三级模式和两级映像

数据库系统的三级模式与两级映像：数据独立性的基石

数据库系统的三级模式（外模式、概念模式、内模式）和两级映像（模式 / 内模式映像、外模式 / 模式映像）是实现数据独立性的核心架构，也是关系型数据库保持灵活性和稳定性的关键设计。这一体系结构将数据的抽象层次分离，使得用户操作、逻辑结构和物理存储可以独立演化。

三级模式结构：数据的三个抽象层次

三级模式从抽象到具体，分别对应用户视角、系统逻辑视角和物理存储视角，每一层都有明确的职责和描述对象。

三级模式

外模式（External Schema）：用户眼中的数据

• 定义：又称 “用户模式” 或 “子模式”，是特定用户或应用程序所能看到和使用的数据结构描述。它是概念模式的子集，只包含用户关心的部分数据。
• 特点：
  • 一个数据库可以有多个外模式（不同用户 / 应用可能需要不同的数据视图）。
  • 外模式屏蔽了无关数据，简化了用户操作，同时保障数据安全（用户只能访问被授权的外模式）。
• 对应数据库对象：视图（View）。视图是外模式的具体实现，用户通过视图操作数据，无需关注底层表结构。
• 描述语言：外模式 DDL（数据定义语言），用于定义用户视图的结构。

概念模式（Conceptual Schema）：系统的逻辑结构

• 定义：又称 “模式”，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的总描述，反映了数据之间的内在联系（如关系、约束、规则等）。
• 特点：
  • 概念模式是数据库的核心，独立于硬件（存储方式）和软件（应用程序）。
  • 它既不涉及数据的物理存储细节，也不针对具体用户的需求，而是从全局角度描述数据的逻辑组织。
• 对应数据库对象：基本表（Table）。基本表是概念模式的物理载体，体现了数据的逻辑结构（如字段、类型、主键、外键等）。
• 描述语言：模式 DDL，用于定义表结构、关系和约束（如 SQL 中的 CREATE TABLE）。

内模式（Internal Schema）：数据的物理存储

• 定义：又称 “存储模式”，是数据在数据库内部的物理存储结构和存储方式的描述。
• 包含内容：
  • 数据的存储方式（如顺序存储、B 树索引、哈希存储）。
  • 物理记录的结构（如块大小、压缩方式、是否加密）。
  • 索引、聚簇、分区等物理优化手段。
• 特点：
  • 内模式直接与硬件相关，由数据库管理系统（DBMS）负责管理。
  • 用户和应用程序无法直接访问内模式，只能通过概念模式间接操作。
• 对应数据库对象：存储文件（Data File）。存储文件是数据在磁盘上的实际存在形式（如 MySQL 的 .ibd 文件、Oracle 的 .dbf 文件）。
• 描述语言：内模式 DDL，通常由 DBMS 自动生成或通过配置文件设置（用户无需手动编写）。

两级映像：实现数据独立性的桥梁

两级映像连接了三个抽象层次，确保了 “物理独立性” 和 “逻辑独立性”，使得数据的物理存储或逻辑结构变化时，应用程序无需修改。

模式 / 内模式映像：保障物理独立性

• 定义：存在于概念模式与内模式之间，定义了逻辑结构与物理存储之间的对应关系（如 “概念表中的 id 字段对应物理文件的第 1-4 字节”）。
• 物理独立性：当数据的物理存储方式改变时（如更换存储设备、修改索引类型、调整块大小），只需修改模式 / 内模式映像，概念模式和外模式保持不变，因此依赖外模式的应用程序无需修改。

示例：
若将表的存储方式从 “堆文件” 改为 “B 树索引”，DBMS 只需更新模式 / 内模式映像中 “表与存储结构” 的对应关系，应用程序仍通过 SELECT 语句查询表，感知不到底层变化。

外模式 / 模式映像：保障逻辑独立性

• 定义：存在于外模式与概念模式之间，定义了用户视图与逻辑结构之间的对应关系（如 “视图 v_user 的 name 字段对应表 user 的 username 字段”）。
• 逻辑独立性：当数据的逻辑结构改变时（如增加字段、修改表关系、拆分表），只需修改外模式 / 模式映像，外模式保持不变，因此依赖外模式的应用程序无需修改。

示例：
若在表 user 中增加 email 字段，而用户视图 v_user 只包含 id 和 name，只需确保外模式 / 模式映像中 v_user 与原字段的对应关系不变，应用程序查询 v_user 时仍能正常工作，无需修改代码。

三级模式与两级映像的意义

1. 数据独立性：
   • 物理独立性：物理存储变化不影响应用程序。
   • 逻辑独立性：逻辑结构变化不影响应用程序。
     这是数据库系统区别于文件系统的核心优势之一，大幅降低了系统维护成本。
2. 数据共享与安全：
   • 概念模式统一管理全局数据，支持多用户共享。
   • 外模式限制用户访问范围，防止未授权操作（如通过视图隐藏敏感字段）。
3. 抽象与简化：
   • 屏蔽了底层复杂的物理存储细节，用户只需关注数据的逻辑使用。
   • 分离了逻辑设计与物理设计，便于数据库管理员（DBA）和开发人员分工协作