Тема 11 Базы данных
11.1. Понятие базы данных. Системы управления базами данных
Слово «данные» определяется как диалектическая составная часть информации в виде зарегистрированных сигналов. Регистрация данных может быть осуществлена любым физическим методом (механическое перемещение физических тел, изменение их формы или параметров качества поверхности, изменение электрических, магнитных, оптических характеристик, химического состава или характера химических связей, изменение состояние электронной системы и т. д.). Изначально при создании баз данных применялись следующие типы данных:
1) числовые (например, 17; 0,27; 2Е-7);
2) символьные или алфавитно-цифровые (в частности, «потолок», «стол»);
3) даты, которые задаются с помощью специального типа «Дата» или как обычные символьные данные (например, 12.02.2005, 12/02/2005).
Позднее были определены другие типы данных, в том числе:
1) временные и дата-временные, которые применяются для хранения информации о времени и/или дате (например, 5.02.2005, 7:27:04, 23.02.2005 16:00);
2) символьные данные переменной длины, предназначенные для хранения текстовой информации большой длины;
3) двоичные, которые используются для хранения графических объектов, аудио– и видеоинформации, пространственной, хронологической и другой специальной информации;
4) гиперссылки, позволяющие хранить ссылки на различных ресурсах, располагающихся вне базы данных.
База данных – это совокупность определенным образом взаимосвязанных данных, хранящихся в памяти ЭВМ для отображения структуры объектов и их связей в изучаемой предметной области. Она является основной формой организации хранения данных в информационных системах.
Система управления базами данных представляет собой комплекс символьных и программных средств, предназначенных для создания, ведения и организации совместного доступа к базам данных множества пользователей.
Первые СУБД были разработаны фирмами IBM – IMS (1968 г.) и Software AG– ADABA• (1969 г.). В настоящий момент существует большое число различных систем управления базами данных (более нескольких тысяч), и их количество постоянно растет.
Среди основных функций СУБД (функций высшего уровня) можно выделить хранение, изменение и обработку информации, а также разработку и получение различных выходных документов.
К функциям СУБД более низкого уровня относятся:
1) управление данными во внешней памяти;
3) управление транзакциями;
4) ведение журнала изменений в базе данных;
5) обеспечение целостности и безопасности баз данных.
11.2. Иерархическая, сетевая и реляционная модели представления данных
Информация в базе данных некоторым образом структурирована, т. е. ее можно описать моделью представления данных (моделью данных), которые поддерживаются СУБД. Эти модели подразделяют на иерархические, сетевые и реляционные.
При использовании иерархической модели представления данных связи между данными можно охарактеризовать с помощью упорядоченного графа (или дерева). В программировании при описании структуры иерархической базы данных применяют тип данных «дерево».
Основными достоинствами иерархической модели данных являются:
1) эффективное использование памяти ЭВМ;
2) высокая скорость выполнения основных операций над данными;
3) удобство работы с иерархически упорядоченной информацией.
К недостаткам иерархической модели представления данных относятся:
1) громоздкость такой модели для обработки информации с достаточно сложными логическими связями;
2) трудность в понимании ее функционирования обычным пользователем.
Незначительное число СУБД построено на иерархической модели данных.
Сетевая модель может быть представлена как развитие и обобщение иерархической модели данных, позволяющее отображать разнообразные взаимосвязи данных в виде произвольного графа.
Достоинствами сетевой модели представления данных являются:
1) эффективность в использовании памяти компьютера;
2) высокая скорость выполнения основных операций над данными;
3) огромные возможности (большие, чем у иерархической модели) образования произвольных связей.
К недостаткам сетевой модели представления данных относятся:
1) высокая сложность и жесткость схемы базы данных, которая построена на ее основе;
2) трудность для понимания и выполнения обработки информации в базе данных непрофессиональным пользователем.
Системы управления базами данных, построенные на основе сетевой модели, также не получили широкого распространения на практике.
Реляционная модель представления данных была разработана сотрудником фирмы 1ВМЭ. Коддом. Его модель основывается на понятии «отношения» (relation). Простейшим примером отношения служит двумерная таблица.
Достоинствами реляционной модели представления данных (по сравнению с иерархической и сетевой моделями) являются ее понятность, простота и удобство практической реализации реляционных баз данных на ЭВМ.
К недостаткам реляционной модели представления данных относятся:
1) отсутствие стандартных средств идентификации отдельных записей;
2) сложность описания иерархических и сетевых связей.
Большинство СУБД, применяемых как профессиональными, так и непрофессиональными пользователями, построены на основе реляционной модели данных (Visual FoxPro и Access фирмыMicrosoft, Oracle фирмы Oracle и др.).
12.Сетевая субд
Сетевая СУБД — система управления базами данных, поддерживающая сетевую организацию: любая запись, называемая записью старшего уровня, может содержать данные, которые относятся к набору других записей, называемых записями подчиненного уровня.
Типичным представителем является Integrated Database Management System (IDMS) появилась в 70-х годах. Среди отечественных СУБД, основанных на сетевой модели, следует отметить CronosPRO компании Кронос-Информ, представленную в начале 90-х годов.
Сетевой подход к организации данных является расширением иерархического.
Сетевая БД состоит из набора записей и набора связей между этими записями. На формирование связи особых ограничений не накладывается. В иерархических структурах запись-потомок должна иметь в точности одного предка, а в сетевой структуре данных потомок может иметь любое число предков.
Достоинством сетевой модели данных является возможность эффективной реализации по показателям затрат памяти и оперативности. В сравнении с иерархической моделью сетевая модель предоставляет большие возможности в смысле допустимости образования произвольных связей. В рамках сетевых СУБД легко реализуются и иерархические даталогические модели. Сетевые СУБД поддерживают сложные соотношения между типами данных, что делает их пригодными в различных приложениях. Таким образом, к основным преимуществам сетевых СУБД относятся следующие:
обработка больших объемов информации (возможность построения на основе таких СУБД «хранилищ данных»);
поддержка аналитической обработки данных;
эффективная реализация обработки данных по показателям затрат памяти и оперативности.
Пользователи сетевых СУБД ограничены связями, определенными для них разработчиками БД-приложений. Подобно иерархическим, сетевые СУБД предполагают разработку БД приложений опытными программистами и системными аналитиками.
Также к недостаткам сетевой модели данных относится высокая сложность и жесткость схемы БД, построенной на ее основе, а также сложность для понимания и выполнения обработки информации в БД обычным пользователем. Кроме того, в сетевой модели данных ослаблен контроль целостности связей вследствие допустимости установления произвольных связей между записями.
13.Иерархическая субд
Иерархическая СУБД (ИСУБД) — система управления базами данных, использующих в своей основе древовидную структуру.
Каталог СУБД-решений и проектов доступен на TAdviser.
Типичным представителем (наиболее известным и распространенным) является Information Management System (IMS) фирмы IBM. Первая версия появилась в 1968 г. До сих пор существуют базы, которые поддерживаются этой СУБД. Иерархические модели имеют древовидную структуру, где каждому узлу соответствует один сегмент, представляющий собой поименованный линейный кортеж полей данных. Каждому сегменту соответствует один входной и несколько выходных сегментов. Каждый элемент структуры лежит на единственном иерархическом пути, начинающемся от корневого. Иерархические базы данных наиболее пригодны для моделирования структур, по своей природе являющихся иерархическими. В качестве примеров можно привести воинские подразделения или сложные механизмы, состоящие из более простых узлов, которые в свою очередь тоже можно подвергнуть декомпозиции. Тем не менее существует значительное количество организаций, не сводящихся к простой иерархии. В этой модели запрос, направленный вниз по иерархии, прост, однако запрос, направленный вверх по иерархии, более сложен. К достоинствам иерархической модели данных относятся эффективное использование памяти ЭВМ и неплохие показатели времени выполнения основных операций над данными. Иерархической базой данных является файловая система, состоящая из корневой директории, в которой имеется древовидная структура поддиректорий и файлов.
Иерархические базы данных — самая ранняя модель представления сложной структуры данных. Информация в иерархической базе организована по принципу древовидной структуры, в виде отношений «предок-потомок». Каждая запись может иметь не более одной родительской записи и несколько подчиненных. Связи записей реализуются в виде физических указателей с одной записи на другую. Основной недостаток иерархической структуры базы данных — невозможность реализовать отношения «много-ко-многим», а также ситуации, когда запись имеет несколько предков.
Графически такую структуру можно изобразить в виде дерева, состоящего из объектов различных уровней. Верхний уровень занимает один объект, второй — объекты второго уровня и так далее.
Между объектами существуют связи, каждый объект может включать в себя несколько объектов более низкого уровня. Такие объекты находятся в отношении предка (объект более близкий к корню) к потомку (объект более низкого уровня), при этом возможно, чтобы объект-предок не имел потомков или имел их несколько, тогда как у объекта-потомка обязательно только один предок. Объекты, имеющие общего предка, называются близнецами.
К основным недостаткам иерархических моделей следует отнести: неэффективность, медленный доступ к сегментам данных нижних уровней иерархии, четкая ориентация на определенные типы запросов и др. Также недостатком иерархической модели является ее громоздкость для обработки информации с достаточно сложными логическими связями, а также сложность понимания для обычного пользователя. Иерархические СУБД быстро прошли пик популярности, которая обусловливалась их ранним появлением на рынке. Затем их недостатки сделали их неконкурентоспособными, и в настоящее время иерархическая модель представляет исключительно исторический интерес.