3 курс_Лекция_Моделирование_данных (Лекции)

3 курс Моделирование данных

МОДЕЛИ ДАННЫХ.

Модель данных определяет структуру данных и правила их построения.

Это определение является наиболее общим и может быть применено при рассмотрении данных с точки зрения ЭВМ, с точки зрения алгоритмических языков, с точки зрения БД,

Модель данных ЭВМ включает: допустимые форматы данных, состав операций выполняемых с данными.

Каждый язык программирования высокого уровня имеет свою модель данных, которая независима от машинной реализации и спроектирована для улучшения моделирования определенных видов реальных ситуаций или для удобства выполнения определенных видов вычислений и представления соответствующих типов данных. Модель данных алгоритмического языка включает: виды данных – переменные, массивы; типы данных – целые, вещественные и т.п.; состав операций выполняемых над данными (состав процедурных операторов языка).

В БД функцию описания данных выполняет язык описания данных, а выполняемые над данными операции определяются языком манипулирования данными.

Модель данных – совокупность структур данных и операций над ними, для определения логической структуры БД и динамического моделирования состояний ПО.

Основные операции над данными.

Операции над данными отражают динамические свойства модели данных.

Как правило, можно выделить следующие основные виды операций:

1. Идентификация одного данного и нахождения его положения в БД;

2. Выборка (чтение) данного из БД;

3. Включение (запись) данного в БД;

4. Удаление данного из БД;

5. Модификация (изменение) данного в БД.

Операции над данными должны соотноситься с ЯМД СУБД.

Ограничения целостности.

Логические ограничения, которые накладываются на данные, называются ограничениями целостности.

Ограничения используются в моделях данных для поддержания целостности данных при функционировании системы, т.е. СУБД должна обеспечивать непротиворечивость данных заданными ограничениями при переводе БД из одного состояния в другое.

Использование ограничений связано также с адекватностью отражения предметной области с помощью данных, хранимых в БД.

Например, «год рождения» не может быть больше «года поступления в институт».

Выбор модели данных.

• Возможность прямого моделирования.

• Сложность и трудоемкость написания определенных данных и программирования для манипулирования структурами данных.

• Сложность модели для изучения пользователем.

• Простота, т.е. модель должна иметь минимальное число типов базисных структур и правил композиции.

• Наглядность представления структуры данных.

РЕЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ.

Один из самых естественных способов представления данных – это двумерная таблица. Она привычна для пользователя, понятна и обозрима.

Как люба сетевая структура с некоторой избыточностью может быть разложена на совокупность древовидных структур, так и любое представление данных может быть сведено к двумерным плоским файлам (таблицам).

Таблицы строятся таким образом, что информация о связях между элементами данных не теряется. Сами таблицы являются двумерными массивами и описываются математически на основе понятий реляционной алгебры.

Свойства таблиц:

1. Каждый элемент таблицы представляет собой элемент данных, повторяющиеся группы отсутствуют.

2. Все столбцы в таблице однородны.

3. Столбцам присвоены имена.

4. В таблице нет двух одинаковых строк.

5. В операциях с таблицами ее строки и столбцы могут просматриваться в любом порядке и в любой последовательности безотносительно к их информационному содержанию.

Таблицы такого вида называются отношениями.

Математически отношение определяется следующим образом:

Пусть даны N множеств D1,D2,…,DN, тогда R есть отношение над этими множествами, если R есть множество упорядоченных n-кортежей вида <d1,d2,…,dN> , где d1 – элемент из D1, d2 – элемент из D2, dN – элемент из DN.

D1, D2, DN называются доменами отношения R.

Пример приведен на рис.

Домен D1: Домен D2: Домен D3: Домен D4:

101 102 103 болт гайка красный 9 11 12 14

104 105 106 муфта зажим синий 17 7 21 23

гвоздь винт зеленый

желтый

о

101 болт черный 9

102 муфта синий 11

104 зажим желтый 17

тношение

к

103 винт зеленый 12

ортеж

Здесь 4 домена:

D1 – множество целых чисел;

D2 – множество символьных строк, представляющих названия деталей;

D3 – множество символьных строк названий цветов;

D4 – множество целых чисел.

Отношение R состоит из 4 кортежей. Каждый кортеж из 4 элементов, которые выбираются каждый из своего домена.

С точки зрения обработки данных.

С ущность Атрибут сущности

(Имя файла) (поле в записи)

Д ЕТАЛЬ

НОМЕР_ДЕТ	НАЗВАНИЕ_ДЕТ	ЦВЕТ	ВЕС
101	болт	черный	9
102	муфта	синий	11
103	винт	зеленый	12
104	зажим	желтый	17

О дна запись Значение атрибута

(значение поля в записи) Файл

Четыре домена соответствуют четырем элементам реального мира: номер детали, название, цвет, вес.

Отношение принимает вид таблицы или файла, где кортежи – строки таблицы или записи в файле.

Имена столбцов называются атрибутами, а индивидуальное значение, появляющееся в отдельных кортежах – значением атрибута.

Число столбцов в отношении называется степенью.

Число кортежей – мощностью.

Реляционная база данных определяется как совокупность отношений, содержащих всю информацию хранимую в БД.

Каждое отношение в БД хранится в отдельном файле. Записи файлов имеют одинаковый формат. СУБД сохраняет отношение в виде индексного файла, где индекс представляет собой как правило первичный ключ отношения.

Первичный ключ – атрибут или набор атрибутов, которые могут быть использованы для однозначной идентификации конкретного кортежа.

Результат проектирования БД оформляется следующим образом:

Название БД: ____________________________

Спецификация отношений:

Имя отношения ( перечень атрибутов)

Первичный ключ отношения: _____________

Возможные ключи:______________________

Вторичные ключи: ______________________

…………………………….

Спецификация атрибутов:

Имя атрибута	Назначение атрибута	Тип	Допустимые значения	Примечание

ПОЛУЧЕНИЕ ОТНОШЕНИЙ ИЗ

ДИАРАММ ER – ТИПА.

Класс принадлежности.

Если экземпляры данной сущности должны участвовать в связи, то участие называется обязательным.

имеет

С ТУДЕНТ ( . ) ( . ) ОЦЕНКА

Если экземпляры данной сущности могут не участвовать в связи , то участие называется необязательным.

ведет

.

.

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ ( ) ( . ) ДИСЦИПЛИНА

На графической диаграмме

... Обязательная.

Необязательная.

Правила получения реляционных отношений.

Правило 1: Если степень бинарной связи равна 1:1 и класс принадлежности обеих сущностей является обязательным, то требуется только одно отношение, объединяющее атрибуты двух сущностей. Первичным ключом этого отношения может быть ключ любой из двух сущностей.

Правило 2: Если степень бинарной связи равна 1:1 и класс принадлежности одной сущности является обязательным, а другой необязательным , то необходимо построение двух отношений. Под каждую сущность необходимо выделить по одному отношению, при этом ключ сущности должен служить первичным ключом для соответствующего отношения. При этом ключ сущности, для которой класс принадлежности является необязательным, добавляется в качестве атрибута в отношение, выделенное для сущности с обязательным классом принадлежности.

Правило 3: Если степень бинарной связи равна 1:1 и класс принадлежности обеих сущностей является необязательным, то необходимо построение трех отношений: по одному для каждой сущности, ключи которых служат в качестве первичных ключей соответствующих отношений, и одно для связи. Среди своих атрибутов отношение, выделенное для связи, будет иметь ключи сущностей.

При построении отношений для связи 1:М учитывается класс принадлежности М-связанной сущности. Класс принадлежности 1-связанной сущности на конечный результат не влияет.

Правило 4: Если степень бинарной связи 1:М и класс принадлежности М-связанной сущности является обязательным, то достаточным является использование двух отношений, по одному на каждую сущность. При условии, что ключ каждой сущности служит в качестве первичного ключа для соответствующего отношения. Дополнительно ключ 1-связанной сущности должен быть добавлен как атрибут в отношение, отведенной для М-связанной сущности.

Правило 5: Если степень бинарной связи 1:М и класс принадлежности М-связанной сущности является необязательным, то достаточным является использование трех отношений, по одному на каждую сущность, причем ключ каждой сущности служит первичным ключом соответствующего отношения, и одного отношения для связи. Отношение для связи должно иметь среди своих атрибутов ключ каждой сущности.

Правило 6: Если степень бинарной связи равна М:М, то необходимо три отношения: по одному на каждую сущность с первичными ключами от соответствующих сущностей, и одно отношение для связи. Отношение для связи должно иметь среди своих атрибутов ключ каждой сущности.

ПРОЦЕСС ПРОЕКТИРОВАНИЯ БД.

Цели создания БД:

1. Возможность хранения всех необходимых данных.

2. Исключение избыточности.

3. Сведения числа хранимых в БД отношений к минимуму. Решение проблем избыточности, корректировки и обновления данных решается, как правило, разбиением отношения на несколько независимых. Это приводит к общему увеличению числа отношений и соответственно файлов. Это приводит к сложностям пользования и ведения БД.

4. Нормализация отношений для упрощения процедур обновления и удаления данных.

Определение избыточности данных.

При решении этой задачи необходимо определить что является избыточностью, а что необходимым дублированием.

ТЕМА

Шифр темы	Исполнитель
111	Исп-1
112	Исп-2
113	Исп-1
114	Исп-1

В поле исполнитель на первый взляд наблюдается избыточность. Если привести данные к виду

Шифр темы	Исполнитель
111	Исп-2
112	Исп-1
113	---
114	---

То если удалить запись 111 не будет известен исполнитель тем 113 и 114. Таким образом это пример не избыточности данных, а необходимого неизбыточного дублирования.