发布时间 : 星期三 文章第二章 数据模型和数据库系统结构改更新完毕开始阅读4117700ef12d2af90242e6ef
数据库管理系统及应用
2.2 数据库系统结构
从数据库管理系统角度看，数据库系统通常采用三级模式结构，这是数据库管理系统内部的系统结构。
从数据库最终用户角度看，数据库系统的结构分为单用户结构、主从式结构、分布式结构、客户/服务器结构和浏览器/应用服务器/数据库服务器多层结构等。这是数据库系统外部的体系结构。
本节介绍数据库系统的模式结构。
2.2.1 模式
在数据模型中有“型”(Type)和“值”(Value)的概念。型是指对某一类数据的结构和属性的说明，值是型的一个具体赋值。例如：学生记录定义为(学号，姓名，性别，系别，年龄，籍贯)这样的记录型，而(900201，李明，男，计算机，22，江苏)则是该记录型的一个记录值。
模式(Schema)是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它仅仅涉及到型的描述，不涉及到具体的值。模式的一个具体值称为模式的一个实例(Instance)。同一个模式可以有很多实例。模式是相对稳定的，而实例是相对变动的，因为数据库中的数据是在不断更新的。模式反映的是数据的结构及其联系，而实例反映的是数据库某一时刻的状态。
虽然实际的数据库管理系统产品种类很多，它们支持不同的数据模型，使用不同的数据库语言，建立在不同的操作系统之上，数据的存储结构也各不相同，但它们在体系结构上通常都具有相同的特征，即采用三级模式结构(早期微机上的小型数据库系统除外)并提供两级映象功能。
2.2.2 数据库系统的三级模式结构
数据库系统的三级模式结构是指数据库系统是由外模式、模式和内模式三级构成，如图2.11所示。 一、模式(Schema)
模式也称逻辑模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图。它是数据库系统模式结构的中间层，既不涉及数据的物理存储细节和硬件环境，也与具体的应用程序、与所使用的应用开发工具及高级程序设计语言(如C，COBOL，FORTRAN)无关。
— 27 —
第二章 数据模型和数据库系统结构
应用A 应用B 应用C 应用D 应用E 外模式1 外模式2 外模式3 外模式/模式映像 模式 内模式/模式映像 内模式 数据库 图 2.11 数据库系统的三级模式结构
模式实际上是数据库数据在逻辑级上的视图。一个数据库只有一个模式。数据库模式以某一种数据模型为基础，统一综合地考虑了所有用户的需求，并将这些需求有机地结合成一个逻辑整体。定义模式时不仅要定义数据的逻辑结构，例如数据记录由哪些数据项构成，数据项的名字、类型、取值范围等，而且要定义数据之间的联系，定义与数据有关的安全性、完整性要求。
DBMS提供模式描述语言(模式DDL)来严格地定义模式。 二、外模式(External Schema)
外模式也称子模式(Subschema)或用户模式，它是数据库用户(包括应用程序员和最终用户)能够看见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，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。
外模式通常是模式的子集。一个数据库可以有多个外模式。由于它是各个用户的数据视图，如果不同的用户在应用需求、看待数据的方式、对数据保密的要求等方面存在差异，则其外模式描述就是不同的。即使对模式中同一数据，在外模式中的结构、类型、长度、保密级别等都可以不同。另一方面，同一外模式也可以为某一用户的多个应用系统所使用，但一个应用程序只能使用一个外模式。
外模式是保证数据库安全性的一个有力措施。每个用户只能看见和访问所对应的外模式中的数据，数据库中的其余数据是不可见的。
DBMS提供子模式描述语言(子模式DDL)来严格地定义子模式。 三、内模式(Internal Schema)
内模式也称存储模式(Storage Schema)，一个数据库只有一个内模式。它是数据
— 28 —
数据库管理系统及应用
物理结构和存储方式的描述，是数据在数据库内部的表示方式。例如，记录的存储方式是顺序存储、按照B树结构存储还是按hash方法存储；索引按照什么方式组织；数据是否压缩存储，是否加密；数据的存储记录结构有何规定等。
DBMS提供内模式描述语言(内模式DDL，或者存储模式DDL)来严格地定义内模式。
2.2.3 数据库的三级映象功能与数据独立性
数据库系统的三级模式是对数据的三个抽象级别，它把数据的具体组织留给DBMS管理，使用户能逻辑地抽象地处理数据，而不必关心数据在计算机中的具体表示方式与存储方式。为了能够在内部实现这三个抽象层次的联系和转换，数据库管理系统在这三级模式之间提供了两层映象:
·外模式/模式映象. ·模式/内模式映象
正是这两层映象保证了数据库系统中的数据能够具有较高的逻辑独立性和物理独立性。
一、外模式/模式映象
模式描述的是数据的全局逻辑结构，外模式描述的是数据的局部逻辑结构。对应于同一个模式可以有任意多个外模式。对于每一个外模式，数据库系统都有一个外模式/模式映象，它定义了该外模式与模式之间的对应关系。这些映象定义通常包含在各自外模式的描述中。
当模式改变时(例如增加新的关系、新的属性、改变属性的数据类型等)，由数据库管理员对各个外模式/模式的映象作相应改变，可以使外模式保持不变。应用程序是依据数据的外模式编写的，从而应用程序不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性，简称数据的逻辑独立性。 二、模式/内模式映象
数据库中只有一个模式，也只有一个内模式，所以模式/内模式映象是唯一的，它定义了数据库全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。例如，说明逻辑记录和字段在内部是如何表示的。该映象定义通常包含在模式描述中。当数据库的存储结构改变了(例如选用了另一种存储结构)，由数据库管理员对模式/内模式映象作相应改变，可以使模式保持不变，从而应用程序也不必改变。保证了数据与程序的物理独立性，简称数据的物理独立性。
在数据库的三级模式结构中，数据库模式即全局逻辑结构是数据库的中心与关键，它独立于数据库的其他层次。因此设计数据库模式结构时应首先确定数据库的逻辑模式。
— 29 —
第二章 数据模型和数据库系统结构
数据库的内模式依赖于它的全局逻辑结构，但独立于数据库的用户视图即外模式，也独立于具体的存储设备。它是将全局逻辑结构中所定义的数据结构及其联系按照一定的物理存储策略进行组织，以达到较好的时间与空间效率。
数据库的外模式面向具体的应用程序，它定义在逻辑模式之上，但独立于存储模式和存储设备。当应用需求发生较大变化，相应外模式不能满足其视图要求时，该外模式就得做相应改动，所以设计外模式时应充分考虑到应用的扩充性。
特定的应用程序是在外模式描述的数据结构上编制的，它依赖于特定的外模式，与数据库的模式和存储结构独立。不同的应用程序有时可以共用同一个外模式。数据库的二级映象保证了数据库外模式的稳定性，从而从底层保证了应用程序的稳定性，除非应用需求本身发生变化，否则应用程序一般不需要修改。
数据与程序之间的独立性，使得数据的定义和描述可以从应用程序中分离出去。另外，由于数据的存取由DBMS管理，用户不必考虑存取路径等细节，从而简化了应用程序的编制，大大减少了应用程序的维护和修改。
第二章 数据模型和数据库系统结构 ................................................................................ 15
2.1 数据模型 ............................................................................................................... 15
2.1.1 两类数据模型 ............................................................................................ 15 2.1.2 数据模型的组成要素 ................................................................................ 16 2.1.3 概念模型 .................................................................................................... 17 2.1.4 最常用的数据模型 .................................................................................... 22 2.1.5 层次模型和网状模型 ................................................................................ 23 2.1.6 关系模型 .................................................................................................... 24 2.2 数据库系统结构 ................................................................................................... 27
2.2.1 模式 ............................................................................................................ 27 2.2.2 数据库系统的三级模式结构 .................................................................... 27 2.2.3 数据库的三级映象功能与数据独立性 .................................................... 29
— 30 —