Иерархическая база данных: что это такое, пример модели БД организации

Иерархическая база данных – это сложная многокомпонентная система, в основе которой лежит древовидная структура. Она состоит из комплекса объектов разных уровней (рангов), расположенных по принципу их подчинения от общего к частному. Это один из самых распространенных типов сетевой модели данных, отличающийся целостностью и простотой концепции. Благодаря этому, его активно используют в современных информационных системах: при разработке структур в формате XML, а также в процессе передачи интернет-данных.

При этом стоит учитывать, что для полноценной работы с иерархическими БД требуется немало ресурсов, в первую очередь, основной и дисковой памяти. Эту особенность обязательно необходимо учитывать в работе, поскольку от нее напрямую зависит скорость обработки информации.

Иерархическая БД: суть и принципы работы

Иерархическая модель данных – это огромный комплекс взаимосвязанных объектов высшего и низшего уровня. Все они пребывают в теснейшем взаимодействии, обеспечивая целостное и автономное функционирование системы.

Каждый элемент системы способен одновременно состоять из десятков, а иногда и сотен объектов низшего уровня, и параллельно с этим находиться в подчинении вышестоящего объекта. На вершине иерархии находится только один объект, который принято называть «корнем дерева». От него исходят объекты следующего уровня, и так далее в четкой последовательности, вплоть до бесконечности.

Связи между структурными элементами одного уровня отсутствуют. Из этого следует, что объекты в иерархической базе данных не являются равноправными. Поскольку все они в той или иной степени зависят друг от друга. Если из двух элементов один находится ближе к вершине, его принято называть «предком». Если ниже уровнем – «потомком». Также следует отметить, что «потомков», находящихся на одном уровне иерархии, и исходящих от одного и того же предка, принято называть «близнецами» или «братьями».

Принцип работы иерархической БЗ основывается на вертикальном взаимодействии, начиная с вершины. Другой формат взаимодействия в данном случае не предусмотрен. Это обусловлено тем, что каждый компонент иерархии связан только с одним объектом на верхнем уровне и несколькими объектами на нижнем.

Иерархическая модель БД: основные понятия и специфика построения

На курсах Power Bi https://kemerovo.videoforme.ru/computer-programming-school/power_bi говорят о том, что в стандартном виде иерархическая модель данных состоит из следующих компонентов:

• Атрибут. Минимальный неделимый элемент, к которому пользователь имеет доступ. В процессе использования каждый атрибут получает имя, по которому к нему можно обратиться из программного кода.

• Запись. Комплекс логически взаимосвязанных элементов (атрибутов) с уникальным именем. Обращаясь к «Записи», можно за считаные секунды отправить в обработку огромный массив информации. При этом записи могут добавляться, преобразовываться и удаляться. В зависимости от специфики атрибутов, входящих в состав «Записи», ее можно представить в разных форматах.

• Экземпляр записи. Состоит из записи с четко обозначенным количеством и значением атрибутов.

• Групповое отношение. Иерархия данных между элементами двух разных типов. Например: между «предками» и «потомками», родительскими записями (расположены на вершине дерева) и дочерними (расположены ниже по иерархии).

В целом, иерархическая БД представляет собой упорядоченную совокупность «Атрибутов», соединяющихся в «Записи». Их главная задача – хранение чисел или символов. Визуально модель иерархической БД можно представить в виде дерева, состоящего из элементов различных уровней. Обход всех компонентов иерархической базы данных в большинстве случаев производится сверху вниз или слева направо.

Управляющая часть

Иерархическая бд имеет структуру, включающую управляющую и структурную части. В составе управляющей части входит набор профильных языковых средств, использующихся для обозначения атрибутов и непосредственной работы с ними. Кроме того, они применяются для представления логики построения базы данных и особенностей хранения ее сегментов. Для обеспечения взаимодействия между элементами иерархической БД и определения способа доступа к ним используются различные виды связей, в частности:

• Прямые.

• Индексные.

• Последовательные.

• Индексно-прямые.

• Индексно-последовательные.

Тип выбранной связи зависит от специфики иерархической модели базы данных. Управляющая часть позволяет производить поиск необходимых объектов и их модификацию. Несмотря на довольно узкий спектр функциональных возможностей, подобные модели способны обеспечить корректное и продуктивное управление различными процессами.
 

Структурная часть

В качестве ключевых функциональных единиц в этом случае используются «Поле» и «Сегмент». «Поле» («Атрибут») представляет собой минимальный неделимый элемент, который находится в доступности у пользователя. Это крошечный винтик в гигантской многофункциональной системе.

«Сегмент» — это комплекс полей данных с указанием их видов. Из этого следует, что иерархическая база данных – это БД, в которой все объекты пребывают в тесной взаимосвязи друг с другом. При этом вне зависимости от количества все они строго систематизированы и упорядочены.

Трансформация концептуальной модели БД в иерархическую

Процесс трансформации концептуальной модели БД в древовидную осуществляется аналогично преобразованию в сетевую модель. Однако в этой ситуации все же есть ряд нюансов, которые обязательно необходимо учитывать. Преобразование связей между «предком» и «потомком» происходит практически автоматически при условии, если у потомка есть только один предок. В этом случае каждый компонент, задействованный в подобном формате связи, превращается в логистический сегмент. Впоследствии между логистическими сегментами налаживается мощная взаимосвязь типа – «1 ко многим», в рамках которой элемент со стороны «1» превращается в «предка», а элемент со стороны «много» превращается в потомка. В этом заключается принципиальное отличие иерархической модели организации данных от сетевой.

Преобразование существенно затрудняется, если в рассматриваемой связи потомок имеет больше одного предка. Такая ситуация является недопустимой для древовидной модели базы данных. Решить эту проблему можно только посредством дублирования объектов и создания нового дерева.

Специфика управления иерархиями

В процессе управления иерархической БД используются две группы языковых средств, в частности: средства описания и средства манипуляции. Каждая из представленных групп имеет свой спектр функциональных возможностей. Одно из ключевых условий корректного функционирования субд иерархической модели данных — определение ее имени и организация доступа ко всем объектам. Стоит учесть, что описание базы данных такого формата, как правило, включает в себя определение типов элементов, входящих в БД с учетом построенной иерархии. В классической схеме описание начинается с корневых элементов.

Какие операции можно выполнять с помощью иерархических БД

Иерархические модели БД имеют широкую сферу применения. С их помощью можно выполнять следующие типы операций:

• Находить конкретное дерево.

• Осуществлять переход от одной древовидной структуры к другой.

• Находить требуемый объект, соответствующий условиям поиска.

• Осуществлять переход от одного объекта к другому непосредственно внутри иерархии.

• Осуществлять переход от одного объекта к другому в обход иерархической БД,

• Добавлять новый атрибут.

• Представлять, удалять и обновлять текущие сегменты БД.

• Находить и удерживать атрибут с целью его модификации с учетом условий поиска.

Независимо от количества элементов, функционирование иерархической базы данных основывается на принципе целостности и автономности связей между «предками» и «потомками». При этом неукоснительно должно соблюдаться правило, ни один потомок не может полноценно функционировать, не имея предка.

Где используются иерархические структуры данных

Иерархическая структура базы данных – это основа функционирования семейства ОС Windows. Для того чтобы убедиться в этом, достаточно воспользоваться традиционной опцией «Проводник». Кликнув по ней, вы попадает в корень операционной системы, в которой расположены крупнейшие структурные компоненты – «Этот компьютер», «Загрузки», «Изображения», «Музыка», «Рабочий стол» и др. Двигаясь в направлении от корня до других структурных единиц, вы будете переходить от одного уровня гигантской иерархической системы до другого.

На практике это выглядит примерно так: «Этот компьютер»→«Локальный диск (С)»→«Пользователи»→«User»→«Документы»→«Файл». Таким образом, переходя от одной папки к другой, вы, наконец, находите необходимую вам информацию. В данном случае иерархический вид базы данных выступает в качестве вашего путеводителя, обеспечивающего быстрый и удобный доступ ко всем компонентам системы.

Помимо сферы программирования иерархические БД повсеместно используются в биологии, географии и анатомии. Ключевая роль при этом отводится ветвящейся структуре, с помощью которой производится классификация живых организмов, клеток, органов и систем жизнедеятельности. Все они основываются на выстраивании иерархических взаимосвязей. Особое распространение в биологии получила система «доминирования-подчинения», которая считается основополагающим принципом иерархической модели СУБД.

В географии иерархия отчетливо прослеживается в административно-территориальном делении, которое идет от большего к меньшему (от континентов к странам, от стран к областям, штатам и т. д.). Кроме того, порядок подчинения низших элементов высшим встречается в обществе. Иерархия может быть: социальной, классовой, государственной, профессиональной, этнической, церковной и пр. Помимо науки и социальной сферы иерархическая модель используется при проектировании и эксплуатации строительных и технических объектов, при архитектурном планировании в качестве метода детализации планов.

Пример иерархической базы данных

Рассмотрим иерархическую модель базы данных пример.

Предположим, что есть некий спортклуб, в котором за каждым атлетом закреплен свой тренер. У самого тренера может быть не один спортсмен. При этом каждый из них в теории может участвовать в неограниченном количестве соревнований. Для того чтобы упорядочить все эти данные целесообразно воспользоваться иерархической моделью базы данных. В качестве объектов в этом случае будут использоваться данные о:

• Спортсмене (Ф. И. О., разряд).

• Тренере (Ф. И. О.).

• Соревновании (Название, дата проведения).

В процессе определения связей между записями нужно учитывать объективные факторы окружающей среды. В этой ситуации иерархическая СУБД будет иметь тип связи «1 ко многим». Это обусловлено тем, что запись «Спортсмен» будет «потомком» по отношению к записи «Тренер», которая будет представлена в роли «Предка». При этом стоит учитывать, что атрибуты «Спортсмен» и «Соревнование» будет связывать уже совершенно другой тип связи – «много ко многим», поскольку один и тот же спортсмен может участвовать сразу в нескольких соревнованиях, а в одном соревновании может принимать участие множество спортсменов.

Однако в данной ситуации возникает противоречие. Поскольку построение иерархии предусматривает исключительно прямое подчинение, построить дерево, компоненты которого объединены связью «много ко многим», невозможно. Для этого отдельные атрибуты иерархии необходимо продублировать, создав новое дерево. Как видите, в этом случае понятие иерархической базы данных (пример) используется для систематизации имеющихся данных.

Преимущества иерархической модели БД

Иерархическая модель базы данных обладает широким спектром безоговорочных преимуществ, в числе прочих выделяют:

• Эффективное использование памяти электронно-вычислительных машин.

• Простота концепции.

• Автономность и независимость всех компонентов системы.

• Высокая скорость обработки операций: от подачи команды до ее выполнения проходит минимум времени.

• Целостность представленных данных.

• Выполнение широкого спектра узкопрофильных задач.

• Высокий уровень безопасности системы.

• Удобство работы с большими массивами информации.

Иерархическая модель данных основана на большом количестве компонентов с различным уровнем подчинения, что обеспечивает упрощенный доступ к информации.

Недостатки иерархической базы данных

Несмотря на универсальность использования иерархические модели БД имеют некоторые недостатки, в частности:

• Громоздкость. Наличие большого количества логических взаимосвязей значительно усложняет применение моделей данного формата.

• Трудность в восприятии обычным пользователем. Сложность управления и реализации СУБД зачастую ставит в тупик среднестатистических пользователей. Даже опытному специалисту будет трудно освоить ранее неизвестную базу.

• Трудность в применении. Работа с иерархической моделью БД требует задействования серьезных ресурсов. Причем не только материальных, но и временных и человеческих.

Кроме того, применение объемных разветвленных систем часто приводит к утрудненному доступу к файлам. Это обусловлено тем, что большинство имеющихся связей базируются на принципе навигационности.

Заключение

Структура иерархической базы данных позволяет эффективно, а главное — практически беспроблемно выполнять широкий спектр узкопрофильных задач. Эффективность ее применения напрямую зависит от навыков и опыта специалиста, который занимается ее наполнением и последующей реализацией. Как видите, иерархическая бд это не просто тип взаимосвязи между элементами. Это хранилище, которое может использоваться по отношению к тем системам, для которых свойственна древовидная структура. При этом, любая иерархическая БД имеет корневую папку, которая постепенно разветвляется вниз.

Учитывая, что аналогичный принцип используется в процессе создания операционных систем, неудивительно, что такие базы успешно применяются для выполнения различных операций с данными. Их использование позволяет рационально распределить имеющиеся компоненты, продумав их логические взаимосвязи. Данная закономерность четко прослеживается в иерархической СУБД, пример которой мы рассматривали ранее.