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美国国家标准学会（American National Standards 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，将数据库结构分为三级：面向用户或应用程序员的用户级（外模式）、面向建立和维护数据库人员的概念级（模式）以及面向系统程序员的物理级（内模式）。三级模式的数据库体系结构提高了数据库的逻辑独立性和物理独立性。
数据模型（准确说是组织层数据模型）描述数据的组织形式，模式是用给定的数据模型对具体数据的描述，类似于用某一种编程语言编写具体应用程序一样。
模式是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，它仅仅涉及“型”的描述，不涉及具体的值。关系模式是关系的“型”或元组的结构共性的描述，它实际上对应的是关系表的表头。
模式的一个具体值称为模式的一个实例，比如表2-1中的每一行数据就是其表头结构（模式）的一个具体实例。一个模式可以有多个实例。模式是相对稳定的（结构不会经常变动），而实例是相对变动的（具体的数据值可以经常变化）。数据模式描述一类事物的结构、属性、类型和约束，实质上是用数据模型对一类事物进行模拟，而实例是反映某类事物在某一时刻的状态。
虽然实际的数据库管理系统产品种类很多，支持的数据模型和数据库语言也不尽相同，数据的存储结构也各不相同，但它们在体系结构上通常都具有相同的特征，即采用三级模式结构并提供两级映像功能。
数据库的三级模式结构是指数据库的外模式、模式和内模式，如图2-11所示。
图2-11 数据库的三级模式结构
外模式是面向每类用户的数据需求的视图，而模式描述的是一个部门或公司的全体数据。换句话说，外模式可以有许多，每一个都或多或少地抽象表示整个数据库的某一部分数据；而模式只有一个，它是对现实世界业务中的全体数据的抽象表示，注意这里的抽象指的是记录和字段这些更加面向用户的概念，而不是位和字节那些面向机器的概念。内模式也只有一个，它表示数据库的物理存储。
1.外模式
外模式也称为用户模式或子模式，它的内容来自模式。外模式是对现实系统中用户感兴趣的整体数据的局部描述，用于满足数据库不同用户对数据的需求。外模式是对数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库整体数据结构（即模式）的子集或局部重构。
外模式通常是模式的子集。一个数据库可以有多个外模式。由于它是各个用户的数据视图，如果不同的用户在应用需求、看待数据的方式、对数据保密要求等方面存在差异，则其外模式的描述就是不同的。即使对模式中同样的数据，在外模式中的结构、类型、长度等都可以不同。
例如定义外模式：学生性别信息（学号，姓名，性别），该外模式就是表2-1所示关系的子集，它是宿舍分配部门所关心的学生信息，是学生基本信息的子集。又例如，图书借阅（姓名，所在学院，ISBN，借书时间）外模式是图书馆人员关心的信息，这个外模式的数据就是表2-1的“学生”关系（模式）和表2-2的“借阅”关系（模式）所含信息的组合（或称为重构）。
外模式同时也是保证数据库安全的一个措施。每个用户只能看到和访问其所对应的外模式中的数据，并屏蔽其不需要的数据，因此保证不会出现由于用户的误操作和有意破坏而造成数据损失。例如，假设有职工信息表，结构如下：
职工（职工号，姓名，所在部门，基本工资，职务工资，奖励工资）
如果不希望一般职工看到其他职工的奖励工资，则可生成一个只包含一般职工可以查看的信息的外模式，结构如下：
职工信息（职工号，姓名，所在部门，基本工资，职务工资）
这样就可以保证一般用户不会看到“奖励工资”项。
外模式对应到关系数据库中是“外部视图”或简称为“视图”。视图的概念我们将在第6章介绍。关系数据库管理系统提供了数据定义语言（DDL）来定义数据库的外模式。
2.模式
模式也称为逻辑模式或概念模式，是对数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据视图。模式表示数据库中的全部信息，其形式要比数据的物理存储方式抽象。它是数据库结构的中间层，既不涉及数据的物理存储细节和硬件环境，也与具体的应用程序、所使用的应用开发工具和环境无关。
模式实际上是数据库数据在逻辑级上的视图。一个数据库只有一种模式。数据库模式以某种数据模型为基础，综合地考虑了所有用户的需求，并将这些需求有机地结合成一个逻辑整体。定义数据库模式时不仅要定义数据的逻辑结构，比如数据记录由哪些数据项组成，数据项的名字、类型、取值范围等，而且还要定义数据之间的联系，定义与数据有关的安全性、完整性要求。
关系数据库中的模式一定是关系的，关系数据库管理系统提供了DDL来定义数据库的模式。
3.内模式
内模式又称为存储模式，对应于物理级。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存储结构，对应着实际存储在存储介质上的数据库。内模式由DDL来定义。内模式反映了数据库系统的存储观。
在一个数据库系统中，每个数据库是唯一的，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，因此对应的外模式不是唯一的。
数据库的三级模式是对数据的三个抽象级别，它把数据的具体组织留给数据库管理系统，使用户能逻辑、抽象地处理数据，而不必关心数据在计算机中的具体表示方式与存储方式。为了能够在内部实现这三个抽象层的联系和转换，数据库管理系统在三级模式之间提供了两级映像（见图2-11）：外模式/模式映像和模式/内模式映像。正是这两级映像功能保证了数据库中的数据能够具有较高的逻辑独立性和物理独立性，使数据库应用程序不随数据库数据的逻辑或存储结构的变动而变动。
1.外模式/模式映像
模式描述的是数据的全局逻辑结构，外模式描述的是数据的局部逻辑结构。对应于同一个模式可以有多个外模式。对于每个外模式，数据库管理系统都有一个外模式到模式的映像，它定义了该外模式与模式之间的对应关系，即如何从外模式找到其对应的模式。这些映像定义通常包含在各自的外模式描述中。
当模式改变（比如增加新的关系或新的属性、改变属性的数据类型等）时，可由数据库管理员用外模式定义语句，调整外模式到模式的映像，从而保持外模式不变。由于应用程序一般是依据数据的外模式编写的，因此也不必修改应用程序，从而保证了程序与数据的逻辑独立性。
2.模式/内模式映像
模式/内模式映像定义了数据库的逻辑结构与物理存储之间的对应关系，该映像关系通常被保存在数据库的系统表（由数据库管理系统自动创建和维护，用于存放维护系统正常运行的表）中。当数据库的物理存储改变了，比如选择了另一个存储位置，只需要对模式/内模式映像做相应的调整，就可以保持模式不变，从而不必改变应用程序。因此，保证了数据与程序的物理独立性。
在数据库的三级模式结构中，模式（即全局逻辑结构）是数据库的中心与关键，它独立于数据库的其他层。设计数据库时也是首先设计数据库的逻辑模式。
数据库的内模式依赖于数据库的全局逻辑结构，但它独立于数据库的用户视图（也就是外模式），也独立于具体的存储设备。内模式将全局逻辑结构中所定义的数据结构及其联系按照一定的物理存储策略进行组织，以达到较好的时间与空间效率。
数据库的外模式面向具体的用户需求，它定义在模式之上，但独立于内模式和存储设备。当应用需求发生变化，相应的外模式不能满足用户的要求时，就需要对外模式做相应的修改以适应这些变化。因此设计外模式时应充分考虑到应用的可扩充性。
原则上，应用程序都是在外模式描述的数据结构上编写的，而且它应该只依赖于数据库的外模式，并与数据库的模式和存储结构独立（但目前很多应用程序是直接针对模式进行编写的）。不同的应用程序有时可以共用同一个外模式。数据库管理系统提供的两级映像功能保证了数据库外模式的稳定性，从而从底层保证了应用程序的稳定性，除非应用需求本身发生变化，否则应用程序一般不需要修改。
数据与程序之间的独立性，使得数据的定义和描述可以从应用程序中分离出来。另外，由于数据的存取由数据库管理系统负责管理和实施，因此，用户不必考虑存取路径等细节，从而简化了应用程序的编写，减少了对应用程序的维护和修改工作。