数据库三级模式

Posted 2020-10-10 三人行博客

早上备课的时候，发现教材第二章的2.2节数据库设计概述中有些概念性的错误，从而使我想到，对于外模式、模式、内模式的概念学生也不一定能理解透彻，于是想通过博客再谈仔细。

    首先，谈谈模式的概念，模式为某种事物的标准形式或使人可以照着做的标准样式。这个词用在数据库中，它是由英文的Schema翻译过来的。在数据库管理系统中，其模式是指数据模式（data schema），是数据抽象的结果表示，如用关系模型抽象学生的基本信息表示为：学生(学号,姓名,性别,出生年月,入校年月,专业编号)，此表示即为一种数据模式。

    在数据库管理系统中，将数据按三层结构来抽象，这实质上是与数据库的设计步骤密不可分的。数据库的设计首先应分析现实要求，即做需求分析，需求分析的任务就是通过调查、访谈、讨论，分析用户的业务流程，从而得出用户的需求，并用数据流程图、数据字典将用户需求描述出来；其次，在需求分析的基础上，进行数据库概念设计，这种设计与具体的数据库管理系统无关，其任务是抽象出各用户所要求的数据视图（对应于外模式概念），最后综合为全局的数据视图（对应于模式概念），用概念数据模型来抽象，可用ER模型或对象模型。第三步，将用ER模型或对象模型表示的数据视图，转换为关系模式，并对所得关系模式进行优化处理，这就是所谓的数据库逻辑设计（这一步仍然对应于外模式和模式）；第四步，在逻辑设计的基础上，将所得的数据模式组织存储到物理介质上，这就是数据库的物理设计（这一步对应于内模式）；最后，就是数据库的安全设计，即允许什么样的用户访问数据库，以及合法用户访问数据库中数据的权限等问题。

    美国国家标准协会(American National Standard Institute，ANSI)的数据库管理系统研究小组于1978年提出了标准化的建议，将数据库结构分为3级：面向用户或应用程序员的用户级、面向建立和维护数据库人员的概念级、面向系统程序员的物理级。用户级对应外模式，概念级对应模式，物理级对应内模式，使不同级别的用户对数据库形成不同的视图。所谓视图，就是指观察、认识和理解数据的范围、角度和方法，是数据库在用户“眼中”的反映，很显然，不同层次(级别)用户所“看到”的数据库是不相同的。     

1. 模式
   模式又称概念模式或逻辑模式，对应于概念级。它是由数据库设计者综合所有用户的数据，按照统一的观点构造的全局逻辑结构，是对数据库中全部数据的逻辑结构和特征的总体描述，是所有用户的公共数据视图(全局视图)。它是由数据库管理系统提供的数据模式描述语言(Data Description Language，DDL)来描述、定义的，体现、反映了数据库系统的整体观。
2．外模式
    外模式又称子模式，对应于用户级。它是某个或某几个用户所看到的数据库的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。外模式是从模式导出的一个子集，包含模式中允许特定用户使用的那部分数据。用户可以通过外模式描述语言来描述、定义对应于用户的数据记录(外模式)，也可以利用数据操纵语言(Data Manipulation Language，DML)对这些数据记录进行处理。外模式反映了数据库的用户观。
3．内模式
    内模式又称存储模式，对应于物理级，它是数据库中全体数据的内部表示或底层描述，它描述了数据在存储介质上的存储方式及物理结构，对应着实际存储在外存储介质上的数据库。内模式由内模式描述语言来描述、定义，它是数据库的存储观。
    在一个数据库系统中，只有唯一的数据库，因而作为定义、描述数据库存储结构的内模式和定义、描述数据库逻辑结构的模式，也是惟一的，但建立在数据库系统之上的应用则是非常广泛、多样的，所以对应的外模式不是惟一的，也不可能是惟一的。
4．三级模式间的映射（二级映像）

    数据库的三级模式是数据库在三个级别 (层次)上的抽象，使用户能够逻辑地、抽象地处理数据而不必关心数据在计算机中的物理表示和存储。实际上，对于一个数据库系统而言，物理级数据库是客观存在的，它是进行数据库操作的基础，概念级数据库中不过是物理数据库的一种逻辑的、抽象的描述(即模式)，用户级数据库则是用户与数据库的接口，它是概念级数据库的一个子集(外模式)。
    用户应用程序根据外模式进行数据操作，

　　通过外模式/模式映射，定义和建立某个外模式与模式间的对应关系，将外模式与模式联系起来，当模式发生改变时，只要改变其映射，就可以使外模式保持不变，对应的应用程序也可保持不变；（逻辑性）

　　通过模式/内模式映射，定义建立数据的逻辑结构(模式)与存储结构(内模式)间的对应关系，当数据的存储结构发生变化时，只需改变模式/内模式映射，就能保持模式不变，因此应用程序也可以保持不变。（物理性）

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