什么是三级模式和二级映像?

美国国家标准学会(American National Standards Institute,ANSI)所属的标准计划与需求委员会(Standards Planning and Requirements Committee,SPARC)在1971年公布的研究报告中提出了ANSI-SPARC体系结构,即三级模式结构(或称为三层体系结构)。ANSI-SPARC最终没有成为正式标准,但它仍然是理解数据库管理系统的基础。三级模式是指数据库管理系统从三个层次来管理数据,分别是外部层(ExternalLevel)、概念层(Conceptual Level)和内部层(Internal Level)。这三个层次分别对应三种不同类型的模式,分别是外模式(External Schema)、概念模式(Conceptual Schema)和内模式(Internal Schema)。在外模式与概念模式之间,以及概念模式与内模式之间,还存在映像,即二级映像,具体如图所示。

什么是三级模式和二级映像?

三级模式和二级映像

在图1-2中,外模式面向应用程序,描述用户的数据视图(View);内模式(又称为物理模式、存储模式)面向物理上的数据库,描述数据在磁盘中如何存储;概念模式(又称为模式、逻辑模式)面向数据库设计人员,描述数据的整体逻辑结构。由于三级模式比较抽象,为了更好地理解,下面将计算机中常用的Excel电子表格类比成数据库,并假设有一个商城使用电子表格来保存商品信息。

(1)概念模式。概念模式类似于表格的列标题,它描述了商品表中包含哪些信息,如图所示。

什么是三级模式和二级映像?

商品信息表格

上图中,表的横向称为行,纵向称为列,第一行就是列标题,用来描述该列的数据表示什么含义。实际上,概念模式在数据库中描述的信息还有很多,如多张表之间的联系、表中每一列的数据类型和长度等,读者在后面的学习中就会接触到这些内容。

(2)内模式。在将Excel表格另存为文件时,可以选择保存的文件路径、保存类型(如XLS、XLSX、CSV等格式)等,这些与存储相关的描述信息相当于内模式。在数据库中,内模式描述数据的物理结构和存储方式,如堆文件、索引文件、散列(Hash)文件等。

(3)外模式。在打开一个电子表格后,默认会显示表格中所有的数据,这个表格称为基本表。在将数据提供给其他用户时,出于权限、安全控制等因素的考虑,只允许用户看到一部分数据,或不同用户看到不同的数据,这样的需求就可以用视图来实现。下图是视图和基本表的关系。

什么是三级模式和二级映像?

视图与基本表

在上图中,基本表中的数据是实际存储在数据库中的,而视图中的数据是查询或计算出来的。由此可见,外模式可以为不同用户的需求创建不同的视图,且由于不同用户的需求不同,数据的显示方式也会多种多样。因此,一个数据库中会有多个外模式,而概念模式和内模式则只有一个。

通过前面的分析可知,三级模式是数据的三个抽象级别,每个级别关心的重点不同。为了使三级模式之间产生关联,数据库管理系统在三级模式之间提供了二级映像功能。二级映像是一种规则,它规定了映像双方如何进行转换。通过二级映像,体现了逻辑和物理两个层面的数据独立性。具体解释如下。

(1)逻辑独立性。外模式/概念模式映像体现了逻辑独立性。逻辑独立性是指当修改了概念模式,不影响其上一层的外模式。例如,将图1-4中基本表的“库存”和“销量”拆分到另一张表中,此时概念模式发生了更改,但可以通过改变外模式/概念模式的映像,继续为用户提供原有的视图,如图所示。

什么是三级模式和二级映像?

视图与基本表

由此可见,逻辑独立性能够让使用视图的用户感觉不到基本表的改变。其实,逻辑独立性带来的好处还有很多,随着后面的学习,读者会有更深入的体会。

(2)物理独立性。概念模式/内模式映像体现了物理独立性。物理独立性是指修改了内模式,不影响其上层的概念模式和外模式。例如,在Excel中将.xls文件另存为.xlsx文件,虽然更换了文件格式,但是打开文件后显示的表格内容一般不会发生改变。在数据库中,更换更先进的存储结构,或者创建索引以加快查询速度,内模式会发生改变。此时,只需改变概念模式/内模式映像,就不会影响到原有的概念模式。

另外,物理独立性使得用户不必了解数据库内部的存储原理,即可正常使用数据库来保存数据。数据库管理系统会自动将用户的操作转换成物理级数据库的操作。

多学一招:数据库相关的人员

数据库系统涉及一些人员,主要包括数据库管理员(Database Administrator,DBA)、应MySQL数据库原理、设计与应用用程序员(Application Programmer)和最终用户(End User)。关于这些人员的具体解释如下。

(1)数据库管理员。负责管理和维护数据库,参与数据库的设计、测试和部署。数据库管理员需要对数据库系统非常精通,且应具有较高的技术水平和较深的资历。

(2)应用程序员。负责为最终用户设计和编写程序,并进行调试和安装,以便最终用户利用应用程序来对数据库进行存取操作。

(3)最终用户。一般为非计算机专业人员,通过应用程序访问数据库。例如,在12306网站订票的用户、在一些购物网站购买商品的用户,他们可能对数据库完全不了解,在使用浏览器、客户端等应用程序时,间接地访问了数据库。

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