深入理解 DBMS 网状模型：从基础到实战应用

在我们探索数据库系统的演进历程时，往往会发现技术的更替是为了解决前一代技术的局限性。你是否想过，在关系型数据库（RDBMS）出现之前，我们是如何处理复杂数据关系的？特别是当数据之间存在多对多的复杂关联时，简单的树状结构（层级模型）已经无法满足需求。这时，网状模型应运而生。

今天，我们将深入探讨 DBMS（数据库管理系统）中的网状模型。这不仅仅是一次历史的回顾，更是为了理解数据建模的核心思想。我们将看到它如何通过图结构打破层级限制，允许更灵活的数据访问，并分析它在现代数据架构中留下的宝贵遗产。让我们开始这段旅程吧！

什么是网状模型？

简单来说，网状模型是一种数据模型，它允许数据以更灵活、更复杂的结构来表示“多对多”关系。与层级模型严格的父子树状结构不同，网状模型使用由节点（实体）和边（关系）组成的图结构来组织数据。

想象一下，在层级模型中，如果你是一个“子节点”，你只能有一个“父节点”。这就像在严格的家长制下，孩子只能归属于一个父亲。但在现实世界的数据库应用中，比如复杂的供应链系统或大学选课系统，一个实体往往需要同时属于多个上级分类。网状模型正是为了解决这种灵活性需求而诞生的。它通过允许记录拥有多个父节点，实现了更高效、更直接的访问路径，避免了数据冗余。

历史背景与核心概念：从 CODASYL 到图结构

为了真正掌握网状模型，我们需要回顾一下它的起源。这个模型最初是由数据库任务组（DBTG）在 20 世纪 60 年代后期规范化的，隶属于 CODASYL（系统语言会议咨询委员会）。它是层级模型的自然进化形式。

在这个模型中，数据被称为“片段”。与层级模型最大的区别在于，在这个模型中，一个片段可以拥有多个父节点。虽然这些片段在逻辑上被分组为不同的层级，但它们之间的关联不再局限于单一路径。通常情况下，任意两个片段之间都存在多对多的逻辑关联。

我们将这些片段之间的逻辑关联称为图。因此，这个模型用类似图的结构取代了层级树，使得不同节点之间可以存在更通用的连接。它可以拥有 M:N（多对多）关系，这允许一条记录拥有多个父级片段。

“系”的概念：所有者与成员

在网状模型的理论中，有一个非常重要的术语我们必须了解——“系”。每一个“系”至少由以下两种类型的记录组成，这是理解该模型运作的关键：

• 所有者记录： 它等同于层级模型中的父节点。它是关系的发起端，处于主导地位。
• 成员记录： 它等同于层级模型中的子节点。它是从属端，可以有多个。

这种结构允许我们建立复杂的数据网络。为了让你更直观地理解，让我们通过可视化的图表来分析它的结构。

网状模型的结构解析

为了更好地理解这种抽象的概念，让我们看一个典型的网状数据模型示意图。

!A Network data model

图解分析：

在上面的图中，我们可以观察到层级模型中不可能出现的现象：

• 单一父级： 成员 INLINECODE92b675b5 只有一个所有者 INLINECODE076dc49c。
• 多重父级： 成员 INLINECODE7f8275f2 比较特殊，它有两个所有者，分别是 INLINECODEc02065fb 和 THREE。

这里展示了网状模型的核心力量。两种记录类型之间的每一个链接都代表着它们之间的一对多（1:M）关系。该模型在节点之间既包含横向连接，也包含自上而下的连接。因此，它允许给定实体之间存在 1:1、1:M、M:N 的关系。

这种设计极大地有助于避免数据冗余问题，因为它支持通过多条路径访问同一条记录。这意味着我们不需要在不同的位置重复存储相同的数据，只需要建立逻辑上的连接即可。该模型的各种实现案例包括 Cincom Systems Inc. 开发的 TOTAL，以及 Xerox Corp. 开发的 EDMS 等。

示例：财务部门的网状模型

理论可能有点枯燥，让我们来看看一个更贴近业务场景的例子。假设我们为一家公司的财务部门设计数据库。

!Network model of Finance Department.

业务逻辑分析：

在上面的图中，INLINECODE27ef9c60（推销员）、INLINECODE4121b7ad（客户）、INLINECODEd355c10a（产品）、INLINECODE9f75e94b（发票）、INLINECODEe1dd14ba（支付）、INLINECODE2eb661eb（发票明细）是该公司销售业务中的记录类型。

我们可以梳理出这样的业务逻辑：

• 发票明细的双重归属： 正如我们在图中看到的那样，INLINECODE89b87b79（发票明细）不仅属于某张发票，还关联到具体的产品。因此，INLINECODEcdd591a6 同时归属于 INLINECODEac79e2dd 和 INLINECODE0d2c9361。这是典型的多父级场景。
• 发票的复杂性： INLINECODE8b8ee19c（发票）也有两个所有者：它是由某个 INLINECODEe9b90bfb（推销员）开出的，同时也属于某个 CUSTOMER（客户）。

这种结构完美地捕捉了现实世界的业务流程，而在严格的层级模型中，要表示“发票明细”既属于“发票”又属于“产品”的关系，将会非常困难且会导致数据冗余。

深入探讨：复杂实例与代码模拟

让我们把难度稍微提高一点，看看在更复杂的场景下网状模型是如何工作的。特别是关于多对多（M:N）关系的处理，这是网状模型的一大亮点。

场景设定：大学教务系统

假设我们有两个实体：INLINECODE931f470b（教员/系）和 INLINECODE129602be（学生）。

现实生活中，一个学生（比如 John）既选修了 CS（计算机科学）系的课程，也选修了 EE（电子工程）系的课程。如果我们在层级模型中，John 只能属于一个系。但在网状模型中，我们不仅需要找出这里存在多少个实例，还需要处理这种错综复杂的关系。

对于上述示例，一个学生的实例至少可以有两个父级实例（CS 系和 EE 系）。因此，在学生片段和教员片段的实例之间存在着多对多的逻辑关联。

伪代码实现：模拟网状模型的 DDL 和 DML

为了让你对网状模型的操作有更具体的理解，虽然网状数据库通常使用 COBOL 等语言结合专有接口，但我们可以通过一种结构化的伪代码来模拟其核心操作。这里我们模拟一个基于集合的操作。

#### 示例 1：构建 Schema（模式定义）

在网状模型中，我们需要定义记录类型以及它们之间的系。

“INLINECODEd6da1e6f`INLINECODE50284688SELECT * FROM Student WHERE FacultyID = …INLINECODE4bc71b46GETFIRSTMEMBERINLINECODEd5203174GETNEXT_MEMBER`。

这正是网状模型（以及 IDMS 等具体实现）的典型操作方式。数据是通过指针链表连接在一起的。一旦找到了“所有者”记录（教员），数据库系统就会直接读取指向下一个成员的指针。这种方法在处理大规模数据时，性能往往优于早期的关系型数据库，因为它避免了昂贵的笛卡尔积运算。这就是为什么在金融交易等对性能要求极高的系统中，网状模型曾经长期占据主导地位的原因。

网状模型的优势：为什么它曾如此流行？

在我们继续之前，让我们总结一下网状模型的核心优势。这有助于我们在设计现代系统时，借鉴其优点：

• 简单与高效： 这个模型非常简单，易于设计（从概念上讲），类似于层级数据模型。在处理大量 1:N 关系时，它比 SQL 更加直观和快速。
• 处理复杂关系： 这个模型能够处理多种类型的关系（1:1, 1:M, M:N），这非常有助于对现实生活中的应用程序进行建模，比如复杂的供应链、航空预订或大学管理系统。
• 快速的数据访问： 在这个模型中，我们可以轻松地访问数据。应用程序有机会直接访问同一个系内的所有者记录和成员记录。如果你知道路径，数据检索就是瞬间的。
• 数据完整性： 这种网络结构不允许成员在没有所有者的情况下存在（强制保留规则），这天然地导致了数据完整性概念的加强。
• 多父级支持： 与层级模型最大的不同在于，这个模型允许表示多父关系，解决了数据冗余和更新异常的问题。

网状模型的劣势：为什么它最终被取代？

尽管网状模型在性能上表现出色，但它也有明显的局限性，这也正是为什么在 20 世纪 80 年代以后，关系型数据库逐渐成为主流的原因：

• 结构极其复杂： 该数据库的模式或结构本质上非常复杂，因为所有的记录都是通过使用指针来维护的。对于普通用户来说，想象数据的 3D 结构是非常困难的。
• 操作导航复杂： 由于使用指针进行导航，导致存在操作异常，进而使得开发变得复杂。程序员必须非常了解数据的具体存储路径。
• 用户不友好： 该模型的设计或结构对最终用户并不友好。普通的业务人员很难写出查询代码，通常需要专业的程序员。
• 缺乏查询优化： 该模型没有任何自动查询优化的空间。系统在很大程度上依赖程序员编写的路径效率。
• 结构独立性差： 尽管网状数据库模型能够实现数据独立性，但该模型未能实现结构独立性。如果你需要改变数据的结构（例如，把一个记录类型从一个系移到另一个系），你可能需要重写整个应用程序。

数据关系表示的最佳实践

在我们的实际应用中，网状模型告诉我们如何使用图结构来表示数据关系。它允许我们将复杂的业务逻辑直接映射到数据库结构中。

实战见解： 虽然我们在今天主要使用 SQL 数据库，但理解网状模型对于理解图数据库（如 Neo4j）以及现代 SQL 中的递归查询非常有帮助。当你在 SQL 中使用自连接或 CTE（公用表表达式）来处理层级数据时，你实际上是在用关系型的代码模拟网状模型的逻辑。

总结与展望

通过这篇文章，我们深入探讨了 DBMS 中的网状模型。我们回顾了它的历史起源，分析了它如何通过“系”和图结构解决多对多关系，并学习了它的优缺点。

核心要点回顾：

• 网状模型使用图结构，支持多对多（M:N）关系，是层级模型的进化版。
• 核心概念是“所有者记录”和“成员记录”，它们共同组成了“系”。
• 它的主要优势是访问速度快和数据完整性高，适合处理复杂关系。
• 它的主要劣势是结构复杂、缺乏结构独立性以及对用户/开发者不够友好。

作为开发者，即使我们在日常工作中不再直接使用 IDMS 或 Raima Database Manager 这样的网状数据库，理解这种模型依然至关重要。它提醒我们，数据结构的设计必须服务于业务逻辑的复杂性。

下一步建议：

在下一篇文章中，我们将探讨关系型数据库模型，看看它是如何通过“表”和“外键”将我们从复杂的指针导航中解放出来的，同时也要看看它为此付出了什么代价（性能）。我们将比较 SQL 的声明式查询与网状模型的导航式查询，看看你的应用究竟适合哪一种风格。