Шнырев Базы данных 2011
Рис. 1.10. Пример представления данных в иерархической модели Сетевая модель БД является в некотором смысле обобщением иерархической модели. Основное отличие сетевой модели от иерархической заключается в том, что в сетевой модели подчиненный тип может иметь произвольное количество родительских ти- пов (рис. 1.11). Основными понятиями сетевой модели являются набор, агрегат, запись и элемент данных. Под элементом данных в данном случае следует подразумевать то же самое, что и в иерархической модели – минимальную единицу данных. Агрегаты данных бывают двух типов: агрегат типа вектор и агрегат типа повторяющаяся группа (рис. 1.12). Агрегат типа вектор соответствует набору элементов данных. Агрегат типа повторяющаяся группа соответствует совокупности векторов данных. Записью называется совокупность агрегатов данных. Каждая запись имеет определенный тип и состоит из совокупности экземпляров записи. Набором называется граф, связывающий два типа записи. Таким образом, набор отражает иерархическую связь между двумя типами записей. Родительский тип 21
записи в данном наборе называется владельцем набора, а дочерний тип записи – членом того же набора. Рис. 1.11. Пример сетевой модели Рис. 1.12. Агрегаты данных в сетевой модели Для каких-либо любых двух типов записей может быть задано любое количество связывающих их наборов. При этом между дву- 22
мя типами записей может быть определено различное количество наборов. Однако один и тот же тип записи не может быть одновременно владельцем и членом набора. Несомненным достоинством сетевой модели данных является возможность более гибкого отображения множественных связей между объектами. Один из наиболее существенных недостатков заключается в высокой сложности схемы построения БД, что усугубляется ослаблением контроля за целостностью связей ввиду их многочисленности. Рис. 1.13. Примеры структур данных в сетевой модели Примеры структуры сетевой модели приведены на рис. 1.13. В основе реляционной модели данных лежит понятие отношения (рис. 1.14), которое является двумерной таблицей, содержащей множество строк ( кортежей ) и столбцов ( полей или атрибутов ). Таблица соответствует определенному объекту предметной области, ее поля описывают свойство данного объекта, а строки – конкретные экземпляры объекта. В каждом отношении всегда должен присутствовать атрибут или набор атрибутов, однозначно определяющий единственный кортеж этого отношения – первичный ключ . 23
Для отражения связи между объектами используется связывание таблиц по определенным правилам с использованием так называемых внешних ключей , которые будут подробно рассмотрены в следующих разделах. Рис. 1.14. Пример реляционного отношения Основное достоинство реляционной модели заключается в ее простоте и логической замкнутости, а недостатком является сложность системы описания различных связей между таблицами. Развитие реляционной модели привело к появлению так называемой постреляционной модели данных, основным отличием которой является допустимость многозначных полей (полей, значения которых состоят из множества подзначений). Многозначные поля можно интерпретировать как самостоятельные таблицы, встроенные в исходную таблицу. Кроме того, в постреляционной модели поддерживаются множественные ассоциированные поля, в совокупности образующих ассоциацию: в каждой строке первое значение одного столбца ассоциации соответствует первым значениям всех остальных столбцов ассоциации. Рис. 1.15 иллюстрирует сравнение представления данных в реляционной и постреляционной моделях. Основное достоинство постреляционной модели заключается в том, что она позволяет более эффективно хранить данные, а количество таблиц в этой модели заметно меньше по сравнению с реляционной. Недостатком является сложность обеспечения поддержания логической согласованности данных. Теория многомерных моделей данных активно развивается в последнее время. Понятие многомерной модели означает многомер- 24
ность логического представления структуры информации. Основными понятиями многомерной модели являются измерение и ячейка. Рис. 1.15. Сравнение способов представления данных в реляционной и постреляционной моделях Измерением называется множество данных одного типа, которые образуют грань n -мерного куба. На рис. 1.16 в качестве примера приведен трехмерный куб. Ячейкой является поле, значение которого определяется всей совокупностью измерений. Значение ячейки может быть переменной или формулой. Для работы с многомерными моделями данных используются специальные многомерные СУБД, в основе которых лежат понятия агрегируемости, историчности и прогнозируемости. Под агрегируемостью данных подразумеваются различные уровни обобщения информации. Историчность данных означает высокий уровень статичности как самих данных, так и связей между ними, а также упорядочение данных во времени в процессе их обработки и пред- 25
ставления пользователям. Обеспечение прогнозируемости задается использованием специальных функций прогнозирования. Рис. 1.16. Трехмерный куб в многомерной модели Многомерные СУБД используют две схемы организации данных – поликубическую и гиперкубическую. В поликубической модели n -мерные кубы могут иметь как различные размерности, так и различные измерения-грани. В гиперкубической модели все размерности кубов одинаковы, а измерения различных кубов совпадают. Срезом называется некоторое подмножество n -мерного куба, задаваемое фиксацией заданного количества измерений. Срез имеет размерность, меньшую n , и используется, в частности, для представления информации пользователям в виде читаемых двумерных таблиц. Вращение также часто используется для двумерного представления данных и заключается в изменении порядка измерений. Операции агрегации и детализации означают более общее или более детальное представление информации. Многомерные модели данных особенно удобны для работы с большими БД, поскольку позволяют эффективно обрабатывать 26
значительные объемы информации, и это является их несомненным достоинством. Рис. 1.17. Сравнение способов представления данных в реляционной и многомерной моделях Рис. 1.17 иллюстрирует сравнение представления данных в реляционной и многомерной моделях. Основным отличием объектно-ориентированной модели от рассмотренных выше является использование объектноориентированных методов манипулирования данными – инкапсуляции, наследования и полиформизма. Инкапсуляция означает возможность разграничения доступа различных программ, приложений, методов и функций (в более широком смысле и доступа различных категорий пользователей) к различным свойствам объектов данных. В контексте термина “инкапсуляция” часто используется понятие видимости – степень доступности отдельных свойств объекта. В современных объектноориентированных системах программирования (таких как Delphi или С++ Builder) имеются следующие уровни инкапсуляции (видимости), которые принято называть разделами: 27
1. Разделы Public , Published и Automated – с незначительными отличительными особенностями свойства объекта, описанные как принадлежащие к данным разделам, полностью доступны. 2. Раздел Private – этот раздел накладывает наиболее жесткие ограничения на видимость свойств объекта. Как правило, такие свойства оказываются доступными только владельцу данного объекта (программному модулю, в котором этот объект создан). 3. Раздел Protected – в отличие от раздела Private свойства объекта становятся доступными наследникам владельца объекта. В отличие от инкапсуляции наследование предполагает полную передачу всех свойств родительского объекта дочерним объектам. При необходимости наследование свойств одного объекта можно распространить и на объекты, не являющиеся по отношению к нему дочерними. Полиморфизм означает возможность одного и того же приложения манипулировать с данными разных типов – приложения (методы, процедуры и функции), обрабатывающие объекты различных типов, могут иметь одно и то же имя. Основным достоинством объектно-ориентированых моделей является возможность моделировать разнообразные сложные взаимосвязи между объектами. Контрольные вопросы 1. Что называется банком данных и чем он отличается от базы данных? 2. Что такое система управления базами данных? 3. Какие существуют уровни представления данных в соответствии со стандартом ANSI? 4. Перечислите основные категории пользователей баз данных. 5. Какими бывают базы данных с точки зрения формы представления информации? 6. Какие структурированные, частично-структурированные и неструктурированные модели баз данных вы можете назвать? 7. Какими бывают базы данных с точки зрения типа хранимой информации? 8. Чем отличаются открытые СУБД от замкнутых? 28
9. В чем заключается различие между однозвенными, двух- и трехзвенными СУБД? 10. Какие СУБД называются локальными, а какие – сетевыми? 11. В чем заключается различие между файл-серверными, кли- ент-серверными и распределенными СУБД? 12. Какие языковые средства, используемые в современных СУБД, вы можете назвать? В чем заключается предназначение этих языковых средств? 13. Что называется предметной областью базы данных? 14. В чем заключаются основные принципы построения иерархической и сетевой моделей? В чем их сходство и чем они принципиально различаются? 15. В чем заключаются основные преимущества реляционной модели баз данных по сравнению с более ранними моделями? 16. Опишите основные отличительные особенности постреляционной и многомерной моделей баз данных. 17. Дайте определения понятиям агрегируемости, историчности и прогнозируемости. 18. Что такое сбалансированное дерево? Чем оно отличается от несбалансированного и двоичного деревьев? 19. Что называется агрегатом данных? 20. Что такое родительский и дочерний типы данных? 21. Дайте определения понятиям инкапсуляции, наследования и полиморфизма. 22. Какие схемы организации данных используются в многомерных моделях? 23. Что из себя представляет ассоциированное поле, используемое в постреляционной модели? 24. Чем отличаются настольные СУБД от корпоративных? 29
2. РЕЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ 2.1. Построение реляционной схемы базы данных Как уже говорилось, основным понятием реляционной модели является отношение ( relation – отсюда и название модели), представляющее собой двумерную таблицу, содержащую некоторые данные. Реляционной моделью данных является совокупность отношений, изменяющихся во времени. Эта совокупность отношений хранит информацию об объектах некоторой предметной области и связях между ними. Для математического определения отношения рассмотрим n множеств D 1 , D 2 , …, D n , которые в реляционной модели называются доменами . Полным декартовым произведением будет называться набор всевозможных сочетаний из n элементов каждое, причем каждый из элементов берется из своего домена. Отношением будет называться подмножество полного декартова произведения – множество упорядоченных кортежей < d 1 D 1 , d 2 D 2 , …, d n D n >, где элемент d i называется атрибутом отношения. Важно обратить внимание на то, что не всякой двумерной таблице можно поставить в соответствие отношение. Для этого необходимо обеспечить выполнение следующих условий. 1. В таблице не может быть двух одинаковых строк, что означает, что в отношении не может быть двух одинаковых значений первичного ключа. 2. Столбцы таблицы должны соответствовать атрибутам отношения, то есть имена столбцов должны быть различны, поскольку каждый атрибут в отношении имеет уникальное имя. 3. Порядок строк в таблице может быть произвольным. 4. Все строки в таблице должны иметь одинаковую структуру. Схемой отношения называется список атрибутов этого отноше- ния. Количество атрибутов, входящих в кортежи отношения, называется его степенью . Первичным ключом отношения называется набор атрибутов, однозначно идентифицирующий каждый его кортеж. Если такой ключ состоит из одного атрибута, то он называется простым, в противном случае – составным. 30