关系数据库的四个层次结构是什么？

1．层次模型

层次模型是数据库系统中最早使用的模型，它的数据结构类似一颗倒置的树，每个节点表示一个记录类型，记录之间的联系是一对多的联系，基本特征是：

* 一定有一个，并且只有一个位于树根的节点，称为根节点；

* 一个节点下面可以没有节点，即向下没有分支，那么该节点称为叶节点；

* 一个节点可以有一个或多个节点，前者称为父节点，后者称为子节点；

* 同一父节点的子节点称为兄弟节点。

* 除根节点外，其他任何节点有且只有一个父节点；

图11.7是一个层次模型的例子。

层次模型中，每个记录类型可以包含多个字段，不同记录类型之间、同一记录类型的不同字段之间不能同名。如果要存取某一类型的记录，就要从根节点开始，按照树的层次逐层向下查找，查找路径就是存取路径。如图11.8所示。

层次模型结构简单，容易实现，对于某些特定的应用系统效率很高，但如果需要动态访问数据（如增加或修改记录类型）时，效率并不高。另外，对于一些非层次性结构（如多对多联系），层次模型表达起来比较繁琐和不直观。

2．网状模型

网状模型可以看作是层次模型的一种扩展。它采用网状结构表示实体及其之间的联系。网状结构的每一个节点代表一个记录类型，记录类型可包含若干字段，联系用链接指针表示，去掉了层次模型的限制。网状模型的特征是：

1. 允许一个以上的节点没有父节点；

2. 一个节点可以有多于一个的父节点；

例如，图11.9（a）和图11.9（b）都是网状模型的例子。图11.9（a）中节点3有两个父节点，即节点1和节点2；图11.9（b）中节点4有三个父节点，即节点1，节点2和节点3。

由于网状模型比较复杂，一般实际的网状数据库管理系统对网状都有一些具体的限制。在使用网状数据库时有时候需要一些转换。例如，如图11.10所示。

网状模型与层次模型相比，提供了更大的灵活性，能更直接地描述现实世界，性能和效率也比较好。网状模型的缺点是结构复杂，用户不易掌握，记录类型联系变动后涉及链接指针的调整，扩充和维护都比较复杂。

3．关系模型

关系模型是目前应用最多、也最为重要的一种数据模型。关系模型建立在严格的数学概念基础上，采用二维表格结构来表示实体和实体之间的联系。二维表由行和列组成。下面以教师信息表和课程表为例，说明关系模型中的一些常用术语：

表11.1 教师信息表（表名为：tea_info）

TNO(教师编号)

NAME(姓名)

GENDER(性别)

TITLE(职称)

DEPT(系别)

805

李奇

女

讲师

基础部

856

薛智永

男

教授

信息学院

表11.2 课程表（表名为：cur_info）

CNO(课程编号)

DESCP(课程名称)

PERIOD(学时)

TNO(主讲老师编号)

005067

微机基础

40

805

005132

数据结构

64

856

1. 关系（或表）：一个关系就是一个表，如上面的教师信息表和课程表。

2. 元组：表中的一行为一个元组（不包括表头）。

3. 属性：表中的一列为一个属性。

4. 主码（或关键字）：可以唯一确定一个元组和其他元组不同的属性组。

5. 域：属性的取值范围。

6. 分量：元组中的一个属性值。

7. 关系模式：对关系的描述，一般表示为：关系名（属性1，属性2，... ...，属性n）。

关系模型中没有层次模型中的链接指针，记录之间的联系是通过不同关系中的同名属性来实现的。 关系模型的基本特征是：

1. 建立在关系数据理论之上，有可靠的数据基础；

2. 可以描述一对一，一对多和多对多的联系。

3. 表示的一致性。实体本身和实体间联系都使用关系描述。

4. 关系的每个分量的不可分性，也就是不允许表中表。

关系模型概念清晰，结构简单，实体、实体联系和查询结果都采用关系表示，用户比较容易理解。另外，关系模型的存取路径对用户是透明的，程序员不用关心具体的存取过程，减轻了程序员的工作负担，具有较好的数据独立性和安全保密性。

关系模型也有一些缺点，在某些实际应用中，关系模型的查询效率有时不如层次和网状模型。为了提高查询的效率，有时需要对查询进行一些特别的优化

数据库管理系统常见的数据模型有层次模型、网状模型和【关系模型 】3种

数据模型是对现实世界数据的模拟，是一个研究工具，利用这个研究工具我们可以更好地把现实中的事物抽象为计算机可处理的数据。

层次模型：

层次模型以“树结构”表示数据之间的联系

层次模型是数据库系统最早使用的一种模型，它的数据结构是一棵“有向树”。根结点在最上端，层次最高，子结点在下，逐层排列。

层次模型的特征是：

在一个层次模型中的限制条件是：

（1）有且仅有一个节点，无父节点，它为树的根；（有且仅有一个结点没有双亲，该节点就是根结点。）

（2）其他节点有且仅有一个父节点。（根以外的其他结点有且仅有一个双亲结点

）这就使得层次数据库系统只能直接处理一对多的实体关系。

（3）任何一个给定的记录值只有按照其路径查看时，才能显出它的全部意义，没有一个子女记录值能够脱离双亲记录值而独立存在。

比如：一个教师学生层次模型。该层次模型有4个记录类型，即实体。

分别是：

（1）记录型（实体）系是根结点，由编号、名称、专业、人数属性（字段）组成。它有两个子结点，分别是学院老师实体和课程实体。

（2）记录型（实体）教师是学院的子结点，它有6个属性（字段）组成。

（3）记录型（实体）课程由4个属性（字段）组成。

（4）记录型（实体）教师由6个属性（字段）组成。课程与教师是叶子结点，由学院到老师、老师到课程都是一对多的联系。

数据完整性约束

其主要四个功能：增删查改；要满足完整性约束条件；

增加（插入）：满足必须有双亲节点，即如果加入教师，就必须分配到学院中；

删除：如果是字节点，不影响，直接删除字节点，如果是双亲节点，则整个字节点被删除；如果删除整个教研室则教研室的老师不存在这个体系；

查找：根据树状结构自上而下查找；

修改：更新相应的关系的信息。

其优缺点：

优点：

比较简单，容易使用；

结构清晰，现实中公司、家族等都存在类似结构；

良好的完整性支持；

查询效率高，模型层次是有向边，常记录存取路径。

缺点：

有很多不是单向关系，一对多，多对一，只能通过引进冗余数据或建非自然的数据组织如创建虚拟节点的方法来解决，易产生不一致性；

插入删除限制太多

查找字节点必须通过双亲；

树结点中任何记录的属性是不可再分的简单数据类型；

网状模型：

网状模型是以“图结构”来表示数据之间的联系。

1、条件特征

(1)允许有一个以上的节点无双亲。

(2)至少有一个节点可以有多于一个的双亲。

网状模型中每个结点表示一个记录型（实体），每个记录型可包含若干个字段（实体的属性），结点间的连线表示记录类型（实体）间的父子关系。

从定义可以看出，层次模型中子结点与双亲结点的联系是唯一的，而在网状模型中这种联系可以不唯一。因此，在网状模型中要为每个联系命名，并指出与该联系有关的双亲记录和子记录。

2、表示方法：

实体型：用记录类型描述

每个结点表述一个记录类型（实体）；

属性：用字段描述，每个记录类型包含若干个字段；

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关系；

网状模型与层次模型的区别：

网状模型：允许多个结点没有双亲结点；

允许结点有多个双亲；

允许两个结点有多种联系（复合联系）；

可以更直接的去描述现实世界；

层次模型是网状模型的一个特例。

要为每个联系命名（L1、L2），并指出该联系相关的双亲记录和子女记录。

3、多对多在网状模型的表示

用网状模型表示多对多的关系

方法：将多对多直接分解成一对多的联系

4、 举例：学生选课模型

它由3个数据项组成，即学号、课程号、成绩，表示某个学生选修某一门课程及其成绩。

每个学生可以选修多门课程。显然对于学生记录中的一个值，选课记录中可以有多个值与之联系。而选课记录中的一个值，只能与学生记录中的一个值联系。学生与选课之间的联系是一对多的联系，联系名为学生-选课。同样，课程与选课之间的联系也是一对多的联系，联系名为课程-选课。

5、 *** 纵

网状模型的数据 *** 作主要包括查询、插入、删除和更新：

插入：插入尚未确定双亲结点值的子结点值；

删除：只允许删除双亲结点值。如可删除一个教研室，而该科研室所有教师的信息仍保留在数据库中。

修改：可直接表示非树状结构，而无须像层次模型那样增加冗余结点，因此修改 *** 作时只需要指定更新记录即可。

网状数据系统（DBTG）对数据加了一些限制，提供了一定的完整性约束：

码：唯一标识记录的数据项集合；

一个联系中双亲记录和子女记录是一对多的关系；

支持双亲记录和子女记录之间的某些约束性条件；

关键：实现记录联系；

常用方法：单向、双向、环向、向首链接；

6、优缺点

网状数据模型的优点如下：

(1) 能够更为直接地描述现实客观世界，可表示实体间的多种复杂联系。

(2) 具有良好的性能，存取效率较高。

网状数据模型的缺点如下：

(1) 结构比较复杂，其数据定义语言(DDL)、数据 *** 作语言(DML)复杂，用户不容易使用。而且应用环境越大，数据库的结构就变得越复杂，不利于最终用户掌握。

(2) 数据独立性差，由于实体间的联系本质上是通过存取路径表示的，因此应用程序在访问数据时要指定存取路径。

关系模型：

关系模型是用“二维表”(或称为关系)来表示数据之间的联系的。

1、基本术语

（1）关系(Relation)：一个关系对应着一个二维表，二维表就是关系名。

（2）元组(Tuple)：在二维表中的一行，称为一个元组。

（3）属性(Attribute)：在二维表中的列，称为属性。属性的个数称为关系的元或度。列的值称为属性值；

（4）（值）域(Domain)：属性值的取值范围为值域。

（5）分量：每一行对应的列的属性值，即元组中的一个属性值。[2]

（6）关系模式：在二维表中的行定义，即对关系的描述称为关系模式。一般表示为（属性1，属性2，......,属性n），如老师的关系模型可以表示为教师（教师号，姓名，性别，年龄，职称，所在系）。

（7）键(码)：如果在一个关系中存在唯一标识一个实体的一个属性或属性集称为实体的键，即使得在该关系的任何一个关系状态中的两个元组，在该属性上的值的组合都不同。

（8）候选键(候选码)：若关系中的某一属性的值能唯一标识一个元组如果在关系的一个键中不能移去任何一个属性，否则它就不是这个关系的键，则称这个被指定的候选键为该关系的候选键或者候选码。

例如下列学生表中“学号”或“图书证号”都能唯一标识一个元组，则“学号”和“图书证号”都能唯一地标识一个元组，则“学号”和“图书证号”都可作为学生关系的候选键。

而在选课表中，只有属性组“学号”和“课程号”才能唯一地标识一个元组，则候选键为（学号，课程号）。

2、关系模型的数据 *** 作与完整性约束

关系数据模型的 *** 作主要包括查询、插入、删除和修改数据这些 *** 作必须满足关系的完整性约束条件。

关系模型中数据 *** 作的特点是集合 *** 作方式，即 *** 作对象和 *** 作结果都是集合，这种 *** 作方式也称为一次一集合的方式。

相应地，非关系数据模型的 *** 作方式是一次一记录的方式。

关系的完整性约束条件包括三大类：

实体完整性、参照完整性和用户定义的完整性。

实体完整性定义数据库中每一个基本关系的主码应满足的条件，能够保证元组的唯一性。参照完整性定义表之间的引用关系，即参照与被参照关系。用户定义完整性是用户针对具体的应用环境制定的数据规则，反映某一具体应用所涉及的数据必须满足的语义要求。

3、关系模型的优缺点

优点

(1) 关系模型与非关系模型不同，它是建立在严格的数学理论基础上的。

(2) 关系模型的概念单一，实体与实体间的联系都用关系表示，对数据的检索结果也是关系(即表)，所以其数据结构简单、清晰，用户易懂易用。

(3) 关系模型的物理存储和存取路径对用户透明，从而具有更高的数据独立性、更好的安全保密性，简化了程序员的数据库开发工作。

缺点

(1) 由于存取路径对用户透明，查询效率往往不如非关系数据模型高。因此，为了提高性能，必须对用户的查询请求进行优化，这就增加了开发数据库管理系统的难度和负担。

(2) 关系数据模型不能以自然的方式表示实体集间的联系，存在语义信息不足、数据类型过少等弱点。

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