数据库系统三级模式
三级数据库技术
数据库的三级模式由外模式、模式、内模式构成。
数据库管理系统在这三种模式之间提供了两层映像。
外模式是用户可见的部分数据的存在模式；模式可以等价为全体数据的逻辑结构，且用户不可见，是三级模式的中间部分；内模式对应数据库的物理结构和存储方式。
当模式改变时，由数据库管理员对各个外模式/模式的映像作相应的改变，但是外模式可以不变。
应用程序是依据数据库的外模式编写的，从而应用程序可以不必修改，因此，外模式/模式映像保证了数据与程序的逻辑独立性。
模式/内模式映像提供了物理独立性。
三级加锁协议也称为三级封锁协议，它保证正确的调度事务的并发操作，是事务对数据库对象加锁、解锁必须遵守的一种原则数据库的转储机制一般有完全转储、差量转储和增量转储三种。
完全转储是指对整个数据库中的数据全部重新备份，效率低，时间长；差量转储是指基于上一次完全转储基点之后变化转储，是对上一次转储之后对所有文件中修改或删除的记录的转储，效率高，时间短；增量转储是对数据库中凡是有记录变化的文件的整个文件进行复制，效率介于两种转储方式之间数据仓库是为了构建新的分析处理环境而出现的一种数据存储和组织技术，基本特征包括：数据是面向主题的、集成的、非易失的看，随时间不断变化的数据集合，用来支持管理员的决策。
关系模式描述关系的静态结构，它是静态的、稳定的关系是动态、随用户对数据库的操作而变化的数据库系统设计的六个阶段：需求分析概念和意义：描述：对待开发的系统要做什么，完成什么功能的全面描述主要任务：分析清楚当前系统的业务流程，包括系统的体系结构，各职称部门完成的主要任务，各职称部门之间的关系及其交流的信息存在的问题：分析清楚系统存在的问题，包括需要解决的问题具体工作：通过对需求的调查、了解、观看和分析，采用已经证实的技术方法和工具，对原始材料进行加工整理，得到有关目标系统需要实现的功能以及其相互关系等一系列活动的集合。
目标：以使用者和开发人员都容易理解的文档形式提供一个关于目标系统所完成的全部功能以及性能等需求的完整描述，以保证目标系统后续阶段，如设计、编码、测试等阶段工作的顺利完成，为最终开发出一个满意度高的系统打下基础最终结果：以模型图的形式展示，如：DFD图、IDEF0图基本要求：需求描述要准确、清楚、一致、不存在任何不完全、含混或者二义性的描述需求获取的困难：软件功能复杂、需求的可变性、软件产品的不可见性需求获取的方法面谈问卷调查实地观察查阅资料需求分析的过程：标识问题建立需求模型描述需求（产出需求文档）需求确认需求分析的方法：DFD需求建模方法：也被称为过程建模和功能建模方法，核心是数据流，，从应用系统的数据流着手，以图形方式刻画和表示一个具体业务系统中的数据处理过程和数据流基本元素：规则：父图中描述过的数据流必须要在相应的子图中出现一个处理至少有一个输入流和一个输出流一个存储必定有流入的数据流和流出的数据流一个数据流至少有一端是处理框模型图中表达和描述的信息是全面的、完整的、正确的和一致的IDEF0方法IDEF0侧重描述系统功能需求，被称为功能建模方法左箭头：数据的输入右箭头：输出的结果上箭头：约束的机制下箭头：完成活动所需要的资源数据库结构设计概念结构设计概念设计的依据：需求分析阶段的文档概念设计的步骤：明确建模目标-定义实体集-定义联系-建立信息模型-确定实体属性-对信息模型进行集成与优化数据建模方法：ER模型：功能建模方法实体或实例：客观存在并且可以相互区分的事物（可以是具体的人或物，如：张三、一辆汽车等，也可以是抽象的概念，如：学生的一次选课，一场演出）实体集：实体的集合属性：实体的性质和特征域：属性的取值范围如：属性性别的域为：男、女码：实体集中能唯一标识每一个实例的属性或属性组如：实体集学生的码为学号或身份证联系：描述实体之间的关系一对一（1:1）一对多（1：n）多对多（m:n）IDEF1X建模方法：侧重分析、抽象和概括应用领域中的数据需求被称为数据建模方法建模元素：实体集联系实体集：在IDEF1x中，每一个实体集定义有一个唯一的名字和编码，名字和编码之间用斜杠/ 写在矩形框的上方，编码应该是正整数独立标识符实体集或独立实体集：一个实体集的每个实例都能被唯一的标识而不决定于他与其他实体集的联系从属标识符实体集或从属实体集：实体集的一个实例的唯一依赖于该实体集于其他实体集的联系联系：子实体集一侧有圆圈，联系名备注在直线旁标定型联系：儿子实体的实例都是由它与父亲实体的联系而确定，父亲实体的主关键字是儿子实体主关键字的一部分实直线表示非标定型联系：儿子实体的实例能够被唯一标识而无需依赖其与实体的联系，父亲实体的主关键字不是儿子实体的主关键字虚直线表示分类联系：一个实体实例是由一个一般实体实例及一个分类实体实例构成的一个一般实体实例是若干具体实例（分类实体）的类分类实体与一般实体具有相同的标识符不同分类实体除具有一般实体特征外，各自还可能具有不同的属性特征一圆圈带两横线：完全分类联系，一圆圈带一横线：非完全分类联系非确定联系：逻辑结构设计数据库逻辑设计的依据：信息模型和数据库概念设计说明书数据库逻辑设计的任务：把数据库概念设计的结果（ER图）转换为数据库管理系统支持的数据模型（常见的为关系模型）逻辑设计是面向机器世界的将ER图转换为关系模型：标识ER模型中的联系-》依次转换为与每个联系相关联的实体集及联系1.实体集转换为关系：实体集对应于一个关系关系名：与实体集相同属性：实体集的所有属性主码：实体集的主码2.联系转换为关系模式：1:1 将1:1联系转换为一个独立的关系将1:1联系与某一端实体集所对应的关系合并1：n 一种方法是将联系转换为一个独立的关系，其关系的属性由与该联系相关的各实体集的码以及联系本身的属性组成，而该关系的码为n端实体集的码另一种的方法是在n端实体集中增加新属性，新属性由联系对应的1端实体集的码和联系自身的属性构成，新增属性后原关系的码不变M:n 与该联系相连的各实体集的码以及联系本身的属性均转换为关系的属性，新关系的码为两个相连实体码的组合（该码为多属性构成的组合码）1:1:1 转换成的三个关系中，在一个关系模式中加入另外两个关系模式的码和联系的属性1:1：n 将n端添加另外两端的主键和联系的属性1：m:n 联系类型需转换为关系模式，属性为m端和n端的实体类型的键加上联系的属性，码为m端和n端的实体键组合M:n:p 联系类型转换为关系模式，属性为三端实体类型的键加上联系的属性，码为三端实体键的组合物理结构设计数据库应用系统功能设计与实施功能设计：总体设计、概要设计、详细设计事务设计：事务概要设计、事务详细设计DBAS概要设计功能角度DBAS四个层次：表示层、业务逻辑层、数据访问层、数据持久层表示层概要设计：人机界面设计业务逻辑层概要设计：梳理DBAS的各项业务活动业务逻辑层：：数据持久层DBAS详细设计表示层详细设计：原型迭代法业务逻辑层：对概要设计的细化通过UML类图、活动图、协作图描述DBAS对用户业务的详细实现逻辑设计内部处理流程和算法、具体数据结构、对外详细接口等数据安全设计安全性保护、完整性保护、并发控制、数据库的备份和恢复、数据加密传输数据的安全性保护方式：用户身份鉴别、权限控制、视图机制复制数据库的方法有：1、使用复制数据库向导在服务器之间复制或移动数据库2、还原数据库备份，若要复制整个数据库，可以使用BACKUP和RESTORE Transact-SQL语句触发器是用户定义在关系表上的一类由时间驱动的特殊过程。
数据库的三级模式、二级映射的优缺点
数据库的三级模式和二级映射的优缺点电商1002邓超摘要：为了有效地组织、管理数据，提高数据库的逻辑独立性和物理独立性，人们为数据库设计了一个严谨的体系结构，数据库领域公认的标准结构是三级模式结构，它包括外模式、模式和内模式。
为保证数据数据库系统中有较高的逻辑独立性和物理独立性，数据库管理系统在在这三个模式之间提供了两层映像，即：外模式/模式映像、模式/内模式映像。
关键词：数据库三级模式二级映像1978年美国国家标准协会(American National Standard Institute，ANSI)的数据库管理系统研究小组提出了标准化的建议（另说：数据库系统的三级模式结构最早是在1971年由DBTG给出，1975年列入美国ANSI/X 3/SPARC标准）将数据库结构分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，此种描述是一种抽象的描述，它不涉及具体的硬件环境与平台，也与具体的软件环境无关，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。
数据库的三级模式
数据库的三级模式
数据库系统中的三级模型是指数据库管理系统中的三级架构模型，包括：
第一级模型，又称为"数据库管理系统（DBMS）级"。
这是最底层的模型，用来管理数据库中的数据存储和检索。
它提供了基本的数据管理功能，如数据存储、检索、更新和删除。
第二级模型，又称为"数据库管理系统（DBMS）用户级"。
这一级模型是在第一级模型的基础上建立的，它提供了高层的数据管理功能，如数据定义、数据操作和数据控制。
这一级模型主要面向数据库管理员和数据库程序员。
第三级模型，又称为"应用程序级"。
这一级模型是在第二级模型的基础上建立的，它提供了应用程序和用户使用数据库的接口。
这一级模型主要面向最终用户，提供用户友好的界面来管理和操作数据库。
这三级模型是相互独立的，在不同的级别上完成不同的功能，并且可以独立改变。
数据库三级模式
数据库三级模式人们为数据库设计了一个严谨的体系结构，数据库领域公认的标准结构是三级模式结构，它包括外模式、模式和内模式，有效地组织、管理数据，提高了数据库的逻辑独立性和物理独立性。
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或用户模式，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(DataManipulation Language，DML)对这些数据记录进行。
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，是数据库最低一级的逻辑描述，它描述了数据在存储介质上的存储方式和物理结构，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，也是唯一的，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唯一的，也不可能是唯一的。
数据库简答题
第一章3、简述数据库系统的三级模式和两级映像的含义.答：从数据库管理系统的角度看，数据库系统的结构通常分为三级模式的总体结构，在这种模式下，形成了二级映像,实现了数据的独立性。
其中三级模式结构指的是外模式、模式和内模式，二级映像指的是外模式/模式映像、模式/内模式映像。
模式也称逻辑模式和概念模式，是数据库中全体数据逻辑结构和特征的描述，描述现实世界中的实体及其性质与联系,是所有用户的公共数据视图；外模式也称子模式或用户模式,它是用以描述用户看到或使用的数据的局部逻辑结构和特性的，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；内模式也称存储模式,是整个数据库的最底层表示，它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。
对于外模式/模式映像,当模式改变时，相应的外模式/模式映像作相应的改变，以使外模式保持不变,而应用程序是依据数据的外模式来编写的，外模式不变,应用程序就没必要修改，这保证了数据与程序的逻辑独立性。
对于模式/内模式映像，当数据库的存储结构变了，模式/内模式映像会作相应的改变，以使模式保持不变，而模式不变，与模式没有直接联系的应用程序也不会改变，这保证了数据与程序的物理独立性。
5、数据库管理系统的主要功能有哪些？答：⑴、数据定义功能;⑵、数据操纵功能；⑶、数据组织、存取功能；⑷、数据库运行管理功能；⑸、数据库建立与维护功能第五章1、解释下列术语的含义:函数依赖、平凡函数依赖、非平凡函数依赖、部分函数依赖、完全函数依赖、传递函数依赖、1NF、2NF、3NF、BCNF、多值依赖、4NF、最小函数依赖、函数依赖保持性、无损连接性。
①、函数依赖：设R（U)是属性集U上的一个关系模式，X、Y是U的子集。
若对于R（U）上的任意一个可能的关系r，如果r中不存在两个元组，它们在X上的属性值相同,而在Y上的属性值不同，则称“X函数决定Y"或“Y函数依赖X",记作X→Y。
数据库系统结构
CODASYL（Conference On Data System Language，美 国数据系统语言协商会）提出模式、外模式、存储模式三级 模式的概念。三级模式之间有两级映象。
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数据库的三级模式体系
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/模式映象
模式 内模式
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三、数据库的二级映像功能
外模式/模式映象： 定义某一个外模式和模式之间的对应关系，映象
定义通常包含在各外模式中。当模式改变时，修改此 映象，使外模式保持不变，从而应用程序可以保持不 变，称为逻辑独立性。
模式/内模式映象： 定义数据逻辑结构与存储结构之间的对应关系。
存储结构改变时，修改此映象，使模式保持不变，从 而应用程序可以保持不变，称为物理独立性。
数据存储及存储架构。
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2、外模式：也称子模式或用户模式， 它是数据库用户（包括应用程序员和最终用户）
看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描 述，是数据用户的数据视图，是与某一应用程 序有关的数据的逻辑表示。
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（3）内模式：也叫存储模式或物理模式，它定义了数据库 中全部数据的物理结构、存储方法和存取策略等。
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数据抽象—视图层(概念层)
视图层：最高层次的抽象，但只描述整个数 据库的某个部分。尽管在逻辑层使用了比较简单 的结构，但由于数据库的规模巨大，所以仍存在 一定程度的复杂性。
数据库系统的最终用户并不需要关心所有的 信息，而只需要访问数据库的一部分。视图抽象 层的定义正是为了使用户与系统的交互更简单。 系统可以为同一数据库提供多个视图，而视图又 保证了数据的安全性。
数据库的体系结构
数据库的体系结构1。
三级模式结构数据库的体系结构分为三级：外部级、概念级和内部级（图5。
1)，这个结构称为数据库的体系结构，有时亦称为三级模式结构或数据抽象的三个级别。
虽然现在DBMS的产品多种多样,在不同的操作系统下工作，但大多数系统在总的体系结构上都具有三级结构的特征。
从某个角度看到的数据特性，称为数据视图(Data View)。
外部级最接近用户，是单个用户所能看到的数据特性,单个用户使用的数据视图的描述称为外模式。
概念级涉及到所有用户的数据定义,也就是全局性的数据视图，全局数据视图的描述称概念模式.内部级最接近于物理存储设备,涉及到物理数据存储的结构，物理存储数据视图的描述称为内模式。
图5。
1 三级模式结构数据库的三级模式结构是对数据的三个抽象级别。
它把数据的具体组织留给DBMS去做，用户只要抽象地处理数据，而不必关心数据在计算机中的表示和存储，这样就减轻了用户使用系统的负担.三级结构之间往往差别很大，为了实现这三个抽象级别的联系和转换，DBMS在三级结构之间提供两个层次的映象(Mapping）：外模式／模式映象，模式／内模式映象.这里的模式是概念模式的简称。
数据库的三级模式结构,即数据库系统的体系结构如图5。
2所示.图5.2 数据库系统的体系结构2.三级结构和两级映象(1）概念模式概念模式是数据库中全部数据的整体逻辑结构的描述。
它由若干个概念记录类型组成，还包含记录间联系、数据的完整性安全性等要求。
数据按外模式的描述提供给用户,按内模式的描述存储在磁盘中,而概念模式提供了连接这两级的相对稳定的中间点，并使得两级中任何一级的改变都不受另一级的牵制。
概念模式必须不涉及到存储结构、访问技术等细节，只有这样，概念模式才能达到物理数据独立性.概念模式简称为模式。
（2)外模式外模式是用户与数据库系统的接口，是用户用到的那部分数据的描述。
外模式由若干个外部记录类型组成。
用户使用数据操纵语言(DML）语句对数据库进行操作,实际上是对外模式的外部记录进行操作.有了外模式后，程序员不必关心概念模式，只与外模式发生联系，按照外模式的结构存储和操纵数据.（3)内模式内模式是数据库在物理存储方面的描述,定义所有内部记录类型、索引和文件的组织方式，以及数据控制方面的细节.（4)模式／内模式映象模式／内模式映象存在于概念级和内部级之间，用于定义概念模式和内模式之间的对应性。
数据库原理及应用
09002
09002 09004
005
001 002
99
97 98
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学生信息（主）
选课成绩（从）
参照完整性
学号 姓名 学号 课程号 成绩
09001 张三 09002 李四 09003 王五
值
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参照完整性规则(续)
例3〕： 学生（学号，姓名，性别，专业号，年龄，班长）
“班长”属性值可以取两类值：
（1）空值，表示该学生所在班级尚未选出班长
（2）非空值，该值必须是本关系中某个元组的
学号值
112
参照完整性规则
• 根据参照完整性规则，应该对数据库的修改加以限制， 这些限制包括
*插入约束：禁止在从表中插入包含主表中不存 在的关键字的数据行 *删除约束：禁止删除在从表中有对应记录的 主表记录 *更新约束：禁止更新导致从表中的相应值孤 立的主表中的外部关键字值
S3
S3
S3
堆存储方式
学号升序存储方式 按年龄升序存储方式
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二、 数据库的二级映象功能与数据独立性 导入：三级模式是对数据库中数据的三个抽象级别，两 级映象是在DBMS内部实现这三个抽象层次的联系和转 换。
外模式/模式 模式/内模式 外模式
广东同学粤语 福建同学闽南语 西藏同学藏语 粤语翻译 闽南语翻译 藏语翻译
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关系定义
举例：D1 =姓合={李明，刘涛} D２ =性别集合={男，女} D３=专业集合={计算机专业，数学专业，法律专业}
例如上面给出的三个域Ｄ1，Ｄ2，Ｄ3的笛卡儿积为： D1×D２×D３=
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1. 数据库系统的三级模式结构是指数据库系统是由模式、外模式和内模式三级构成的。
（1）模式：也称逻辑模式或概念模式，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。
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。
定义模式时不仅要定义数据的逻辑结构，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。
（2）外模式：也称用户模式，它是数据库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。
应用程序都是和外模式打交道的。
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对他们是不可见的。
（3）内模式：也称存储模式，一个数据库只有一个内模式。
它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。
例如，记录的存储方式是顺序结构存储还是B树结构存储；索引按什么方式组织；数据是否压缩，是否加密；数据的存储记录结构有何规定等。
2. 数据库的二级映像功能与数据独立性为了能够在内部实现数据库的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像。
（1）外模式／模式映像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／模式映像，它定义了该外模式与模式之间的对应关系。
当模式改变时，由数据库管理员对各个外模式／模式映像作相应的改变，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，从而应用程序可以不必修改，保证了数据与程序的逻辑独立性。
（2）模式／内模式映像数据库中只有一个模式，也只有一个内模式，所以模式／内模式映像是惟一的，它定义了数据库的全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系。
当数据库的存储结构改变时，由数据库管理员对模式/内模式映像做相应改变，可以使模式保持不变，从而应用程序也不必修改。
保证了数据与程序的物理独立性。
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，涉及数据库模式结构时应首先确定数据库的逻辑结构。