数据库的三级模式结构与两级映像

什么是数据库的三级模式结构？

三级模式结构是数据库系统架构的基础，用来管理和组织数据的视图和存储。它把数据库的整体结构划分为外模式、模式和内模式三个层次。
这种结构的目的是为了实现数据的抽象化管理，让用户不用关心复杂的底层存储方式，也可以根据不同需求灵活定义数据的呈现方式，同时保障数据的安全性和一致性。

数据库的三级模式结构就像一栋大楼：

• 外模式：用户看到的房间样子，每个人只能进到他有钥匙的房间。
• 模式（概念模式）：大楼的总体设计图，包括房间布局、水电线路等。
• 内模式：大楼的建筑材料（钢筋、水泥）以及具体的施工方式。

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1. 模式（Conceptual Schema，概念模式）

定义

• 模式是数据库的核心层，描述了整个数据库的逻辑结构。它定义了数据库中有哪些数据、数据之间的关系，以及如何保证数据的一致性和完整性。

特点

1. 全局视图：描述的是数据库的整体结构，是所有用户和应用共享的。
2. 逻辑层面：关注数据的逻辑组织方式，而不是物理存储方式。
3. 保证一致性：它负责维护数据的完整性约束和一致性（如主键约束、外键约束等）。

作用

• 为数据库定义一个统一的数据结构。
• 屏蔽数据的存储细节，使得应用程序和用户不用关心数据是如何存储的。
• 确保当数据库底层存储方式（内模式）变化时，逻辑结构保持不变（物理数据独立性）。

示例

在一个电商系统中：

• 用户表：包含用户ID、姓名、邮箱等字段。
• 商品表：包含商品ID、名称、价格、库存等字段。
• 订单表：包含订单ID、用户ID、商品ID、下单时间等字段。
• 数据关系：订单表中的用户ID是用户表的外键，商品ID是商品表的外键。

这些数据表和关系在概念模式中被定义。

2. 外模式（External Schema，外部模式）

定义

• 外模式是数据库的用户视图，为不同用户或应用程序提供不同的数据子集和访问方式。

特点

1. 个性化视图：每个用户或应用程序可以有自己的数据视图，只能看到需要的数据，其他数据被屏蔽。
2. 安全性：通过外模式控制用户的访问权限，保障数据安全。
3. 多样性：允许不同用户同时访问数据库，而彼此的视图可以完全不同。

作用

• 让用户只看到他们需要的数据，屏蔽不必要的复杂性。
• 实现逻辑数据独立性：当概念模式（数据结构）变化时，用户视图可以保持不变。

举例

在一个电商系统中：

• 买家视图：只看到商品列表（商品名称、价格）和自己的订单信息。
• 卖家视图：可以看到商品库存、销售情况。
• 管理员视图：可以查看和修改所有数据。

比如：
买家只需要知道“我买了什么，花了多少钱”，而卖家需要知道“商品库存还剩多少”。这两个用户的需求不同，数据库通过外模式给他们提供了不同的数据视图。

3. 内模式（Internal Schema，内部模式）

定义

• 内模式描述了数据在数据库中的物理存储方式，包括存储结构、索引方式、文件组织等。

特点

1. 与硬件相关：关注数据的底层物理存储，具体到硬盘上的存储文件、索引等。
2. 存储优化：为了提升性能，内模式需要选择合适的数据结构（如B+树索引、哈希索引）和存储方式（如压缩、分区）。
3. 不可见性：用户和应用程序无法直接接触到内模式。

作用

• 定义数据的存储方式和存取路径。
• 屏蔽硬件存储的细节，为上层提供统一的逻辑数据结构。

举例

在电商系统中：

• 用户表的实际存储可能是一个以用户ID为索引的B+树。
• 商品表的数据可能分区存储在不同的硬盘上。
• 日志数据可能存储在压缩文件中。

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三级模式结构的关系和映射

在三级模式结构中，外模式、模式和内模式之间通过映射来建立联系。这些映射的作用是屏蔽层级之间的变化，实现数据的独立性和灵活性。

映射机制分为两种：

1. 外模式与模式的映射：负责连接用户的视图（外模式）和数据库的逻辑结构（模式）。
2. 模式与内模式的映射：负责连接逻辑结构（模式）和数据的物理存储（内模式）。

1. 外模式与模式的映射

外模式与模式的关系

• 外模式是从 模式中派生出来的，它是用户或应用程序需要的数据子集。
• 映射用来描述外模式和模式之间的数据对应关系。
• 它的作用是将用户的视图翻译为数据库的逻辑结构，并保证当模式发生变化时，外模式不受影响（逻辑数据独立性）。

映射机制

1. 用户视图到模式的映射：
   • 外模式的字段（列）如何对应到模式中的字段。
   • 外模式可能只包含模式中的部分字段，甚至会对字段重命名或计算处理。
2. 权限控制：
   • 映射过程还会对用户的权限进行限制，比如用户无法看到某些敏感字段。
3. 数据转换：
   • 如果外模式中的字段与模式中的字段格式不同，映射会对数据进行转换（如单位换算、日期格式化等）。

举例

电商系统中的用户视图与模式

假设一个电商数据库的模式中定义了如下表结构：

• 用户表（User）：用户ID、姓名、邮箱、密码、手机号、余额。
• 商品表（Product）：商品ID、名称、库存、价格。

外模式的需求：

1. 普通买家视图（外模式1）：需要看到“用户姓名、邮箱、手机号、余额”。
2. 管理员视图（外模式2）：需要看到所有字段，包括用户密码。

映射逻辑：

• 外模式1：从用户表中筛选姓名、邮箱、手机号、余额四个字段。
• 外模式2：直接对用户表提供完整的字段视图。

权限控制：

• 普通买家不能访问“密码”字段，这就是通过外模式与模式的映射实现的权限屏蔽。

映射的意义

• 数据定制化：每个用户或应用只需要关心自己使用的数据。
• 屏蔽逻辑变化：当模式（比如新增了一个字段）发生变化时，通过调整映射，用户的视图可以保持不变。
• 数据安全：映射可以通过控制外模式来限制用户访问敏感数据。

2. 模式与内模式的映射

模式与内模式的关系

• 模式描述数据库的逻辑结构，如表结构、字段属性和数据关系。
• 内模式描述数据在存储设备上的组织方式，如文件结构、索引、分区方式等。
• 映射用来描述逻辑结构如何对应到物理存储结构。
• 它的作用是当存储方式发生变化时，不影响模式（概念模式），从而实现物理数据独立性。

映射机制

1. 逻辑结构到存储结构的映射：
   • 模式中的表、字段如何对应到物理存储的文件、块。
2. 存储优化：
   • 映射过程会选择最佳的存储方式（如索引、压缩）。
3. 数据存取路径：
   • 定义如何通过索引、哈希等方式快速检索数据。

举例

电商系统中的存储优化

假设电商数据库的模式定义了如下逻辑表结构：

• 商品表（Product）：商品ID、名称、库存、价格。

在内模式中，该逻辑表可能以不同方式存储：

1. 对于频繁查询商品价格的场景：
   • 内模式中使用B+树索引按价格排序存储，以加快检索速度。
2. 对于库存数据非常大的商品表：
   • 内模式中将商品表按照库存进行分区，低库存商品存储在SSD上，高库存商品存储在机械硬盘上。
3. 如果需要减少存储占用：
   • 内模式中使用压缩存储库存字段。

映射逻辑：

• 商品表的逻辑结构与存储结构之间的映射定义了：
  1. 哪个字段作为主键存储。
  2. 索引的类型和范围。
  3. 存储文件的组织方式（如分区）。

映射的意义

• 存储优化：根据数据访问特点，选择最优的存储结构。
• 屏蔽存储细节：即使底层的存储方式发生变化（比如从B+树改成哈希索引），概念模式和外模式都不需要改变。
• 提高性能：通过索引、分区等优化存取路径，加快数据访问速度。

3. 外模式与内模式的间接关系

由于外模式和内模式之间没有直接的映射关系，它们的联系必须通过模式（概念模式）来建立：

• 外模式定义了用户对数据的需求。
• 模式（概念模式）充当中介，把外模式的需求翻译成具体的逻辑结构。
• 内模式负责根据逻辑结构组织数据的存储。

这个分层的设计非常重要：

1. 外模式与内模式隔离：用户不需要关心数据的存储细节，只需通过外模式操作逻辑结构。
2. 统一管理：概念模式统一管理数据库的逻辑结构和数据关系，保障数据的一致性。

总结：映射在三级模式结构中的作用

映射类型	作用	实现的数据独立性
外模式与模式的映射	将用户的视图映射到概念模式，控制用户能访问的数据子集。	逻辑数据独立性
模式与内模式的映射	将概念模式映射到物理存储结构，优化数据存储方式和访问路径。	物理数据独立性

扩展：三级模式映射的类比

我们可以把三级模式映射比喻成一个大图书馆的管理流程：

1. 外模式与模式的映射：
   用户（比如学生、老师）只想借某些类型的书籍（比如小说、教科书），而图书管理员根据用户需求（外模式）从图书馆系统（模式）里筛选出对应的书籍。
2. 模式与内模式的映射：
   图书馆里有很多书架，书的摆放方式可能按照类别、作者姓名或编号排列。管理员只关心书架编号（内模式），不需要重新设计书的逻辑分类（模式）。

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三级模式的作用总结

层次	作用	面向对象
外模式	提供个性化视图，保障数据安全性，屏蔽数据库逻辑和存储的复杂性	用户和应用程序
模式	统一数据库逻辑结构，确保数据的一致性，屏蔽存储的物理细节	数据库的全局逻辑视图
内模式	定义数据的物理存储方式，优化存储和访问性能，屏蔽硬件和存储细节	数据存储（硬件相关）

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举例

假设我们有一个图书馆系统：

1. 模式：图书馆的管理系统描述了所有书籍的信息（如书名、作者、ISBN号）、借阅记录、书籍的分类关系。
2. 外模式：
   • 普通读者视图：只能看到有哪些书，可以借哪些书。
   • 管理员视图：可以查看书籍的库存、借阅情况，还能新增或删除书籍。
3. 内模式：书籍信息在数据库中以何种方式存储，比如使用B+树索引存储书名，ISBN号为主键，借阅记录分区存储等。

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三级模式的优点

1. 逻辑独立性：用户的视图不会因为数据结构的变化而改变。
2. 物理独立性：数据的存储方式可以改变，不影响上层逻辑。
3. 安全性：不同用户可以定义不同视图，保障数据访问安全。
4. 灵活性：多用户、多应用同时访问时，能够提供不同的外模式视图。