что такое иерархическая база данных
IT-блог о веб-технологиях, серверах, протоколах, базах данных, СУБД, SQL, компьютерных сетях, языках программирования и создание сайтов.
Иерархическая база данных. Иерархическая модель данных
Здравствуйте, уважаемые посетители моего скромного блога для начинающих вебразработчиков и web мастеров ZametkiNaPolyah.ru. Продолжаем рубрику Заметки о MySQL, в которой уже были публикации: Нормальные формы и транзитивная зависимость, избыточность данных в базе данных, типы и виды баз данных, настройка MySQL сервера и файл my.ini, MySQL сервер, установка и настройка, Архитектура СУБД и архитектура баз данных, Сетевая база данных, сетевая модель данных. Я продолжаю рассматривать различные модели данных, и сегодня мы поговорим про иерархическую модель данных или иначе – иерархическую базу данных.
Стоит сказать, что иерархическая база данных является частным случаем сетевой модели данных, о которой мы говорили в предыдущей публикации. Но дело все в том, что и иерархическая модель данных, и сетевые базы данных являются мало эффективными, и постепенно от их использования отказываются. Иерархические и сетевые СУБД остались только в некоторых крупных фирмах, которые наполняли такие базы годами. И сейчас основной проблемой для таких фирм является проблема совместимости иерархических и сетевых баз данных с реляционными базами данных. Ну а сегодня мы просто поговорим про иерархическую базу данных.
Иерархическая модель данных
Иерархическая модель данных является частным случаем сетевой модели данных, структура иерархической базы данных немного проще сетевой и, соответственно, иерархические базы данных даже менее эффективны, чем сетевые. Иерархическая модель данных, как и сетевые БД опирается на теорию графов.
Иерархическая база данных. Иерархическая модель данных.
В основе иерархической модели данных лежит один главный элемент (главный узел), с которого все и начинается, такой элемент называет корневым элементом, в теории графов это называется корнем дерева. Вообще, по сути, что сетевая база данных, что иерархическая база данных имеет древовидную структуру. Все элементы или узлы, которые находятся ниже корневого узла иерархической модели, являются потомками корня. Стоит сказать, что и иерархическая база данных, и сетевая база данных оптимизированы на чтение информации из БД, но не на запись информации в базу данных, эта особенность обусловлена самой моделью данных.
Узлы дерева, которые находятся на одном уровне, обычно называются братьями. Узлы, которые находятся ниже какого-то определенного уровня, являются дочерними узлами по отношению к нему. Иерархическую модель данных можно сравнить с файловой системой компьютера. Компьютер умеет очень быстро работать с отдельными файлами: удалять конкретный файл, редактировать файл, копировать или перемещать файл. Но операция проверки компьютера антивирусом может происходить достаточно длительное время.
Точно такие же особенности присуще иерархической СУБД, то есть базы данных, имеющие иерархическую структуру, умеют очень быстро находить и выбирать информацию и отдавать ее пользователю. Но структура иерархической модели данных не позволяет столь же быстро перебирать информацию. Ну, это видно из рисунка, представленного выше. Допустим, что нам необходимо найти все записи, содержащие слово «сотрудник». Как будет поступать иерархическая СУБД в этом случае? А поступать она будет следующим образом: свой поиск она начнет с корневого элемента иерархической модели данных, проверив его, она начнет проверять его связи, если связей будет несколько, то она пойдет проверять в крайний левый дочерний элемент, расположенный на уровень ниже.
Затем иерархическая СУБД проверит содержимое этого элемента и его связи, если связей опять будет несколько, то она отправится опять-таки в крайний левый дочерний элемент, чтобы проверить его содержимое, проверив его содержимое она увидит, что у этого узла нет дочерних элементов и вернется в родительский узел этого узла, чтобы проверить, есть ли у него еще дочерние элементы. И так постепенно, узел за узлом, спуская и поднимаясь по иерархии узлов СУБД переберет все узлы и выдаст нам все записи, в которых есть слово «сотрудник». Ну, думаю, что с иерархической моделью данных мы более-менее разобрались (если не разобрались, то пишите в комментарии), можно приступить к рассмотрению структуры иерархической базы данных.
Структура иерархической базы данных
Самые первые в мире СУБД использовали иерархическую модель данных, иерархические базы данных появились даже раньше, чем сетевая модель хранения данных. Поэтому структура иерархической базы данных немного проще, чем структура сетевой БД. И так, основными информационными единицами иерархической модели данных являются сегмент и поле. Поле данных является наименьшей неделимой информационной единицей иерархической базы данных, доступной пользователю. У сегмента данных можно определить его тип и экземпляр сегмента.
Иерархическая база данных. Иерархическая модель данных.
Экземпляр сегмента образуется из конкретных значений полей данных. Тип сегмента – это именованная совокупность всех типов полей данных, входящих в данный сегмент. Если ориентироваться по рисунку выше, то тип сегмента – это родительский элемент и все его дочерние элементы. Как я уже говорил: иерархическая модель данных базируется на теории графов, но если структура сетевой БД описывается ориентированным графом (графом со стрелочками), то структура иерархической базы данных описывается неориентированным графом. Характерной особенностью структуры иерархической модели данных является то, что у любого потомка или дочернего элемента может быть только один предок или родительский элемент.
Каждый узел иерархического дерева или каждый элемент иерархической базы данных является сегментом данных. Линии, соединяющие сегменты – это связи между информационными объектами иерархической базы данных. Рисунок должен внести дополнительную ясность:
На концептуальном уровне иерархическая база данных является частным случаем сетевой модели данных.
Преобразование концептуальной модели в иерархическую модель данных
Преобразование концептуальной модели в иерархическую модель данных происходит аналогично преобразованию в сетевую модель данных, но существую некоторые тонкости, о которых мы и поговорим. Эти тонкости связаны с тем, что структура иерархической базы данных должна быть представлена в виде дерева, то есть данные иерархической модели должны быть организованы в виде дерева.
Как вы помните: дуги, соединяющие узлы между собой, – это связи. Связи бывают один к одному и один ко многим. Преобразование связей один ко многим происходит автоматически в том случае, если потомок иерархического дерева имеет только одного предка. 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. Согласитесь, что преобразование в иерархическую модель данных похоже на преобразование в сетевую модель.
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.
Управление иерархическими данными
У иерархической модели данных существует два средства управления данными: языковые средства описания данных (ЯОД) и языковые средства манипулирования данными (ЯМД). Физическая структура иерархической базы данных описывает: логическую структуру иерархической модели данных и саму структуру хранения базы данных.
При этом способ доступа устанавливает способ организации взаимосвязи физических записей. Определены следующие способы доступа:
Помимо того, что обязательно должно быть задано имя иерархической базы данных и способа доступа к каждому элементу иерархической модели данных, описание иерархической БД должно содержать определение типов каждого сегмента данных, входящих в базу данных, в соответствие с выстроенной иерархией. Описание типов сегмента следует начинать с корня иерархической модели. Особенностью иерархических баз данных является то, что каждая физическая база данных может содержать только один корень, но в одной иерархической системе может находиться несколько физических баз данных.
Среди операторов манипулирования данными для иерархической базы данных можно выделить операторы поиска данных, операторы поиска данных с возможностью модификации, операторы модификации данных. Набор операций манипулирования данными в иерархической модели данных не так уж обширен, но этого набора вполне достаточно для управления и поддержания иерархических баз данных. Примеры типичных операторов поиска данных:
Примеры типичных операторов поиска данных с возможностью модификации:
Примеры типичных операторов модификации иерархически организованных данных, которые выполняются после выполнения одного из операторов второй группы (поиска данных с возможностью модификации):
Иерархические базы данных
Иерархические базы данных
Иерархическая модель базы данных состоит из объектов с указателями от родительских объектов к потомкам, соединяя вместе связанную информацию.
Иерархические базы данных могут быть представлены как дерево, состоящее из объектов различных уровней. Верхний уровень занимает один объект, второй — объекты второго уровня и т. д.
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 возможно, когда объект-предок не имеет потомков или имеет их несколько, тогда как у объекта-потомка обязательно только один предок. Объекты, имеющие общего предка, называются близнецами.
Содержание
Примеры
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 корневой директории, в которой имеется иерархия поддиректорий и файлов.
Иерархическая модель данных
Первые системы управления базами данных использовали иерархическую модель данных, и во времени их появление предшествует появлению сетевой модели.
Структурная часть иерархической модели
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 тип сегмента 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 гpaф древовидной структуры, объединяющий сегменты. Иерархическая БД состоит из упорядоченного набора деревьев.
Преобразование концептуальной модели в иерархическую модель данных
Преобразование концептуальной модели в иерархическую структуру данных во многом схоже с преобразованием ее 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.
Управляющая часть иерархической модели
В рамках иерархической модели выделяют языковые средства описания данных (ЯОД) и средства манипулирования данными (ЯМД). Каждая физическая база описывается набором операторов, обусловливающих как ее логическую структуру, так и структуру хранения БД. При этом способ доступа устанавливает способ организации взаимосвязи физических записей.
Определены следующие способы доступа:
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
Примеры типичных операторов поиска данных с возможностью модификации:
Примеры типичных операторов модификации иерархически организованных данных, которые выполняются после выполнения одного из операторов второй группы (поиска данных с возможностью модификации):
В иерархической модели автоматически поддерживается целостность ссылок между предками и потомками. Основное правило: никакой потомок не может существовать без своего родителя
Основные понятия иерархической модели базы данных
Иерархическая модель базы данных — что это такое в информатике
Иерархическая модель базы данных — это древовидная структура, состоящая из данных или объектов разных уровней.
Преимуществами модели являются:
Среди несовершенств выделяют:
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Работа с иерархическими базами данных требует значительных ресурсов основной и дисковой памяти вычислительной машины. А это заметно понижает скорость считывания параметров, обработки информации.
Основные понятия, принцип построения
Между объектами иерархической базы присутствуют связи. Каждый из них может включать в себя объекты низшего уровня, быть зависимым от стоящего выше.
Если из двух объектов один расположен ближе к корню, его называют предком. Если дальше — потомком. Потомок всегда имеет только одного предка. А у предка может быть несколько потомков. При этом потомки одного уровня, имеющие единого предка, именуются близнецами или братьями.
Структурная часть
Основными элементами, информационными единицами выступают:
Экземпляр — это образование из определенных значений полей данных. Тип — поименованная совокупность составляющих сегмент типов полей.
Иерархическая модель основана на графовой форме построения: вершине графа соответствует сегмент или тип сегмента, дугам — связи «предок-потомок». Модель представляет собой связный неориентированный граф объединяющей сегменты древовидной структуры. База данных состоит из строго упорядоченного набора деревьев.
Управляющая часть
Для рассматриваемой модели разработаны языковые средства описания данных и манипулирования ими. База описывается набором операторов, определяющих структуру хранения и логику построения. При этом вариант создания связей между физическими записями определяется способом доступа, который может быть:
Описание должно содержать имя БД, способ доступа, уточнение типа сегмента в соответствии с иерархией.
Каждая база имеет один корневой сегмент. А система может включать несколько физических баз.
Операций манипулирования данными в рассматриваемой модели немного. Это поиск данных, их модификация и поиск с возможностью модификации. Но, несмотря на сравнительно небольшой набор, его вполне достаточно для корректного и эффективного управления.
Характерные особенности, какие операции можно производить
В качестве примера операций по поиску данных можно привести такие задачи, как:
Типичные операторы модификации:
Примеры поиска данных с возможностью модификации:
Особенной характеристикой иерархической базы данных является то, что она оптимизирована на чтение, а не запись. Система быстро производит поиск, выбор и представление информации пользователю, но не позволяет оперативно обновлять и заменять ее.
В сравнении с базами, построенными на основе цикла, иерархическая структура более функциональна: одна циклическая база хранит только один неизменный набор данных.
Применение иерархической структуры данных на практике
Самым простым практическим применением структуры является традиционная файловая система ОС Windows. Зайдя в знакомый всем Проводник, мы попадаем в корень и видим крупные структурные единицы: «Этот компьютер», «Сеть» и другие. Продвигаясь в направлении от корня и выбирая одну из единиц, мы переходим к папкам, затем к файлам и находим нужную информацию.
Широко известными иерархическими базами данных считаются:
К этой же категории принадлежит System 2000 от американской частной компании SAS Institute.
Если отойти от информатики, то практическое применение можно обнаружить в биологии, географии, анатомии. По принципу нисходящей ветвящейся структуры организована классификация живых организмов, выстроены объекты гидросферы, отображены разветвления нервов и кровеносных сосудов.
Прямым аналогом, отображающим свойства и основы построения иерархических баз данных, является генеалогическое дерево.
Иерархическая СУБД
Каталог СУБД-решений и проектов доступен на TAdviser.
Содержание
Подробности
Типичным представителем (наиболее известным и распространенным) является Information Management System (IMS) фирмы IBM. Первая версия появилась в 1968 г. До сих пор существуют базы, которые поддерживаются этой СУБД. Иерархические модели имеют древовидную структуру, где каждому узлу соответствует один сегмент, представляющий собой поименованный линейный кортеж полей данных. Каждому сегменту соответствует один входной и несколько выходных сегментов. Каждый элемент структуры лежит на единственном иерархическом пути, начинающемся от корневого. Иерархические базы данных наиболее пригодны для моделирования структур, по своей природе являющихся иерархическими. В качестве примеров можно привести воинские подразделения или сложные механизмы, состоящие из более простых узлов, которые в свою очередь тоже можно подвергнуть декомпозиции. Тем не менее существует значительное количество организаций, не сводящихся к простой иерархии. В этой модели запрос, направленный вниз по иерархии, прост, однако запрос, направленный вверх по иерархии, более сложен. К достоинствам иерархической модели данных относятся эффективное использование памяти ЭВМ и неплохие показатели времени выполнения основных операций над данными. Иерархической базой данных является файловая система, состоящая из корневой директории, в которой имеется древовидная структура поддиректорий и файлов.
Иерархическая БД
Иерархические базы данных — самая ранняя модель представления сложной структуры данных. Информация в иерархической базе организована по принципу древовидной структуры, в виде отношений «предок-потомок». Каждая запись может иметь не более одной родительской записи и несколько подчиненных. Связи записей реализуются в виде физических указателей с одной записи на другую. Основной недостаток иерархической структуры базы данных — невозможность реализовать отношения «много-ко-многим», а также ситуации, когда запись имеет несколько предков.
Графически такую структуру можно изобразить в виде дерева, состоящего из объектов различных уровней. Верхний уровень занимает один объект, второй — объекты второго уровня и так далее.
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 возможно, чтобы объект-предок не имел потомков или имел их несколько, тогда как у объекта-потомка обязательно только один предок. Объекты, имеющие общего предка, называются близнецами.
Недостатки
К основным недостаткам иерархических моделей следует отнести: неэффективность, медленный доступ к сегментам данных нижних уровней иерархии, четкая ориентация на определенные типы запросов и др. Также недостатком иерархической модели является ее громоздкость для обработки информации с достаточно сложными логическими связями, а также сложность понимания для обычного пользователя. Иерархические СУБД быстро прошли пик популярности, которая обусловливалась их ранним появлением на рынке. Затем их недостатки сделали их неконкурентоспособными, и в настоящее время иерархическая модель представляет исключительно исторический интерес.
Иерархическая база данных
Иерархические базы данных могут быть представлены как дерево, состоящее из объектов различных уровней. Верхний уровень занимает один объект, второй — объекты второго уровня и т. д.
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 объект-предок не имеет потомков или имеет их несколько, тогда как у объекта-потомка обязательно только один предок. Объекты, имеющие общего предка, называются близнецами.
Содержание
Примеры
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 корневой директории, в которой имеется иерархия поддиректорий и файлов.
Иерархическая модель данных
Первые системы управления базами данных использовали иерархическую модель данных, и во времени их появление предшествует появлению сетевой модели.
Структурная часть иерархической модели
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 тип сегмента 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 гpaф древовидной структуры, объединяющий сегменты. Иерархическая БД состоит из упорядоченного набора деревьев.
Преобразование концептуальной модели в иерархическую модель данных
Преобразование концептуальной модели в иерархическую структуру данных во многом схоже с преобразованием ее 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.
Управляющая часть иерархической модели
В рамках иерархической модели выделяют языковые средства описания данных (ЯОД) и средства манипулирования данными (ЯМД). Каждая физическая база описывается набором операторов, обусловливающих как ее логическую структуру, так и структуру хранения БД. При этом способ доступа устанавливает способ организации взаимосвязи физических записей.
Определены следующие способы доступа:
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
Примеры типичных операторов поиска данных с возможностью модификации:
Примеры типичных операторов модификации иерархически организованных данных, которые выполняются после выполнения одного из операторов второй группы (поиска данных с возможностью модификации):
В иерархической модели автоматически поддерживается целостность ссылок между предками и потомками. Основное правило: никакой потомок не может существовать без своего родителя.