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1.2.3 最常用的数据模型
最常用的数据模型包括四种：

注1：非关系模型在20世纪70-80年代很流行，现在逐步被关系模型取代。
注2：下面讲的数据模型都是指逻辑上的数据模型，即用户眼中看到的数据范围。

一、层次模型
定义：
① 有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。
代表产品：IBM公司的IMS(Information Management System)数据库管理系统。
1. 数据结构
基本结构
① 用树形结构来表示各类实体以及实体间的联系。
② 每个结点表示一个记录类型（实体），结点之间的连线表示记录类型间一对多的父子联系，这种联系只能是父子联系。
③ 每个记录类型可包含若干个字段（属性）。

图1.12 教员学生层次数据库模型

图1.13 教员学生层次数据库的一个值

多对多联系在层次模型中的表示
① 必须首先将其分解成一对多联系。
② 分解方法有两种：冗余结点法和虚拟结点法。

图1.14(a) 一个学生选课的多对多联系

图1.14(b) 冗余结点法将多对多联系转化为一对多联系

图1.14(c) 虚拟结点法将多对多联系转化为一对多联系

2. 数据操作与完整性约束
数据操作：查询、插入、删除和修改。
完整性约束：
① 插入：如果没有相应的双亲结点值就不能插入子女结点值。如：图1.13中，若新调入一名教师，在未分配到某个教研室以前，不能将新教员插入到数据库。
② 删除：如果删除双亲结点值，则相应的子女结点值也被同时删除。如：图1.9中，若删除网络教研室，需要首先删除属于网络教研室的所有教师的数据。
③ 修改：应修改所有相应记录，以保证数据的一致性。如：图1.14(b)中，若一个学生要改姓名，则两处学生记录值均要修改。

3. 存储结构
存储内容：数据本身；数据之间的联系。
两种方法：邻接法；链接法。

图 1.15(a) 数据模型

图1.15(b) 数据值

图1.15(c) 邻接法存储

图1.16(a) 图1.15(a)的数据值

图1.16(b) 链接法存储

4. 优缺点
优点
① 数据模型比较简单，操作简单；
② 对于实体间联系是固定的，且预先定义好的应用系统，性能较高；
③ 提供良好的完整性支持。
缺点
① 不适合于表示非层次性的联系；
② 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 由于结构严密，层次命令趋于程序化。

二、网状模型
定义：
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。
代表产品：DBTG系统模型类产品。
1. 数据结构
① 用网状结构来表示各类实体以及实体间的联系，层次模型是网状模型的一个特例。
② 每个结点表示一个记录类型（实体），结点之间的连线表示记录类型间的一对多的父子联系。
③ 每个记录类型可包含若干个字段（属性）。

图1.17(a) 学生/选课/课程网状数据库模型

图1.17(b) 学生/选课/课程网状数据库的一个值

2. 数据操作与完整性约束
数据操作：查询、插入、删除和修改。
完整性约束：
① 插入：允许插入尚未确定双亲结点值的子女结点值。
② 删除：允许只删除双亲结点值。
③ 修改：只需修改指定记录即可性。

3. 存储结构
存储内容：数据本身；数据之间的联系。
两种方法：链接法（包括：单向链接、双向链接、环状链接、向首链接等）。

图1.17(c) 学生/选课/课程网状数据库存储

4. 优缺点
优点
① 能够更为直接地描述现实世界；
② 具有良好的性能，存取效率较高。
缺点
① 数据定义语言(DDL)极其复杂；
② 数据独立性较差。由于实体间的联系本质上通过存取路径指示的，因此应用程序在访问数据时要指定存取路径。

三、关系模型
定义：其逻辑结构就是二维表格，由行列组成。
代表产品：Oracle公司的Oracle、Microsoft公司的SQL Server。
1. 数据结构
概念
① 关系(Relation)：一个关系就是一张表。如图1.18。

图 1.18 关系模型的数据结构

② 元组(Tuple)：表中的一行。
③ 属性(Attribute)：表中的一列。
④ 主码(Key)：能够唯一确定一个元组的属性。如：学号。
⑤ 域(Domain)：属性的取值范围。如：年龄域是1-150之间、性别域是（男、女）、系名域是一个学校所有系名的集合。
⑥ 分量：元组中的一个属性值，如：95004、黄大鹏、法律学。
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)
图1.18的学生关系可描述为：学生(学号，姓名，年龄，性别，系名，年级)

特点
① 在关系模型中，实体及实体间的联系都是用关系来表示。如：学生、课程、学生与课程多对多的联系（即学生选课）均可用关系来表示，如下：
学生（学号，姓名，年龄，性别，系名，年级）
课程（课程号，课程名，学分）
学生选课（学号，课程号，成绩）

② 关系模型要求关系必须是规范的，最基本的条件是，关系的每一个分量必须是一个不可分的数据项，即不允许表中还有表。如图1.19中的表就不是一个关系。

图 1.19 不符合关系模型规范的表格

2. 数据操作与完整性约束
数据操作：查询、插入、删除和修改。
完整性约束：包括三大类，即：实体完整性、参照完整性和用户定义的完整性。（在2.3节中讲解）

3. 存储结构
存储内容：由于数据本身和数据之间的联系均是表，物理存储时，表以文件的形式存储。
两种方法：一个文件一个表（如：Foxpro）；多个文件一个表（如：SQL Server）。

4. 优缺点
优点：
① 关系模型是建立在严格的数学概念的基础上的；
② 无论实体还是实体之间的联系都用关系来表示。对数据的检索结果也是关系（即表），因此 概念单一，其数据结构简单、清晰；
③ 关系模型的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，也简化了程序员的工作和数据库开发建立的工作。
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。因此为了提高性能，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负担。