База данных с такой схемой могла бы выглядеть следующим образом:

Управляющая часть

Примерами типичных операторов манипулирования иерархически организованными данными могут быть следующие:

• Найти указанное дерево БД (например, отдел 310);

• Перейти от одного дерева к другому;

• Перейти от одной записи к другой внутри дерева (например, от отдела - к первому сотруднику);

• Перейти от одной записи к другой в порядке обхода иерархии;

• Вставить новую запись в указанную позицию;

• Удалить текущую запись.

В иерархической модели используются два метода доступа к данным: прямой порядок обхода дерева и обратный порядок. Прямой обход осуществляется сверху вниз, начинается с корня и постепенно делается обход всех предков в направлении сверху-вниз, слева-направо. Обратный подход начинается с доступа к самым нижним сегментам с постепенным переходом снизу-вверх, слева-направо.

Ограничения целостности

Целостность связи поддерживается между предками и потомками. Основное правило: никакой потомок не может существовать без своего родителя.

Кроме того, иерархическая модель обладает следующими свойствами:

1. каждый потомок имеет только одного предка;

2. предок может не иметь потомков.

К достоинствам иерархической модели данных относятся эффективное использование памяти компьютера и высокие временные показатели выполнения операций над данными. Недостатком иерархической модели является ее громоздкость для обработки информации с достаточно сложными связями.

Примеры иерархических СУБД: Ока, ИНЭС, МИРИС, Data Edge

Сетевая модель

Сети – естественный способ представления реальных отношений между объектами. Сетевая модель также опирается на теорию графов.

Появились в 70-х годах XX века. Типичными представителями являются СУБД Integrated Database Management System (IDMS) компании Cullinet Software, Inc. и Integrated Data Store (IDS) фирмы General Electric.

Сетевой подход к организации данных является расширением иерархического. В иерархических структурах запись-потомок должна иметь в точности одного предка; в сетевой структуре данных потомок может иметь любое число предков.

Структурная часть

Основными элементами сетевой базы данных являются элемент данных, агрегат данных, запись, набор.

Элемент данных – наименьшая неделимая поименованная информационная единица, доступная пользователю. Элемент данных может иметь свой тип. Агрегат данных – поименованная совокупность элементов данных внутри записи (дата – день, месяц, год).

Запись – поименованная структура, содержащая элементы данных (запись в реляционной таблице).

Тип записей – это совокупность логически связанных экземпляров записей, моделирует некоторый класс объектов реального мира.

Набор – это поименованная двухуровневая иерархическая структура, которая выражает связи между двумя типами записей (один к одному, один ко многим).

На формирование типов связи не накладываются особые ограничения; возможны, например, следующие ситуации:

– Данный тип записи может быть предком для любого числа связей.

– Данный тип записи может быть потомком в любом числе связей.

– Может существовать любое число связей с одним и тем же типом записи предка и одним и тем же типом записи потомка.

– Типы записи X и Y могут быть предком и потомком в одной связи и потомком и предком - в другой.

– Предок и потомок могут быть одного типа записи.

– Между двумя типами записей может быть любое количество наборов (преподаватель может не только преподавать, и быть куратором этой группы).

Простой пример сетевой схемы БД:

Таким образом, сетевая база данных – поименованная совокупность записей различного типа и наборов, содержащих связи между ними.

Управляющая часть

Примерный набор операций может быть следующим:

– Найти конкретную запись в наборе однотипных записей (инженера Сидорова);

– Перейти от предка к первому потомку по некоторой связи (к первому сотруднику отдела 310);

– Перейти к следующему потомку в некоторой связи (от Сидорова к Иванову);

– Перейти от потомка к предку по некоторой связи (найти отдел Сидорова);

– Создать новую запись;

– Уничтожить запись;

– Модифицировать запись;

– Включить в связь;

– Исключить из связи;

– Переставить в другую связь и т.д.

Ограничения целостности

Достоинством сетевой модели данных является возможность эффективной реализации по показателям затрат памяти и оперативности. В сравнении с иерархической моделью сетевая модель предоставляет большие возможности по созданию и моделированию различных связей между сущностями реального мира (предметной области). Недостатком сетевой модели является высокая сложность и жесткость схемы данных, сложность для понимания и выполнения обработки информации обычным пользователем.

Реляционная модель данных

Сложность практического использования иерархических и сетевых СУБД, желание пользователей оперировать более крупными объектами, чем элементы данных заставили искать иные способы представления данных и послужило причиной возникновения новой структуры данных – реляционной (табличной). Работа с таблицами понятна и привычна каждому пользователю. Создателем реляционной модели является математик, сотрудник фирмы IBM Э.Ф. Кодд (1970 г.). Он же ввел два языка манипулирования данными SQL и QBE.

Э.Кодд предложил использовать для обработки данных аппарат теории множеств (объединение, пересечение, разность). Он показал, что любое представление данных сводится к совокупности двумерных таблиц.

Структурная часть

Реляционная база данных представляет собой набор таблиц (которые Кодд назвал отношениями), каждая из которых имеет уникальное имя и состоит из строк – записей (кортежей) и столбцов – полей (атрибутов). Каждая запись представляет объект реального мира. Свойства объекта, его характеристики определяются значениями полей. Каждое поле имеет имя, тип и размер данных, хранимых в нем. Имена полей вынесены в шапку таблицы.

Тип данных

Понятие тип данных в реляционной модели данных полностью адекватно понятию типа данных в языках программирования. Обычно в современных реляционных БД допускается хранение символьных, числовых данных, битовых строк, специализированных числовых данных (таких как "деньги"), а также специальных "темпоральных" данных (дата, время, временной интервал).

Наименьшая единица данных реляционной модели – это отдельное атомарное (неразложимое) для данной модели значение данных. Так, в одной предметной области фамилия, имя и отчество могут рассматриваться как единое значение, а в другой – как три различных значения.

Доменом называется множество значений данного типа (например, множество названий населенных пунктов).

Домены весьма важные компоненты реляционной модели. Смысл доменов состоит в следующем. Если значения двух атрибутов берутся из одного и того же домена, то, вероятно, имеют смысл сравнения, использующие эти два атрибута (например, для организации транзитного рейса можно дать запрос "Выдать рейсы, в которых время вылета из Москвы в Сочи больше времени прибытия из Архангельска в Москву"). Если же значения двух атрибутов берутся из различных доменов, то их сравнение, вероятно, лишено смысла: стоит ли сравнивать номер рейса со стоимостью билета?

Кортеж, отношение

Отношением является таблица, заголовком которой является схема отношения, а строками - кортежи; имена атрибутов именуют столбцы этой таблицы. Отношения используются для представления объектов окружающего мира и представления связей между объектами.

Реляционная база данных - это конечный набор отношений.

Каждое отношение обладает хотя бы одним потенциальным ключом, поскольку по меньшей мере комбинация всех его атрибутов удовлетворяет условию уникальности. Один из потенциальных ключей (выбранный произвольным образом) принимается за его первичный ключ. Остальные возможные ключи, если они есть, называются альтернативными ключами.

Отношения, схема базы данных

Схема отношения - это именованное множество пар {имя атрибута, имя домена (или типа)}.

Схемой реляционной базы данных называется набор заголовков отношений, входящих в базу данных.

Ограничение целостности

В целостной части реляционной модели данных фиксируются два базовых требования целостности, которые должны поддерживаться в любой реляционной СУБД. Первое требование называется требованием целостности сущностей. Объекту или сущности реального мира в реляционных БД соответствуют кортежи отношений. Конкретно требование состоит в том, что любой кортеж любого отношения отличим от любого другого кортежа этого отношения, т.е. другими словами, любое отношение должно обладать первичным ключом.

Второе требование называется требованием целостности по ссылкам и является несколько более сложным. Очевидно, сложные сущности реального мира представляются в реляционной БД в виде нескольких кортежей нескольких отношений. Например, представим, что нам требуется представить в реляционной базе данных сущность ОТДЕЛ с атрибутами ОТД_НОМЕР (номер отдела), ОТД_КОЛ (количество сотрудников) и ОТД_СОТР (набор сотрудников отдела). Для каждого сотрудника нужно хранить СОТР_НОМЕР (номер сотрудника), СОТР_ИМЯ (имя сотрудника) и СОТР_ЗАРП (заработная плата сотрудника). Как мы вскоре увидим, при правильном проектировании соответствующей БД в ней появятся два отношения: ОТДЕЛЫ ( ОТД_НОМЕР, ОТД_КОЛ ) (первичный ключ - ОТД_НОМЕР) и СОТРУДНИКИ ( СОТР_НОМЕР, СОТР_ИМЯ, СОТР_ЗАРП, СОТР_ОТД_НОМ ) (первичный ключ - СОТР_НОМЕР).

Как видно, атрибут СОТР_ОТД_НОМ появляется в отношении СОТРУДНИКИ не потому, что номер отдела является собственным свойством сотрудника, а лишь для того, чтобы иметь возможность восстановить при необходимости полную сущность ОТДЕЛ. Значение атрибута СОТР_ОТД_НОМ в любом кортеже отношения СОТРУДНИКИ должно соответствовать значению атрибута ОТД_НОМ в некотором кортеже отношения ОТДЕЛЫ. Атрибут такого рода называется внешним ключом, поскольку его значения однозначно характеризуют сущности, представленные кортежами некоторого другого отношения (т.е. задают значения их первичного ключа). Говорят, что отношение, в котором определен внешний ключ, ссылается на соответствующее отношение, в котором такой же атрибут является первичным ключом.

Требование целостности по ссылкам, или требование внешнего ключа состоит в том, что для каждого значения внешнего ключа, должен найтись кортеж с таким же значением первичного ключа, либо значение внешнего ключа должно быть неопределенным (т.е. ни на что не указывать). Для нашего примера это означает, что если для сотрудника указан номер отдела, то этот отдел должен существовать.

Ограничения целостности сущности и по ссылкам должны поддерживаться СУБД. Для соблюдения целостности сущности достаточно гарантировать отсутствие в любом отношении кортежей с одним и тем же значением первичного ключа. С целостностью по ссылкам дела обстоят несколько более сложно.

Понятно, что при обновлении ссылающегося отношения (вставке новых кортежей или модификации значения внешнего ключа в существующих кортежах) достаточно следить за тем, чтобы не появлялись некорректные значения внешнего ключа. Но как быть при удалении кортежа из отношения, на которое ведет ссылка?

Здесь существуют три подхода, каждый из которых поддерживает целостность по ссылкам. Первый подход заключается в том, что запрещается производить удаление кортежа, на который существуют ссылки (т.е. сначала нужно либо удалить ссылающиеся кортежи, либо соответствующим образом изменить значения их внешнего ключа). При втором подходе при удалении кортежа, на который имеются ссылки, во всех ссылающихся кортежах значение внешнего ключа автоматически становится неопределенным. Наконец, третий подход (каскадное удаление) состоит в том, что при удалении кортежа из отношения, на которое ведет ссылка, из ссылающегося отношения автоматически удаляются все ссылающиеся кортежи.

В развитых реляционных СУБД обычно можно выбрать способ поддержания целостности по ссылкам для каждой отдельной ситуации определения внешнего ключа. Конечно, для принятия такого решения необходимо анализировать требования конкретной прикладной области.

Управляющая часть