理解数据库与数据模型的概念

本篇首先引入编程微课项目作为数据库的应用案例，通过对项目功能及涉及的相关数据的介绍，让读者对数据库的应用有一个感性认识，然后重点讲述关系数据库的理论基础知识。通过本篇的学习，读者应该能掌握以下内容：

● 编程微课的主要功能

● 数据库的基本原理及数据模型

● 关系数据库

1、编程微课

编程微课项目使用图文，语言，视频等方式进行内容教学，再附加各种训练题，帮助练习和巩固知识。

微课内容来自于编程达人，编程达人撰写课程内容，通过编程微课平台为编程爱好者提供课程内容，获得收益。读者可以通过PC浏览器、微信小程序支付课程费用和学习课程内容，并可以加入编程达人的朋友圈，与编程达人进一步互动交流学习。

2、理解数据库

数据库可以理解为存储数据的仓库，每个数据项在数据仓库中都有编号，通过编号就可以找到该数据项。例如，图书馆就是存储图书的仓库，在图书馆存储的每本图书都有一个编号，编号表示了书的类别和顺序号，同类别的书放在一个书架上，便于图书管理员和读者查找图书。

图书馆存储的是图书，数据库存储的是数据，每条数据称为数据项。数据是对客观事物的符号表示，如文字、图形、数字等。在日常生活中，人们直接用语言来描述事物，例如在描述一门课程时，人们常用“Java编程课程—入门篇由编程达人郎老师编写，编程语言课，课程面向青少年编程爱好者，课程以浅显易懂的语言，以常见的生活场景为案例，带领大家逐步进入计算机编程世界”。

在计算机中，为了存储和处理这些事物，就要将事物的特征抽象出来组成一个记录来描述。

例如，将课程事物抽象为数据项记录（课程名称，授课老师，类别、学生对象，课程简介）。课程事物的一条数据可以描述为（Java编程课程—入门篇，郎老师，编程语言，面向青少年爱好者，课程以浅显易懂的语言，以常见的生活场景为案例，带领大家逐步进入计算机编程世界）。

当需要存储多个课程数据项时，就构成了数据库。因此，数据库是存储在一起的相关数据的集合，这些数据是结构化的，无有害的或不必要的冗余，并为多种应用提供数据服务。

3、数据库发展简史

计算机应用于数据管理的初期，由于没有必要的软件、硬件环境的支持，用户只能直接在裸机上操作。当时编写的应用程序不仅要设计如何处理和存储数据，还要指明数据在存储器上的存储地址。在这一管理方式下，应用程序和数据之间相互结合，不可分割，数据独立性差，缺少共享性，编程效率低下。这一阶段称为人工管理阶段。

随着计算机软、硬件的发展，数据管理进入了文件管理阶段，这一阶段的主要标志是计算机有了专门管理数据库的软件——操作系统（文件管理）。文件管理方式是把有关的数据组织成一种文件，这种数据文件可以脱离程序而独立存在，有一个专门的文件管理系统实施统一管理。在这一管理方式下，应用程序通过文件管理系统对数据文件中的数据进行加工处理，应用程序的数据具有一定的独立性和共享性，比手工管理方式更进了一步。

在文件管理阶度，数据虽然具备了一定的独立性和共享性，但由于数据的组织依然是面向程序，数据不但存在大量冗余，而且数据自身的逻辑结构也难以满足不同用户对数据的要求。为了减少数据冗余，提高数据的共享性和独立性，人们对需要对使用的数据进行统一规划管理，形成一个数据中心，构成一个数据库。数据库中数据能够满足所有用户的不同要求，供不同用户共享。这个阶段称为数据库管理系统阶段。

4、数据模型

数据模型是数据库的基础，数据是对客观事物的符号表示，模型是现实世界的抽象。数据模型是对数据特征的抽象。

将客观事物抽象为数据模型，是一个逐步转化的过程，经历了现实世界、信息世界和计算机世界这三个不同的世界，经历了两级抽象和转换，如下图所示：

图 2-1 数据抽象过程

现实世界是指客观存在的事物及其相互间的联系，人们一般选择事物的基本特征来描述事物。事物可以是抽象的，也可以是具体的，如课程属于抽象的事物，人们通常用课程名称、授课老师、类别、学生对象、课程简介等特征来描述和区分。学生就属于具体的事物，通常用学号、姓名、班级、成绩等特征来描述和区分。

信息世界是对现实世界的抽象，人们把事物的特征和联系通过符号记录下来，并用规范化的语言描述现实世界的事物，从而构成一个基于现实世界的信息世界，这个信息世界就是概念模型。概念模型主要用来描述显示世界的概念化结构，它使数据库的设计人员在设计的初始阶段，摆脱计算机系统及数据库管理系统的具体技术问题，集中精力分析数据以及数据之间的联系。在概念模型中，最常用的设计模型就是实体—联系模型（ER模型），关于课程的ER模型如下图所示：

图 2-2 课程ER模型

信息世界的概念模型还不能被数据库管理系统直接使用，需要将概念模型进一步转换为逻辑数据模型，形成便于计算机处理的数据形式。逻辑数据模型是具体的数据库管理系统所支持的数据模型，主要有关系数据模型、层次数据模型和网状数据模型。关系数据模型是目前最流行的数据库模型，支持关系数据模型的数据库管理系统称为关系数据库管理系统，MySQL就属于关系数据库管理系统。关系数据模型以二维表结构来表示事物与事物之间的联系，也可以称为实体与实体之间的联系。关于课程关系的二维表如下表所示：

表格 2-1 课程关系表

逻辑数据模型反映了数据的逻辑结构，当需要把逻辑模型数据存储到物理介质时，就需要用到物理数据模型了，物理数据模型是面向计算机物理表示的模型，描述了数据在存储介质上的组织结构，它不但与具体的数据库管理系统有关，而且还与操作系统和硬件相关，每一种逻辑数据模型在实现时都有对应的物理数据模型。本课程重点讨论概念数据模型和逻辑数据模型，物理数据模型不是本课程讨论的重点。

5、关系数据库

要设计一个数据库系统，首先要将现实世界抽象到数据的世界，即将现实世界用数据进行描述，得到一个现实世界的数据模型。

关系数据模型是目前描述现实世界主要的抽象化方法，它将用户数据的逻辑结构归纳为满足一定条件的二维表的形式。由于关系数据模型概念简单、清晰，用户易懂易用，又有严格的数学基础。因此，20世纪80年代以来推出的数据库管理系统都支持关系数据模，支持关系数据模型的数据库管理系统也称为关系数据库。

在描述现实世界的过程中，为了分析的方便，可以将这一抽象过程分为两个阶段，首先应用ER模型将现实世界抽象为一个信息世界，这种信息的结构不依赖于具体的计算机实现，然后将信息世界的数据抽象为结构化的二维表形式，形成关系数据模型。

下面以编程微课项目的学生与课程两个事物（实体）为例，对两个阶段的抽象过程作具体说明。

在现实世界中描述学生和课程，要结合具体的事物场景来分析。编程微课项目使用图文，语言，视频等方式进行在线教学，学生可以在任何时间、任何地点使用手机或电脑打开课程学习。结合上面的场景来分析学生和课程的特征。学生有名称、账号、登录密码、性别、年龄等基本特征；课程有课程名称、授课老师、类别、学生对象、课程简介等基本特征；学生与课程的主要关系是学生学习课程。

经过上面对学生和课程的分析，可以画出学生与课程的ER模型，完成第一阶段从现实世界到概念世界的抽象。ER模型如下图所示：