39

5.Модели данных. Ранние подходы к организации баз данных

После этапа инфологического проектирования базы данных, на котором фактически определяется ее семантическое содержание в терминах сущностей, их свойств, и связей, наступает этап проектирования датологической концептуальной модели данных. Теперь речь пойдет уже собственно о моделях данных, в которых в качестве объекта исследования выступают сами данные, их структурная организация, правила построения.

Говоря о моделях данных обычно рассматривают три взаимосвязанные компоненты модели:

o структуры данных, o операции над данными,

o ограничения целостности данных.

При рассмотрении различных моделей данных их сравнение между собой обычно проводят по тому, как в них реализованы эти три позиции.

В данном пособии основное внимание уделяется рассмотрению систем основанных на реляционной модели данных. В настоящее время эти системы являются доминирующими на рынке систем с базами данных, практически вытеснив системы, основанные на других подходах. Тем не менее, имеет смысл хотя бы коротко рассмотреть особенности систем, предшествующих реляционным, для правильного понимания причин перехода к реляционным системам. Кроме того, на использовании ранних подходов основаны многие низкоуровневые механизмы функционирования реляционных СУБД. Наиболее известными из таких дореляционных систем являются системы, основанные на

инвертированных списках, иерархические и сетевые системы [1, 4].

Относительно этих систем можно отметить следующее.

База данных, организованная с помощью инвертированных списков, в определенной мере похожа на реляционную, с тем существенным отличием, что хранимые таблицы данных и пути доступа к ним видны и доступны пользователю. При этом строки (записи) таблиц являются упорядоченными; для манипулирования данными используются прямые поисковые операторы по местоположению строки-записи в таблице (например, найти первую запись в таблице, следующую запись, предыдущую и т.д.); общие правила и средства определения целостности базы данных отсутствуют, эта задача возлагается на прикладную программу. Представляет интерес сравнение свойств таблиц в СУБД на инвертированных списках со свойствами таблиц-отношений в реляционной модели, рассматриваемые ниже. В современных реляционных СУБД доступ к данным, аналогичный используемому в системах, основанных

40

на инвертированных списках, используется при построении индексных структур и от пользователя скрыт.

Иерархические базы данных используют упорядоченные структуры данных, организованные в виде «деревьев». Такая древовидная структура состоит из одной корневой записи и упорядоченного набора подчиненных записей-потомков (ветвей дерева). Каждая запись-потомок имеет ссылку (указатель) на соответствующую родительскую запись, образуя иерархию подчинения от самого нижнего уровня записей – «листьев дерева» до верхнего уровня, образуемого корневой записью. Операторы манипулирования данными используют навигацию по иерархическим структурам, использующую ссылки (указатели) для перехода от записей одного уровня к другому. Из ограничений целостности автоматически поддерживается только целостность ссылок между записями-предками и записями-потомками (основное правило – никакой

«потомок» не может существовать без своего «родителя»).

Сетевые базы данных являлись в определенном смысле развитием иерархических систем. Если в иерархических структурах запись-потомок должна иметь в точности одного предка, в сетевых же структурах данных потомок может иметь любое число предков. Термины потомок и предок в отношении записей данных в иерархических и сетевых системах отражают тот факт, что в этих системах записи данных связываются между собой с помощью ссылок, то есть по адресу, а не по значению данных. Операторы манипулирования данными используют низкоуровневую навигацию по сетевой структуре, использующую ссылки для перехода от одной записи к другой. Ограничения целостности в общем виде не поддерживаются за исключением целостности по ссылкам.

Общим для всех ранних дореляционных систем является то, что в их основе не лежат какие-либо абстрактные модели данных, подкрепленные соответствующим математическим аппаратом. Более того, само понятие модели данных применительно к системам с базами данных стало использоваться именно с появлением реляционного подхода, который во многом родился в результате анализа особенностей, достоинств и в большей степени недостатков существовавших систем управления данными.

В ранних системах доступ к данным в базе данных осуществлялся непосредственно на уровне записей. Навигация по базе данных, поиск, выборка и запись данных в этих системах осуществлялись пользователем с использованием обычных процедурных языков программирования, расширенных функциями работы с СУБД, требуя от пользователя при работе с данными понимания низкоуровневых особенностей хранения данных и связей между ними. Возможность интерактивного доступа к данным реализовывалась гораздо более ограничено, только путем создания соответствующих прикладных программных средств. Как уже говорилось, ранние системы имели достаточно слабые средства поддержания целостности данных.

41

Низкоуровневые средства навигации и манипулирования данными позволяли, тем не менее, в ранних системах обеспечивать высокую эффективность реализации этих функций прикладными программами, экономное использование памяти вычислительной системы. Это можно отнести к достоинствам этих систем, особенно учитывая уровень вычислительных систем того времени (60-е – 70-е годы). Одним из следствий низкого уровня языковых средств, используемых в этих моделях для работы с данными, являлась сложность создания прикладных программных систем, необходимость знания при этом особенностей физического представления и хранения данных. В конечном итоге это приводило к большей сложности или даже невозможность выполнения комплекса требований к информационным системам с базами данных, рассмотренного в предыдущих разделах, например реализации требований многоаспектного использования данных, обеспечения независимости данных от логики использующих их программ и др.

6.Реляционная модель данных. Основные понятия. Структуры данных

6.1.Основные понятия реляционной модели данных

Воснове реляционных систем лежит реляционная модель данных. Принципы реляционной модели были заложены в 1969–70-х годах американским ученым Е.Ф. Коддом (E.F.Codd), в то время работавшим в корпорации IBM. Являясь математиком по образованию, он привнес в область управления базами данных строгие математические принципы и точность, которых не хватало ранним системам. Хотя реляционный подход утвердился не сразу, можно отметить, что почти все созданные с конца 70-х годов продукты баз данных основаны именно на реляционном подходе. Подавляющее большинство научных исследований в области баз данных в течение последних 35 лет также проводились именно в этом направлении.

Рассматривая и постепенно уточняя основные понятия реляционной модели, будем иметь в виду три компоненты модели данных:

•структуры данных,

•операции, которые можно выполнять над данными, и

•ограничения, связанные с обеспечением целостности данных. Основной структурой данных в реляционной модели являются таблицы,

называемые в реляционной теории отношениями. Собственно от термина отношение (по-английски relation) и произошло само название модели – реляционная. На рисунке 6.1 приведен пример такой таблицы-отношения и пояснение основных терминов реляционной модели – кортеж, кардинальное число, атрибут, степень, домен, первичный ключ.

Коротко, пока не очень строго, основные понятия реляционной модели можно определить следующим образом.