8.7 Порівняння різних видів представлення бази даних

Найбільш важливим розходженням між описаними формами представлення БД є те, що для доступу до даних у кожному випадку потрібно свій алгоритм. Так, при представленні БД у виді цілісних інформаційних елементів, що є фактами, або при представленні атрибутів у виді фактів, доступ до БД повинний здійснюватися за допомогою алгоритму пошуку з поверненням (backtracking algorithm), а при використанні рекурсивних структур даних (у тому числі, списків і двійкових дерев) доступ повинний реалізуватися рекурсивним алгоритмом. Правила і запити, приведені в даній роботі, служать простими прикладами цих алгоритмів.

Представлення у виді двійкового дерева має ту перевагу, що час пошуку конкретного запису буде звичайно менше, ніж при інших представленнях. Через те, що деревоподібна структура містить дані у відсортованому виді, процедурі вибору для пошуку заданого запису знадобитися переглянути меншу кількість записів.

8.8. Правила роботи з бінарними деревами

Ефективність роботи з БД у виді двійкових дерев багато в чому визначається знаннями процедур їх створення і перетворення. Розглянемо ряд процедур, що оперують із двійковими деревами, що описуються структурами виду

tree(Left, Root, Right),

де Left – ліве піддерево, кожен елемент якого має структуру, аналогічну tree(), Root – корінь (будь-яким довільним, обумовленим користувачем, структура), Right – праве піддерево, що складається з елементів структури tree().

Побудова бінарного дерева. Задача створення упорядкованого дерева при додаванні деякого елемента Х до впорядкованого дерева може бути сформульована в такий спосіб:

Гранична умова: Додавання Х до порожнього дереву дає tree(end, X, end).

Рекурсивні умови: При включенні Х в tree(Left, Root, Right) треба розглянути два випадки, для того, щоб результуюче дерево було упорядкованим.

1. Якщо Х менше, ніж Root, то Х додається до лівого піддерева.

2. Якщо Х більше, ніж Root, то Х варто додати до правого піддерева.

В обох випадках значення кореня і протилежного піддерева не міняються. Такому формулюванню відповідає процедура insert(), що має вигляд:

insert(end, X, tree(end, X, end)).

insert(tree(Left, Root, Right ), X, tree(LeftNew, Root, Right)) :- X < Root, insert(Left, X, LeftNew).

insert(tree(Left, Root, Right), X, tree(Left, Root, RightNew)) :- X > Root, insert(Right, X, RightNew).

Побудова бінарного дерева зі списку. Процедуру insert() можна використовувати для побудови впорядкованого дерева зі списку. Процедура, що забезпечує перетворення списку в упорядковане дерево, буде мати вигляд:

list_to_tree([], end).

list_to_tree([H | T], AllTree) :- list_to_tree(T, Tree), insert(Tree, H, AllTree).

Побудова відсортованого списку з дерева. Для рішення цієї задачі можна скористатися упорядкованим бінарним деревом і об'єднанням списків.

Гранична умова: Порожнє бінарне дерево (end) приводить до порожнього списку [].

Рекурсивна умова: Відсортований список для упорядкованого бінарного дерева tree(Left, Root, Right), де Left має відсортований список L1, a Right має відсортований список L2, отримується приєднанням [Root | L2] до L1.

tree_to_list(end, []).

tree_to_list(tree(Left, Root, Right), List) :- tree_to_list(Left, L1), tree_to_list(Right, L2), append(L1, [Root | L2], List).

Розглянемо приклад використання цих процедур у Пролозі-програмі, що працює з базами даних різних структур і перетворення цих структур.

/* Програма 1_2 */

domains

worker = symbol

listworker = worker*

tree = tree(tree, worker, tree); end

predicates

db1(tree)

db2(listworker)

record(worker, tree )

append(listworker, listworker, listworker)

insert(tree, worker, tree)

list_to_tree(listworker, tree)

tree_to_list(tree, listworker)

goal1

goal2

goal3

goal4

goal5

goal6

goal7

goal8

clauses

goal1 :- db1(DB), write(DB).

goal2 :- db1(DB), record(R, DB), write(R), nl, fail.

goal3 :- db1(DB), write(„введіть елемент”), readln(E1), insert(DB, E1, DBnew), write(DBnew).

goal4 :- db1(DB), write(„введіть елемент”), readln(E1), insert(DB, E1, DBnew), record(R, DBnew), write(R), nl, fail.

goal5 :- db2(List), list_to_tree(List, Tree), write(Tree).

goal6 :- db2(List), list_to_tree(List, Tree), record(R, Tree), write(R), nl, fail.

goal7 :- db1(Tree), tree_to_list(Tree,List), write(List).

goal8 :- db2(List), write(List), nl, list_to_tree(List, Tree), write(Tree), nl, tree_to_list(Tree, NewList), write(NewList), nl.

insert(end, X, tree(end, X, end)).

insert(tree(L, Root, R), X, tree(LNew, Root, R)) :- X < Root, insert(L, X, Lnew).

insert(tree(L, Root, R), X, tree(L, Root, RNew)) :- X > Root, insert( R, X, RNew).

list_to_tree([], end).

list_to_tree([H | T], AllTree) :- list_to_tree(T, Tree), insert(Tree, H, AllTree ).

tree_to_list(end, []).

tree_to_list(tree(L, Root, R), List) :- tree_to_list(L, L1), tree_to_list(R, L2), append(L1, [Root | L2], List).

record(R, tree(LeftTree, _ ,_)):- record( R, LeftTree).

record(R, tree(_, R, _)).

record(R, tree( _, _, RightTree)):- record(R, RightTree).

append([], L2, L3).

append( [H | L1], L2, [H | L3]) :- append(L1, L2, L3).

db1(tree(tree(end, a, end), c, tree(end, e, end) ) ).

db2([c, e, a]).

Використання описаних вище процедур дозволяє як модифікувати бази даних, так і здійснювати їхні структурні перетворення. Програма 1_2 дає можливість досліджувати найпростіші перетворення над базами даних. У цій програмі використовуються два способи представлення баз даних: у виді списку та у виді двійкового дерева. Причому структури цілісних інформаційних елементів обох баз даних прийняті однаковими і, з метою спрощення, містять у собі усього по одному полю символьного типу.

Обидві бази задаються безпосередньо в програмі за допомогою предикатів db1() і db2(). Найпростіші перетворення над базами ілюструються за допомогою восьми цілей, сформованих безпосередньо в програмі. Кожна з цих цілей може бути викликана з оболонки Турбо-Прологу, як зовнішня мета. Розглянемо призначення кожної зі сформованих у програмі цілей.

Перша ціль (goal1) дозволяє переглянути вміст першої бази даних заданої у виді бінарного дерева.

Друга ціль (goal2) дозволяє послідовно переглянути записи першої бази даних, що досягається виділенням із БД окремих інформаційних елементів за допомогою процедури record().

Третя і четверта цілі (goal3 і goal4) ілюструють можливість модифікації першої БД шляхом додавання в неї нового елемента зі збереженням упорядкованості.

П'ята і шоста цілі (goal5 і goal6) показують, як база даних, задана у виді списку, може бути перетворена в структуру типу бінарного дерева.

Сьома ціль (goal7) ілюструє можливість перетворення впорядкованого дерева у відсортований список.

Восьма ціль (goal8) показує, як подвійне перетворення структури БД дозволяє відсортувати вихідний список. На першому етапі вихідний список перетворюється в бінарне дерево. При цьому забезпечується упорядкованість цього дерева. На другому етапі бінарне дерево перетворюється в список, але тому що дерево упорядковане, то і список виходить відсортованим.

Завдання 8.5. Розберіться з описом структур і предикатів програми 1_2, а також призначенням її процедур. Дослідіть програму, виконавши описані в ній цілі. Сформуйте ряд нових цілей, що дозволяють досліджувати перетворення структур баз даних. У програмі 8_2 використовується найпростіша структура інформаційних елементів. Змініть програму для роботи зі структурами власного типу, розглянутих у попередніх розділах даної лабораторної роботи. Текст програми, запити і відповіді на них привести в звіті.

Усі процедури, використовувані в програмі 1_2, описані в даній роботі. Виключення складає процедура злиття двох списків append(), докладний опис якої приведено в попередній лабораторній роботі, присвяченій роботі зі списками.

8.9. Зміст звіту по лабораторній роботі

Звіт по лабораторній роботі повинна містити:

1. Тексти програм, збережених на диску відповідно до завдань.

2. Запити, сформовані самостійно при вивченні даної роботи, а також результати їх виконання.

4. Результати виконання завдань 1, 2, 3, 4, 5 даної лабораторної роботи (вибір предметної області – згідно індивідуального завдання.).

5. Приведіть чіткий опис кожної з цілей, досліджених при роботі з програмою 1_2.