5 Модели данных
Подробнее в лекции 5.
Основными моделями данных являются иерархическая, сетевая, реляционная, постреляционная, многомерная модели данных или комбинация этих моделей. Модель данных представляет собой множество структур данных, ограничений целостности и операций манипулирования данными [1,2,4]. С помощью модели данных могут быть представлены объекты предметной области и взаимосвязи между ними.
Описание (модель) предметной области, выполненное без ориентации на используемые в дальнейшем программные и технические средства, называется концептуальной (инфологической) моделью предметной области. Концептуальная модель предметной области указывает, какая информация будет содержаться и обрабатываться в проектируемой системе, не касаясь вопросов, как это будет реализовано. Структура данных, описывающая предметную область на инфологическом уровне, является проблемно-ориентированной и системно-независимой, то есть независимой от конкретной СУБД, ОС и аппаратного обеспечения.
Иерархическая модель данных стала применяться в шестидесятых годах, строится по принципу иерархии типов объектов, т. е. один тип объекта является главным, а остальные, находящиеся на низших уровнях иерархии,— подчиненными. Иерархическая модель данных организует данные в виде иерархической древовидной структуры. Эта структура строится из узлов и ветвей. Узел представляет собой совокупность атрибутов данных, описывающих некоторый объект. Наивысший узел в иерархической древовидной структуре называется корнем. Зависимые узлы располагаются на более низких уровнях дерева. Зависимые узлы могут добавляться как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении без всяких ограничений. Связи (соединения) между узлами уникальны, Поэтому иерархическая модель данных обеспечивает только линейные пути доступа к данным и между главными и подчиненными типами объекта устанавливается линейная взаимосвязь “один ко многим». Каждый экземпляр корневого узла образует начало записи логической БД, т.е. иерархическая БД состоит из нескольких деревьев. Примером такой модели данных является описание комплектующих автомобиля (ручки, окна, болты, др.), рис.5. Примером иерархической СУБД является СУБД «Ока».
Достоинствами иерархической модели является то, что они наиболее полно отражают семантику предметной области; имеют развитые низкоуровневые средства управления данными во внешней памяти; позволяют построить эффективные прикладные системы. Иерархическая модель более естественно для человека отражает семантику предметной области. Поэтому она проста в понимании и использовании. Схема БД не декларируется явным образом и может изменяться в процессе развития и эксплуатации информационной системы.
Недостатки иерархической модели это громоздкие структуры данных при сложных БД и, как правило, - хранение избыточных данных; доступ к БД производится на уровне записей, между которыми поддерживаются явные связи, следствиями этого являются низкоуровневый навигационный стиль программирования и сложность использования таких систем непрограммистами; отсутствует физическая и логическая независимость данных, необходимы знания об их физической организации; пользователю приходится выполнять оптимизацию доступа к БД без поддержки системы.
Рисунок 5 - Фрагмент иерархической модели данных
В сетевой модели данных (рис.6), которая начала применяться в начале восьмидесятых годов, понятия главного и подчиненных объектов несколько расширены. Любой объект может быть и главным, и подчиненным (в сетевой модели главный объект обозначается термином «владелец набора», а подчиненный — термином «член набора»). Один и тот же объект может одновременно, выступать и в роли владельца, и в роли члена набора. Это означает, что каждый объект может участвовать в любом числе взаимосвязей. БД состоит из нескольких областей. Область содержит записи. В свою очередь запись состоит из полей, а набор, который объединяет записи, может размещаться в одной или нескольких областях. Достоинство сетевой модели это простота реализации часто встречающихся в реальном мире взаимосвязей, закладываемых в БД. Основной недостаток сетевой модели состоит в сложности управления данными, в т.ч и возможная потеря независимости данных при реорганизации БД. Сетевая модель использовалась в СУБД СЕТОР.
Рисунок 6 - Фрагмент сетевой БД
Реляционная модель была предложена в семидесятых годах, но получила широкое распространение только в середине восьмидесятых годов. В реляционной модели данных (рис.7) объекты и взаимосвязи между ними представляются с помощью таблиц. Взаимосвязи рассматриваются в качестве объектов (таблиц связей). Каждая таблица представляет один объект. В терминологии реляционной модели таблица называется отношением. Каждый столбец в таблице является атрибутом. Объекты (сущности) предметной области отображаются двумерной таблицей с заголовками, состоящими из имени и типа сущности. Строки такой таблицы представляют собой перечень атрибутов сущности. Назначается один или несколько атрибутов первичным ключом для поиска информации. Значения в столбце выделяются из домена, т.е. домен суть множество значений, которые может принимать некоторый атрибут. Для каждого атрибута всех таблиц фиксирован тип и длина данных. Соединение данных из разных таблиц обеспечивается операторами языка SQL.
Первичный ключ – это столбец, значения которого во всех строках разные. Он может объединять несколько столбцов. В некоторых СУБД первичный ключ может задаваться системой (ACCESS, Oracle). Связь реализуется при помощи внешнего ключа (это столбец таблицы, значения которого совпадают со значениями первичного ключа другой таблицы). Важным моментом является также использование значения NULL в таблицах реляционной БД. NULL – это отсутствующее значение информации в поле. Это поле обрабатывается особым образом.
Рисунок 7 – Фрагмент реляционной БД
Реляционными СУБД являются DB2, Oracle, Paradox, Access, MySQL и др.
Достоинствами реляционной модели является простой и мощный математический аппарат, опирающийся на теорию множеств и математическую логику и обеспечивающий теоретический базис организации БД; обеспечение физической и логической независимости данных. Единственной конструкцией данных в реляционной модели является отношения (связи) между данными (на основании значений данных, а не физических указателей, как в ранних системах). Следствием этого является ненавигационный доступ к данным (отношения трактуются как операнды и результаты операции, а не обрабатываются поэлементно). Простота структуры данных и управления ими облегчает работу пользователей (как программистов, так и непрограммистов).
Недостатками реляционной модели являются минимальные возможности описания семантики предметной области. Рядовые реляционные системы работают медленнее систем, базирующихся на сетевой или иерархической модели данных. Рассмотрим эту модель более подробно.
Объектно-ориентированные БД (ООБД). В объектно-ориентированной модели данных любая сущность реального мира представляется — объектом. С объектом ассоциируется состояние и поведение. Состояние объекта определяется значениями его свойств — атрибутов. Значениями свойства могут являться примитивные значения (такие, как строки или целые числа) и не примитивные объекты. Не примитивный объект, в свою очередь, состоит из набора свойств, которые можно определять в терминах других объектов. Поведение объекта определяется с помощью методов, которые оперируют над состоянием объекта. У каждого объекта имеется определяемый системой уникальный идентификатор. Объекты, обладающие одними и теми же свойствами и поведением, группируются в классы. Объект может быть экземпляром одного или нескольких классов. Классы организуются в иерархии классов. Подкласс наследует свойства и методы суперкласса; кроме того, подклассы могут обладать индивидуальными свойствами и методами. В некоторых системах у класса может быть более одного суперкласса (множественное наследование), тогда как в других системах число суперклассов ограничено одним (одиночное наследование).
Системы ООБД позволяют пользователям определять абстракции; облегчают проектирование некоторых связей; устраняют потребность в определяемых пользователями ключах; поддерживают новый набор предикатов сравнения; в некоторых случаях устраняют потребность в соединениях; в некоторых ситуациях обеспечивают более высокую производительность, чем системы, основанные на реляционной модели; обеспечивают поддержку версий.
Современные ООБД дают пользователю возможность создания нового класса с атрибутами и методами, иметь классы, наследующие атрибуты и методы от суперклассов, создавать экземпляры класса, каждый из которых обладает уникальным объектным идентификатором, извлекать эти экземпляры по одному или группами, а также загружать и выполнять методы. ООБД позволяют определять объекты как совокупности других объектов, причем для совокупностей допускается несколько уровней вложенности. Свойства тоже могут иметь сложную структуру и определяться с помощью конструктора коллекций. Более того, они могут иметь в качестве значений не примитивные объекты, что дает возможность формировать глубоко вложенные объектные структуры. Многозначные свойства используются в объектно-ориентированных моделях данных для выражения сложных структур данных. В реляционной модели это достигается с помощью дополнительных отношений и соединений.
В модели ООБД имеется понятие идентификаторов объектов, автоматически генерируемых системой и гарантированно уникальных для каждого объекта. Это обстоятельство в сочетании с тем, что в модели ООБД устраняется потребность в определяемых пользователями ключах, дает объектно-ориентированным БД и другие преимущества.
В объектно-ориентированных БД отсутствуют средства оптимизации запросов; стандартной алгебры запросов; поддержки представлений; поддержки динамических изменений определений классов; имеются проблемы с безопасностью; ограничения с поддержкой целостности; ограниченные возможности настройки производительности; недостаточная поддержка сложных объектов; ограниченная интеграция с существующими объектно-ориентированными системами программирования; ограниченный выигрыш в производительности.
Эта модель используются в СУБД Oracle, Informix, PostgreSQL.
Многомерная модель, рис.8. Моделью данных является многомерный куб, где на измерениях определены некоторые иерархии, а в клетках этого куба находятся числовые значения. Операции извлечения данных из такого куба описываются в терминах поворотов, срезов, и иерархического "схлопывания" измерений с агрегированием значений (суммирование, взятие среднего и др.). Эта схема хорошо ложится на табличную организацию данных. Наиболее известный программный продукт этого класса - это Oracle Express Server.
Рисунок 8 – Схема перехода от реляционной модели к многомерной