4. Види моделей даних

Незважаючи на те, що розрізняють до 50 різних видів моделей даних, основними вважають 4 види моделей даних: ієрархічна, мережева, реляційна і об’єктно-реляційна.

Ієрархічна (грецьк. hierarchia — священна влада) модель даних описує об’єкти і зв’язки між ними у вигляді дерева. Об'єкти подані у моделі їх певними властивостями, які в свою чергу можуть набувати певних значень. В ієрархічній моделі є один основний (батьківський) об’єкт, якому підпорядковані об’єкти другого рівня, їм в свою чергу – об’єкти третього рівня і т.д.

На основі ієрархічної моделі даних побудовані такі бази даних: Information Management System (IMS) (англ. Information Management System – система управління інформацією) корпорації IBM, System 2000, Time-Shared Date Management System (TDMS) (англ. Time-Shared Date Management System – система управління даними з розподілом часу) тощо.

Прикладом ієрархічної моделі даних може служити класифікація біологічних об’єктів. В цій класифікації є перший рівень – це всі біологічні об’єкти, на другому рівні йде розподіл на дві групи – два домена в залежності від значення властивості – наявності ядра у клітині. В свою чергу в кожному домені відбувається поділ за значеннями інших властивостей на інші групи і т.д. Кожен об’єкт в такій моделі буде описуватись набором значень властивостей, які він має починаючи із значень властивостей найвищого рівня. Наприклад людина як біологічний об’єкт має такі значення властивостей: Домен — Ядерні; Царство — Тварини; Тип — Хордові; Підтип — Черепні; Надклас — Щелепні; Клас — Ссавці; Підклас —Плацентарні, або вищі звірі; Ряд — Примати; Родина — Гомініди ; Рід — Людина; Вид — Людина розумна.

І ншим прикладом ієрархічної моделі є модель даних що використовується при створенні, знайомої вам з курсу інформатики 9 класу, файлової системи. На кожному носієві даних створюється коренева папка як об’єкт вищого рівня, в ньому реєструються дані про файли і папки першого рівня, в папках першого рівня – дані про папки і файли другого рівня і так далі.

В ієрархічній моделі даних у кожного об’єкта, є тільки один об’єкт вищого рівня якому він підпорядкований ("батьківський") і може бути кілька підпорядкованих ("нащадків"). Виключення складає тільки найвищий за ієрархією об’єкт – у нього немає "батьківського" об’єкту.

Ієрархічна модель ефективно працює при порівняно невеликий кількості об’єктів, їх властивостей та рівнів. При збільшенні їх кількості на пошук потрібних даних можна витратити доволі багато часу. Наприклад, спробуйте знайти серед усіх файлів вашого комп'ютера файл, що містить певний фрагмент тексту. Пошук може тривати кілька хвилин, а то і кілька десятків хвилин. В ході пошуку, на відповідній панелі ви можете спостерігати як послідовно гілка за гілкою переглядається ієрархічна структура даних. В той час як в Інтернеті подібний пошук буде тривати максимум кілька секунд, при цьому опрацьовується значно більші обсяги даних. Тому в сучасних операційних системах, таких як Windows 7, для пришвидшення пошуку використовують індексацію даних – створення іншої бази даних про об’єкти файлової системи, для чого виконують попередній перегляд всіх даних на вказаних користувачем носіях.

Іншими проблемами ієрархічної структури є неможливість встановлювати зв’язки між об’єктами розміщеними в різних гілках дерева бази даних, а також необхідність дублювання значної кількості даних. Усе це в кінцевому рахунку негативно впливає на ефективність використання баз даних, розроблених на основі цієї моделі даних

Д ля усунення проблем ієрархічної моделі даних в кінці 60-х років ХХ ст. була розроблена мережева модель даних. Автором концепції мережевої моделі даних є американський вчений Чарльз Бахман (нар. 1924) (рис. 3.1). У цій моделі об’єкти можуть мати зв’язки не тільки по вертикалі, як у ієрархічній моделі, а довільно. Приклад такої моделі зображено на рис. 3.2.

Прикладами баз даних, побудованих на мережевій моделі даних, є: Univac DMS-1100 (англ. Universal Automatic Computer Data Management System - система управління даними фірми Універсальний автоматичний комп’ютер), RDM Embedded (англ. Raima Database Manager Embedded вбудований менеджер баз даних корпорації Raima), IDMS (англ. Integrated Database Management System – інтегрована система управління базами даних) тощо.

Р азом з тим при значному збільшенні кількості об’єктів детально описати зв’язки між ними дуже важко. Проблеми виникають і при модифікації бази даних: додаванні нових зв’язків, заміні об’єктів, що зв’язані між собою, тощо. Тому для спрощення опису об’єктів та зв’язків між ними в 1970 році американським вченим Едгаром Франком Кодом (1923-2003) (рис. 3.3) була запропонована реляційна модель даних. Математик за освітою він увів в теорію баз даних математичний підхід, що базується на теорії множин.

Основою цієї моделі є таблиці. Дані подаються в рядках таблиці і ці рядки можуть інтерпретуватися як сукупність істинних висловлювань (значень властивостей) про якийсь один об’єкт. Наступний рядок містить набір істинних висловлювань про інший об’єкт цієї предметної області і т.д. Дані з однієї таблиці можуть мати зв'язок з даними з іншої таблиці. Сукупність таких таблиць і зв’язків між ними буде складати базу даних предметної області. Можливість пов'язувати дані з однієї таблиці з даними іншої таблиці надає можливість уникнути дублювання даних.

Наприклад, при проектуванні бази даних бібліотеки нам потрібно створити таблицю з даними про всі книги бібліотеки і другу таблицю з даними про читачів, які користуються послугами бібліотеки. При видачі читачу певної книги немає сенсу заносити дані про неї в таблицю з даними про читача, достатньо встановити між ними зв'язок, а при поверненні книги – розірвати цей зв'язок. Якщо потрібно з’ясувати, які книги отримав читач в бібліотеці, достатньо перевірити наявність зв’язків між читачем і книжками.

Назва моделі даних "реляційна" походить від англійського relation, що означає відношення. Враховуючи, що в математиці цим словом також називають і сукупність даних, розміщених в таблицях, то можна говорити про те що реляційна модель даних – це модель, яка передбачає використання таблиць для структурування даних, а також передбачає встановлення певних зв’язків ("відношень") між даними, розміщеними в різних таблицях.

Об'єктно-реляційні моделі даних почали використовуватися з кінця 90-х років минулого століття. У більшості випадків вони є по суті розвитком реляційної моделі за рахунок розширення переліку типів даних, а також операцій над вмістом баз даних. Одним із успішних проектів розробки баз даних на основі об’єктно-реляційної моделі є комп’ютерна програма Valentina - розробка групи українських програмістів під керівництвом Руслана Засухіна. Зараз цей проект розповсюджується в США і Західній Європі фірмою Paradigma Software, Inc. і за заявою авторів забезпечує в 5-20 разів більш швидке опрацювання даних, ніж у класичних реляційних базах даних.

Існують і інші моделі даних, такі як об’єктно-орієнтовані, багатовимірні, комбіновані, однак на сьогодні вони не набули широкого розповсюдження.

Цікаві факти з історії

П ерша в Україні комп’ютерна база даних була розроблена в ході робіт по проектуванню і експлуатації електронної обчислювальної машини "Київ" (1959 р.). ЕОМ була розроблена для обчислювального центру Академії наук УРСР Л.Н. Дашевським, К.Л. Ющенко, К.О. Шкарабарою, С.Б. Погребинським під науковим керівництвом Б.В. Гніденка та В.М.Глушкова.

Віктору Михайловичу Глушкову (1923–1982) належить цикл робіт по використанню ЕОМ в управлінні не тільки в межах одного підприємства чи організації, а всієї країни. Це йому належить проект Загальнодержавної автоматизованої системи збирання і опрацювання інформації для обліку, планування і управління народним господарством. Основу цієї системи повинні були складати бази даних або як їх називав В.М.Глушков "банки даних" . В 1975 році він говорив "Уже в найближчі десятиліття в ряді високорозвинених країн будуть створені так звані "національні банки даних". Створення подібних банків даних, як і прогнозував В.М.Глушков, докорінно змінило роботу і науковця, і інженера, і журналіста.