24. Базы данных. Реляционная модель логической организации.

Виды моделей данных

Организация данных рассматривается с позиций той или иной модели данных. Модель данных является ядром любой базы данных. С помощью модели данных могут быть представлены объекты предметной области и взаимосвязи между ними.

Модель данных – совокупность структур данных, ограничений целостности и операций манипулирования данными. Модели используются для представления данных в информационных системах.

Различают три типа моделей данных, которые имеют множества допустимых информационных конструкций:

• иерархическая;

• сетевая;

• реляционная.

1. Иерархическая модель данных

Иерархическая структура представляет совокупность элементов, связанных между собой по определенным правилам. Объекты, связанные иерархическими отношениями, образуют ориентированный граф (перевернутое дерево), вид которого представлен на рисунке:

Основные понятия иерархической структуры

Это – узел, уровень и связь.

Узел – это совокупность атрибутов данных, описывающих некоторый объект. На схеме иерархического дерева узлы представляются вершинами графа. Каждый узел на более низком уровне связан только 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 (первом) уровне. Зависимые (подчиненные) узлы находятся на втором, третьем и т.д. уровнях. К каждой записи базы данных существует только один (иерархический) путь от корневой записи. Например, как видно из рисунка, для записи С4 путь проходит через записи ВЗ к А.

Пример иерархической структуры:

2. Сетевая модель данных

В сетевой структуре при тех же основных понятиях (уровень, узел, связь) каждый элемент может быть связан с любым другим элементом.

На рисунке изображена сетевая структура базы данных в виде графа.

Пример сетевой структуры:

Примером сложной сетевой структуры может служить структура базы данных, содержащей сведения о студентах, участвующих в научно-исследовательских работах (НИРС). Возможно участие одного студента в нескольких НИРС, а также участие нескольких студентов в разработке одной НИРС. Графическое изображение описанной в примере сетевой структуры состоит только из двух типов записей.

3. Реляционная модель данных

Понятие реляционный связано с разработками известного американского специалиста в области систем баз данных.

Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Каждая реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:

• каждый элемент таблицы – один элемент данных;

• все столбцы в таблице однородные, т.е. все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный и т.д.) и длину;

• каждый столбец имеет уникальное имя (заголовки столбцов являются названиями полей в записях);

• одинаковые строки в таблице отсутствуют;

• порядок следования строк и столбцов может быть произвольным.

Отношение – это плоская таблица, содержащая N столбцов, среди которых нет одинаковых. N – это степень отношения, или арность отношения.

Столбец отношения соответствует атрибуту сущности. 

Кортеж – строка отношения (соответствует записи в таблице).

Атрибут - это поименованный столбец отношения.

Домен - это набор допустимых значений для одного или нескольких атрибутов.

Степень определяется количеством атрибутов, которое оно содержит

Кардинальность - это количество кортежей, которое содержит отношение.

Первичный ключ - это уникальный идентификатор для таблицы.

Атомарность – неделимость атрибутов. Например, ФИО не является атомарным столбцом

Нормализация – процесс преобразования отношений базы данных к виду, отвечающему нормальным формам. Нормализация предназначена для приведения структуры БД к виду, обеспечивающему минимальную логическую избыточность, и не имеет целью уменьшение или увеличение производительности работы или же уменьшение, или увеличение физического объёма базы данных.

Денормализация – процесс обратный нормализации. Часто применяется для ускорения процесса чтения данных из базы данных.

Пример реляционной модели

Основные принципы реляционных баз данных:

• все данные на концептуальном уровне представляются в виде упорядоченной организации, определенной в виде строк и столбцов и называемой отношением. Более распространенный синоним слова "отношение" - таблица (или "набор записей", или набор результатов. Именно от этого и происходит термин "реляционные базы данных", а вовсе не от отношений между таблицами;

• все значения являются скалярами. Это значит, что для любой строки и столбца любого отношения существует одно и только одно значение;

• все операции выполняются над целым отношением и результатом этих операций также является целое отношение. Этот принцип называется замыканием. Поэтому результаты одной операции (например, запроса), можно использовать в качестве исходных данных для выполнения другой операции (подзапроса).

Вид модели	Достоинства	Недостатки
Иерархическая	Простота понимания Высокое быстродействие при совпадении структур базы данных и запроса	Отношения М: М могут быть реализованы только искусственно Могут быть избыточные данные Усложнение операций включения и удаления Удаление исходных сегментов приводит к удалению порожденных сегментов Процедурный характер построения структуры БД и манипулирования данными Доступ к любому порожденному сегменту возможен только через корневой сегмент Сильная зависимость логической и физической моделей Ограниченный набор структур запроса Невозможность реализации таблиц с нелинейной структурой
Сетевая	Сохранение информации при уничтожении записи-владельца Более богатая структура запросов Меньшая зависимость логической и физической моделей Возможность реализации таблиц с нелинейной структурой	Отношения М: М могут быть реализованы только искусственно Необходимость программисту знать логическую структуру БД Процедурный характер построения структуры БД и манипулирования данными Возможная потеря независимости данных при реорганизации БД
Реляционная	Эта модель данных отображает информацию в наиболее простой для пользователя форме Основана на развитом математическом аппарате, который позволяет достаточно лаконично описать основные операции над данными. Позволяет создавать языки манипулирования данными не процедурного типа. ·        Манипулирование данными на уровне выходной БД и возможность изменения	Самый медленный доступ к данным. Трудоемкость разработки