数据库系统中的模式（Schema）设计与三级模式结构详解

数据库系统中的模式（Schema）设计与三级模式结构详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/blog_programb/article/details/146337215

数据库模式是数据库系统中的核心概念，它定义了数据的组织方式、存储结构和约束条件。本文将详细介绍数据库模式的概念、设计过程以及三级模式结构（外模式、概念模式和内模式）的关系和作用。

数据库模式设计与关系型数据模型

1. 数据库模式的概念

数据库模式（Database Schema）是数据库中数据的逻辑结构和约束的抽象描述，属于数据模型的逻辑模型层面。它定义了以下内容：

• 数据表（关系）的结构，如属性（列）名称、数据类型、键约束等
• 表之间的关联关系（如外键）
• 完整性约束（如实体完整性、参照完整性）

例如，在关系型数据库中，一个简单的模式可能表示为：

学生表 ( 学号 ‾ , 姓名 , 年龄 ) , 课程表 ( 课程号 ‾ , 课程名 ) , 选课表 ( 学号 ‾ , 课程号 , 成绩 ) \text{学生表}(\underline{学号}, 姓名, 年龄), \quad \text{课程表}(\underline{课程号}, 课程名), \quad \text{选课表}(\underline{学号}, 课程号, 成绩)学生表(学号 ,姓名,年龄),课程表(课程号 ,课程名),选课表(学号 ,课程号,成绩)

2. 关系型数据模型的核心特点

• 二维表结构：数据以行和列的形式组织，如引用[2]提到的“关系模型是表格的集合”
• 实体与关系：通过主键（如学号 学号学号）和外键（如选课表中的学号 学号学号）实现表间关联
• 规范化设计：通过范式（如1NF、2NF、3NF）减少数据冗余

3. 数据库模式设计步骤

4. 需求分析：明确业务需求（如查询频率、数据量）

5. 概念设计：使用ER图描述实体、属性和关系

6. 逻辑设计：将ER图转化为关系模式，定义表结构和约束

• 例如：将“学生-课程”多对多关系拆分为学生表、课程表和选课表

4. 规范化：应用范式理论优化表结构

• 如消除部分函数依赖（学号 → 姓名 学号 \rightarrow 姓名学号→姓名，但学号 + 课程号 → 成绩 学号+课程号 \rightarrow 成绩学号+课程号→成绩符合完全依赖）

5. 物理设计：根据DBMS特性优化存储（如索引设计）

6. 关系型模式设计工具

• ER图工具：如MySQL Workbench、PowerDesigner，可直观生成表结构和关联
• DDL语句：通过SQL实现模式定义

CREATE TABLE 学生表 (
    学号 INT PRIMARY KEY,
    姓名 VARCHAR(20),
    年龄 INT
);

数据库的三级模式结构

1. 外模式（External Schema）

• 定义：外模式是用户或应用程序看到的数据视图，也称为用户模式或子模式。
• 特点：
• 是概念模式的一个子集。
• 一个数据库可以有多个外模式，每个外模式针对不同的用户或应用需求。
• 用户通过外模式访问数据库，无需关心数据的全局逻辑结构或物理存储细节。
• 作用：
• 提供定制化的数据视图。
• 简化用户操作。
• 提高数据安全性（通过限制用户访问的数据范围）。
• 示例：
  在关系数据库中，外模式可以通过视图（View）实现：

CREATE VIEW StudentView AS
SELECT ID, Name, Age
FROM Student
WHERE Department = 'Computer Science';

2. 概念模式（Conceptual Schema）

• 定义：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。
• 特点：
• 描述整个数据库的全局逻辑结构。
• 一个数据库只有一个概念模式。
• 独立于具体的物理存储和应用程序。
• 作用：
• 提供统一的数据视图。
• 支持数据共享和数据独立性。
• 是数据库设计的基础。
• 示例：
  概念模式通常使用实体-联系模型（ER 模型）表示，例如：
• 实体：学生（Student）、课程（Course）。
• 属性：学生（ID, Name, Age）、课程（Code, Title, Credits）。
• 联系：学生选修课程（Enroll）。

3. 内模式（Internal Schema）

• 定义：内模式是数据的物理存储结构和存储方式的描述，也称为存储模式。
• 特点：
• 描述数据在存储设备上的实际存储方式。
• 一个数据库只有一个内模式。
• 与硬件和存储设备相关。
• 作用：
• 定义数据的存储结构（如文件组织、索引结构）。
• 优化存储性能。
• 支持数据恢复。
• 示例：
  内模式可能包括以下内容：
• 存储记录的类型：
  (ID: INT, Name: CHAR(20), Age: INT)
  。
• 存储域的表示：
  ID
  和
  Age
  使用 4 字节整数表示。
• 索引结构：在
  ID
  字段上创建 B+ 树索引。

三级模式之间的关系

1. 外模式与概念模式

• 外模式是概念模式的子集，为用户提供定制化的数据视图。
• 多个外模式可以映射到同一个概念模式。

2. 概念模式与内模式

• 概念模式描述数据的全局逻辑结构，内模式描述数据的物理存储结构。
• 概念模式独立于内模式，实现了数据的逻辑独立性。

3. 外模式与内模式

• 外模式通过概念模式间接与内模式关联。
• 用户通过外模式访问数据，无需关心内模式的具体实现。

数据独立性

数据库的三级模式结构实现了两种数据独立性：

1. 逻辑独立性

• 概念模式的变化不影响外模式。
• 例如，添加新的字段或表不会影响用户的视图。

2. 物理独立性

• 内模式的变化不影响概念模式。
• 例如，更改存储结构或索引方式不会影响数据的逻辑结构。

总结

• 外模式是用户看到的数据视图，一个数据库可以有多个外模式。
• 概念模式是数据库中全体数据的逻辑结构，一个数据库只有一个概念模式。
• 内模式是数据的物理存储结构，一个数据库只有一个内模式。
• 三级模式结构通过分层设计实现了数据的逻辑独立性和物理独立性，是数据库系统的核心框架。

理解数据库的模式结构，有助于设计出高效、灵活和安全的数据库系统。