软件架构师—数据库系统之数据库结构与模式

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数据库管理系统的类型通常有多个分类标准。如按数据模型分类、按用户数分类、按数据库分布站点分类等。这里主要讨论按数据模型分类。当前，许多商业DBMS中所用的主要数据模型任然是关系型数据模型。有些商业系统中实现了对象系统模型，但没有得到广泛使用。近几年随着NoSQL技术的兴起，也产生了一些新的数据模型。目前常见的DBMS按数据模型划分，包括：关系型DBMS、键值型DBMS、对象型DBMS、文档型DBMS等。

数据库模式与范式是数据库系统中的两个重要概念，是进行数据库设计的基础。

数据库技术中采用分级的方式将数据库的结构换分为多个层次，最著名的是美国ANSI/SPARC数据库系统研究组于1975年提出的三级划分法。如下图：

数据库系统的机构层次

如上图，数据库系统划分为三个抽象级：用户级、概念级、物理级。

1. 用户级数据库对应于外模式，是最接近用户的一级数据库，是用户可以看到和使用的数据库，又称为用户试图。主要由外部记录组成，不同的用户视图可以相互重叠，用户的所有操作是针对用户视图进行的。
2. 概念级数据库对应于概念模式，介于用户级和物理级之间，是所有用户视图的最小并集，是 数据库管理员可以看到和使用的数据库，又称DBA（DataBase Administrator，数据库管理员）视图。由概念视图组成，一个数据库可以有多个不同的用户视图，每个用户视图由数据库某一部分的抽象概念记录组成。一个数据库应用系统只存在一个DBA视图，它把数据库作为一个整体的抽象表示。概念级模式把用户视图有机地结合成一个整体，综合平衡考虑所有用户要求，实现数据一致性、最大限度降低数据冗余、准确的反映数据间的联系。
3. 物理级数据库对应于内模式，是数据库的底层表示，它描述数据的实际存储组织，是最接近于物理存储的级，又称为内部视图。物理级数据库由内部记录组成，并不是真正的物理存储，而是最接近物理存储的级。

数据库系统的三级模式分别为：外模式、概念模式、内模式。

1. 外模式用于描述用户看到或使用的那部分的逻辑结构，用户根据外模式用数据操作语句或应用程序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。一个数据库可以有多个外模式，一个应用程序只能有一个外模式。
2. 概念模式用以描述整个数据库中数据库的逻辑结构，描述现实生活中的实体及其性质和联系，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。也是数据库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。
3. 内模式定义的是存储记录的类型、存储域的表示以及存储记录的物理顺序，指引元、索引和存储路径等数据的存储组织。

两级独立性是指物理独立性和逻辑独立性。三个抽象级间通过两级映射（外模式—模式映射，模式—内模式映射）进行相互转换，使得数据库的三级形成一个整体。

物理独立性是指用户的应用程序和存储在磁盘上的数据是相互独立的。当数据的物理存储改变时，应用程序不需要改变。物理独立性存在于概念模式和内模式之间的映射转换，说明物理组织发生变化时应用程序的独立程度。

逻辑独立性是指用户的应用程序与数据库中的逻辑结构是相对独立的。当数据的逻辑结构改变时，应用程序不需要改变，逻辑独立存在于外模式和概念模式之间的映射转换，说明概念模式发生变化时应用程序的独立程度。