2.4 外部模型

在應(yīng)用系統(tǒng)中，常常根據(jù)業(yè)務(wù)的特點劃分成若干個業(yè)務(wù)單位，每一個業(yè)務(wù)單位都有特定的約束和需求，在實際使用時，可以為不同的業(yè)務(wù)單位設(shè)計不同的外部模型。例如，為圖2-11建立“學(xué)生管理系統(tǒng)”的外部模型，如圖2-22所示。為“教師管理系統(tǒng)”建立外部模型，如圖2-23所示。

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查爾斯·巴赫曼——“網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫之父”

20世紀(jì)60年代中期以來，數(shù)據(jù)庫技術(shù)的形成、發(fā)展和日趨成熟，使計算機數(shù)據(jù)處理技術(shù)躍上了一個新臺階，并從而極大地推動了計算機的普及與應(yīng)用。因此，1973年的圖靈獎首次授予在這方面作出杰出貢獻的數(shù)據(jù)庫先驅(qū)查爾斯·巴赫曼（Charles W.Bachman）。為了說明巴赫曼的功績，讓我們先簡要回顧一下計算機數(shù)據(jù)處理發(fā)展的歷史。

計算機在20世紀(jì)40年代誕生之初只用于科學(xué)與工程計算，不能用于數(shù)據(jù)處理，因為當(dāng)時的計算機還只能處理數(shù)字，不能處理字母和符號，而字母和符號恰是數(shù)據(jù)處理中的主要處理對象。此外，當(dāng)時的計算機也還沒有數(shù)據(jù)處理所需要的大容量存儲器。20世紀(jì)50年代初，發(fā)明了字符發(fā)生器（Character Generator），使計算機具有了能顯示、存儲與處理字母及各種符號的能力；又成功地將高速磁帶機用于計算機作存儲器，這是對計算機得以進入數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域具有決定意義的兩大技術(shù)進展。但是磁帶只能順序讀寫，速度也慢，不是理想的存儲設(shè)備。1956年，IBM公司和Remington Rand公司先后實驗成功磁盤存儲器方案，推出了商用磁盤系統(tǒng)。磁盤不但轉(zhuǎn)速快，容量大，還可以隨機讀寫，為數(shù)據(jù)處理提供了更加理想的大容量、快速存儲設(shè)備。有了這些硬件的支持，計算機數(shù)據(jù)處理便日益發(fā)展起來。

但是，初期的數(shù)據(jù)處理軟件只有文件管理（File Management）這種形式，數(shù)據(jù)文件和應(yīng)用程序一一對應(yīng)，造成了數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)不一致性和數(shù)據(jù)依賴（Data Dependence）。所謂數(shù)據(jù)依賴就是編寫程序依賴于具體數(shù)據(jù)，拿COBOL這種常用的商用語言來說，程序員必須在數(shù)據(jù)部的文件節(jié)（DATADIVISION，F(xiàn)ILESECTION）中詳細(xì)說明文件中各數(shù)據(jù)項的類型、長度和格式，在設(shè)備部的輸入-輸出節(jié)（ENVIRON-MENTDIVISION、INPUT-OUTPUTSECTION）中還要通過SELECT語句和ASSIGN語句把文件和具體設(shè)備聯(lián)系起來，并使用ORGANIZATION語句和SQL SERVERMODE語句嚴(yán)格規(guī)定文件的組織方式和存取方式。根據(jù)這些具體規(guī)定，程序員再在過程部（PROCEDUREDIVISION）中用一系列命令語句導(dǎo)航，才能使系統(tǒng)完成預(yù)期的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)的存儲、讀取方式密切相關(guān)，這種狀況給程序的編制、維護都造成很大的麻煩。

后來出現(xiàn)了文件管理系統(tǒng)FMS（Pile Management System）作為應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)文件之間的接口，一個應(yīng)用程序通過FMS可以與若干文件打交道，在一定程度上增加了數(shù)據(jù)處理的靈活性。但這種方式仍以分散、互相獨立的數(shù)據(jù)文件為基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)不一致性、處理效率低等問題仍不可避免。這些缺點在較大規(guī)模的系統(tǒng)中尤為突出。以美國在20世紀(jì)60年代初制定的阿波羅登月計劃為例，阿波羅飛船由約200萬個零部件組成，它們分散在世界各地制造生產(chǎn)。為了掌握計劃進度及協(xié)調(diào)工程進展，阿波羅計劃的主要合約者Rock-well公司曾研制、開發(fā)了一個基于磁帶的零部件生產(chǎn)計算機管理系統(tǒng)，系統(tǒng)共用了18盤磁帶，雖然可以工作，但效率極低，18盤磁帶中60%的數(shù)據(jù)是冗余數(shù)據(jù)，維護十分困難。這個系統(tǒng)的狀況曾一度成為實現(xiàn)阿波羅計劃的重大障礙之一。

針對上述問題，各國學(xué)者、計算機公司、計算機用戶及計算機學(xué)術(shù)團體紛紛開展研究，為改革數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行探索與實驗，其目標(biāo)主要就是突破文件系統(tǒng)分散管理的弱點，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的集中控制，統(tǒng)一管理。結(jié)果就是出現(xiàn)了一種全新的高效的管理技術(shù)——數(shù)據(jù)庫技術(shù)。Rockwell公司與IBM公司合作，在當(dāng)時新推出的IBM 360系列上研制成功了世界上最早的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之一IMS（1nformation Management System），為保證阿波羅飛船1969年順利登月作出了貢獻。IMS是基于層次模型的。幾乎同時，巴赫曼在通用電氣公司主持設(shè)計與實現(xiàn)了網(wǎng)狀的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)IDS（Integrated Data System）。

巴赫曼1924年12月11日生于堪薩斯州的曼哈頓，1948年在密歇根州立大學(xué)取得工程學(xué)士學(xué)位，1950年在賓夕法尼亞大學(xué)取得碩土學(xué)位，20世紀(jì)50年代在Dow化工公司工作，1961—1970年在通用電氣公司任程序設(shè)計部門經(jīng)理，1970—1981年在Honeywell公司任總工程師，同時兼任Cullinet軟件公司的副總裁和產(chǎn)品經(jīng)理。Cullinet公司對中國人來說知之者不多，但這個公司當(dāng)時在美國很有名氣，它是1978年第一家在紐約股票交易所上市的軟件公司，當(dāng)時微軟在新墨西哥州的阿爾伯克基開張不久，鮮為人知的是，它的股票是1986年上市的，比Cullinet晚8年之久，但Cullinet最終被CA公司購并。1983年巴赫曼創(chuàng)辦了自己的公司Bachman Information System，Inc.。

巴赫曼在數(shù)據(jù)庫方面的主要貢獻有兩項，第一就是前面說的，在通用電氣公司任程序設(shè)計部門經(jīng)理期間，主持設(shè)計與開發(fā)了最早的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)IDS，如圖2-24所示。IDS于1964年推出后，成為最受歡迎的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品之一，而且它的設(shè)計思想和實現(xiàn)技術(shù)被后來的許多數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品所仿效。第二就是巴赫曼積極推動與促成了數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)的制定，也就是美國數(shù)據(jù)系統(tǒng)語言委員會CODASYL下屬的數(shù)據(jù)庫任務(wù)組DBTG提出的網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫模型以及數(shù)據(jù)定義和數(shù)據(jù)操縱語言即DDL和DML的規(guī)范說明，于1971年推出了第一份正式報告——DBTG報告，成為數(shù)據(jù)庫歷史上具有里程碑意義的文獻。該報告中基于IDS的經(jīng)驗所確定的方法稱為DBTG方法或CODASYL方法，所描述的網(wǎng)狀模型稱為DBTG模型或CODASYL模型。DBTG曾希望美國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會ANSI接受DBTG報告為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，但是沒有成功。1971年報告之后，又出現(xiàn)了一系列新的版本，如1973年、1978年、1981年和1984年的修改版本。DBTG后來改名為DBLTG（Data Base Language Task Group，數(shù)據(jù)庫語言工作小組）。DBTG首次確定了數(shù)據(jù)庫的三層體系結(jié)構(gòu)，明確了數(shù)據(jù)庫管理員DBA（Data Base Administrator）的概念，規(guī)定了DBA的作用與地位。DBTG系統(tǒng)雖然是一種方案而非實際的數(shù)據(jù)庫，但它所提出的基本概念卻具有普遍意義，不但國際上大多數(shù)網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，如IDMS、PRIME DBMS、DMSl70、DMSⅡ和DMS 1100等都遵循或基本遵循DBTG模型，而且對后來產(chǎn)生和發(fā)展的關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)也有很重要的影響，其體系結(jié)構(gòu)也遵循DBTG的三級模式（雖然名稱有所不同）。下面簡要介紹DBTG的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

DBTG的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括模式（Schema）、子模式（Subschema）、物理模式（Physical Schema）、數(shù)據(jù)操縱和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS，Data Base Management System）等幾個部分。模式是對數(shù)據(jù)庫整體數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)的描述，它對應(yīng)數(shù)據(jù)庫的概念層，由數(shù)據(jù)庫管理員借助模式數(shù)據(jù)描述語言DDL（Data Description Language）建立。子模式是某一用戶對他所關(guān)心的那部分?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述，對應(yīng)于數(shù)據(jù)庫的外層或用戶視圖（user view），是由該用戶自己或委托數(shù)據(jù)庫管理員借助子模式數(shù)據(jù)描述語言加以定義的。物理模式或稱為存儲模式（storage schema）是對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)的存儲組織方式的描述，對應(yīng)于數(shù)據(jù)庫的物理層，由數(shù)據(jù)庫管理員通過數(shù)據(jù)存儲描述語言DSDL（Data Storage Description Language）加以定義（DSDL是DBTG報告的1978年版本提出的，之前的報告用的名稱稱為數(shù)據(jù)介質(zhì)控制語言DMCL Data Media Control Language）。數(shù)據(jù)庫可由多個用戶、多個應(yīng)用共享，數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序利用數(shù)據(jù)操縱語言DML（Data Manupilation Language）實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的操縱，但一個應(yīng)用程序必須援引某一模式的某一子模式（也就是說它操作的數(shù)據(jù)限于某一用戶視圖中的數(shù)據(jù)）。DML語句可以嵌在宿主語言（如COBOL，F(xiàn)ortran等）中，在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的控制下訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并通過一個稱為用戶工作區(qū)UWA（User Work Area）的緩沖區(qū)與數(shù)據(jù)庫通信，完成對數(shù)據(jù)庫的操作。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的其他功能包括維護數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的一致性（Consistency）、完整性（Integrity）、安全性（Security）和一旦出現(xiàn)故障情況下的恢復(fù)（Recovery），以及在多個應(yīng)用程序同時存取同一數(shù)據(jù)單元時處理并發(fā)性（Concurrency），以避免出現(xiàn)“臟數(shù)據(jù)”（Dirty Data）或“丟失更新”（10seupdate）等不正常現(xiàn)象。由此可見，有關(guān)模式的數(shù)據(jù)描述語言DDL是建立數(shù)據(jù)庫的工具，數(shù)據(jù)操縱語言DML是操作數(shù)據(jù)庫、存取其中數(shù)據(jù)的工具，而數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS則是執(zhí)行這種操作并負(fù)責(zé)維護與管理數(shù)據(jù)庫的工具，它們各司其職，完成數(shù)據(jù)庫整個生命期中的一切活動。

由于巴赫曼在以上兩方面的杰出貢獻，巴赫曼被理所當(dāng)然地公認(rèn)為“網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫之父”或“DBTG之父”，在數(shù)據(jù)庫技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展與推廣應(yīng)用等各方面都發(fā)揮了巨大的作用。

在數(shù)據(jù)庫的文檔資料中，有一種描述網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖，這種圖解技術(shù)是巴赫曼發(fā)明的，通常被稱為巴赫曼圖（Bachman Diagram）。此外，在擔(dān)任ISO/TC 97/SC—16主席時，巴赫曼還主持制定了著名的“開放系統(tǒng)互連”標(biāo)準(zhǔn)，即OSI（Open System Interconection）。OSI對計算機、終端設(shè)備、人員、進程或網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換提供了一個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，實現(xiàn)OSI對系統(tǒng)之間達到彼此互相開放有重要意義。巴赫曼也是建立在波士頓的計算機博物館的創(chuàng)始人之一。20世紀(jì)70年代以后，由于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的興起，網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫受到冷落。但隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的發(fā)展，有人預(yù)言網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫將有可能重新受到人們的青睞。但無論這個預(yù)言是否實現(xiàn)，巴赫曼作為數(shù)據(jù)庫技術(shù)先驅(qū)的歷史作用和地位是學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界普遍承認(rèn)的。

巴赫曼是在1973年8月28日在亞特蘭大舉行的ACM年會上獲得的圖靈獎，他發(fā)表了題為“作為導(dǎo)航員的程序員”（The Programmer as Navigator）的圖靈獎演說，刊載于Communications of ACM，1974年11月，653～658頁，也可見《前20年的ACM圖靈獎演說集》（ACM Turing Award Lectures The First 20Yean：1966—1985，ACM Pr.），269，286頁。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)發(fā)展的歷史性事件列表如下：

1951：Univac系統(tǒng)使用磁帶和穿孔卡片作為數(shù)據(jù)存儲。

1956：IBM公司在其Model 305 RAMAC中第一次引入了磁盤驅(qū)動器。

1961：通用電氣（GE）公司的Charles Bachman開發(fā)了第一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)——IDS。

1969：E.F.Codd發(fā)明了關(guān)系數(shù)據(jù)庫。

1973：由John J.Cullinane領(lǐng)導(dǎo)Cullinane公司開發(fā)了IDMS——一個針對IBM主機的基于網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)庫。

1976：Honeywell公司推出了Multics Relational Data Store——第一個商用關(guān)系數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品。

1979：Oracle公司引入了第一個商用SQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

1983：IBM推出了DB2數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品。

1985：為Procter & Gamble系統(tǒng)設(shè)計的第一個商務(wù)智能系統(tǒng)產(chǎn)生。

1991：W.H.Bill Inmon發(fā)表了“構(gòu)建數(shù)據(jù)倉庫”。

習(xí)題

1.數(shù)據(jù)庫模型分為哪幾個層次？分別有什么樣的作用？

2.層次模型是怎樣的？試舉例說明。

3.網(wǎng)狀模型是怎樣的？試舉例說明。

4.關(guān)系模型是怎樣的？試舉例說明。

5.舉一個例子按照層次模型、網(wǎng)狀模型以及關(guān)系模型的方式進行存儲。