2. Модели данных

Модель данных (data model) − это система взаимосвязанных типов объектов, операторов и правил обеспечения целостности, создающая абстрактную структуру, которую поддерживает система управления базой данных; это совокупность правил прохождения структур данных в базе данных, операций над ними, а также ограничений целостности, которая определяет допустимые связи и значения данных, последовательность их изменения. Отражая представление данных и отношений между ними математическими и программными средствами, модель данных есть формализованное описание информационных структур и операций над ними.

Модель данных — это формально определенная структура представления данных (имитация структуры). Модель должна быть адекватной объекту управления. При проектировании информационных систем она отражается моделями данных, как минимум, в двух уровнях: логическая и физическая структура. Логическая структура есть представление логической организации данных в виде множества типов записей и связей между ними.

В одной СУБД могут применяться различные структуры и модели данных. Логическая модель отражается в физической памяти (диск, лента и др.). Компьютер превращает концептуальную (общую) структуру в форму, удобную для запоминания или поиска. Такая внутренняя структура данных называется физической структурой. Она определяет размещение данных, методы доступа и технику индексирования. Физическую модель часто называют внутренней моделью системы.

Физическая структура данных проектируется с некоторым избытком для обеспечения надежности управления данными. Физическая структура учитывает архитектуру компьютера. Логическое и физическое представление данных приведено на рисунке 2.2.

Предметная область

Логическая структура

Физическая структура

Компьютер

Рисунок 2.2 − Представление данных под управлением СУБД

Типы моделей данных. В зависимости от способа представления взаимосвязей между объектами логическая модель данных может быть иерархической, сетевой, реляционной.

В начале 60-х гг., когда не было персональных компьютеров, применялись иерархическая и сетевая модели данных. В начале 70-х гг. появилась реляционная модель. Эти три модели различаются способами представления взаимосвязей между объектами.

Иерархическая модель данных. Взаимосвязи между объектами отражаются по принципу иерархии типов объекта в виде связанного графа, вершины которого размещены на разных иерархических уровнях.

Самая высокая вершина называется корнем (главный тип объекта), а остальные, находящиеся на нижних уровнях иерархии, — подчиненными. Корень (первый уровень) не подчиняется ни одной вершине. Все остальные вершины (типы объектов) связаны с одной и только одной вершиной, которая размещена на более высоком уровне. Взаимосвязь между объектами напоминает генеалогическое дерево (рисунок 2.3).

●

● ● ●

● ● ● ● ● ● ● ● ●

Рисунок 2.3 − Схема иерархической модели данных

Взаимосвязь между главными и подчиненными объектами устанавливается типом «один–ко многим» (1:М).

Сетевая модель данных. В сетевой модели понятие главного и подчиненных объектов иное, чем в иерархической модели: любой объект здесь может быть и главным, и подчиненным; каждый объект может участвовать в любом количестве взаимосвязей (рисунок 2.4).

●

● ● ●

● ● ● ● ●

Рисунок. 2.4 − Общая схема сетевой модели данных

Данные представляются при помощи записей и связей. Запись (объект) в сетевой модели (в отличие от иерархической) может иметь множество как подчиненных ей записей, так и записей, которым она сама подчинена.

Реляционная модель данных. Реляционная структура (модель) представляет данные в виде двумерной таблицы. Табличная структура данных отражает отношения между реальными объектами и их характеристиками. Поиск и обработка записей не зависят от организации хранения данных в памяти компьютера. При этом эффективно используются математическая логика и алгебра. Основной принцип реляционных структур баз данных — получение из таблицы необходимых отношений и формирование новых. На основе первичной таблицы при помощи логических операций формируется новая таблица соответствующей структуры. Каждый файл соответствует какому-нибудь понятию из предметной области.

Преимущества реляционных моделей баз данных:

простота представления данных (таблица);

минимальный избыток данных, что достигается путем нормализации таблиц;

независимость приложений пользователя от данных (при включении или удалении таблиц);

возможность изменения состава атрибутных отношений;

отсутствие необходимости описывать схемы данных (в иерархических и сетевых моделях — надо).

Недостатки реляционных моделей: нормализация таблиц приводит к значительной фрагментации данных, а при решении задач, как правило, их необходимо объединять.