Сравнение трёх моделей

Основные понятия

База данных (БД) – это поименованный набор организованных данных, отражающий состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области.

База данных (БД) – определенным образом организованная совокупность данных, относящаяся к определенной предметной области, предназначенная для хранения во внешней памяти компьютера и постоянного применения. Например: БД книжного фонда библиотеки, БД кадрового состава учреждения, БД законодательных актов в области уголовного права,  БД современной эстрадной музыки и так далее.

Предметная область – часть реального мира, подлежащая изучению с целью организации управления и, в конечном счете, автоматизации.

Предметная область представляется множеством фрагментов, например, предприятие – цехами, дирекцией, бухгалтерией и т.д. Каждый фрагмент предметной области характеризуется множеством объектов и процессов, использующих объекты, а также множеством пользователей, характеризуемых различными взглядами на предметную область.

Словосочетание «динамически обновляемая» означает, что соответствие базы данных текущему состоянию предметной области обеспечивается не периодически, а в режиме реального времени. При этом одни и те же данные могут быть по-разному представлены в соответствии с потребностями различных групп пользователей.

Отличительной чертой баз данных следует считать то, что данные хранятся совместно с их описанием, а в прикладных программах описание данных не содержится. Независимые от программ пользователя данные обычно называются метаданными. В ряде современных систем метаданные, содержащие также информацию о пользователях, форматы отображения, статистику обращения к данным и другие сведения, хранятся в словаре базы данных.

Система управления базой данных (СУБД) – важнейший компонент информационной системы. Для создания и управления информационной системой СУБД необходима в той же степени, как для разработки программы на алгоритмическом языке необходим транслятор.

Программное обеспечение, предназначенное для работы с базами данных, называется системой управления базами данных (СУБД).

Система управления базами данных (СУБД) – это комплекс программных и языковых средств, необходимых для создания баз данных, поддержания их в актуальном состоянии и организации поиска в них необходимой информации.

Основные функции СУБД:

¾ управление данными во внешней памяти (на дисках);

¾ управление данными в оперативной памяти;

¾ журнализация изменений и восстановление базы данных после сбоев;

¾ поддержание языков БД (язык определения данных, язык манипулирования данными).

 Модель данных – это совокупность взаимосвязанных структур данных и операций над этими структурами. Вид модели и используемые в ней типы структур данных отражают концепцию организации и обработки данных, используемую в СУБД, поддерживающей модель, или в языке системы программирования, на котором создается прикладная программа обработки данных.

 

Классификации баз данных

Классификация по размещению базы данных. Для хранения БД может использоваться как один компьютер, так и множество взаимосвязанных компьютеров.

1. Если используется один компьютер, то база данных называется централизованной.

2. Если различные части одной БД хранятся на множестве компьютеров, объединенных между собой сетью, то такая БД называетсяраспределенной базой данных.

Классификация по способу организации базы данных:

¾ Базы с плоскими файлами,

¾ Иерархические,

¾ Сетевые,

¾ Реляционные,

¾ Объектно–реляционные

¾ Объектно–ориентированные.

Модели данных.

Файловая модель. На ранней стадии использования информационных систем применялась файловая модель данных. В них реализуется модель типа плоский файл.

Плоский файл – это файл, состоящий из записей одного типа и не содержащий указателей на другие записи, двумерный массив элементов данных. Файлы, которые создаются в прикладных программах пользователя, написанных на алгоритмическом языке, также относятся к этому виду организации данных. Описание логической структуры файлов и параметры размещения на машинных носителях содержатся в каждой прикладной программе обработки файлов. В этих же программах предусмотрено их создание и корректировка. При файловой организации массивов трудно обеспечить актуальное состояние данных, их достоверность и непротиворечивость.

Сетевые и иерархические модели. Более сложными моделями данных по сравнению с файловой являются сетевые и иерархические модели, которые поддерживаются в системе управления базами данных соответствующего типа. Тип модели данных, поддерживаемой СУБД на машинном носителе, является одним из важнейших признаков классификации СУБД. Сетевая или иерархическая модель данных представляет соответствующий метод логической организации базы данных в СУБД.

Иерархическая модель

Исторически первыми появились СУБД, реализующие иерархическую модель данных: первая коммерческая СУБД IBM IMS относится к этому типу. В иерархической системе данные организованы в наборы древовидных структур (иерархий). Основными информационными единицами являются поле, сегмент (запись), связь, БД. Поле данных (или просто "поле", в некоторых изданиях, аналогично сетевой модели, также называется "элемент") – минимальная именованная единица данных, доступная пользователю с помощью СУБД.

Сегмент или запись составляет основную единицу обработки БД: записи запоминаются, извлекаются, удаляются. Определяют тип и экземпляр записи (сегмента). Тип записи – это именованная совокупность полей данных с указанием их типов, экземпляр записи (или просто запись) – некоторая совокупность значений элементов в последовательности, соответствующей определению типа. Иными словами, тип записи задает все множество подобных объектов, а экземпляр – конкретный объект из этого множества. Например, тип объекта (тип сегмента) – стол, тогда экземпляр – тот конкретный стол, за которым вы работаете, описываемый его набором характеристик (цвет, размеры, материал и т.д.).

Для того чтобы можно было однозначно различать записи, каждый тип записи должен иметь ключ – набор полей, однозначно идентифицирующий экземпляр записи. Например, в записи, описывающей человека, таким ключом может быть номер паспорта.

Связь (англ. link) – иерархическое отношение между записями двух типов; некоторые авторы по аналогии с сетевой моделью пользуются термином "групповое отношение". Связи при графическом изображении обозначаются дугами ориентированного графа, типы записей – вершинами. Такое изображение структуры БД называется диаграммой Бахмана (автор – американский исследователь Ч. Бахман, один из пионеров в области баз данных, получивший за свои работы в 1973 г. премию Тьюринга). Дуги графа, обозначающие логические связи, являются направленными. Запись, из которой выходит стрелка, является логически исходной; запись, в которую приходит стрелка, – логически подчиненной.

Тип связи определяется ее именем и задает свойства, общие для всех экземпляров связи данного типа. Экземпляр связи задается логически исходной записью ("владельцем") и множеством (возможно пустым) подчиненных записей. Таким образом, каждой подчиненной записи в иерархической модели может соответствовать только одна исходная; одной исходной записи может соответствовать несколько подчиненных.

В иерархической модели сегменты и связи между ними создают древовидные структуры (деревья). В каждом дереве существует только одна запись, которая не связана ни с какой исходной записью, – она называется корневой. Таким образом, дерево – совокупность корневой записи и множества подчиненных записей.

Схема иерархической БД представляет собой совокупность отдельных деревьев, каждое дерево в рамках модели называется физической базой данных. Каждая физическая БД удовлетворяет следующим иерархическим ограничениям:

¾ в каждой физической БД существует один корневой сегмент, т.е. сегмент, у которого нет логически исходного (родительского) типа сегмента;

¾ каждый логически исходный сегмент может быть связан с произвольным числом логически подчиненных сегментов;

¾ каждый логически подчиненный сегмент может быть связан только с одним логически исходным (родительским) сегментом.

Набор всех экземпляров записей, подчиненных одному экземпляру корневой записи, называется физической записью. Экземпляры-потомки одного типа, связанные с одним экземпляром записи-предка, называются близнецами. В примере на рис. 1, б записи- близнецы типа "Начальник отдела" – Петров и Сидорова, типа "Служащий" – Николаев и Васильев.

Рис. 1 Иерархические базы данных: а – пример структуры дерева; б – пример отдельной физической записи

Чтобы записи могли быть однозначно идентифицированы, применяется следующая схема. Корневая запись каждого дерева обязательно содержит ключ с уникальными значениями. Ключи некорневых записей должны быть уникальны только среди "близнецов". Каждая запись идентифицируется полным составным ключом, под которым понимается совокупность ключей записей, начиная от корневой и далее вниз по иерархическому пути до искомой записи.

Для связей в иерархической модели данных обеспечиваются автоматический режим включения и фиксированное членство. Это означает, что для запоминания любой некорневой записи в БД должна существовать соответствующая ей исходная запись. Подчиненная запись жестко закрепляется за исходной, а при удалении исходной записи автоматически удаляются все подчиненные ей.

Основной единицей работы в иерархической модели является запись, над ней могут производиться следующие операции:

•операция добавить (INSERT) позволяет занести в БД новую запись (с учетом ограничений, связанных с требованиями относительно уникальности ключа в рамках всей БД для корневой записи и среди "близнецов" – для подчиненной);

•операция обновить (UPDATE) дает возможность изменить значения данных предварительно извлеченной записи. Ключевые данные записи не могут подвергаться обновлению, в подобных случаях старая запись должна быть удалена, а новая, содержащая измененные данные, – запомнена;

•операция удалить (DELETE) служит для исключения из БД некоторой записи и всех подчиненных ей;

• операция извлечь (GET) имеет несколько модификаций – извлечь по значению ключа, извлечь следующую запись (в порядке левостороннего обхода дерева), извлечь следующую, удовлетворяющую дополнительному условию и т.д.

Надо отметить, что в любом случае обработка начинается с корневой записи, и доступ к некорневым записям осуществляется по иерархическому пути.

Иерархическая модель представляет собой древовидную структуру с корневыми сегментами, имеющими физический указатель на другие сегменты. Одно из неудобств этой модели заключается в том, что реальный мир не может быть представлен в виде древовидной структуры с единственным корневым сегментом. Иерархические БД обеспечивали указатели между различными деревьями баз данных, но обработка данных с использованием таких связей была не всегда удобной.

В иерархических моделях непосредственный доступ, как правило, возможен только к объекту самого высокого уровня, который не подчинен другим объектам. К другим объектам доступ осуществляется по связям от объекта на вершине модели.

Рис 2. Иерархическая модель

 

Сетевая модель данных

Так же как и иерархическая, сетевая модель относится к разряду теоретико-графовых, но она позволяет строить структуры данных, описываемые графом более общего вида, чем предполагает иерархическая модель. Базовые структуры данных сетевой модели: элемент данных, агрегат данных, запись (или группа), набор (групповое отношение), БД.

Элемент данных (или просто "элемент") – минимальная именованная единица данных, доступная пользователю с помощью СУБД.

Агрегат данных – именованная совокупность элементов или других агрегатов данных. Разница между элементом и агрегатом может быть проиллюстрирована следующим примером. Пусть в базу данных вносятся адреса. Если разработчик рассматривает адрес как единое целое (и соответствующим образом проектирует БД), то адрес – это элемент данных. Если же необходимо разделить адрес на части ("страна" – "город" – "улица" – "номер дома" – "номер квартиры"), то адрес уже будет выступать как агрегат, состоящий из соответствующих элементов. При этом пользователь может запросить из БД как отдельно город или номер дома, так и адрес целиком, так как агрегат – это тоже именованный объект.

Различают агрегаты типов "вектор" и "повторяющаяся группа" [4, 8]. Агрегат, состоящий из простых элементов данных, называется вектором. Примером агрегата типа "вектор" может служить упомянутый выше адрес, представимый как совокупность элементов. Агрегат, повторяющийся компонент которого представлен совокупностью данных, называется повторяющейся группой. В повторяющуюся группу могут входить элементы данных и другие агрегаты. В качестве примера здесь можно привести агрегат "Оценки студента", в котором будет сохраняться название предмета и оценка, причем столько раз, сколько экзаменов сдаст студент.

Запись – это агрегат, который не входит в состав никакого другого агрегата, обычно описывает некоторый объект реального мира и составляет основную единицу обработки БД (записи запоминаются, извлекаются, удаляются).

Набор в сетевой модели является иерархическим отношением между двумя типами записей, т.е. экземпляр подчиненной записи не может быть участником двух экземпляров набора одного типа. В сетевой модели один и тот же тип записи может участвовать в нескольких наборах. В частности, для любых двух типов записей может быть задано любое количество наборов, которые их связывают. Наличие подобных возможностей позволяет моделировать отношение объектов типа "многие-ко-многим", что выгодно отличает сетевую модель данных от иерархической.

В то же время, ни в иерархической, ни в сетевой модели один и тот же тип записи не может быть одновременно и владельцем, и членом группового отношения (набора).

На рис. 3. с помощью диаграмм Бахмана проиллюстрировано различие между групповыми отношениями иерархической и сетевой моделей данных.

Рис. 3. Особенности групповых отношений в сетевой и иерархической моделях данных

На диаграмме отображены отношения между типами записей "Человек", "Организация", "Поликлиника". В рамках сетевой модели можно описать, что между типами записей "Человек" и "Организация" имеется связь "многие-ко-многим": один человек может работать в нескольких организациях, и в одной организации могут работать несколько человек. В иерархической модели в аналогичном случае придется ввести два типа записей "Организация" и "Организация_1" и частично продублировать значения.

В сетевой модели отдельно выделяется так называемый сингулярный набор, владельцем которого формально определена вся система. Сингулярный набор изображается в виде входящей стрелки, которая имеет имя набора, имя члена набора, но у которой не определен тип записи "владелец набора". Сингулярные наборы позволяют обеспечить произвольный доступ к некоторому типу записи.

Каждый тип набора характеризуется следующими свойствами [9]:

¾ способом упорядочения подчиненных записей;

¾ режимом включения подчиненных записей;

¾ режимом исключения подчиненных записей.

Каждый экземпляр набора можно рассматривать как список записей- членов, поставленных в соответствие некоторой записи-владельцу. Записи-члены могут быть упорядочены в таком списке следующими способами:

¾ произвольным;

¾ хронологическим – в последовательности их поступления (очередь);

¾ обратным хронологическим (стек);

¾ сортированным – в подчиненной записи выделяется ключ упорядочения, а место новой записи в списке определяется значением этого ключа.

Режим включения записей в набор может быть автоматическим или ручным. При автоматическом включении подчиненная запись включается в набор одновременно с ее запоминанием в БД. Ручное включение позволяет запомнить в БД подчиненную запись и не включать ее немедленно в экземпляр набора. Эта операция выполняется позднее по команде пользователя.

Выделяют три класса членства подчиненных записей в наборах: фиксированное, обязательное и необязательное. Тип членства определяет и режим исключения записи из набора.

При фиксированном членстве подчиненная запись жестко закрепляется за записью-владельцем. Она не может существовать без этого владельца. Подчиненную запись можно исключить из экземпляра группового отношения, только удалив ее из БД. При удалении владельца автоматически удаляются все подчиненные записи.

Обязательное членство означает, что каждая подчиненная запись, будучи однажды включена в групповое отношение, впредь всегда будет связана с некоторой записью-владельцем. Допускается переключение подчиненной записи к другому владельцу, но не допускается ее существование без владельца. Для успешного удаления записи-владельца необходимо, чтобы она не имела подчиненных записей с обязательным членством.

Необязательное членство позволяет исключить подчиненную запись из экземпляра группового отношения, но сохранить ее в БД, не прикрепляя к другому владельцу. При удалении записи-владельца подчиненные записи сохраняются в БД, не участвуя более в соответствующем наборе.

В общем случае сетевая база данных представляет собой совокупность взаимосвязанных наборов, которые образуют на концептуальном уровне некоторый граф.

Сетевая модель определяет следующие операции над записями:

¾ запомнить (Store) – позволяет внести в БД новую запись;

¾ включить в набор (Connect) – связывает существующую подчиненную запись с записыо-владельцем;

¾ обновить (Modify) – позволяет изменить значения элементов существующих в БД записей;

¾ найти (Find) – всегда можно найти запись по значению первичного ключа. Также можно найти запись, используя групповые отношения, в которых она участвует;

¾ извлечь (Get) – позволяет извлечь запись (после того, как она найдена);

¾ удалить (Erase) – удаляет текущий экземпляр записи;

¾ исключить из набора (Disconnect) – исключение текущей записи из текущего экземпляра набора.

В сетевых моделях непосредственный доступ может обеспечиваться к любому объекту независимо от уровня, на котором он находится в модели. Возможен также доступ по связям от любой точки доступа.

В отличие от иерархической БД в сетевой БД нет необходимости в корневой записи. Однако, как и в иерархических БД, связи поддерживаются с помощью физических указателей.

Сетевые модели данных по сравнению с иерархическими являются более универсальным средством отображения структуры информации для разных предметных областей. Взаимосвязи данных большинства предметных областей имеют сетевой характер, что ограничивает использование СУБД с иерархической моделью данных. Сетевые модели позволяют отображать также иерархические взаимосвязи данных. Достоинством сетевых моделей является отсутствие дублирования данных в различных элементах модели. Кроме того, технология работы с сетевыми моделями является удобной для пользователя, так как доступ к данным практически не имеет ограничений и возможен непосредственно к объекту любого уровня. Допустимы всевозможные запросы.

 

5. Реляционная модель данных. В реляционной модели при рассмотрении структур данных вводится ряд специфических понятий. Для первоначального рассмотрения определим их в уже известных терминах.

Реляционное отношение примерно соответствует таблице, об отличиях будет сказано ниже. Кортеж соответствует строке таблицы, атрибут – столбцу. Домен – общая совокупность значений определенного типа (например, домен названий городов).

Перейдем теперь к более подробному рассмотрению представленных понятий. Наименьшую семантическую единицу данных будем называть скаляром. Скалярные значения логически неделимы. Например, значение "Номер группы" в таблице, описывающей студентов, хотя и можно разложить на отдельные символы, но при этом потеряется смысл.

Домен можно определить как именованное множество скалярных значений одного типа, он является совокупностью значений, из которых берутся значения атрибутов. Каждый атрибут должен быть определен на единственном домене. Значение доменов в реляционной модели состоит в том, что они ограничивают сравнения, т.е. имеет смысл сравнивать только значения атрибутов, определенных на одном домене. Бессмысленно, например, сравнивать вес детали А и размер детали В, а чтобы формально определить это, вводятся домены.

В реальной БД домены не сохраняются в виде набора значений. Но формально реляционная модель требует, чтобы домены были определены, а при определении атрибута был указан соответствующий домен.

Переменная отношения – именованный объект, сопоставляемый реляционному отношению, значение которого может изменяться со временем. Значение этой переменной в конкретный момент называется значением отношения.

Отношение R, определенное на множестве доменов (не обязательно различных), содержит две части – заголовок и тело.

Заголовок реляционного отношения, также называемый схемой отношения, содержит фиксированное множество пар вида <имя_атрибута : имя_ домена>. Например:

 

где  – уникальное имя атрибута, определенного на одном из доменов. Несколько атрибутов могут быть определены на одном домене, поэтому 

Тело реляционного отношения содержит множество кортежей, которое может со временем изменяться. Каждый кортеж содержит множество пар вида <имя_атрибута : значение_атрибута>, где, кардинальное число – это число кортежей в отношении. Степень отношения – число атрибутов (в нашем примере – число и).

Для примера ниже представлено отношение Студенты (табл. 4).

Номер билета	ФИО	Группа
928012	Иванов И.И.	3082/4
928189	Петров П.П.	3082/4

В приведенном примере кардинальное число отношения равно 2, степень – 3. Также подразумевается, что определено три домена – домен номеров студенческих билетов, домен фамилий с инициалами, домен номеров групп. Каждый домен содержит все возможные значения соответствующего атрибута, часть из которых может не использоваться в отношении.

Фундаментальные отличия реляционного отношения от таблицы связаны с тем, что отношение – это множество, в котором:

не может быть одинаковых элементов (кортежей);

кортежи не упорядочены (а строки в таблице упорядочены сверху вниз);

атрибуты не упорядочены (столбцы в таблице упорядочены слева направо);

все значения атрибутов атомарные.

    Структуры данных реляционной модели.  Таблица является основным типом структуры данных (объектом) реляционной модели. Структура таблицы определяется совокупностью столбцов. Данные в пределах одного столбца однородны. В таблице не может быть двух одинаковых строк. Общее число строк не ограничено.

Столбец соответствует некоторому элементу данных – атрибуту, который является простейшей структурой данных. В таблице не могут быть определены множественные элементы, группа или повторяющаяся группа, как в рассмотренных выше сетевых и иерархических моделях. Каждый столбец таблицы должен иметь имя соответствующего элемента данных (атрибута). Один или несколько атрибутов, значения которых однозначно идентифицируют строку таблицы, являются ключом таблицы.

В реляционном подходе к построению баз данных используется терминология теории отношений. Простейшая двумерная таблица определяется как отношение. Столбец таблицы со значениями соответствующего атрибута называется доменом, а строки со значениями разных атрибутов – кортежем (записью).

Совокупность нормализованных отношений (реляционных таблиц), логически взаимосвязанных и отражающих некоторую предметную область, образует реляционною базу данных (РБД). В ходе разработки БД должен быть определен состав логически взаимосвязанных реляционных таблиц и определен состав атрибутов каждого отношения. Состав атрибутов должен отвечать требованиям нормализации.

Реляционная модель данных зарекомендовала себя как модель, на основе которой могут разрабатываться реальные жизнеспособные приложения. В настоящее время эта модель данных является наиболее популярной.

 Например:

День	Осадки	Температура, ˚С	Давление, мм. рт. ст.	Влажность, %
15.03.2007	Снег	–3,5	746	67
16.03.2007	Без осадков	0	750	62
17.03.2007	Туман	1,0	740	100
18.03.2007	Дождь	3,4	745	96
19.03.2007	Без осадков	5,2	760	87

 

6. Объектно–ориентированная модель данных. Реляционная модель данных оказалась эффективной не для всех приложений. Главными среди типов приложений, для которых трудно использовать реляционные базы данных, являются автоматизированное проектирование (Computer Aided design, CAD) и автоматизированная разработка программного обеспечения (Computer Aided Software Engineering, CASE). Разработчики коммерческих продуктов в таких областях, в которых для управления хранением данных используется реляционная СУБД, должны пойти на некоторые изменения данных для того, чтобы подогнать их к структуре строк и столбцов. Как показывает практика, в таких областях, как CAD и CASE более подходит объектно–ориентированная модель данных.

В объектно–ориентированных базах данных (ООБД) важнейшее место отводится объектам, на основе которых могут определяться другие объекты благодаря использованию концепции, называемой наследованием. При этом некоторые или все атрибуты (либо свойства) определяющего объекта наследуются каким–то другим объектом, одни атрибуты и свойства добавляются, а другие могут удаляться.

Сравнение трёх моделей

Первая модель данных, иерархическая, имеет древовидную структуру («родитель-потомок»), и поддерживает только отношения типа «один к одному» или «один ко многим». Эта модель позволяет быстро получать данные, но не отличается гибкостью. Иногда роль элемента (родителя или потомка) неясна и не подходит для иерархической модели.

Вторая, сетевая модель данных, имеет более гибкую структуру, чем иерархическая, и поддерживает отношения «многие ко многим». Но быстро становится слишком сложной и неудобной для управления.

Третья модель — реляционная — более гибкая, чем иерархическая и проще для управления, чем сетевая. Реляционная модель сегодня используется чаще всего.

Объект в реляционной модели определяется как позиция информации, хранимой в базе данных. Объект может быть осязаемым или неосязаемым. Примером осязаемого объекта может быть сотрудник организации, а примером неосязаемой сущности — учётная запись покупателя. Объекты определяются атрибутами — информационным отображением свойств объекта. Эти атрибуты также известны как столбцы, а группа столбцов — как ряд. Ряд также можно определить как экземпляр объекта.

Объекты связываются отношениями, основные типы которых можно определить следующим образом:

«Один к одному»

В этом виде отношений один объект связан с другим. Например, Менеджер -> Отдел.

У каждого менеджера может быть только один отдел, и наоборот.

«Один ко многим»

В моделях данных отношение одного объекта с несколькими. Например, Сотрудник -> Отдел.

Каждый сотрудник может быть только в одном отделе, но в самом отделе может быть больше одного сотрудника.

«Многие ко многим»

В заданный момент времени объект может быть связан с любым другим. Например, Сотрудник -> Проект.

Сотрудник может участвовать в нескольких проектах, и каждый проект может объединять несколько сотрудников.

В реляционной модели объекты и их отношения представлены двухмерным массивом или таблицей. Каждая таблица представляет объект. Каждая таблица состоит из рядов и столбцов. Отношения между объектами представлены столбцами. Каждый столбец представляет атрибут объекта. Значения столбцов выбираются из области или набора всех возможных значений. Столбцы, которые используются для связи объектов, называются ключевыми. Есть два типа ключей — первичные и внешние. Первичные служат для однозначного определения объекта. Внешний ключ — это первичный ключ одного объекта, существующий как атрибут в другой таблице.

Преимущества реляционной модели данных: простота использования, гибкость, независимость данных, безопасность, простота практического применения, слияние данных, целостность данных. Недостатки: избыточность данных, низкая производительность.