一、數據模型

　　1.數據模型的三要素

　　(1)數據結構 數據結構是所研究的對象類型(Object Type)的集合。這些對象和對象類型是數據庫的組成成分。一般可分為兩類:一類是與數據類型、內容和其它性質有關的對象;一類是與數據之間的聯系有關的對象。前者如網狀模型中的數據項和記錄，關系模型中的域、屬性和關系等。后者如網狀模型中的關系模型(set type)。在數據庫領域中，通常按照數據結構的類型來命名數據模型，進而對數據庫管理系統進行分類。如層次結構、網狀結構和關系結構的數據模型分別稱作為層次模型、網狀模型和關系模型。相應地，數據庫分別稱作為層次數據庫、網狀數據庫和關系數據庫。

　　(2)數據操作 數據操作是指對各種對象類型的實例(或值)所允許執行的操作的集合，包括操作及有關的操作規則。在數據庫中，主要的操作有檢索和更新(包括插入、刪除、修改)兩大類。數據模型定義了這些操作的定義、語法(即使用這些操作時所用的語言)。數據結構是對系統靜態特性的描述，而數據操作是對系統動態特性的描述。兩者既有聯系，又有區別。

　　(3)數據的約束條件 數據的約束條件是完整性規則的集合。完整性規則是指在給定的數據模型中，數據及其聯系所具有的制約條件和依存條件，用以限制符合數據模型的數據庫的狀態以及狀態的變化，確保數據的正確性、有效性和一致性。

　　2.概念模型

　　數據模型是數據庫系統的核心和基礎。每個DBMS軟件都是基于某種數據模型的。為了把現實世界中的具體事物或事物之間的聯系表示成DBMS所支持的數據模型，人們首先必須將現實世界的事物及其之間的聯系進行抽象，轉換為信息世界的概念模型;然后將信息世界的概念模型轉換為機器世界的數據模型。也就是說，首先把現實世界中的客觀對象抽象成一種信息結構。這種信息結構并不依賴于具體的計算機系統和DBMS。然后，再把概念模型轉換為某一計算機系統上某一DBMS所支持的數據模型。因此，概念模型是從現實世界到機器世界的一個中間層次�，F實世界的事物反映到人的大腦之中，然后人們開始認識這些事物，經過選擇、命名、分類和組織等抽象工作之后形成概念模型，并進入到信息世界。

　　•用戶(user) 關心的是現實世界中的事物、事物的屬性及其相互關系。例如，用戶可能關心他的顧客及其屬性，如顧客地址、銀行帳號等等。用戶也關心自己的定貨帳目，如誰訂的貨、訂的什么和訂多少等等。

　　•系統分析員(analyst) 同樣也關心現實世界，但是系統分析員需要分析用戶的信息需求。作為需求分析的結果，分析員必須以文檔的形式對需求進行結構化的描述;這個文檔就是信息模型。

　　•實體(Entity) 實體是構成數據庫的基本元素。實體是指一個存在的東西以區別這個東西所具有的屬性和這個東西與其它東西的聯系。實體可以是人，也可以是物;可以是實際對象，也可以是概念;可以是事物本身，也可以是指事物之間的聯系。

　　•屬性(Attribute) 一個實體可以由若干個屬性來刻畫。屬性是相對實體而言的，是實體所具有的特性。

　　•關鍵字(Key) 能唯一地標識實體的屬性的集合稱為關鍵字(或碼)。

　　•域(Domain) 屬性的取值范圍稱作域。

　　•實體型(Entity Type) 一類實體所具有的共同特征或屬性的集合稱為實體型。一般用實體名及其屬性來抽象地刻畫一類實體的實體型。

　　•實體集(Entity Set) 同型實體的集合叫實體集。例如，學生就是一個實體集。實體集的名即是實體型。對于學生和(學號，姓名，年齡，系，年級)均是實體型，而學生是對實體型(學號，姓名，年齡，系，年級)所起的名稱，兩者是指同一客觀對象。但本科生和研究生可以為相同實體型，而實體集不同。

　　•聯系(Relationship) 現實世界的事物之間是有聯系的。一般存在兩類聯系:一是實體內部的組成實體的屬性之間的聯系，二是實體之間的聯系。在考慮實體內部的聯系時，是把屬性看作為實體。一般來說，兩個實體之間的聯系可分為三種:

　　(1)一對一(1∶1)聯系 若對于實體集A中的每一個實體，實體集B中至多有唯一的一個實體與之聯系，反之亦然，則稱實體集A與實體集B具有一對一聯系，記作1∶1。

　　(2)一對多(1∶n)聯系 若對于實體集A中的每個實體，實體集B中有n個實體(n≥0)與之聯系;反之，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中至多只有一個實體與之聯系，則稱實體集A與實體集B有一對多聯系，記為1∶n。相應地有多對一(n∶1)聯系 多對一聯系，從本質上說，是一對多聯系的逆轉。其定義同一對多聯系類似，不再贅述。

　　(3)多對多(m∶n)聯系 若對于實體集A中的每一個實體，實體集B中有n個實體(n≥0)與之聯系;反之，對于實體集B中的每一個實體，實體集A中也有m個實體(m≥0)與之對應，則稱實體集A與實體集B具有多對多聯系，記作m∶n。實質上，多對多聯系是任意一種聯系。另外，同一實體集內的各個實體間也可以有各種聯系。概念模型的表示方法最常用的是實體一聯系方法(Entity-Relationship Approach)，簡稱E-R方法。該方法是由P.P.S.Chen在1976年提出的。E-R方法用E-R圖來描述某一組織的概念模型。在這里僅介紹E-R圖的要點。在E-R圖中:

　　(1)長方形框表示實體集，框內寫上實體型的名稱。

　　(2)用橢圓框表示實體的屬性，并用有向邊把實體框及其屬性框連接起來。

　　(3)用菱形框表示實體間的聯系，框內寫上聯系名，用無向邊把菱形框及其有關的實體框連接起來，在旁邊標明聯系的種類。如果聯系也具有屬性，則把屬性框和菱形框也用無向邊連接上。

　　3.三種主要的數據模型

　　實際DBMS所支持的數據模型主要有三種:

　　•層次模型(Hierarchical Model)

　　•網狀模型(Network Model)

　　•關系模型(Relational Model)其中，關系模型是當前DBMS所支持的數據模型的主流。90年代運行的DBMS幾乎都是基于關系模型的。層次模型和網狀模型統稱為非關系模型。非關系模型的結構可以和圖論中的圖相對應，比較直觀，但在理論上不完備，實現效率較低，故此目前很少用。但是最近，層次模型在研究面向對象的DBMS中已得到重視。在關系模型中，數據在用戶的觀點中(或在用戶視圖中)的邏輯結構是一張二維表(Table)。

　　•關系(Relation)，對應于平常講的一張表。

　　•元組(Tuple)，表中的一行。

　　•屬性(Attribute)，表中的一列稱為一個屬性，給每一列起一個名，稱為屬性名。這一列或這個屬性所有可能取的值的集合稱為這個屬性的值域(Domain)，值域中的一個元素叫做這個屬性的值。

　　•主關鍵字(Primary Key Attribute或Primary Key)，是指能唯一標識一個元組的一個或一組屬性。

　　•分量(Attribute value)，是指元組中的一個屬性值。

　　•關系模式(Relational Schema)，是對關系的描述，一般用關系名(屬性名1，屬性名2，…，屬性名n)來表示。同層次模型和網狀模型相比較，關系模型具有下列特點:

　　(1)概念單一 在關系模型中，無論是實體還是實體之間的聯系都用關系來表示。在關系模型中，在用戶的觀點中，數據的邏輯結構就是表，也只有這唯一的概念。在非關系模型中，用戶要區分記錄型與記錄型之間的聯系兩個概念;當環境復雜時，數據結構異常復雜，難以掌握。而關系模型，由于概念單一，可以變復雜為直觀、簡單，易學易用。

　　(2)規范化 所謂關系規范化是指在關系模型中，每一個關系都要滿足一定的條件要求。這些條件被稱為規范條件。對于關系，一個最基本的規范條件是，要求關系中的每一個屬性(或分量)均是不可分的數據項;也就是說不允許表中有表，表是不可嵌套的。

　　(3)在關系模型中，用戶對數據的操作的輸入和輸出都是表，也就是說，用戶通過操作舊表而得到一張新表。總之，關系模型概念簡單，結構清晰，用戶易學易用，有嚴格的以數學為基礎的關系理論作指導，便于DBMS的實現。基于關系的DBMS簡化了應用程序員的工作，便于數據庫應用系統的設計和維護。故此，關系模型自誕生以后就得到了迅速的發展，成為應用最為廣泛的、唯一的數據模型。