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  • 信息的三个世界
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    2022-07-09 21:01:12

            初读《信息科学技术与创新》,我了解到了一个“三个世界”的理论模型。即一个关于物理,生物和数字的模型。初次听到这个三个世界的理论时,只感到新奇,但随着不断阅读,我对三个世界的理解逐渐加深,才愈发感到其中的理论的实用与科学。

            首先是物理世界,即由物质与能量所组成的世界。如果说物质是组成我们这个世界的原料,而能量就是物质运动与变化的根本源泉与动力。我们身边的各种实在的物品都属于物理世界的一部分。其次便是生物世界,它是由具有生命的物体所组成的系统,它也被称为生物圈。它指地球上凡是出现并感受到生命活动影响的地区,是地表有机体包括微生物及其自下而上环境的总称,是行星地球特有的圈层。它也是人类诞生和生存的空间。生物世界中生物种类与形态繁多,包括各种不同的动物、植物和微生物,它的范围非常广泛。印象最深刻的是数字世界,它起源有许多假说,有认为在宇宙产生和演化的同时,数据作为物质和能量的基本特性同时产生,所以数据是物质与能量的基本特性,可独立于生命及人类的主观世界而存在的“唯物论”观点,也有认为数据是在生命诞生和演化同时出现和发展的。有了数据,生命才能够产生和进化;通过生命进化,数据才能够存在和发展,数据是生命的基本特征的“唯心论”观点等等。关于它的存在形式是非常多样化与多元化的,它存在于DNA和基因中的数据、大脑中的数据、感官数据、语言数据等等。

            从对于三个世界的定义中,不难看出物理、生物和数字世界的区别和联系:一方面,物理世界包含生物世界,生物世界包含数字世界;另一方面,生物世界起源于物理世界,是物理世界的系统性升级,具有许多物理世界没有的特征。数字世界则来源于生物和物理世界,是生物特别是人类的伟大创造。数字世界的存在、运行和发展离不开物理世界的基础和生物世界的推动。可以归纳为物理世界是生物和数字世界存在和生存的物质基础,生物世界是宇宙中地球上经过数亿年演变所产生的一种十分复杂动态却又高度有序的“负熵”现象,而数字世界是伴随生物世界而诞生并且由人类发展而迅速增大的虚拟空间。因为生物的存在离不开物理世界的基石——物质和能量。生物世界也遵守着熵的相关定理。而数据世界也受热力学相关定理的影响,比如理论上讲,物质宏观状态总是倾向于从有序到无序的规律与时间的单向性指向是一致的。在实际中,转为热能的能量不仅降低了能量的利用效率,也会引起物质温度升高,从而影响系统的性能。对于数据系统来讲,能量效率和热量管理是工程设计和技术创新的关键领域,也是最终限制技术和系统性能的物理极限。数据世界也与物理世界有着密不可分的关系。如数据的传递有时候要凭借电磁波的形式,而电磁波正是一种物理中的物质。

            同时,物质、能量与数据构成了人类所赖以生存和发展的客观和主观世界。物质、能量和数据是构成客观世界的基础。世界是由物质构成的,没有物质,世界便虚无缥渺。运动是物质存在的形式,是物质固有的属性,能量则是物质运动的度量。由于物质存在各种不同的运动形态,因此,能量也就具有不同形式。宇宙间一切运动着的物体都有能量的存在和转化。物质、能量与数据也在主观方面反映着不同时代人类科技进步和文明水平。他们也推动着人类主观世界的发展与进步。

            除此以外,数据在地球生命的演化和人类文明的进步中起到独特作用。

            比如数据在生命的产生与演化中起着至关重要的作用。在生命体内DNA中的数据,DNA分子属于双螺旋结构,由两条平行的链组成,两条链互相绕成螺旋状,每条链都由称为脱氧核糖的糖分子与磷酸在交替链接而成。不同的碱基序列代表记录着不同的数据,虽然现在没有对DNA数据的产生源头有一个准确的说法,但至少可以假定某种基于物质且由能量推动的数据系统的产生和运作是生命产生和进化的必要条件。生命诞生的过程中,产生构成生命各种化学反应的程序性知识以数据的方式写入DNA中。这些数据不仅可以根据需要进行复制,也可以作为算法通过生物化学系统产生生命所需的结构和功能。NDA可以通过复制、剪切和粘贴嵌入到细胞染色体的DNA上,从而改变碱基对的数量。这些重复性DNA片段占据了人类DNA序列的50%。它们其中一些作为基因组的一部分被保留下来。在人类的进化过程中,受到环境等各方面的压力,同时人类和其他高级生物的DNA在进化过程中在不同的时间尺度内经历过许多次组合、修改和交换,因此DNA中的数据在复制中不断积累与增长。

            除了DNA的数据,在大脑中的数据也占有着不可或缺的地位,而大脑中的储存数据量与神经元细胞和它们的数量存在着正相关的关系。与神经元连接相关的还有很多种处于不同状态的蛋白质。所有不同的连接数量、强度等级和蛋白质状态均可能与大脑中记录、存储和表达数据的方式相关。而外部世界事物的输入或着内部思维意识信号会激发大脑中不同部位许多神经元按某种模式产生复杂的化学反应、电压变化等。这些变化分布模式与所对应的外部输入产生某种相对固定的映射关系,从而产生了对应的数据。人脑对数据的储存的空间也无法估计。这些数据推动着生命的演化。数据在生命诞生和演化中的作用还在于它可以帮助生命抵抗热力学第二定律实现熵减。数据在这个过程中发挥了非常关键的作用,因为生命可以以DNA等方式对数据进行存储或者以转录的方式进行传递。在此过程中可能还会受到变异的影响,使数据更加多样化。

            数据在人类生存和发展中的作用具体表现为:数据与人类语言的关系和数据与科学技术的关系两个方面。

            在语言方面,它始于人类进化过程中某种群体环境:起初用于小范围家庭成员之间的交流与互动,后来逐渐扩大到部落之内以及与邻近部落的传播与协作。而在此过程中,由于种种空间和时间的限制,手势和口头的方式逐渐被语言输出数据的方式所取代。语言及其衍生的文字与书本等数据,以它的可以跨越空间和时间的能力,帮助人类的文明继续传承与传播下去,客观上促进了人类整体文明的进步与时代的发展。它从极大的程度上提高了人们之间相互交流与合作的效率,帮助科学的进步。

            在科学技术方面,数据也起到了至关重要的作用,比如因为数据在时代的发展之中不断进步与积累,那么大量的数据就可以预计整体事物发展的趋势与变化,因此就会有数据科学等等的学科的快速发展,而科学的基础是观察和逻辑推理,同样要研究数据自然界中观察方法,要研究数据推理的理论和方法,包括:数据的存在性、数据测度、时间、数据代数、数据相似性与簇论、数据分类与数据百科全书等。数据是存在于储存空间中的东西;信息是自然界、人类社会及人类思维活动中存在和发生的现象;知识是人们在实践中所获得的认识和经验。数据可以作为信息和知识的符号表示或载体,但数据本身并不是信息或知识。但它却可以记录信息与知识。那么在数据的发展中就会客观促进科学技术的更新与迭代。

            科学技术与数据已经形成了一种密不可分的关系,比如说科技的研发与调试是在上千次的数据实验中逐渐走向成熟与完善。大量的数据就如同各种经验的汇总,帮助科技的发展合理地规避错误。而科学技术的提升也反过来促进了数据的积累,发展出更多完善的数据统计方法。

            放眼现在的信息革命时代,以数据为内驱力的时代呈现出和农业与工业革命时代不同的特征。约在10000年前,人类由采集野生小麦发展为有意识的栽种,逐步到半定居等待收获的农耕生活方式。人类发明了农业、畜牧业。农业的革命是人类历史上的一次巨大革命在农业革命中,他的主要特征是将物质和生物打造成和传化为人类赖以生存的资源和工具。而第二次革命是工业革命,发生在18世纪60年代,在瓦特发明蒸气机之前,整个生产所需动力依靠人力和畜力。伴随蒸气机的发明和改进,工厂不再依河或溪流而建,很多以前依赖人力与手工完成的工作自蒸气机发明后被机械化生产取代。工业革命是一般政治革命不可比拟的巨大变革,其影响涉及人类社会生活的各个方面,使人类社会发生了巨大的变革,对人类的现代化进程推动起到不可替代的作用。工业革命的主要特征是通过对自然界能源的开发和利用进一步提高了人类驾驭和改造世界的能力。它的特征是智能化、全球化和技术革命群体化。信息革命时代的特征则是信息资源对人类社会的重要性超过了能源和物质资源, 成为社会生产力中起主导作用的因素。在这次革命中,人类社会发展的基本要素变成了物质、能量和数据。以数据为驱动的信息革命使知识的生产成为主要的生产形式,知识成了创造财富的主要资源。以数据为驱动的信息技术正在消解时间和距离的概念,信息的传递不再需要像农业革命时代那样需要信使等落后方式传送,而以数据为驱动,使信息的传输速度,传输的信息量相较于工业革命时代有了较大飞跃,大大加速了全球化的进程。数据之间的快速传导使各网络之间可以不考虑地理上的联系而重新组合在一起。信息的传递和交换也变得日益频繁。

            三个世界之间的结合与共同作用,极大程度上拓宽了人类的生存空间与发展未来前景,推动着人类文明的向前与科技的进步。

    参考文献:

    黄卫平. 数据智能科学技术导论[M].北京:清华大学出版社,1-274.

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    数据库原理与应用(4)——三个世界及其有关概念、数据模型

    三个世界及其有关概念

    ​ 数据库管理的对象(数据)存在于现实世界中,即现实世界中的事物及其各种关系。

    ​ 从现实世界的事物到存储到计算机的数据库中的数据,要经历现实世界信息世界计算机世界三个不同的世界,经历两级抽象转换完成

    1、现实世界

    即客观存在的世界,由客观存在的事物及其联系所组成

    • 人们总是选用感兴趣的最能表征一个事物的若干特征来描述该事物
    • 客观世界中,事物之间是相互联系的,但人们只选择那些感兴趣的联系
    2、信息世界(概念世界)
    • 是现实世界在人们头脑中的反映,经过人脑的分析、归纳和抽象,形成信息,人们把这些信息进行记录、整理、归类和格式化后,就构成了信息世界

    • 信息世界是对客观事物及其联系的一种抽象描述

    • 从现实世界到概念世界是通过概念模型来表达的

      • 概念模型:又称信息模型,是按用户的观点对数据和信息建模,不依赖于具体的计算机系统,只是用来描述某个特定组织所关心的信息结构

    相关概念

    • 实体:客观存在并且可以相互区别的“事物”,实体可以使具体的人、事、物,也可以是抽象的事件
    • 属性:实体所具有的某一特性称为属性 型——属性名 值——具体值
    • 实体型:具有相同属性的实体必然具有共同的特征;用实体名及其属性名集合来抽象和描述同类实体,称为实体型
    • 实体集:同型实体的集合称为实体集
    • :能唯一标识一个实体的属性或属性集,称为实体的码
    • :某一属性的取值范围
    • 两个实体型间的联系:指两个不同的实体集间的联系,包括一对一联系、一对多联系、多对多联系
    3、计算机世界
    • 又叫数据世界,是对现实世界的第二层抽象,即对信息世界中信息的数据化,将信息用字符和数值等数据表示,使用计算机存储并管理概念世界中描述的实体集、实体、属性和联系的数据
    • 信息世界到数据世界,使用数据模型来描述,数据库中存放数据的结构是由数据模型决定的

    相关概念

    • 字段(Field):标记实体属性的命名单位,字段名往往和属性名相同。如学生的学号、姓名、年龄、性别等
    • 记录(Record):一个记录描述一个实体,字段的有序集合。如一个学生(99001,张立,20,男,计算机)
    • 文件(File):用来描述实体集的,同一类记录的集合
    • 关键字(Key):能唯一标识文件中每个记录的字段或字段集

    三个世界各术语的对应关系

    现实世界信息世界计算机世界
    事物总体实体集文件
    事物个体实体记录
    特征属性字段
    事物间联系实体模型数据模型

    数据模型

    ​ 数据模型用来描述数据及其联系

    ​ 数据库中存放数据的结构是由数据模型决定的,数据模型是数据库的框架,是数据库系统的核心和基础

    1、数据模型的概念

    数据模型是描述数据、数据联系、数据的语义和完整性约束的概念集合,由数据结构数据操作完整性约束三要素组成

    1. 数据结构:即数据组织的结构,用于描述系统的静态特征,描述数据库的组成对象以及对象间的联系

      • 一是描述数据对象的类型、内容、性质等
      • 二是描述数据对象间的联系

      常用的数据结构

      • 层次结构----层次模型----层次数据库
      • 网状结构----网状模型----网状数据库
      • 关系结构----关系模型----关系数据库
    2. 数据操作:对数据库中的数据允许执行的操作的集合,包括操作及相应的操作规则(优先级)等,描述了数据库的动态特性

      • 一类是查询操作
      • 一类是更新操作(插入、删除、修改)
    3. 数据的完整性约束:一组完整性规则的集合

      • 完整性规则是数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则
      • 用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化,以保证数据的正确、有效、相容

    2、常用的数据模型

    1. 层次模型

      • 采用树形结构(有根数)来表示实体及其实体间的联系的模型。树形结构中的结点表示实体型,实体型见的联系用指针表示
      • 采用层次模型的数据库的典型代表是IBM公司1968年推出的IMS数据库管理系统
      • 特点
        • 有且仅有一个结点没有双亲,根结点
        • 根以外的其他结点有且仅有一个双亲结点
        • 父子结点之间的联系是一对多的联系
      • 层次模型的数据操纵与数据完整性约束
        • 进行插入操作时,如果没有相应的双亲结点值就不能插入子女结点值
        • 进行删除操作时,如果删除双亲结点值,则相应的子女结点值也被同时删除
        • 修改操作时,应修改所有相应的记录,以保证数据的一致性
      • 优点
        • 结构简单,层次分明
        • 查询效率高,从根节点到树中任一结点均存在一条唯一的层次路径
        • 提供良好的数据完整性支持
      • 缺点
        • 不能直接表示多对多联系
        • 插入和删除数据限制太多
        • 查询子女结点必须通过双亲结点
    2. 网状模型

      • 网状模型是采用有向图结构表示实体以及实体之间联系的数据模型
      • 每个结点表示一个实体型
      • 结点间的带箭头的连线(或有向边)表示记录型间的1:n 的父子联系
      • 比较有代表性的系统是:数据系统语言研究会CODASYL提出的DBTG系统
      • 特点
        • 有一个以上的结点没有双亲结点
        • 允许结点有多个双亲结点
        • 允许两个结点之间有多种联系(复合联系)
      • 网状模型的数据操纵与完整性约束
        • 插入数据时,允许插入尚未确定双亲结点值的子女结点
        • 删除数据时,允许只删除双亲结点值
        • 修改数据时,只需要更新指定记录即可
      • 优点
        • 可表示实体间的多种复杂联系
        • 具有良好的性能和存储效率
      • 缺点
        • 数据结构复杂
        • 数据定义语言、数据操纵语言复杂
        • 用户需要了解网状模型的实现细节
    3. 关系模型

      • 以二维表(关系)的形式表示实体和实体之间联系的数据模型
      • 关系数据库的代表:IBM公司的System R
      • 关系模型的数据结构是一张规范化的二维表,它由表名、表头和表体三部分构成

      相关概念

      • 分量:每一行对应的列的属性值,即为元组中的一个属性值
      • 候选码:可唯一标识一个元组的属性或属性集
      • 关系模式:对关系的描述,是关系模型的“型”,一般表示为 关系名(属性1,属性2,…)

      关系模型的数据操纵与完整性约束

      • 关系模型的数据操纵主要包括查询、插入、删除和修改
      • 关系模型中的数据操作是集合操作,操作对象和操作结果都是关系,即若干元组的集合
      • 关系模型把对数据的存取路径隐藏起来,用户只要提出“干什么”,而不必详细说明“怎么干”,从而大大地提高了数据的独立性提高了用户操作效率

      优点

      • 有严格的数学理论根据
      • 数据结构简单、清晰、用关系描述实体及其联系
      • 具有更高的数据独立性、更好的安全保密性

      缺点

      • 查询效率不如非关系模型
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  • 三个世界现实世界信息世界计算机世界从数据模型角度看三个世界E-R图总结 现实世界 现实世界也就是客观存在的世界,这一概念在数据库中指的是对某一事物的描述,描述其各方面特征以及是否与其他事物存在联系 信息...

    现实世界

    现实世界也就是客观存在的世界,这一概念在数据库中指的是对某一事物的描述,描述其各方面特征以及是否与其他事物存在联系

    信息世界

    信息世界是对客观事物的抽象描述,是对现实世界经过分析、归纳和抽象得到的信息,这样的信息具有一定的格式。

    信息世界中存在以下概念:

    • 实体:指现实世界中一个客观存在并能区别的事物
    • 属性:实体的某一特征
      • 属性型:指属性名
      • 属性值:某一属性名的一个具体值
    • 实体集:同一类型实体的集合,比如所有学生是一个实体集
    • 实体型:实体名 + 所有属性名,如学生(姓名,学号,年龄,性别,··)
    • 码:能为一标识一个实体的属性或属性集称为实体的码
    • 域:属性的取值范围,比如性别这一属性的域就是{男,女}
    • 联系:单个实体型内部的属性存在着联系,不同实体型之间也存在着联系

    对于两个实体型之间的联系有如下三种类型

    • 一对一:A实体集中的每一个实体最多对应B实体集中的一个实体
    • 一对多:A实体集中的每一个实体可以对应B实体集中的多个实体
    • 多对多:A实体集对实体集B一对多,同时实体集B对实体集A也是一对多的关系

    两个实体型之间的联系是实体与实体的对应关系,而单个实体型内部联系通常是属性与属性的关系
    一对一中,强调最多是因为,一对一关系中,不是所有A实体集中的实体在B中都有一个与它对应
    另外,对于多个实体型之间的联系,其说到底也是由多个两个实体型之间的联系组合形成的两实体型之间的联系

    计算机世界

    计算机世界是对信息世界的再一次抽象,将其信息化,使得信息能够存储在计算机中,有如下点:

    • 字段:就是属性名,有型和值
    • 记录:字段的有序集合,有型和值
    • 文件:同类记录的集合,也就是一个实体集
    • 关键字:能够唯一标识每个记录的字段或字段集
      三个世界的对应关系

    从数据模型角度看三个世界

    三个世界,两级抽象

    概念模型:也叫信息模型,对现实世界的一级抽象的结果
    数据模型:也叫逻辑模型是对数据及其联系的描述,包括了组织方式、表达方式和存储路径,它是对现实世界的两级抽象的结果

    数据模型的一般组成要素

    • 数据结构:包括了数据的类型、内容、性质以及数据之间的联系
      • 有层次结构、网状结构、关系结构
    • 数据操作:对数据的增、删、改、查、排序等
    • 数据的完整性约束:对数据的约束,比如规定值域,规定对数据的操作

    数据模型的常用类型

    • 层次模型
      单个树形结构,只有一个根节点
      层次模型

    层次结构的数据操纵与数据完整性约束

    • 插入时(操纵),没有双亲的不能插入子女结点值(约束)(下同)
    • 删除时,如果删除双亲结点,对应子女也很会被删除
    • 修改时,应该修改对应的记录来保证数据的一致性(也就是会有修改双亲的可能)

    优点:简单、分明、查询效率高、提供良好数据完整性支持
    缺点:不能表示多对多联系,插入和删除限制多、查询子女必须通过双亲结点

    • 网状模型
      采用有向图结构来表示,也是离散中图论常见的形式,没有根节点
      网状模型

    与层次模型的区别
    网状可以没有双亲、可有多个双亲、两个节点多种联系
    层次是网状的特例
    网状结构的数据操纵与数据完整性约束

    • 插入数据时,允许插入尚未确定双亲的结点
    • 删除数据时,允许只删除双亲
    • 修改数据时,只需更新指定记录

    优点:可实现多种复杂联系、具有良好性能和存储效率
    缺点:数据结构复杂、数据定义、数据操纵语言复杂、用户需要了解系统结构细节

    • 关系模型
      通过二维表的形式来存储数据,通过关系来表示数据结构
      (这里的关系抽象来说就是1:1、1:n、m:n)
      二维表

    分量:每一行对应的属性值
    关键字:可唯一标识一元组的属性或属性集(如某个学生的学号)
    关系模式:对关系的描述,如:学生(学号,姓名,性别,年龄,专业,班级)
    关系实列:也就是关系模式的某一个“值”
    关系模型的数据操纵与完整性约束

    • 操作对象和操作结构都是关系,(集合为操作对象)
    • 用户不需要知道数据存储路径,只需要指出做什么就行
    • 能进行记录集合的操作

    优点:有严格的数学理论依据、用关系描述实体间联系、更高的数据独立和保密性
    缺点:查询效率不如非关系模型

    • 面向对象模型
      对象间的对应

    对象:现实世界实体的模型化
    对象标识:独立于对象和存储位置,是一种逻辑标识符,通常由系统产生
    对象内部相同和标识符相同才认为两个对象相同
    对象中包含一组属性和方法(函数)
    类:具有同样属性和方法集的对象构成

    • 类的属性可以说数据类型
    • 类的表示具有层次性和继承性

    优点:能完整描述现实世界的数据结构、具有丰富的表达能力
    缺点:模型相对复杂、涉及知识比较多

    E-R图

    E-R图中,由三部分组成:实体、属性、关系
    图形表示方法
    三种对应关系的表示1:1、1:n、m:n
    实例
    E-R图实例

    总结

    三个世界中,现实世界于信息世界都是于计算机无关的,只有经过两级抽象后得到的数据模型才能够被计算及使用和存储
    对于信息世界的描述,即概念模型是通过E-R图来描述的
    在关系模型中,二维表是存储数据的一个方式,他们之间的联系是通过认为规定的“关系”来确定的

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  • 三个世界及有关概念 数据库管理的对象(数据)存在于现实世界中,即现实世界中的事物及各种联系。 从现实世界的事物到存储到计算机的数据库中的数据,要经历现实世界、信息世界和计算机世界三个不同的世界,经历两级...

    三个世界及有关概念

    数据库管理的对象(数据)存在于现实世界中,即现实世界中的事物及各种联系。

    从现实世界的事物到存储到计算机的数据库中的数据,要经历现实世界、信息世界和计算机世界三个不同的世界,经历两级抽象和转换完成。

    1. 现实世界

    即客观存在的世界,由客观存在的事物及其各种联系组成。

    • 人们总是选用感兴趣的最能表征一个事物的若干特征来描述该事物;
    • 客观世界中,事物之间是相互联系的,但人们只选择那些感兴趣的联系。

    2. 信息世界(概念世界)

    • 是现实世界在人们头脑中的反映,经过人脑的分析、归纳和抽象,形成信息,人们把这些信息进行记录、整理、归类和格式化之后,就构成了信息世界。
    • 信息世界是对客观事物及其联系的一种抽象描述,如学生、教师
    • 从现实世界到概念世界是通过概念模型来表达的,比如E-R模型。
    • 概念模型:又叫信息模型,是按用户的观点对数据和信息建模,不依赖于具体的计算机系统,只是用来表述某个特定组织所关心的信息结构。
    相关概念
    • 实体:客观存在并且可以相互区别的事物。

      实体可以是具体的人、事、物、也可以是抽象的事件。

    • 属性:实体所具有的某一特征。

      型——属性名。值——具体值。

    • 实体型:具有相同属性的实体必然具有共同的特征。用实体名及其属性名集合来抽象和描述同类实体,称为实体型。

    • 实体集:同型实体的集合称为实体集。如所有的学生,所有的课程等。

    • :能唯一标识一个实体的属性或属性集称为实体的码。如学生的学号就是学生实体的码。

    • :某一属性的取值范围称为该属性的域。如性别的域为男和女。

    • 两个实体型间的联系:两个不同的实体集间的联系。包括一对一联系、一对多联系、多对多联系。

    3. 计算机世界

    • 又叫数据世界,是对现实世界的第二层抽象,即对信息世界中信息的数据化,将信息用字符和数值等数据表示,使用计算机存储并管理概念世界中描述的实体集、实体、属性和联系的数据
    • 信息世界到数据世界,使用数据模型来描述,数据库中存放数据的结构是由数据模型决定的。
    相关概念
    • 字段(Field):标记实体属性的命名单位称为字段,字段名往往和属性名相同。如学生由学号、性别、姓名、年龄等字段。
    • 记录(Record):一个记录描述一个实体,字段的有序集合称为记录。
    • 文件(File):用来描述实体集。同一类记录的集合称为文件。
    • 关键字(Key):能唯一标识文件中每个记录的字段或字段集。如学生的学号。

    三个世界各术语概念的对应关系

    现实世界信息世界计算机世界
    事物总体实体集文件
    事物个体实体记录
    特征属性字段
    事物间联系实体模型数据模型

    数据模型

    数据模型用来描述数据及其联系。

    数据库中存放数据的节后是由数据模型决定的,数据模型是数据库的框架,是数据库系统的核心和基础

    1. 数据模型的概念

    • 数据模型是描述数据、数据联系、数据的语义和完整性约束的概念集合,由数据结构、数据操作和完整性约束三要素组成。

      • 数据结构:即数据组织的结构, 用于描述系统的静态特征,描述数据库的组成对象以及对象间的联系,即

        • 一是描述数据对象的类型、内容、性质等;
        • 二是描述数据对象间的联系。

        常用的数据结构有层次结构、网状结构、关系结构。(结构——模型——数据库)

      • 数据操作:对数据库中的数据允许执行的操作的集合,包括操作及相应的操作规则(优先级等),描述了数据库的动态特性。

        • 一类是查询操作;
        • 一类是更新操作(含插入、删除和修改)。
      • 数据的完整性约束:一组完整性规则的集合。

        完整性规则是数据模型中数据及其联系所具有的制约和依存规则。

        用以限定符合数据模型的数据库状态以及状态的变化,以保证数据的正确、有效、相容。

    2. 常用的数据模型

    A. 层次模型

    网状模型的数据结构
    • 层次模型是采用树型结构(有根树)来表示实体以及实体间的联系的模型。树形结构中的结点表示实体型,实体型间的联系用指针表示。
    • 采用层次模型的数据库的典型代表是IBM公司的IMS数据库管理系统

    特点

    • 有且仅有一个结点没有双亲——根节点
    • 根以外的其他结点有且仅有一个双亲结点;
    • 父子结点之间的联系是一对多的联系。

    层次模型的数据操控与数据完整性约束

    • 进行插入操作时,如果没有对应的双亲结点值就不能插入子女结点值,
    • 进行删除操作时,如果删除双亲结点值,则相应的子女结点值也被同时删除
    • 进行修改操作时,应修改所有相应的记录,以保证数据的一致性。

    优点

    • 结构简单,层次分明
    • 查询效率高,从根结点到树中任一结点均存在一条唯一的层次路径
    • 提供良好的数据完整性支持

    缺点

    • 不能直接表示多对多联系
    • 插入和删除数据限制太多
    • 查询子女结点必须通过双亲结点

    B. 网状模型

    网状模型的数据结构
    • 网状模型时采用有向图结构表示实体以及实体之间联系的数据模型。
    • 每个结点表示一个实体型。
    • 节点间的带箭头的连线(或有向边)表示记录型间的1:n的父子关系。
    • 比较有代表性的系统是数据系统语言研究会提出的DBTG系统

    网状模型的特点

    • 有一个以上的结点没有双亲结点
    • 允许结点有多个双亲结点
    • 允许两个结点之间有多种联系(复合联系)

    层次模型的数据操控与数据完整性约束

    • 插入数据时,允许插入尚未确定双亲结点值的子女结点值
    • 删除数据时,允许只删除双亲结点值
    • 修改数据时,秩序更新指定记录即可
    优点
    • 可表示实体间的多种复杂联系
    • 具有良好的性能和存储效率
    缺点
    • 数据结构复杂
    • 数据定义语言、数据操纵语言复杂
    • 用户需要了解网状模型的实现细节

    C. 关系模型

    关系模型的数据结构
    • 以**二维表(关系)**的形式表示实体和实体之间联系的数据模型。

    • 典型代表是IBM公司提出的关系数据库System R。

      小型数据库系统:Foxpro、Access

      大型数据库系统:Oracle、SQL Server、Informix、Sybase、MySQL

    • 关系模型的数据结构是一张规范化的二维表,由表名、表头和表体三部分构成。

    • 相关概念

      分量:每一行对应的列的属性值,即为元组中的一个属性值。

      候选码:可唯一标识一个元组的属性或属性集。如学号可唯一确定一个学生,为学生关系S表的主码。

      关系模式:对关系的描述,是关系模型的型。一般表示为:关系名(属性1,属性2,…属性n)

    关系模型的数据操控与数据完整性约束
    • 关系模型的数据操纵主要包括查询、插入、删除、修改
    • 关系模型中的数据操作是集合操作,操作对象和操作结果都是关系,即若干元组的集合。
    • 关系模型把对数据的存取路径隐蔽起来,用户只要指出“干什么”,而不用详细说明“怎么干”,从而大大的提高了数据的独立性,提高了用户操作效率
    优点
    • 有严格的数学理论根据
    • 数据结构简单、清晰,用关系描述实体及其联系
    • 具有更高的数据独立性、更好的安全保密性
    缺点
    • 查询效率不如非关系模型。
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空空如也

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