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第2章 數據模型 1.試述數據模型的概念、數據模型的作用和數據模型的三個要素。 解： 數據模型是數據庫中用來對現實世界進行抽象的工具,是數據庫中用于提供信息表示和操作手段的形式構架。 一般地講,數據模型是嚴格定義的概念的集合。這些概念精確描述了系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動態(tài)特性和完整性約束條件。因此數據模型通常由數據結構、數據操作和完整性約束三部分組成。 (1)數據結構：是所研究的對象類型的集合,是對系統(tǒng)靜態(tài)特性的描述。 (2)數據操作：是指對數據庫中各種對象(型)的實例(值)允許進行的操作的集合,包括操作及有關的操作規(guī)則,是對系統(tǒng)動態(tài)特性的描述。 (3)數據的約束條件：是一組完整性規(guī)則的集合。完整性規(guī)則是給定的數據模型中數據及其聯系所具有的制約和依存規(guī)則,用以限定符合數據模型的數據庫狀態(tài)以及狀態(tài)的變化,以保證數據的正確、有效、相容。 2.模型的作用。 解： 模型用于對客觀事物及其聯系進行有效的描述與刻畫。模型是對現實世界特征的模擬和抽象。數據模型是現實世界數據特征的抽象，是用來描述數據的一組概念和定義。不同的數據模型提供給我們模型化數據和信息的不同工具。 3.概念模型中以下術語： 實體，實體型，實體集，屬性，碼，實體聯系圖(E-R圖) 解： 實體：客觀存在并可以相互區(qū)分的事物叫實體。 實體型：具有相同屬性的實體具有相同的特征和性質,用實體名及其屬性名集合來抽象和刻畫同類實體,稱為實體型。 實體集：同型實體的集合稱為實體集。 屬性：實體所具有的某一特性,一個實體可由若干個屬性來刻畫。 碼：惟一標識實體的屬性集稱為碼。 實體聯系圖(E-R 圖)：提供了表示實體型、屬性和聯系的方法： 實體型：用矩形表示,矩形框內寫明實體名； 屬性：用橢圓形表示,并用無向邊將其與相應的實體連接起來； 聯系：用菱形表示,菱形框內寫明聯系名,并用無向邊分別與有關實體連接起來,同時在無向邊旁標上聯系的類型(1:1,1:n 或 m:n)。 4.試給出三個實際部門的E-R圖，要求實體型之間具有一對一，一對多，多對多各種不同的聯系。 解： 解: 部門和總經理是兩個實體。一個部門或者一個公司只有一個總經理,一個總經理只在一個公司工作,不能兼任兩個以上公司的總經理,所以部門和總經理兩個實體之間是一對一的聯系。 一個科研項目可以由多個教員和多個學生承擔。如果規(guī)定一個教員只能參加一個項目,一個學生也只能參加一個項目。按照這樣的語義,科研項目和教員、學生三者之間是一對多的聯系。 如果一門課程可以由多個教員講授,一個教員可以講授多門課程,則課程和教員之間是多對多的聯系。 5.學校中有若干系，每個系有若干班級和教研室，每個教研室有若干教員，其中有的教授和副教授每人各帶若干研究生，每個班有若干學生。每個學生選修若干課程，每門課可由若干學生選修。請用E-R圖畫出此學校的概念模型。 解： 6. 某工廠生產若干產品，每種產品由不同的零件組成。有的零件可用在不同的產品上，這些零件由不同的原材料制成，不同零件所用的材料可以相同。這些零件按所屬的不同產品分別放在倉庫中，原材料按照類別放在若干倉庫中。請用E-R圖畫出此工廠產品，零件，材料，倉庫的概念模型。 解： 7. 試述關系模型的概念，定義并解釋如下術語： (a)關系 (b)屬性 (c)域 (d)元組 (e)主碼 (f)分量 (g)關系模式 解： 關系模型由關系數據結構、關系操作集合和關系完整性約束三部分組成。在用戶觀點下,關系模型中數據的邏輯結構是一張二維表,它由行和列組成。 (a) 關系:一個關系對應通常說的一張表; (b) 屬性:表中的一列即為一個屬性; (c) 域:屬性的取值范圍； (c) 元組：表中的一行即為一個元組； (e) 主碼：表中的某個屬性組,它可以惟一確定一個元組； (f) 分量：元組中的一個屬性值； (g) 關系模式：對關系的描述,一般表示為 關系名(屬性 1, 屬性 2, … , 屬性 n) 8. 試述層次模型的概念和優(yōu)缺點。 解： 層次模型是數據庫系統(tǒng)中最早出現的數據模型，層次數據庫系統(tǒng)采用層次模型作為數據的組織方式。層次模型是用樹形結構來表示各類實體以及實體間的聯系的數據模型。 層次模型的優(yōu)點主要有： (1) 層次數據模型本身比較簡單，層次分明，便于在計算機內實現。 (2) 在層次數據結構中，從根結點到樹中任一結點均存在一條唯一的層次路徑，為有效地進行數據操縱提供條件。 (3) 由于層次結構規(guī)定除根結點外所有結點有且僅有一個雙親，故實體集之間的聯系可用雙親結點唯一地表示，并且層次模型中的基本層次聯系總是從雙親記錄指向子女記錄，所以記錄類型之間的聯系名可省略。由于實體集間的聯系固定，所以層次模型DBMS對層次結構的數據有較高的處理效率。 (4) 層次數據模型提供了良好的完整性支持。 (5) 實體間聯系是固定的，且預先定義好的應用系統(tǒng)，采用層次模型來實現，其性能優(yōu)于關系模型，不低于網狀模型。 可見用層次模型對具有一對多的層次關系的部門描述非常自然、直觀，容易理解。這是層次數據庫的突出優(yōu)點。 層次模型的缺點主要有： (1) 現實世界中很多聯系是非層次性的，如多對多聯系、一個結點具有多個雙親等，層次模型表示這類聯系的方法很笨拙，只能通過引入冗余數據(易產生不一致性)或創(chuàng)建非自然的數據組織(引入虛擬結點)來解決。 (2) 對插入和刪除操作的限制比較多。 (3) 查詢子女結點必須通過雙親結點。 (4) 由于結構嚴密，層次命令趨于程序化。 9. 試述網狀模型的概念和優(yōu)缺點。 解： 把滿足以下兩個條件的基本層次聯系集合稱為網狀模型： (1) 允許一個以上的結點無雙親。 (2) 一個結點可以有多于一個的雙親。 網狀數據模型的優(yōu)點主要有： (1) 能夠更為直接地描述現實世界，如一個結點可以有多個雙親。 (2) 具有良好的性能，存取效率較高。 網狀數據模型的缺點主要有： (1) 結構比較復雜，而且隨著應用環(huán)境的擴大，數據庫的結構就變得越來越復雜，不利于最終用戶掌握。 (2) 其數據定義語言(DDL)、數據操作語言(DML)復雜，用戶不容易使用。 (3) 數據獨立性較差。由于記錄之間聯系是通過存取路徑實現的，應用程序在訪問數據時必須選擇適當的存取路徑，因此，用戶必須了解系統(tǒng)結構的細節(jié)，加重了編寫應用程序的負擔。從而影響數據獨立性。 10. 試述關系模型的優(yōu)缺點。 解： 關系數據模型具有下列優(yōu)點： (1) 關系模型與非關系模型不同,它是建立在嚴格的數學概念的基礎上的。 (2) 關系模型的概念單一,無論實體還是實體之間削聯系都用關系表示,操作的對象和操作的結果都是關系,所以其數據結構簡單、清晰,用戶易懂易用。 (3) 關系模型的存取路徑對用戶透明,從而具有更高的數據獨立性、更好的安全保密性,也簡化了程序員的工作和數據庫開發(fā)建立的工作。 當然,關系數據模型也有缺點,其中最主要的缺點是,由于存取路徑對用戶透明,查詢效率往往不如非關系數據模型。因此為了提高性能,必須對用戶的查詢請求進行優(yōu)化,增加了開發(fā)數據庫管理系統(tǒng)的難度。 11. 解釋面向對象模型中的下列基本概念： (a)對象 (b)對象標識 (c)類 (d)消息 (e)封裝 解： (a) 對象：在面向對象數據模型中，現實世界的任意實體都統(tǒng)一地用對象表示。每一個對象的定義包含狀態(tài)和行為兩個方面，狀態(tài)由一組屬性組成，行為由一組方法組成。通過方法可以改變對象的狀態(tài)，對對象進行各種數據庫操作。 (b) 對象標識：每個對象都有唯一的標識，稱為對象標識。 (c) 類：具有相同屬性和方法的對象構成一個對象類(簡稱為類)，一個對象是某一類的實例。 (d) 消息：類間相互溝通的操作即消息。 (e) 封裝：在面向對象數據庫中，對象是狀態(tài)和行為的封裝。從對象外部看，對象的狀態(tài)和行為是不可見的，對象之間的通信是通過消息傳遞來調用對象中的屬性和方法，從而內部執(zhí)行要求的操作，操作的結果仍以消息的形式返回。 12. 什么是半結構化數據模型？ 解： 半結構化數據是介于結構化數據和完全無結構數據(如聲音文件、圖像文件等)之間的數據。它具有一定的結構，但是結構不完整、不規(guī)則，或者結構是隱含的，例如HTML文檔就是半結構化數據。半結構化數據模型允許那些相同類型的數據項有不同的屬性集的數據說明。這和結構化的數據模型形成了對比，因為在那些數據模型中所有某種特定類型的數據項必須有相同的屬性集。 5