1.2　数据库体系结构

人们为数据库设计了一个严谨的体系结构，数据库领域公认的标准结构是三级模式结构，包括外模式、概念模式和内模式。数据库体系结构能够有效组织、管理数据，提高数据库的逻辑独立性和物理独立性。

1.2.1　什么是模式

虽然实际的数据库管理系统产品种类很多，支持不同的数据模式，使用不同的数据库语言，建立在不同的操作系统之上，数据的存储结构也各不相同，但它们在体系结构上通常具有相同的特征，即采用三级模式结构并提供两级映像功能。

模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，仅仅涉及型的描述，不涉及具体的值。模式的一个具体值称为一个实例，同一个模式可以有很多实例。模式是相对稳定的，而实例是相对变动的，因为数据库中的数据是在不断更新的。模式反映的是数据的结构及其联系，而实例反映的是数据库某一时刻的状态。

1.2.2　三级模式结构

美国国家标准协会（American National Standard Institute, ANSI）的数据库管理系统研究小组于1978年提出了标准化的建议，将数据库结构分为3级：面向用户或应用程序员的用户级、面向建立和维护数据库人员的概念级、面向系统程序员的物理级。

其中，用户级对应外模式，概念级对应概念模式，物理级对应内模式，不同级别的用户对数据库形成不同的视图。所谓视图，就是指观察、认识和理解数据的范围、角度和方法，是数据库在用户眼中的反映。很显然，不同层次（级别）的用户所看到的数据库是不同的。数据库系统结构层次如图1.1所示。

1．分类

（1）外模式

外模式又称子模式或用户模式，对应用户级。它是某个或某几个用户所看到的数据库的数据视图，是与某一应用有关的数据的逻辑表示。外模式是从模式导出的一个子集，包含模式中允许特定用户使用的那部分数据。用户可以通过外模式描述语言来描述、定义对应用户的数据记录（外模式），也可以利用数据操纵语言（Data Manipulation Language, DML）对这些数据记录进行操作。总的来说，外模式反映了数据库的用户观。

（2）概念模式

模式又称概念模式或逻辑模式，对应概念级。它是由数据库设计者综合所有用户的数据，按照统一的观点构造的全局逻辑结构，是对数据库中全部数据的逻辑结构和特征的总体描述，是所有用户的公共数据视图（全局视图）。它是由数据库管理系统提供的数据模式描述语言（Data Description Language, DDL）来描述、定义的，体现、反映了数据库系统的整体观。

（3）内模式

内模式又称存储模式，对应物理级。它是数据库中全体数据的内部表示或底层描述，是数据库最低一级的逻辑描述，它描述了数据在存储介质上的存储方式和物理结构，对应着实际存储在外存储介质上的数据库。

在一个数据库系统中只有唯一的数据库，因而作为定义、描述数据库存储结构的内模式和定义、描述数据库逻辑结构的模式也是唯一的，但建立在数据库系统之上的应用则是非常广泛、多样的，所以对应的外模式不是唯一的，也不可能是唯一的。

2．工作原理

数据库的三级模式是数据库在3个级别（层次）上的抽象，使用户能够逻辑地、抽象地处理数据而不必关心数据在计算机中的物理表示和存储。实际上，对于一个数据库系统而言，物理级数据库是客观存在的，是进行数据库操作的基础；概念级数据库不过是物理数据库的一种逻辑、抽象的描述（模式）；用户级数据库则是用户与数据库的接口，是概念级数据库的一个子集（外模式）。

用户应用程序根据外模式进行数据操作，通过外模式—模式映射定义和建立某个外模式与模式间的对应关系，将外模式与模式联系起来，当模式发生改变时，只要改变其映射，就可以使外模式保持不变，对应的应用程序也保持不变；另一方面，通过模式—内模式映射定义建立数据的逻辑结构（模式）与存储结构（内模式）间的对应关系，当数据的存储结构发生变化时，只需改变模式—内模式映射，就能保持模式不变，因此应用程序也可以保持不变。