Сетевая модель данных
Базовые объекты модели: элемент данных, агрегат данных, запись, набор данных.
Элемент данных – это минимальная информационная единица, доступная пользователю. Аналог поля.
Агрегат данных – совокупность элементов данных, имеющих общее имя, которые могут рассматриваться как единое целое. В модели определены агрегаты двух типов: вектор и повторяющаяся группа.
Вектор – линейный набор элементов данных. Пример (Адрес: дом улица кварт. город)
Группа – совокупность векторов Пр: Стипендия – повторяющаяся группа с числом повторения 12.
Запись – совокупность агрегатов или элементов данных моделирующая некоторый класс объектов реального мира. Аналог сегмента или кортежа.
Существует понятие типа записи и экземпляра записи.
Набор – 2х уровневый граф, связывающий 2 типа записей видом 1:M. Набор отражает иерархическую связь между двумя типами записи. Родительский тип записи – владелец набора. Дочерний – член. Для любых 2-х типов записи м. б. задано любое количество наборов, которое их связывает. В рамках набора возможен последовательный просмотр экземпляров членов набора, связанных с одним экземпляром владельца набора. Ограничением набора является то, что один и тот же тип записи не может быть одновременно владельцем и членом набора.
Среди всех наборов определяется сингулярный набор, владелец которого – вся система. Обозначается входящей стрелкой. Он имеет имя набора и имя члена набора, но не определён тип записи: владелец набора. Сингулярные наборы позволяют обеспечить доступ к экземплярам отдельных типов данных.
В общем случае сетевая БД представляет совокупность взаимосвязанных наборов. Язык описания данных в сетевой модели содержит описание БД, описание записи, описание набора. Операции манипулирования данными делятся на навигационные и операции модификации.
(+)Высокие возможности по созданию сложных иерархических структур
Возможность эффективной реализации по затратам памяти и оперативности
(-) Высокая сложность и жесткость схемы БД
Сложность для понимания и обработки информации в БД
Ослаблен контроль целостности
Реляционная модель данных. Элементы модели
Определение. Элементы, информацию о которых сохраняем, называются объектами.
Определение. Совокупность однородных объектов называется набором объектов.
Определение. Свойства, характеризующие объект, называются атрибутами.
Определение. Описание логической структуры базы данных называется схемой.
Схема представляет собой таблицу типов используемых данных. Она содержит имена объектов и их атрибуты и указывает на существующую между ними связь.
Если схема содержит значения элементов данных, её называют экземпляром схемы. Запись — такая структура, в которую можно помещать конкретные значения данных. Экземпляр записи — запись с конкретным значением данных.
Термин схема используется для определения полной таблицы всех типов элементов данных и типов записей, хранимых в базе данных. Термином подсхема определяют описание данных, которое использует прикладной программист. На основе одной схемы можно составить много различных подсхем.
В основе РМД (реляционная модель данных) лежит математическая теория отношений.
Для представления данных математическое отношение используется двояко:
1). Для представления набора объектов,
2). Для представления связей между наборами объектов.
Для представления набора объектов атрибуты интерпретируются столбцами отношения. Множество допустимых значений атрибута интерпретируется соответствующим доменом. Каждый кортеж отношения выполняет роль описания отдельного объекта из набора. Само отношение выполняет роль описания всего набора объектов.
Массив данных, представленный набором реляционных структур, образует реляционную БД. Схема РБД(реляционная база данных) будет представлена набором схем отношений:
где Аi j — имя атрибута, R j — имя отношения.
Одним из основных типов зависимостей, рассматриваемых в РБД, являются функциональные зависимости.
Элементы реляционной модели
7.2.2. Сетевая модель данных
В сетевой модели при тех же основных понятиях (уровень, узел, связь) каждый порожденный элемент может быть иметь более одного порождающего элемента.
Рис. 7.2.2.1. Сетевая модель данных
Сетевая модель отличается большей гибкостью, чем иерархическая, так как в ней существует возможность устанавливать дополнительно к вертикальным иерархическим связям горизонтальные связи. Это облегчает процесс поиска требуемых элементов данных, так как уже не требуется обязательное прохождение всех предшествующих ступеней.
Примером сетевой структуры может служить структура базы данных, содержащей сведения о студентах, участвующих в научно-исследовательских работах (НИРС). Возможно участие одного студента в нескольких НИРС, а также участие нескольких студентов в разработке одной НИРС.
Рис. 7.2.2.2. Принцип построения сетевой модели организации БД.
7.2.3. Реляционная модель данных
Можно доказать, что и иерархическую, и сетевую структуры данных можно преобразовать в двумерную таблицу. Такое представление является наиболее удобным и для пользователя, и для компьютера, – подавляющее большинство современных информационных систем работает именно с такими таблицами. Базы данных, которые состоят из двумерных таблиц, называют реляционными.
Основная идея реляционного подхода состоит в том, чтобы представить произвольную структуру данных в виде двумерной таблицы или, как говорят, нормализовать структуру. Нормализация – это процесс прохода по веткам иерархического дерева с целью разместить листочки» со всеми их узлами и ветками в отдельных строках таблицы.
Основы теории реляционных БД разработал в 70-х годах XX века Э.Кодд (США).
Основными понятиями реляционной модели данных являются сущность, отношение, атрибут и кортеж.
Сущность – это конкретный объект реального мира в какой-либо предметной области. т.е. объектом можно назвать то «нечто», для которого существуют название и способ отличить один подобный объект от другого. Например, каждый ВУЗ – это объект. Объектами также являются человек, фирма, сплав, химическое соединение и т. д. Объектами могут быть не только материальные предметы, но и более абстрактные понятия, отражающие реальный мир, например, события, произведения искусства, правовые нормы, научные теории и пр.
Группы всех подобных объектов образует набор объектов. Например, наборами объектов могут быть факультеты ВУЗа, товары на складе, люди, работающие на предприятии. Конкретный объект в такой группе называют экземпляром объекта.
Данные о сущности хранятся в двумерных таблицах, которые называются реляционными. Формальное построение таблиц связано с фундаментальным понятием отношение (от английского слова relation – отношение).
Каждая строка таблицы представляет собой одну запись файла данных, каждый столбец – одно поле.
Рис. 7.2.3.1. Структура табоицы базы данных
Атрибут (или данное) – это некоторый показатель, который характеризует некий объект и принимает для конкретного экземпляра объекта некоторое числовое, текстовое или иное значение. Например, возьмем в качестве набора объектов группы факультета. Число студентов в группе – это атрибут, который принимает числовые значения (у одной группы 25, у другой 18). Название группы – это атрибут, который принимает текстовые значения (у одной – ФК-11, у другой – ЭКО-12 и т.д.).
Очень часто в современных информационных системах используются «качественные» данные об объектах, например рейтинг (фильма, спортсмена, политика), увлечения человека, его темперамент.
Атрибут некоторого набора объектов сам может быть набором объектов, имеющим собственные атрибуты. Например, атрибутом человека (как экземпляра набора объектов «Люди») является ВУЗ, который этот человек окончил (МГУ, МарГТУ и т.п.). С другой стороны, конкретный ВУЗ – это экземпляр набора объектов «Вузы» и характеризуется множеством данных: фамилия ректора, адресом, специализацией, количеством студентов и т.д. Наконец, ректор, в свою очередь – это экземпляр набора объектов «Люди». Таким образом, возникает возможность установления связи между экземплярами объектов из разных наборов.
Списки возможных значений атрибутов называются классификаторами (справочниками, словарями). Например, страна, гражданином которой является конкретное лицо, служит атрибутом этого лица. Список всех стран планеты – это и есть классификатор, из которого выбирают значение атрибута для конкретного лица.
Иногда для конкретного объекта один и тот же атрибут может принимать несколько значений. Например, одна фирма изготавливает разные виды продукции, один человек может иметь несколько увлечений и т. п. Такие данные образуют так называемые повторяющиеся группы.
Значения некоторых данных постоянны у конкретных объектов (например, год рождения человека); значения других могут меняться с течением времени (например, образование человека, его должность, число работающих на предприятии и т.п.).
Кортеж – это элемент отношения , строка таблицы; упорядоченный набор из N элементов.
Хотя любое отношение можно изобразить в виде таблицы, нужно четко понимать, что отношения не являются таблицами. Это близкие, но не совпадающие понятия. Термины, которыми оперирует реляционная модель данных, имеют соответствующие «табличные» синонимы:
Рис. 7.2.3.2. Основные понятия баз данных
- В отношении нет одинаковых кортежей.
- Кортежи не упорядочены (сверху вниз).
- Все атрибуты содержат однородные по типу данные.
- Имена атрибутов должны быть уникальны в пределах отношения.
- Атрибуты не упорядочены (слева направо).
Сетевая модель данных.
Сетевой подход к организации данных является расширением иерархического. В отличие от иерархической модели запись-потомок в сетевой модели может иметь любое число предков.
Схема сетевой БД строится из типовых записей, образующих поименованные двухуровневые деревья, называемые наборами. Корневая запись набора называется владельцем набора, а типовые порожденные записи – члены набора. Между владельцем и любым членом набора поддерживается связь типа 1:М. В наборе владелец является сильным типом записи, а член – слабым, т.е. обязательно существующим в составе набора. Набор изображается диаграммой Бахмана
Схема данных образуется из наборов с помощью следующих правил:
• один тип записи может быть владельцем многих наборов;
• тип записи, являющийся членом одного набора, может владеть другими наборами;
• один тип записи может являться членом нескольких наборов.
Легко видеть, что ранее рассмотренная схема иерархической БД преобразуется в сетевую, если связи между уровнями иерархии преобразовать в отдельные наборы.
База данных в сетевой модели образуется множеством экземпляров наборов, представленных в схеме данных. Экземпляр набора состоит из одного экземпляра записи – владельца набора и произвольного числа экземпляров записей – членов набора. Записи – члены набора упорядочиваются в экземпляре набора по определенным правилам, определяемым СУБД.
Объектом доступа в сетевой модели, как и для иерархической базы данных, является экземпляр записи. В навигационных операторах поиска для определения текущей позиции в БД используются следующие понятия:
• текущая запись базы – последний обработанный экземпляр записи;
• текущая запись в типе – последний обработанный экземпляр записи определенного типа;
• текущая запись в наборе – последняя обработанная запись в указанном наборе;
текущий экземпляр набора – экземпляр набора определенного типа, в котором находится текущая запись базы. Поскольку в схеме сетевой базы все наборы равноправны, для входа в базу и поиска записей предусматриваются точки входа, называемые вычисляемыми записями. Эти записи в схеме помечают дополнительной стрелкой ,
Экземпляр вычисляемой записи может быть найден по значению первичного ключа.
Поиск экземпляра вычисляемой записи реализует оператор: Найти вычисляемую запись < Тип записи >.
Вычисленный экземпляр записи создает текущие записи в БД, которые используются следующими поисковыми операторами:
• Найти следующую запись в заданном типе Тип записи>;
• Найти следующую запись в текущем наборе Тип набора>;
• Найти следующую запись заданного типа в текущем наборе Тип набора> Тип записи>;
• Найти (перейти на) запись, являющуюся владельцем текущего набора < Имя набора >;
• Найти следующую запись заданного типа , удовлетворяющую условиям на значения полей в текущем экземпляре заданного набора ,, .
Так же как в иерархической модели, найденный экземпляр записи может быть заменен или удален соответствующим оператором. Если удаляемая запись владеет набором, то удаляются все члены этого экземпляра набора, что может повлечь каскадное удаление других экземпляров наборов, если удаляемые записи являются их владельцами.
Для включения новой записи – члена набора сначала должны быть определены текущие экземпляры набора, в которые эта запись включается.