иерархические информационные модели

иерархические информационные модели Иерархическая модель данных — это модель данных, где используется  представление базы данных в виде древовидной (иерархической) структуры, состоящей из объектов (данных) различных уровней. Между объектами существуют связи, каждый объект может включать в себя несколько  объектов более низкого уровня. Такие объекты находятся в отношении предка (объект  более близкий к корню) к потомку (объект более низкого уровня), при этом возможна  ситуация, когда объект­предок не имеет потомков или имеет их несколько, тогда как у  объекта­потомка обязательно только один предок. Объекты, имеющие общего предка,  называются близнецами (в программировании применительно к структуре данных дерево  устоялось название братья). Первые системы управления базами данных[уточнить] использовали иерархическую модель  данных. Например, если иерархическая база данных содержала информацию о покупателях и их  заказах, то будет существовать объект «покупатель» (родитель) и  объект«заказ» (дочерний). Объект «покупатель» будет иметь указатели от каждого  заказчика к физическому расположению заказов покупателя в объект «заказ». В этой модели запрос, направленный вниз по иерархии, прост (например, какие заказы  принадлежат этому покупателю); однако запрос, направленный вверх по иерархии, более  сложен (например, какой покупатель поместил этот заказ). Также, трудно представить не­ иерархические данные при использовании этой модели. Иерархической базой данных является файловая система, состоящая из корневого  каталога, в котором имеется иерархия подкаталогов и файлов. Структурная часть иерархической модели[править | править вики­текст] Основными информационными единицами в иерархической модели данных являются  сегмент и поле. Поле данных определяется как наименьшая неделимая единица данных,  доступная пользователю. Для сегмента определяются тип сегмента и экземпляр сегмента.  Экземпляр сегмента образуется из конкретных значений полей данных. Тип сегмента —  это поименованная совокупность входящих в него типов полей данных. Как и сетевая, иерархическая модель данных базируется на графовой форме построения  данных, и на концептуальном уровне она является просто частным случаем сетевой  модели данных. В иерархической модели данных вершине графа соответствует типсегмента или просто сегмент, а дугам — типы связей предок — потомок. В  иерархических структуpax сегмент — потомок должен иметь в точности одного предка. Иерархическая модель представляет собой связный неориентированный  граф древовидной структуры, объединяющий сегменты. Иерархическая БД состоит из  упорядоченного набора деревьев. Управляющая часть иерархической модели[править | править вики­текст] В рамках иерархической модели выделяют языковые средства описания данных (ЯОД) и  средства манипулирования данными (ЯМД). Каждая физическая база описывается  набором операторов, обусловливающих как её логическую структуру, так и структуру  хранения БД. При этом способ доступа устанавливает способ организации взаимосвязи  физических записей. Определены следующие способы доступа:  иерархически последовательный;  иерархически индексно­последовательный;  иерархически прямой;  иерархически индексно­прямой;  индексный. Помимо задания имени БД и способа доступа описания должны содержать определения  типов сегментов, составляющих БД, в соответствии с иерархией, начиная с корневого  сегмента. Каждая физическая БД содержит только один корневой сегмент, но в системе  может быть несколько физических БД. Среди операторов манипулирования данными можно выделить операторы поиска данных,  операторы поиска данных с возможностью модификации, операторы модификации  данных. Набор операций манипулирования данными в иерархической БД невелик, но  вполне достаточен. Примеры типичных операторов поиска данных[править | править вики­текст]  найти указанное дерево БД;  перейти от одного дерева к другому;  найти экземпляр сегмента, удовлетворяющий условию поиска; перейти от одного сегмента к другому внутри дерева;  перейти от одного сегмента к другому в порядке обхода иерархии. Примеры типичных операторов поиска данных с возможностью модификации:  найти и удержать для дальнейшей модификации единственный экземпляр сегмента,  удовлетворяющий условию поиска;  найти и удержать для дальнейшей модификации следующий экземпляр сегмента с  теми же условиями поиска;  найти и удержать для дальнейшей модификации следующий экземпляр для того же  родителя. Примеры типичных операторов модификации иерархически организованных данных,  которые выполняются после выполнения одного из операторов второй группы (поиска  данных с возможностью модификации):  вставить новый экземпляр сегмента в указанную позицию;  обновить текущий экземпляр сегмента;  удалить текущий экземпляр сегмента. В иерархической модели автоматически поддерживается целостность ссылок между  предками и потомками. Основное правило: никакой потомок не может существовать без  своего родителя. Известные иерархические СУБД[править | править вики­текст]  Типичным представителем (наиболее известным и распространенным)  является Information Management System (IMS) фирмы IBM (1966­1968 г.).  Time­Shared Date Management System (TDMS) компании System Development  Corporation;  Mark IV MultiAccess Retrieval System компании Control Data Corporation;  System 2000 разработки SAS Institute;  Серверы каталогов, такие, как LDAP и Active Directory (допускают чёткое  представление в виде дерева) По принципу иерархической БД построены иерархические файловые системы  и Реестр Windows.  InterSystems Caché  Google App Engine Datastore API Преобразование концептуальной модели в иерархическую модель  данных[править | править вики­текст] Преобразование концептуальной модели в иерархическую структуру данных во многом  схоже с преобразованием её в сетевую модель, но и имеет некоторые отличия в связи с  тем, что иерархическая модель требует организации всех данных в виде дерева. Преобразование связи типа «один ко многим» между предком и потомком  осуществляется практически автоматически в том случае, если потомок имеет одного  предка, и происходит это следующим образом. Каждый объект с его атрибутами,  участвующий в такой связи, становится логическим сегментом. Между двумя  логическими сегментами устанавливается связь типа «один ко многим». Сегмент со  стороны «много» становится потомком, а сегмент со стороны «один» становится  предком. Ситуация значительно усложняется, если потомок в связи имеет не одного, а двух и более предков. Так как подобное положение является невозможным для иерархической модели, то отражаемая структура данных нуждается в преобразованиях, которые сводятся к  замене одного дерева, например, двумя (если имеется два предка). В результате такого  преобразования в базе данных появляется избыточность, так как единственно возможный  выход из этой ситуации — дублирование данных. Табличные информационные модели Типы информационных моделей Информационные модели отражают различные типы систем объектов, в которых  реализуются различные структуры взаимодействия и взаимосвязи между элементами  системы. Для отражения систем с различными структурами используются различные типы информационных моделей: 1) табличные, 2) иерархические 3) сетевые.Одним из наиболее часто используемых типов информационных моделей является  прямоугольная таблица, которая состоит из столбцов и строк. Такой тип моделей  применяется для описания ряда объектов, обладающих одинаковыми наборами свойств. С помощью таблиц могут быть построены как статические, так и динамические  информационные модели в различных предметных областях. Широко известно табличное  представление математических функций, статистических данных, расписаний поездов и  самолетов, уроков и так далее. В табличной информационной модели обычно перечень объектов размещен в ячейках  первого столбца таблицы, а значения их свойств — в других столбцах. Иногда использу­ ется другой вариант размещения данных в табличной модели, когда перечень объектов  размещается в первой строке таблицы, а значения их свойств — в последующих строках. Перечень логических переменных и функций размещен в первой строке таблицы, а их  значения — в последующих строках. В табличной информационной модели перечень однотипных объектов или свойств  размещен в первом столбце (или строке) таблицы, а значения их свойств размещаются в  следующих столбцах (или строках) таблицы. Табличные информационные модели проще всего строить и исследовать на компьютере с  помощью электронных таблиц и систем управления базами данных. Представление объектов и их свойств в форме таблицы часто используется в научных  исследованиях. Так, на развитие химии и физики решающее влияние оказало создание Д.  И. Менделеевым в конце XIX века периодической системы элементов, которая  представляет собой табличную информационную модель. В этой модели химические  элементы располагаются в ячейках таблицы по возрастанию атомных весов, а в столбцах  — по количеству валентных электронов, причем по положению в таблице можно  определить некоторые физические и химические свойства элементов.   Нас окружает множество различных объектов, каждый из которых обладает  определенными свойствами. Однако некоторые группы объектов имеют одинаковые  общие свойства, которые отличают их от объектов других групп. Базой данных является представленная в объективной форме совокупность  самостоятельных материалов (статей, расчетов, нормативных актов, судебных решений ииных подобных материалов), систематизированных таким образом, чтобы эти материалы  могли быть найдены и обработаны с помощью электронной вычислительной машины. В классической теории баз данных, модель данных есть формальная теория  представления и обработки данных в системе управления базами данных (СУБД), которая включает, по меньшей мере, три аспекта: 1) аспект структуры: методы описания типов и логических структур данных в базе  данных; 2) аспект манипуляции: методы манипулирования данными; 3) аспект целостности: методы описания и поддержки целостности базы данных. Модель данных — это абстрактное, самодостаточное, логическое определение объектов,  операторов и прочих элементов, в совокупности составляющих абстрактную машину  доступа к данным, с которой взаимодействует пользователь. Эти объекты позволяют  моделировать структуру данных, а операторы — поведение данных. Каждая БД и СУБД  строится на основе некоторой явной или неявной модели данных. Все СУБД, построенные на одной и той же модели данных, относят к одному типу. 1) Иерархическая модель Иерархическая структура представляет совокупность элементов, связанных между собой  по определенным правилам. Графическим способом представлен ия ие рархической  структуры является дерево (см. рис. 2.1). Дерево представляет собой иерархию элементов, называемых узлами. Под элементами  понимается совокупность атрибутов, описывающих объекты. В модели имеется корневой  узел (корень дерева), который находится на самом верхнем уровне и не имеет узлов,  стоящих выше него. У одного дерева может быть только один корень. Остальные узлы,  называемые порожденными, связаны между собой следующим образом: каждый узел  имеет только один исходный, находящийся на более высоком уровне, и любое число  (один, два или более, либо ни одного) подчиненных узлов на следующем уровне.Примером простого иерархического представления может служить административная  структура высшего учебного заведения: институт – отделение – факультет – студенческая группа. К достоинствам иерархической модели данных относятся эффективное использование  памяти ЭВМ и неплохие показатели времени выполнения операций над данными. Недостатком иерархической модели является ее громоздкость для обработки  информации с достаточно сложными логическими связями. На иерархической модели данных основано сравнительно ограниченное количество  СУБД, в числе которых можно назвать зарубежные системы IMS , PC / Focus , Team — Up и Data Edge , а также отечественные системы Ока, ИНЭС и МИРИС.