数据库系统（上）：模型与语言：数据模型基础概念

# 1. 数据库系统概述

## 1.1 数据库系统的基本概念

数据库系统是指在计算机系统上，利用数据库管理系统（DBMS）对数据进行管理和存储的系统。数据库系统的基本概念包括数据、数据库、数据库管理系统和数据库应用系统等。数据是数据库系统中最基本的元素，而数据库是按照数据模型组织起来并存储在计算机中的数据集合。数据库管理系统是一种管理和操作数据库的系统软件，它提供了数据定义、数据操纵、数据控制和数据管理等功能。数据库应用系统是指基于数据库系统开发的应用软件，通过数据库管理系统对数据进行存储、查询、更新和管理。

## 1.2 数据库系统的组成部分

数据库系统由数据库、数据库管理系统（DBMS）、应用开发工具和数据库管理员构成。数据库是按照数据模型组织起来并存储在计算机中的数据集合，而数据库管理系统是对数据库进行管理和操作的系统软件。应用开发工具用于开发基于数据库系统的应用软件，数据库管理员则负责数据库系统的设计、维护和管理工作。

## 1.3 数据模型与数据库语言的关系

数据模型是用来描述数据、数据关系、数据约束和数据操作的概念工具，是数据库设计的基础，常见的数据模型包括层次模型、网状模型和关系模型。数据库语言是用来对数据库进行操作和管理的语言，包括数据定义语言（DDL）、数据操纵语言（DML）、数据查询语言（DQL）和数据控制语言（DCL）。数据模型与数据库语言之间存在密切的关系，数据库语言是根据数据模型设计的，不同的数据模型通常会使用相应的数据库语言来进行操作和管理。

希望这些内容能帮助你更好地了解数据库系统的概述。

# 2. 数据模型基础概念

数据模型是数据库系统中的重要概念之一，它定义了数据的组织方式和操作方式，决定了数据库系统的整体结构和功能。本章将介绍数据模型的基础概念，包括数据模型的定义与分类，以及常见的实体-关系模型和关系模型。

#### 2.1 数据模型的定义与分类

数据模型是描述现实世界中数据结构的一种方式，它定义了数据的结构、约束和操作，是数据库系统的基础。数据模型可以分为三类：

- 概念模型：用于描述现实世界中的概念与概念之间的关系，如实体-关系模型（ER模型）。
- 逻辑模型：用于描述数据库中数据的逻辑结构和约束，如关系模型、层次模型、网状模型等。
- 物理模型：用于描述数据在存储介质上的存储方式和访问方法，如磁盘存储、索引结构等。

#### 2.2 实体-关系模型（ER模型）介绍

实体-关系模型是最常用的数据模型之一，它用于描述现实世界中各种实体之间的关系。实体-关系模型由实体、属性和关系构成。

- 实体：表示现实世界中的一个对象或概念，如学生、教师、课程等。
- 属性：描述实体的特征或属性，如学生姓名、学号、性别等。
- 关系：表示不同实体之间的联系或关系，如学生和课程之间的选修关系。

在实体-关系模型中，使用实体-关系图来表示实体、属性和关系之间的关系，其中实体用矩形框表示，属性用椭圆形框表示，关系用菱形框表示。

#### 2.3 层次模型与网状模型的基本原理

除了实体-关系模型之外，还有层次模型和网状模型这两种数据模型。

- 层次模型：将数据组织成树状结构，有且只有一个根节点，每个节点可以有多个子节点，但只能有一个父节点。
- 网状模型：数据之间的关系是复杂的，可以有多个父节点和多个子节点，形成网状结构。

这两种模型在早期数据库系统中被广泛采用，但由于其复杂性和难以维护的特点，现已较少使用。

#### 2.4 关系模型的特点与应用

关系模型是目前主流的数据模型，它使用表格（关系）来组织和表示数据。关系模型具有以下特点：

- 数据以行和列的形式存储在表格中，每个表格称为一个关系。
- 表格的每一行称为一个元组，每一列称为一个属性。
- 表格之间通过共同的属性建立关系，利用关系代数进行操作和查询。

关系模型具有清晰简洁、易于理解和扩展性好等优点，在各个领域得到广泛应用。例如，在企业管理系统中，可以使用关系模型来组织和管理员工信息、产品信息、销售记录等。

# 3. 实体-关系模型与关系代数

## 3.1 实体与关系的概念

在数据库系统中，**实体**表示现实世界中的一个具体对象或事物，继而表示为数据库中的一个记录。一个实体可以具有多个属性，每个属性都有相应的取值范围。**关系**是实体之间的联系，它是通过一个共同的属性或属性集合来连接实体的。在关系型数据库中，关系由一个表格来表示，表格的每行则代表一个具体的实体。

## 3.2 实体-关系图的绘制与分析

绘制实体-关系图是数据库设计的重要步骤。通过绘制实体-关系图，可以清晰地表示现实世界中的实体、实体之间的联系以及属性。

下面以一个图书馆管理系统为例，说明实体-关系图的绘制与分析过程：

erDiagram
    CUSTOMER }|..|{ LOAN : "借书"
    LOAN ||--|{ BOOK : "所借图书"
    AUTHOR ||--o{ BOOK : "撰写"

在上述的实体-关系图中，我们可以看到：图书馆管理系统中有两个实体，即用户（CUSTOM