數(shù)據(jù)模型的探討與分析

在工作中，關(guān)于概念模型、邏輯模型和物理模型三個數(shù)據(jù)模型的探討中，發(fā)現(xiàn)大家都有自己的見解，但是卻沒有一個人能真正的說清楚這三個模型的涵義與差異。

雖說由于這三個模型在軟件開發(fā)的過程中，由于其功能與作用的差異，結(jié)合項目規(guī)模等實際情況，不一定會全部使用以節(jié)省項目時間（有時候直接設(shè)計物理模型），但我認為不應(yīng)該被冠以“大家對這個概念的理解不同”不同之名而歪曲數(shù)據(jù)模型的定義。事實上，這三個模型的概念是清晰的、標(biāo)準(zhǔn)化的。

1.2約定

本文中討論的概念模型、邏輯模型和物理模型，主要是針對數(shù)據(jù)模型而言，也就是概念數(shù)據(jù)模型、邏輯數(shù)據(jù)模型和物理數(shù)據(jù)模型，而不是系統(tǒng)分析與設(shè)計中泛義的概念模型、邏輯模型和物理模型。

2數(shù)據(jù)模型的定義與分析

2.1概念模型

2.1.1定義

概念模型，是面向數(shù)據(jù)庫用戶的真實世界的模型，主要用來描述真實世界中的概念化結(jié)構(gòu)，它使數(shù)據(jù)庫的設(shè)計人員在設(shè)計的初始階段，擺脫計算機系統(tǒng)及DBMS的具體技術(shù)問題，集中精力分析數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系等，與具體的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（Database Management System，簡稱DBMS）無關(guān)。概念數(shù)據(jù)模型必須換成邏輯數(shù)據(jù)模型，才能在DBMS中實現(xiàn)?！俣劝倏?

概念數(shù)據(jù)模型是最終用戶對數(shù)據(jù)存儲的看法，反映了最終用戶綜合性的信息需求，它以數(shù)據(jù)類的方式描述企業(yè)級的數(shù)據(jù)需求，數(shù)據(jù)類代表了在業(yè)務(wù)環(huán)境中自然聚集成的幾個主要類別數(shù)據(jù)?！狫erome's BI BLOG

我簡單化歸納一下：概念模型，就是利用自然語言對真實世界的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的抽象化描述，是面向終端用戶的數(shù)據(jù)架構(gòu)。

2.1.2作用

概念數(shù)據(jù)模型的目標(biāo)是統(tǒng)一業(yè)務(wù)概念，作為業(yè)務(wù)人員和技術(shù)人員之間溝通的橋梁，確定不同實體之間的最高層次的關(guān)系。

2.1.3實例分析

下面舉兩個例子來說。

例一：

先進行一番業(yè)務(wù)描述：我們的項目計劃，一般包括年計劃和月計劃，年計劃可分解為月計劃。

我們來理解一下這句業(yè)務(wù)上的描述，可以把它分解為兩部分：“計劃包括年計劃和月計劃”和“年計劃可分解為月計劃”。我們從業(yè)務(wù)層面上，可以抽象出兩個數(shù)據(jù)對象：年計劃和月計劃。

再用概念模型E-R圖表示如下：

概念數(shù)據(jù)模型一：

概念數(shù)據(jù)模型二：

概念數(shù)據(jù)模型一是不完整的概念模型，概念數(shù)據(jù)模型二就是完整的概念模型。

原因：從概念數(shù)據(jù)模型一里面無法判斷其中有多少隱藏的信息，當(dāng)然你可以在另一個地方描述存在年計劃或月計劃這種業(yè)務(wù)情景，但是在這里你沒有描述出來，所以至少在這里它是不完整的？我想問：此時不說，更待何時？

例二：

對于概念模型有一種典型的情況。例如，下面是一組關(guān)于財務(wù)審計系統(tǒng)中的概念數(shù)據(jù)模型：

姑且勿論這個概念模型是否正確，至少它是粒度很粗很不完整的。

對于“財務(wù)數(shù)據(jù)”來說，它并不能做為一個實體，而是其中包含了多個實體（包括賬套，憑證，科目等相關(guān)實體），把它們（財務(wù)數(shù)據(jù)、審計數(shù)據(jù)與結(jié)果數(shù)據(jù)）定義為數(shù)據(jù)域（財務(wù)數(shù)據(jù)域、審計數(shù)據(jù)域與結(jié)果數(shù)據(jù)域）也許更加準(zhǔn)確，而不是把它定義為一個數(shù)據(jù)（實體）。

“財務(wù)數(shù)據(jù)”域完整的概念模型，應(yīng)該如下圖：

（這里我假設(shè)這個概念模型里的實體是完整的，實際的財務(wù)系統(tǒng)當(dāng)然不止這三個實體。）

這里也許有個疑問：這沒問題啊，先系統(tǒng)性，再結(jié)構(gòu)化嘛。

在此，我也真的很糾結(jié)，想想還是先不對這一句話解釋太多，我們先進入概念模型的設(shè)計原則的討論。完了之后，希望大家能找到“先系統(tǒng)性，再結(jié)構(gòu)化”這句話的真諦。

2.1.4設(shè)計原則

我們先來引用一下數(shù)據(jù)庫設(shè)計范式里面第三范式的描述：第三范式（3NF）要求一個數(shù)據(jù)庫表中不包含已在其它表中已包含的非主關(guān)鍵字信息。

在系統(tǒng)分析中對于數(shù)據(jù)架構(gòu)的分析，一般原則是以數(shù)據(jù)實體為基本元素，即每個實體不可再分解為止。這也正符合數(shù)據(jù)庫設(shè)計三范式里面第三范式的定義。

如果在分析階段數(shù)據(jù)對象沒有細化到最小粒度的數(shù)據(jù)實體，那么相當(dāng)于把系統(tǒng)分析的工作留給了下一階段的設(shè)計人員，從某種角度上來講，這是不符合系統(tǒng)分析與設(shè)計的原則的。因為系統(tǒng)設(shè)計人員的工作是根據(jù)分析結(jié)果進行設(shè)計，而不是還要進行系統(tǒng)分析。

一：分析階段要清楚問題的所有內(nèi)容，即系統(tǒng)做什么。也就是：What to do.

二：設(shè)計階段的設(shè)計工作是根據(jù)系統(tǒng)分析的結(jié)果而進行的，不完整的系統(tǒng)分析結(jié)果無法得到一個完整的系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果。I don't know what to do, I don't know how to do.

對于結(jié)構(gòu)化的分析我們一般的原則是：

一、使用一個總體結(jié)構(gòu)圖來描述各個數(shù)據(jù)域之間的關(guān)系，然后對數(shù)據(jù)域里面的所有數(shù)據(jù)實體進行結(jié)構(gòu)化的分析與設(shè)計。

二、對于同一個數(shù)據(jù)域的結(jié)構(gòu)化層次最多不超過三層結(jié)構(gòu)，最好不超過兩層；對于不同數(shù)據(jù)域由于系統(tǒng)規(guī)模較大，如果在同一個篇幅里面無法完全描述出來，則可以切片分章節(jié)對不同的數(shù)據(jù)域進行結(jié)構(gòu)化的描述。

2.1.5小結(jié)

概念模型設(shè)計階段，主要處于系統(tǒng)分析的階段，屬性可以不完全描述，但也可以描述一些主要的屬性。如果你在E-R圖上不給出屬性，可以選擇一個專門的表格來描述。另一方面，同一個實體的詳細信息，在一個地方描述就好了，不要每一個涉及該實體的地方都描述一番。因為如果實體有變化的時候，我想有些實體會在幾百上千個點上，你也不會每一個地方都去維護一次。

下面引用Jerome's BI BLOG里面的一句，這一句話很重要，也是理解概念模型與邏輯模型之間的區(qū)別的關(guān)鍵。

概念數(shù)據(jù)模型的內(nèi)容包括重要的實體及實體之間的關(guān)系。在概念數(shù)據(jù)模型中不包括實體的屬性，也不用定義實體的主鍵。這是概念數(shù)據(jù)模型和邏輯數(shù)據(jù)模型的主要區(qū)別?！狫erome's BI BLOG

2.2邏輯模型

2.2.1定義

邏輯模型，是用戶從數(shù)據(jù)庫所看到的模型，是具體的DBMS所支持的數(shù)據(jù)模型，如網(wǎng)狀數(shù)據(jù)模型(Network Data Model)、層次數(shù)據(jù)模型(Hierarchical Data Model)等等。此模型既要面向用戶，又要面向系統(tǒng)，主要用于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）的實現(xiàn)?！俣劝倏?

2.2.2作用

邏輯模型是概念模型從真實世界向計算機世界的轉(zhuǎn)換，加入了系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容。

邏輯數(shù)據(jù)建模不僅會影響數(shù)據(jù)庫設(shè)計的方向，還間接影響最終數(shù)據(jù)庫的性能和管理。如果在實現(xiàn)邏輯數(shù)據(jù)模型時投入得足夠多，那么在物理數(shù)據(jù)模型設(shè)計時就可以有許多可供選擇的方法。

2.2.3實例分析

例如：接著上面“計劃表”的設(shè)計，“計劃表”的邏輯結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

其中：

1.計劃標(biāo)識：這是由于系統(tǒng)設(shè)計的需要而加進來的，與業(yè)務(wù)無關(guān)的屬性。

2.計劃類型：0：年計劃；1：月計劃；2：季度計劃。（這里使用整型表示，當(dāng)然可以是字符、字符串或其他自定義類型，這完全是設(shè)計上的事，一般不要在系統(tǒng)分析階段啰嗦這些，客戶不關(guān)心的事兒。）

雖然計劃在業(yè)務(wù)概念上來講，存在年計劃、月計劃，甚至于季度計劃，但是在計算機世界中，計劃的類型除了在概念上不一樣之外，其他屬性都是一樣的，那么邏輯模型設(shè)計的時候可以把計劃數(shù)據(jù)定義為一個實體，而使用其中的一個字段來標(biāo)識某一份計劃是年計劃、月計劃，還是季度計劃。

2.2.4設(shè)計原則

邏輯數(shù)據(jù)模型反映的是系統(tǒng)分析設(shè)計人員對數(shù)據(jù)存儲的觀點，是對概念數(shù)據(jù)模型進一步的分解和細化。邏輯數(shù)據(jù)模型是根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則確定的，關(guān)于業(yè)務(wù)對象、業(yè)務(wù)對象的數(shù)據(jù)項及業(yè)務(wù)對象之間關(guān)系的基本藍圖。

邏輯數(shù)據(jù)模型的內(nèi)容包括所有的實體和關(guān)系，確定每個實體的屬性，定義每個實體的主鍵，指定實體的外鍵，需要進行范式化處理。

例如，在“計劃表”邏輯模型中可能加入了由于系統(tǒng)設(shè)計需要的一些字段（屬性），這些字段可能是在業(yè)務(wù)概念上不存在或不需要的。

2.2.5小結(jié)

邏輯數(shù)據(jù)模型的目標(biāo)是盡可能詳細的描述數(shù)據(jù)，但并不考慮數(shù)據(jù)在物理上如何來實現(xiàn)?！@一句話很重要，也是理解邏輯模型與物理模型之間區(qū)別性的關(guān)鍵。

2.3物理模型

2.3.1定義

物理模型，是面向計算機物理表示的模型，描述了數(shù)據(jù)在儲存介質(zhì)上的組織結(jié)構(gòu)，它不但與具體的DBMS有關(guān)，而且還與操作系統(tǒng)和硬件有關(guān)。每一種邏輯數(shù)據(jù)模型在實現(xiàn)時都有起對應(yīng)的物理數(shù)據(jù)模型。DBMS為了保證其獨立性與可移植性，大部分物理數(shù)據(jù)模型的實現(xiàn)工作由系統(tǒng)自動完成，而設(shè)計者只設(shè)計索引、聚集等特殊結(jié)構(gòu)。 ——百度百科

2.3.2作用

物理數(shù)據(jù)模型的目標(biāo)是指定如何用具體的數(shù)據(jù)庫模式來實現(xiàn)邏輯數(shù)據(jù)模型，以及真正的保存數(shù)據(jù)。

2.3.3實例分析

例如：對于計劃表，基于SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為存儲介質(zhì)的物理模型結(jié)構(gòu)。如下圖所示：

字段對照表：

數(shù)據(jù)表名：Plan（計劃表）

當(dāng)基于Oracle數(shù)據(jù)庫模式的時候，這個物理模型則是不一樣的。

例如：字符串，在Oracle上為varchar2，在Sql Server上為varchar等。

2.3.4設(shè)計原則

物理數(shù)據(jù)模型是在邏輯數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，考慮各種具體的技術(shù)實現(xiàn)因素，進行數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中的存儲。

物理數(shù)據(jù)模型的內(nèi)容包括確定所有的表和列，定義外鍵用于確定表之間的關(guān)系，基于用戶的需求可能進行范式化等內(nèi)容。在物理實現(xiàn)上的考慮，可能會導(dǎo)致物理數(shù)據(jù)模型和邏輯數(shù)據(jù)模型有較大的不同。

2.3.5小結(jié)

物理模型跟邏輯模型的區(qū)別就是，邏輯模型并不指出特定的數(shù)據(jù)存儲，僅限于系統(tǒng)邏輯上的描述。物理模型是邏輯模型在具體存儲介質(zhì)上的表現(xiàn)，直接與具體的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)或存儲介質(zhì)相關(guān)的數(shù)據(jù)模型。例如：Oracle、SQL Server、XML File或文件文件等。

物理模型給出了在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的字段名稱，與具體數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)類型的定義。而邏輯模型與具體的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)或存儲介質(zhì)無關(guān)，僅為使用計算機系統(tǒng)概念中的一種邏輯結(jié)構(gòu)。

2.4總結(jié)

概念模型是對真實世界的一種概念結(jié)構(gòu)的描述；

邏輯模型是計算機系統(tǒng)上一種邏輯結(jié)構(gòu)的描述；

物理模型則是與具體的計算機物理介質(zhì)直接關(guān)聯(lián)的一種結(jié)構(gòu)化的表達。

總的來說，我的理解是：概念模型、邏輯模型和物理模型是系統(tǒng)分析與設(shè)計中同一類型工具中三個不同層面的工具，一般應(yīng)用于對同一個對象面向不同層面的用戶而做不同的描述。