Тема 2: модели данных. Реляционная модель данных

СОДЕРЖАНИЕ (ВОПРОСЫ)

1. Модели данных.

Факты и описывающие их сведения (данные).

Языки описания данных.

Данные и их интерпретация. Примеры (естеств язык, формальные языки, математика..)

Зависимость интерпретации данных от программы.

Модель, позволяющая реализовывать интерпретацию данных, представлять соотношения между ними в соответствии с заданными требованиям, и определяющая допустимые операции над данными будем называть моделью данных.

1.1. Структуры данных.

Абстракция - основной способ структуризации данных. Например, обобщение отдельных знаков-значений (экземпляров объекта) в типы (класс подобных знаков)

Абстракция – способ придания семантики множеству объектов.

Домен – множество значений, которые могут присваиваться свойствам объектов.

Атрибуты. Именованные домены, представляющие семантически значимые объекты, называются атрибутами

Представление данных.

Таблицы и табличные формы представления.

Графы и графовая форма: вершины (узлы), ребра (дуги).

1.2. Ограничения целостности

Ограничение целостности – это свойство, которое для данного множества или отношения либо истинно, либо ложно.

1.3. Операции – определяют модель данных.

Основные операции: навигация, выборка, включение, удаление, обновление и др.

2. Три вида моделей данных

2.1. Сетевая модель данных (СМД).

СМД базируются на табличных и графовых представлениях: вершинам графа обычно сопоставляют некоторые типы сущности, которые представляются таблицами, а дугам – типы связей. Осн. категории структур в СМД - записи и связи (групповые отношения).

Направление стрелки: от записи-владельца (род.запись) к дочерней записи.

2.2. Иерархическая модель данных (ИМД).

Иерархическая модель принадлежит к графовым моделям с вершинами-таблицами.

1) Структурная диаграмма ИМД - должна быть упорядоченным деревом.

2) Дуги соответствующие функциональным связям, всегда направлены от корня к листьям дерева. Такая структурная диаграмма называется иерархическим деревом.

2.3. Реляционная модель данных (РМД).

Реляционная (relation - отношение)

2.3.1. Основные понятия: Декартово произведение. Отношение R. Схема (структура) отношения.

Ограничения целостности РМД.

Целостность сущностей: каждый кортеж любого отношения должен отличатся от любого другого кортежа этого отношения (т.е. каждый кортеж должен быть уникальным

Целостность ссылок: для каждого значения внешнего ключа, появляющегося в дочернем отношении, в родительском отношении должен найтись кортеж с таким же значением первичного ключа.

2.3.2. Операции над данными: Включение. Удаление. Обновление.

Операции обработки отношений. Объединение. Пресечение. Вычитание. Декартово произведение. Выборка. Проекция. Соединение. Деление

 

Модели данных.

Данные соответствуют дискретным зарегистрированным фактам относительно явлений. Будем называть данными описание любого явления, которое представляется достаточно ценным для того, чтобы его зафиксировать. Для описания и фиксации сведений (данных) о мире обычно используется естественный язык. При этом данные и их интерпретация фиксируются совместно, так как эти два компонента являются неотъемлемой частью данных. В некоторых случаях данные и интерпретация разделены. Это затрудняет работу с данными (пример - таблица). Применение ЭВМ для хранения и обработки данных приводит к еще большему разделению данных и интерпретации.

Если интерпретация данных главным образом закладывается в программы, использующие данные, то это существенно повышает зависимость данных от программы, так как вне интерпретации данные представляют собой не более чем совокупность битов в памяти ЭВМ. В условиях совместного использования данных при множестве различных приложений целесообразнее ассоциировать данные и механизмы интерпретации. В результате данные уже нельзя рассматривать как совокупность битов, они начинают носить некоторый интеллектуальный характер. В этом качестве их можно расценивать как семантически значимое представление предметной области. Такое представление обычно носит абстрактный характер.

Очевидно, что наряду с абстрактностью интерпретации должны быть обеспечены развитые возможности представления соотношения данных.

Модель, позволяющая реализовывать интерпретацию данных, представлять соотношения между ними в соответствии с заданными требованиям, и определяющая допустимые операции над данными, будем называть моделью данных.

Как и другие модели (математические, физические, экономические) модели данных дают нам возможность представить частичную семантику данных, обеспечивающую нас частичными сведениями о реальном мире.

Модель данных определяет правила, в соответствии с которыми структурируются данные. Однако структурных спецификаций недостаточно для полной интерпретации семантики данных и способа их использования. Должны быть также специфицированы операции над данными. Обычно операции соотносятся со структурами данных.

В качестве основных компонентов модели данных можно выделить

· структуры (организация данных);

· ограничения целостности (определяемые семантикой);

· операции (над объектами модели данных).

 

Структуры данных

Структуры – способ организации и представления данных.

Основным способом структуризации данных является использование абстракций. Элементарная форма абстракции – обобщение знаков (конкретный экземпляр объекта) в типы (класс подобных знаков).

Абстракция используется для придания множествам объектов некоторой семантики. Для абстрагирования задаются множества, элементы которых могут выступать в качестве значений свойств объектов.

Домен. Множество, элементы которого могут выступать в качестве значений объектов и их свойств, называется доменом. Домен здесь означает как область определения, так и область значения отображений.

Атрибуты. Именованные домены, представляющие семантически значимые объекты, называются атрибутами. Атрибуты и их значения являются интерпретацией объектов реального мира и их свойств. Домен является обобщением атрибута. Например, атрибуты: зарплата, кредит, залог определены на общем домене значений.

Представление данных. В моделировании представление данных является важным вопросом, так как необходимо хранить данные в памяти компьютера, и кроме того, представлять их пользователю в форме облегчающей интерпретацию и понимание.

Таблицы. Одним из простейших способов представления данных являются таблицы. Табличные формы представления характерны для большинства моделей данных. Другая форма представления данных графовая.

Табличная форма дает представление модели или ее характеристик в виде одной или совокупности взаимосвязанных таблиц. При этом данные в ячейках таблицы не могут заноситься произвольно, они подчиняются определенным правилам, в частности, по столбцам располагают типизированные данные.

Графовая форма основана на построении модели в виде графической схемы, называемой графом. Эта схема включает элементы графа, называемые вершинами (узлами) и ребрами (дугами). В отличие от произвольно нарисованной схемы, графовая модель, как и табличная, строится по определенным правилам. В частности, каждое ребро может быть ориентировано, если определен путь от одной вершины к другой, и не ориентировано, что соответствует возможному пути от одной вершины к другой в обоих направлениях. Простейший пример ориентированного графа - вектор в трехмерном пространстве, а неориентированного графа - кривая пути из одной точки в другую.

 

Ограничения целостности.

Логические ограничения, накладываемые на данные, называются ограничениями целостности. Ограничение целостности – это свойство, которое для данного множества или отношения либо истинно, либо ложно. Ограничения вводятся в модели данных в целях повышения их семантичности и расширения возможностей поддержания целостности данных. Существует два вида ограничений – внутренние и явные. Внутренние ограничения – ограничения налагаемые структурой данных. Явные ограничения (семантические ограничения целостности) – определяются предметной областью, которая моделируется.

В общепринятой трактовке - целостность данных - свойство, при выполнении которого данные сохраняют заранее определенный вид и качество.

Обеспечение целостности данных - это механизм поддержания соответствия базы данных предметной области.

 

Операции.

Множество операций определяет виды обработок, которым могут подвергаться объекты модели данных. Можно выделить следующие операции: навигация, выборка, включение, удаление, обновление. Кроме перечисленных операций могут применяться другие операции, определяемые соответствующей моделью данных.

 

 

Три вида моделей данных

Существует возможность определения множества различных моделей данных. Однако не все из них полезны на практике. Мы кратко опишем три вида моделей данных: сетевую модель данных, иерархическую и реляционную. Последней модели будет уделено особое внимание, так как на сегодняшний день она является наиболее распространенной.

Сетевая модель данных.

Концепция сетевой модели данных тесно связана с именем известного специалиста в области система обработки данных Ч. Бахмана, который оказал наиболее существенное влияние на разработку проекта КОДАСИЛ, в котором впервые был описан эталонный вариант сетевой модели. (КОДАСИЛ, англ. CODASYL - 1. Американская организация, занимающаяся разработкой стандартов и созданием языковых средств обработки экономической и деловой информации. Название CODASYL происходит от C onference O n DA ta SY stem L anguage, Конференция по языкам информационных систем. Например, КОДАСИЛ разработала стандарт языка Кобол и занимается его усовершенствованием. 2. Разработанный К. набор стандартов для сетевых баз данных),

Сетевые модели данных базируются на табличных и графовых представлениях: вершинам графа обычно сопоставляют некоторые типы сущности, которые представляются таблицами, а дугам – типы связей.

Двумя основными категориями структур в сетевой модели являются записи и связи (групповые отношения). Графическое представление типов данных и связей называется структурной диаграммой (диаграмма Бахмана).

Запись, от которой направлена стрелка, называется записью-владельцем, а запись, к которой направлена стрелка, называется записью-членом.

Явные ограничения обусловливаются ограничениями, накладываемыми семантической составляющей модели данных. Наиболее привычное (типовое) представление – граф.