是說，要將現實世界中的客觀對象轉換為機器世界（計算機）能處理的數字信息，需要經過抽象和數字化：先將現實世界的事物抽象成某一種信息結構，也就是信息世界的概念數據模型，這種概念數據模型與具體的計算機系統無關，不是某一個 DBMS支持的數據模型；接著，將信息世界的概念數據模型進行數字化，將其轉換為計算機上某一個 DBMS支持的數據模型。這一過程如圖1-12所示。