Что такое модель базы данных
Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана
Bauman National Library
Персональные инструменты
Модели баз данных
Содержание
Примеры
Общие логические модели данных для баз данных [Источник 1] :
Модели физических данных включают:
Другие модели [Источник 2] :
Иерархическая и сетевая модель базы данных
Различают три основные модели базы данных – это иерархическая, сетевая и реляционная. Эти модели отличаются между собой по способу установления связей между данными.
Во-первых, все данные в модели представляются в виде таблиц и только таблиц. Реляционная модель – единственная из всех обеспечивает единообразие представления данных. И сущности, и связи этих самых сущностей представляются в модели совершенно одинаково – таблицами. Правда, такой подход усложняет понимание смысла хранящейся в базе данных информации, и, как следствие, манипулирование этой информацией.
Избежать трудностей манипулирования позволяет второй элемент модели – реляционно-полный язык (отметим, что язык является неотъемлемой частью любой модели данных, без него модель не существует). Полнота языка в приложении к реляционной модели означает, что он должен выполнять любую операцию реляционной алгебры или реляционного исчисления (полнота последних доказана математически Э.Ф. Коддом). Более того, язык должен описывать любой запрос в виде операций с таблицами, а не с их строками. Одним из таких языков является SQL.
Третий элемент реляционной модели требует от реляционной модели поддержания некоторых ограничений целостности. Одно из таких ограничений утверждает, что каждая строка в таблице должна иметь некий уникальный идентификатор, называемый первичным ключом. Второе ограничение накладывается на целостность ссылок между таблицами. Оно утверждает, что атрибуты таблицы, ссылающиеся на первичные ключи других таблиц, должны иметь одно из значений этих первичных ключей.
Иерархическая модель базы данных
Иерархические базы данных — самая ранняя модель представления сложной структуры данных. 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. Основной недостаток иерархической структуры базы данных — невозможность реализовать отношения «много-ко-многим», а также ситуации, когда запись имеет несколько предков.
Между объектами существуют связи, каждый объект может включать в себя несколько объектов более низкого уровня. Такие объекты находятся в отношении предка (объект, более близкий к корню) к потомку (объект более низкого уровня), при этом объект-предок может не иметь потомков или иметь их несколько, тогда как объект-потомок обязательно имеет только одного предка. Объекты, имеющие общего предка, называются близнецами.
Термины
Организация данных в СУБД иерархического типа определяется в терминах: элемент, агрегат, запись (группа), групповое отношение, база данных.
Корневая запись каждого дерева обязательно должна содержать ключ с уникальным значением. Ключи некорневых записей должны иметь уникальное значение только в рамках группового отношения. Каждая запись идентифицируется полным сцепленным ключом, под которым понимается совокупность ключей всех записей от корневой по иерархическому пути.
Для групповых отношений в иерархической модели обеспечивается автоматический режим включения и фиксированное членство. Это означает, что для запоминания любой некорневой записи в БД должна существовать ее родительская запись.
Пример
Рассмотрим следующую модель данных предприятия: предприятие состоит из отделов, в которых работают сотрудники. В каждом отделе может работать несколько сотрудников, но сотрудник не может работать более чем в одном отделе.
Из этого примера видны недостатки иерархических БД:
Допустим теперь, что исполнитель может принимать участие более чем в одном контракте (т.е. возникает связь типа M:N). В этом случае в базу данных необходимо ввести еще одно групповое отношение, в котором ИСПОЛНИТЕЛЬ будет являться исходной записью, а КОНТРАКТ – дочерней (рисунок (c)). Таким образом, мы опять вынуждены дублировать информацию.
Операции над данными
Операции над данными, определенные в иерархической модели:
В операции ИЗВЛЕЧЬ допускается задание условий выборки (например, извлечь сотрудников с окладом более 10 тысяч руб.)
Как видим, все операции изменения применяются только к одной «текущей» записи (которая предварительно извлечена из базы данных). Такой подход к манипулированию данных получил название «навигационного».
Ограничения целостности
Поддерживается только целостность связей между владельцами и членами группового отношения (никакой потомок не может существовать без предка). Как уже отмечалось, не обеспечивается автоматическое поддержание соответствия парных записей, входящих в разные иерархии.
Сетевая модель базы данных.
Пример
Иерархическая структура преобразовывается в сетевую следующим образом:
Каждый экземпляр группового отношения характеризуется следующими признаками:
Cпособ упорядочения подчиненных записей:
Если запись объявлена подчиненной в нескольких групповых отношениях, то в каждом из них может быть назначен свой способ упорядочивания.
Режим включения подчиненных записей:
Классы записей
Принято выделять три класса членства подчиненных записей в групповых отношениях:
Операции над данными
Ограничения целостности
Достоинства и недостатки ранних субд
Достоинства ранних СУБД:
Недостатки ранних СУБД
Как иерархическая, так и сетевая модель данных предполагает наличие высококвалифицированных программистов. И даже в таких случаях реализация пользовательских запросов часто затягивается на длительный срок.
Объектно-ориентированные субд
Появление объектно-ориентированных СУБД вызвано потребностями программистов на ОО-языках, которым были необходимы средства для хранения объектов, не помещавшихся в оперативной памяти компьютера. Также важна была задача сохранения состояния объектов между повторными запусками прикладной программы. Поэтому, большинство ООСУБД представляют собой библиотеку, процедуры управления данными которой включаются в прикладную программу. Примеры реализации ООСУБД как выделеного сервера базы данных крайне редки.
Сразу же необходимо заметить, что общепринятого определения «объектно-ориентированной модели данных» не существует. Сейчас можно говорить лишь о неком «объектном» подходе к логическому представлению данных и о различных объектно-ориентированных способах его реализации.
Структура
Структура объектной модели описываются с помощью трех ключевых понятий:
Целостность данных
Для поддержания целостности объектно-ориентированный подход предлагает использовать следующие средства:
Средства манипулирования данными
К сожалению, в объектно-ориентированном программировании отсутствуют общие средства манипулирования данными, такие как реляционная алгебра или реляционное счисление. Работа с данными ведется с помощью одного из объектно-ориентированных языков программирования общего назначения, обычно это SmallTalk, C++ или Java.
В объектно-ориентированных базах данных, в отличие от реляционных, хранятся не записи, а объекты. ОО-подход представляет более совершенные средства для отображения реального мира, чем реляционная модель, естественное представление данных. В реляционной модели все отношения принадлежат одному уровню, именно это осложняет преобразование иерархических связей модели «сущность-связь» в реляционную модель. ОО-модель можно рассматривать послойно, на разных уровнях абстракции. Имеется возможность определения новых типов данных и операций с ними.
В то же время, ОО-модели присущ и ряд недостатков:
Объектно-реляционные субд
Разница между объектно-реляционными и объектными СУБД: первые являют собой надстройку над реляционной схемой, вторые же изначально объектно-ориентированы. Главная особенность и отличие объектно-реляционных, как и объектных, СУБД от реляционных заключается в том, что О(Р)СУБД интегрированы с Объектно-Ориентированным (OO) языком программирования, внутренним или внешним как C++, Java. Характерные свойства OРСУБД:
Иерархия структурных комплексных данных предлагает дополнительное свойство, наследование типа. То есть структурный тип может иметь подтипы, которые используют все его атрибуты и содержат дополнительные атрибуты, специфицированные в подтипе.
Объектное поведение закладывается через описание программных объектов. Такие объекты должны быть сохраняемыми и переносимыми для обработки в базе данных, поэтому они называются обычно как постоянные (или долговременные) объекты. Внутри базы данных все отношения с постоянным программным объектом есть отношения с его объектным идентификатором (OID).
Объектно-реляционными СУБД являются, к примеру, широко известные Oracle Database, Microsoft SQL Server 2005, PostgreSQL, а также Sav Zigzag, IBM Cloudscape,
Основные виды баз данных и их модели
Модели баз данных — иерархическая база данных
Иерархическая модель базы данных подразумевает, что элементы организованы в структуры, связанные между собой иерархическими или древовидными связями. Родительский элемент может иметь несколько дочерних элементов. Но у дочернего элемента может быть только один предок.
« Система управления информацией » ( Information Management System ) компании IMB — пример иерархической СУБД.
Иерархическая база данных — пример
Будем считать, что в рамках данной статьи примером иерархической базы данных является организация, хранящая информацию о своём работнике: имя, номер сотрудника, отдел и зарплату. Организация также может хранить информацию о его детях, их имена и даты рождения.
Данные о сотруднике и его детях формируют иерархическую структуру, где информация о сотруднике – это родительский элемент, а информация о детях — дочерний элемент. Если у сотрудника три ребёнка, то с родительским элементом будут связаны три дочерних. Иерархическая база данных подразумевает, что отношение « родитель-потомок » — это отношение « один ко многим ». То есть у дочернего элемента не может быть больше одного предка.
Иерархические БД были популярны, начиная с конца 1960-х годов, когда компания IBM представила свою СУБД «Система управления информацией. Иерархическая схема состоит из типов записей и типов « родитель-потомок »:
Сетевая модель базы данных
Сетевая модель базы данных подразумевает, что у родительского элемента может быть несколько потомков, а у дочернего элемента — несколько предков. Записи в такой модели связаны списками с указателями. IDMS (« Интегрированная система управления данными ») от компании Computer Associates international Inc. — пример сетевой СУБД.
Иерархическая модель данных структурирует данные в виде древа записей, где есть один родительский элемент и несколько дочерних. Сетевая модель позволяет иметь несколько предков и потомков, формирующих решётчатую структуру.
Популярность сетевой модели совпала с популярностью иерархической модели. Некоторые данные намного естественнее моделировать с несколькими предками для одного дочернего элемента. Сетевая модель как раз и позволяла моделировать отношения «многие ко многим». Её стандарты были формально определены в 1971 году на конференции по языкам систем обработки данных ( CODASYL ).
Основной элемент сетевой модели данных — набор, который состоит из типа « запись-владелец », имени набора и типа « запись-член ». Запись подчинённого уровня (« запись-член ») может выполнять свою роль в нескольких наборах. Соответственно, поддерживается концепция нескольких родительских элементов.
Известные сетевые базы данных:
Реляционная модель базы данных
« В реляционной модели, как объекты, так и их отношения представлены только таблицами, и ничем более ».
РСУБД — реляционная система управления базами данных, основанная на реляционной модели Э. Ф. Кодда. Она позволяет определять структурные аспекты данных, обработки отношений и их целостности. В такой базе информационное наполнение и отношения внутри него представлены в виде таблиц — наборов записей с общими полями.
Реляционные таблицы обладают следующими свойствами:
Некоторые поля могут быть определены как ключевые. Это значит, что для ускорения поиска конкретных значений будет использоваться индексация. Когда поля двух различных таблиц получают данные из одного набора, можно использовать оператор JOIN для выбора связанных записей двух таблиц, сопоставив значения полей.
Часто у полей будет одно и то же имя в обеих таблицах. Например, таблица « Заказы » может содержать пары « ID-покупателя » и « код-товара ». А в таблице « Товар » могут быть пары « код-товара » и « цена ». Поэтому чтобы рассчитать чек для определённого покупателя, необходимо суммировать цену всех купленных им товаров, использовав JOIN в полях « код-товара » этих двух таблиц. Такие действия можно расширить до объединения нескольких полей в нескольких таблицах.
Поскольку отношения здесь определяются только временем поиска, реляционные базы данных классифицируются как динамические системы.
Сравниваем три модели баз данных
Первая, иерархическая модель данных, имеет древовидную структуру (« родитель-потомок »), и поддерживает только отношения типа « один к одному » или « один ко многим ». Эта модель позволяет быстро получать данные, но не отличается гибкостью. Иногда роль элемента ( родителя или потомка ) неясна и не подходит для иерархической модели.
Третья модель — реляционная — более гибкая, чем иерархическая и проще для управления, чем сетевая. Реляционная модель сегодня используется чаще всего.
Объект в реляционной модели баз данных определяется как позиция информации, хранимой в базе данных. Объект может быть осязаемым или неосязаемым. Примером осязаемого объекта может быть сотрудник организации, а примером неосязаемой сущности — учётная запись покупателя. Объекты определяются атрибутами — информационным отображением свойств объекта. Эти атрибуты также известны как столбцы, а группа столбцов — как ряд. Ряд также можно определить как экземпляр объекта.
Объекты связываются отношениями, основные типы которых можно определить следующим образом:
«Один к одному»
У каждого менеджера может быть только один отдел, и наоборот.
«Один ко многим»
Каждый сотрудник может быть только в одном отделе, но в самом отделе может быть больше одного сотрудника.
«Многие ко многим»
Сотрудник может участвовать в нескольких проектах, и каждый проект может объединять несколько сотрудников.
В реляционной модели объекты и их отношения представлены двухмерным массивом или таблицей.
Каждая таблица представляет объект.
Каждая таблица состоит из рядов и столбцов.
Отношения между объектами представлены столбцами.
Каждый столбец представляет атрибут объекта.
Значения столбцов выбираются из области или набора всех возможных значений.
Столбцы, которые используются для связи объектов, называются ключевыми. Есть два типа ключей — первичные и внешние.
Первичные служат для однозначного определения объекта. Внешний ключ — это первичный ключ одного объекта, существующий как атрибут в другой таблице.
Преимущества реляционной модели данных:
Другие модели баз данных (ООСУБД)
В последнее время на рынке СУБД появились продукты, представленные объектными и объектно-ориентированной моделью данных, такие как Gem Stone и Versant ОСУБД. Также производятся исследования в области многомерных и логических моделей данных.
Особенности объектно-ориентированных систем управления базами данных (ООСУБД):
А также поддержку классов объектов и наследование свойств и методов классов подклассами и их объектами.
На данный момент не существует общепринятого стандарта ООСУБД. Считается, что подобные модели данных находится на ранней стадии развития.
Пожалуйста, оставляйте ваши отзывы по текущей теме статьи. За комментарии, отклики, дизлайки, лайки, подписки низкий вам поклон!
Пожалуйста, оставьте ваши комментарии по текущей теме материала. Мы очень благодарим вас за ваши комментарии, лайки, отклики, подписки, дизлайки!