Модели данных и структура БД

Поскольку в данном случае БД является информационной мо­делью определенной предметной области, существенной особенно­стью всякой БД является структура или, как принято говорить, мо­дель данных (МД).

Рассмотрим некоторые наиболее известные (или «замечатель­ные» [1, 5]) модели данных.

Иерархическая МД (ИМД). Впервые реализована в СУБД IBM -— IMS (Information Management System), разработанной для поддержки банка данных по программе Apollo. При данном подходе предметная область представляется в виде совокупности структур иерархического типа (граф — «дерево»).

Основные понятия ИМД:

• поле — минимальная единица данных;

• сегмент (узел) — совокупность полей, являющаяся единицей
обмена между БД и прикладной программой. Сегмент (узел иерархического графа) более высокого уровня называется ис­ходным (родительским) по отношению к ниже расположенно­му порожденному (отпрыску). Может использоваться также терминология «узел, принадлежащий вышестоящему узлу». Конкретные данные, входящие в сегмент называются экземпля­ром сегмента.

В ИМД существуют также следующие понятия:

• брат — узел, имеющий того же родителя, что и другой узел;

• ветвь — узел дерева вместе со всеми его отпрысками, отдаленными потомками и родительскими источниками;

• лист — узел, у которого нет отпрысков;

• обход дерева — процесс обследования по очереди каждого узла
дерева в иерархической модели данных, и пр.

Преимущества IMS и реализованной в ней иерархической мо­дели:

1. Простота модели. Принцип построения IMS легок для пони­
мания. Иерархия базы данных напоминает структуру компании или
генеалогическое дерево.

2. Использование отношений предок/потомок. СУБД IMS позволяла легко представлять отношения предок/потомок, например: «А
является частью В» или «А владеет В».

3. Быстродействие. В СУБД IMS отношения предок/потомок
были реализованы в виде физических указателей от одной записи к
другой, вследствие чего перемещение по базе данных происходило
быстро. Поскольку структура данных в этой СУБД отличалась простотой, IMS могла размещать записи предков и потомков на диске
рядом друг с другом, что позволяло свести к минимуму количество
операций записи-чтения.

Существенно то, что физическая организация БД в этом случае такова, что выбрать конкретные сведения об объектах можно, лишь пройдя всю цепочку групп (сегментов) сверху вниз (путь на иерар­хическом дереве). Данная схема наиболее проста, но не лишена оче­видных недостатков.

В частности, в связи с полииерархичностью связей объектов в реальном мире в подобных БД необходимо создавать и поддержи­вать несколько иерархических отношений, что нарушает основную идею модели данных. Далее, рассматриваемая модель обладает ря­дом т. н. «парадоксов», наиболее очевидным из которых является «парадокс исключения». Удаление из БД некоторого вышестоящего сегмента приводит к автоматическому удалению и всех зависимых (порожденных сегментов).

Сетевая модель данных (модель CODASYL). В предложенной CODASYL модификации иерархической модели одна запись могла участвовать в нескольких отношениях предок/потомок. В сетевой модели такие отношения называются множествами (set). В 70-е гг. независимые производители программного обеспечения реализова­ли сетевую модель в таких продуктах, как IDMS компании Cullinet, Total компании Cincom, которые приобрели большую популяр­ность. Сетевые БД обладали рядом преимуществ:

1. Гибкостью. Множественные отношения предок/потомок позволяют сетевой БД хранить данные, структура которых сложнее
обычной иерархии.

2. Стандартизованностъю. Появление стандарта CODASYL.

3. Быстродействием. Вопреки своей сложности, сетевые БД достигали быстродействия, сравнимого с быстродействием иерархических БД. Множества были представлены указателями на физические записи данных, и в некоторых системах администратор мог за­дать кластеризацию данных на основе множества отношений.

Недостаток — жесткость БД, наборы отношений и структуру за­писей приходилось задавать заранее. Изменение структуры данных означало перестройку всей БД.

Реляционная модель данных (РМД). В то время как иерархиче­ская модель в своей основе является формализацией и обобщением пользовательских свойств некоторой конкретной системы (IMS), в случае реляционной модели сначала были разработаны некоторые математические основы и лишь через 5—10 лет появились первые коммерчески эффективные системы. В рамках реляционной модели предметная область представлена совокупностью таблиц (отноше­ний, файлов).

Строки таблицы называются экземплярами отношения, столб­цы — атрибутами] каждый атрибут имеет область значений, назы­ваемую доменом.

Важным отличием РМД от ИМД является возможность приме­нения формального аппарата, описывающего преобразование и об­работку данных в РМД — реляционной алгебры.

Операндами реляционной алгебры являются отношения, как постоянные, так и переменные.

Операции реляционной алгебры включают следующие преобра­зования отношений.

А. Теоретико-множественные операции над несколькими по­добными (имеющими одинаковую структуру — число атрибутов, их имен, домен и т. д.), отношениями, в том числе объединение, пересе­чение, разность.

Б. Операции над одним отношением:

• селекция, или построение отношения-результата из отношения-источника путем отбора экземпляров, удовлетворяющих
некоторому критерию отбора. Операция селекции соответствует поиску информации в БД по логическим условиям (см.
табл. 2.2 - FIND... WITH, FIND...WHERE, LOCATE);

• проекция, или построение результирующего отношения путем
отбора части атрибутов всех экземпляров исходного отноше­
ния. Данной операции в реальных СУБД соответствует поня­
тие пользовательской подсхемы и операции выдачи необходи­
мых данных (см. табл. 2.2 - DISPLAY, VIEW, SET FORM TO,
REPORT FORM...).

В. Операции над несколькими различными отношениями.

Рассмотрим только естественное соединение (в дальнейшем — соединение). Операция заключается в поиске в паре (или большем числе) отношений строк, содержащих общий атрибут, и создания из этих строк экземпляра результирующего отношения.

В СУБД соединению соответствует поиск связанных данных или логическое (физическое) связывание файлов (см. табл. 2.2 — FIND...COUPLED, SET RELATION TO, JOIN).

Реляционная алгебра позволяет рассматривать операции ввода, вывода, поиска коррекции и удаления данных в БД как вычисление отношений-результатов через исходные отношения. При этом исход­ным отношением может быть внешний (входной) формат данных, а результирующим — внутренний (хранимый) или, наоборот, исход­ным — внутренний, а результирующим — внешний (выходной).

Модель «сущность—связь» (Entity—Relationship, ER) [5], пред­ставляет собой обобщение РМД путем разделения отношений, опи­сывающих предметную область на две группы — сущностей и связей.

Сущность (Entity) является первичным, устойчивым объектом, описываемым некоторой совокупностью атрибутов.

Связь (Relationship) является вторичным понятием, характери­зующим взаимодействие в пространстве и времени двух или более сущностей, и также задается рядом атрибутов, среди которых при­сутствуют идентификаторы взаимосвязанных сущностей. При про­ектировании БД на основе ER-моделей используют ЕR-диаграммы. Модель ER является удобным средством описания предметной об­ласти перед тем, как перейти к ее представлению в реляционной модели данных.

Иерархическая МД в настоящее время представляет лишь исто­рический интерес, хотя ряд ее элементов и" поддерживается некото­рыми из рассматриваемых далее конкретными СУБД.

Наиболее распространенными являются подходы, базирующие­ся на ER-модели и РМД.

Основные представления о структуре БД в рамках указанных моделей заключаются в следующем:

а) совокупность сущностей и связей образует концептуальную
схему базы данных и отражает структуру предметной области. Элементами схемы являются типы (классы) сущностей и связей; типы
состоят из экземпляров, описывающихся значениями атрибутов.

На рис. 2.1 приведен пример фрагмента диаграммы «сущ­ность—связь», описывающей учебный процесс вуза. Здесь сущно­стями являются ФАКУЛЬТЕТ, ДИСЦИПЛИНА, СПЕЦИАЛЬ­НОСТЬ (с возможными атрибутами, например, НАИМЕНОВА­НИЕ, ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ОБУЧЕНИЯ, ЧИСЛО ЧАСОВ и пр.) Связями являются ВЫПУСКАЕТ, ВКЛЮЧАЕТ (возможные атрибуты - КВАЛИФИКАЦИЯ, СЕМЕСТР ОБУЧЕНИЯ и пр.);

б) концептуальная схема трансформируется в логическую схему,
в которой сущностям и связям соответствуют отношения или логические файлы, состоящие соответственно из экземпляров отношений и
логических записей.

Логическая запись является более общим образом, чем отноше­ние (строка данных), поскольку допускает появление групповых по­лей (или агрегатных данных), соответствующих некоторым зависи­мым сущностям (или связям).

В повторяющемся групповом поле экземпляр группы есть опи­сание экземпляра сущности (связи) посредством соответствующих атрибутов. Групповые повторяющиеся поля представляют собой эле­мент иерархической модели данных, который при желании может применяться пользователями;

Рис. 2.1 Пример диаграммы «сущность—связь»

в) следующий уровень — физическая реализация БД в форме

файлов операционной системы ЭВМ. При этом в различных конкретных системах логическому файлу может отвечать один или бо­лее физических файлов (или наоборот); физическая запись, как правило, включает одну или более логических записей;

г) уровень представлений пользователя описывает БД в виде со­вокупности пользовательских подсхем, которые применяются для ввода/вывода информации. С представлениями пользователя связа­ны также понятия маски редактирования (преобразования данных при окончательном представлении пользователю), и кодирования/де­кодирования (трансляции кодов) — расширения кратких представле­ний данных и аббревиатур с помощью вспомогательных файлов и кодовых таблиц (по своей сути — операция соединения отношений в РМД).

Дата добавления: 2015-07-20