4.2. Модели данных

Для реализации основных функций в ИС используются различные принципы описания данных. Ядром любой БД является модель представления данных. Модель данных представляет множество структур данных и взаимосвязи между ними.

Различают иерархическую, сетевую и реляционную модели данных.

Иерархическая модель представляет связи между объектами

(данными) в виде дерева.

К основным понятиям иерархической модели относятся:

• узел — набор атрибутов данных, описывающих объект;

• связь — линия, связывающая узлы нижнего уровня с одним узлом вышележащего уровня. При этом узел вышележащего уровня называют предком для соответствующих ему узлов нижнего уровня, в свою очередь, узлы нижнего уровня называют потомками связанного с ними вышележащего узла (например, на рис. 4.1 узел В1 — предок для узлов С1, С2, а узлы С1, С2 — потомки узла В1);

• уровень — номер слоя узлов, отсчитанный от корня.

Количество деревьев в БД определяется числом корневых записей. К каждому узлу существует единственный путь от корня.

Рис. 4.1. Иерархическая модель данных

Сетевая структура имеет те же составляющие, что и иерархическая, но каждый узел может быть связан с любым другим узлом (рис. 4.2). Сетевой подход к организации данных является расширением иерархического. В иерархических моделях запись-потомок должна иметь только одного предка; в сетевых — потомок может иметь любое число предков.

Рис. 4.2. Сетевая модель данных

Обе эти модели не получили широкого распространения из-за сложности реализации графов в виде машинных структур данных, кроме того, в них сложно осуществить операции поиска информации. Набольшее распространение получила третья модель данных — реляционная, она может так же описывать иерархическую и сетевую модель. Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц.

Рассмотрим реляционную модель данных, ориентированную на организацию данных в виде двумерных таблиц. Реляционная модель данных является наиболее универсальной, к ней могут быть сведены другие модели. Важнейшим понятием реляционных моделей данных является сущность. Сущность — это объект любой природы, данные о котором хранятся в БД. Данные о сущности хранятся в двумерных таблицах, которые называют реляционными.

Каждая реляционная таблица должна обладать следующими свойствами:

• один элемент таблицы — один элемент данных;

• все столбцы таблицы содержат однородные по типу данные (целочисленный, числовой, текстовый, и т.д.);

• каждый столбец имеет уникальное имя;

• число столбцов задается при создании таблицы;

• порядок записей в отношении может быть произвольным;

• записи не должны повторяться;

• количество записей в отношении не ограничено.

Объекты, их взаимосвязи и отношения представлены в виде таблиц. Формальное построение таблиц связано с фундаментальным понятием отношение (термин реляционная исходит от английского слова relation — отношение).

В реляционной таблице каждый столбец есть домен (его альтернативное название поле), а совокупность элементов каждой строки — кортеж (или запись).

Строка заголовков называется схемой отношения. Например, схема отношения СТУДЕНТ может быть следующей:

СТУДЕНТ (ФАМИЛИЯ, ИМЯ, ОТЧЕСТВО, ФАКУЛЬТЕТ, КУРС, ГРУППА), здесь СТУДЕНТ - отношение, а ФАМИЛИЯ, ИМЯ и т.д. — атрибуты.

В отношении каждый конкретный экземпляр сущности представляется строкой, которая называется кортежем (или записью). Следующая таблица представляет отношение СТУДЕНТ (см. рис. 4.3)

Рис. 4.3. Отношение студент

Первичным ключом отношения называется поле или группа полей, однозначно определяющие запись. В отношении СТУДЕНТ первичным ключом может быть поле ФАМИЛИЯ, если во всем списке нет однофамильцев — это будет простой ключ. Если есть однофамильцы, то совокупность полей — фамилия, имя, отчество — создадут составной первичный ключ. На практике, обычно в качестве ключевого выбирают поле, в котором совпадения заведомо исключены. Для рассматриваемого примера таким полем может служить номер зачетной книжки студента.

Свойства первичного ключа:

• уникальность — в таблице может быть назначен только один первичный ключ, у составного ключа поля могут повторяться, но не все;

• неизбыточность — не должно быть полей, которые, будучи удаленными из первичного ключа, не нарушат его уникальность;

• в состав первичного ключа не должны входить поля типа, комментарий и графическое.

Чтобы избежать повторяющихся записей, приходят к связыванию таблиц. Например, если в отношении СТУДЕНТ надо описать вуз, в котором он обучается, то, на первый взгляд, можно было бы включить в отношение следующие поля СТУДЕНТ (ФАМИЛИЯ, ИМЯ, ОТЧЕСТВО, ФАКУЛЬТЕТ, КУРС, ГРУППА, НАЗВАНИЕ вуза, АДРЕС). Но при заполнении такой таблицы для каждого студента придется указывать довольно длинное наименование вуза и его адрес, что неудобно. Более того, любая незначительная ошибка во вводе этих полей приведет к нарушению непротиворечивости базы данных. Например, ошибка в адресе вуза приведет к тому, что в БД появятся два вуза с одинаковым наименованием и разными адресами. Поступают в таком случае так: в отношение СТУДЕНТ вводят поле «код вуза» (целое число) и добавляют еще одно отношение ВУЗ (код вуза, название, адрес). СТУДЕНТ и ВУЗ при этом будут связаны по полю «код вуза».

При работе с такими таблицами повторяться могут только данные в поле «КОД вуза», а все необходимые сведения о вузе можно взять из отношения ВУЗ. Заметим при этом, что ввод в поле «КОД вуза» целого числа, вместо длинного названия, принесет гораздо меньше ошибок. В отношении ВУЗ поле «КОД вуза» будет первичным ключом, а в отношении СТУДЕНТ поле «КОД вуза» будет внешним ключом.

Для связи реляционных таблиц необходимо ввести в обе таблицы одинаковые по типу поля, по которым определится связь между записями обеих таблиц. Связи бывают нескольких типов «один к одному», «один ко многим», «многие ко многим». В вышеприведенном примере была установлена связь «один ко многим», т.е. одной записи в таблице ВУЗ соответствуют многие записи в таблице СТУДЕНТ.