Иерархические базы данных. Принципы построения, модель данных, области применения. Преимущества и недостатки.
Иерархическая модель данных организует данные в виде древовидной структуры и является реализацией логических связей между данными типа родовидовых отношений или отношений "часть-целое". Примером простого иерархического представления может служить административная структура организации.
Деревом в информатике называют совокупность корневого элемента и множества подчиненных ему элементов, в которой отношения между элементами носят подчиненный вертикальный характер. Горизонтальные связи в такой системе отношений не допускаются.
Элементы описания данных в этой модели такие же, как и в сетевой: простое поле, группа, запись, групповое отношение и БД. Существенное ее отличие от сетевой модели данных касается средств организации связей, а именно, допускаются связи между объектами модели в виде древовидной структуры.
Особенностью такого представления данных является наличие нескольких подчиненных уровней. В иерархической модели имеется корневой узел или корень дерева. Он располагается на 1-м, самом высоком уровне и не имеет узлов-предшественников. Остальные узлы называются порожденными и связаны между собой следующим образом: каждый узел имеет исходный, находящийся на вышестоящем уровне. На следующем уровне каждый узел может иметь более одного узла-потомка или не иметь потомков вовсе. Узлы, не имеющие порожденных, называются листьями. В иерархии рассматривают уровни, на которых расположен тот или иной узел или совокупность узлов.
Между исходным узлом и порожденными узлами по условию модели существует связь "один-ко-многим" (или "многие-к-одному").
Иерархия должна удовлетворять следующим условиям:
Иерархия имеет исходный узел (корень), из которого строится дерево. Каждое дерево имеет только один корень.
Узел имеет непустое множество атрибутов, которые описывают объект, моделируемый в данном узле.
Порожденные узлы могут добавляться в дерево как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении.
Доступ к порожденным узлам возможен только через исходный узел, поэтому существует только один путь доступа к каждому узлу.
Возможно существование нескольких экземпляров каждого узла каждого уровня. При этом каждый экземпляр исходного узла начинает логическую запись.
К основным недостаткам иерархической модели можно отнести:
сложность отображения связи "многие-к-многим"
усложнение операции включения новых объектов и удаления устаревших объектов непосредственно в базе данных (в особенности обновление и удаление связей);
неоднозначность представления данных о предметной области.
Пример. Пусть требуется построить иерархическую модель о преподавателях, студентах и дисциплинах, которые преподаватели преподают, а студенты изучают.
Предположим, что каждый преподаватель может читать несколько дисциплин, а каждый студент также может изучать несколько дисциплин.
Один из возможных вариантов построения иерархической модели может быть таковым. Корневым узлом является студент (Номер студента, ФИО, Номер группы). Для каждого студента при данном представлении имеется экземпляр корневого узла. Преподаватель и дисциплина объединяются в один порожденный узел (Табельный номер преподавателя, ФИО, Ученое звание, Кафедра, Дисциплина, Дата экзамена, Оценка, Зачет).
При такой организации данных достаточно легко получать ответы на запросы типа "выдать информацию о сдаче экзаменов студентами по различным дисциплинам". Однако при ответе на вопрос, какие преподаватели принимают экзамены по ВТ, необходимо просмотреть все записи порожденных узлов для каждого корневого узла. Для этого вопроса более подходит модель, в которой корневым узлом является преподаватель (Табельный номер преподавателя, ФИО, ученое звание, кафедра), а порожденным является студент (номер студента, ФИО, номер группы, дисциплина, дата сдачи, оценка, зачет).
В первом варианте модели для каждого студента дублируется информация (в экземпляре порожденного узла) о преподавателях и дисциплине, а во втором - для каждого преподавателя о студентах. Отсюда возникают проблемы включения и удаления данных. Из принципа иерархии следует, что экземпляр порожденного узла не может существовать в отсутствие соответствующего ему экземпляра исходного узла. Таким образом, невозможно без привлечения дополнительных способов включить в базу данных информацию о преподавателях, которые не принимают экзамены (для первого варианта схемы). Чтобы соблюсти принцип иерархии, нужно сформировать, например, пустой исходный узел и породить еще проблему интерпретации нуль-значений.
При удалении исходного узла автоматически удаляются экземпляры порожденных узлов. Так, для второго варианта представления модели удаления сведения о преподавателе (уволился) удаляются все сведения о студентах, у него обучавшихся, а следовательно, теряется информация, необходимая для оценки качества обучения студентов.
Основной единицей обработки здесь является запись, к которой применимы операции ЗАПОМНИТЬ, МОДИФИЦИРОВАТЬ, УДАЛИТЬ, ИЗВЛЕЧЬ, НАЙТИ. В операциях создания и уничтожения связей для этой модели нет необходимости потому, что все связи предопределены заранее древовидной структурой отношений. Операция "найти" сводится к одной из трех процедур обхода дерева.
При использовании иерархической модели актуальной является проблема отслеживания связей, хотя и в более простом варианте. К возможным недостаткам иерархической модели можно отнести вероятную асимметрию отношений между сущностями предметной области БД и неудобство в отображении горизонтальных связей, которые нужно выражать через вертикальные связи.
Иерархическая модель данных стала применяться в системах управления базами данных в начале 60-х годов. Она представляет собой совокупность элементов, расположенных в порядке их подчинения от общего к частному и образующих перевернутое дерево.
Иерархическая модель данных строится по принципу иерархии типов объектов, иными словами, для данного главного типа объекта существует несколько подчиненных типов объекта. В то же время для каждого экземпляра главного объекта может быть несколько экземпляров подчиненных типов объектов. Таким образом, взаимосвязи между объектами напоминают взаимосвязи в генеалогическом дереве, за единственным исключением: для каждого порожденного (подчиненного) типа объекта может быть только один исходный (главный) тип объекта. Т.е. иерархическая модель данных допускает только два типа связей между объектами: "один к одному" и "один ко многим".
Иерархические базы данных по существу являются навигационными, т.е. доступ возможен только с помощью заранее определенных связей.
Достоинство иерархической базы данных состоит в том, что ее навигационная природа обеспечивает очень быстрый доступ при следовании вдоль заранее определенных связей. Однако негибкость модели данных и, в частности, невозможность наличия у объекта нескольких родителей, а также отсутствие прямого доступа к данным делают ее непригодной в условиях частого выполнения запросов, не запланированных заранее. Еще одним недостатком иерархической модели данных является то, что информационный поиск из нижних уровней иерархии нельзя направить по вышележащим узлам.
Чтобы устранить ограничения, свойственные иерархической модели данных, в начале 60-х годов, задолго до появления компьютерных сетей, проектировщики баз данных создают сетевую модель данных, описывающую сети связей между данными.