數據模型

模型可更形象、直觀地揭示事物的本質特徵，使人們對事物有一個更加全面、深入的認識，從而可以幫助人們更好地解決問題。利用模型對事物進行描述是人們在認識和改造世界過程中廣泛採用的一種方法。計算機不能直接處理現實世界中的客觀事物，而數據庫系統正是使用計算機技術對客觀事物進行管理，因此就需要對客觀事物進行抽象、模擬，以建立適合於數據庫系統進行管理的數據模型。數據模型是對現實世界數據特徵的模擬和抽象 ^[2]  。

數據模型是數據庫設計中用來對現實世界進行抽象的工具，是數據庫中用於提供信息表示和操作手段的形式構架。數據模型是數據庫系統的核心和基礎 ^[3]  。

數據模型所描述的內容包括三個部分：數據結構、數據操作、數據約束 ^[4]  。

①數據結構：數據模型中的數據結構主要描述數據的類型、內容、性質以及數據間的聯繫等。數據結構是數據模型的基礎，數據操作和約束都建立在數據結構上。不同的數據結構具有不同的操作和約束 ^[4]  。

②數據操作：數據模型中數據操作主要描述在相應的數據結構上的操作類型和操作方式 ^[4]  。

③數據約束：數據模型中的數據約束主要描述數據結構內數據間的語法、詞義聯繫、它們之間的制約和依存關係，以及數據動態變化的規則，以保證數據的正確、有效和相容 ^[4]  。

數據模型按不同的應用層次分成三種類型：分別是概念數據模型、邏輯數據模型、物理數據模型 ^[5]  。

概念數據模型（Conceptual Data Model），是一種面向用户、面向客觀世界的模型，主要用來描述世界的概念化結構，它是數據庫的設計人員在設計的初始階段，擺脱計算機系統及DBMS的具體技術問題，集中精力分析數據以及數據之間的聯繫等，與具體的數據管理系統（Database Management System，簡稱DBMS）無關。概念數據模型必須換成邏輯數據模型，才能在DBMS中實現 ^[5]  。

在概念數據模型中最常用的是E-R模型、擴充的E-R模型、面向對象模型及謂詞模型 ^[5]  。

邏輯數據模型（Logical Data Model），是一種面向數據庫系統的模型，是具體的DBMS所支持的數據模型，如網狀數據模型(Network Data Model)、層次數據模型(Hierarchical Data Model)等等。此模型既要面向用户，又要面向系統，主要用於數據庫管理系統（DBMS）的實現 ^[5]  。

物理數據模型（Physical Data Model），是一種面向計算機物理表示的模型，描述了數據在儲存介質上的組織結構，它不但與具體的DBMS有關，而且還與操作系統和硬件有關。每一種邏輯數據模型在實現時都有其對應的物理數據模型。DBMS為了保證其獨立性與可移植性，大部分物理數據模型的實現工作由系統自動完成，而設計者只設計索引、聚集等特殊結構 ^[5]  。

數據發展過程中產生過三種基本的數據模型，它們是層次模型、網狀模型和關係模型。這三種模型是按其數據結構而命名的。前兩種採用格式化的結構。在這類結構中實體用記錄型表示，而記錄型抽象為圖的頂點。記錄型之間的聯繫抽象為頂點間的連接弧。整個數據結構與圖相對應。其中層次模型的基本結構是樹形結構；網狀模型的基本結構是一個不加任何限制條件的無向圖。關係模型為非格式化的結構，用單一的二維表的結構表示實體及實體之間的聯繫，關係模型是目前數據庫中常用的數據模型 ^[5]  。

將數據組織成一對多關係的結構，用樹形結構表示實體及實體間的聯繫 ^[5]  。

用連接指令或指針來確定數據間的網狀連接關係，是具有多對多類型的數據組織方式 ^[5]  。

以記錄組或數據表的形式組織數據，以便於利用各種實體與屬性之間的關係進行存儲和變換，不分層也無指針，是建立空間數據和屬性數據之間關係的一種非常有效的數據組織方法 ^[5]  。

數據模型應滿足三方面要求：一是能較好地模擬現實世界；二是容易為人所理解；三是便於在計算機中實現。一種數據模型要很好地、全面地滿足這三方面要求目前還很困難。因此，在數據庫系統中針對不同的使用對象和應用目的，應採用不同的數據模型。如同在建築設計和施工的不同階段需要不同的圖紙一樣，在開發實施數據庫應用系統中也需要使用不同的數據模型 ^[6]  。

1. 第一代數據庫系統 層次和網狀數據庫管理系統

層次和網狀數據庫的代表產品是IBM公司在1969年研製出的層次模型數據庫管理系統。層次數據庫是數據庫系統的先驅，而網狀數據庫則是數據庫概念、方法、技術的奠基。

2. 第二代數據庫系統 關係數據庫管理系統(RDBMS)

1970年，IBM公司的研究員E.F.Codd在題為《大型共享數據庫數據的關係模型》的論文中提出了數據庫的關係模型，為關係數據庫技術奠定了理論基礎。到了80年代，幾乎所有新開發的數據庫系統都是關係型的。真正使得關係數據庫技術實用化的關鍵人物是James Gray。Gray在解決如何保障數據的完整性、安全性、併發性以及數據庫的故障恢復能力等重大技術問題方面發揮了關鍵作用。關係數據庫系統的出現，促進了數據庫的小型化和普及化，使得在微型機上配置數據庫系統成為可能。

3. 新一代數據庫技術的研究和發展

目前已從多方面發展了現行的數據庫系統技術。我們可以從數據模型、新技術內容、應用領域三個方面概括新一代數據庫系統的發展。

(1) 面向對象的方法和技術對數據庫發展的影響最為深遠

80年代，面向對象的方法和技術的出現，對計算機各個領域，包括程序設計語言、軟件工程、信息系統設計以及計算機硬件設備等都產生了深遠的影響，也給面臨新挑戰的數據庫技術帶來了新的機遇和希望。數據庫研究人員借鑑和吸收了面向對象的方法和技術，提出了面向對象的數據庫模型(簡稱對象模型)。當前有許多研究是建立在數據庫已有的成果和技術上的，針對不同的應用，對傳統的DBMS，主要是RDBMS進行不同層次上的擴充，例如建立對象關係(OR)模型和建立對象關係數據庫(ORDB)。

(2) 數據庫技術與多學科技術的有機結合

數據庫技術與多學科技術的有機結合是當前數據庫發展的重要特徵。計算機領域中其他新興技術的發展對數據庫技術產生了重大影響。傳統的數據庫技術和其他計算機技術的結合、互相滲透，使數據庫中新的技術內容層出不窮。數據庫的許多概念、技術內容、應用領域，甚至某些原理都有了重大的發展和變化。建立和實現了一系列新型的數據庫，如分佈式數據庫、並行數據庫、演繹數據庫、知識庫、多媒體庫、移動數據庫等，它們共同構成了數據庫大家族。

(3) 面向專門應用領域的數據庫技術的研究

為了適應數據庫應用多元化的要求，在傳統數據庫基礎上，結合各個專門應用領域的特點，研究適合該應用領域的數據庫技術，如工程數據庫、統計數據庫、科學數據庫、空間數據庫、地理數據庫、Web數據庫等，這是當前數據庫技術發展的又一重要特徵。同時，數據庫系統結構也由主機/終端的集中式結構發展到網絡環境的分佈式結構，隨後又發展成兩層、三層或多層客户/服務器結構以及Internet環境下的瀏覽器/服務器和移動環境下的動態結構。多種數據庫結構滿足了不同應用的需求，適應了不同的應用環境。 ^[7]