第02周 数据库三级模式体系结构与关系模型

第2周 | MySQL数据库 —— 数据库三级模式体系结构与关系模型

同一个数据库，教务员能查成绩、学生只能看课表——他们看到的「内容」为什么不一样？数据库底层又怎么做到「换硬盘、改存储」却不影响你写好的程序？这一周用两张图把这两个问题彻底讲清，并正式认识关系模型的术语。

一、三级模式：数据库对外有三张「脸」

数据库从「用户看到的」到「磁盘上存的」，分三个层次。记住一句总纲：一个数据库只有 1 个模式和 1 个内模式，但可以有多个外模式。

模式	别名	看什么	数量	一句话
模式	逻辑模式 / 概念模式	全体数据的全局逻辑结构	唯一 1 个	数据库的「总设计图」
外模式	子模式 / 用户模式	某个用户能看到的局部数据	可多个	总图裁出来的「用户视图」
内模式	存储模式	数据在磁盘上怎么存	唯一 1 个	最底层的「物理存储」

1.1 模式（Schema）

描述数据库中全体数据的逻辑结构和特征，是所有用户的公共数据视图。好比一栋楼的总图纸。

1.2 外模式（External Schema）

描述某个用户能看到和使用的局部逻辑结构，是模式的一个子集。不同用户权限不同，看到的外模式也不同（教务员看成绩视图，学生看选课视图）。

1.3 内模式（Internal Schema）

描述数据在数据库内部的物理存储方式（文件组织、索引、压缩等），最靠近硬件。

二、两级映像：靠它实现「数据独立性」

光有三级还不够，必须靠「两级映像」把三层连起来，才能做到改下层不影响上层。

       外模式 A（教务员视图）      外模式 B（学生视图）
            │                          │
       【外模式/模式映像】        【外模式/模式映像】
            └──────────┬───────────────┘
                   模  式（全局逻辑，唯一）
                        │
                 【模式/内模式映像】
                        │
                   内模式（物理存储，唯一）

2.1 外模式 / 模式映像 → 逻辑数据独立性

定义外模式和模式之间的对应。当模式（全局逻辑）改变时，DBA 只改这层映像、保持外模式不变，用户程序就不用改。这就是逻辑数据独立性。

2.2 模式 / 内模式映像 → 物理数据独立性

定义模式和内模式之间的对应。当内模式（物理存储，比如换了硬盘、改了索引）改变时，只改这层映像、保持模式不变，应用程序照样不用改。这就是物理数据独立性。

一句话记：改「全局逻辑」不影响程序 → 逻辑独立；改「物理存储」不影响程序 → 物理独立。两级映像就是这两道「缓冲层」。

三、关系模型术语：一张表用专业话说

关系模型用二维表组织数据，先把「表里每样东西」的专业名记住：

术语	指什么	例子（student 表）
关系（Relation）	一张二维表	整个 student 表
元组（Tuple）	表中的一行（一条记录）	20260101 / 张三 / 17 / 25计应1班 这一行
属性（Attribute）	表中的一列（一个字段）	sname 列
域（Domain）	属性的取值范围（同一类型值的集合）	sage 取整数集合；sclass 取「XX班」集合
候选码（Candidate Key）	能唯一标识一行的最小属性集	sid
主码（Primary Key）	从候选码中选一个当「身份证」	sid
外码（Foreign Key）	本表中引用另一张表主码的属性	选课表 sc.sid 参照 student.sid

四、关系完整性：三道「红线」

数据不能乱填，关系模型用三条完整性规则兜底：

• 实体完整性：主码不能为空且不能重复。（每行都得有唯一身份）
• 参照完整性：外码要么为空，要么必须等于被参照表里某个主码值。（sc.sid 必须能在 student 里找到，不能凭空出现）
• 用户定义完整性：针对具体业务的约束，如「成绩 0–100」「性别只能男/女」。

五、关系的基本性质：它和 Excel 表不一样

关系（二维表）有五条硬规矩，违反任何一条就不是「合格的关系」：

1. 列同质：同一列的数据必须出自同一个域（同一类型）。
2. 列名不同：不同列可以出自同一个域，但属性名必须不同。
3. 行列顺序无关：行、列换个先后，表示的还是同一批数据。
4. 行不重复：任意两行不能完全相同（由主码保证唯一）。
5. 分量原子性：单元格（分量）不可再分——一个格子只能放一个值。这就叫第一范式（1NF）。

六、动手画：三级模式两级映像结构图（操作教程）

跟着画一遍，抽象就变具体：

1. 在纸/白板上画三层横条：外模式（上）／ 模式（中）／ 内模式（下）。
2. 在外模式层画两个小人：①教务员（能看到成绩）②学生（只能看课表）。
3. 画两条映像线：外模式↔模式 标「外模式/模式映像」，模式↔内模式 标「模式/内模式映像」。
4. 在右侧标注：上层映像失效会怎样？把「模式」改名叫 student_v2——只要映像跟着改，教务员和学生的程序一行都不用动（逻辑独立性）。
5. 底层标注：把数据库从机械硬盘迁到 SSD、重排存储——只要映像跟着改，上面两层完全无感（物理独立性）。

![三级模式两级映像结构图（可替换为手绘照片）]

七、动手标：把 student 表映射成关系术语（操作教程）

下面这张表，逐项标出本周术语：

sid	sname	sage	sclass
20260101	张三	17	25计算机应用1班
20260102	李四	18	25计算机应用1班

• 关系＝整张 student 表；元组＝任意一行；属性＝sid/sname/sage/sclass 任一列。
• 域：sage 取自整数集合，sclass 取自「XX班」字符串集合。
• 主码＝sid（唯一标识每个学生）。
• 再加一张选课表 sc(sid, cid, score)，其中 sc.sid 是外码，它参照 student.sid——这就把两张表连起来了（参照完整性要求 sc 里的 sid 必须在 student 中存在）。

八、动手挑错：下面哪些是「不合格的关系」（操作教程）

判断并改：

• 表 A：| 学号 | 姓名 | 家庭地址 |，家庭地址里写「广东,惠州」。 → 错：家庭地址 一个格子放了「省+市」两个值，违反分量原子性（1NF）。应拆成 省份、城市 两列。
• 表 B：没有设主码，允许插入两条完全相同的行。 → 错：违反「行不重复」（性质④），也破坏实体完整性。应设主码（如学号）。
• 表 C：两列都叫 name。 → 错：违反「列名不同」（性质②）。

九、常见易混点

现象（易错）	正确说法
以为一个数据库有多个「模式」	模式全局唯一；可以有多个的是「外模式」
分不清外模式/内模式	外模式=用户看到的局部逻辑（上层）；内模式=物理存储（底层）
把「逻辑独立性」和「物理独立性」搞反	改全局逻辑不影响程序→逻辑独立；改物理存储不影响程序→物理独立
认为外码也是本表的主码	外码是「引用别表主码」的属性，本身不一定是主码
觉得 Excel 表天然就是关系	Excel 单元格能塞多个值、能重名、能重复行，不一定满足 1NF 五条性质

十、小测验（不翻书试试）

1. 画出三级模式（外模式/模式/内模式），并说明两级映像如何实现逻辑独立性与物理独立性。
2. 关系模型中「关系、元组、属性、主码、外码、域」分别指什么？结合 student 表举例。
3. 关系（二维表）区别于普通表格，至少列出 4 条基本性质。

参考教材：《数据库技术基础（MySQL版）》王立力 / 上海交通大学出版社（模块 1）。文中 ![...] 为配图占位，发布时换成手绘或课件截图即可。

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【声明】本文由 AI 辅助生成，仅供 MySQL 数据库教学参考，如有疑误以教材为准。