模型是现实世界特征的模拟和抽象。在数据库技术中，用数据模型的概念描述数据库的结构和语义，是对现实世界的数据抽象。数据模型是研究数据库技术的核心和基础。

1.概念数据模型（CDM）

    现实世界主要涉及以下一些概念：
    （1）实体（Entity）
    客观存在并可相互区别的事物称为实体。
    可以是具体的人、事、物或抽象的概念。
    （2）属性（Attribute）
    实体所具有的某一特性称为属性。
    一个实体可以由若干个属性来刻画。
    （3）码（Key）
    唯一标识实体的属性集称为码。
    （4）实体型（Entity Type）
    用实体名及其属性名集合来抽象和刻画同类实体称为
实体型
    （5）实体集（Entity Set）
    同一类型实体的集合称为实体集
    （6）联系（Relationship）
    现实世界中事物内部以及事物之间的联系在信息世界中反映为实体（型）内部的联系和实体（型）之间的联系。
    实体内部的联系通常是指组成实体的各属性之间的联系
    实体之间的联系通常是指不同实体集之间的联系
    实体之间的联系有一对一、一对多和多对多等多种类型

    概念数据模型是现实世界到信息世界的第一层抽象，主要是在高水平和面向业务的角度对信息的一种描述，通常作为业务人员和技术人员之间沟通的桥梁。作为现实世界的概念化结构，这种数据模型使得数据库的设计人员在最初的数据库设计阶段将精力集中在数据之间的联系上，而不用同时关注数据的底层细节（如所用的计算机系统的特性以及数据库管理系统—DBMS的特性）。

    概念数据模型主要的贡献在于分析数据之间的联系，它是用户对数据存储的一种高度抽象，反应的是用户的一种业务层面的综合信息需求。

    在这个阶段一般会形成整个数据模型或者是软件系统中的实体的概念以及实体之间的联系，为构建逻辑数据模型奠定基础。下图中描述了现实世界和信息世界以及最终转换成计算机世界信息的转换流程。

    设计概念数据模型的主要工具是E-R图，扩展的E-R图。
    概念模型的表示方法最常用的是P.P.Chen于1976年提出的"实体-联系图方法（Entity-Relationship Approach），简称E-R模型"。E-R实体联系图是直观表示概念模型的工具，其中包含了实体、联系、属性三个成分，联系的方法为一对一（1:1）、一对多（1:N）、多对多（M:N）三种方式，联系属于哪种方式取决于客观实际本身。
    E-R模型图，既表示实体，也表示实体之间的联系，是现实世界的抽象，与计算机系统没有关系，是可以被用户理解的数据描述方式。通过E-R模型图可以使用户了解系统设计者对现实世界的抽象是否符合实际情况，从某种程度上说E-R模型图也是用户与系统设计者进行交流的工具，E-R模型图已成为概念模型设计的一个重要设计方法。
　　

2.逻辑数据模型（LDM）

数据模型由三部分组成：数据结构、数据操作和数据约束。
　　(1)数据结构：数据结构主要描述数据的类型、内容、性质、以及数据之间的联系，是整个数据模型的基础，而针对数据的操作和数据之间的约束都是建立在数据结构的基础上的；
　　(2)数据操作：主要定义了在相应的数据结构上的操作类型和操作方式（数据库中的增删改查等）；
　　(3)数据约束：数据约束主要用来描述数据库中数据结构之间的语法、词义联系以及彼此之间的相互约束和制约关系（如MySQL中使用外键保证数据之间的数据完整性）

逻辑数据模型是对概念数据模型进一步具体化，在概念数据模型定义实体的基础上定义了各个实体的属性，是用户从数据库的角度能够看到的数据的模型，是所使用的数据库管理系统（Database Management System，DBMS）所支持的数据类型（网状数据模型、层次数据模型、关系数据模型）。这种数据模型架起了用户和系统之间的桥梁，既要面向用户，同时也考虑到了所用的DBMS所支持的特性。

逻辑数据模型反映了系统分析设计人员针对数据在特定的存储系统（如MySQL）的观点，是对概念数据模型的进一步细化和划分。逻辑数据模型是根据业务之间的规则产生的，是关于业务对象、业务对象数据以及业务对象彼此之间关系的蓝图。

逻辑数据模型的内容包括所有的实体、实体的属性、实体之间的关系以及每个实体的主键、实体的外键（用于维护数据完整性）。其主要目标是尽可能详细的描述数据，但是并不涉及这些数据的具体物理实现。逻辑数据模型不仅会最终影响数据库的设计方向，并最终会影响到数据库的性能（如主键设计、外键等都会最终影响数据库的查询性能）。

逻辑数据模型是开发物理数据库的完整文档，逻辑数据模型主要采用的是层次模型、网状模型、关系模型，其中最常用的是关系模型，对应的数据库称之为关系型数据库，如MySQL。
　　常用的结构数据模型是关系模型和面向对象模型，关系模型的理论基础是数学理论，数据的操作通过关系运算实现。在关系模型中用二维表表示实体及实体之间的联系，关系模型的实例称为关系。从数学的观点上看，关系是集合，其元素是元组（记录）。遵循一定的规则后，可以将E-R模型图转换成关系模型。


    将E-R模型图转换成关系模型的规则：
E-R模型图中的主要成分是实体及实体之间的联系，对于实体的转换方式是：
　　1) 将一个实体转换成一个关系模型。实体的属性为关系模型的属性，实体的标识符为关系模型的关键字，如上图所示的E-R模式中有两个实体：学生、课程，可以分别转换学生模型和课程模型：
    学生模型（学号,姓名,性别,年龄），学号是学生模型的关键字
    课程模型（课程号，课程名，学时数），课程号是课程模型的关键字
    2) 联系转换为关系模型。联系转换成关系模型时，要根据联系方式的不同采用不同的转换方式：
    若联系的方式是一对一的(1:1)，可以在两个实体关系模型中的任意一个关系模型中加入另一个关系模型的关键字和联系类型的属性。
    若联系方式是一对多的(1:N)，则在N端（为多的一端）实体的关系模型中加入1端实体关系模型的关键字和联系类型的属性
    若联系方式是多对多的（M:N），则将联系也转换成关系模型，其属性是互为联系的两个实体的关键字和联系的属性

3.物理数据模型（PDM）

物理数据模型，又称为物理模型，是概念数据模型和逻辑数据模型在计算机中的具体表示。该模型描述了数据在物理存储介质上的具体组织结构，不但与具体的数据库管理系统相关，同时还与具体的操作系统以及硬件有关，但是很多工作都是由DBMS自动完成的，用户所要做的工作其实就是添加自己的索引等结构即可。

物理数据模型是在逻辑数据模型的基础上，综合考虑各种存储条件的限制，进行数据库的设计，从而真正实现数据在数据库中的存放。其主要的工作是根据逻辑数据模型中的实体、属性、联系转换成对应的物理模型中的元素，包括定义所有的表和列，定义外键以维持表之间的联系等，具体例子如下：

1.2 数据模型

数据模型是对现实世界数据特征的抽象。

通俗地讲数据模型就是现实世界的模拟。

数据模型应满足三方面要求：

• 能比较真实地模拟现实世界；
• 容易为人所理解；
• 便于在计算机上实现；

数据模型是数据库系统的核心和基础。

一、两类数据模型

数据模型分为两类（两个不同的层次）

• 概念模型，也称信息模型
  它是按用户的观点来对数据和信息建模，用于数据库设计。
• 逻辑模型和物理模型
  逻辑模型主要包括网状模型、层次模型、关系模型、面向对象数据模型、对象关系模型、半结构化数据模型等。

按计算机系统的观点对数据建模，用于DBMS实现。

• 物理模型是对数据最底层的抽象
  描述数据在系统内（磁盘上）的表示方式和存取方式。

二、概念模型

1、信息世界中的基本概念

实体-联系方法

三、数据模型的组成要素

• 数据模型是严格定义的一组概念的集合
• 精确地描述了系统的静态特性、动态特性和完整性约束条件

数据模型由三部分组成

• 1、数据结构—描述系统的静态特性
• 2、数据操作—描述熟悉同的动态特性
• 3、完整性约束

1、数据结构

2、数据操作

3、数据的完整性约束条件

四、常用的数据类型

五、层次模型

层次模型是用树结构来表示各类实体以及实体之间的联系

表示方法：

• 实体型：
  用记录描述，每个结点表示一个记录类型（实体）
• 属性：
  用字段描述，每个记录类型可以包含若干个字段
• 联系：
  用结点之间的连线表示记录类型（实体）之间的一对多的父子联系

层次模型的定义

满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型

• 1、有且只有一个结点没有双亲结点，这个结点称为根结点
• 2、根以外的其他结点有且只有一个双亲结点

1、层次模型的数据结构

2、层次模型的数据操纵与完整性约束

层次模型的数据操纵

• 查询
• 插入
• 删除
• 更新

层次模型的完整性约束条件

• 无相应的双亲结点就不能插入子女结点值
• 如果删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被同时删除
• 更新操作时，应更新所有相应记录，以保证数据的一致性

3、层次模型的优缺点

优点：

• 层次模型的数据结构比较简单清晰
• 查询效率高，性能优于关系模型，不低于网状模型
• 层次模型数据结构提供了良好的完整性支持

缺点：

• 结点之间的多对多联系表示不自然
• 对插入和删除操作的限制多，应用程序的编写比较复杂
• 查询子女结点必须通过双亲结点
• 层次数据库的命令（语言）趋于程序化

六、网状模型

网状数据库系统采用网状结构来表示各类实体以及实体间的联系

表示方法（与层次数据模型相同）

• 实体型：
  用记录描述，每个结点表示一个记录类型（实体）
• 属性：
  用字段描述，每个记录类型可以包含若干个字段
• 联系：
  用结点之间的连线表示记录类型（实体）之间的一对多的父子联系

网状模型的定义

满足下面两个条件的基本层次联系的集合

• 1、允许一个以上的结点无双亲
• 2、一个结点可以有多于一个的双亲

1、网状模型的数据结构

2、网状模型的数据操纵与完整性约束

• 导航式的查询语言和增删改操作语言
• 完整性约束条件不严格
• 允许插入尚未确定双亲结点值的子女结点值
• 允许只删除双亲结点值

3、网状模型的优缺点

优点

• 能够更为直接地描述现实世界，如一个节点可以有多个双亲；
• 具有良好的性能，存取效率较高

缺点

• 结构比较复杂，而且随着应用环境的扩大，数据库的结构就变得越来越复杂，不利用最终用户掌握
• DDL，DML语言复杂，用户不容易使用；
• 记录之间联系是通过存取路径实现的，应用程序必须选择存取路径，加重了程序员的负担。

七、关系模型

• 关系数据库系统采用关系模型作为数据的组织方式
• 1970年美国IBM公司San Jose研究室的研究员E.F.Codd首次提出了数据库系统的关系模型
• 数据库厂商推出的数据库管理系统几乎都支持关系模型

1、关系模型的数据结构

2、关系模型的操纵与完整性约束

3、关系模型的优缺点

优点：

• 建立在严格的数学概念的基础上
• 概念单一
• 实体和各类联系都用关系来表示
• 对数据的检索结果也是关系
• 关系模型的存取路径对用户透明
• 具有更高的数据独立性，更好的安全保密性
• 简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作

缺点：

• 存取路径必须对用户透明，查询效率往往不如格式化数据模型
• 为提高性能，必须对用户的查询请求进行优化，增加了开发数据库管理系统的难度。

1
数据模型分为两类：一类是概念模型（信息模型），第二类是逻辑模型（数据建模）和物理模型（对数据最底层的抽象）。

2
常用的逻辑模型：层次模型、网状模型、关系模型、面向对象数据模型、对象关系数据模型、半结构化数据模型。用于设计数据库系统。

2.1层次模型

基本层次联系：指两个记录以及它们之间的一对多（包括一对一）的联系。

满足以下两个条件的基本层次联系的集合为层次模型
（1）有且只有一个节点没有双亲节点（根结点）
（2）除根结点外的节点有且只有一个双亲节点

层次模型的数据操纵与完整性约束
操作：增删改查
约束：没有双亲结点不能插入子女结点。删除双亲结点则所带的子女结点一起删除。

优点
（1）数据结构简单清晰
（2）查询效率高（优于关系数据库，不低于网状数据库）
（3）良好的完整性支持
缺点
（1）对非层次性的联系不适用
（2）当一个结点具有多个双亲结点时，只能通过引入冗余数据或引入虚拟结点解决，对插入和删除操作的限制比较多
（3）查询子女结点必须通过双亲结点
（4）层次命令不灵活