数据库技术基础--数据模型

说在前面：

本系列文章专注于软考备考复习内容梳理，文章内容是对教材中知识点和考点的提炼，备考过程中可以有针对的进行复习，减少阅读量，有的放矢。

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导航目录：

1⃣️、数据模型的基本概念

模型就是对现实世界特征的模拟和抽象，数学模型是对现实世界数据特征的抽象。从事物的客观特性到计算机里的具体表示经历了现实世界、信息世界和机器世界3个数据领域。


（1）概念数据模型。也称信息模型，是按用户的观点对数据和信息建模，是现实世界到信息世界的第一层抽象，强调其语义表达功能，易于用户理解，是用户和数据库设计人员交流的语言，主要用于数据库设计。这类模型中最著名的是实体联系模型，简称E-R模型。


（2）基本数据模型。它是按计算机系统的观点对数据建模，是现实世界数据特征的抽象，用于DBMS的实现。基本的数据模型有层次模型、网状模型、关系模型和面向对象模型（Object Oriented Model，OOM）。

2⃣️、数据模型的三要素

数据模型是用来描述数据的一组概念和定义。数据模型的三要素是数据结构、数据操作、数据的约束条件。



（1）数据结构。它是所研究的对象类型的集合，是对系统静态特性的描述。



（2）数据操作。它是对数据库中各种对象（型）的实例（值）允许执行的操作集合，包括操作及操作规则。数据操作是对系统动态特性的描述。



（3）数据的约束条件。这是一组完整性规则的集合。也就是说，对于具体的应用数据必须遵循特定的语义约束条件，以保证数据的正确、有效、相容。

3⃣️、E-R模型

实体-联系模型简称E-R模型，所采用的3个主要概念是实体、联系和属性。E-R模型是软件工程设计中的一个重要方法，因为它接近于人的思维方式，容易理解并且与计算机无关，所以用户容易接受。一般遇到实际问题，应先设计一个E-R模型，然后再把它转换成计算机能接受的数据模型。

1. 实体

实体是现实世界中可以区别于其他对象的“事件”或“物体”。每个实体由一组特性（属性）来表示，其中的某一部分属性可以唯一表示实体。实体集是具有相同属性的实体集合。

2.联系

实体集之间的对应关系称为联系。实体的联系分为实体内部的联系和实体与实体之间的联系。实体集内部的联系反映数据在同一记录内部各字段间的联系。而实体集之间的联系类型有一对一联系、一对多联系和多对多联系。






（1）一对一联系。如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中至多有一个实体与之联系反之亦然，则称实体集A与实体集B具有一对一联系。记为1∶1。







（2）一对多联系。如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n≥0）与之联系；反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中至多只有一个实体与之联系，则称实体集A与实体集B有一对多联系。记为1∶n。








（3）多对多联系。如果对于实体集A中的每一个实体，实体集B中有n个实体（n≥0）与之联系反之，对于实体集B中的每一个实体，实体集A中也有m个实体（m≥0）与之联系，则称实体集A与实体集B具有多对多联系。记为m∶n。








多个实体集间的联系类型有多个实体集间的一对一联系、多个实体集间的一对多联系和多个实体集间的多对多联系。
同一个实体集内部的各实体之间也存在1∶1、1∶n和m∶n的联系。

3. 属性

属性是实体某方面的特性。在同一实体集中，每个实体的属性及其域是相同的，但可能取不同的值。E-R模型中的属性有以下分类。









（1）简单属性和复合属性。简单属性是原子的、不可再分的，复合属性可以细分为更小的部分（即划分为别的属性）。









（2）单值属性和多值属性。若定义的属性对于一个特定的实体只有一个值，这样的属性叫做单值属性；若定义的属性对应一组值，则称为多值属性。









（3）NULL 属性。当实体在某个属性上没有值或属性值未知时，使用NULL值，表示无意义或不知道。









（4）派生属性。可以从其他属性得来。

4. E-R方法

概念模型中最常用的方法是实体-模型方法，简称E-R方法。该方法直接从现实世界中抽象出实体和实体间的联系，然后用非常直观的E-R图来表示数据模型。在E-R 图中有下表几个主要构件。

5.扩充的E-R模型

扩充的E-R模型包括弱实体、特殊化、概括、聚集等概念。

4⃣️、层次模型

层次模型采用树形结构表示数据与数据间的联系。在层次模型中，每一个节点表示一个记录类型（实体），记录之间的联系用节点之间的连线表示，并且根节点以外的其他节点有且仅有一个双亲节点。
层次模型不能直接表示多对多的联系。若要表示多对多的联系，可采用以下两种方法。

（1） 冗余节点法。两个实体的多对多的联系转换为两个一对多的联系。该方法的优点是节点清晰，允许节点改变存储位置。缺点是需要额外的存储空间，有潜在的数据不一致性。


（2）采用虚拟节点分解法，将冗余节点转换为虚拟节点。虚拟节点是一个指引元，指向所代替的节点。该方法的优点是减少对存储空间的浪费，避免数据不一致性。缺点是改变存储位置可能引起虚拟节点中指针的修改。



层次模型的优点是：记录之间的联系通过指针实现，比较简单，查询效率高。


层次模型的缺点是：只能表示1∶n的联系，尽管有许多辅助手段实现m∶n的联系，但较复杂，不易掌握；由于层次顺序严格和复杂，插入操作的限制比较多，导致应用程序编制比较复杂。

5⃣️、网状模型

采用网状结构表示数据与数据间联系的数据模型称为网状模型。在网状模型中，允许一个以上的节点无双亲，一个节点可以有多于一个的双亲。




网状模型是一个比层次模型更具普遍性的数据结构，是层次模型的一个特例。它去掉了层次模型的两个限制，并允许两个节点之间有多种联系（称之为复合联系）。





网状模型中的每个节点表示一个记录类型（实体），每个记录类型可以包含若干个字段（实体的属性），节点间的连线表示记录类型之间一对多的联系。






网状模型在模式DDL中提供了定义DBTG数据库完整性的若干概念和语句，主要有∶支持记录码的概念，保证一个联系中双亲记录和子女记录之间是一对多的联系，支持双亲记录和子女记录之间的某些约束条件。







网状模型的优点是：能够更为直接地描述现实世界，具有良好的性能，存取效率高。






网状模型的缺点是：结构比较复杂。随着应用环境的扩大，数据库的结构变得越来越复杂，不利于最终用户掌握，编制应用程序难度比较大。

6⃣️、关系模型

关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式，在关系模型中用表格结构表达实体集以及实体集之间的联系，其最大特色是描述的一致性。






关系模型是由若干个关系模式组成的集合。一个关系模式相当于一个记录型，对应于程序设计语言中类型定义的概念。







关系模型与网状模型、层次模型的最大区别是∶用主码而不是用指针导航数据，表格简单、通俗易懂，用户只需要简单地查询语句就可以对数据库进行操作，无须涉及存储结构和访问技术等细节。







关系模型的优点是：概念单一，存储路径对用户是透明的，所以具有更好的数据独立性和安全保密性，简化了程序的开发和数据库的建立工作。

7⃣️、面向对象模型

面向对象模型（Object Oriented Model）的核心概念如下。







（1）对象和对象标识（OID）。对象是现实世界中实体的模型化，与记录、元组的概念相似，但远比它们复杂。每一个对象都有一个唯一的标识，称为对象标识。对象标识不等于关系模式中的记录标识，OID是独立于值的、全系统唯一的。







（2）封装（Encapsulate）。每一个对象都是状态和行为的封装。对象的状态是该对象属性的集合，对象的行为是在该对象状态上操作方法（程序代码）的集合。被封装的状态和行为在对象外部是看不见的，只能通过显式定义的消息传递来访问。







（3）对象的属性（Object Attribute）。对象的属性描述对象的状态、组成和特性，对象的某个属性可以是单值或值的集合。对象的一个属性值本身从该属性的角度看来也是一个对象。







（4）类和类层次（Class and Class Hierarchy）。







① 类。所有具有相同属性和方法集的对象构成了一个对象类。任何一个对象都是某个对象类的一个实例。对象类中属性的定义域可以是任何类，包括∶基本类，如整型、实型和字串等；一般类，包含自身属性和方法类本身。








② 类层次。所有的类组成了一个有根有向无环图，称为类层次（结构）。一个类可以从直接/间接祖先（超类）中继承所有的属性和方法，该类称为子类。









（5）继承（Inherit）。子类可以从其超类中继承所有属性和方法。类继承可分为单继承（即一个类只能有一个超类）和多重继承（即一个类可以有多个超类）。

未完待续。。。

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以上内容整理参考《软件设计师教程（第5版）》和《软件设计师考试同步辅导（第四版）》（忘记是哪个老师的了，侵删）。本文章内容旨在帮助更多想要进军软考，给自己镀金的小伙伴。有兴趣的小伙伴可以共勉。