4.2 數(shù)據(jù)模型
1、數(shù)據(jù)模型
（1）數(shù)據(jù)模型的概念：是數(shù)據(jù)特征的抽象，它從抽象層次上描述了系統(tǒng)的靜態(tài)特征、動(dòng)態(tài)行為和約束條件，為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的信息表示與操作提供一個(gè)抽象的框架。
（2）數(shù)據(jù)模型所描述的內(nèi)容有三個(gè)部分，它們是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作與數(shù)據(jù)約束。
1）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是所研究的對(duì)象類型的集合，包括與數(shù)據(jù)類型、內(nèi)容、性質(zhì)有關(guān)的對(duì)象，以及與數(shù)據(jù)之間聯(lián)系有關(guān)的對(duì)象。它用于描述系統(tǒng)的靜態(tài)特性。
2）數(shù)據(jù)操作：數(shù)據(jù)操作是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中各種對(duì)象（型）的實(shí)例（值）允許執(zhí)行的操作的集合，包括操作的含義、符號(hào)、操作規(guī)則及實(shí)現(xiàn)操作的語(yǔ)句等。它用于描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。
3）數(shù)據(jù)的約束條件：數(shù)據(jù)的約束條件是一組完整性規(guī)則的集合。完整性規(guī)則是給定的數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)及其聯(lián)系所具有的制約和依存規(guī)則，用以限定符號(hào)數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)及狀態(tài)的變化，以保證數(shù)據(jù)的正確、有效和相容。
（3）數(shù)據(jù)模型分為概念模型、邏輯數(shù)據(jù)模型和物理模型三類：
1）概念數(shù)據(jù)模型：簡(jiǎn)稱概念模型，是對(duì)客觀世界復(fù)雜事物的結(jié)構(gòu)描述及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系的刻畫。概念模型主要有：E-R模型(實(shí)體聯(lián)系模型)、擴(kuò)充的E-R模型、面向?qū)ο竽Ｐ图爸^詞模型等。
2）邏輯數(shù)據(jù)模型：又稱數(shù)據(jù)模型，是一種面向數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的模型，該模型著重于在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)一級(jí)的實(shí)現(xiàn)。邏輯數(shù)據(jù)模型主要有：層次模型、網(wǎng)狀模型、關(guān)系模型、面向?qū)ο竽Ｐ偷取?BR> 3）物理數(shù)據(jù)模型：又稱物理模型，它是一種面向計(jì)算機(jī)物理表示的模型，此模型給出了數(shù)據(jù)模型在計(jì)算機(jī)上物理結(jié)構(gòu)的表示。
2、實(shí)體聯(lián)系模型及E-R圖
（1）E-R模型的基本概念：
1）實(shí)體：現(xiàn)實(shí)世界中的事物。
2）屬性：事物的特性。
3）聯(lián)系：現(xiàn)實(shí)世界中事物間的關(guān)系。實(shí)體集的關(guān)系有一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多的聯(lián)系。
E-R模型三個(gè)基本概念之間的聯(lián)接關(guān)系：1）實(shí)體集（聯(lián)系）與屬性間的聯(lián)接關(guān)系；2）實(shí)體（集）與聯(lián)系。
*：E-R模型的基本成分是實(shí)體和聯(lián)系。
（2）E-R模型的圖示法：
1）實(shí)體集：用矩形表示。
2）屬性：用橢圓形表示。
3）聯(lián)系：用菱形表示。
4）實(shí)體集與屬性間的聯(lián)接關(guān)系：用無(wú)向線段表示。
5）實(shí)體集與聯(lián)系間的聯(lián)接關(guān)系：用無(wú)向線段表示。
（3）數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)常見的數(shù)據(jù)模型有層次模型（注釋1） 、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型三種。
1）層次模型的基本結(jié)構(gòu)是樹形結(jié)構(gòu)，具有以下特點(diǎn)：A、每棵樹有且僅有一個(gè)無(wú)雙親結(jié)點(diǎn)，稱為根；B、樹中除根外所有結(jié)點(diǎn)有且僅有一個(gè)雙親。
2）網(wǎng)狀模型是層次模型的一個(gè)特例，從圖論上看，網(wǎng)狀模型是一個(gè)不加任何條件限制的無(wú)向圖。
3）關(guān)系模型采用二維表來(lái)表示，簡(jiǎn)稱表，由表框架及表的元組組成。一個(gè)二維表就是一個(gè)關(guān)系。
二維表的表框架由n個(gè)命名的屬性組成，n稱為屬性元數(shù)。每個(gè)屬性有一個(gè)取值范圍稱為值域。表框架對(duì)應(yīng)了關(guān)系的模式，即類型的概念。在表框架中按行可以存放數(shù)據(jù)，每行數(shù)據(jù)稱為元組，實(shí)際上，一個(gè)元組是由n個(gè)元組分量所組成，每個(gè)元組分量是表框架中每個(gè)屬性的投影值。
*：同一個(gè)關(guān)系模型的任兩個(gè)元組值不能完全相同。
主碼：或稱為關(guān)鍵字、主鍵，簡(jiǎn)稱碼、鍵，表中的一個(gè)屬性或幾個(gè)屬性的組合、其值能地標(biāo)識(shí)表中一個(gè)元組的，稱為關(guān)系的主碼或關(guān)鍵字。例如，學(xué)生的學(xué)號(hào)。主碼屬性不能取空值。
外部關(guān)鍵字：或稱為外鍵，在一個(gè)關(guān)系中含有與另一個(gè)關(guān)系的關(guān)鍵字相對(duì)應(yīng)的屬性組稱為該關(guān)系的外部關(guān)鍵字。外部關(guān)鍵字取空值或?yàn)橥獠勘碇袑?duì)應(yīng)的關(guān)鍵字值。例如，在學(xué)生表中含有的所屬班級(jí)名字，是班級(jí)表中的關(guān)鍵字屬性，它是學(xué)生表中的外部關(guān)鍵字。
（4）關(guān)系中的數(shù)據(jù)約束：
1）實(shí)體完整性約束：要求關(guān)系的主鍵中屬性值不能為空值，因?yàn)橹麈I是決定元組的，如為空值則其性就成為不可能的了。
2）參照完整性約束：關(guān)系之間相互關(guān)聯(lián)的基本約束，不允許關(guān)系引用不存在的元組，即在關(guān)系中的外鍵要么是所關(guān)聯(lián)關(guān)系中實(shí)際存在的元組，要么為空值。
3）用戶定義的完整性約束：反映某一具體應(yīng)用所涉及的數(shù)據(jù)必須滿足的語(yǔ)義要求。例如某個(gè)屬性的取值范圍在0—100之間等。
3、從E-R圖導(dǎo)出關(guān)系數(shù)據(jù)模型
數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯設(shè)計(jì)的主要工作是將E-R圖轉(zhuǎn)換成指定RDBMS（關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)）中的關(guān)系模式。首先，從E-R圖到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換是比較直接的，實(shí)體與聯(lián)系都可以表示成關(guān)系，E-R圖中屬性也可以轉(zhuǎn)換成關(guān)系的屬性。實(shí)體集也可以轉(zhuǎn)換成關(guān)系。
*：同一個(gè)關(guān)系模型的任兩個(gè)元組值不能完全相同。
主碼：或稱為關(guān)鍵字、主鍵，簡(jiǎn)稱碼、鍵，表中的一個(gè)屬性或幾個(gè)屬性的組合、其值能地標(biāo)識(shí)表中一個(gè)元組的，稱為關(guān)系的主碼或關(guān)鍵字。例如，學(xué)生的學(xué)號(hào)。主碼屬性不能取空值。
外部關(guān)鍵字：或稱為外鍵，在一個(gè)關(guān)系中含有與另一個(gè)關(guān)系的關(guān)鍵字相對(duì)應(yīng)的屬性組稱為該關(guān)系的外部關(guān)鍵字。外部關(guān)鍵字取空值或?yàn)橥獠勘碇袑?duì)應(yīng)的關(guān)鍵字值。例如，在學(xué)生表中含有的所屬班級(jí)名字，是班級(jí)表中的關(guān)鍵字屬性，它是學(xué)生表中的外部關(guān)鍵字。
（4）關(guān)系中的數(shù)據(jù)約束：
1）實(shí)體完整性約束：要求關(guān)系的主鍵中屬性值不能為空值，因?yàn)橹麈I是決定元組的，如為空值則其性就成為不可能的了。
2）參照完整性約束：關(guān)系之間相互關(guān)聯(lián)的基本約束，不允許關(guān)系引用不存在的元組，即在關(guān)系中的外鍵要么是所關(guān)聯(lián)關(guān)系中實(shí)際存在的元組，要么為空值。
3）用戶定義的完整性約束：反映某一具體應(yīng)用所涉及的數(shù)據(jù)必須滿足的語(yǔ)義要求。例如某個(gè)屬性的取值范圍在0—100之間等。
3、從E-R圖導(dǎo)出關(guān)系數(shù)據(jù)模型
數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯設(shè)計(jì)的主要工作是將E-R圖轉(zhuǎn)換成指定RDBMS（關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)）中的關(guān)系模式。首先，從E-R圖到關(guān)系模式的轉(zhuǎn)換是比較直接的，實(shí)體與聯(lián)系都可以表示成關(guān)系，E-R圖中屬性也可以轉(zhuǎn)換成關(guān)系的屬性。實(shí)體集也可以轉(zhuǎn)換成關(guān)系。
注釋1：層次模型是最早發(fā)展起來(lái)的數(shù)據(jù)庫(kù)模型。