数据库精华知识点总结（1）—数据库的三层模式和二级映像，E-R（实体联系图）图，关系模型

Data base：

长期存储在计算机内，有组织的，可共享的大量数据集合。基本特征：永久存储，可共享，有一定的物理和逻辑结构。

Data base manage system（DBMS）；用户和os之间的一层数据管理软件。

1、提供数据操纵语言DML对数据库增删改查

2、数据库的建立和维护

3、提供数据控制功能；在数据库建立，运行和维护时，DBMS管理数据的安全性，完整性，并发控制和故障的系统恢复，（也就是数据库的事务管理和运行管理）

4、与其它软件系统通信

Data base system（DBS）；引入数据库的计算机系统。

数据库分几层，并简述，类似的问题很容易很容易考到，那就是关于据库系统的三级模式和两级映像的问题，这里系统的说下，包括它的作用和目的。

说到模式和映像，先说说DBS的结构；（两种角度看，分清楚条理）

1、从DBMS看；

DBS采用三级模式结构，那就是外模式，模式，内模式三级。这是DBMS的内部结构。主流DB在结构上都具有这三个相同的特征，即采用三级模式并且还提供两级映像功能。

那么到底什么是数据库里的模式（schema）呢？

模式也叫逻辑模式，是对DB中全体数据的逻辑结构和特征的总体描述，位于DBS的中间层，不关乎物理实现也不关乎应用程序或者程序语言，仅仅涉及到对型（下一个问题回答什么是型）的描述。是数据在逻辑上的视图，记住：一个DB只有一个模式。模式的一个具体值为一个实例（instance）,一个模式可以多个实例。

比如：学生选课系统的数据库模式中，包含全体学生记录、选课记录。那么2014年的学生数据库是一个实例，包含了14级的所有学生的记录。同样2013级的学生也是一个实例。各年级学生是动态变化的但是选课系统的数据库模式是不变的。DBMS提供模式描述语言（模式DDL）

还有一个是外模式（也叫external schema、子模式，用户模式）；

用户（也就是程序员和使用者）最终看到和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据视图，是和某个应用有关的数据的逻辑表示。通常是模式的子集。一个数据库可以有多个外模式，因用户不同，故外模式的描述也不同。同一个外模式可以让某个用户的多个应用系统使用，但是一个应用系统只能使用一个外模式。

（PS：这是保证数据安全性的一个有力措施，每个用户只能看见自己对应的外模式的数据！DBMS提供子模式描述语言（子模式DDL）来严格定义子模式）。

最后一个是内模式（也叫internal schema,存储模式，storage schema）；

一个DB只有一个内模式，关乎数据的物理结构和存储方式。DBMS提供内模式描述语言（内模式DDL，或者存储模式DDL）来严格定义内模式。

接下来说完了三级模式，那么很有必要继续说下数据库的二级映像功能和数据独立性；

为在数据库系统内部实现3个层次的联系和转化，DBMS提供了三级模式间的两层映像。他们有效组织管理数据，提高了数据库的逻辑独立性和物理独立性。

外模式/模式映像；

同一个模式可有任意多个外模式，每一个外模式在DBS中都对应有（局部逻辑结构）外模式/模式映像，它定义了对应关系。当模式改变（如增加新关系，属性，改变数据类型等），DBA可以对外模式/模式映像做相应改变，使外模式不变，应用程序根据数据的外模式编写，所以应用程序不必修改，实现了数据和应用程序的逻辑独立性。

模式/内模式映像；

一个DB只有一个模式，并且只有一个内模式，故模式/内模式映像唯一。它定义全局逻辑结构和物理存储的对应关系，DB存储结构变化（内模式变化），DBA对模式/内模式映像相应做修改实现模式不变，从而应用程序不变，就保证数据和应用程序的物理独立性。

数据库系统的三级模式和两级映像的小结：

1. 中间模式（概念模式）相对稳定的反映数据的结构和属性关系，是DB的关键和中心，全局的逻辑结构，独立于其他层次，故设计DB模式结构时应先确定DB逻辑模式。
2. 模式的实例是动态反映数据的时效性。定义模式时要考虑逻辑结构，还要考虑数据的联系，考虑数据的安全性完整性。
3. 内模式独立于用户视图（外模式），依赖全局逻辑结构（模式），组织存储数据实现存储时提高空间和时间效率
4. 外模式面向具体应用，独立于存储设备（内模式），应用的较大修改导致外模式变动，故设计外模式要考虑扩展性。特定应用程序是在外模式数据结构上编制的，依赖于外模式，独立于模式和内模式，不同的应用可以公用一个外模式。
5. 二级映像保证DB外模式稳定性，是在底层保证应用程序稳定性，除非应用自身变化，否则不会修改。数据和程序的独立性使数据定义和描述从应用分离，由于数据存取是DBMS管理，用户不必考虑存取细节，简化程序编制减少程序的维护和修改。

DBS的三级模式结构是对数据的三个抽象级别，用户级对外模式，概念级对概念模式，物理级对内模式，不同级别用户对数据库形成不同视图。如下图：

PS：视图广义指观察、认识和理解数据的范围、角度和方法。

还有个经常问的问题，那就是关于E-R图的。这里详细说说，基本可以解答所有关于E-R的问题。

为了更好的理解和复习，先从数据模型（数据库系统核心和基础）说起；（两大类）对现实世界的模拟，分为两个层次（现实对象的两步抽象过程）

1，概念模型（也叫信息模型）；

在数据库设计阶段，由设计员按照用户观点建模实现对现实世界的概念抽象。

2，逻辑和物理模型；

逻辑模型包括网状，层次，关系，对象模型等，由设计人员按照计算机观点建模实现概念模型到适应某DBMS的逻辑模型的转变。再由DBMS完成逻辑到物理模型的转变。而物理模型是数据最底层的抽象，描述数据的存储方式和方法。

数据模型中的值和型（Type-Value）；

型是对某类数据的结构和属性的描述，如学生记录定义为（姓名，性别，出身年，籍贯，专业）这样的一条记录型，而记录型的记录值为（黎明，男，1990，河北，mse）

数据模型的组成要素；（三个）

1、数据结构；（静态描述）描述数据库的组成对象和关系。根据数据结构来对DB分类。非关系模型（层次，网状），关系模型（关系），面向对象模型（对象）。

2、数据操作；（动态描述）增删改查

3、数据的完整性和约束；

概念模型用途；

1、对现实的信息世界建模，是现实到机器的中间层。

2、数据库设计工具

3、数据库设计人员和用户交流的语言

概念模型要求；简单清晰的语义，直接易懂的表达。

概念模型（信息世界）的基本概念；

1、实体（entity）；客观存在并且可以区分的具体事物或者抽象概念。

2、属性（attribute）；entity具有的某个特性，如（黎明，男，1990，江苏，mse）描述实体

3、码（key）；唯一的标识实体的属性集！如学生学号。

4、域（domain）；属性的取值范围，如学号的域为几位整数。姓名的域为字符串集合。

5、实体型（entity type）；由实体名和属性名集合来刻画的同类实体称为实体型。如一个具体的学生（黎明，男，1990，江苏，mse），学生这种类型的实体型为；学生（姓名，性别，出身年，籍贯，专业）

6、实体集（entity set）；同一类型的实体的集合。如全体学生。

7、联系（relationship）；现实世界事物的联系在信息世界反映为实体的联系

联系的分类（根据联系的实体数量）；一个实体，两个实体和多个实体，一般都是问的两个实体的联系，那么可分为三类（实体集A对实体集B）；

1：1；A的每一个实体在B中最多有一个实体与之联系，当然也可以没有，反之亦然（相互的）。例如；一个学校只有一个校长，而此校长只是这一个学校的校长。

1：N；A的每个实体，在B中有N个实体和它对应，反之B中的每个实体在A中只有一个和他对应。例如；一个班级有多名学生，而这每个学生只能是在这一个班里学习。

N:M；A的每个实体在B中，有N个对应，反之，B的每个实体在A中也有M个对应

例如；一门课程可以同时有多个学生选修，同时一个学生也可以同时选择多门课程。

熟悉了以上理论，自然可以引入到ER图，即概念模型的一种表示方法：那就是问到的E-R图，也叫作（entity-relationship）实体关系图

实体-关系图(Entity-Relation Diagram)定义：

用来建立数据模型，在数据库系统概论中属于概念设计阶段，形成一个独立于机器，独立于 DBMS 的 ER 图模型。通常将它简称为 ER 图，相应地可把用 ER 图描绘的数据模型称为 ER 模型。ER 图提供了表示实体（即数据对象）、属性和联系的方法，用来描述现实世界的概念模型。

构成 E-R 图的基本要素是实体、属性和关系，其表示方法为：

实体的属性；椭圆表示，和实体用无向边连接

联系；用菱形表示，框里写联系的名称，无向边连接实体且在无向边旁边写明联系的类型。

联系的属性；联系本身也可以具有属性，比如学生和课程的联系是学习，学习是联系名，联系类型是N：M，联系的属性是学习成绩同样是椭圆表示，无向边连接。

一对多联系；

比如课程的每个实体可由多个老师教，可以有多本参考书。而每个老师只教一门课，每本参考书只对应一门课。

多对多联系；

比如每个供应商可以提供给多个项目多种零件，每个项目可以使用多个供应商的零件，每种零件可以由不同供应商供给。

单个实体型内的联系；（3类，一对一，一对多，多对多）

例子；职工实体型之间，存在领导和被领导的关系，一个职工由一个领导直接管理，而一个领导可以管理多名职工。属于1对多联系。

数据库设计工具powerDesigner介绍：

powerDesigner是sybase公司推出的图形化企业级数据建模和数据库设计工具，（包含了数据库设计的全过程）可以设计业务处理模型，数据流程图，概念模型，物理模型，支持概念模型转为物理模型，由物理模型自动生成数据库脚本，支持主流的关系数据库和应用开发平台。

可以手动先画ER图，再由powerDesigner设计CDM（conceptual data model）模型。

关于二维表和表项

数据库领域常用的逻辑数据模型：层次，网状，关系，面向对象，对象关系模型。其中层次和网状为格式化模型（早期使用），最主要的是关系模型，在用户看来关系模型中数据的逻辑结构是一张二维表（行/列）。此二维表对应一个关系（relation）。关系模型数据结构单一，建立在了集合代数的基础上。

关系模型数据结构的非形式化定义（形式化定义是数学上的定义）；

关系模型的数据结构：注意；关系不是联系！不要和以前的ER图的联系混了。

表中的元组；表中的一行是一个元组（tuple）。

表中的属性；表中的一列是一个属性（attribute），属性的名字就是列名。

表中的码（key码键），唯一确定一个元组的属性组。如学号唯一确定一个学生。

域；属性的取值范围，如年龄在1-120等

分量；元组的一个属性值。

关系模式；对关系（表）的描述，一般格式：关系名（属性1，属性2，属性……属性n）

关系模型数据结构的形式化定义（基于数学方法）；

域（Dmain）；一组具有相同数据类型的值的集合。如自然数，整数等。

笛卡尔积（Cartesian product）；域上的一种集合运算，给定一组域D1,D2,D3……DN，可以相同，则笛卡尔积为；D1×D2×…×Dn={（d1，d2，…，dn）|di∈Di，i=1，2，…，n}，其中每个元素（d1，d2，…，dn）叫做一个n元组（元组），每个元组的每一个值叫分量。

笛卡尔积可以表示一个二维表，表中每行对应一个元组，每列对应一个域。元组总数目等于笛卡尔积的基数连乘。

关系（relation）；一组域D1,D2,D3……DN的笛卡尔积的有限子集（元素子集也就是n元组）叫做在这组域上的关系。记作；R（D1,D2,D3……DN），R为关系名，n是关系的目或度。

属性（attribute）；一个关系就是一个二维表（反之未必），每列对应一个域，因为域可以相同，为了区分给列起名，为属性。

侯选码（candidate key）；关系中某一属性组的值能唯一确定一个元组则该属性组为侯选码。

主码（primary key）；多个侯选码里选一个

主属性；侯选码的各个属性

非主属性；不含在侯选码中的属性

全码（all key）；关系模式的所有属性都是侯选码的情况下叫全码。

关系（二维表）的类型；

1、基本关系（基本表或基表）；实际存在的表，实际存储数据的逻辑表示。

2、查询表；查询结果对应的表

3、视图表；是虚表，由基本表或其他视图表导出的表，不对应实际存储的数据。

基本关系（基本表）的6条性质；

1、每列同质，必须来自同一个域，数据类型同。

2、不同列可以出自同一个域（域可重复），但是不同列的属性名要不同。

3、列序任意。（随意插新属性，一般后插入）

4、任意两个元组的侯选码不同（否则无法标识唯一元组！理解）。

5、行序任意。

6、分量必须取原子值（数据项不可分）。

再来谈谈关系模式；

关系模式是型，关系是值，关系模式是对关系的描述，是静态的稳定的。关系的本质是一个二维表，一个元组就是该关系涉及的属性集的笛卡尔积的一个元素，关系是元组的集合，关系是关系模式在某一时刻的状态，动态的，随时间不断变化的。

关系模式的形式化表现：

R（U，D，dom，F），R（relation）关系名，U组成该关系的属性名集合，D属性组U中属性所来自的域，dom属性向域的映象集合，F属性间的数据依赖关系集合。

关系型数据库;

在一个给定的应用领域中，所有实体间联系的关系的集合构成一个关系数据库。典型关系DB；oracle，mysql，sqlserver，sybase，

关系数据模型的操作（CRUD）；

增加(Create)、查询(Retrieve)（重新得到）、更新(Update)和删除(Delete)。

其中retrieve表达能力最强是最主要的部分；分为选择select，投影project，连接join，除divide，并union，差except，交intersection，笛卡尔积等，插入删除修改是数据更新，select，project，union，except，笛卡尔积是5种基本操作。

关系操作的特点；集合操作方式，操作对象和结果都是集合，非关系操作是记录。

关系数据语言的分类；关系代数语言relational algebra[ˈældʒəbrə]，关系演算语言relation calculus，介于两者之间的结构化查询语言SQL（structured query language）；丰富的查询功能，数据定义和数据控制功能（关系数据库的标准语言），用户不必了解数据的存储路径，提高了数据独立性和用户生产率。

CRUD必须满足关系的完整性约束。Crud对象是关系（若干元组的集合）。

关系模型的存储结构；实体间关系用表表示。在DBMS中一个表对应一个os文件，或者DBMS从os获得文件，再自己设计表，索引等存储结构。

关系数据模型优缺点；有严格的数学定义和约束（不同于格式化模型），概念单一；实体的联系用关系表示（表）。数据结构简单清晰，存储路径用户透明，安全保密，数据独立，并简化应用程序的开发过程。缺点就是由于存储透明，导致查询效率低，故DBMS必须优化查询请求，增加了开发DBMS的难度。

数据库的数据模型有哪几种，说出至少两种的特征

非关系模型；

层次模型：记录之间的联系通过指针实现，查找效率高。

网状模型：一个结点可以有多于一个的双亲，允许一个以上的结点无双亲。

关系模型：概念简单，结构清晰，用户易学易用（重点，前一个题论述）

面向对象模型（基本抛弃了）

对象关系模型