Иерархические базы данных

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ 3

1. Понятие модели данных. Обзор разновидностей

моделей данных 5

1.1. Модель данных 5

1.2. Разновидности моделей данных 6

2. Иерархическая модель данных 9

2.1. Структурная часть иерархической модели 9

2.2. Структура данных 13

2.3. Управляющая часть иерархической модели и представление связей 15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 18

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 19 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     Развитие  средств вычислительной техники  обеспечило для сотворения и широкого использования систем обработки данных разнообразного назначения. Разрабатываются информационные системы для обслуживания разных систем деятельности, всевозможные тренажеры и обучающие системы. Одной из принципиальных предпосылок сотворения таковых систем стала возможность оснащения их «памятью» для скопления, хранения и систематизация огромных размеров данных. Другой значимой предпосылкой необходимо признать разработку подходов, а также создание программных и технических средств конструирования систем, предназначенных для коллективного использования. В данной связи потребовалось создать особые способы и механизмы управления такового рода вместе используемыми ресурсами данных, которые стали называться базами данных.

     Исследования  и разработки, связанные с проектированием, созданием и эксплуатации баз данных, а также нужных для этих целей языковых и программных инструментальных средств, привели к появлению самостоятельной ветки информатики, получившей заглавие системы управления данными.

     В настоящее время разработаны  и употребляются на персональных компьютерах около двадцати систем управления базами данных.

     Начиная с 60-х годов для работы с данными, стали употреблять особенные программные комплексы, называемые системами управления базами данных (СУБД). Системы управления базами данных отвечают за:

     − физическое размещение данных и их описаний;

     − поиск данных;

     − поддержание баз данных в актуальном состоянии;

     − защиту данных от некорректных обновлений и несанкционированного доступа.

     Историю технологии БД принято отсчитывать  с начала 1960-х гг., когда появились первые попытки создания специальных программных средств управления базами данных. За прошедшие десятилетия возникали и использовались различные подходы к организации баз данных.

     Для описания и сравнения некоторых из них мы воспользуемся понятием модели данных, предложенным в 1969 г. Эдгаром Коддом. Кодд ввел это понятие для описания конкретного реляционного подхода к организации баз данных (БД). Именно поэтому реляционную модель данных часто называют моделью Кодда. Понятие модели данных удобно не только для описания реляционного подхода и сравнения реализаций реляционных СУБД, но и для реализационно-независимого представления и сопоставления других подходов к организации баз данных.

     Иерархическая модель данных (МД) была исторически  первой структурой БД, видимо, из-за того, что древовидные иерархические структуры широко используются в повседневной человеческой деятельности. Это всевозможные классификаторы, ускоряющие поиск требуемой информации, иерархические функциональные структуры управления. Наиболее известной иерархической СУБД до сих пор остается IMS. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Понятие модели  данных. Обзор разновидностей 

моделей данных 

     1.1. Модель данных 

     Ядром любой базы данных является модель данных. Модель данных представляет собой  множество структур данных, ограничений целостности и операций манипулирования данными. С помощью модели данных могут быть представлены объекты предметной области и взаимосвязи между ними.

     В модели данных описывается некоторый  набор родовых понятий и признаков, которыми должны обладать все конкретные СУБД и управляемые ими базы данных, если они основываются на этой модели. Наличие модели данных позволяет сравнивать конкретные реализации, используя один общий язык.

     Хотя  понятие модели данных было введено  Коддом, наиболее распространенная трактовка модели данных, принадлежит Кристоферу Дейту, который воспроизводит ее (с различными уточнениями) применительно к реляционным БД практически во всех своих книгах. Согласно Дейту реляционная модель состоит из трех частей, описывающих разные аспекты реляционного подхода: структурной части, манипуляционной части и целостной части.

     Модель  данных − это совокупность структур данных и операций их обработки.

     Модели  данных определяются:

     − способами организации данных.

     − ограничением ценности данных.

     − операциями с данными.

     В структурной части модели данных фиксируются основные логические структуры  данных, которые могут применяться  на уровне пользователя при организации БД, соответствующих данной модели. Например, в модели данных SQL основным видом структур базы данных являются таблицы, а в объектной модели данных – объекты ранее определенных типов.

     Манипуляционная часть модели данных содержит спецификацию одного или нескольких языков, предназначенных  для написания запросов к БД. Эти  языки могут быть абстрактными, не обладающими точно проработанным синтаксисом (что свойственно языками реляционной алгебры и реляционного исчисления, используемым в реляционной модели данных), или законченными производственными языками (как в случае модели данных SQL). Основное назначение манипуляционной части модели данных – обеспечить эталонный «модельный» язык БД, уровень выразительности которого должен поддерживаться в реализациях СУБД, соответствующих данной модели.

     В целостной части модели данных (которая явно выделяется не во всех известных моделях) специфицируются механизмы ограничений целостности, которые обязательно должны поддерживаться во всех реализациях СУБД, соответствующих данной модели. Например, в целостной части реляционной модели данных категорически требуется поддержка ограничения первичного ключа в любой переменной отношения, а аналогичное требование к таблицам в модели данных SQL отсутствует.

     СУБД  основывается на использовании ряда моделей, на комбинации этих моделей  или на некотором их подмножестве. 

     1.2. Разновидности моделей данных 

     Рассмотрим общие подходы к организации трех типов ранних систем, а именно, систем, основанных на инвертированных списках, иерархических и сетевых систем управления базами данных. В целом ранние системы можно охарактеризовать следующим образом:

     1. Эти системы активно использовались в течение многих лет, задолго до появления работоспособных реляционных СУБД. На самом деле некоторые из ранних систем используются даже в наше время, накоплены громадные базы данных, и одной из актуальных проблем информационных систем является использование этих систем совместно с современными.

     2. Все ранние системы не основывались на каких-либо абстрактных моделях. Как мы упоминали, понятие модели данных фактически вошло в обиход специалистов в области БД только вместе с реляционным подходом. Абстрактные представления ранних систем появились позже на основе анализа и выявления общих признаков у различных конкретных систем.

     3. В ранних системах доступ к БД производился на уровне записей. Пользователи этих систем осуществляли явную навигацию в БД, используя языки программирования, расширенные функциями СУБД. Интерактивный доступ к БД поддерживался только путем создания соответствующих прикладных программ с собственным интерфейсом.

     4. Можно считать, что уровень средств ранних СУБД соотносится с уровнем файловых систем примерно так же, как уровень языка Cobol соотносится с уровнем языков ассемблера. Заметим, что при таком взгляде уровень реляционных систем соответствует уровню языков Ада или APL.

     5. Навигационная природа ранних систем и доступ к данным на уровне записей заставляли пользователей самих производить всю оптимизацию доступа к БД, без какой-либо поддержки системы.

     6. После появления реляционных систем большинство ранних систем было оснащено «реляционными» интерфейсами. Однако в большинстве случаев это не сделало их по-настоящему реляционными системами, поскольку оставалась возможность манипулировать данными в естественном для них режиме.

     Перечисленные характеристики в полной мере относятся и к другим не реляционным подходам к организации баз данных, которые возникли до появления реляционного подхода или почти одновременно с ним. В частности, подобными свойствами обладают системы, основанные на подходах MUMPS (наиболее известной в России является реализация этого подхода в СУБД Cache компании Intersystems) и Pick (этот подход реализован во многих СУБД, в частности, в СУБД UniVerse и UniData семейства U2 компании IBM).

     К ранним моделям данных относятся:

     1. Модель данных инвертированных  таблиц

     К числу наиболее известных и типичных представителей систем, в основе которых  лежит эта модель данных, относятся  СУБД Datacom/DB, выведенная на рынок в  конце 1960-х гг. компанией Applied Data Research, Inc. (ADR) и принадлежащая в настоящее время компании Computer Associates, и Adabas (ADAptable DAtabase System), которая была разработана компанией Software AG в 1971 г. и до сих пор является ее основным продуктом.

     Организация доступа к данным на основе инвертированных  таблиц используется практически во всех современных реляционных СУБД, но в этих системах пользователи не имеют непосредственного доступа к инвертированным таблицам (индексам). Рассматривая внутренние интерфейсы реляционных СУБД, можно увидеть, что они очень близки к пользовательским интерфейсам систем, основанных на инвертированных таблицах.

     2. Иерархическая модель данных.

     Типичным  представителем (наиболее известным  и распространенным) является СУБД IMS (Information Management System) компании IBM. Первая версия системы появилась в 1968 г.

     Иерархические базы данных поддерживают древовидную организацию информации. Связи между записями выражаются в виде отношений предок/потомок, а у каждой записи есть ровно одна родительская запись. Это помогает поддерживать ссылочную целостность. Когда запись удаляется из дерева, все ее потомки также должны быть удалены.

     3. Сетевая модель данных.

     Типичным  представителем систем, основанных на сетевой модели данных, является СУБД IDMS (Integrated Database Management System), разработанная компанией Cullinet Software, Inc. и изначально ориентированная на использования на мейнфреймах компании IBM. Архитектура системы основана на предложениях Data Base Task Group (DBTG) организации CODASYL (COnference on DAta SYstems Languages), которая отвечала за определение языка программирования COBOL. Отчет DBTG был опубликован в 1971 г., и вскоре после этого появилось несколько систем, поддерживающих архитектуру CODASYL, среди которых присутствовала и СУБД IDMS. В настоящее время IDMS принадлежит компании Computer Associates.

     Сетевой подход к организации данных является расширением иерархического подхода. В иерархических структурах запись-потомок должна иметь в точности одного предка; в сетевой структуре данных у потомка может иметься любое число предков.

2. Иерархическая модель данных 

     2.1. Структурная часть иерархической модели 

     «Иерархические  структуры» наиболее подробно описывают положительные и отрицательные черты иерархической модели. Воспринимая окружающий мир, наше сознание в процессе мышления манипулирует иерархическими понятиями. При работе с иерархиями используется «семейная» терминология (родители, внуки, предки, потомки), поскольку семья является самым распространённым примером объектов (в данном случае − людей), объединенных иерархическими отношениями («родитель» может иметь множество «детей», но не наоборот), организована в виде иерархического дерева.