Понятие системы управления базами данных

• иерархические;
• сетевые;
• реляционные;
• файловые.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. МОДЕЛИ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ  ДАННЫХ В СУБД

 

2.1. Файловая модель представления данных

 

Исторически первыми системами  хранения и обработки данных на ЭВМ  была файловая организация данных. При такой модели внутримашинная система размещения данных представляет собой совокупность не связанных между собой обычных компьютерных файлов из однотипных записей с линейной (одноуровневой) структурой.

Основные компоненты структуры  данных файловой модели - поле, запись, файл (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Логическая структура данных в файловых БД.

Поле - элементарная единица логической организации данных, которая соответствует  отдельной, неделимой единице информации - реквизиту.

Запись - совокупность полей, соответствующих логически связанным реквизитам. Структура записи определяется составом и последовательностью входящих в нее полей, каждое из которых содержит элементарные данные.

Файл - множество одинаковых по структуре  экземпляров записей.

Агрегат - несколько функционально  связанных нолей данных.

Так, поли со значениями года, месяца и дня можно рассматривать  как некоторый агрегат.

Экземпляр записи представляет собой  описание некоторого конкретного объекта  типовой структуры.

Допустим, надо создать БД файлового  типа, содержащую сведения о сотрудниках некоторой организации (табл. 2.1). Тогда в качестве отдельной записи будет рассматриваться информация каждой из строк табл. 2.1, в качестве k-го поля - данные k-го столбца в соответствующей строке (т.е. первое поле каждой записи будет содержать номер отдела, второе - фамилию, третье - год рождения и  т.д.). Таким образом, БД будет содержать 7 записей одного типа, каждая из 6 полей.

Табл. 2.1. База данных файлового типа, содержащую сведения о сотрудниках

Отдел	Фамилия	Год рождения	Должность	Паспорт	Номер записи
10	Иванов	1949	Нач. отдела	05 03 072072	1
10	Поддубный	1971	Ст. инспектор	05 03 072081	2
20	Петров	1972	Вед. инспектор	02 78 123123	3
20	Кац	1953	Нач. отдела	12 34 034123	4
20	Могильный	1961	Инспектор	03 06 035321	5
30	Иванов	1971	Инспектор	02 35 088456	6
30	Ковтун	1953	Нач. отдела	05 03 178098	7

 

В принципе в файловой БД могут  быть записи нескольких типов, различающихся  числом и составом полей. Тогда каждый тип записей организуется в свой файл.

Ключи для выбора записей.

Выбор из БД записей, необходимых пользователю, требует формирования соответствующего запроса. Этот запрос выполняется с помощью ключа. Поэтому для выбора нужной информации необходимо задать значение ключа, т.е. указать значение ноля (палей) ключа. После этого СУБД ищет записи, в которых поле ключа имеет заданное значение.

В общем случае ключи записи бывают двух видов: первичный и вторичный.

Первичный ключ - это одно или несколько  полей, однозначно идентифицирующих запись.

Первичный ключ позволяет для его  любого значения всегда находить в БД не более одной записи. Например, для данных, представленных в табл. 2.1, первичным ключом будет поле <Паспорт>. Если задать любое допустимое значение этого поля, то всегда будет выбрана только одна запись. Так, при задании значения <12 34 034123> будет выбрана запись № 4.

Вторичный ключ - это одно или несколько  полей, значение которых может повторяться  в нескольких записях файла.

Такой ключ используется, когда указанному в запросе требованию в БД могут  соответствовать несколько записей. Допустим, нам надо выбрать сотрудников, родившихся в некотором году. Для рассматриваемого выше примера поле <Год рождения> будет вторичным ключом, так как для значения ключа «1953» в БД будет найдено две записи: № 4 и № 7.

Если ключ состоит из одного поля, то называется простым, если из нескольких полей - составным.

Базы данных, в основе которых  лежит файловая организация данных, до сих пор довольно широко используются. Однако оказалось, что они обладают серьезными недостатками. Основная проблема состоит в том, что файлы независимы и могут иметь повторяющиеся данные. Повторение данных в разных файлах приводит, во-первых, к избыточному объему, во вторых, усложняется процесс редактирования, так как одинаковые поля надо изменять в нескольких файлах, а при этом можно ошибиться. Кроме того, одни и те же данные могут размещаться в полях с разными именами, что приводит к проблемам выбора логически связанных записей из нескольких файлов.

Следует отметить, что файловые модели не предполагают установления связей между файлами, что и явилось одной из причин появления специальных прикладных программ, получивших название СУБД.

 

 

 

2.2. Иерархическая и сетевая модели представления данных

 

Более сложными моделями по сравнению  с файловыми являются иерархические  и сетевые модели, которые предполагают, что БД содержит описания совокупности взаимосвязанных объектов. Связь двух объектов отражает их подчиненность.

Иерархическая БД представляет собой древовидную структуру и состоит из упорядоченного набора деревьев (ориентированных графов) или, точнее, упорядоченного набора нескольких деревьев (графов) одного и того же типа. Напомним, что граф 1 совокупность точек, изображенных на плоскости (вершины графа) и связей между ними в виде линий, соединяющих их (ребра или дуги графа). Вершина, с которой начинается дерево (см. рис. 2.1), называется корневой. Каждая вершина (родительская) может порождать ряд других вершин (потомков), которые располагаются ниже. Графом, например, удобно описывать структуру управления организацией, начиная от ее руководителя и заканчивая конкретным исполнителем.

Тип дерева представляет собой иерархически организованную совокупность, содержащую один корневой тип записи и упорядоченный  набор, который может содержать  или не содержать множество типов  поддеревьев, каждое из которых относится к определенному типу дерева.

Между записями в иерархии могут  быть определены связи: один ко многим или один к одному, где запись, соответствующая элементу один, определяется как исходная, а соответствующая  элементу иного — как порожденная. Для иерархической структуры характерно, что запись-потомок имеет только одного предка, у которого может быть множество потомков. В общем случае данные в иерархической БД могут представляться несколькими деревьями.

В иерархических БД автоматически  поддерживается целостность ссылок между предыдущим (родителями) и последующим (потомками). Основное правило — последующее не может существовать без своего предыдущего. Аналогичное поддержание целостности по ссылкам между записями, не входящими в одну иерархию, не поддерживается.

В различных СУБД описание объекта  для БД иерархического типа может  называться по-разному: тип записи, файл, сегмент (далее используем термин «запись»). В свою очередь, запись состоит  из одного или нескольких элементов  данных (это аналог поля в файловой модели). Элементы упорядочиваются в некотором порядке.

Записи одной структуры образуют тип записи. Отдельные записи некоторого типа называют экземплярами записи. Модель данных может включать несколько  типов записей. При этом запись конкретного типа называют объектом модели.

Между объектами модели данных устанавливаются  связи. Они также характеризуются  типом. Связи между разными объектами (между парой экземпляров записей  разного типа) могут иметь разный тип.

В качестве пояснения ниже приводится концептуальная и логическая модели иерархической БД для «Классификатора таможенных органов и их структурных подразделений». Этот классификатор применяется при подготовке и контроле таможенных документов.

Известно, что в структуре ФТС  России выделяют три типа объектных множеств: региональные таможенные управления (РТУ), таможни (Т) и таможенные посты (ТП). Они находятся в линейной подчиненности РТУ-Т-ТП. Описание каждого типа объектов состоит из двух элементов: имя и код, однако они имеют разный смысл. Для объектов типа РТУ - это наименования и коды региональных таможенных управлений, для Т - наименования и коды таможен, для ТП - наименования и коды таможенных постов. Таким образом, концептуальная модель создаваемой базы предполагает задание и сохранение в БД описан ИИ объектов трех типов, находящихся в линейной подчиненности.

Конкретная таможня подчиняется только одному РТУ, а ТП - только одной таможне, поэтому для каждого РТУ можно построить дерево  подчиненности, в котором у каждого потомка будет только один предок, а корнем дерева будет объект типа РТУ. Следовательно, взаимосвязь данных в создаваемой БД описывается иерархическим деревом, что является особенностью БД иерархического типа.

Поскольку в состав каждого РТУ  входят несколько таможен, а в  таможню - несколько ТП, можно выделить два типа связей: первый - [РТУ-» Т] и второй - [Т -> ТП] . Поскольку в ФТС России семь РТУ, логическая модель создаваемой БД будет иметь семь однотипных деревьев (рис. 2.2). Количество потомков записей РТУ или Т будет зависеть от структуры соответствующих РТУ. Для описания элементов объектов в логической модели будет три типа записей по числу типов объектов: РТУ, Т и ТП.

 

Рис.2.2. Логическая модель БД классификатора

Например, запись типа РТУ, описывающая  Центральное таможенное управление (ЦТУ), будет иметь вид:

Имя	Код
ЦТУ	10100000

 

В Подольской таможне несколько  ТП. Поэтому запись типа Т с именем - <Подольская> будет иметь соответствующее  число потомков типа ТП.

Имя	Код
Подольская	10127070

 

Дальневосточное таможенное управление состоит из 18 таможен, соответственно в дереве, описывающем это управление, у записи типа РТУ будет 18 записей-потомков. Конкретная таможня, например Владивостокская, будет представлена записью:

Имя	Код
ДВТУ	10702000

 

В СУБД на основе иерархической модели типичными являются операции типа:

- найти  указанное дерево БД;

- найти  указанный экземпляр записи в  ранее выбранном дереве;

- просмотреть  записи некоторого типа в заданном  порядке;

- добавить  запись в заданную позицию  иерархии и др.

Для хранения в памяти ЭВМ иерархической структуры данных используется система указателей. Поэтому, например, при размещении в память ЭВМ записи типа РТУ после нее будет к ячеек-указателей с адресами расположения записей типа Т (к - число таможен, подчиненных определенному РТУ). В конце каждой записи типа Т будет столько указателей, сколько таможенных постов у соответствующей таможни.

Если  некоторые связи не укладываются в иерархическое дерево, то структуру  данных можно представить в виде нескольких иерархических деревьев, но тогда некоторые данные будут дублироваться.

Для выбора информации из иерархической  БД надо последовательно задать несколько  ключей. Так, для выбора информации о некоторой таможне в рассмотренной  выше БД надо сначала задать ключ выбора таможенного управления, а затем - ключ выбора таможни.

В технической литературе в качестве примеров иерархических БД часто  называют системы IMS (Information Management System), TDMS (Time-Shared Data Management System), Mark IV (Multi-Access Retrieval System), System-2000 и др.

Иерархическая модель является частным  случаем сетевой. В строго иерархических  моделях любой объект может подчиняться  только одному объекту вышестоящего уровня. В иерархических моделях  первоначальный доступ возможен по ключу, как правило, только к объекту самого высокого уровня (сопоставленного корню дерева), который не подчинен другим объектам. Доступ к другим объектам осуществляется по связям от корня дерева с использованием соответствующих дополнительных ключей.

Сетевая организация БД является дальнейшим развитием иерархической. В иерархических структурах запись-потомок должна иметь только одного предка, тогда как в сетевой структуре данных потомок может иметь любое число предков. Основными компонентами структуры сетевой БД, как и в иерархической, являются записи и связи, которые характеризуются типом. Конкретная запись или связь называется экземпляром связи или записи.

На рис. 2.3. представлена концептуальная модель сетевой БД, содержащая информацию о предпринимателях, брокерах, оформляющих грузовые таможенные декларации (с номерами 1,2….,5) на некоторые товары (сахар, окорочка, телевизоры).

Рис.2.3. Пример структуры данных сетевой БД