Моделі даних. Основні поняття реляційної бази даних

Пригадайте!

1. Що таке база даних? Для чого створюються бази даних?

2. Опишіть структуру файлової системи операційної системи Windows ХР.

3. Як здійснюється пошук потрібних даних в операційній системі Windows ХР, в Інтернеті?

4. Що таке модель «сутність-зв'язок»? Для чого вона використовується?

Поняття про моделі даних

Основним завданням призначенням бази даних є гарантоване систематизоване збереження значних обсягів даних та надання доступу до них користувачеві або комп’ютерній програмі. Оскільки база даних є досить складним за своєю структурою об’єктом, то перед створенням вона заздалегідь проектується – створюється модель бази даних. При створенні моделі бази даних використовують ту чи іншу модель даних. Модель даних має три складові:

2. Структура даних – визначає спосіб організації даних, множину можливих типів даних (цілі числа, дійсні числа, текстові дані, мультимедійні дані, масиви чисел або текстів та ін.) та набір операцій, які можна виконати над даними конкретного типу.

3. Засоби опрацювання даних – визначають набір команд (аналогічно до системи команд виконавця алгоритму), які забезпечують опрацювання даних залежно від способу їх організації.

4. Обмеження цілісності – визначає вимоги для забезпечення правильності даних у будь-який момент часу. Розрізняють вимоги, що накладаються відповідним видом моделі даних, і вимоги, що встановлює користувач.

Види моделей даних

Найбільш поширеними є такі види моделей даних: ієрархічна, мережна, реляційна і об’єктно-реляційна.

Ієрархічна ( грецьк. ἱεραρχία– священна влада) модель даних визначає організацію даних про об’єкти у вигляді дерева. В ієрархічній моделі структура даних передбачає, що у кожного об’єкта є тільки один об’єкт вищого рівня, якому він підпорядкований ("батьківський"), і може бути кілька підпорядкованих ("нащадків"). Виключення складає тільки найвищий за ієрархією об’єкт – у нього немає батьківського об’єкта.

Прикладом ієрархічної організації даних є файлова структура, що використовується при розміщенні даних на дисках, наприклад, FAT32 (ви знайомились з нею в курсі інформатики 9 класу при вивченні розділу «Системне програмне забезпечення»). У зазначеній файловій структурі на диску є один основний батьківський об’єкт (коренева папка), який містить дані про підпорядковані об’єкти – папки і файли. У свою чергу ці об’єкти можуть містити різноманітні дані, у тому числі і про підпорядковані їм папки і файли.

Ще один приклад ієрархічної організації даних подано на рис. 3.6.

Звертаємо вашу увагу, що кожний «батьківський» об’єкт у сукупності з підпорядкованими об’єктами («нащадками») можна розглядати як окреме дерево.

Для опрацювання даних в ієрархічній моделі даних використовується такий набір команд:

· знайти вказане дерево, наприклад, дерево 8 клас;

• перейти від одного дерева до іншого, наприклад, від дерева Молодша школа до дерева Старша школа;
• перейти від «батьківського» об’єкта до об’єкта-«нащадка» всередині дерева, наприклад, від об’єкта 6-А до об’єкта Семенець Богдан;
• перейти від одного об’єкта до іншого об’єкта в порядку, передбаченому ієрархічною структурою, наприклад, наприклад, від об’єкта 7-Б до об’єкта 1-А;
• вставити новий об’єкт у вказаному місці;

· видалити поточний об’єкт

та ін.

Обмеження цілісності в ієрархічній моделі даних зокрема передбачає збереження зв’язків між батьківськими об’єктами і нащадками. Основне правило обмеження цілісності – жоден підпорядкований об’єкт (нащадок) не може існувати без батьківського об’єкта, за виключенням одного основного батьківського об’єкта. Тобто, об’єкт 9-Б не може існувати без батьківського об’єкт 9 клас, бо якщо немає дев’ятих класів у школі, то не може існувати список учнів одного з дев’ятих класів.

Ієрархічну модель даних зручно використовувати, коли потрібно створити базу даних предметної області, об’єкти якої також мають між собою ієрархічну залежність.

При значній кількості даних у базах даних, побудованих на ієрархічній моделі даних, на пошук потрібних даних можна витратити доволі багато часу. Наприклад, спробуйте знайти серед усіх файлів жорстких дисків вашого комп'ютера файл, що містить певний фрагмент тексту. Пошук може тривати кілька хвилин, а то і кілька десятків хвилин. У ході пошуку на відповідній панелі ви можете спостерігати як послідовно гілка за гілкою переглядається ієрархічна структура даних. У той час як в Інтернеті подібний пошук буде тривати максимум кілька секунд, при цьому опрацьовується значно більші обсяги даних. У ході стандартного пошуку засобами операційної системи відбувається перегляд вмісту файлів по всіх гілках ієрархічного дерева файлової структури. При пошуку даних в Інтернеті використовуються створені пошуковими машинами бази даних, в яких вміст різноманітних сайтів проаналізовано і класифіковано, і для збереження цих даних вони використовуються інші моделі даних, наприклад, реляційну. В сучасних операційних системах, таких як Windows 7, для зменшення часу пошуку використовують індексацію даних – створення додаткової бази даних про об’єкти файлової системи і їх вміст.

Ієрархічну модель даних важко використовувати для предметної області, в якій об’єкти пов’язані між собою більш складною залежністю, ніж ієрархія. Розширені можливості для опису такої предметної області надає мережна модельданих, що була розроблена в кінці 60-х років ХХ ст. Автором концепції мережної моделі даних є американський вчений Чарльз Бахман (нар. 1924) (рис. 3.7). Мережна структура даних передбачає, що у кожного об’єкта, може бути як кілька батьківських об’єктів, так і кілька об’єктів-нащадків. Приклад зв’язків між об’єктами при використанні мережної моделі даних зображено на рис. 3.8.

 

Для опрацювання даних в мережній моделі даних використовується такий набір команд:

· знайти вказаний об’єкт серед однотипних об’єктів, наприклад, об’єкт з даними про учня Степаненко;

· перейти від батьківського об’єкта до першого нащадка, використовуючи певний зв'язок, наприклад, до об’єкта про першого учня класу;

· перейти до об’єкта з даними про наступного нащадка, використовуючи певний зв'язок, наприклад, знайти об’єкт з даними про іншого учня цього ж класу;

• перейти від об’єкта-нащадка до батьківського об’єкта, використовуючи певний зв'язок, наприклад, знайти клас, в якому Петренко є старостою;
• вставити новий об’єкт у вказаному місці;

· видалити поточний об’єкт;

· змінити об’єкт;

· включити об’єкт до певного зв’язку;

· розірвати зв'язок

та ін.

Обмеження цілісності в мережній моделі даних передбачає збереження зв’язків між об’єктами.

Разом з тим використання мережної моделі даних ускладнюється при значному збільшенні кількості об’єктів предметної області і ускладненні зв’язків між цими об’єктами. Проблеми виникають і при модифікації бази даних: додаванні нових зв’язків, заміні об’єктів, що зв’язані між собою, тощо.

Для спрощення опису об’єктів та зв’язків між ними в 1970 році американським вченим Едгаром Франком Коддом (1923-2003) (рис. 3.9) була запропонована реляційна модель даних. Математик за освітою, він увів в теорію баз даних математичний підхід, що базується на теорії множин.

Основою структури даних цієї моделі є таблиця. В таблицях кожен рядок містить набір значень властивостей одного з об’єктів предметної області. Кожен стовпець таблиці містить набір значень певної властивості об’єктів предметної області.

Така таблиця з набором стовпців, кожен з яких містить значення з певної скінченної множини, з точки зору математики задає відношення між множинами. Тому для опису структури даних Кодд використав термін «relation» (англ. relation – відношення), а модель даних стали називати реляційною.

Враховуючи, що таблиця реляційної бази даних складається з елементів певних множин, то для опрацювання даних цієї таблиці використовуються операції над множинами.

Обмеження цілісності в реляційній моделі бази даних передбачає дотримання двох принципів: обов’язкова можливість ідентифікації об’єкта бази даних за рахунок унікальності набору значень його властивостей, вказаних в рядку реляційної таблиці, та обов’язкова коректність зв’язків між таблицями бази даних.

Більш детально основні поняття баз даних, побудованих на реляційній моделі даних, будуть розглянуті в наступних пунктах.

В останні роки ряд вчених почали вказувати на недосконалість реляційної моделі даних, її обмеженість при роботі з мультимедійними даними та даними про складені об’єкти. Для розширення можливостей реляційної моделі даних з кінця 90-х років минулого століття почала використовуватися об'єктно-реляційна модель даних.

Існують і інші моделі даних, такі як багатовимірні, комбіновані однак поки що вони не набули широкого розповсюдження.