4. Понятие и иерархия моделей данных. Уровни представления моделей данных.Виды концептуальных моделей данных.

Модель данных — модель, которая описывает представление данных в информационной системе, системе управления базами данных (СУБД) или в организационной (бизнес) системе.

Иерархическая структура представляет совокупность элементов, связанных между собой по определенным правилам. Объекты, связанные иерархическими отношениями, образуют ориентированный граф (перевернутое дерево). Основные понятия иерархической структуры: уровень, элемент (узел), связь.

Узел - это совокупность атрибутов данных, описывающих некоторый объект. Узлы представляются вершинами графа. Каждый узел на низком уровне связан с одним узлом, находящимся на более высоком уровне. Иерархическое дерево имеет только одну вершину (корень дерева), не подчиненную никакой другой вершине и находящуюся на самом верхнем уровне. Зависимые узлы находятся на 2, 3 и т.д. уровнях. Количество деревьев в БД определяется числом корневых записей. К каждой записи БД существует только один (иерархический) путь от корневой записи.

Каждому узлу структуры соответствует один сегмент, представляющий собой поименованный линейный кортеж полей данных. Каждому сегменту (кроме S1-корневого) соответствует один входной несколько выходных сегментов. Каждый сегмент структуры лежит на единственном иерархическом пути, начинающемся от корневого сегмента.

Организация данных в СУБД иерархического типа определяется в терминах: элемент, агрегат, запись (группа), групповое отношение, БД.

Атрибут (элемент данных) - наименьшая единица структуры данных. Обычно каждому элементу при описании БД присваивается уникальное имя, по которому к нему обращаются при обработке. Элемент данных также называют полем.

Запись - именованная совокупность атрибутов. Использование записей позволяет за одно обращение к базе получить некоторую логически связанную совокупность данных. Записи изменяются, добавляются и удаляются. Тип записи определяется составом ее атрибутов. Экземпляр записи - конкретная запись с конкретным значением элементов

Групповое отношение - иерархическое отношение между записями двух типов. Родительская запись (владелец группового отношения) называется исходной записью, а дочерние записи (члены группового отношения) - подчиненными. Иерархическая БД хранит только древовидные структуры.

Корневая запись каждого дерева обязательно должна содержать ключ с уникальным значением. Ключи некорневых записей должны иметь уникальное значение только в рамках группового отношения. Каждая запись идентифицируется полным сцепленным ключом, под которым понимается совокупность ключей всех записей от корневой по иерархическому пути.

При графическом изображении групповые отношения изображают дугами ориентированного графа, а типы записей - вершинами (диаграмма Бахмана).

Для групповых отношений в иерархической модели обеспечивается автоматический режим включения и фиксированное членство. Для запоминания любой некорневой записи в БД должна существовать ее родительская запись. При удалении родительской записи автоматически удаляются все подчиненные.

Недостатки иерархических БД: частично дублируется некоторая информации межу записями (парные записи), в иерархической модели не предусмотрена поддержка соответствия между парными записями.

Операции над данными, определенные в иерархической модели: ДОБАВИТЬ в БД новую запись. Для корневой записи обязательно формирование значения ключа; ИЗМЕНИТЬ значение данных предварительно извлеченной записи. Ключевые данные не должны подвергаться изменениям; УДАЛИТЬ некоторую запись и все подчиненные ей записи; ИЗВЛЕЧЬ запись. В ИЗВЛЕЧЬ допускается задание условий выборки.

Все операции изменения применяются только к одной "текущей" записи. Такой подход к манипулированию данных получил название "навигационного".

Уровни представления моделей данных.

Концептуальная модель данных - наиболее общий вид модели, с которым имеет дело разработчик – модели этого вида практически не привязаны к компьютерным реалиям (абстрагированы от них). Речь идет о модели понятий предметной области (семантическая модель). В концептуальном моделировании проектируется схема понятий прикладной области в их взаимосвязи. Предлагались и предлагаются разные пути такого моделирования.

Исходными базовыми понятиями в модели Смитов являются объекты и связи между объектами. Связи могут быть двух видов: обобщение и агрегация. Обобщение интуитивно ясно, и связывает одни объекты с другими, по смыслу более общими. Агрегация связывает разнородные объекты по признаку компонентного вхождения в другие объекты. Независимо, оба вида связей образуют каждый свою иерархию среди объектов модели.

Кроме этих базовых имеются и другие понятия концептуальной модели: атрибут, отношение, экземпляр, индивид. Самое замечательное в «модели Смитов» – это относительность перечисленных понятий. Одно и то же явление может быть и объектом, и отношением, и атрибутом, и экземпляром, и индивидом, и все определяется точкой зрения на явление. Несмотря на очевидную привлекательность концептуального проектирования, оно существует лишь в статьях и не реализовано напрямую ни в одной компьютерной системе.

Логический уровень моделирования – тот, который реально используют благодаря доступности на рынке CASE-систем. Логическое моделирование несет в себе сравнительно малую семантическую нагрузку. В наиболее распространенном случае (реляционный подход) логическое проектирование сводится к тому, чтобы правильно сформировать объекты, их атрибуты и взаимосвязи с учетом методологических требований ликвидации избыточности, нормализации, целостности, а также с учетом требований прикладной постановки и независимости данных.

Наиболее популярными видами моделей БД логического уровня являются ER-модель, реляционная модель, а в последнее время и объектная «модель».

Физическая модель данных соответствует описанию данных в БД конкретной СУБД, то есть схеме данных, и с ней хорошо знакомы уже все разработчики без исключения. Она непосредственно учитывает такие аспекты, как архитектуру, безопасность, эффективность доступа и другие. Понятие «физическая модель» относительно, так как имеет тенденцию к изменению во времени, и то, что когда-то относилось к логической модели, сегодня могут приписывать физической.

Виды концептуальных моделей данных.

Это наиболее общий вид модели, с которым имеет дело разработчик – модели этого вида практически не привязаны к компьютерным реалиям (абстрагированы от них). Концептуальные модели уже не являются математическими моделями с их универсальностью, но они еще и не БД-модели. Речь идет о «понятийной модели», о модели понятий предметной области (семантическая модель).

В концептуальном моделировании проектируется схема понятий прикладной области в их взаимосвязи. Предлагались и предлагаются разные пути такого моделирования.

Исходными базовыми понятиями в трактовке Смитов являются объекты и связи между объектами. Связи могут быть двух видов: обобщение и агрегация. Обобщение интуитивно ясно, и связывает одни объекты с другими, по смыслу более общими. Агрегация связывает разнородные объекты по признаку компонентного вхождения в другие объекты. Независимо, оба вида связей образуют каждый свою иерархию среди объектов модели.

Кроме этих базовых имеются и другие понятия концептуальной модели: атрибут, отношение, экземпляр, индивид. Самое замечательное в «модели Смитов» – это относительность перечисленных понятий. Одно и то же явление может быть и объектом, и отношением, и атрибутом, и экземпляром, и индивидом, и все определяется точкой зрения на явление. Зависимость интерпретации от точки зрения на явление (а точнее – возможность выбора точек зрения с разной интерпретацией) – это очень мощное свойство, придающее концептуальной модели большую гибкость и приспособляемость в описании проектируемой ИС. Наиболее близко к концептуальной в этом отношении подошла (теоретическая) реляционная модель данных, а вот объектный подход с его фиксированной интерпретацией структуры отстоит от реляционного на шаг назад.