Python教程:什么是三级模式和二级映像?

美国国家标准学会(American National Standards Institute,ANSI)所属的标准计划与需求委员会（Standards Planning and Requirements Committee,SPARC)在1971年公布的研究报告中提出了ANSI-SPARC体系结构，即三级模式结构（或称为三层体系结构）。ANSI-SPARC最终没有成为正式标准，但它仍然是理解数据库管理系统的基础。三级模式是指数据库管理系统从三个层次来管理数据，分别是外部层（ExternalLevel）、概念层（Conceptual Level）和内部层（Internal Level）。这三个层次分别对应三种不同类型的模式，分别是外模式（External Schema）、概念模式（Conceptual Schema）和内模式（Internal Schema）。在外模式与概念模式之间，以及概念模式与内模式之间，还存在映像，即二级映像，具体如图所示。

在图1-2中，外模式面向应用程序，描述用户的数据视图（View）；内模式（又称为物理模式、存储模式）面向物理上的数据库，描述数据在磁盘中如何存储；概念模式（又称为模式、逻辑模式）面向数据库设计人员，描述数据的整体逻辑结构。
由于三级模式比较抽象，为了更好地理解，下面将计算机中常用的Excel电子表格类比成数据库，并假设有一个商城使用电子表格来保存商品信息。

（1）概念模式。概念模式类似于表格的列标题，它描述了商品表中包含哪些信息，如图所示。

上图中，表的横向称为行，纵向称为列，第一行就是列标题，用来描述该列的数据表示什么含义。实际上，概念模式在数据库中描述的信息还有很多，如多张表之间的联系、表中每一列的数据类型和长度等，读者在后面的学习中就会接触到这些内容。

（2）内模式。在将Excel表格另存为文件时，可以选择保存的文件路径、保存类型（如XLS、XLSX、CSV等格式）等，这些与存储相关的描述信息相当于内模式。在数据库中，内模式描述数据的物理结构和存储方式，如堆文件、索引文件、散列（Hash）文件等。

（3）外模式。在打开一个电子表格后，默认会显示表格中所有的数据，这个表格称为基本表。在将数据提供给其他用户时，出于权限、安全控制等因素的考虑，只允许用户看到一部分数据，或不同用户看到不同的数据，这样的需求就可以用视图来实现。下图是视图和基本表的关系。

在上图中，基本表中的数据是实际存储在数据库中的，而视图中的数据是查询或计算出来的。由此可见，外模式可以为不同用户的需求创建不同的视图，且由于不同用户的需求不同，数据的显示方式也会多种多样。因此，一个数据库中会有多个外模式，而概念模式和内模式则只有一个。

通过前面的分析可知，三级模式是数据的三个抽象级别，每个级别关心的重点不同。为了使三级模式之间产生关联，数据库管理系统在三级模式之间提供了二级映像功能。二级映像是一种规则，它规定了映像双方如何进行转换。通过二级映像，体现了逻辑和物理两个层面的数据独立性。具体解释如下。

（1）逻辑独立性。外模式/概念模式映像体现了逻辑独立性。逻辑独立性是指当修改了概念模式，不影响其上一层的外模式。例如，将图1-4中基本表的“库存”和“销量”拆分到另一张表中，此时概念模式发生了更改，但可以通过改变外模式/概念模式的映像，继续为用户提供原有的视图，如图所示。

由此可见，逻辑独立性能够让使用视图的用户感觉不到基本表的改变。其实，逻辑独立性带来的好处还有很多，随着后面的学习，读者会有更深入的体会。

（2）物理独立性。概念模式/内模式映像体现了物理独立性。物理独立性是指修改了内模式，不影响其上层的概念模式和外模式。例如，在Excel中将.xls文件另存为.xlsx文件，虽然更换了文件格式，但是打开文件后显示的表格内容一般不会发生改变。在数据库中，更换更先进的存储结构，或者创建索引以加快查询速度，内模式会发生改变。此时，只需改变概念模式/内模式映像，就不会影响到原有的概念模式。

另外，物理独立性使得用户不必了解数据库内部的存储原理，即可正常使用数据库来保存数据。数据库管理系统会自动将用户的操作转换成物理级数据库的操作。

多学一招：数据库相关的人员

数据库系统涉及一些人员，主要包括数据库管理员（Database Administrator,DBA）、应MySQL数据库原理、设计与应用用程序员（Application Programmer)和最终用户（End User)。关于这些人员的具体解释如下。

（1）数据库管理员。负责管理和维护数据库，参与数据库的设计、测试和部署。数据库管理员需要对数据库系统非常精通，且应具有较高的技术水平和较深的资历。

（2）应用程序员。负责为最终用户设计和编写程序，并进行调试和安装，以便最终用户利用应用程序来对数据库进行存取操作。

（3）最终用户。一般为非计算机专业人员，通过应用程序访问数据库。例如，在12306网站订票的用户、在一些购物网站购买商品的用户，他们可能对数据库完全不了解，在使用浏览器、客户端等应用程序时，间接地访问了数据库。