Модели данных.
Организация данных в базе требует предварительного моделирования, т.е. построения логической модели данных.
С помощью модели данных могут быть представлены объекты предметной области и взаимосвязи между ними. Т.о. основой любой БД является модель данных.
Модель данных – совокупность структур данных и операций по их обработке.
Назначение модели данных – систематизация разнообразной информации и отражение ее свойств по содержанию, структуре, объему, связям, динамике с учетом удовлетворения информационных потребностей всех категорий пользователей.
К классическим моделям представления данных относят иерархическую, сетевую и реляционную. Иерархическая и сетевая модели данных стали применяться в системах управления базами данных в начале 60-х годов. В начале 70-х годов была предложена реляционная модель данных. Эти три модели различаются в основном способами представления взаимосвязей между объектами.
Основные модели представления данных:
Иерархическая модель данных представляет информационные отображения объектов реального мира – сущности и их связи в виде ориентированного графа или дерева. Узлы и ветви образуют иерархическую древовидную структуру. Узел является совокупностью атрибутов, описывающих объект. Наивысший в иерархии узел называется корневым (это главный тип объекта). Корневой узел находится на первом уровне. Зависимые узлы (подчиненные типы объектов) находятся на втором, третьем и др. уровнях. В такой модели у каждого объекта есть только один исходный (за исключением корневого объекта), но в принципе может быть несколько зависимых (порожденных). Информация в иерархической базе организована по принципу древовидной структуры, в виде отношений "предок-потомок". Каждая запись может иметь не более одной родительской записи и несколько подчиненных. Связи записей реализуются в виде физических указателей с одной записи на другую.
Иерархическая модель данных строится по принципу иерархии типов объектов, т.е. один тип объекта является главным, а остальные, находящиеся на низших уровнях иерархии – подчиненными. Между главными и подчиненными типами объектов устанавливаются взаимосвязь «один – ко – многим». Иными словами, для данного главного типа объекта существует несколько подчиненных типов объектов. В тоже время для каждого экземпляра главного объекта может быть несколько экземпляров подчиненных типов объектов.
Рис.1. Структура иерархической модели
Ветви между объектами отображают наличие некоторого отношения, причем название отношения пишется на ребре. Например, между объектами «клиент» и «заказ» может быть отношение, которое называется «делает», а между «заказ» и «товары» - отношение «состоит из». Этот тип модели отражает вертикальные связи, подчинение нижнего уровня верхнему, т.е. к каждой записи БД есть только один (иерархический) путь от корневой записи.
Примером такой модели может служить БД, содержащая сведения о факультете.
Иерархической базой данных является Каталог папок Windows, с которым можно работать, запустив Проводник
Сетевая модель – является расширением иерархической модели, но в отличие от нее присутствуют горизонтальные связи (рис. 2). В данной модели данных любой объект может быть и главным и подчиненным. Структура называется сетевой, если в отношениях между данными порожденный элемент имеет более одного исходного. Сетевая модель предоставляет большие возможности по сравнению с иерархической, однако она сложнее в реализации и использовании. Примером может служить структура БД, содержащей сведения о студентах, участвующих в НИРС. Возможно участие одного студента в нескольких темах, а также нескольких студентов в разработке одной темы.
Рис. 2. Представление связей в сетевой модели
Реляционная модель. Понятие реляционной модели данных (от английского relation – отношение) связано с разработками Е.Кодда. Эти модели характеризуются простотой структуры данных, удобным для пользователя табличным представлением и возможностью использования формального аппарата реляционной алгебры и реляционного исчисления для обработки данных.
Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:
таблица должна иметь имя;
каждый элемент таблицы – один элемент данных;
все столбцы в таблице однородные, т.е. все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный или другой) и длину;
каждый столбец имеет уникальное имя;
одинаковые строки в таблице отсутствуют;
порядок следования строк и столбцов может быть произвольным;
таблица должна быть простой, т.е. не содержать составных столбцов;
должен быть известен первичный ключ.
Реляционная организация БД в виде таблицы СТУДЕНТЫ представлена на рис. 3.
Рис. 3. Содержимое файла (таблицы) СТУДЕНТЫ баз данных
Каждая таблица представляет один объект (сущность) состоит из строк и столбцов.
Т.о., реляционная модель – это множество нормализованных взаимосвязанных таблиц.
Нормализация отношений – это процесс построения оптимальной структуры таблиц и связей в реляционной базе данных.
Связи между таблицами поддерживаются с помощью либо первичных ключей этих таблиц, либо первичного ключа одной таблицы и не ключевых реквизитов другой таблицы.
Поле, каждое значение которого однозначно определяет соответствующую запись, называется простым ключом. Если записи однозначно определяются значениями нескольких полей, то такая таблица базы данных имеет составной ключ.
Нормализация таблиц позволяет производить над ними операции реляционной алгебры, т.е. операции выбора, соединения, объединения, разности, пересечения и т.д. Благодаря своей простоте и естественности представления реляционная модель получила наибольшее распространение. В последние годы появились новые модели данных:
постреляционная;
многомерная;
объектно-ориентированная;
объектно-раляционные;
семантические и др.