Hierarchinis duomenų bazių modelis: apibrėžimas, struktūra ir pavyzdžiai

Sužinokite hierarchinį duomenų bazių modelį: apibrėžimas, medžio struktūra, 1:N ryšiai, pavyzdžiai (IBM IMS, Windows Registry) ir praktiniai pritaikymai.

Hierarchinis duomenų bazės modelis - tai duomenų modelis, kuriame duomenys išdėstyti kaip medis. Struktūra leidžia kartoti informaciją naudojant tėvų ir vaikų ryšius: kiekvienas tėvas gali turėti daug vaikų, bet kiekvienas vaikas turi tik vieną tėvą. Visi konkretaus įrašo atributai išvardijami pagal esybės tipą.

Struktūra ir pagrindinės sąvokos

Hierarchinėje duomenų bazėje informacija organizuojama į įrašų tipus (kartais vadinamus esybės tipais), kurie tarpusavyje susiję vienas su daugeliu (1:N) ryšiais. Kiekvienas įrašas turi tik vieną tiesioginį tėvą, todėl visas duomenų modelis primena medį arba kito lygio hierarchiją.

• Šakninis (root) įrašas: viršutinis mazgas, nuo kurio prasideda medžio struktūra.
• Tėvas (parent): mazgas, turintis vieną arba daugiau vaikų.
• Vaikas (child): mazgas, turintis tik vieną tėvą.
• Atributai: duomenų laukai, priskiriami kiekvienam įrašui (analogija: stulpeliai lentelėje).

Duomenų bazėje esybės tipas yra lentelės atitikmuo; kiekvienas atskiras įrašas pateikiamas kaip eilutė, o atributas - kaip stulpelis. Esybių tipai tarpusavyje siejami naudojant 1:N atvaizdavimą, dar vadinamą "vienas su daugeliu" ryšiu.

Pavyzdys: organizacijos struktūra

Paprastas pavyzdys — įmonės organizacinė schema:

• Įmonė (root)
• — Skyriai (kiekvienas skyrius priklauso įmonei)
• —— Komandos (kiekviena komanda priklauso skyriui)
• ———— Darbuotojai (kiekvienas darbuotojas priklauso komandai)

Šioje struktūroje, norint rasti darbuotoją, dažnai pradedama nuo šaknies ir naršoma per skyrių bei komandą. Dėl tokios organizacijos hierarchinės užklausos įprastai vykdomos greitai, jei žinomas kelias nuo šaknies iki įrašo.

Konkrečių sistemų pavyzdžiai

Labiausiai pripažintos ir naudojamos hierarchinės duomenų bazės yra IBM sukurta IMS ir "Microsoft" sukurta "Windows Registry". Be to, hierarchinius principus naudoja ir failų sistemos, LDAP katalogai, XML dokumentų modelis bei kai kurie konfigūracijos saugojimo sprendimai.

Privalumai

• Aiški semantika: natūraliai atspindi medžio tipo duomenis (pvz., organizacijos, katalogai).
• Efektyvumas: greitos užklausos, kai reikia pereiti iš tėvo į vaikus ar atvirkščiai pagal žinomą kelią.
• Lengvas navigavimas: tiesioginiai ryšiai tarp mazgų palengvina programinį naršymą.
• Mažiau sudėtingumo: paprasta sąvokų modeliuote ir aiškūs ryšiai.

Trūkumai ir apribojimai

• Vienas tėvas: kiekvienas įrašas gali turėti tik vieną tėvą, todėl sunku modeliuoti daugeliui-dažnai (many-to-many) ryšiams be kopijų ar papildomų mechanizmų.
• Rigidumas: schema yra statinė — sudėtinga ją keisti ar išplėsti be perstrukturizavimo.
• Duomenų dubliavimas: tam, kad apibrėžtumėte alternatyvius kelius, gali tekti dubliuoti įrašus, kas didina saugyklos poreikį ir rizikuoja duomenų inkonsistencija.
• Užklausų kalba: tradicinės hierarchinės DB dažnai naudoja navigacines API, o ne deklaratyvias užklausos kalbas kaip SQL — tai gali apsunkinti analitines užklausas.

Palyginimas su kitais modeliais

• Relacinis modelis: lankstesnis daugeliui-dažnai ryšiams, geresnės užklausų galimybės su SQL ir normalizacija; hierarchinis modelis kartais paprastesnis ir efektyvesnis specializuotoms užduotims.
• Tinklo (network) modelis: leidžia mazgams turėti kelis tėvus (daugiau lankstumo), tačiau yra sudėtingesnis valdyti nei gryna hierarchija.
• Dokumentų (NoSQL) modeliai: pvz., JSON ar XML saugyklos natūraliai palaiko medžio struktūras ir dinamiškesnę schemą, todėl dažnai naudojamos šiuolaikinėse programose.

Praktiniai aspektai ir gerosios praktikos

• Jei duomenys natūraliai yra medžio formoje (failų sistemos, katalogai, hierarchinės konfigūracijos), hierarchinis modelis gali būti geriausias pasirinkimas.
• Siekiant išvengti dubliavimo, gerai apgalvokite, ar nėra poreikio perduoti tam tikrų ryšių į tarpinį sluoksnį (panašiai kaip many-to-many lentelės relacinėse DB).
• Užtikrinkite vientisumą: įgyvendinkite taisykles dėl nuorodų vientisumo (pvz., neleisti vaikų be tėvo, apibrėžti kas nutinka trinant šakninius mazgus — kaskadiniai pašalinimai ar prevencijos mechanizmai).
• Atkreipkite dėmesį į indeksavimą ir fizinę saugyklos organizaciją — tai lemia naršymo ir paieškos operacijų greitį.

Kuomet verta rinktis hierarchinį modelį

• Jei dominuoja griežta priėmimo hierarchija ir retai reikalingi daugiakryptės ryšiai.
• Jei reikia itin greito prieigos pagal žinomą kelią nuo šaknies iki įrašo.
• Jei sistema turi deterministinę struktūrą (pvz., konfigūracijų saugyklos, katalogų medžiai, tam tikri katalogų tipai).

Išvados

Hierarchinis duomenų bazės modelis yra paprastas ir efektyvus sprendimas, kai duomenys natūraliai sudėstyti medžio forma. Jis pasižymi aiškia semantika ir gera veikimo sparta naviguojant struktūra, tačiau turi ribotą lankstumą, ypač kai reikia modeliuoti sudėtingus daugeliui-dažnai ryšius ar dinamiškai keisti schemą. Renkantis modelį, svarbu įvertinti duomenų pobūdį, užklausų tipą ir ilgalaikį duomenų valdymo poreikį.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra hierarchinis duomenų bazės modelis?

K.: Kaip hierarchiniame duomenų bazės modelyje leidžiama kartoti informaciją?

K: Kas yra esybės tipas duomenų bazėje?

K: Kaip duomenų bazėje vaizduojamas kiekvienas atskiras įrašas?

K.: Kaip duomenų bazėje esybių tipai susiję tarpusavyje?

K: Kokios yra labiausiai pripažintos ir naudojamos hierarchinės duomenų bazės?

K: Kuo hierarchinės duomenų bazės modelyje skiriasi tėvinė ir paveldėtoji dalis?

Paieška pagal raidę