数据库设计的标准结构为三级模式、二级映射，该结构的主要作用是（30）。

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第30题

知识点：数据库技术基本理论三级模式数据库数据库设计

关键词：数据库数据章/节： Web 设计基础

A. 提高数据与程序的可移植性

B. 提高数据与程序的安全性

C. 保持数据与程序的一致性

D. 提高数据与程序的独立性

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知识点讲解
· 数据库技术基本理论 · 三级模式 · 数据库 · 数据库设计

数据库技术基本理论

电子商务是利用电子网络进行的商务活动，这里的电子网络主要是指Internet和基于Internet技术的Intranet（企业内部网）、Extranet（企业外部网）。其进行的商务活动不仅包含电子数据交换所涉及的电子交易，还包括电子函件交流、网上站点宣传和利用Internet技术改造的其他传统应用。但电子商务应用的前提是企业管理信息系统的广泛应用。数据库技术是企业管理信息系统的核心技术之一，所以，要深入理解电子商务就应该先了解数据库的一些基本理论。

数据模型

模型就是对现实世界特征的模拟和抽象，数据模型是对现实世界数据特征的抽象。对于具体的模型人们并不陌生，如航模飞机、地图和建筑设计沙盘等都是具体的模型。最常用的数据模型分为概念数据模型和基本数据模型。

（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）。

数据库结构的基础是数据模型，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、数据操作和数据的约束条件。

.数据结构。是所研究的对象类型的集合，是对系统静态特性的描述。

.数据操作。对数据库中各种对象（型）的实例（值）允许执行的操作的集合，包括操作及操作规则。如操作有检索、插入、删除和修改，操作规则有优先级别等。数据操作是对系统动态特性的描述。

.数据的约束条件。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、有效和相容。

关系数据库

（1）基本概念。关系数据库是以关系模型为基础的数据库，它利用关系来描述现实世界。关系模型有三部分组成：数据结构、关系操作集合、关系的完整性。

.数据结构。在关系模型中，无论是实体还是实体之间的联系均由单一的结构类型即关系来表示。

.关系操作。关系代数（或等价的关系演算）中并、交、差、选择、投影、连接等。关系模型给出了关系操作的能力和特点，但不对DBMS的语言给出具体的语法要求，关系语言的特点是高度的非过程化。其操作方式的特点是集合操作，即操作的对象和结果是集合，称为一次一集合的方式，而不是一次一记录的方式。

.关系完整性。实体完整性、参照完整性和用户自己定义的完整性。实体完整性是保证数据库中记录的唯一性，即每个记录的主键不能为空值也不能与其他记录的主键相同。参照完整性是保证表与表之间语意上的完整性，即当一个表引用在另一个表中定义的实体时，要保证这个实体的有效性。这两种完整性是关系模型必须满足的约束条件，应该由关系系统自动支持。而用户自定义完整性反映了用户的要求，是用户自行定义的。

（2）结构化查询语言（SQL）。结构化查询语言（Structured Query Language，SQL）的理论是在1974年被提出的，并在IBM公司的System R上实现。由于它功能丰富、使用方式灵活、语言简洁易学等优点，在计算机工业界和用户中备受青睐，很快得以推广。后来，美国国家标准局（ANSI）和国际标准化组织（ISO）先后批准SQL作为关系数据库语言的美国及国际标准。至此，SQL就成为关系数据库的标准语言，关系数据库系统一般都支持标准SQL语句。所以，尽管当今不同品牌的关系数据库有这样或那样的差异，人们都可以通过标准SQL语句对数据库进行操作，这就大大减轻了用户的负担。

SQL虽被称为“查询语言”，其功能却不仅仅是查询，它的功能包括数据定义、数据操纵、数据库控制、事务控制四个方面，是一个综合、通用、功能强大的关系数据库语言。其中：

.数据定义。用于定义和修改数据库对象。如CREATE TABLE（创建表）、DROP TABLE（删除表）等。

.数据操纵。对数据的增、删、改和查询操作。如SELECT（查询数据）、INSERT（插入记录）、DELETE（删除记录）、UPDATE（修改数据）等。

.数据库控制。控制用户对数据库的访问权限。如GRANT（授予权利）、REVOKE（取消权利）等。

.事务控制。控制数据库系统事务的运行。如COMMIT（事务提交）、ROLLBACK（事务撤销）等。

SQL有如下几个比较突出的优点。

.一体化。SQL可以完成包括数据库定义、修改、删除、数据更新、数据查询等数据库生命周期中的全部活动，给用户使用带来很多方便。

.灵活。SQL有两种使用方式。一种是联机交互使用，另一种是嵌入某种高级程序设计语言的程序中。这两种方式的语法结构是统一的。这样既给用户带来了灵活的选择余地，又不会带来不一致的困扰。

.高度非过程化。与高级编程语言相比，SQL对数据库的操作方面是非常有优势的。使用SQL用户只需提出“做什么”，不用了解实现的细节，复杂的过程均由系统自动完成。

.语言简洁，易学易用。

（3）关系数据的规范化理论。为了使数据库设计的方法走向完备，人们提出规范化理论。规范化可以使关系的结构简化，更加有规律，存储尽量减少冗余，使数据库设计得更为合理。规范化的目的可以概括为以下几点：①保证库中每一个分量都不可再分；②消除冗余存储，简化检索操作；③消除插入异常和删除异常。

数据库系统的建立

数据库系统是企业整个管理信息系统的核心和基础，它的任务就是把系统中大量的数据按一定的模型组织起来，以便及时、准确地提供给用户。一个管理信息系统的各部分是否能紧密地结合在一起以及如何结合，关键在数据库。因此只有对数据库进行合理的逻辑设计和有效的物理设计才能开发出完善而高效的管理信息系统。数据库系统是整个管理信息系统建设重要的组成部分。

建设数据库系统一般要分为两步：一是设计和建立高效的数据库（DB），二是设计和建立数据库管理系统（DBMS）。其基本过程如下图所示。

数据库管理信息系统的建设过程

三级模式

从下图可以看出，数据库系统可以分为外模式、概念模式和内模式三个层次。

（1）概念模式（模式、逻辑模式）：用以描述整个数据库中数据库的逻辑结构，描述现实世界中的实体及其性质与联系，定义记录、数据项、数据的完整性约束条件及记录之间的联系，是数据项值的框架。概念模式通常还包含有访问控制、保密定义、完整性检查等方面的内容，以及概念／物理之间的映射。概念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。一个数据库只有一个概念模式。

数据库系统结构层次

（2）外模式（子模式、用户模式）：用以描述用户看到或使用的那部分数据的逻辑结构，用户根据外模式用数据操作语句或应用程序去操作数据库中的数据。外模式主要描述组成用户视图的各个记录的组成、相互关系、数据项的特征、数据的安全性和完整性约束条件。外模式是数据库用户（包括程序员和最终用户）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。一个数据库可以有多个外模式。一个应用程序只能使用一个外模式。

（3）内模式：是整个数据库的最低层表示，不同于物理层，它假设外存是一个无限的线性地址空间。内模式定义的是存储记录的类型、存储域的表示、存储记录的物理顺序，指引元、索引和存储路径等数据的存贮组织。内模式是数据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。一个数据库只有一个内模式。

概念模式是数据库的中心与关键；内模式依赖于概念模式，独立于外模式和存储设备；外模式面向具体的应用，独立于内模式和存储设备；应用程序依赖于外模式，独立于概念模式和内模式。

数据库

数据库（DataBase，DB）是指长期存储在计算机内的、有组织的、可共享的数据集合。数据库中的数据按一定的数据模型组织、描述和存储，具有较小的冗余度、较高的数据独立性和易扩展性，并可为各种用户共享。

系统使用的所有数据存储在一个或几个数据库中。

数据库设计

数据库的设计质量对整个系统的功能和效率有很大的影响。数据库设计的核心问题是：从系统的观点出发，根据系统分析和系统设计的要求，结合选用的数据库管理系统，建立一个数据模式。设计的基本要求是：

.符合用户需求，能正确反映用户的工作环境

.设计与所选用的DBMS所支持的数据模式相匹配

.数据组织合理，易操作、易维护、易理解

数据库设计步骤

数据库的设计过程可以分为4个阶段，即用户需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计和物理结构设计。下图反映和分析了这一设计过程，其中：

数据库设计步骤

.用户需求分析是对现实世界的调查和分析

.概念结构设计是从现实世界向信息世界的转换。根据用户需求来进行数据库建模，也称为概念模型，常用实体关系模型表示。

.逻辑结构设计是从信息世界向数据世界的转化。将概念模型转化为某种数据库管理系统所支持的数据模型。

.物理结构设计是为数据模型选择合适的存储结构和存储方法。

用户需求分析

用户需求分析需要结合具体的业务需求分析，确定信息系统的各类使用者以及管理员对数据及其处理、数据安全性和完整性的要求。主要设计如下三方面：

（1）系统应用环境分析。

系统应用环境及系统所服务和运行的特殊组织环境。不同业务单位有不同的组织结构和业务工作流程。环境的特殊性将决定数据库的整体设计思路和风格。

（2）用户数据需求及加工分析。

用户需求及加工分析指用户希望从数据库中获得那些信息以及对信息的处理要求。由此决定数据库中应该存储哪些信息以及对数据需要进行哪些加工处理，包括在处理过程中特定的查询要求、响应时间要求，以及数据安全性、保密性、完整性和一致性等方面的要求，应在此基础上编制数据字典。

（3）系统约束条件分析。

系统约束条件分析及分析现有系统的规模、结构、资源和地理分布，明确现有系统存在的种种限制或约束，从而使系统设计不至于脱离实际条件，确保系统设计顺利实施。

数据库概念结构设计

概念结构设计是指由现实世界的各种客观事物及其联系转化为信息世界中的信息模型的过程，即为数据库的概念结构设计。E-R模型即实体-联系模型是描述数据库概念结构的有力工具。下面结合实例说明E-R模型的构建。

在一个政府部门中存在着多个不同科室，每一个由若干名科员构成，每个科室都有一名主管上级领导，科室公务员负责为前来机关办事的群众提供相关的服务。现分别画出各个科室的E-R模型图，再画出整个机关的E-R模型。

一个科室结构应包括：

（1）实体，即上级领导、科室、科员、群众。

（2）实体联系，主管领导与科室之间是一对多的关系，科室与科员之间的联系也是一对多的关系，科员与群众之间是多对多的关系。

（3）各个实体所具有的属性。

.主管上级领导，属性可以有编号、姓名、性别、年龄、职务、任职时间、参加工作时间、入党时间、学历

.科室的属性可以包括科室号

.科员的属性包括编号、姓名、性别、年龄、职称、参加工作时间、入党时间、学历

.群众属性包括服务日期、服务事宜、处理结果

.服务，包括服务日期、服务事宜、处理结果

通过以上分析，可以得到如下的E-R模型，如下图所示（部分属性）。

科室E-R模式图

数据库逻辑结构设计

逻辑结构设计的任务是要将概念结构设计阶段完成的概念模型转换成能被选定的数据库管理系统支持的数据模型。现行的数据库管理系统一般支持网状、层次和关系三种数据模型中的一种，其中关系型的数据模型在DBMS中的应用和支持较为广泛，已成为主流。

下面简单介绍一下由E-R模型转换为关系数据模型的转化规则。在关系数据模型下，数据的逻辑结构是一张二维表，每个关系为一张二维表格。E-R模型转换为关系数据模型的转化规则如下。

.每一实体及其属性对应于一个关系模式。实体名作为关系名，实体的属性作为对应关系的属性。所谓关系模式，就是对关系的描述，用关系名（属性1、属性2、属性3，……属性n）来表示。

.两两实体之间的联系及其属性一般对应一个关系模式，联系名作为对应的关系名，联系的属性作为对应关系的属性；不带属性的联系可以去掉。

.实体和联系中关键字属性在关系模式中仍作为关键字。

上图中所示的实体关系图可以按照这些转换规则进行转化得到如下对应的关系模型。

.主管上级领导，编号、姓名、性别、年龄、职务、任职时间、参加工作时间、入党时间、学历

.科室，包括主管上级领导编号、科室号

.科员，包括科室号、编号、姓名、性别、年龄、职称、参加工作时间、入党时间、学历

.群众，包括来访者编号、姓名、性别、年龄、来访日期、服务事宜

.服务，包括受理公务员编号、来访者编号、服务日期、服务事宜、处理结果

不同的系统配备的数据库管理系统性能不同，因而必须结合具体DBMS的性能和要求将一般数据模型转换成所选用的数据管理系统支持的数据模型，若选用的DBMS支持层次、网络模型，则还要完成从关系模型向层次或网络模型的转换。

数据库物理结构设计

数据库的物理设计以逻辑结构设计的结果为输入，结合关系数据库系统的功能和应用环境、存储设备等具体条件为数据模型选择合适的存储结构和存储方法。从而提高数据库的效率。物理结构设计的主要任务如下。

（1）确定存储结构。

根据用户对数据结构和处理的要求，权衡数据存取时间、空间利用率和维护代价等三方面的利弊，综合考虑存储效率、维护成本等相关因素，从数据库管理系统提供的各种存储结构（例如顺序存储结构、索引存储结构，等等）中，选取合适的结构并加以实现。

（2）选择和调整存储路径。

数据库必须支持多个用户的多种应用，因此必须提供多个存取入口、多条存取路径，建立多个辅助索引。此过程中需要考虑一些问题，例如如何选取合适的数据项建立索引，如何建立辅助索引从而达到检索效率和存储空间的统一等。

（3）确定数据存储位置。

按照不同的应用可将数据分为若干个组。根据各组数据利用频率和存储要求的不同，各类数据的存放位置、存储设备以及区域划分都应有所不同。应该把存取频率和存取速度要求较高的数据存储在高速存储器上，把存取频率和存取速度要求较低的数据存储在低速存储器上。

（4）确定存储分配。

大多数据库管理系统会提供一些存储分配参数，例如溢出区大小、块大小、缓冲区大小和个数等，设计人员应全面考虑这些参数，以进行物理优化。

（5）确定数据的完整性与安全性约束。

进行物理设计时不仅要考虑所选用数据库管理系统提供的安全机制和完整性约束，还要考虑用户使用制度、应用程序、计算机系统等各个涉及具体应用的方面。

（6）考虑数据恢复方案。

数据库的物理设计阶段也要考虑数据库的恢复问题，采取必要的物理措施和手段，为突发事件和故障后的恢复做好准备，提供必要的物理工具。

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