ОП БД Лекция_4-5

База данных (БД) — именованная совокупность данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области.
Основные понятия моделей данных

Основные понятия моделей данных
Данные — это набор конкретных значений, параметров, характеризующих объект, условие, ситуацию или любые другие факторы.
Модель данных — это некоторая абстракция, которая, будучи применима к конкретным данным, позволяет пользователям и разработчикам трактовать их уже как информацию, то есть сведения, содержащие не только данные, но и взаимосвязь между ними.

Уровни моделей данных

Объекты (сущности) – вершины математического графа
Связи – дуги графа
Связи – это соединения между двумя или более множествами сущностей
Основные понятия
Сущности – это члены множества сущностей
Атрибуты – это значения, описывающие свойства сущности
1
5
2
4
3

Инфологические модели
Инфологические модели данных используются на ранних стадиях проектирования для описания структур данных в процессе разработки приложения.
Цель инфологического моделирования – обеспечение наиболее естественных для человека способов сбора и представления той информации, которую предполагается хранить в создаваемой базе данных.

Диаграммы Бахмана
Минус
Статичность, не позволяющая наглядно отображать процессы, в которые вовлечены сущности и к которым подвержены отношения.

Модель «сущность-связь» (ER)
Пример диаграммы

Даталогические модели
Даталогическая модель – это модель, отражающая логические взаимосвязи между элементами данных безотносительно их содержания и физической организации.

Документальные модели
Документальная модель соответствуют представлению о слабоструктурированной информации, ориентированной на свободные форматы документов, текстов на естественном языке.
Ориентированные на формат документа
Документальная модель
Дескрипторные модели
Тезаурусные модели

Модели основаны на языках разметки документов и связаны прежде всего со стандартным общим языком разметки – SGML.
Ориентированные на формат документа
SGML – это язык предназначенный для создания других языков разметки, он определяет допустимый набор тегов (ссылок), их атрибуты и внутреннюю структуру документа.

Ориентированные на формат документа
Пример XML, описывающий данные о IT Специалисте:
xmlns:xs="http://www.w3.org/2001/XMLSchema">

Дескрипторные модели
Дескрипторные модели — используются на ранних стадиях использования документальных баз данных.
Дескриптор — описатель
Он имеет жесткую структуру и описывает документ в соответствии с теми характеристиками, которые требуются для работы с документами в разрабатываемой документальной БД.

Дескрипторные модели
Пример дескрипторной классификации —УДК — универсальная десятичная классификация.
Применяется, например, так: 142.214.53 + 213434/(431) имеет значение «Справочники по радиоприемникам и телевизорам».

Тезаурусные модели
Тезаурусные модели основаны на принципе организации словарей, содержат определенные языковые конструкции и принципы их взаимодействия в заданной грамматике.
Тезаурус – это словарь, в явном виде фиксирующий семантические отношения между составляющими его единицами.

Фактографические модели
Фактографические модели – соответствуют представлению о четко структурированной информации, формализованных данных (дерево, сеть, таблица)
Примерами фактографических моделей могут служить справочные таблицы значений физических величин, спецификации деталей и сборок, используемых в промышленных изделиях, и т.п.

Теоретико-графовые модели
Теоретико-графовая модель – это совокупность объектов реального мира в виде графа взаимосвязанных информационных объектов.

Иерархическая модель
Иерархическая модель данных — это модель данных, где используется представление базы данных в виде древовидной (иерархической) структуры, состоящей из объектов (данных) различных уровней.

Иерархическая модель
Поле данных – это минимальная, неделимая единица данных, доступная пользователю с помощью СУБД.
Сегмент (запись) данных – более высокий уровень абстракции, объединение полей данных.
Основные информационные единицы в иерархической модели: база данных, поле данных, сегмент данных.

Иерархическая модель
Пример Иерархической модели данных:

Иерархическая модель

Иерархическая модель
Пример

В каждой физической БД существует один корневой сегмент, у которого нет логически исходного (родительского) типа сегмента.
Каждый логически подчиненный сегмент может быть связан только с одним логически исходным (родительским) сегментом
Иерархическая модель
Физическая БД удовлетворяет иерархическим ограничениям
Каждый логически исходный сегмент может быть связан с произвольным числом логически подчиненных сегментов

Иерархическая модель
Логически исходный сегмент
Логически подчиненный сегмент
Тип сегмента, находящийся на более высоком уровне иерархии.
Данные соединенные направленными иерархическими ребрами с логически исходными сегментами.

Тип сегмента — это поименованная совокупность типов элементов данных (полей), которые его образуют.
Иерархическая модель
Экземпляр сегмента образуется из конкретных значений полей или элементов данных, в него входящих.

Простота понимания и использования, быстрота доступа к данным
Простота оценок операционных характеристик.
Иерархическая модель
Трудность реализации взаимосвязей «многие-ко-многим
Из-за строгой иерархической упорядоченности объектов модели значительно усложняются операции включения и удаления
Язык манипулирования данными в иерархической модели поддерживает в явном виде навигационные операции
Недостатки
Преимущества

Сетевая модель
Агрегат типа вектор соответствует линейному набору элементов данных:
Зарплата
месяц
сумма
Владелец набора - родительский тип записи в данном наборе.
Член набора - дочерний тип записи.

Элемент данных — минимальная информационная единица, доступная пользователю с использованием СУБД.
Агрегат данных — агрегат типа вектор и агрегат типа повторяющаяся группа.
Запись — совокупность агрегатов или элементов данных, моделирующая некоторый класс объектов реального мира. Различают типа записи и экземпляра записи.
Набор данных — двухуровневый граф, связывающий отношением «один-ко-многим» два типа записи.
Сетевая модель
Базовые объекты модели

Теоретико-множественные модели
Появление теоретико-множественных моделей в системах баз данных было предопределено настоятельной потребностью пользователей в переходе от работы с элементами данных к работе с некоторыми макрообъектами.

Реляционная модель
Реляционная база данных – это совокупность отношений, содержащих всю информацию, которая должна храниться в базе данных.
Отношение – подмножество декартова произведения одного или более доменов.

Бинарные отношения. В математике большую роль играют бинарные отношения, т.е. отношения, заданные на декартовом произведении двух множеств
Отношение эквивалентности. Отношение R на множестве называется отношением эквивалентности, если оно обладает следующими свойствами:
1) (x,x) ∈ R для всех x ∈ A (рефлексивность)
2) Если (x,y) ∈ R , то (y,x) ∈ R (симметричность)
3) Если (x,y) ∈ R и (y,z) ∈ R , то (x,z) ∈ R (транзитивность)
Реляционная модель
Примеры отношений

Отношения порядка. Отношение R на множестве A называется отношением порядка, если оно обладает следующими свойствами:
1) (x,x) ∈ R для всех x ∈ A (рефлексивность)
2) Если (x,y) ∈ R и (y,x) ∈ R, то x=y (антисимметричность)
3) Если (x,y) ∈ R и (y,z) ∈ R , то (x,z) ∈ R (транзитивность)
Примеры отношений
Реляционная модель

Домен – множество возможных значений конкретного атрибута.
Атрибут – свойство объекта, явления или процесса. Примеры атрибутов: фамилия, имя, отчество, дата рождения.
Кортеж – элемент отношения, это отображение имен атрибутов в значения, взятые из соответствующих доменов.
Реляционная модель

Модель бинарных ассоциаций
Бинарная ассоциация – это ассоциация между ровно двумя классами.
Роль – это неотделимая часть ассоциации, описывающая некоторые свойства её соединения с классом (роль класса в данной ассоциации).
Имя роли
Навигация
Множественность
Квалификатор
Агрегирование
Свойства роли

Композиция указывает на то, что данный класс может являться частью только одного класса.
У ассоциации может быть атрибут под названием квалификатор (qualifier), который содержит один или несколько атрибутов класса, прикрепленного к другому концу ассоциации.
Модель бинарных ассоциаций
Агрегирование (aggregation) – это отношение между классами типа целое/часть.

Множественность (multiplicity) показывает возможное количество объектов, которые могут быть связаны в соответствии с этой ассоциацией.
Множественность указывается
для ролей ассоциации и
имеет следующий
формат:
<нижняя граница>…<верхняя граница>
Модель бинарных ассоциаций

Объектно-ориентированные модели
Объекты, обладающие внутренней структурой и однозначно идентифицируемые уникальным внутрисистемным ключом.
Классы, являющиеся по сути типами объектов.
Операции над объектами одного или разных типов, называемые «методами».

Объектно-ориентированные модели

Достоинства объектно-ориентированной модели:
возможность для пользователя системы определять сложные типы данных;
наследуемость свойств объектов;
повторное использование программного описания типов объектов при обращении к другим типам, на них ссылающимся.
Недостатки объектно-ориентированной модели:
отсутствие строгих определений;
отсутствие общеупотребимых стандартов.
Объектно-ориентированные модели

Физические модели
Физические модели баз данных определяют способы размещения данных в среде хранения и способы доступа к этим данным, которые поддерживаются на физическом уровне.

Модели, основанные на файловых структурах

Модели, основанные на файловых структурах

имя файла
тип файла (например, расширение или другие характеристики)
размер записи
количество занятых физических блоков
базовый начальный адрес
ссылка на сегмент расширения
способ доступа (код защиты)
Модели, основанные на файловых структурах
Для каждого файла в системе хранится следующая информация

Модели, основанные на странично-сегментной организации
Для каждого сегмента поддерживается таблица страниц.
Номер записи в таблице страниц соответствует номеру виртуальной страницы.
Размер записи колеблется от системы к системе, но чаще всего он составляет 32 бита. Из этой записи в таблице страниц находится номер кадра для данной виртуальной страницы, затем прибавляется смещение и формируется физический адрес.

Сетевая модель
Запись в таблице страниц содержит информацию об атрибутах страницы. Это биты присутствия и защиты (0 – read/write, 1 – read only...).
Бит модификации, который устанавливается, если содержимое страницы модифицировано
Бит ссылки, который помогает выделить малоиспользуемые страницы;
Бит, разрешающий кэширование, и другие управляющие биты.
Адреса страниц на диске не являются частью таблицы страниц.

Сетевая модель
Сетевая модель – это модель данных, хранящаяся в базе данных и описывающая взаимосвязи в виде неупорядоченного графа (сети).
Представление связей в сетевой модели
данных
Пример сетевой модели данных

Сетевая модель: операции
Добавить
(внести запись в БД)
Извлечь
(извлечь запись из БД)
Обновить
(изменить значение элементов извлеченной записи)
Элементы данных определяют характеристики типов записей
Включить в групповое отношение
(связать сущ-ую подчиненную запись с записью владельцем)
Исключить из группового отношения
(разорвать связь между записью-владельцем и записью-членом)
Переключить
(связать сущ-ую подчиненную запись с другой записью в том же групповом отношении)
Операции над
данными

Сетевая модель, базовые объекты
Запись
(совокупность агрегатов данных, моделирующая некоторый класс объектов реального мира)
Агрегат данных
(именованная совокупность данных внутри одной записи)
Набор данных
(двухуровневый граф, связывающий отношением «один-ко-многим» два типа записи)
Элемент данных
(минимальная информационная единица, доступная пользователю с использованием СУБД)
Базовые объекты

Сетевая модель, элементы данных
Векторы – повторяющиеся однотипные элементы
Повторяющиеся группы – набор групп, включающих несколько разнотипных элементов
Неповторяющиеся группы – адрес – (город, улица, дом квартира)
Элементы данных определяют характеристики типов записей
Простые
Составные

Сетевая модель преимущества
Возможность эффективной реализации по показателям затрат памяти и оперативности.
Большие возможности допустимости образования произвольных связей.
Поддержка сложные соотношения между типами данных, что делает их пригодными в различных приложениях.
+
+
+

Высокая сложность и жесткость схемы БД.
Сложность для понимания и выполнения обработки информации в БД обычным пользователем.
Ослаблен контроль целостности связей вследствие допустимости установления произвольных связей между записями.
Сетевая модель недостатки
–
–
–

Иерархическая модель базы данных представляет собой совокупность элементов, расположенных в порядке их подчинения от общего к частному и образующих перевернутое дерево (граф).
Корень потомок предок
Потомки
Иерархическая модель

Элементы графа
Корень - это элемент, который имеет подчиненные элементы и сам не является таковым.
Потомок - это подчиненный элемент по отношению к элементу, который выступает для него в роли предка (родителя).
Близнецы - это потомки одного и того же родителя по отношению друг к другу.

2 уровень
3 уровень
Верхний уровень (корень) – занимает один объект. Второй – объекты второго уровня и т.д.
1 уровень
Принцип работы: несколько узлов более низкого уровня соединяется при помощи связи с одним узлом более высокого уровня.
Данная модель характеризуется такими параметрами, как уровни, узлы, связи.
Элементы графа

Отношение предка – если узел связан с узлом более близким к корню
Отношение потомка – если узел связан с узлом более низкого уровня
Отношение близнецы – узлы имеют общего предка
Узел — информационная модель элемента, находящегося на данном уровне иерархии.
Узел
Элементы графа
Между узлами существуют связи

Несколько узлов низшего уровня связано только с одним узлом высшего уровня.
Иерархическое дерево имеет только одну вершину (корень), неподчиненный никакой другой вершине.
Каждый узел имеет свое имя (идентификатор).
Свойства иерархической модели базы данных

Достоинства и недостатки
Эффективное использование памяти ЭВМ.
Неплохие показатели времени выполнения основных операций над данными.
Удобна для работы с иерархически упорядоченной информацией.
Громоздкость для обработки информации с достаточно сложными логическими связями.
Сложность понимания для обычного пользователя.
Недостатки
Достоинства

Правила преобразования к табличному виду
Количество уровней равно количеству столбцов. Количество элементов на последнем уровне равно количеству строк. Заполнять таблицу необходимо с левого нижнего элемента.

Реляционная модель данных (РМД)
Домен, D – множество значений, которые может принимать элемент данных.
Декартово произведение доменов – множество всех возможных комбинаций значений доменов:
D1×D2×... ×Dn = {(d1i , d1i , ..., dni)}, где dki ∈ Dk
Пример: D1 = (1, 2), D2 = (a, b, c).
D1×D2 = {(1,a), (1,b), (1,c), (2,a), (2,b), (2,c)}
Отношение – подмножество декартова произведения доменов.
В 1970 г. американский математик Э.Ф.Кодд опубликовал статью, с которой отсчитывается начало существования РМД.
РМД основана на теории множеств.

Пример декартова произведения
Полужирным шрифтом выделены записи, имеющие соответствие в предметной области.

Пример таблицы реляционной БД

Термины, Свойства отношения
Первичный ключ
Столбец
Описание (схема отношения)
Строка, запись, кортеж
Отношение, таблица
Отношение обладает двумя основными свойствами
В отношении не должно быть одинаковых кортежей, т.к. это множество.
Порядок кортежей в отношении несущественен.
1
2

Ключи отношения
Ключ – атрибут (группа атрибутов), которые позволяют классифицировать кортеж (запись таблицы).
Уникальный ключ – атрибут (группа атрибутов), которые позволяют идентифицировать кортеж (запись таблицы).
Первичный ключ – обязательный уникальный ключ. Для каждой таблицы может быть определен только один первичный ключ.
Внешний ключ – служит для организации связей между таблицами.

Пример отношения ж/д расписание

Организация связей между таблицами
«Отдел» – внешний ключ в таблице «Сотрудники»
Таблица «Сотрудники»
Таблица «Отделы»
«Номер отдела» - первичный ключ в таблице «Отделы»
Связь один-ко-многим: Отделы – Сотрудники

В таблице «Участие»: «Участник» – внешний ключ к таблице «Сотрудники», «Проект» – внешний ключ к таблице «Проекты»
Таблица «Сотрудники»
Таблица «Проекты»
Связь многие-ко-многим: Проекты – Сотрудники
Таблица «Участие»
Организация связей между таблицами

Пример связи внутри таблицы

Операции над данными в РМД
Операции применяются к кортежам отношений:
Запомнить
Извлечь
Обновить
Удалить