数据库原理数据模型知识地图：三要素、三级模式与网状模型

简介这是一份面向高校数据库课程学习者的《数据库原理第四版》配套课件适合课堂同步学习、期末复习与自学入门使用重点帮助读者建立从数据库系统开发流程到数据模型设计的整体认知框架。压缩包内共1个PPT文件约289KB以幻灯片形式组织章节内容条理清晰地呈现概念讲解、结构示意与实例分析便于按页查阅和课堂演示。目前已有168人学习下载。课件从第一章绪论讲起覆盖数据库系统开发步骤、数据模型三要素以及层次模型、网状模型、关系模型的对比并着重展开网状模型部分说明其允许结点无父结点或有多个父结点的结构特点讲解记录类型、字段、父子连线等表示方法还配有学生与宿舍、教师与教研室、家庭关系等图示实例进而延伸到查询、插入、删除、更新等数据操纵以及DBTG系统的完整性约束和存储结构、优缺点分析。读者可借此快速梳理知识脉络理解网状模型表达复杂实体联系的方式为后续关系模型、SQL语言与数据库设计优化等章节打下基础。1. 数据库原理的知识地图一条主线串起十章课件数据库原理这门课常被当成“背概念”但把这份课件从第一章翻到最后一章会发现真正的骨架只有一根数据模型决定数据结构数据结构决定操纵方式和完整性约束约束再反过来限制应用程序怎么写。课件开篇讲数据库系统开发步骤——需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、实施紧接着转入数据模型概念模型、层次模型、网状模型、关系模型依次展开其中网状模型这一节内容最厚单独拆成数据结构、数据操纵、完整性约束、存储结构、优缺点、典型系统六块。这份地图适合两类人正在系统学、需要把散点挂回主线的以及考前想快速定位薄弱环节的。2. 数据模型三要素与三级模式抽象层级怎么对上号很多人复习到这一章会卡住原因是把“模型”当成一个笼统的词。实际上课件里出现了三个层级的模型和一套三级模式结构它们回答的是完全不同的问题。理清层级对应关系后面的层次模型、网状模型、关系模型才有地方安放。2.1 现实世界到机器世界的三层抽象数据库设计本质上是一次连续的翻译客观世界的实体和联系先被抽象成信息世界里的概念模型再被翻译成机器世界里的逻辑模型最后落到存储层面的物理模型。三层里只有概念模型是与具体机器无关的它用 E-R 图这类工具描述独立于任何数据库产品逻辑模型才是某类数据库管理系统真正支持的东西层次、网状、关系都属于这一层物理模型关心的是记录怎么排布、指针怎么连、索引怎么建。这个划分最实用的价值在于判断题目问的是哪一层。问“一个学生可以选修多门课一门课可以被多个学生选这是哪种联系”答案是概念层的多对多问“这个多对多怎么存”才进入逻辑层和物理层。课件把概念模型单独列在 1.2.1正是因为它承担着“用户和设计者之间的共同语言”这个角色跟后面三种逻辑模型不是并列关系而是上下游关系。还有一点容易被忽略三层抽象不是一次完成的而是逐层细化的。概念设计阶段改动一个实体可能牵动逻辑设计里的两张表反过来物理设计阶段加一个索引不会影响概念模型。搞清楚这种“单向依赖”数据独立性那部分就好理解了。2.2 数据模型三要素不止是“画个图”课件把数据模型的组成要素明确成三块数据结构、数据操纵、完整性约束。这三块不是并列的知识点而是一个模型的三个侧面缺一个就没法完整描述一种模型。要素回答的问题落到网状模型上的具体样子数据结构数据怎么组织、联系怎么表达记录类型作结点连线表示一对多父子联系每个记录类型定义排序字段数据操纵能对数据做什么、怎么做查询、插入、删除、更新且必须沿路径导航访问完整性约束什么状态算合法码、双亲与子女的一对多、属籍类别、允许子女结点暂缺双亲值三要素里最容易被跳过去的是完整性约束。原因是它在概念模型里几乎没有对应物——画 E-R 图时不会画约束所以复习时容易只记数据结构和操纵。但考试里真正拉开差距的往往就是约束为什么网状模型允许插入一个还没有双亲的子女结点为什么允许只删除双亲结点值这两个“允许”看似违反直觉其实是为了适配当时“先建子记录、后建父记录”的录入流程属于把现实约束放宽到系统能承受的程度。数据结构这一块也有个常见误解就是以为它只讲“存什么”。其实数据结构同时规定了“联系怎么表达”而联系的表达方式直接决定了操纵的写法。网状模型用指针表达联系所以操纵必须给路径关系模型用值表达联系所以操纵可以只描述“要什么”。同一个三要素框架套到不同模型上会长出完全不同的操作风格这正是分析题的答题切入点。2.3 三级模式两级映像数据独立性从哪来三级模式是外模式、模式、内模式外模式是面向具体用户的视图模式是全局逻辑结构内模式是物理存储结构。两级映像则是外模式/模式映像和模式/内模式映像前者支撑逻辑独立性后者支撑物理独立性。逻辑独立性的意思是模式改了只要调整外模式/模式映像基于外模式的应用程序可以不动物理独立性的意思是存储结构改了只要调整模式/内模式映像逻辑结构可以不动。这一块最容易出现在简答题里答题的关键不是背定义而是说清“映像”在其中起缓冲作用。模式变了映像承担翻译内模式变了映像还是承担翻译。没有映像任何一层变化都会直接传到应用层。提示把两级映像和两种独立性一一对应记顺序别反。外模式/模式映像对应逻辑独立性模式/内模式映像对应物理独立性反了就是零分。还有一处值得留意网状模型的外模式自由度其实很有限。因为记录必须按路径访问外模式里如果漏掉路径上的某个记录类型导航就断了。这跟关系模型可以用视图随意裁剪列、重组连接结果完全不同。理解这一点就能解释为什么网状数据库的应用程序和数据结构的耦合度那么高——不是设计者不想解耦是模型本身没给这个空间。3. 层次模型与网状模型指针时代的建模方式层次模型和网状模型在今天很少真正拿来建库但它们是理解“为什么关系模型会胜出”的参照系。课件在这一块的篇幅给得很足复习时不能只记两个名词得能把它们的结构、能力和代价都说清楚。3.1 层次模型一棵树能表达什么、不能表达什么层次模型的数据结构是一棵树有且仅有一个结点没有双亲这个结点就是根其余每个结点有且仅有一个双亲。实体型用记录类型表示属性用字段表示联系用结点之间的连线表示而且连线只能表示一对多的父子联系。这个限制带来的直接后果是层次模型天然只能表达一对多遇到多对多就得想办法绕。教材里常见的两种绕法是引入冗余结点和引入虚拟结点本质都是把一个多对多拆成两组一对多中间加一层过渡。绕是能绕过去但代价是数据重复和结构变形一旦业务变化改动成本很高。层次模型的优点是结构清晰、查询效率高——路径是确定的从根往下走就行不存在“这条 SQL 该不该走索引”的玄学。缺点是它把现实世界硬塞进树的形状里真实业务里那些网状的关系一旦被压成树就会在结构里留下大量人为痕迹。3.2 网状模型的两个判定条件与“多双亲”网状模型的定义只有两句话但这两句话几乎是所有判断题的源头一是允许一个以上的结点无双亲二是一个结点可以有多于一个双亲。注意措辞是“允许”不是“必须”——网状模型允许出现多个无父结点也允许一个结点有多个父结点但它同样可以退化成一棵树。把这两个条件跟层次模型一比五个区别就出来了对比维度层次模型网状模型无双亲结点的数量只有根结点一个允许一个以上结点的双亲数量至多一个可以多于一个两结点间的联系只能一种可以多种即复合联系表达现实世界需绕行结构易变形更直接相互关系网状模型的一个特例覆盖层次模型最后一行是最容易说反的层次模型是网状模型的特例不是反过来。因为网状模型放宽了双亲数量的限制层次模型当然满足“每个结点至多一个双亲”这个更严的条件所以它落在网状的范围内。“一个结点可以有多个双亲”这句话听起来抽象换成具体场景就很好懂。比如一个学生同时属于某个宿舍、某个班级、某个社团这三条关系都可以作为父结点指向这个学生记录再比如家庭关系里的一个人既是父母记录的子女也是子女记录的父母还可以是某个家族树里的兄弟姐妹多个方向都能连过来。反过来一棵纯树状的家族谱系就只能有一个方向往上追。3.3 表示方法与排序字段记录类型、字段、连线网状模型的表示方法跟层次模型一致实体型用记录类型描述一个结点就是一个记录类型属性用字段描述一个记录类型可以包含若干字段联系用结点之间的连线表示记录类型之间的一对多父子联系。在此基础上课件列了三条特点第三条最值得反复读任何记录值只有按其路径查看时才能显出它的全部意义。这句话是网状模型的精神内核。同一条记录从不同路径进入看到的东西可能不一样脱离了路径单看一条记录你无法确定它属于哪个系、处在什么次序上。这跟关系模型“一张表就是一个完整的关系、任何一行都能独立解释”的世界观完全相反。另外两条特点也不能漏一是只能直接处理一对多的实体联系多对多必须间接表示二是每个记录类型都要定义一个排序字段也叫码字段用于确定记录在系内的次序并标识记录。排序字段不等于关系模型里的主码它更多是“定位排序”的双重角色这一点后面还会专门说。3.4 多对多联系怎么拆以选课为例网状模型处理多对多的方法很直接把多对多联系分解成一对多联系。落到结构上就是增加一个联结性质的记录类型让它分别与两侧的记录类型构成一对多。学生和课程的多对多拆成“学生—选课记录”一对多、“课程—选课记录”一对多。在网状模型里这条联结记录是实打实存下来的需要显式插入、显式维护删除一侧记录时还得手工清理另一侧的指针否则会留下悬空引用。关系模型里同一个结构长这样-- 学生表sno 唯一标识一名学生 CREATE TABLE student ( sno CHAR(8) PRIMARY KEY, sname VARCHAR(20) NOT NULL ); -- 课程表cno 唯一标识一门课 CREATE TABLE course ( cno CHAR(6) PRIMARY KEY, cname VARCHAR(30) NOT NULL ); -- 联结表一条记录代表某学生选了某门课这一次联系 CREATE TABLE sc ( sno CHAR(8) NOT NULL, cno CHAR(6) NOT NULL, grade DECIMAL(4,1), -- 允许为空对应成绩尚未录入 PRIMARY KEY (sno, cno), -- 联合主键天然防止重复选课 FOREIGN KEY (sno) REFERENCES student(sno), FOREIGN KEY (cno) REFERENCES course(cno) );这段 DDL 的作用不是教怎么建表而是对照出两种模型的差别。联合主键(sno, cno)保证同一个学生同一门课只有一条记录这是关系模型用“值”来约束重复网状模型靠的是指针结构本身不允许重复连接。外键约束保证联结记录不会指向不存在的学生或课程这对应网状模型里“双亲结点与子女结点之间是一对多联系”那条完整性约束。grade允许为空则呼应了课件里“允许插入尚未确定双亲结点值的子女结点值”的宽松思路——现实录入总是分步的约束不能卡得太死。真正的分水岭在访问方式上。网状模型要查“某学生选了哪些课”必须先定位到学生记录再沿指针一路走过去关系模型只需要描述结果长什么样走哪条路交给系统决定。前者是导航式后者是声明式。这个差别不是语法糖它决定了应用程序对数据结构的依赖程度结构一改导航路径就断代码跟着重写。4. 网状模型的操纵、完整性与存储结构结构讲完接下来是“能做什么”和“怎么存”。这两块在课件里是分开的两节但逻辑上是一条线操纵方式受结构限制存储方式又决定了操纵的代价。4.1 四种数据操纵在网状模型里的特殊之处数据操纵无非查询、插入、删除、更新四件事但在网状模型里每一件的写法都跟关系模型不一样。查询必须给出入口。你不能只说“我要哪些记录”得说“从哪条记录出发沿哪条路径走到哪一类记录”。路径不同结果集可能不同效率也差很多。这就是为什么网状数据库的应用开发里程序员要对自己写的每条路径心里有数。插入必须处理属籍。一条新记录插进来它归哪个系、以什么方式加入都得显式声明。这跟关系模型插一行就完事完全不同——关系模型里“归属”是由外键值隐含表达的网状模型里归属是结构的一部分。删除要区分两种语义是删除记录本身还是仅仅把它从某个系里移出。这两件事在网状模型里是分开的操作混淆了就会误删数据。更新的复杂度介于中间改字段值相对简单但如果改动涉及排序字段就可能影响记录在系内的次序甚至影响通过该字段定位的路径。四条操纵对应四种思维习惯这也是网状模型学习曲线陡的原因它要求使用者同时是结构的设计者和路径的使用者。4.2 DBTG 的完整性约束与属籍类别网状数据库系统对数据操纵加了一些限制提供了一定的完整性约束。课件列了三条码、双亲结点与子女结点之间的一对多联系、属籍类别。前两条比较好理解码用于标识记录一对多联系保证结构的一致性。真正绕的是第三条——属籍类别。它分成加入类别和移出类别两组属籍类别取值含义加入类别自动记录插入时自动加入该系无需显式操作加入类别手工记录插入后需要显式加入才能成为该系的成员移出类别固定一旦加入就不能移出永久属于该系移出类别必须可以移出但移出后必须立刻加入另一个系不能悬空移出类别随意可以自由移出也可以不属于任何系提示不同教材对这几个取值的译法略有出入答题时优先用课件里的原词别自己换说法。这五个取值组合起来实际上是在给“成员资格”建模。举个场景某个员工记录必须属于且仅属于一个部门那就用“自动加入 固定移出”如果允许员工暂时挂在待分配池里就用“必须移出”保证不会出现无归属的孤立记录。这套机制在关系模型里要靠触发器或应用层逻辑实现网状模型直接把它写进了模式定义里。配套的两条约束条件也值得记住允许插入尚未确定双亲结点值的子女结点值允许只删除双亲结点值。这两条看起来是在“放宽”约束实际上是承认现实中的数据录入是有先后顺序的系统不能要求所有数据一次性到位。4.3 四种链接方式单向、双向、环状、向首存储结构这一节的关键只有一句话核心问题是如何实现记录之间的联系。围绕这句话课件给了四种常用的链接方式。链接方式指针形态特点与代价单向链接只从一侧指向另一侧省空间但反向查找要重新走一遍路径双向链接两侧互相指向反向导航可行指针数量翻倍环状链接首尾相接成环兄弟记录可以循环遍历首尾处理要额外判断向首链接子女记录指回该系的首记录快速回到起点适合“先找系首再遍历”的访问模式这四种方式本质上是在空间和访问灵活性之间做权衡。指针越多能走的路径越多占的空间也越大更新时要维护的指针也越多。网状数据库的性能优势就来自这里路径是预先用指针铺好的只要入口选对走几步就到不存在运行时再去找最优执行计划的问题。代价同样来自这里。指针是物理层的实现细节一旦数据量增长、结构扩展指针的维护成本会迅速上升。这也解释了课件里那条缺点——“随着应用环境的扩大数据库的结构就变得越来越复杂”。4.4 优缺点与历史定位把优缺点摊开看网状模型的优势很集中能够更直接地描述现实世界一个结点可以有多个双亲复杂的现实关系不用强行压成树性能好存取效率高路径确定、指针直达。缺点同样集中结构复杂而且随着应用环境扩大数据库结构会越来越复杂最终用户很难掌握DDL 和 DML 语言复杂用户不容易使用。这两组优缺点不是随口评价而是同一件事的两面。指针带来的效率和指针带来的复杂度是同一个设计决定的产物。要高效就得预先把路径固化一固化就失去了灵活性一失去灵活性结构变更就要动全身。历史上的定位也清楚这类模型属于第一代数据库模型课件提到的 DBTG 方案奠定了数据库系统的基本概念、方法和技术七十年代有一批实际系统落地。它们解决的是“能不能把复杂联系存进去”的问题关系模型解决的则是“能不能让用户不用关心怎么存”的问题。后者胜出不是因为性能更好而是因为把复杂度从使用者身上转移到了系统内部。5. 易漏点与易错点数据模型这块最容易翻车的地方这一章把复习中最常出问题的地方集中列一遍。每条都按“漏在哪、为什么漏、怎么补”说方便自查。5.1 五个高频易漏点第一把“允许一个以上结点无双亲”记成“必须有两个以上根结点”。漏的原因是把条件当成了结论定义里的“允许”被读成了“要求”。补的办法很简单把两个判定条件各写一遍然后在旁边补一句“允许不等于必须有”网状模型完全可以退化成只有一个根的结构。做题时看到“网状模型必须……”这种表述基本可以先判为错。第二把排序字段等同于关系模型的主码。漏的原因是两个概念都叫“标识记录”字面很像。补的时候要抓住差别关系模型的主码是值层面的唯一性约束靠比较值来定位网状模型的排序字段除了标识还负责确定记录在系内的次序定位靠的是指针加路径。所以网状模型的记录唯一性是“结构位置 排序字段”共同保证的单拎出字段值来谈唯一性会说不通。第三忽略“按路径查看才能显出全部意义”这条。漏的原因是它不像一个知识点更像一句描述。但这句话是解释网状模型一系列现象的钥匙为什么它没有真正意义上的全局视图为什么外模式能裁剪的余地很小为什么应用程序和数据结构绑得那么死。补的方法是把这句话当成因果链的起点往后推三步能推出来就说明真懂了。第四属籍类别的五个取值记混。漏的原因是五个词都是抽象形容词没有画面感。补的办法是用两条轴记一条轴是“进来的时候怎么进”自动、手工另一条轴是“出去的时候怎么出”固定、必须、随意。记两条轴比记五个词稳即使考场上忘了一个词也能从轴上推回来。第五多对多拆解之后忘了维护联结记录。漏的原因是拆分过程本身太顺画完图就觉得结束了。补的时候要追问一句这条联结记录由谁插入、由谁删除、删除一侧时另一侧怎么办。在网状模型里联结记录是真实存在的存储实体不是逻辑上的桥梁漏维护就会留下悬空指针查询时走到一半断掉。5.2 对比题最容易翻车的三个地方第一个是把层次和网状的包含关系说反。层次模型是网状模型的特例因为网状放宽了双亲数量的限制层次满足更严的条件。说反了等于把“限制更少”说成“限制更多”逻辑上说不通。第二个是把“存取效率高”当成网状模型独有。层次模型的效率同样高路径也是确定的。真正的区别在表达能力不在效率。答题时如果把效率和表达混在一起写很容易被判为答偏。第三个是两级映像和两种独立性对不上号。外模式/模式映像对应逻辑独立性模式/内模式映像对应物理独立性。这个对应关系一旦记反整道简答题的推理方向就全错了。建议在草稿纸上画三层加两个箭头箭头位置对了再动笔。6. 复习清单把课件当成一张可检索的表复习到后期最怕的不是不会而是不知道哪里不会。我的做法是把课件目录改写成一张自检表每个模块配一个能立刻判定“会不会”的问题答不上来就回去翻对应那一节而不是从头再读一遍。模块必背要点自检问题开发步骤需求分析、概念设计、逻辑设计、物理设计、实施哪一步产出 E-R 图哪一步产出表结构数据模型三要素数据结构、操纵、完整性约束三要素各自回答什么问题三级模式外模式、模式、内模式逻辑独立性和物理独立性分别靠哪个映像系统组成与研究领域硬件、软件、数据、人员人员为什么算组成部分层次模型单根、单亲、只能一对多多对多怎么绕代价是什么网状模型两条件、三特点、四操纵、五属籍为什么记录必须按路径查看存储结构单向、双向、环状、向首四种链接方式各多花多少指针填这张表的时候有个坑要避开别只看“必背要点”那一列觉得眼熟就打勾。眼熟不等于能复述得逼自己合上课件把“自检问题”那一列答出声来答得磕巴就说明还没到位。我一般会挑三个最容易混的——两条件的措辞、层次与网状的包含关系、两级映像的对应——单独抄在一张纸上考前只看这一张。从那以后我每次复习数据模型这块都强制走一遍“先画三层抽象、再填三要素、最后对映像”的流程不走完不许翻下一页。这套动作麻烦但它把最容易含糊的地方变成了必须当场表态的步骤含糊就没法往下走。希望帮到你。本文还有配套的精品资源点击获取