Основы построения баз данных. Модели данных.

Раздел 1. Проектирование баз данных.

ЭВМ широко применяются для обработки информации в автоматизированных системах управления предприятиями и технологическими процессами. Совокупность различных средств, предназначенных для сбора, подготовки, хранения, обработки и выдачи информации в интересах различных пользователей и приложений, представляет собой информационную систему (ИС). Современной формой ИС являютсябанки данных (БД), которые включают:

1) вычислительную систему,

2) систему управления базами данных (СУБД),

3) одну или несколько баз данных (БД),

4) набор прикладных программ (приложений БД).

Вычислительная система (ВС) – это совокупность взаимосвязанных и согласованно действующих ЭВМ или процессоров, которые обеспечивают автоматизацию процессов приема, обработки и выдачи информации потребителям.

База данных – это совокупность специальным образом организованных данных, хранимых в памяти вычислительной системы и отображающих состояние объектов и их взаимосвязей в рассматриваемой предметной области.

Система управления базами данных (СУБД) – это комплекс языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями. По характеру применения СУБД разделяют на персональные (Paradox, dBase, FoxPro, Access) и многопользовательские (Oracle, SyBase, Microsoft SQL Server, InterBase).

Приложение –это программа или комплекс программ, которые обеспечивают автоматизацию обработки информации для прикладной задачи.

Американским комитетом по стандартизации ANSI (American National Standards Institute) была предложена трехуровневая система организации БД, которая изображена на рис. 1.

1. Уровень внешних моделей – определяет точку зрения на БД отдельных приложений. Каждое приложение видит и обрабатывает только те данные, которые необходимы только этому приложению. Например, система распределения педагогической нагрузки преподавателей использует сведения о читаемых дисциплинах, но системе не требуются анкетные данные.

2. Концептуальный уровень – отражает обобщенную модель предметной области (объектов реального мира), для которой создавалась база данных. Концептуальная модель отражает только существенные, с точки зрения обработки, особенности реального мира.

3. Физический уровень – собственно данные, расположенные в файлах или в страничных структурах, расположенных на внешних носителях информации.

Эта архитектура позволяет обеспечить логическую (между уровнями 1 и 2) и физическую (между уровнями 2 и 3) независимость при работе с данными. Логическая независимость - это возможность изменения одного приложения без корректировки других приложений, работающих с этой же базой данных. Физическая независимость – это возможность переноса хранимой информации с одних носителей на другие при сохранении работоспособности всех приложений, работающих с данной базой данных.

Одними из основных понятий являются понятия «данные» и «модель данных». Данные - это набор конкретных значений, параметров, характеризующих объект, условие, состояние или другие факторы. Например, Иванов Иван, 12.12.2004, 5000р. и т.д. Модель данных – это некоторая абстракция, которая позволяет пользователям трактовать конкретные данные как информацию, то есть сведения, содержащие как данные, так и взаимосвязь между ними.

Данные, хранимые в базе имеют определенную логическую структуру, которая описывается моделью представления данных (моделью данных), поддерживаемой СУБД. Выделяют следующие модели данных:

классические

• иерархическая,
• сетевая,
• реляционная,

модели, внедряемые в последнее время

• постреляционная,
• многомерная,
• объектно-ориентированная.

Иерархическая модель. В ней связи между данными описываются с помощью упорядоченного графа (или дерева).

Для описания структуры иерархической БД на языке программирования используется тип данных «дерево» (в С тип данных «структура», в Паскале – тип данных «запись»). Тип «дерево» является составным и включает в себя подтипы. Корневым типом называется тип, который имеет подчиненные типы, и сам не является подтипом. Подчиненный тип (подтип) является потомком по отношению к типу, который выступает для него в роли предка (родителя). Все типы связей в такой модели принадлежат к виду «один-ко-многим».

Например, БД “Колледж”

В иерархической модели ключ для нижних уровней иерархии всегда составной: состоит из ключа данной записи и ключей записей, стоящих по иерархии выше данной.

Например,

Код_отделения, код_группы, номер_зачетн_кн.

Для организации физического размещения иерархических данных в памяти ЭВМ могут использоваться следующие группы методов:

• представление линейным списком с последовательным распределением памяти (адресная арифметика, левосписковые структуры),
• представление связными линейными списками (методы, использующие указатели и справочники).

Основные операции манипулирования данными:

• поиск указанного экземпляра БД,
• переход от одного дерева к другому,
• переход от одной записи к другой внутри дерева (например, к следующей записи типа Работники),
• вставка новой записи в указанную позицию, удаление текущей записи и т.д.

Между предками и потомками автоматически поддерживается контроль целостности связей, основное правило которого формулируется следующим образом: потомок не могут существовать без родителя, а у некоторых родителей не может быть потомков.

Достоинство иерархической модели: эффективное использование памяти ЭВМ, неплохие показатели времени выполнения основных операций над данными.

Недостатком является громоздкость для обработки информации со сложными логическими связями, сложность понимания для обычного пользователя.

СУБД –IMS, PC/Focus, Ока, ИНЭС, МИРИС.

Сетевая модель позволяет отображать взаимосвязи элементов данных в виде произвольного графа.

Для описания схемы сетевой БД используется две группы типов: «запись» и «связь». Тип «связь» определяется для двух типов «запись»: предка и потомка. Сетевая БД состоит из набора записей и набора соответствующих связей. Здесь снято условие подчиненности ровно одной «записи». Например, (типы связей обозначены надписями на соединяющих типы записей линиях.)

Физическое размещение данных в базах сетевого типа может быть организовано теми же методами, что и в иерархических БД.

Основные операции над данными баз сетевого типа:

• поиск записи в БД,
• переход от предка к первому потомку,
• переход от потомка к предку,
• создание новой записи,
• удаление текущей записи,
• включение записи в связь,
• исключение записи из связи,
• изменение связей и т.д.

Достоинство сетевой модели - возможность эффективной реализации по показателям затрат памяти и оперативности. Здесь больше возможности для образования произвольных связей.

Недостаток – высокая сложность и жесткость схемы БД, сложность понимания и выполнения обработки информации в БД обычным пользователем. Кроме того, ослаблен контроль целостности связей из-за допустимости установления произвольных связей между записями.

СУБД – db_VistaIII, СЕТЬ, СЕТОР, КОМПАС.

Реляционная модель основывается на понятии отношение (relation), была предложена сотрудником фирмы IBM Эдгаром Коддом.

Отношение – множество элементов, называемых кортежами. Наглядной формой представления является двумерная таблица. Таблица имеет строки (записи) и столбцы (колонки). Каждая строка таблицы имеет одинаковую структуру и состоит из полей. Строкам таблицы соответствуют кортежи, а столбцам - атрибуты отношения. Например, Список_студентов, Работники.

Физическое размещение данных в реляционных базах на внешних носителях осуществляется с помощью обычных файлов.

Достоинство – простота, понятность и удобство физической реализации на ЭВМ.

Недостатки – отсутствие стандартных средств идентификации отдельных записей и сложность описания иерархических и сетевых связей.

СУБД – dBaseIII Plus и dBaseIV, FoxPro, FoxBase, Paradox, Visual FoxPro, Access, Clarion, Oracle.

Сравнительная характеристика моделей БД приведена в следующей таблице: