Лекция. Базы данных. Модели представления данных

Модели представленияданныхМодели баз данных• Модель базы данных это совокупностьлогических конструкций, используемых дляпредставления структуры данных иотношений между ними внутри БД.• Модели баз данных можно подразделитьна две категории: концептуальные моделии модели реализации.Концептуальная модель• Концептуальная (понятийная) модельнацелена на логическую природупредставления данных.• В концептуальной модели основноевнимание уделяется тому, чтопредставлено в БД, а не как этопредставлено.Концептуальная модель• К концептуальным моделям относятся:– модель "сущность-связь" (ER-модель)– объектно-ориентированная модель.Модель реализации• Модель реализации ставит во главу угласпособ представления данных в БД или то,как реализовать структуры данных, чтобыполучить представление о том, что мымоделируем.• К моделям реализации БД относятсяиерархическая, сетевая, реляционная иобъектно-ориентированная моделиданных.Типы связей• В концептуальной модели для описанияотношений между данными используютсятипы связей: один-ко-многим, многие-комногим и один-к-одному.• Проектировщики баз данных обычноиспользуют сокращенные обозначения —1:М, M:N и 1:1 соответственно (возможноиспользование обозначения М:М).Иерархическая модель• В основе реализации иерархическоймодуле лежит сложная система указателей.• Указатель (pointer) это справочноеустройство, которое точно "указывает" наместоположение определенных данных наустройстве хранения.IMS• Совместными усилиями IBM и NorthAmerican Rockwell была разработанаInformation Management System (IMS —информационно-управляющая система).Структура иерархической модели• Иерархическая модель базы данныхоснована на структуре, имеющей сходство сперевернутым деревом, где от стволаотходят ветви, от которых в свою очередьотходят другие ветви.Значение иерархической модели• Основные идеи иерархической модели БДлежат в основе разработки современныхбаз данных.• Некоторые важнейшие концепции этоймодели применяются и в современныхмоделях БД.Иерархическая структура• Описание формирования деталей, сборок иузлов помогает представить весь этотлогический процесс в виде перевернутого"дерева", которое называют иерархическойструктурой.Иерархическая структураАвтомобильДвигательЛевая дверьКузовПравая дверьРучкаХодовая частьДнищеОкноКрышаЗамокИерархическая структура• Иерархия начинается с корневойвершины.• Каждая вершина соответствует одномуили нескольким атрибутам.• Каждая вершина, находящаяся науровне i, соединена с одной и толькоодной вершиной уровня i-1, заисключением корневой вершины.Иерархическая структура• Корневая вершина может быть связана содной или несколькими зависимымивершинами.• Доступ к каждой вершине происходитначиная от корневой по единственномупути.• Существует произвольное количествовершин каждого уровня.Иерархическая структура• Каждый предок может иметь несколькопотомков;• Каждый потомок имеет только одногопредка.• В иерархической структуре достаточнопросто проследить и компоненты базыданных, и существующие между нимисвязи типа 1:М.Иерархический маршрут• Древовидная структура не может бытьнепосредственно воспроизведена вкомпьютерном устройстве хранения.Иерархический маршрут• Вместо этого дерево определяетсяцепочкой, отображающей маршрут отсегмента-предка к сегменту-потомку,начиная слева.• Эта упорядоченная последовательностьсегментов, отображающая иерархическуюструктуру, называется иерархическиммаршрутом (hierarchical path).Применение модели• Система учета банковских счетов соответствуетиерархической модели:– банковский счет каждого клиента может бытьпредметом множества операций (связь "один-комногим");– операции над счетом могут совершаться или подебету, или по кредиту.

Поэтому основные связимежду банковским счетом клиента и операциями,которые по нему совершаются, фиксированы;Применение модели• Банк, как правило, имеет множество счетовклиентов, и каждый такой счет может статьпредметом множества операций(транзакций).• Общее число транзакций может быть оченьбольшим.Преимущества модели• Большинство преимуществ, которымиобладает иерархическая модель базыданных, помогли сформировать основу длясоздания современных моделей базданных, куда многие из этих достоинствбыли скопированы, хотя и в несколькоизмененном виде.Преимущества модели• Простота идеи.

Структура иерархическоймодели, отношения между различнымислоями интуитивно понятны. Поэтомудостаточно легко мысленно представитьсебе всю базу данных, что упрощает еепроектирование.Преимущества модели• Безопасность базы данных обеспечиваетсяСУБД.• Безопасность едина для всей системы и нетребует никаких усилий от программистов,у которых могут быть различные взгляды наспособы защиты.Преимущества модели• Независимость данных. СУБД создаетсреду, которая может обеспечитьнезависимость данных, существенноупрощая этим работу программистов(независимость данных имеет место, еслиизменение типа данных вызывает егоавтоматическое изменение с помощьюСУБД во всей базе данных).Преимущества модели• Целостность данных.

Взаимоотношениепредок/потомок всегда предполагаетналичие связи между сегментом-предком иего дочерними сегментами (потомками).• Поскольку дочерний сегмент всегдаавтоматически связан со своим предком,иерархическая модель тем самым всегдаобеспечивает целостность БД.Преимущества модели• Эффективность.• Иерархическая модель базы данных оченьэффективна, когда в БД содержитсябольшой объем данных со связью 1:М икогда пользователи выполняют большоечисло транзакций, используя объекты,связи между которыми фиксированы вовремени.Преимущества модели• Из-за явного превосходства над системойфайлов иерархические БД быстро сталидоминировать на рынке в 1970-х годах.• Это стало предпосылкой создания большихБД (на мэйнфреймах), что послужилопричиной появления программистов,знающих такие системы и разработавшихбольшое число хорошо зарекомендовавшихсебя бизнес-приложений.Недостатки модели• Сложность реализации.

Отпроектировщиков и программистовтребуется высокий профессионализм приорганизации физического храненияданных.• Поэтому задача реализации проекта БДможет оказаться достаточно сложной.Недостатки модели• Сложность управления.• Любые изменения в структуре БД,например, перемещение сегментов,вызовут необходимость изменений во всехприкладных программах, получающихдоступ к базе данных.Недостатки модели• Управление базой данных может статьтрудной задачей.• Хотя иерархическая структура стимулируетцелостность базы данных, в то же времяона дает возможность удалить одинсегмент, что приведет к удалению всехсегментов под ним.Недостатки модели• Структурная независимость имеет место, еслиизменения в структуре базы данных невлияют на возможность доступа СУБД кданным.• Иерархическую базу данных называютнавигационной системой, поскольку доступ кданным предполагает, что для "навигации" позаданным сегментам используется маршрутфизического хранения.Недостатки модели• Внутри навигационной системы базыданных программист должен знать такоймаршрут к соответствующим сегментам(для того, чтобы получить доступ кдочерней записи, прежде необходимообеспечить доступ к предку), чтобыизвлекать данные из БД.Недостатки модели• Изменения в структуре БД могут привести кпроблемам с прикладными программами,которые до этого работали правильно; запреимущество независимости по даннымприходится расплачиваться структурнойзависимостью.Недостатки модели• Сложность программирования ииспользования приложений.• В структуре навигационной базы данныхприкладные программисты и конечныепользователи должны точно знать, какимобразом физически данные размещены вБД для того, чтобы получить к ним доступ.Недостатки модели• Даже если им известен маршрут доступа кданным, получение данных требует знаниясложной системы указателей.• Иерархические базы данных были созданыпрограммистами для программистов.Недостатки модели• Ограничение в реализации.

Многие связине могут быть изображены схемой 1:М, накоторой основана иерархическая БД.• Например, список студентов университета.На каждую дисциплину может записатьсямного студентов, и каждый студент можетпроходить обучение по несколькимдисциплинам.Недостатки модели• Такую связь "многие-ко-многим" (M:N)трудно реализовать в иерархическоймодели.• В действительности имеется достаточномного связей, основанных на потомке,имеющем несколько предков.Недостатки модели• Недостаток стандартизации.• Хотя основные концепции иерархическоймодели используются повсюду впрограммном обеспечении БД, несуществует стандартизированного набораключевых понятий и компонентов, на базечего можно было создать модель, вкоторую было бы включено описание всехнеобходимых стандартов.Недостатки модели• Компоненту администрирования базыданных недоставало и стандартного языкаопределения данных (data definitionlanguage, DDL) для определениякомпонентов БД и языка манипулированияданными (data manipulation language, DML)для работы с содержимым БД.Недостатки модели• Несмотря на то что программноеобеспечение IMS, фактически стало игратьроль СУБД в конце 60-х и начале 70-х годовпрошлого века, параллельно, вне рамокконцепций и терминологии, определенныхв IMS, использовалось множество менеезаметных программ.Недостатки модели• Переход с одной иерархической БД надругую был трудной задачей:переносимость таких баз данных былаограничена.• В 1970 году разработчики баз данныхпровели серию конференций, результатомкоторых стала публикация комплектастандартов для баз данных.