層次數據庫也稱為分層數據庫是一種以樹形結構存儲和組織數據的模型。在該模型中，數據按照父子關系進行記錄和排列，每個記錄只有一個父節點（或根節點），從父記錄分支的子記錄（或從屬記錄）構成一個樹形結構。這種結構的一個顯著特點是其嚴格的樹形結構和數據訪問遵循的從根到葉的固定路徑。

分層數據庫模型最早由IBM于20世紀60年代開發，并在早期的大型機數據庫管理系統中得到廣泛應用。這種模型在一些特定的應用場景中仍然具有優勢，例如文件系統、產品目錄和組織結構圖（例如Windows的文件資源管理器或UNIX的文件系統），并且這些場景中數據的組織自然適合于樹形結構。層次數據庫因其簡單易懂的結構得到了廣泛的應用，特別是對于那些數據結構清晰、層次分明的應用場景。層次數據庫在維護數據完整性方面表現良好，其結構允許快速有效地檢索和更新數據。層次數據庫在處理層次結構清晰的大量數據時表現出很高的效率，這使得它在一些高性能應用中仍然具有吸引力。

分層數據庫在處理復雜的多對多關系時可能不夠靈活，這是其主要局限性之一。盡管如此，層次數據庫模型在現代數據庫技術的發展中仍然保持著重要的地位，特別是在需要清晰層次結構的數據組織中。盡管現代數據庫技術已經衍生出了關系數據庫和NoSQL數據庫等多種模型，但層次模型在其擅長的領域仍然是一種有效的選擇。

數據建模開始

20世紀60年代，管理信息系統（MIS）興起，標志著數據建模在商業和技術領域逐漸顯示出其核心地位。在此之前，計算機主要用作大規模計算工具，數據存儲相對有限。然而，隨著管理信息系統的不斷發展，對有效的數據組織和檢索方法的需求急劇增加，這為數據庫技術的蓬勃發展提供了強大的動力。在此背景下，1962年，通用電氣公司的查爾斯·巴赫曼設計了集成數據存儲（IDS），這是第一個具有網絡模型的數據庫管理系統，為數據的靈活表示和圖形化呈現奠定了基礎。同時推出了信息管理系統（IMS），這是IBM于1968年推出的第一個大型商業數據庫管理系統。盡管它的樹狀數據組織很簡單，但它有些不靈活，因為它嚴格限制了一對多關系格式。盡管如此，由于其直觀性，層次數據庫模型仍然在一些領域得到廣泛應用。到20世紀60年代末，隨著更多理論數據模型的引入，層次數據庫模型開始與其他模型并行發展，這為數據組織和訪問提供了多樣化的選擇，并促進了數據庫技術向更加多樣化和復雜的方向發展。

層次模型的普及性和局限性

20世紀70年代，分層數據庫模型的流行與IBM的信息管理系統（IMS）的推出密切相關。層次模型是最早的數據模型之一，主要采用樹結構來組織數據，其中每個數據元素只有一個父元素和多個子元素。該模型的優勢在于其簡單清晰的數據結構和較高的數據庫查詢效率，尤其是在處理大量數據時。IBM的IMS系統作為分層數據庫管理系統的典型代表，自1968年開發以來一直以其獨特的分層數據處理和優化數據獨立性而聞名。然而，由于其嚴格的結構限制，分層數據庫模型在處理復雜的多對多關系時不夠靈活。這種局限性最終促使了關系數據庫模型的出現。E.F. Codd在1970年發表了一篇劃時代的論文，并提出了關系數據庫的概念，即使用表來組織數據，每行代表一條記錄，每列代表一個數據字段。這種結構的靈活性和直觀性使數據存儲和檢索更加方便。??

分層數據庫模型正在變得過時

20世紀80年代，數據庫模型的發展經歷了巨大的變化，主要是從層次模型向關系模型的轉變。關系模型的流行得益于其高效率和組織性，以及結構化查詢語言（SQL）在20世紀80年代成為標準查詢語言的事實。隨著關系模型的興起，數據庫管理系統的設計和實現也發生了變化。這一時期的另一個重要發展是面向對象數據庫管理系統（OODBMS）的出現，oo DBMS將數據視為對象，并與支持面向對象方法的編程語言兼容。這些變化不僅影響了數據庫技術，而且促進了編程語言和軟件工程的發展。這種趨勢導致分層數據庫模型的受歡迎程度急劇下降。由于其固有的結構限制和靈活性不足，分層模型逐漸被視為一種過時的技術，無法滿足日益增長的多樣化數據管理需求。

現代應用

在21世紀，盡管分層數據庫模型不再是主流數據庫技術，但它仍然在某些特定領域保持其重要性。特別是在那些對數據檢索性能和系統可用性要求較高的應用中，層次模型由于其簡單的結構和高效的數據檢索能力仍然被認為是一種有效的解決方案。在銀行、醫療保健和電信行業中，分層數據庫因其高性能和高穩定性而仍被廣泛使用。例如，銀行系統中的交易處理和電信網絡的配置管理都是層次數據庫有效應用的例子。這些領域的數據通常具有清晰的層次結構，而層次數據庫模型可以提供快速的數據訪問和高效的事務處理能力。

樹枝狀結構

層次數據庫模型采用一種獨特的樹結構來組織和管理數據，這種結構類似于一棵倒置的樹，以單個根記錄作為整個數據結構的起點。在這個模型中，根記錄位于層次結構的頂部，代表數據結構的最高級別。從這個根節點開始，數據結構分叉成多個分支，形成多級組織形式。這種分層方法使數據組織和訪問的過程非常直觀和有序。在分層數據庫模型中，每個較低級別的記錄可以有多個子記錄，但每個子記錄只能有一個直接父記錄。這種一對多的關系為層次模型的數據組織提供了清晰的路徑和結構。例如，在組織結構管理中，一個部門（父記錄）可以有多個員工（子記錄），但每個員工只屬于一個部門。這種結構的優點是它為數據存儲和訪問提供了一種自然而直觀的方式。用戶可以輕松地從根記錄開始向下瀏覽樹形結構，直到找到所需的數據。然而，這種結構的缺點在于靈活性低。因為每個記錄只能有一個父記錄，所以在處理復雜的多對多關系或向現有結構添加新鏈接時，分層模型可能會顯得有限。

記錄和段（或節點）

在分層數據庫模型中，記錄（或段或節點）作為數據的基本單位發揮著關鍵作用。每個記錄代表一個唯一的實體或對象，并包含一個或多個字段（或屬性）來存儲特定數據。這些字段中的數據可以是不同類型的信息，如文本、數字和日期。這種父子關系的設計使得分層數據庫模型特別適合那些具有自然分層結構的數據場景。例如，在組織結構管理中，它廣泛用于表達和管理組織結構，其中部門是父記錄，員工是子記錄。這種層次數據庫模型的組織模式為處理和管理層次數據提供了一種結構化的有效方法。它在各個行業和領域都有應用，特別是在那些需要有效處理分層數據關系的場景中，例如企業組織結構管理、文件系統設計、產品分類和電子商務平臺上的瀏覽。

父子關系

在分層數據庫模型中，父子關系是構建和維護數據層次結構的基礎。在此模型中，每個父記錄可以有多個子記錄，但每個子記錄只能有一個父記錄。這種一對多的關系形成了嚴格的樹形結構，數據從根節點向下流動，形成了清晰的分層路徑。層次數據庫模型的這一特點使其特別適用于數據具有自然層次結構的場景。例如，組織結構中的不同部門（父記錄）可以有多個員工（子記錄），但每個員工只屬于一個部門。但是，這種模型在處理多對多關系和靈活性方面有局限性。因為每個記錄只能有一個直接父記錄，所以在處理復雜的多對多關系或向現有結構添加新鏈接時，分層模型可能會顯得有限。此外，程序員在開發應用程序時需要很好地理解這種層次結構，以便他們可以有效地遍歷和查詢所需的數據。

根記錄

在層次數據庫模型中，根記錄是整個數據結構的核心和起點，位于層次結構的頂端。該記錄是唯一的，因為它沒有父記錄，但可以有一個或多個子記錄。根記錄的存在定義了整個數據庫的層次結構，所有其他記錄都直接或間接與其連接。根記錄的作用不僅是作為數據結構的起點，而且在組織和定位整個數據庫層次結構中起著關鍵作用。例如，在文件系統中，根目錄作為根記錄，包含多個子目錄和文件。在組織結構管理中，公司的最高管理層可以視為根記錄，分為不同的部門和團隊。因為根記錄位于層次結構的頂部，所以它也是數據檢索和遍歷的起點。當訪問特定數據時，用戶或程序從根記錄開始，沿著樹結構向下遍歷，直到找到所需的記錄。這種自上而下的訪問模式保證了數據檢索的順序和效率。然而，根記錄的設計也帶來了一些限制。在分層數據庫中，所有的數據訪問和操作都必須從這個單一入口點開始，這限制了數據結構的靈活性。例如，如果您需要添加或修改與根記錄不直接相關的數據，您可能需要重新組織整個數據結構。然而，根記錄的存在為分層數據庫提供了一種清晰的結構化方式，尤其是在處理具有清晰層次結構的數據時，例如文件系統的組織和管理。

子記錄

在分層數據庫模型中，子記錄與其父記錄之間的鏈接形成了數據的分層結構。每個子記錄繼承其父記錄的屬性，還可能有自己的子記錄，從而在層次結構中創建一個嵌套級別。這種分層模型建立了父子關系，其中一個記錄可以是多個子記錄的父記錄，每個子記錄只能有一個父記錄。這種關系形成了嚴格的樹形結構，數據訪問遵循從根到葉的預定路徑。分層數據庫中子記錄的作用不僅限于維護數據結構的層次結構，它們還允許對數據進行有效的組織和分類。例如，在組織結構管理中，子記錄可以代表特定部門的員工。但是，這種模型在處理多對多關系和靈活性方面有局限性。由于每個記錄只能有一個直接父記錄，因此添加或修改與根記錄不直接相關的數據可能需要重新組織整個數據結構。此外，分層數據庫的這種結構可能會導致數據冗余，尤其是當相同的數據需要在多個父子關系中重復時。

訪問和處理數據

在層次數據庫模型中，數據訪問和處理是通過預定義的層次結構實現的，這種結構通常以樹形圖的形式呈現。在這種結構中，數據被組織成多個級別，每個級別包含特定類型的記錄，這些記錄通過父子關系鏈接在一起，形成父子層次關系。數據訪問是通過在層次數據庫中遍歷這種樹結構來實現的。從根節點開始，根據要訪問的數據類型和位置，向下遍歷到相應的子節點。由于數據是分層組織的，因此對特定類型數據的訪問需要遵循特定的路徑。這種訪問方式保證了數據訪問的效率和結構的清晰性，但也帶來了一定的靈活性限制，因為數據的訪問路徑是預定義的。在數據處理中，層次數據庫利用其結構特點有效地管理和查詢數據。例如，使用專門的分層查詢語言或API，可以有效地搜索和操作樹結構中的數據。此外，現代數據管理代數（如CNS-代數）也用于高效處理、搜索和獲取分層數據。這些代數提供了一種統一的方法來處理不同級別的數據，從而使數據管理更加靈活和高效。層次數據庫模型提供了一種有效的結構化數據訪問和處理方法。它通過其獨特的層次結構優化了數據的存儲和訪問，盡管這種結構也帶來了一些限制。在現代應用中，結合先進的數據管理代數和查詢技術，層次數據庫在許多場合仍然發揮著重要作用。

組織結構管理：分層數據庫通過樹形結構或類似的形式，可以直觀地顯示公司或組織內部的層級關系，包括部門、崗位和員工之間的隸屬和協作關系。這種代表性不僅使創建和調整組織結構更容易，而且有助于人力資源部門更有效地進行人員配置、權限管理和績效評估。

層次數據庫

網絡拓撲分析：在復雜的計算機網絡環境中，網絡拓撲分析對于網絡性能優化和故障排除非常重要。層次數據庫在這一領域也顯示出其獨特的優勢。通過分層數據結構，網絡管理員可以清楚地了解網絡中每個節點的連接關系和層次結構。這不僅有助于快速定位網絡故障點，而且有助于管理員優化網絡布局，提高網絡的整體性能。

文件系統管理：文件系統是計算機中存儲和管理文件的重要組件。隨著計算機技術的不斷發展，文件系統的規模和復雜性也在不斷增加。層次數據庫為文件系統提供了一種有效的管理方法。通過樹結構或類似的形式，層次數據庫可以清晰地表示文件系統中的目錄結構和文件關系。這便于用戶瀏覽和搜索文件，并且對設置文件的權限和訪問控制也很有幫助。此外，分層數據庫還支持文件的備份和恢復，為數據的安全性和可恢復性提供了有力保障。

地理信息系統：地理信息系統涉及大量地理空間數據的存儲和管理。這些數據具有復雜的空間關系和屬性信息，需要一種高效的數據管理方法。層次數據庫在這一領域也顯示出其獨特的優勢。通過分層數據結構，分層數據庫可以清晰地表達地理空間數據之間的層次關系和從屬關系。這使得空間查詢、分析和可視化更加高效和準確。