1.4 數(shù)據(jù)庫的模式結構

數(shù)據(jù)模式是對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的邏輯結構和特征的描述，具有相對穩(wěn)定性，而數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)則不斷變化。通常，從數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)角度看，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內部的結構分為三級模式結構，并提供了二級映像（轉換），基于相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)模式便于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獨立性。

1.4.1 數(shù)據(jù)庫的三級模式結構

在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，整體數(shù)據(jù)的邏輯結構及存儲結構因業(yè)務等需要可能發(fā)生變化，用戶不適應熟悉的網(wǎng)站等局部數(shù)據(jù)的邏輯結構經(jīng)常變更。DBMS運行環(huán)境可能有所不同，內部數(shù)據(jù)的存儲結構及所用的語言各異，數(shù)據(jù)常用三級模式結構。

數(shù)據(jù)模型中有型與值的概念。型（Type）指對某一類數(shù)據(jù)的結構和屬性的描述（如同實體型），值（Value）是型的一個具體值。如電子商務常見的網(wǎng)上購物系統(tǒng)的“會員”信息的記錄型為（會員ID，姓名，性別，所在地區(qū)，家庭住址，手機號碼，會員等級），而（B23516，趙明，男，北京，海淀區(qū)雙清路102號，13832654312，2）則是該記錄型的一個具體記錄值。

模式是對數(shù)據(jù)邏輯結構和特征的描述，僅為型的描述，不涉及其具體值。模式的一個具體值稱為模式的一個實例（Instance）。模式相對穩(wěn)定，而實例則可以不斷變化。模式反映的是數(shù)據(jù)的結構及其聯(lián)系，而實例反映的是數(shù)據(jù)庫某一時刻的狀態(tài)。

為了有效地組織、管理數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)系統(tǒng)的邏輯獨立性和物理獨立性，數(shù)據(jù)庫采用公認的三級模式結構來組織和管理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結構包括外模式、模式（概念模式）和內模式，分別代表了觀察數(shù)據(jù)庫的三個不同角度。在這三級模式之間還提供了外模式/模式映像、模式/內模式二級映像，保證數(shù)據(jù)的邏輯性和物理獨立性。三級模式結構如圖1-20所示。

（1）外模式（External Schema）

外模式也稱子模式（Subschema）或用戶模式，是局部數(shù)據(jù)的邏輯結構和特征的描述。外模式是模式的子集，一個數(shù)據(jù)庫可以有多個外模式，是各個用戶的數(shù)據(jù)視圖（不同的用戶通過終端查看網(wǎng)站或應用界面等）。外模式通過只讀方式可以保護數(shù)據(jù)安全，各用戶只能訪問與外模式中對應的數(shù)據(jù)。通常，DBMS提供外模式的數(shù)據(jù)定義語言（DDL）來描述外模式。

（2）模式（Schema）

模式也稱邏輯模式（Logic Schema）、概念模式或概念視圖，是數(shù)據(jù)庫中所有數(shù)據(jù)的邏輯結構和特征的描述，是用戶的公共數(shù)據(jù)視圖，是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)模式結構的中間層，同軟件和硬件環(huán)境無關。一個數(shù)據(jù)庫只有一個模式，是數(shù)據(jù)的邏輯表示，即描述數(shù)據(jù)庫中存儲的具體數(shù)據(jù)及其之間存在的聯(lián)系。DBMS提供模式的數(shù)據(jù)定義語言（DDL）來描述模式。

（3）內模式（Internal Schema）

內模式也稱存儲模式（Storage Schema），是數(shù)據(jù)物理結構和存儲方式的描述，是數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內部的表達方式，對應實際存儲在外存儲器的數(shù)據(jù)庫，如記錄的存儲方式、位置、檢索與順序，數(shù)據(jù)壓縮存儲與加密等。一個數(shù)據(jù)庫只有一個內模式。DBMS提供內模式的數(shù)據(jù)定義語言來描述內模式。

三級模式結構是數(shù)據(jù)庫公認的標準結構，是數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)邏輯獨立性和物理獨立性的基礎。將外模式和模式分開以保證數(shù)據(jù)的邏輯獨立性，將模式和內模式分開以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的物理獨立性。

三級模式結構的優(yōu)點，主要有以下三點。

1）提高數(shù)據(jù)安全性。不同的用戶在各自的外模式（視圖只讀模式）下根據(jù)要求操作數(shù)據(jù)，只能對權限內的數(shù)據(jù)進行操作，提高了數(shù)據(jù)的安全性。

2）促進數(shù)據(jù)共享，減少數(shù)據(jù)冗余。外模式機制的引入，同一數(shù)據(jù)可針對不同的應用定義（確定）多個外模式，提高數(shù)據(jù)共享性，減少數(shù)據(jù)冗余。

3）便于使用和維護。按照外模式研發(fā)應用程序或輸入命令，無須了解數(shù)據(jù)庫的全局邏輯結構和內部的存儲結構，方便系統(tǒng)使用和維護。

1.4.2 數(shù)據(jù)庫的二級映像

在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)三級模式結構的基礎上，DBMS在三級模式之間提供了二級映像（外模式/模式映像和模式/內模式映像）轉換，以保證數(shù)據(jù)邏輯獨立性和物理獨立性。

1.外模式/模式映像

外模式/模式映像定義了外模式和模式之間的對應關系。外模式描述數(shù)據(jù)的局部邏輯結構，模式描述數(shù)據(jù)的全局邏輯結構。數(shù)據(jù)庫中的同一模式可以有多個外模式，對每個外模式，都存在一個外模式/模式映像。

映像是指外模式和模式之間的對應關系。這些映像確定了數(shù)據(jù)的局部邏輯結構與全局邏輯結構之間的對應關系。當模式改變時（如增加新關系（數(shù)據(jù)表）、新屬性（列）等），由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對某個外模式/模式映像進行相應改變，從而保證外模式不變。應用程序根據(jù)數(shù)據(jù)的外模式編寫，外模式不變時，應用程序則無須修改，保證了數(shù)據(jù)的邏輯獨立性（數(shù)據(jù)與程序之間的邏輯獨立性）。

2.模式/內模式映像

模式/內模式映像定義了數(shù)據(jù)的全局邏輯結構與存儲結構之間的對應關系。數(shù)據(jù)庫中的模式和內模式都只有一個，因此模式/內模式映像也是唯一的。應用程序依賴于數(shù)據(jù)的外模式，與數(shù)據(jù)的模式和存儲結構獨立。當數(shù)據(jù)庫的存儲結構發(fā)生變化時，只需要數(shù)據(jù)庫管理員對模式/內模式的映像做相應改變，可以使模式保持不變，從而保證用戶程序無須改變，保證了數(shù)據(jù)的物理獨立性。

數(shù)據(jù)與應用程序之間相互獨立，可使數(shù)據(jù)的定義、描述和存取等問題與應用程序分離，更好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享且冗余少。此外，由DBMS實現(xiàn)數(shù)據(jù)存取，用戶不必考慮存取路徑等問題，可以簡化很多應用程序的設計，便于維護和管理。

討論思考：

1）數(shù)據(jù)庫的三級模式結構包括哪幾種？

2）數(shù)據(jù)庫的二級映像具體有什么作用？