Реферат: Иерархические структуры в реляционных базах данных

Реляционный подход стал широко известен благодаря первым работам Е.Кодда, которые появились около 1970г. В течение долгого времени реляционный подход рассматривался как удобный формальный аппарат анализа баз данных, не имеющий практических перспектив, так как его реализация требовала слишком больших машинных ресурсов. Только с появлением персональных ЭВМ реляционные и близкие к ним системы неожиданно стали распространяться, практически не оставив места другим моделям. Один из самых естественных способов представления данных для пользователей - это двумерная таблица. Она привычна для пользователя, понятна и обозрима, ее легко запомнить. Поскольку любая сетевая структура может быть разложена в совокупность древовидных структур, то и любое представление данных может быть сведено к двумерным плоским файлам. Связи между данными могут быть представлены в форме двумерных таблиц.

Таблица обладает следующими свойствами:

Каждый элемент таблицы представляет собой один элемент данных. Повторяющиеся группы отсутствуют.

Все столбцы в таблице однородные. Это означает, что элементы столбца имеют одинаковую природу.

Столбцам присвоены уникальные имена.

В таблице нет двух одинаковых строк.

Порядок расположения строк и столбцов в таблице безразличен. Таблица такого рода называется отношением. База данных, построенная с помощью отношений, называется реляционной базой данных.

Чем же принципиально отличаются реляционные модели от сетевых и иерархических? Вкратце на это можно ответить следующим образом: иерархические и сетевые модели данных - имеют связь по структуре, а реляционные - имеют связь по значению. Проектирование баз данных традиционно считалось очень трудной задачей. Реляционная технология значительно упрощает эту задачу в трех различных направлениях:

Разделением логического и физического уровней системы она упрощает процесс отображения "уровня реального мира", в структуру, которую система может прямо поддерживать. Поскольку реляционная структура сама по себе концептуально проста, она позволяет реализовывать небольшие и/или простые (и поэтому легкие для создания) базы данных, такие как персональные, сама возможность реализации которых никогда даже бы не рассматривалась в старых более сложных системах.

Теория и дисциплина нормализации может помочь, показывая, что случается, если отношения не структурированы естественным образом.

Реляционная модель данных особенно удобна для использования в базах данных распределенной архитектуры - она позволяет получать доступ к любым информационным элементам, хранящимся в узлах сети ЭВМ. Необходимо обратить особое внимание на высокоуровневый аспект реляционного подхода, который состоит в множественной обработке записей. Благодаря этому значительно возрастает потенциал реляционного подхода, который не может быть достигнут при обработке по одной записи, и прежде всего это касается оптимизации. У системы управления базами данных появляется возможность влиять на эффективность реализации. В настоящее время на рынке программно-математического обеспечения для ПЭВМ представлено более сотни различных СУБД. Они сильно различаются по стоимости, по эффективности работы, по функциональной мощности, по сложности изучения и использования.

Наиболее широкое распространение получили СУБД, использующие реляционную модель данных, теоретической основой которой является логика предикатов первого порядка и теория отношений. Одной из важнейших характеристик как с точки зрения разработчика информационно-управляющих систем, так и их пользователей является быстродействие СУБД, в силу чего практически все фирмы мира-производители СУБД работают над проблемой увеличения реактивности. Большинство известных коммерческих СУБД страдают существенным недостатком : при работе с большими и сверхбольшими базами данных резко снижается время реакции системы при выполнении процедур поиска информации. Кроме того, появляющиеся в периодической печати результаты тестирования коммерческих СУБД не всегда позволяют сделать вывод об эффективности того или иного программного продукта, поскольку почти всегда оцениваемым по времени результатом поиска является первая найденная запись, а время ответа на сложные многоключевые запросы не оценивается, в то время как время поиска всех записей, удовлетворяющих некоторому критерию, линейно зависит от числа записей в базе, от числа записей-целей, от размеров записи, и, следовательно, для больших баз измеряется значительным интервалом времени.

Таким образом проведенный анализ систем управления базами данных, ориентированных на различные модели данных, позволяет сделать вывод: в распределенной интегрированной информационной системе возможно использование СУБД реляционного типа.

3.1. Реляционные даталогические модели СУБД

СУБД реляционного типа являются наиболее распространенным на всех классах ЭВМ, а на ПК занимают доминирующее положение. Данная модель позволяет определять: (1) операции по запоминанию и поиску данных; (2) ограничения, связанные с обеспечением целостности данных. Для увеличения эффективности работы во многих СУБД реляционного типа приняты ограничения, соответствующие строгой реляционной модели.

Многие реляционные СУБД представляют файлы БД для пользователя в табличном формате — с записями в качестве строк и их полями в качестве столбцов. В табличном виде информация воспринимается значительно легче. Однако в БД на физическом уровне данные хранятся, как правило, в файлах, содержащих последовательности записей. Основным преимуществом реляционных СУБД является возможность связывания на основе определенных соотношений файлов БД. Со структурной точки зрения реляционные модели являются более простыми и однородными, чем иерархические и сетевые. В реляционной модели каждому объекту предметной области соответствует одно или более отношений. При необходимости определить связь между объектами явно, она выражается в виде отношения, в котором в качестве атрибутов присутствуют идентификаторы взаимосвязанных объектов. В реляционной модели объекты предметной области и связи между ними представляются одинаковыми информационными конструкциями, существенно упрощая саму модель.

СУБД считается реляционной при выполнении следующих двух условий, предложенных еще Э. Коддом : (1) поддерживает реляционную структуру данных и (2) реализует по крайней мере операции селекции, проекции и соединения отношений. В последующем был создан целый ряд реляционных СУБД, в той или иной мере отвечающих данному определению. Многие СУБД представляют собой существенные расширения реляционной модели, другие являются смешанными, поддерживая несколько даталогических моделей.

Суть реляционной СУБД можно пояснить на следующем простом примере (рис. 4).

Рис. 4 Простой пример, иллюстрирующий принцип реляционной модели

В некоторой реляционной БД (РБД) имеются два файла авторов и публикаций, каждый из которых содержит определенное число записей/ состоящих из фиксированного числа полей (соответственно 4 и 5), представляющих данные по соответствующим элементам предметной области (рис. 4). Можно сказать, что определены два отношения (фaйла), имеющие общий элемент — значения поля № п/п. Операции реляцианной алгебры могут объединять два типа записей по этому общему элементу. Например, в результате соединения запись Бухтяк может представится в следующем виде:

Бухтяк<Томск><637-2050><40><Основы...><статья><2.95><2.5>....

т.е. к сведениям об авторе добавляются сведения обо всех его публикациях, имеющихся в РБД. Связь между записями допускается по нескольким полям, позволяя образовывать достаточно сложные операции. Поля данных, связывающие вместе две записи, могут быть уникальными для данной пары, но могут дублироваться и во многих других записях. Они могут повторяться неоднократно, связывая между собой записи. Аналогичным образом можно проиллюстрировать выполнение в реляционной модели операций проекции и селекции.

Реляционная СУБД должна четко отслеживать взаимосвязи записей в БД во избежание потери или искажения информации. С этой целью СУБД постоянно пересчитывает число связей для каждой записи БД в прямом и обратном направлениях, что требует существенных временных затрат для больших БД. Простота и стройность реляционной алгебры делают ее весьма привлекательной для организации реляционных БД, что мы и видим, прежде всего, для класса ПК. Однако в действительности реальные данные предметной области не укладываются в указанную модель (например, отношения могут содержать повторяющиеся записи и т.д.). Поэтому наряду с сугубо реляционными существуют и другие даталогические модели СУБД и их различные модификации и сочетания, обеспечивая широкий круг решаемых на их основе информационных, коммерческих, управленческих, финансовых, вычислительных и других типов задач. Из наиболее известных примеров реляционных СУБД можно отметить такие, как: dBase, DB/2, ORACLE, Paradox и ряд других.

Массовое развитие класса ПК оказало весьма существенное влияние на развитие инфотехнологии и БД-технологии в частности, привнося элементы последней в массовую инфотехнологию. Прежде всего, этому способствовало развитие мощной индустрии по созданию разнообразных СУБД для ПК. Если создание СУБД для ЭВМ общего назначения и (в значительной мере) мини-ЭВМ занимало длительный промежуток времени и число таких коммерческих СУБД было невелико — практически весь их перечень был на слуху у специалистов по компьютерной инфотехнологии, то с появлением класса ПК наряду с мощным развитием для них ПС различного назначения начали быстро появляться СУБД. При этом БД-технология начала активно проникать и в ПС другого назначения (электронные таблицы, интегрированные и статистические пакеты и т.д.). К БД-технологии были приобщены широкие круги пользователей ПК. Во многих разработках для ПК начали применяться собственные СУБД различных организации и назначения. На наш взгляд, ряд причин способствовал такому массовому использованию БД-технологии:

— массовое использование ПК в приложениях, предопределяющих работу с БД;

— резкое уменьшение цикла разработки ПС из-за персонального характера работы;

— наличие достаточно развитых системных и инструментальных средств;

—  наличие внешней памяти большой емкости на "винчестерах".

Эти и другие причины обеспечили как широкий спрос на СУБД для ПК, так и хорошие предпосылки для его быстрого удовлетворения. Наряду с мощными фирмами, специализирующимися на разработке коммерческих СУБД к разработкам и/или адаптации уже готовых СУБД для ПК приступили и крупные фирмы, ранее ориентированные в этой области на приложения к ЭВМ других классов (Oracle, IBM, Relational Technology и др.). Все это способствовало интенсивному проникновению БД-технологии в массовую инфообработку. С другой стороны, широкое использование ПК в весьма обширном спектре прикладных областей способствовало выдвижению к СУБД целого ряда актуальных требований и, в первую очередь, по повышению уровня интерфейсов с пользователем и другими приложениями.

Разработанное в настоящее время большое число различного назначения СУБД позволяет создавать и эксплуатировать системы БД на всех классах и типах ЭВМ, поддерживая различные даталогические модели и обеспечивая нужды широкого круга приложений

Средства современных СУБД настолько разнообразны, что способны удовлетворить потребности самого широкого круга пользователей — от профессионала в области разработки систем БД различных типа и назначения до пользователя, не обладающего достаточным уровнем компьютерной грамотности. В первую очередь, это относится к СУБД, созданным для класса ПК. Эти СУБД характеризуются не только своим количеством, но и функциональным разнообразием: от простых файловых систем до функционально полных СУБД, в основном реляционного типа. Многие из коммерческих СУБД поддерживают многопользовательскую работу и работу в сетях ЭВМ, как локальных, так и глобальных. К средствам, непосредственно относящимся к СУБД, можно отнести и многочисленные средства их окружения: генераторы и конверторы данных и программ, компиляторы языков программирования БД-приложений, генераторы создания различного назначения и уровня интерфейсов с БД в рамках традиционных ЯВУ и т.д.

Такое многообразие инструментальных и прикладных средств по СУБД позволяет выбирать наиболее адекватные нуждам пользователя, обеспечивая эффективное использование вычислительных ресурсов и существенное сокращение сроков разработки конкретных БД-технологий. В подавляющем большинстве СУБД для ПК ориентированы на интерактивный режим работы с пользователем, широко используя удобные и дружелюбные системы интерфейсов на основе простых и понятных меню. В СУБД, поддерживающих языки программирования БД-приложений, средства такого интерфейса избавляют пользователя от необходимости знания синтаксиса языка для обеспечения требуемых функций. Ряд популярных СУБД предусматривают несколько уровней интерфейса, обеспечивающих работу с ними различной квалификации пользователей (dBase IV, Paradox, др.). Большое внимание уделено эффективной системе Help-информации по СУБД, включающей электронные краткие обучающие курсы с демонстрацией наиболее часто используемых приемов работы с конкретным пакетом.

Интенсивное расширение компьютерной инфотехнологии ставит перед дальнейшим развитием СУБД целый ряд новых требований, во многом связанных с вопросами стандартизации. Это относится не только к СУБД, но и к ПС других типов. В отношении же СУБД это прежде всего относится к стандартизации эталонной модели управления данными, предусматривающей четкую классификацию основных вопросов стандартизации СУБД в зависимости от функциональных особенностей и уровня описания данных на разных стадиях проектирования. Можно предполагать, что последующее развитие СУБД будет ориентироваться на рекомендации международных стандартов относительно языков БД и средств доступа к удаленным БД, а также интерфейсов с системами программирования. Новые интересные аспекты БД-технологии появляются на основе объектно-ориентированной технологии программирования и обработки информации.

3.2. Объектно-ориентированные СУБД (ООСУБД)

В настоящем параграфе рассматриваются основные концепции, понятия, черты и характеристики объектно-ориентированных систем управления БД (ООСУБД) в контексте рассмотренных объектно-ориентированных программирования и технологии. В последние годы в результате проникновения идеологии ООП в СУБД интенсивные разработки теоретического и прикладного характера ведутся по созданию различного назначения ООСУБД. Ввиду не совсем устоявшейся в этом направлении терминологии отметим основные черты и характеристики, определяющие СУБД как объектно-ориентированную. При этом по мере необходимости проводятся сопоставления с рассмотренной выше концепцией ООП.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5