2.1 Многоуровневые модели предметной области

Обычно отдельная база данных содержит (отражает) информацию о некоторой предметной области -- наборе объектов, представляющих интерес для актуальных или предполагаемых пользователей. То есть, реальный мир отображается совокупностью конкретных и абстрактных понятий, между которыми существуют (и соответственно, фиксируются) определенные связи. Выбор для описания предметной области существенных понятий и связей является предпосылкой того, что пользователь будет иметь практически все необходимые ему в рамках задачи знания об объектах предметной области. Однако следует отметить, что пользователь, который хочет работать с базой данных, должен владеть основными понятиями, представляющими предметную область.

И в этом смысле абстрагирование позволяет построить такое описание (модель предметной области), которое другой человек сможет не только воспринять, но и безошибочно использовать для работы с описаниями экземпляров объектов, хранимых в базе данных. Модель предметной области соотносится с реальными объектами и связями так же, как схема маршрутов городского Пассажирского транспорта с фактической траекторией движения автобуса. Схема адекватно отражает действительность на уровне Основных понятий -- маршрутов и остановок: выбрав по схеме маршрут, пассажир достигнет цели (прибудет на нужную остановку) независимо от того, в каком транспортном ряду будет двигаться автобус.

Наиболее простой способ представления предметных областей в БД реализуется поэтапно: 1) фиксацией логической точки зрения на данные (т. е. данные рассматриваются независимо от особенностей ИХ хранения и поиска в конкретной вычислительной среде); 2) определением физического представления данных с учетом выбранных структур хранения данных и архитектуры ЭВМ.

Абстрагированное описание предметной области с фиксированной (логической) точки зрения будем называть концептуальной схемой. Соответственно, систематизация понятий и связей предметной Области называется логическим или концептуальным проектированием Модель (представление логической точки зрения), используемая при абстрагировании -- совокупность функциональных характеристик объектов и особенностей представления информации (например, в числовой или текстовой форме), будем называть моделью донных.

Отображение концептуальной схемы на физический уровень будем называть внутренней схемой.

Отражение взгляда (точки зрения) отдельного пользователя на концептуальную схему (как вариант восприятия предметной области) будем называть внешней схемой. Внешняя схема использует те же абстрактные категории, что и концептуальная, а на практике соответствует логической организации данных в прикладной программе.

Теоретически вопрос о многообразии уровней абстракции был решен еще в 60--70-х гг. Основой для его решения является концепция многоуровневой архитектуры системы базы данных. Например, в отчете предусматривался архитектурный уровень подсхемы, который позволял для каждого конкретного приложения строить свое собственное «видение» используемого подмножества базы данных путем определения его «персональной» подсхемы базы данных.

В более общем виде этот вопрос решен в архитектурной модели! Здесь на внешнем уровне может поддерживаться совсем иная модель данных (или даже несколько моделей)! чем на концептуальном уровне. Поддержка разнообразных возможностей абстрагирования в такой системе достигается благодари средствам определения и поддержки межуровневого отображений моделей данных.

Помимо этого, для решения указанной проблемы может использоваться внутри модельная структура, например, механизмы представлений (view). ). В объектных системах для этих целей может использоваться отношение наследования.

В общем случае концепция трехуровневого представления не требует более трех уровней, однако с практической точки зрения иногда удобно включать схемы дополнительных уровней, приведены некоторые варианты решений.

Рассмотренная трехуровневая архитектура обеспечивает выполнение основных требований, предъявляемых к системам баз данных:

адекватность отображения предметной области;

возможность взаимодействия с БД разных пользователей при решении разных прикладных задач;

обеспечение независимости программ и данных;

надежность функционирования БД и защита от несанкционированного доступа.

С точки зрения пользователей различных категорий трехуровневая архитектура имеет следующие достоинства:

системный аналитик, создающий модель предметной области, не обязательно должен быть специалистом в области программирования и вычислительной техники;

администратор баз данных, обеспечивающий отражение концептуальной схемы во внутреннюю, не должен беспокоиться о корректности представления предметной области;

конечные пользователи, используя внешнюю схему, могут не] вдаваться полностью в предметную область, обращаясь только к необходимым составляющим. При этом исключается возможность несанкционированного обращения к данным объявленных внешней схемой, так как формирование ее находится в сфере деятельности администратора базы данных;

системный аналитик, как и конечный пользователь, не вмешивается во внутреннее представление данных.

Это отражает распространенную практику специализации и разделения ответственности. Главное же заключается в том, что работу по проектированию и эксплуатации баз данных можно разделить на три достаточно самостоятельных этапа. Хотя надо отметить, что на практике создание концептуальной схемы не всегда предшествует построению внешней. Иногда трудно с самого начала полностью определить предметную область, но с другой стороны, уже известны требования пользователей (именно поэтому создание базы уже имеет смысл). И кроме того, адекватность модели предметной области, в конце концов, должна подтверждаться практикой пользовательских представлений.

2.2 Идентификация объектов и записей

В задачах обработки информации, и в первую очередь в алгоритмизации и программировании, атрибуты именуют (обозначают) и приписывают им значения.

При обработке информации мы, так или иначе, имеем дело с совокупностью объектов, информацию о свойствах каждого из котoрых надо сохранять (записывать) как данные, чтобы при решении задач их можно было найти и выполнить необходимые преобразования.

Таким образом, любое состояние объекта характеризуется совокупностью актуализированных атрибутов (имеющих некоторое из значений в этот момент времени), которые фиксируются на некотором материальном носителе в виде записи -- совокупности (группы) формализованных элементов данных (значений атрибутов, представленных в том или ином формате). Кроме того, в контексте задач хранения и поиска можно говорить, что значение атрибута идентифицирует объект: использование значения в качестве поискового признака позволяет реализовать простой критерий отбора по условию сравнения.

Так же как и в реальном мире, отдельный объект всегда уникален (уже хотя бы потому, что мы именно его выделяем среди других). Соответственно, запись, содержащая данные о нем, также должна быть узнаваема однозначно (по крайней мере, в рамках предметной области), т. е. иметь уникальный идентификатор, причем никакой другой объект не должен иметь такой же идентификатор. Поскольку идентификатор -- суть значение элемента данных, в некоторых случаях для обеспечения уникальности требуется использовать более одного элемента. Например, для однозначной идентификации записей о дисциплинах учебного плана необходимо использовать элементы СЕМЕСТР и НАИМЕНОВАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ, так как возможно преподавание одной дисциплины в разных семестрах.

Предложенная выше схема представляет атрибутивный способ идентификации содержания объекта (рис. 3.3). Она является достаточно естественной для данных, имеющих фактографическую природу и описывающих обычно материальные объекты. Информацию, представляемую такого рода данными, называют хорошо 1 структурированной. Здесь важно отметить, что структурированность относится не только к форме представления данных (формат, способ хранения), но и к способу интерпретации значения пользователем', значение параметра не только представлено в предопределенной форме, но и обычно сопровождается указанием размерности величины, что позволяет пользователю понимать ее смысл без дополнительных комментариев. Таким образом, фактографические данные предполагают возможность их непосредственной интерпретации.

Однако атрибутивный способ практически не подходит для идентификации слабо структурированной информации, связанной d объектами, имеющими обычно идеальную (умозрительную) природу -- категориями, понятиями, знаковыми системами. Такие объекты зачастую определяются логически и опосредованно -- через другие объекты. Для описания таких объектов используются естественные или искусственные языки (например, язык алгебры)! Соответственно, для понимания смысла пользователю необходимо использовать соответствующие правила языка, и, более того, чаете! необходимо уже располагать некоторой информацией, позволяю щей идентифицировать и связать получаемую информацию с наличным знанием. То есть процесс интерпретации такого рода данных имеет опосредованный характер и требует использования дополнительной информации, причем такой, которая не обязательна присутствует в формализованном виде в базе данных.

Такое разделение нашло отражение в традиционном разделении баз данных на фактографические и документальные.

2.3 Поиск записей

Программисту или пользователю необходимо иметь возможности обращаться к отдельным, нужным ему записям или отдельным элементам данных. В зависимости от уровня программного обеспечения прикладной программист может использовать следующие способы.

Задать машинный адрес данных и в соответствии с физическим форматом записи прочитать значение. Это случай, когда программист должен быть «навигатором».

Сообщить системе имя записи или элемента данных, которые он хочет получить, и возможно, организацию набора данных. В этом случае система сама произведет выборку (по предыдущей схеме), но для этого она должна будет использовать вспомогательную информацию о структуре данных и организации набора. Такая информация по существу будет избыточной по отношению к объекту, однако общение с базой данных не будет требовать от пользователя знаний программиста и позволит переложить заботы о размещении данных на систему.

В качестве ключа, обеспечивающего доступ к записи, можно использовать идентификатор -- отдельный элемент данных. Ключ, который идентифицирует запись единственным образом, называется первичным (главным).

В том случае, когда ключ идентифицирует некоторую группу записей, имеющих определенное общее свойство, ключ называется вторичным набором данных может иметь несколько вторичных ключей, необходимость введения которых определяется практической необходимостью -- оптимизацией процессов нахождения записей по соответствующему ключу.

Иногда в качестве идентификатора используют составной сцепленный ключ -- несколько элементов данных, которые в совокупности, например, обеспечат уникальность идентификации каждой записи набора данных.

При этом ключ может храниться в составе записи или отдельно. Например, ключ для записей, имеющих неуникальные значения атрибутов, для устранения избыточности целесообразно хранить отдельно. На рис. 3.4 приведены два таких способа хранения ключей и атрибутов для набора простейшей структуры.

Введенное понятие ключа является логическим и его не следует путать с физической реализацией ключа -- индексом, обеспечивающим доступ к записям, соответствующим отдельным значениям ключа.

Один из способов использования вторичного ключа в качестве хода -- организация инвертированного списка, каждый вход которого содержит значение ключа вместе со списком идентификаторов Соответствующих записей. Данные в индексе располагаются в возрастающем или убывающем порядке, поэтому алгоритм нахождения нужного значения довольно прост и эффективен, а после нахождения значения запись локализуется по указателю физического расположения. Недостатком индекса является то, что он занимает дополнительное пространство и его надо обновлять каждый раз, когда удаляется, обновляется или добавляется запись. На рис. 3.5 приведен инвертированный список для предыдущего примера.

В общем случае инвертированный список может быть построен для любого ключа, в том числе составного.

А(Е) = ? Каково значение атрибута А для объекта Е?

А(?) В V Какие объекты имеют значение атрибута, равное VI

?(Е) = V Какие атрибуты объекта Е имеют значение, равное V|

?(Е) = ? Какие значения атрибутов имеет объект Е?

А(?) = ? Какие значения имеет атрибут А в наборе?

6)?(?) В V Какие атрибуты объектов набора имеют значение, равное V?

Здесь в запросах типов 2, 3, 6 вместо оператора равенства может быть использован другой оператор сравнения (больше, меньше, не равно или другие).

Запросы типа 1 выполняются поиском по «прямому» массиву: доступ к записи производится по первичному ключу. Запросы типа 2 выполняются поиском по инвертированному списку: доступ к записном) производится по указателю, выбираемому из списка по значению вторичного ключа. Ответом в этих случаях будет значение атрибута или идентификатора. Запросы типа 3 имеют ответом имя атрибута. Запросы типа 2, 5, 6 относятся к нескольким атрибутам, и в этом случае могут быть построены несколько индексов, облегчающих поиск по этим ключам.

Составные условия поиска могут использовать несколько простых условий, обычно связанных логическими (булевыми) операторами.

Следует отметить, что в контексте обработки запросов 2-го типа «Какие объекты имеют заданное значение атрибута?» можно выделить три следующих типа архитектур доступа.

Системы с вторичными индексами. В этих системах последовательность расположения записей соответствует последовательности Значений первичного ключа. Как правило, используется один первичный индекс и несколько вторичных.

Системы частично инвертированных файлов. В этих системах записи могут располагаться в произвольной последовательности. В отличие от систем первого типа первичный индекс отсутствует. Вторичные индексы применяются для прямой адресации записей, Что существенно облегчает включение в файл новых записей, так Как допускается их размещение в любом свободном участке файла.

Системы полностью инвертированных файлов. В этих системах Предусмотрено наличие файлов, содержащих значения отдельных элементов данных, входящих в состав записей, -- допускается раздельное хранение элементов данных записи. Значения элементов данных, составляющих конкретную запись или кортеж, в общем случае могут размещаться в памяти произвольно. Для ускорения Процесса поиска в системе используют два набора индексов: индекс экземпляров (значений ключей) и индекс данных (инвертированный список). С помощью индекса экземпляров можно найти в файле элементы данных, имеющих заданное значение. С помощью индекса данных можно найти записи, связанные с заданными значениями элементов. Такая организация характерна для организации данных документальных информационных систем.

2.4 Представление предметной области и модели данных

Если бы назначением базы данных было только хранение и поиск данных в массивах записей, то структура системы и самой базы была бы простой. Причина сложности в том, что практически любой объект характеризуется не только параметрами-величинами, но и взаимосвязями частей или состояний. Есть различия и в характере взаимосвязей между объектами предметной области: одни объекты могут использоваться только как характеристики остальных объектов, другие -- независимы и имеют самостоятельное значение

Кроме того, сам по себе отдельный элемент данных (его значение) ничего не представляет. Он приобретает смысл только тогда, когда связан с атрибутом (природой значения, что позволит интерпретировать значение) и другими элементами данных.

Поэтому физическому размещению данных (и, соответственно, определению структуры физической записи) должно предшествовать описание логической структуры предметной области -- построение модели соответствующего фрагмента реального мира, выделяющей только те объекты, которые будут интересны будущим пользователям, и представленные только теми параметрами, которые будут значимы при решении прикладных задач.

2.5 Структуры данных

При любом методе отображения предметной области в машинных базах данных в основе отображения лежит фиксация (кодирование) Понятий и отношений между понятиями. Абстрактное понятие структуры ближе всего к так называемой концептуальной модели Предметной среды и часто лежит в основе последней.

Понятие структуры используется на всех уровнях представления Предметной области и реализуется как:

структура информации -- схематичная форма представления сложных композиционных объектов и связей реальной предметной области, выделяемых как актуально необходимые для решения прикладных задач;

структура данных -- атрибутивная форма представления свойств и связей предметной области, ориентированная на выражение описания данных средствами формальных языков (т. е. учитывающая возможности и ограничения конкретных средств с целью сведения описаний к стандартным типам и регулярным связям);

структура записей -- целесообразная (учитывающая особенности физической среды) реализация способов хранения данных и организации доступа к ним как на уровне отдельных записей, так и их элементов (с целью определения основных и вспомогательных функциональных массивов, а также совокупности унифицированных процедур манипулирования данными). Структура является общепринятым и удобным инструментом, одинаково эффективно используемым как на уровне сознания человека при работе с абстрактными понятиями, так и на уровне логики машинных алгоритмов. Структура позволяет простыми способами свести многомерность содержательного описания к линейной последовательности записей. Именно это позволяет формализовать на общей понятийной основе взаимосвязь представлений информации в разных средах: обеспечить контролируемое сведение бесконечного разнообразия объектов и видов взаимосвязей реального мира к жестко детерминированному описанию -- совокупности двоичных данных и машинно-ориентированных алгоритмов их обработки.

Выделение трех видов структур, относящихся к представлению объектов предметной области, имеет, в некотором смысле, принципиальный характер.

Структура информации -- это неотъемлемое свойство информации (сведений, сигналов, воспринимаемых субъектом) о некоторой совокупности объектов предметной области в контексте практической задачи (решаемой субъектом), в общем случае без учета того, будут ли для ее решения использованы средства программирования и вычислительные машины. Структурирование информации осуществляется системным аналитиком и сводится к выделению операционных объектов и определению их характеристических свойств и взаимосвязей.

Структура данных -- это определение информационных массивов (состава и взаимосвязей данных на логическом уровне, соответствующих характеру информации и видам соответствующих преoбразований). При определении структур данных необходимо не только установить состав массива, но и определить оптимальную взаимосвязь (и, соответственно, определить критерии и методы оценки эффективности), например, выделение групп или агрегатовj имеющих иерархическую идентификацию. Эффективность в этом, случае связывается с процессом построения программы («решателя» прикладной задачи) и, в каком-то смысле -- с эффективностью работы программиста. Например, при функциональной обработке массива необходимо обращаться к отдельным элементам, в то время? как в операциях присваивания или при записи массива в файл элементное обращение приведет к увеличению размера текста программы, а в ряде случаев -- к увеличению времени выполнения.

Структура записи -- это определение структуры физической памяти: выделение, освобождение и защита областей физического носителя, способы адресации и пересылки. Эффективность в этом случае связывается с процессами обмена между устройствами оперативной и внешней памяти, искусственно вводимой для обеспечения функциональной эффективности отдельных операций (например, поиска по ключам) посредством избыточности данных.

Рассмотрим разновидности и типологию «компьютерных» логических структур данных с точки зрения особенности их организации. Структура здесь в первую очередь определяет алгоритм выборки отдельных элементов данных, но в то же время необходимо отметить, что она отражает и особенности «технологии» организации и обработки информации, свойственные человеку в его повседневной деятельности.

Физически понятию структура соответствует запись данных. Запись -- это упорядоченная в соответствии с характером взаимосвязей совокупность полей (элементов) данных, размещаемых в памяти в соответствии с их типом. Поле представляет собой минимальную адресуемую (идентифицируемую) часть памяти -- единицу данных, на которую можно ссылаться при обращении к данным.

Таким образом, структура данных -- это способ отображения значений в памяти: размер области и порядок ее выделения (который и определит характер процедуры адресации/выборки). Зачастую именно успешность структурирования данных определяет сложность процедур их обработки [2].

Классификация структур данных должна проводиться с двух точек зрения.

1. По характеру взаимосвязи элементов структуры (с точки зрения порядка их размещения/выборки) виды структур можно разделить на линейные и нелинейные.

Страницы: 1, 2