База данных как модель предметной области

§ 12. База данных как модель предметной области

Информатика. 11 класса. Босова Л.Л. Оглавление

12.1. Общие представления об информационных системах

Способность накапливать информацию и обеспечивать эффективный доступ к ней является сегодня определяющим фактором развития и поддержания жизнеспособности человеческого общества.

Объёмы накопленных человечеством данных неуклонно растут. В 2011 году общий мировой объём сгенерированных человечеством данных составил более 1,8 зеттабайт (1,8 трлн Гбайт). Столько же «весят» 200 млн двухчасовых фильмов в формате высокой чёткости, которые можно просматривать ежедневно без перерыва в течении 47 млн лет. Ожидается, что количество данных на планете будет как минимум удваиваться каждые два года вплоть до 2020 года. (По материалам журнала «Суперкомпьютеры», № 1(17), 2014.)

Развитие средств вычислительной техники и информационных технологий открыло новые способы хранения, представления и поиска информации, сделав возможным создание информационных систем, обеспечивающих практически мгновенное получение каждым требуемой ему информации в той или иной предметной области (части реального мира). Центральной частью любой информационной системы является база данных.

База данных (БД) — совокупность данных, организованных по определённым правилам, отражающая состояние объектов и их отношений в некоторой предметной области (транспорт, медицина, образование, право ит. д.), предназначенная для хранения во внешней памяти компьютера и постоянного применения.

Информационная система — это совокупность содержащейся в базах данных информации и обеспечивающих её обработку информационных технологий и технических средств¹⁾.

¹⁾ Закон Российской Федерации «Об информации, информационных технологиях и о защите информации».

В наше время информационные системы находят широкое применение в производственной, маркетинговой, финансовой, кадровой и многих других сферах деятельности.

Примерами информационных систем (рис. 3.22), доступными каждому пользователю, в том числе и с помощью мобильных устройств, являются:
• информационные системы, обеспечивающие возможность получения справочной информации о расписании самолётов, поездов дальнего следования, электричек и автобусов, а также покупку железнодорожных и авиабилетов;
• информационные системы, позволяющие узнать наличие и цены на медикаменты в аптеках, места в отелях города (региона) и др.;
• разнообразные поисково-информационные картографические службы;
• порталы, содержащие информацию нормативно-правового характера и др.

Узнайте, для чего предназначены информационные системы, представленные на рисунке 3.22.

База данных как модель предметной области

Рис. 3.22. Примеры информационных систем

12.2. Предметная область и её моделирование

Предметная область — это часть реального мира, рассматриваемая в рамках определённой деятельности. Например, можно рассматривать такие предметные области, как школа, библиотека, поликлиника, кинотеатр, склад и т. д.

В предметной области можно выделить некоторые объекты (классы объектов) и зафиксировать их свойства (атрибуты).

Объект предметной области — это факт, лицо, событие, предмет, о котором могут быть собраны данные.

Информационный объект или сущность — это описание некоторого класса реальных объектов в виде совокупности свойств.

Сущность предметной области — это класс объектов предметной области; по сути, это совокупность однотипных объектов.

Примерами объектов (с точки зрения внешнего мира) или сущностей (с точки зрения БД) являются ученик, класс, кабинет, время занятий и т. д. Сущность УЧЕНИК может быть представлена в БД с помощью следующих атрибутов: номер личного дела, фамилия, имя, отчество, год рождения. Это можно записать так:

УЧЕНИК (НОМЕР ЛИЧНОГО ДЕЛА, ФАМИЛИЯ, ИМЯ, ОТЧЕСТВО, ГОД РОЖДЕНИЯ).

Между объектами, а следовательно, и между соответствующими им сущностями могут существовать связи одного из следующих типов:

• «один к одному» (обозначается 1 : 1);
• «один ко многим» (обозначается 1 : М);
• «многие к одному» (обозначается М : 1);
• «многие ко многим» (обозначается М : М).

Связь 1 : 1 имеет место, когда одному экземпляру одной сущности соответствует один экземпляр другой сущности. Такая связь может быть установлена между сущностями ВЫПУСКНИК_ ШКОЛЫ и АТТЕСТАТ: каждый выпускник школы получает аттестат о среднем образовании и каждый аттестат принадлежит одному выпускнику.

Связь 1 : М имеет место, когда одному экземпляру одной сущности может соответствовать несколько экземпляров другой сущности. Например, у матери может быть несколько детей; в одном кинотеатре может быть несколько залов; в одном классе, как правило, множество учеников.

Связь М : 1 является противоположной к связи 1 : М; она имеет место, когда нескольким экземплярам одной сущности соответствует один экземпляр другой сущности. Например, несколько учеников учатся в одном классе.

Связь М : М имеет место, когда нескольким экземплярам одной сущности соответствует несколько экземпляров другой сущности. Например, многие ученики получают много разных оценок; каждый учитель, преподающий в 11 классе, обучает многих учащихся, а каждый учащийся 11 класса обучается у нескольких учителей; один автор может написать несколько книг, и, в то же время, одна книга может быть написана несколькими авторами.

Существуют связи, которыми каждый экземпляр одной сущности обязательно связан с одним или несколькими экземплярами другой сущности.

Например, связь между сущностями КЛАСС и УЧЕНИК такова, что каждый ученик принадлежит к определённому классу, и каждый класс состоит из определённой группы учеников. Возможны связи, при которых каждый экземпляр одной сущности не обязательно связан хотя бы с одним экземпляром другой сущности.

Для создания БД необходимо, прежде всего, построить модель её предметной области, определив, данные о каких объектах будут в ней храниться и какие связи между этими данными необходимо учесть.

Модель предметной области, включающую в себя сущности, их атрибуты и связи между сущностями называют моделью «сущность- связь», или ER-моделью (от англ. Entity-Relationship — сущность- связь).

Для большей наглядности при создании моделей «сущность- связь» пользуются условными графическими обозначениями: сущности изображаются в виде прямоугольников, атрибуты — в виде эллипсов, связи — в виде ромбов.

Построим модель «сущность-связь» для предметной области «Авиаперелёты», в которой рассмотрим две сущности: ПАССАЖИР и БИЛЕТ (рис. 3.23).

Рис. 3.23. Модель «сущность-связь» предметной области «Авиаперелёты»

Каждый пассажир, собирающийся лететь, например, в Париж, имеет билет. Двух одинаковых билетов, как и двух одинаковых пассажиров, не существует. Сущность ПАССАЖИР в данной модели характеризуется свойствами: ФАМИЛИЯ, ИМЯ и ДОКУМЕНТ, удостоверяющий личность. Атрибуты сущности БИЛЕТ — РЕЙС, ДАТА, ВРЕМЯ, РЯД, МЕСТО и НОМЕР БИЛЕТА. Между сущностями ПАССАЖИР и БИЛЕТ существует связь Имеет. Это связь «один к одному»; соответствующие обозначения находятся над линиями связи возле прямоугольников сущностей. Эта связь является обязательной (сплошная линия на схеме) для сущности ПАССАЖИР (для того чтобы быть пассажиром, человек должен иметь билет) и необязательной (пунктирная линия на схеме) для сущности БИЛЕТ, поскольку не все билеты на рейс могут быть проданы.

12.3. Представление о моделях данных

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

С помощью модели данных могут быть представлены сущности и взаимосвязи между ними. Выделяют три основных типа моделей данных: иерархическую, сетевую и реляционную.

Иерархическая модель данных определяет организацию данных об объектах в виде дерева. В иерархической модели данных у каждого объекта есть только один объект высшего уровня, которому он подчинён (родительский), и может быть несколько подчинённых объектов (потомков). Исключение составляет только наивысший по иерархии объект — у него нет родительского объекта. В иерархической модели данных каждый родительский объект в совокупности с подчинёнными объектами (потомками) можно рассматривать как отдельное дерево.

Пример иерархической организации данных представлен на рисунке 3.24. Информация БД «Школа» структурирована в виде иерархических деревьев, количество которых равно количеству подразделений (НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА, ОСНОВНАЯ ШКОЛА, СТАРШАЯ ШКОЛА). На первом уровне находится сущность ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ (НОМЕР, НАЗВАНИЕ, РУКОВОДИТЕЛЬ). Сущности второго уровня — КЛАССЫ (КОД КЛАССА, КЛАССНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ), сущности третьего уровня — УЧЕНИКИ (ЛИЧНОЕ ДЕЛО, ФАМИЛИЯ). Подчёркиванием выделен атрибут, который однозначно определяет каждый экземпляр сущности.

Рис. 3.24. Пример иерархической организации данных

Для обработки данных в иерархической модели данных используется следующий набор команд:

• найти указанное дерево (например, дерево 1);
• перейти от одного дерева к другому (например, от дерева НА к дереву 10А);
• перейти от родительского объекта к объекту-потомку внутри дерева (например, от объекта 11А к объекту К-18);
• перейти от одного объекта к другому в порядке, предусмотренном иерархической структурой (например, от объекта 9А к объекту 10А);
• вставить новый объект в указанном месте;
• удалить текущий объект и др.

Модель данных должна обеспечивать целостность данных, иначе говоря, в представленных с её помощью данных не должно быть противоречий.

Свойство целостности должно сохраняться при любых действиях с данными.

Основное правило обеспечения целостности в иерархической модели данных состоит в том, что ни один подчинённый объект (потомок) не может существовать без родительского объекта, за исключением одного основного родительского объекта.

При значительном количестве данных в БД, построенных по иерархической модели, поиск нужных данных может занять много времени. Например, поиск файла, содержащего определённый фрагмент текста, на всех жёстких дисках персонального компьютера может длиться несколько минут.

В Интернете подобный поиск будет длиться максимум несколько секунд, при этом будут обработаны значительно большие объёмы данных.

Постарайтесь вспомнить, за счёт чего так быстро происходит поиск в Интернете. Как это связано с индексацией данных? Используются ли аналогичные возможности в современных операционных системах?

Иерархическую модель данных удобно использовать для предметной области, объекты которой также имеют между собой иерархическую зависимость. Для предметной области, в которой объекты связаны между собой более сложной зависимостью, чем иерархия, может быть использована сетевая модель данных.

Сетевая структура данных предусматривает, что у каждого объекта может быть как несколько объектов-потомков, так и несколько родительских объектов. Пример связей между объектами при использовании сетевой модели данных изображен на рисунке 3.25.

Рис. 3.25. Сетевая структура данных

Для обработки данных в сетевой модели данных используются команды:

• найти указанный объект среди однотипных объектов, например объект с данными об ученике Кучеренко М.;
• перейти от родительского объекта к первому потомку, используя определённую связь;
• перейти от объекта-потомка к родительскому объекту, используя определённую связь;
• вставить новый объект в указанном месте;
• удалить текущий объект;
• изменить объект;
• включить объект в определённую связь;
• разорвать связь и др.

Использование сетевой модели данных осложняется при значительном увеличении количества объектов предметной области и усложнении связей между ними.

Основой структуры реляционной модели данных является таблица, каждая строка которой содержит набор значений свойств одного из объектов предметной области, а каждый столбец — набор значений определённого свойства объектов предметной области. Таблица реляционной БД состоит из элементов определённых множеств, что позволяет для обработки данных этой таблицы использовать операции над множествами.

Целостность¹⁾ в реляционной модели данных обеспечивается соблюдением двух принципов:

1) обязательная возможность идентификации объекта (экземпляра сущности) за счёт уникальности набора значений его свойств, указанных в строке реляционной таблицы;

2) обязательная корректность связей между таблицами.

В соответствии с моделью данных, лежащей в основе БД, различают иерархические, сетевые и реляционные БД. Последние мы рассмотрим более подробно.

¹⁾ Более подробно этот вопрос будет раскрыт в следующем параграфе.

12.4. Реляционные базы данных

Итак, основным объектом реляционной БД является таблица. Каждая такая таблица, называемая реляционной таблицей или отношением, обладает следующими свойствами:

• все столбцы в таблице однородные, т. е. все элементы в одном столбце имеют одинаковый тип и максимально допустимый размер;
• каждый столбец имеет уникальное имя;
• одинаковые строки в таблице отсутствуют;
• порядок следования строк и столбцов в таблице не имеет значения.

Основными структурными элементами реляционной таблицы являются поле и запись (рис. 3.26).

Рис. 3.26. Основные структурные элементы реляционной таблицы

Поле (столбец реляционной таблицы) — элементарная единица логической организации данных, которая соответствует конкретному атрибуту сущности.

Запись (строка реляционной таблицы) — совокупность логически связанных полей, соответствующая конкретному экземпляру сущности. Например, информация о крупнейших озёрах мира в виде реляционной таблицы представлена на рисунке 3.27.

Для наглядности представления связей между таблицами переходят к представлению структур таблиц, указывая только имена полей:

Рис. 3.27. Таблица реляционной БД

Например, структура таблицы, представленной на рисунке 3.27, будет иметь вид:

Первичный ключ (идентификатор) реляционной таблицы — это поле или совокупность полей, которые однозначно определяют каждую строку (запись) в таблице.

Основные свойства первичного ключа:

1) однозначная идентификация записи (запись должна однозначно определяться значением ключа);
2) отсутствие избыточности (удаление любого поля первичного ключа приведёт к нарушению свойства однозначной идентификации записи).

Ключ, состоящий из одного поля, называется простым ключом (ключевым полем). Ключ называется составным, если он включает в себя несколько полей.

В таблице БД, представленной на рисунке 3.27, в качестве ключевого можно использовать поле НАЗВАНИЕ: значения в этом поле являются уникальными для каждой записи, потому что крупных озёр с одинаковыми названиями не существует.

Для хранения данных о сущностях некоторой предметной области может использоваться несколько связанных между собой таблиц. Связь между таблицами устанавливается с помощью ключевых полей.

Можно связать две реляционные таблицы, если ключ одной связываемой таблицы ввести в состав ключа другой таблицы (возможно совпадение ключей). Ключевое поле одной связываемой таблицы можно ввести в структуру другой таблицы, при этом оно уже не будет ключевым; такое поле называется внешним ключом.

Между таблицами А и В установлена связь «один к одному», если каждая запись в таблице А может иметь не более одной связанной с ней записи в таблице В, и наоборот — каждая запись в таблице В может иметь не более одной связанной с ней записи в таблице А.

Связь между таблицами имеет тип «один к одному», если она установлена по совпадающим первичным ключам.

Таблицы УЧЕНИК и УЧЕБНЫЙ ГОД связаны по типу «один к одному» (рис. 3.28). В этом случае имеет место совпадение ключей.

Рис. 3.28. Пример связей «один к одному» и «один ко многим» между таблицами

Между таблицами А и Б установлена связь «один ко многим», если каждая запись в таблице А может быть связана с несколькими записями таблицы Б, но каждая запись в таблице Б не может быть связана более чем с одной записью таблицы А.

Между таблицами ПООЩРЕНИЕ и УЧЕБНЫЙ ГОД связь «один ко многим». В этом случае ключевое поле одной связываемой таблицы (ПООЩРЕНИЕ) введено в структуру другой таблицы (УЧЕБНЫЙ ГОД) так, что там оно уже не является ключевым и рассматривается как внешний ключ. В рамках этой связи таблица, содержащая первичный ключ, считается главной, а таблица, содержащая внешний ключ, считается подчинённой.

Между таблицами А и Б установлена связь «многие ко многим», если каждой записи таблицы А может соответствовать несколько записей в таблице Б, и наоборот — каждой записи таблицы В может соответствовать несколько записей в таблице А.

Такая связь всегда реализуется с помощью третьей связующей таблицы С. Связь «многие ко многим» представляет собой комбинацию двух связей типа «один ко многим»: между таблицами А и С и между таблицами В и С.

Например, связь между таблицами ЧИТАТЕЛЬ и КНИГА базы данных БИБЛИОТЕКА может быть реализована с помощью таблицы АБОНЕМЕНТ¹⁾ (рис. 3.29).

Рис. 3.29. Пример связей «один ко многим» и «многие ко многим» между таблицами

¹⁾ Самостоятельно уточните значение слова «абонемент» в дополнительных источниках информации.

САМОЕ ГЛАВНОЕ

База данных (БД) — совокупность данных, организованных по определённым правилам, отражающая состояние объектов и их отношений в некоторой предметной области, предназначенная для хранения во внешней памяти компьютера и постоянного применения.

Информационная система — это совокупность содержащейся в базах данных информации и обеспечивающих её обработку информационных технологий и технических средств.

Модель данных — это совокупность структур данных и операций их обработки. Выделяют три основных типа моделей данных: иерархическую, сетевую и реляционную.

Основным объектом реляционной БД является таблица, обладающая следующими свойствами: все столбцы в таблице однородные, т. е. все элементы в одном столбце имеют одинаковый тип и максимально допустимый размер; каждый столбец имеет уникальное имя; одинаковые строки в таблице отсутствуют; порядок следования строк и столбцов в таблице не имеет значения.

Основными структурными элементами реляционной таблицы являются поле и запись.

Первичный ключ (ключевое поле, идентификатор) реляционной таблицы — это поле или совокупность полей, которые однозначно определяют каждую строку (запись) в таблице. Ключ, состоящий из одного поля, называется простым ключом. Ключ называется составным, если он включает в себя несколько полей.

Для хранения данных о сущностях некоторой предметной области может использоваться несколько связанных между собой таблиц. Связь между таблицами устанавливается с помощью ключевых полей.

Между таблицами А и В установлена связь «один к одному», если каждая запись в таблице А может иметь не более одной связанной с ней записи в таблице Б, и наоборот — каждая запись в таблице В может иметь не более одной связанной с ней записи в таблице А.

Между таблицами А и В установлена связь «один ко многим», если каждая запись в таблице А может быть связана с несколькими записями таблицы Б, но каждая запись в таблице Б не может быть связана более чем с одной записью таблицы А.

Между таблицами А и Б установлена связь «многие ко многим», если каждой записи таблицы А может соответствовать несколько записей в таблице Б, и наоборот — каждой записи таблицы В может соответствовать несколько записей в таблице А. Такая связь всегда реализуется с помощью третьей связующей таблицы С. Связь «многие ко многим» представляет собой комбинацию двух связей типа «один ко многим»: между таблицами А и С и между таблицами В и С.