Скачать программа для смены иконок. Как сменить стандартные иконки дисков Windows XP? Устанавливаем значки из других источников

В начало

Базы данных и СУБД

Информационные системы

Одним из важнейших условий обеспечения эффективного функционирования любой организации является наличие развитой информационной системы. Информационная система реализует автоматизированный сбор, обработку и манипулирование данными, содержит технические средства обработки данных, программное обеспечение и обслуживающий персонал.

Современной формой информационных систем являются банки данных, которые включают в свой состав вычислительную систему, одну или несколько баз данных (БД), систему управления базами данных (СУБД) и набор прикладных программ (ПП). Основными функциями банков данных являются:

Хранение данных и их защита;

Изменение (обновление, добавление и удаление) хранимых данных;

Поиск и отбор данных по запросам пользователей;

Обработка данных и вывод результатов.

База данных обеспечивает хранение информации и представляет собой поименованную совокупность данных, организованных по определенным правилам, включающим общие принципы описания, хранения и манипулирования данными.

Система управления базами данных представляет собой пакет прикладных программ и совокупность языковых средств, предназначенных для создания, сопровождения и использования баз данных.

Прикладные программы (приложения) в составе банков данных служат для обработки данных, вычислений и формирования выходных документов по заданной форме.

Приложение представляет собой программу или комплекс программ, использующих БД и обеспечивающих автоматизацию обработки информации из некоторой предметной области. Приложения могут создаваться как в среде СУБД, так и вне СУБД - с помощью системы программирования, к примеру, Delphi или C++ Builder , использующей средства доступа к БД.

Для работы с базой данных во многих случаях можно обойтись только средствам СУБД, скажем, создавая запросы и отчеты. Приложения разрабатывают главным образом в случаях, когда требуется обеспечить удобство работы с БД неквалифицированным пользователям или интерфейс СУБД не устраивает пользователя.

Важнейшим достоинством применения БД в информационных системах является обеспечение независимости данных от прикладных программ. Нет необходимости заниматься вопросами размещения данных в памяти, методами доступа к ним и т. д.

Такая независимость достигается поддерживаемым СУБД многоуровневым представлением данных в БД на логическом (пользовательском) и физическом уровнях.

В качестве основного критерия оптимальности функционирования базы данных, как правило, используются временные характеристики реализации запросов пользователей прикладными программами.

Средства для создания баз данных

Файловые системы

Развитие основных понятий представления данных

Любой вычислительный процесс представляет собой отображение некоторых входных данных в выходные.

Соотношение сложности представления обрабатываемых данных и алгоритма вычислений определяет два класса задач:

- вычислительные задачи – достаточно простое представление данных и сложный процесс вычислений;

- задачи обработки данных (невычислительные задачи) – простой алгоритм обработки данных и сложное представление обрабатываемых данных.

В соответствии с этим приходится уделять внимание как разработке алгоритма решения задачи, так и способам представления обрабатываемых данных.

Начиная с конца 60-х годов компьютеры начинают интенсивно использоваться для решения так называемых невычислительных задач, связанных с обработкой различного рода документов. При использовании файловых систем данные хранятся в файле, предназначенном только для решения этой задачи. В этом случае описание данных включено в прикладную программу. При изменении формата записей файла необходимо изменение прикладной программы. Таким образом, программная система, решающая поставленную задачу, определяет свои собственные данные и управляет ими.

Недостатки файловых систем

1. Структура записи файла известна только программе, в которой он создан. Изменение структуры требует изменения программ, использующих этот файл с данными. Таким образом, программы зависят от данных .

2. Проблемы с авторизацией доступа. Можно использовать средства ОС по разграничению доступа. Такое решение возможно, но неудобно. Нужны централизованные методы доступа к информации.

3. Проблемы с организацией многопользовательского доступа. Системы управления файлами обеспечивают многопользовательский режим, но имеют особенности, затрудняющие применение для БД. При чтении данных несколькими пользователя проблем не возникает. Внесение же изменений требует синхронизации действий пользователей. Обычно при открытии файла указывается режим (чтение/запись). Если к этому моменту файл открыт другим процессом в режиме изменения, то ОС либо сообщает, что файл невозможно открыть, либо действие блокируется до закрытия другого процесса. В любом случае либо одновременно несколько пользователей не могут модифицировать БД, либо процесс выполняется медленно.

В прикладной программе, использующей при решении задачи один или несколько отдельных файлов, за сохранность и достоверность данных отвечал программист, работающий с этой задачей. Использование базы данных предполагает работу с ней нескольких прикладных программ, решающих задачи разных пользователей.

Естественно, что за сохранность и достоверность интегрированных данных программист, решающий одну из прикладных задач, отвечать уже не может. Кроме того, расширение круга решаемых с использованием базы данных задач может приводить к появлению новых типов записей и отношений между ними. Такое изменение структуры базы данных не должно вести к изменению множества ранее разработанных и успешно функционирующих прикладных программных систем, работающих с базой данных. С другой стороны, возможное изменение любой из прикладных программ, в свою очередь, не должно приводить к изменению структуры данных. Все вышесказанное обусловливает необходимость отделения данных от прикладных программ.

Системы управления базами данных

Роль интерфейса между прикладными программами и базой данных, обеспечивающего их независимость, играет программный комплекс – система управления базами данных (СУБД).

СУБД – программный комплекс поддержки интегрированной совокупности данных, предназначенный для создания, ведения и использования базы данных многими пользователями (прикладными программами).

Основные функции системы управления базами данных.

1. Определение структуры создаваемой базы данных, ее инициализация и проведение начальной загрузки

2. Предоставление пользователям возможности манипулирования данными (выборка необходимых данных, выполнение вычислений, разработка интерфейса ввода/вывода, визуализация).

3. Обеспечение независимости прикладных программ и (логической и физической независимости).

4. Защита логической целостности базы данных.

5. Защита физической целостности.

6. Управление полномочиями пользователей на доступ к базе данных.

7. Синхронизация работы нескольких пользователей.

8. Управление ресурсами среды хранения.

9. Поддержка деятельности системного персонала.

1. Определение структуры создаваемой базы данных, ее инициализация и проведение начальной загрузки . В большинстве современных СУБД база данных представляется в виде совокупности таблиц.

2. Предоставление пользователям возможности манипулирования данными (выборка необходимых данных, выполнение вычислений, разработка интерфейса ввода/вывода, визуализация). Такие возможности в СУБД представляются либо на основе использования специального языка программирования, входящего в состав СУБД, либо с помощью графического интерфейса.

3. Обеспечение независимости прикладных программ и данных (логической и физической независимости). Важнейшим свойством СУБД является возможность поддерживать два независимых взгляда на базу данных – «взгляд пользователя», воплощаемый в логическом представлении данных, и его отражения в прикладных программах; и «взгляд системы» – физическое представление данных в памяти ЭВМ. Обеспечение логической независимости данных предоставляет возможность изменения (в определенных пределах) логического представления базы данных без необходимости изменения физических структур хранения данных. Таким образом, изменение логического представления данных в прикладных программах не приводит к изменению структур хранения данных. Обеспечение физической независимости данных предоставляет возможность изменять (в определенных пределах) способы организации базы данных в памяти ЭВМ не вызывая необходимости изменения «логического» представления данных. Таким образом, изменение способов организации базы данных не приводит к изменению прикладных программ.

4. Защита логической целостности базы данных.

Основной целью реализации этой функции является повышение достоверности данных в базе данных. Достоверность данных может быть нарушена при их вводе в БД или при неправомерных действиях процедур обработки данных, получающих и заносящих в БД неправильные данные. Для повышения достоверности данных в системе объявляются так называемые ограничения целостности, которые в определенных случаях «отлавливают» неверные данные. Так, во всех современных СУБД проверяется соответствие вводимых данных их типу, описанному при создании структуры. Система не позволит ввести символ в поле числового типа, не позволит ввести недопустимую дату и т.п. В развитых системах ограничения целостности описывает программист, исходя из содержательного смысла задачи, и их проверка осуществляется при каждом обновлении данных. Более подробно

5. Защита физической целостности . При работе ЭВМ возможны сбои в работе (например, из-за отключения электропитания), повреждение машинных носителей данных. При этом могут быть нарушены связи между данными, что приводит к невозможности дальнейшей работы. Развитые СУБД имеют средства восстановления базы данных. Важнейшим используемым понятием является понятие «транзакции». Транзакция – это единица действий, производимых с базой данных. В состав транзакции может входить несколько операторов изменения базы данных, но либо выполняются все эти операторы, либо не выполняется ни один. СУБД, кроме ведения собственно базы данных, ведет также журнал транзакций.

Необходимость использования транзакций в базах данных проиллюстрируем на упрощенном примере. Предположим, что база данных используется в некотором банке и один из клиентов желает перевести деньги на счет другого клиента банка. В базе данных хранится информация о количестве денег у каждого из клиентов. Нам нужно сделать два изменения в базе данных – уменьшить сумму денег на счете одного из клиентов и, соответственно, увеличить сумму денег на другом счете. Конечно, реальный перевод денег в банке представляет собой гораздо более сложный процесс, затрагивающий много таблиц, а возможно, и много баз данных. Однако суть остается та же – нужно либо совершить все действия (увеличить счет одного клиента и уменьшить счет другого), либо не выполнить ни одно из этих действий. Нельзя уменьшить сумму денег на одном счете, но не увеличить сумму денег на другом.

Предположим также, что после выполнения первого из действий (уменьшения суммы денег на счете первого клиента) произошел сбой. Например, могла прерваться связь клиентского компьютера с базой данных или на клиентском компьютере мог произойти системный сбой, что привело к перезагрузке операционной системы. Что в этом случае стало с базой данных? Команда на уменьшение денег на счете первого клиента была выполнена, а вторая команда – на увеличение денег на другом счете – нет, что привело бы к противоречивому, неактуальному состоянию базы данных.

Использование механизма транзакций позволяет находить решение в этом и подобных случаях. Перед выполнением первого действия выдается команда начала транзакции. В транзакцию включается операция снятия денег на одном счете и увеличения суммы на другом счете. Оператор завершения транзакций обычно называется COMMIT. Поскольку после выполнения первого действия транзакция не была завершена, изменения не будут внесены в базу данных. Изменения вносятся (фиксируются) только после завершения транзакции. До выдачи данного оператора сохранения данных в базе не произойдет. В нашем примере, поскольку оператор фиксации транзакции не был выдан, база данных «откатится» в первоначальное состояние – иными словами, суммы на счетах клиентов останутся те же, что и были до начала транзакции. Администратор базы данных может отслеживать состояние транзакций и в необходимых случаях вручную «откатывать» транзакции.

Кроме того, в очевидных случаях СУБД самостоятельно принимает решение об «откате» транзакции.

Транзакции не обязательно могут быть короткими. Бывают транзакции, которые длятся несколько часов или даже несколько дней. Увеличение количества действий в рамках одной транзакции требует увеличения занимаемых системных ресурсов. Поэтому желательно делать транзакции по возможности короткими. В журнал транзакций заносятся все транзакции – и зафиксированные, и завершившиеся «откатом». Ведение журнала транзакций совместно с созданием резервных копий базы данных позволяет достичь высокой надежности базы данных.

Предположим, что база данных была испорчена в результате аппаратного сбоя компьютера, на котором был установлен сервер СУБД. В этом случае нужно использовать последнюю сделанную резервную копию базы данных и журнал транзакций. Причем применить к базе данных нужно только те транзакции, которые были зафиксированы после создания резервной копии. Большинство современных СУБД позволяют администратору воссоздать базу данных исходя из резервной копии и журнала транзакций. В таких системах в определенный момент БД копируется на резервные носители. Все обращения к БД записываются программно в журнал изменений. Если база данных разрушена, запускается процедура восстановления, в процессе которой в резервную копию из журнала изменений вносятся все произведенные изменения.

6. Управление полномочиями пользователей на доступ к базе данных .

Разные пользователи могут иметь разные полномочия по работе с данными (некоторые данные должны быть недоступны; определенным пользователям не разрешается обновлять данные и т.п.). В СУБД предусматриваются механизмы разграничения полномочий доступа, основанные либо на принципах паролей, либо на описании полномочий.

7. Синхронизация работы нескольких пользователей .

Достаточно часто может иметь место ситуация, когда несколько пользователей одновременно выполняют операцию обновления одних и тех же данных. Такие коллизии могут привести к нарушению логической целостности данных, поэтому система должна предусматривать меры, не допускающие обновление данных другим пользователям, пока работающий с этими данными пользователь полностью не закончит с ними работать. Основным используемым здесь понятием является «блокировка». Блокировки необходимы для того, чтобы запретить различным пользователям возможность одновременно работать с базой данных, поскольку это может привести к ошибкам.

Для реализации этого запрета СУБД устанавливает блокировку на объекты, которые использует транзакция. Существуют разные типы блокировок – табличные, страничные, строчные и другие, которые отличаются друг от друга количеством заблокированных записей.

Чаще других используется строчная блокировка – при обращении транзакции к одной строке блокируется только эта строка, остальные строки остаются доступными для изменения.

Таким образом, процесс внесения изменений в базу данных состоит из следующей последовательности действий: выдается оператор начала транзакции, выдается оператор изменения данных, СУБД анализирует оператор и пытается установить блокировки, необходимые для его выполнения, в случае успешной блокировки оператор выполняется, затем процесс повторяется для следующего оператора транзакции. После успешного выполнения всех операторов внутри транзакции выполняется оператор фиксации транзакции. СУБД фиксирует изменения, сделанные транзакцией, и снимает блокировки. В случае неуспеха выполнения какого-либо из операторов транзакция «откатывается», данные получают прежние значения, блокировки снимаются.

8. Управление ресурсами среды хранения .

БД располагается во внешней памяти ЭВМ. При работе в БД заносятся новые данные (занимается память) и удаляются данные (освобождается память). СУБД выделяет ресурсы памяти для новых данных, перераспределяет освободившуюся память, организует ведение очереди запросов к внешней памяти и т.п.

9. Поддержка деятельности системного персонала .

При эксплуатации базы данных может возникать необходимость изменения параметров СУБД, выбора новых методов доступа, изменения (в определенных пределах) структуры хранимых данных, а также выполнения ряда других общесистемных действий. СУБД предоставляет возможность выполнения этих и других действий для поддержки деятельности БД обслуживающему БД системному персоналу, называемому администратором БД.

Классификация СУБД

СУБД, как правило, разделяют по используемой модели данных (как и базы данных) на следующие типы: иерархические, сетевые, реляционные и объектно-ориентированные.

По характеру использования СУБД делят на персональные (СУБДП) и многопользовательские (СУБДМ).

К персональным СУБД относятся Visual FoxPro , Paradox , Clipper , dBase , Access и др. К многопользовательским СУБД относятся, например, СУБД Oracle и Informix . Многопользовательские СУБД включают в себя сервер БД и клиентскую часть, работают в неоднородной вычислительной среде - допускаются разные типы ЭВМ и различные операционные системы. Поэтому на базе СУБДМ можно создать информационную систему, функционирующую по технологии клиент-сервер. Универсальность многопользовательских СУБД отражается соответственно на высокой цене и компьютерных ресурсах, требуемых для их поддержки.

СУБДП представляет собой совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и использования БД.

Персональные СУБД обеспечивают возможность создания персональных БД и недорогих приложений, работающих с ними, и при необходимости создания приложений, работающих с сервером БД.

Управляющим компонентом многих СУБД является ядро, выполняющее следующие функции:

- управление данными во внешней памяти;

- управление буферами оперативной памяти (рабочими областями, в которые осуществляется подкачка данных из базы для повышения скорости работы);

- управление транзакциями.

Транзакция - это последовательность операций над БД, рассматриваемая СУБД как единое целое. Под транзакцией понимается воздействие на БД, переводящее ее из одного целостного состояния в другое. Воздействие выражается в изменении данных в таблицах базы.

Если одно из изменений, вносимых в БД в рамках транзакции, завершается неуспешно, должен быть произведен откат к состоянию базы данных, имевшему место до начала транзакции. Следовательно, все изменения, внесенные в БД в рамках транзакции либо одновременно подтверждаются, либо не подтверждается ни одно из них.

При выполнении транзакция может быть либо успешно завершена, и СУБД зафиксирует произведенные изменения во внешней памяти. При сбое в аппаратной части ПК, ни одно из изменений не отразится в БД. Понятие транзакции необходимо для поддержания логической целостности БД.

Обеспечение целостности БД - необходимое условие успешного функционирования БД. Целостность БД - свойство БД, означающее, что база данных содержит полную и непротиворечивую информацию, необходимую и достаточную для корректного функционирования приложений. Для обеспечения целостности БД накладывают ограничения целостности в виде некоторых условий, которым должны удовлетворять хранимые в базе данные. Примером таких условий может служить ограничение диапазонов возможных значений атрибутов объектов, сведения о которых хранятся в БД, или отсутствие повторяющихся записей в таблицах реляционных БД.

Обеспечение безопасности достигается в СУБД шифрованием прикладных программ, данных, защиты паролем, поддержкой уровней доступа к базе данных, к отдельной таблице.

Расширение возможностей пользователя СУБДП достигается за счет подключения систем построения графиков и диаграмм, а также подключения модулей, написанных на языках программирования.

Поддержка функционирования в сети обеспечивается:

средствами управления доступом пользователей к совместно используемым данным, т. е. средствами блокировки файлов (таблиц), записей, полей, которые в разной степени реализованы в разных СУБДП;

средствами механизма транзакций, обеспечивающими целостность БД при функционировании в сети.

Поддержка взаимодействия с Windows-приложениями позволяет СУБДП внедрять в отчет сведения, хранящиеся в файлах, созданных с помощью других приложений, например, в документе Word или в рабочей книге Excel , включая графику и звук. Для этого в СУБДП поддерживаются механизмы, разработанные для среды Windows , такие как: DDE { Dynamic Data Exchange - динамический обмен данными) и OLE { Object Linking and Embedding - связывание и внедрение объектов).

Уровни представления данных

Современные подходы к созданию БД предполагают их трёхуровневую организацию. Этот способ организации БД был предложен American National Standards Institute (ANSI ) и используется повсеместно.

На самом верхнем (внешнем) уровне может быть множество моделей. Этот уровень определяет точку зрения на БД отдельных пользователей (приложений). Каждое приложение видит и обрабатывает только те данные, которые необходимы именно ему.

На концептуальном уровне БД представлена в наиболее общем виде, который объединяет все внешние представления предметной области. На концептуальном уровне имеем обобщённую модель предметной области, для которой создавалась БД. Концептуальное представление только одно. При разработке концептуальной модели усилия направлены на структуризацию данных и выявление взаимосвязей, без рассмотрения особенностей реализации и эффективности разработки.

Внутренний (физический) уровень – это собственно данные, расположенные на внешних носителях информации. Внутренняя модель определяет размещение данных, методы доступа, технику индексирования.

Трёхуровневая организация БД позволяет обеспечить логическую и физическую независимость при работе с данными. Логическая независимость предполагает возможность изменения одного приложения, без корректировки других приложений, работающих с этой же БД.

Физическая независимость предполагает возможность переноса хранимой информации с одних носителей на другие при сохранении работоспособности всех приложений, использующих эту БД.

Классификация моделей данных

Модель данных – это набор правил, по которым организуются данные.

Это очень простое определение можно уточнить. Модель данных – это некоторая абстракция, которая, будучи приложена к конкретным данным, позволяет пользователям и разработчикам трактовать их как информацию, то есть сведения, содержащие не только данные, но и взаимосвязи между ними.

Принято выделять три группы моделей данных: инфологические, даталогические и физические.

Рис.1 Модели данных

Инфологическая (семантическая) модель – это обобщённое, не привязанное к какой-либо ЭВМ и СУБД описание предметной области. Это описание, выполненное с использованием естественного языка, математических формул, таблиц, графиков и других средств объединяет частные представления о содержимом базы данных, полученные в результате опроса пользователей, и представления разработчиков о данных, которые могут потребоваться в будущих приложениях.

Такая человеко-ориентированная модель полностью независима от физических параметров среды хранения данных. Поэтому инфологическая модель не должна изменяться до тех пор, пока она адекватно отражает предметную область, то есть до тех пор, пока не произошли изменения в предметной области.

Даталогические модели являются компьютерно-ориентированными, они поддерживаются конкретными СУБД. С их помощью СУБД даёт возможность пользователям осуществлять доступ к хранимым данным не заботясь об их физическом расположении. Так как доступ к данным осуществляется с помощью конкретной СУБД, то даталогические модели описываются на языке описания данных используемой СУБД.

Нужные данные отыскиваются СУБД на внешних запоминающих устройствах по физической модели данных . Физическая модель оперирует категориями, относящимися к организации внешней памяти и структурам хранения данных, которые используются в данной операционной среде.

Даталогические модели

К этой группе относятся такие широко известные модели как иерархическая, сетевая, реляционная и объектно-ориентированная.

Классификация моделей, их описание появились после разработки реляционной модели. До этого разрабатывали БД, используя имеющиеся технологии. И значительно позднее проанализировали существующие базы данных и выполнили их теоретическое описание.

Теоретико-графовые модели отражают совокупность объектов реального мира в виде графа. В зависимости от типа графа различают иерархическую и сетевую модели. Иерархическая и сетевая модели данных стали применяться в СУБД в начале 60-х годов 20 века. В настоящее время они используются реже, чем реляционная модель данных.

Для работы со сложными наборами данных математики разработали иерархическую модель данных. Эта модель появилась раньше других даталогических моделей. Именно эта модель данных использована в первой официально признанной промышленной СУБД фирмы IBM.

Иерархическая модель предполагает хранение данных в виде, похожем на организацию каталогов в MS DOS: все каталоги начинаются с корневого и ветвятся подобно дереву. К каждому файлу есть только один путь, то есть файлу соответствует одно имя каталога.

В реальном мире некоторые объекты по своей сути составляют иерархические структуры: одни объекты являются родительскими, другие – дочерними. Иерархия проста и естественна для отображения взаимосвязей между объектами. Достаточно вспомнить многочисленные классификации, используемые в разных областях знаний, например, приведённую выше классификацию моделей данных. В качестве другого примера можно привести структуру данных предприятия.

В иерархической БД все записи ветвятся от одной корневой. Запись имеет всегда только одного родителя и сама тоже может быть родителем для другой записи.

Главное достоинство иерархической модели – скорость. Поскольку все отношения между таблицами предопределены и являются статическими, поисковые и другие операции над набором данных выполняются очень быстро.

Наиболее существенный недостаток – негибкость. Поскольку отношения хранятся внутри каждой записи, данные имеют смысл только в определённом контексте. Другой недостаток – трудность переноса данных с компьютера на компьютер. Третий недостаток заключается в том, что глобальные изменения данных практически невозможны. При изменении требуется, чтобы каждая запись, включая родительские и дочерние, была модифицирована индивидуально.

Работа с этой моделью данных предполагает значительный объём знаний. Большинство БД, использующих иерархическую модель, требует специально подготовленного персонала для обеспечения правильного функционирования.

Сетевая модель предложена для обеспечения гибкости в управлении данными. На разработку этой модели большое влияние оказал американский ученый Ч.Бахман.

Основные принципы сетевой модели данных были сформулированы в середине 60-х годов. Эталонный вариант сетевой модели данных описан в отчетах рабочей группы по языкам баз данных CODASYL (COnference on DAta SYstem Languages) в середине 70-х годов.

Сетевая модель отличается от иерархической тем, что позволяет определять для записи более чем одно групповое отношение. Эта модели состоит из множества записей, которые могут быть владельцами или членами групповых отношений. Сетевая модель позволяет производить поиск в различных структурах и поддерживает для записей отношение «одна ко многим».

Как и в иерархической БД, информация о связях хранится в записях и должна быть предопределена. Поэтому сетевая модель данных имеет те же ограничения, что и иерархическая.

Реляционная модель данных

Основные понятия и определения реляционной модели

Реляционная модель

В 1970 году Е.Ф. Кодд (E . F . Codd ) представил реляционную модель БД. Концепция этой модели основана на том, что организация данных в базе должна быть гибкой, динамичной, легко используемой. Пользователь должен работать только с логическим представлением данных, а уж система управления БД позаботится о физической структуре данных. Кодд сформулировал основные положения реляционных баз данных.

Реляционная модель использует таблицы и базируется на двух утверждениях:

· база данных должна состоять из таблиц и только из таблиц. Только содержимое таблиц определяет операции БД;

· описание данных и манипуляции над ними должны быть независимыми от способа хранения данных на нижнем уровне. Другими словами, системы управления реляционными базами данных (СУРБД) должны обеспечивать свою собственную систему управления, основанную только на логическом представлении данных.

В своём документе Кодд описал язык для оперирования с реляционными структурами. Со временем этот язык превратился в то, что сейчас называют структурированным языком запросов SQL (Structured Query Language ).

Кодд вывел набор базовых правил, которым должна соответствовать СУБД реляционной модели. Всего их 12. Реально существующие базы данных не удовлетворяют полностью всем правилам Кодда. Каждый разработчик реализует реляционную модель по-своему. В результате свойства реляционных БД сильно варьируются.

В правилах Кодда можно выделить 4 категории:

1) базовые возможности – описание данных и язык программирования;

2) доступ к данным – правила доступа, хранения и поиска,

3) гибкость – правила изменения (модификации) данных;

4) целостность – правила для обеспечения качества и защищённости данных.

При использовании реляционной модели СУБД пользователь работает с логической структурой данных. Для перехода на низший (физический) уровень Кодд предложил концепцию словаря данных.

Словарь данных – это центральная таблица и хранилище информации о базе данных, содержит сведения о расположении данных, имена полей, типы данных, карты отношений. Словарь данных работает с операционной системой и осуществляет связь таблиц (логических данных) с файлами (физическими данными).

Будучи математиком по образованию Э.Кодд предложил использовать для обработки данных аппарат теории множеств (объединение, пересечение, разность, декартово произведение). Он показал, что любое представление данных сводится к совокупности двумерных таблиц особого вида, известного в математике как отношение – relation (англ.) Наименьшая единица данных реляционной модели – это отдельное атомарное (неразложимое) для данной модели значение данных. Так, в одной предметной области фамилия, имя и отчество могут рассматриваться как единое значение, а в другой – как три различных значения.

Доменом называется множество атомарных значений одного и того же типа. Смысл доменов состоит в следующем. Если значения двух атрибутов берутся из одного и того же домена, то, вероятно, имеют смысл сравнения, использующие эти два атрибута Если же значения двух атрибутов берутся из различных доменов, то их сравнение, вероятно, лишено смысла.

Отношение на доменах D1, D2, ..., Dn (не обязательно, чтобы все они были различны) состоит из заголовка и тела.

Заголовок состоит из такого фиксированного множества атрибутов A1, A2, ..., An, что существует взаимно однозначное соответствие между этими атрибутами Ai и определяющими их доменами Di (i=1,2,...,n).

Тело состоит из меняющегося во времени множества кортежей , где каждый кортеж состоит в свою очередь из множества пар атрибут-значение (Ai:Vi), (i=1,2,...,n), по одной такой паре для каждого атрибута Ai в заголовке. Для любой заданной пары атрибут-значение (Ai:Vi) Vi является значением из единственного домена Di, который связан с атрибутом Ai.

Степень отношения – это число его атрибутов. Отношение степени один называют унарным, степени два – бинарным, степени три – тернарным, ..., а степени n – n-арным. Степень отношения

Кардинальное число или мощность отношения – это число его кортежей. Кардинальное число отношения изменяется во времени в отличие от его степени.

Поскольку отношение – это множество, а множества по определению не содержат совпадающих элементов, то никакие два кортежа отношения не могут быть дубликатами друг друга в любой произвольно-заданный момент времени. Пусть R – отношение с атрибутами A1, A2, ..., An. Говорят, что множество атрибутов K=(Ai, Aj, ..., Ak) отношения R является возможным ключом R тогда и только тогда, когда удовлетворяются два независимых от времени условия:

1. Уникальность: в произвольный заданный момент времени никакие два различных кортежа R не имеют одного и того же значения для Ai, Aj, ..., Ak.
2. Минимальность: ни один из атрибутов Ai, Aj, ..., Ak не может быть исключен из K без нарушения уникальности.

Каждое отношение обладает хотя бы одним возможным ключом, поскольку по меньшей мере комбинация всех его атрибутов удовлетворяет условию уникальности. Один из возможных ключей (выбранный произвольным образом) принимается за его первичный ключ. Остальные возможные ключи, если они есть, называются альтернативными ключами.

Вышеупомянутые и некоторые другие математические понятия явились теоретической базой для создания реляционных СУБД, разработки соответствующих языковых средств и программных систем, обеспечивающих их высокую производительность, и создания основ теории проектирования баз данных. Однако для массового пользователя реляционных СУБД можно с успехом использовать неформальные эквиваленты этих понятий:

Отношение – Таблица (иногда Файл),
Кортеж – Строка (иногда Запись),
Атрибут – Столбец, Поле.

При этом принимается, что «запись» означает «экземпляр записи», а «поле» означает «имя и тип поля».

1. Каждая таблица состоит из однотипных строк и имеет уникальное имя.

2. Строки имеют фиксированное число полей (столбцов) и значений (множественные поля и повторяющиеся группы недопустимы). Иначе говоря, в каждой позиции таблицы на пересечении строки и столбца всегда имеется в точности одно значение или ничего.

3. Строки таблицы обязательно отличаются друг от друга хотя бы единственным значением, что позволяет однозначно идентифицировать любую строку такой таблицы.

4. Столбцам таблицы однозначно присваиваются имена, и в каждом из них размещаются однородные значения данных (даты, фамилии, целые числа или денежные суммы).

5. Полное информационное содержание базы данных представляется в виде явных значений данных и такой метод представления является единственным. В частности, не существует каких-либо специальных "связей" или указателей, соединяющих одну таблицу с другой.

6. При выполнении операций с таблицей ее строки и столбцы можно обрабатывать в любом порядке безотносительно к их информационному содержанию. Этому способствует наличие имен таблиц и их столбцов, а также возможность выделения любой их строки или любого набора строк с указанными признаками

Ключи

Реляционная теория требует, чтобы данные унифицировались уникально по трём критериям:

· таблицей, где хранится этот элемент данных;

· названием поля в этой таблице;

· значением первичного ключа для записи.

Первичный ключ – это поле или группа полей, которые гарантируют уникальность записи.

При разработке таблицы в качестве первичного ключа следует выбирать столько полей, сколько требуется для того, чтобы каждая запись таблицы была уникальной. Одни таблицы содержат одно поле, уникально идентифицирующее каждую запись. Другие таблицы могут потребовать составного ключа (composite key ), то есть первичного ключа, состоящего из комбинации полей. Даже если таблица имеет составной первичный ключ, он может быть только один.

Построение первичного ключа является обязательным. Данные часто имеют естественный ключ (natural key ). Например, номер социального страхования идентифицирует любого налогоплательщика США; банки выдают номера счетов своим клиентам; больницы присваивают пациентам номера в картотеке. Всё это – номер социального страхования, счёт в банке, номер в картотеке – лучшие кандидаты на роль первичного ключа, поскольку они уникально идентифицируют налогоплательщиков, клиентов и пациентов соответственно.

При выборе ключа надо проявлять осторожность, так как некоторые данные только кажутся уникальными. Например, фамилия и имя, наименование фирмы и дата заказа.

Если данные не содержат естественного первичного ключа, то он должен быть создан. Существуют две школы, которые предлагают разные способы создания искусственного ключа (artifical key ).

Первая школа утверждает, что ключ должен быть максимально приближен к данным. Например, записи в таблицах Paradox по умолчанию автоматически сортируют и отображаются в порядке, определённом первичным ключом. Если построить ключ по четырём буквам от фамилии плюс две буквы имени, плюс последовательно присвоенное число, то сортировка будет показывать записи в алфавитном порядке. Но у такого ключа есть и неудобства, например, при изменении фамилии придётся обновлять ссылки.

Вторая школа считает, что ключ не должен иметь ничего общего с данными, так называемый суррогатный ключ (surrogate key ).

Первичный ключ следует формировать настолько коротким, насколько это возможно. Длинный ключ приводит к большему числу ошибок при вводе данных. Поскольку реляционная БД использует первичные ключи для организации связей между таблицами, то появление ошибочных связей ухудшает защищённость данных. Если естественный первичный ключ получается слишком длинным, то рекомендуется перейти к использованию суррогатного ключа. Этот подход часто применяется на практике и известен как генерация уникальных идентификаторов.

Ключевым элементом данных называется такой элемент, по которому можно определить значения других элементов данных. Однозначно идентифицировать объект могут два и более элементов данных. Выбирать ключевые элементы данных следует тщательно, поскольку правильный выбор способствует созданию достоверной концептуальной модели данных.

Первичный ключ - это атрибут или группа атрибутов, которые единственным образом идентифицируют каждую строку таблицы.

Альтернативный (вторичный) ключ - это атрибут или группа атрибутов, не совпадающих с первичным ключом и уникально идентифицирующих экземпляр объекта.

Индексы

Индексы являются составной частью структуры базы данных и предназначены для ускорения поиска информации в таблице.

Индекс – структура, связанная с таблицей или представлением и предназначенная для ускорения поиска информации в них. Индекс определяется для одного или нескольких столбцов, называемых индексированными столбцами. Он содержит отсортированные значения индексированного столбца или столбцов со ссылками на соответствующую строку исходной таблицы или представления. Повышение производительности достигается за счет сортировки данных . Использование индексов может существенно повысить производительность поиска, однако для хранения индексов необходимо дополнительное пространство в базе данных .

В качестве примера поиска в таблице представим себе телефонный справочник, где все абоненты расположены по алфавиту. Очевидно, что в таком справочнике очень легко найти номер телефона, если известна фамилия абонента. С другой стороны, найти фамилию абонента по номеру его телефона чрезвычайно сложно, т.к. справочник не упорядочен по номерам телефона, придется искать нужный телефон методом простого перебора. Таким образом, упорядоченность информации значительно облегчает поиск. Этот принцип положен в основу системы индексов.

На рисунке показан телефонный справочник с записями, не упорядоченными по номеру телефона, и индекс, сформированный для этого справочника. Из рисунка видно, что индекс представляет собой массив целых чисел, куда помещены номера записей справочника в порядке возрастания номера телефона. Благодаря этому, записи становятся упорядоченными по номеру телефона, и вместо поиска методом полного перебора можно применить метод половинного деления или метод двоичного дерева.

Рис. 3. Пример индекса по полю «номер телефона».

Связи

Связь – это функциональная зависимость между сущностями. Если между некоторыми сущностями существует связь, то факты из одной сущности ссылаются или некоторым образом связаны с фактами из другой сущности. Поддержание непротиворечивости функциональных зависимостей между сущностями называется ссылочной целостностью. Поскольку связи находятся «внутри» реляционной модели, реализация ссылочной целостности может выполняться как приложением, так и самой СУБД (с помощью механизмов декларативной ссылочной целостности и триггеров).

При описании отношений подразумевается связь между записями разных таблиц. Например, если упоминается связь типа одна-ко-многим, то имеется в виду, что одна запись некоторой таблицы связана со многими записями другой таблицы. Ни в коем случае не имеется в виду связь одной таблицы со многими таблицами.

Простейшая связь между записями таблиц – это одна-к-одной. Связь такого типа осуществляется, когда связываемые таблицы имеют одинаковый первичный ключ. Чаще всего этот тип связи используется при наличии таблицы с большим числом полей, некоторые из которых являются второстепенными (не столь значимыми). Например, запись о человеке в отделе кадров может состоять из фамилии, имени, отчества, паспортных данных, автобиографии и т.п. Автобиография может быть отнесена к второстепенным сведениям и вынесена в дополнительную таблицу с типом связи одна-к-одной.

Наиболее распространён тип связи одна-ко-многим . Например, клиент и заказы: один клиент может сделать много заказов. Поля, по которым осуществляются связи, не являются свободными, то есть не могут иметь произвольные значения. Например, в заказе должен быть упомянут клиент, который есть в таблице «Клиенты». С точки зрения таблицы «Клиенты» поле «ФИО клиента» может быть произвольным, так как не зависит от полей других таблиц.

Если связаны все ключевые поля одной таблицы и часть ключевых полей другой таблицы, то тип связи может быть только одна-ко-многим.

Тип связи много-ко-многим возникает, если связаны поля, частично входящие в первичный ключ одной и другой таблицы. Например, поле «Наименование продукта» в таблице «Заказы» и поле «Наименование продукта» в таблице «Отчисления». Продукт может быть заказан несколькими клиентами, а отчисления по продукту идут разным специалистам за каждую продажу продукта (если таблица «Отчисления» имеет два поля в первичном ключе – название продукта и специалист или название продута и менеджер).

Выше рассмотрены способы связывания таблиц при помощи полей, входящих в первичный ключ. Однако существует другой способ связывания таблиц, в связи с одной стороны могут участвовать поля, не входящие в первичный ключ, а с другой стороны – поля входящие в первичный ключ. Это делается при помощи вторичных или внешних ключей (foreign key ). Вторичный ключ строится по полям, не входящим в первичный ключ.

Таким образом, при определении отношения, одна таблица осуществляет связь используя поля, входящие в первичный ключ, а другая – может использовать все поля первичного ключа, их часть, или поля, не входящие в первичный ключ.

В отличие от отношений, основанных только на первичном ключе, отношения, построенные на использовании вторичного ключа, называются потенциальными. Разработчик БД сам решает, использовать такое связывание или нет.

Отношение много-к-одной по сути является перевёрнутым отношением одна-ко-многим. Значения в полях связи должна определять таблица, в которой используемые поля являются уникальными, то есть только одна запись может определять множество других.

Ссылочная целостность – это обеспечение соответствия значения внешнего ключа экземпляра дочерней сущности значениям первичного ключа в родительской сущности. Ссылочная целостность может контролироваться при всех операциях, изменяющих данные.

Хранимая процедура - это программа, объединяющая запросы, процедурную логику (операторы присваивания, ветвления и т.д.) и хранящиеся в базе данные. Этот механизм позволяет содержать вместе с данными достаточно сложные программы, выполняющие большой объём работ по обработке данных без передачи данных по сети и без взаимодействия с клиентом. В этом случае база данных может представлять собой функционально самостоятельный уровень приложения, который взаимодействует с другими уровнями для получения запросов и обновления данных.

Правила позволяют вызывать выполнение заданных действий при изменении или добавлении данных в БД и тем самым контролировать истинность помещаемых в неё данных. Обычно действие - это вызов определённой процедуры или функции. Правила могут ассоциироваться с полем или записью и, соответственно, срабатывать при изменении данных в конкретном поле или записи таблицы. Нельзя использовать правила при удалении данных. В отличие от ограничений, которые являются лишь средством контроля относительно простых условий корректности ввода данных, правила позволяют проверять и поддерживать сколь угодно сложные соотношения между элементами данных в БД.

Триггер – это предварительно определённое действие или последовательность действий, автоматически осуществляемых при выполнении операций обновления, добавления или удаления данных. Триггер является мощным инструментом контроля за изменением данных в БД, помогает программисту автоматизировать операции, которые должны выполняться в этом случае. Триггер выполняется после проверки правил обновления данных. Ни пользователь, ни приложение не могут активизировать триггер, он запускается автоматически, когда пользователь или приложение выполняют с БД определённые действия. Триггер включает в себя следующие компоненты:

* ограничения, для реализации которых созда1тся триггер;

* событие, которое будет характеризовать возникновение ситуации, требующей проверки ограничений. События чаще всего связаны с изменением состояния БД (например, добавление записи в таблицу), но могут учитываться и дополнительные условия (например, добавление записи только с отрицательным значением);

Использование триггеров при проектировании БД даёт следующие преимущества:

* триггеры всегда выполняются при совершении соответствующих действий. Разработчик продумывает использование триггеров при проектировании БД и может больше не вспоминать о них при разработке приложения для доступа к данным;

* при необходимости триггеры можно изменять централизованно непосредственно в БД. Пользовательские программы, работающие с этой БД не потребуют модернизации;

* система обработки данных, использующая триггеры, обладает лучшей переносимостью в архитектуру клиент-сервер за счёт меньшего объёма требуемых модификаций.

Нормализация отношений - это процесс построения оптимальной структуры таблиц и связей в реляционной БД. В процессе нормализации элементы данных группируются в таблицы, представляющие объекты и их взаимосвязи. Теория нормализации основана на том, что определённый набор таблиц обладает лучшими свойствами при включении, модификации и удалении данных, чем все остальные наборы таблиц, с помощью которых могут быть представлены те же данные.

В последнее время слышны утверждения о возможной смене парадигмы – от реляционных к постреляционным СУБД. Однако по данным аналитиков, пока именно реляционные СУБД используются в абсолютном большинстве крупных проектов, связанных с внедрением систем управления базами данных. Рынок явно придерживается традиционных подходов в решении подобных задач.

Системы управления базами данных (СУБД) – одна из фундаментальных составляющих компьютерного обеспечения информационных процессов, являющаяся основой для построения большинства современных информационных систем. Главной функцией СУБД является эффективное хранение и предоставление данных в интересах конкретных прикладных задач.

Коммерческие СУБД ведут свою историю с середины 60-х годов, когда компанией IBM был выпущен первый продукт данного класса – иерархическая СУБД IMS. В начале 70-х годов Эдгаром Коддом были заложены основы реляционной модели данных, был разработан структурированный язык запросов SQL, а в 80-х годах были созданы промышленные СУБД, которые в скором времени заняли доминирующее положение. В настоящее время ведущая тройка игроков – Microsoft, Oracle и IBM – полностью контролируют рынок, а их флагманские продукты Microsoft SQL Server, Oracle Database и IBM DB2 вместе занимают долю рынка около 90%. Рынок СУБД активно растет и, по мнению аналитиков Forrester, к 2013 году его общий объем достигнет 32 млрд долл.

Главным недостатком реляционных СУБД считается присущая этим системам ограниченность использования в областях, в которых требуются достаточно сложные структуры данных. Одним из основных аспектов традиционной реляционной модели данных является атомарность (единственность и неделимость) данных, которые хранятся на пересечении строк и столбцов таблицы. Такое правило было заложено в основу реляционной алгебры при ее разработке как математической модели данных. Кроме того, специфика реализации реляционной модели не позволяет адекватно отражать реальные связи между объектами в описываемой предметной области. Данные ограничения существенно мешают эффективной реализации современных приложений, которые требуют уже несколько иных подходов к организации данных.

Основной принцип реляционной модели – устранять повторяющиеся поля и группы с помощью процесса, который называется нормализацией. Плоские нормализованные таблицы универсальны, просты в понимании и теоретически достаточны для представления данных любой предметной области. Они хорошо подходят для приложений, связанных с хранением и отображением данных в традиционных отраслях, таких как банковские или учетные системы, но их применение в системах, основанных на более сложных структурах данных, часто является затруднительным. В основном, это связано с примитивностью механизмов хранения данных, лежащих в основе реляционной модели.

Опыт разработки прикладных информационных систем показал, что отказ от атомарности значений ведет к качественно полезному расширению модели данных. Введение в реляционную модель возможности использовать многозначные поля как самостоятельные вложенные таблицы, при условии, что вложенная таблица удовлетворяет общим критериям, позволяет естественным образом расширить возможности реляционной алгебры. В классическом понимании именно такая модель данных называется постреляционной.

Поскольку постреляционная модель использует многомерные структуры, позволяющие хранить в полях таблицы другие таблицы, ее еще называют "не первой нормальной формой" или "многомерной базой данных". В качестве языка в данной модели запросов используется расширенный SQL, позволяющий извлекать сложные объекты из одной таблицы без операций соединения. Можно сказать, что реляционные и постреляционные СУБД различаются способами хранения и индексирования данных, во всем остальном они схожи. Первыми постреляционными СУБД, получившими достаточно большую известность, стали Universe компании Ardent (впоследствии купленной Informix, которую, в свою очередь, приобрела IBM) и ADABAS компании Software AG.

Объектно-реляционные СУБД

Кроме отказа от нормализации, постреляционные СУБД позволяют хранить в полях отношений данные абстрактных, определяемых пользователями типов. Это дает возможность решать задачи нового уровня, хранить объекты и массивы данных, ориентированные на конкретные предметные области, а также роднит постреляционные СУБД с еще одним классом – объектно-ориентированными СУБД. Внедрение объектного подхода в традиционную реляционную модель дало повод к появлению еще одного направления – объектно-реляционных СУБД. Первым представителем данного класса систем принято считать систему Informix Universal Server одноименной компании.

Как известно, в основе объектно-ориентированного подхода к моделированию предметных областей лежат такие понятия, как объект и свойства инкапсуляции, наследования и полиморфизма. В отличие от реляционных СУБД при проектировании объектно-ориентированных БД не требуется декомпозиция и нормализация объектов, выделенных на этапе концептуального проектирования. Объекты представляются в том же виде, в каком они существуют в реальности, что наделяет объектно-ориентированные структуры наглядностью и позволяет значительно сократить время на их проектирование и разработку.

Одной из наиболее известных постреляционных СУБД является система Postgres, созданная в середине 80-х годов прошлого века под руководством одного из ведущих разработчиков СУБД Майкла Стоунбрейкера. Стоунбрейкер оказал (и продолжает оказывать) огромное влияние на индустрию СУБД, приложив руку практически ко всем перспективным разработкам в данной сфере. В Postgres традиционная реляционная модель была расширена за счет внедрения механизмов управления объектами, которые позволяли хранить и эффективно управлять нетрадиционными типами данных. Также в Postgres поддерживалась многомерная темпоральная модель хранения и доступа к данным. Все основные идеи и разработки Postgers были продолжены и развиты в свободно распространяемой СУБД PostgreSQL, которая в настоящее время является наиболее развитой открытой СУБД.

Зачастую постреляционными называют также СУБД, которые позволяют представлять данные как в виде реляционных таблиц, так и классов объектов. Типичным представителем данного вида СУБД является система Cache компании InterSystems. По словам ее разработчиков, в данной системе наиболее эффективно совмещены реляционный и объектный подходы, основанные, соответственно, на стандартах SQL-92 и ODMG 2.0. Механизмы работы с объектами и реляционными таблицами находятся на одном логическом уровне, что обеспечивает более высокую скорость доступа и работы с данными и функциональную полноту. Также Cache использует многомерную модель хранения данных и оптимизирована для обработки транзакций в системах с большими и сверхбольшими БД (сотни гигабайт, терабайты) и большим количеством (тысячи, десятки тысяч) одновременно работающих пользователей, при этом позволяя получать очень высокую производительность.

Перспективы развития

Современные промышленные СУБД представляют собой сложные комплексы, состоящие из различных элементов, технологий и подходов. Данные составляющие объединяются и совершенствуются, исходя из потребностей обеспечения идеальных условий для решения проблем управления большими объемами данных в различных условиях. При этом все разработчики проводят масштабные исследовательские работы. Многолетний опыт разработки СУБД показал, что для обеспечения эффективной, надежной и безошибочной работы нового функционала требуется достаточно много времени. Жесткая конкуренция на рынке СУБД заставляет производителей тщательно следить за продуктами конкурентов, выявлять новые тенденции, а появление важных новых возможностей у одного из вендоров вынуждает остальных реализовывать аналогичный функционал в своих разработках.

В свою очередь, растут и потребности разработчиков современных баз данных. В первую очередь, это связано с бурным развитием интернета, активным использованием мультимедиа и необходимостью обрабатывать слабоструктурированные данные.

По результатам исследований компании IDC, опубликованных в конце 2009 года, традиционные реляционные СУБД используются в абсолютном большинстве крупных проектов, связанных с внедрением систем управления базами данных. Всего около 7% составляют проекты, в которых используются СУБД нереляционного типа. Такая расстановка сил на рынке реальных внедрений отражает общее состояние: разработчики все еще активно придерживаются традиционных подходов в решении задач, связанных с применением СУБД.

Все вышеперечисленное говорит о том, что стратегия развития, выбранная ведущими игроками рынка СУБД, позволит и в дальнейшем сохранять лидерские позиции. Их основные продукты будут совершенствоваться, будет реализовываться новый функционал, а разработчики и в дальнейшем будут выбирать универсальные и проверенные временем традиционные решения.

Максим Никитин

Этой статьей мы начинаем новый цикл, посвященный базам данных, современным технологиям доступа к данным и их обработки. На протяжении данного цикла мы планируем рассмотреть наиболее популярные настольные и серверные системы управления базами данных (СУБД), механизмы доступа к данным (OLD DB, ADO, BDE и др.) и утилиты для работы с базами данных (средства администрирования, генераторы отчетов, средства графического представления данных). Кроме того, мы планируем уделить внимание методам публикации данных в Internet, а также таким популярным способам обработки и хранения данных, как OLAP (On-Line Analytical Processing), и созданию хранилищ данных (Data Warehousing).

В данной статье мы рассмотрим основные понятия и принципы, лежащие в основе систем управления базами данных. Мы обсудим реляционную модель данных, понятие ссылочной целостности и принципы нормализации данных, а также средства проектирования данных. Затем мы расскажем, какими бывают СУБД, какие объекты могут содержаться в базах данных и каким образом осуществляются запросы к этим объектам.

Основные концепции реляционных баз данных

Начнем с основных понятий СУБД и краткого введения в теорию реляционных баз данных - наиболее популярного сейчас способа хранения данных.

Реляционная модель данных

Реляционная модель данных была предложена Е.Ф.Коддом (Dr. E.F.Codd), известным исследователем в области баз данных, в 1969 году, когда он был сотрудником фирмы IBM. Впервые основные концепции этой модели были опубликованы в 1970 г. «A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks», CACM, 1970, 13 N 6).

Реляционная база данных представляет собой хранилище данных, содержащее набор двухмерных таблиц. Набор средств для управления подобным хранилищем называется реляционной системой управления базами данных (РСУБД) . РСУБД может содержать утилиты, приложения, сервисы, библиотеки, средства создания приложений и другие компоненты.

Любая таблица реляционной базы данных состоит из строк (называемых также записями ) и столбцов (называемых также полями ). В данном цикле мы будем использовать обе пары терминов.

Строки таблицы содержат сведения о представленных в ней фактах (или документах, или людях, одним словом, - об однотипных объектах). На пересечении столбца и строки находятся конкретные значения содержащихся в таблице данных.

Данные в таблицах удовлетворяют следующим принципам:

1. Каждое значение, содержащееся на пересечении строки и колонки, должно быть атомарным (то есть не расчленяемым на несколько значений).
2. Значения данных в одной и той же колонке должны принадлежать к одному и тому же типу, доступному для использования в данной СУБД.
3. Каждая запись в таблице уникальна, то есть в таблице не существует двух записей с полностью совпадающим набором значений ее полей.
4. Каждое поле имеет уникальное имя.
5. Последовательность полей в таблице несущественна.
6. Последовательность записей также несущественна.

Несмотря на то что строки таблиц считаются неупорядоченными, любая система управления базами данных позволяет сортировать строки и колонки в выборках из нее нужным пользователю способом.

Поскольку последовательность колонок в таблице несущественна, обращение к ним производится по имени, и эти имена для данной таблицы уникальны (но не обязаны быть уникальными для всей базы данных).

Итак, теперь мы знаем, что реляционные базы данных состоят из таблиц. Для иллюстрации некоторых теоретических положений и для создания примеров нам необходимо выбрать какую-нибудь базу данных. Чтобы не «изобретать колесо», мы воспользуемся базой данных NorthWind, входящей в комплект поставки Microsoft SQL Server и Microsoft Access.

Теперь давайте рассмотрим связи между таблицами.

Ключи и связи

Давайте взглянем на фрагмент таблицы Customers (клиенты) из базы данных NorthWind (мы удалили из нее поля, несущественные для иллюстрации связей между таблицами).

Поскольку строки в таблице неупорядочены, нам нужна колонка (или набор из нескольких колонок) для уникальной идентификации каждой строки. Такая колонка (или набор колонок) называется первичным ключом (primary key ). Первичный ключ любой таблицы обязан содержать уникальные непустые значения для каждой строки.

Если первичный ключ состоит из более чем одной колонки, он называется составным первичным ключом (composite primary key ).

Типичная база данных обычно состоит из нескольких связанных таблиц. Фрагмент таблицы Orders (заказы).

Поле CustomerID этой таблицы содержит идентификатор клиента, разместившего данный заказ. Если нам нужно узнать, как называется компания, разместившая заказ, мы должны поискать это же значение идентификатора клиента в поле CustomerID таблицы Customers и в найденной строке прочесть значение поля CompanyName. Иными словами, нам нужно связать две таблицы, Customers и Orders, по полю CustomerID. Колонка, указывающая на запись в другой таблице, связанную с данной записью, называется внешним ключом (foreign key ). Как видим, в случае таблицы Orders внешним ключом является колонка CustomerID (рис. 1).

Иными словами, внешний ключ - это колонка или набор колонок, чьи значения совпадают с имеющимися значениями первичного ключа другой таблицы.

Подобное взаимоотношение между таблицами называется связью (relationship ). Связь между двумя таблицами устанавливается путем присваивания значений внешнего ключа одной таблицы значениям первичного ключа другой.

Если каждый клиент в таблице Customers может разместить только один заказ, говорят, что эти две таблицы связаны соотношением один-к-одному (one-to-one relationship ). Если же каждый клиент в таблице Customers может разместить ноль, один или много заказов, говорят, что эти две таблицы связаны соотношением один-ко-многим (one-to-many relationship ) или соотношением master-detail . Подобные соотношения между таблицами используются наиболее часто. В этом случае таблица, содержащая внешний ключ, называется detail-таблицей , а таблица, содержащая первичный ключ, определяющий возможные значения внешнего ключа, называется master-таблицей .

Группа связанных таблиц называется схемой базы данных (database schema ). Информация о таблицах, их колонках (имена, тип данных, длина поля), первичных и внешних ключах, а также иных объектах базы данных, называется метаданными (metadata ).

Любые манипуляции с данными в базах данных, такие как выбор, вставка, удаление, обновление данных, изменение или выбор метаданных, называются запросом к базе данных (query ). Обычно запросы формулируются на каком-либо языке, который может быть как стандартным для разных СУБД, так и зависящим от конкретной СУБД.

Ссылочная целостность

Выше мы уже говорили о том, что первичный ключ любой таблицы должен содержать уникальные непустые значения для данной таблицы. Это утверждение является одним из правил ссылочной целостности (referential integrity ). Некоторые (но далеко не все) СУБД могут контролировать уникальность первичных ключей. Если СУБД контролирует уникальность первичных ключей, то при попытке присвоить первичному ключу значение, уже имеющееся в другой записи, СУБД сгенерирует диагностическое сообщение, обычно содержащее словосочетание primary key violation . Это сообщение в дальнейшем может быть передано в приложение, с помощью которого конечный пользователь манипулирует данными.

Если две таблицы связаны соотношением master-detail , внешний ключ detail- таблицы должен содержать только те значения, которые уже имеются среди значений первичного ключа master- таблицы. Если корректность значений внешних ключей не контролируется СУБД, можно говорить о нарушении ссылочной целостности. В этом случае, если мы удалим из таблицы Customers запись, имеющую хотя бы одну связанную с ней detail- запись в таблице Orders, это приведет к тому, что в таблице Orders окажутся записи о заказах, размещенных неизвестно кем. Если же СУБД контролирует корректность значений внешних ключей, то при попытке присвоить внешнему ключу значение, отсутствующее среди значений первичных ключей master-таблицы, либо при удалении или модификации записей master-таблицы, приводящих к нарушению ссылочной целостности, СУБД сгенерирует диагностическое сообщение, обычно содержащее словосочетание foreign key violation , которое в дальнейшем может быть передано в пользовательское приложение.

Большинство современных СУБД, например Microsoft Access 97, Microsoft Access 2000 и Microsoft SQL Server 7.0, способны контролировать соблюдение правил ссылочной целостности, если таковые описаны в базе данных. Для этой цели подобные СУБД используют различные объекты баз данных (мы обсудим их чуть позже). В этом случае все попытки нарушить правила ссылочной целостности будут подавляться с одновременной генерацией диагностических сообщений или исключений (database exceptions ).

Введение в нормализацию данных

Процесс проектирования данных представляет собой определение метаданных в соответствии с задачами информационной системы, в которой будет использоваться будущая база данных. Подробности о том, как производить анализ предметной области, создавать диаграммы «сущность-связь» (ERD - entity-relationship diagrams ) и модели данных, выходят за рамки данного цикла. Интересующиеся этими вопросами могут обратиться, например, к книге К.Дж.Дейта «Введение в системы баз данных» («Диалектика», Киев, 1998).

В данной статье мы обсудим лишь один из основных принципов проектирования данных - принцип нормализации .

Нормализация представляет собой процесс реорганизации данных путем ликвидации повторяющихся групп и иных противоречий в хранении данных с целью приведения таблиц к виду, позволяющему осуществлять непротиворечивое и корректное редактирование данных.

Теория нормализации основана на концепции нормальных форм. Говорят, что таблица находится в данной нормальной форме, если она удовлетворяет определенному набору требований. Теоретически существует пять нормальных форм, но на практике обычно используются только первые три. Более того, первые две нормальные формы являются по существу промежуточными шагами для приведения базы данных к третьей нормальной форме.

Первая нормальная форма

Проиллюстрируем процесс нормализации на примере, использующем данные из базы NorthWind. Предположим, что мы регистрируем все заказанные продукты в следующей таблице . Структура этой таблицы имеет вид (рис. 2).

Чтобы таблица соответствовала первой нормальной форме, все значения ее полей должны быть атомарными, и

все записи - уникальными. Поэтому любая реляционная таблица, в том числе и таблица OrderedProducts, по определению, уже находится в первой нормальной форме.

Тем не менее эта таблица содержит избыточные данные, например, одни и те же сведения о клиенте повторяются в записи о каждом заказанном продукте. Результатом избыточности данных являются аномалии модификации данных- проблемы, возникающие при добавлении, изменении или удалении записей. Например, при редактировании данных в таблице OrderedProducts могут возникнуть следующие проблемы:

• Адрес конкретного клиента может содержаться в базе данных только тогда, когда клиент заказал хотя бы один продукт.
• При удалении записи о заказанном продукте одновременно удаляются сведения о самом заказе и о клиенте, его разместившем.
• Если, не дай бог, заказчик сменил адрес, придется обновить все записи о заказанных им продуктах.

Некоторые из этих проблем могут быть решены путем приведения базы данных ко второй нормальной форме .

Вторая нормальная форма

Говорят, что реляционная таблица находится во второй нормальной форме , если она находится в первой нормальной форме и ее неключевые поля полностью зависят от всего первичного ключа.

Таблица OrderedProducts находится в первой, но не во второй нормальной форме, так как поля CustomerID, Address и OrderDate зависят только от поля OrderID, являющегося частью составного первичного ключа (OrderID, ProductID).

Чтобы перейти от первой нормальной формы ко второй, нужно выполнить следующие шаги:

1. Определить, на какие части можно разбить первичный ключ, так чтобы некоторые из неключевых полей зависели от одной из этих частей (эти части не обязаны состоять из одной колонки! ).
2. Создать новую таблицу для каждой такой части ключа и группы зависящих от нее полей и переместить их в эту таблицу. Часть бывшего первичного ключа станет при этом первичным ключом новой таблицы.
3. Удалить из исходной таблицы поля, перемещенные в другие таблицы, кроме тех их них, которые станут внешними ключами.

Например, для приведения таблицы OrderedProducts ко второй нормальной форме, нужно переместить поля CustomerID, Address и OrderDate в новую таблицу (назовем ее OrdersInfo), при этом поле OrderID станет первичным ключом новой таблицы (рис. 3).

В результате новые таблицы приобретут такой вид. Однако таблицы, находящиеся во второй, но не в третьей нормальной форме, по-прежнему содержат аномалии модификации данных. Вот каковы они, например, для таблицы OrdersInfo:

• Адрес конкретного клиента по-прежнему может содержаться в базе данных только тогда, когда клиент заказал хотя бы один продукт.
• Удаление записи о заказе в таблице OrdersInfo приведет к удалению записи о самом клиенте.
• Если заказчик сменил адрес, придется обновить несколько записей (хотя, как правило, их меньше, чем в предыдущем случае).

Устранить эти аномалии можно путем перехода к третьей нормальной форме .

Третья нормальная форма

Говорят, что реляционная таблица находится в третьей нормальной форме , если она находится во второй нормальной форме и все ее неключевые поля зависят только от первичного ключа.

Таблица OrderDetails уже находится в третьей нормальной форме. Неключевое поле Quantity полностью зависит от составного первичного ключа (OrderID, ProductID). Однако таблица OrdersInfo в третьей нормальной форме не находится, так как содержит зависимость между неключевыми полями (она называется транзитивной зависимостью - transitivedependency ) - поле Address зависит от поля CustomerID.

Чтобы перейти от второй нормальной формы к третьей, нужно выполнить следующие шаги:

• Определить все поля (или группы полей), от которых зависят другие поля.
• Создать новую таблицу для каждого такого поля (или группы полей) и группы зависящих от него полей и переместить их в эту таблицу. Поле (или группа полей), от которого зависят все остальные перемещенные поля, станет при этом первичным ключом новой таблицы.
• Удалить перемещенные поля из исходной таблицы, оставив лишь те из них, которые станут внешними ключами.

Для приведения таблицы OrdersInfo к третьей нормальной форме создадим новую таблицу Customers и переместим в нее поля CustomerID и Address. Поле Address из исходной таблицы удалим, а поле CustomerID оставим - теперь это внешний ключ (рис. 4).

Итак, после приведения исходной таблицы к третьей нормальной форме таблиц стало три - Customers, Orders и OrderDetails.

Преимущества нормализации

Нормализация устраняет избыточность данных, что позволяет снизить объем хранимых данных и избавиться от описанных выше аномалий их изменения. Например, после приведения рассмотренной выше базы данных к третьей нормальной форме налицо следующие улучшения:

• Сведения об адресе клиента можно хранить в базе данных, даже если это только потенциальный клиент, еще не разместивший ни одного заказа.
• Сведения о заказанном продукте можно удалять, не опасаясь удаления данных о клиенте и заказе.

Изменение адреса клиента или даты регистрации заказа теперь требует изменения только одной записи.

Как проектируют базы данных

Обычно современные СУБД содержат средства, позволяющие создавать таблицы и ключи. Существуют и утилиты, поставляемые отдельно от СУБД (и даже обслуживающие несколько различных СУБД одновременно), позволяющие создавать таблицы, ключи и связи.

Еще один способ создать таблицы, ключи и связи в базе данных - это написание так называемого DDL-сценария (DDL - Data Definition Language; о нем мы поговорим чуть позже).

Наконец, есть еще один способ, который становится все более и более популярным, - это использование специальных средств, называемых CASE-средствами (CASE означает Computer-Aided System Engineering). Существует несколько типов CASE-средств, но для создания баз данных чаще всего используются инструменты для создания диаграмм «сущность-связь» (entity-relationship diagrams, E/R diagrams). С помощью этих инструментов создается так называемая логическая модель данных, описывающая факты и объекты, подлежащие регистрации в ней (в таких моделях прототипы таблиц называются сущностями (entities), а поля - их атрибутами (attributes). После установления связей между сущностями, определения атрибутов и проведения нормализации, создается так называемая физическая модель данных для конкретной СУБД, в которой определяются все таблицы, поля и другие объекты базы данных. После этого можно сгенерировать либо саму базу данных, либо DDL-сценарий для ее создания.

Список наиболее популярных в настоящее время CASE-средств .

Таблицы и поля

Таблицы поддерживаются всеми реляционными СУБД, и в их полях могут храниться данные разных типов. Наиболее часто встречающиеся типы данных .

Индексы

Чуть выше мы говорили о роли первичных и внешних ключей. В большинстве реляционных СУБД ключи реализуются с помощью объектов, называемых индексами, которые можно определить как список номеров записей, указывающий, в каком порядке их предоставлять.

Мы уже знаем, что записи в реляционных таблицах неупорядочены. Тем не менее любая запись в конкретный момент времени имеет вполне определенное физическое местоположение в файле базы данных, хотя оно и может изменяться в процессе редактирования данных или в результате «внутренней деятельности» самой СУБД.

Предположим, в какой-то момент времени записи в таблице Customers хранились в таком порядке .

Допустим, нам нужно получить эти данные упорядоченными по полю CustomerID. Опустив технические детали, мы можем сказать, что индекс по этому полю - это последовательность номеров записей, в соответствии с которой их нужно выводить, то есть:

1,6,4,2,5,3

Если же мы хотим упорядочить записи по полю Address, последовательность номеров записей будет другой:

5,4,1,6,2,3

Хранение индексов требует существенно меньше места, чем хранение по-разному отсортированных версий самой таблицы.

Если нам нужно найти данные о клиентах, у которых CustomerID начинается с символов «BO», мы можем найти с помощью индекса местоположение этих записей (в данном случае 2 и 5 (очевидно, что в индексе номера этих записей идут подряд), а затем прочесть именно вторую и пятую записи, вместо того чтобы просматривать всю таблицу. Таким образом, использование индексов снижает время выборки данных.

Мы уже говорили о том, что физическое местоположение записей может изменяться в процессе редактирования данных пользователями, а также в результате манипуляций с файлами базы данных, проводимых самой СУБД (например, сжатие данных, сборка «мусора» и др.). Если при этом происходят соответствующие изменения и в индексе, он называется поддерживаемым и такие индексы используются в большинстве современных СУБД. Реализация таких индексов приводит к тому, что любое изменение данных в таблице влечет за собой изменение связанных с ней индексов, а это увеличивает время, требующееся СУБД для проведения таких операций. Поэтому при использовании таких СУБД следует создавать только те индексы, которые реально необходимы, и руководствоваться при этом тем, какие запросы будут встречаться наиболее часто.

Ограничения и правила

Большинство современных серверных СУБД содержат специальные объекты, называемые ограничениями (constraints), или правилами (rules). Эти объекты содержат сведения об ограничениях, накладываемых на возможные значения полей. Например, с помощью такого объекта можно установить максимальное или минимальное значение для данного поля, и после этого СУБД не позволит сохранить в базе данных запись, не удовлетворяющую данному условию.

Помимо ограничений, связанных с установкой диапазона изменения данных, существуют также ссылочные ограничения (referential constraints, например связь master-detail между таблицами Customers и Orders может быть реализована как ограничение, содержащее требование, чтобы значение поля CustomerId (внешний ключ) в таблице Orders было равно одному из уже имеющихся значений поля CustomerId таблицы Customers.

Отметим, что далеко не все СУБД поддерживают ограничения. В этом случае для реализации аналогичной функциональности правил можно либо использовать другие объекты (например, триггеры), либо хранить эти правила в клиентских приложениях, работающих с этой базой данных.

Представления

Практически все реляционные СУБД поддерживают представления (views). Этот объект представляет собой виртуальную таблицу, предоставляющую данные из одной или нескольких реальных таблиц. Реально он не содержит никаких данных, а только описывает их источник.

Нередко такие объекты создаются для хранения в базах данных сложных запросов. Фактически view - это хранимый запрос.

Создание представлений в большинстве современных СУБД осуществляется специальными визуальными средствами, позволяющими отображать на экране необходимые таблицы, устанавливать связи между ними, выбирать отображаемые поля, вводит ограничения на записи и др.

Нередко эти объекты используются для обеспечения безопасности данных, например, путем разрешения просмотра данных с их помощью без предоставления доступа непосредственно к таблицам. Помимо этого некоторые представления объекты могут возвращать разные данные в зависимости, например, от имени пользователя, что позволяет ему получать только интересующие его данные.

Триггеры и хранимые процедуры

Триггеры и хранимые процедуры, поддерживаемые в большинстве современных серверных СУБД, используются для хранения исполняемого кода.

Хранимая процедура - это специальный вид процедуры, который выполняется сервером баз данных. Хранимые процедуры пишутся на процедурном языке, который зависит от конкретной СУБД. Они могут вызывать друг друга, читать и изменять данные в таблицах, и их можно вызвать из клиентского приложения, работающего с базой данных.

Хранимые процедуры обычно используются при выполнении часто встречающихся задач (например, сведение бухгалтерского баланса). Они могут иметь аргументы, возвращать значения, коды ошибок и иногда наборы строк и колонок (такой набор данных иногда называется термином dataset). Однако последний тип процедур поддерживается не всеми СУБД.

Триггеры также содержат исполняемый код, но их, в отличие от процедур, нельзя вызвать из клиентского приложения или хранимой процедуры. Триггер всегда связан с конкретной таблицей и выполняется тогда, когда при редактировании этой таблицы наступает событие, с которым он связан (например, вставка, удаление или обновление записи).

В большинстве СУБД, поддерживающих триггеры, можно определить несколько триггеров, выполняющихся при наступлении одного и того же события, и определить порядок из выполнения.

Объекты для генерации первичных ключей

Очень часто первичные ключи генерируются самой СУБД. Это более удобно, чем их генерация в клиентском приложении, так как при многопользовательской работе генерация ключей с помощью СУБД - это единственный способ избежать дублирования ключей и получать их последовательные значения.

В разных СУБД для генерации ключей используются разные объекты. Некоторые из таких объектов хранят целое число и правила, по которым генерируется следующее за ним значение, -обычно это выполняется с помощью триггеров. Такие объекты поддерживаются, например, в Oracle (в этом случае они называются последовательностями - sequences) и в IB Database (в этом случае они называются генераторами - generators).

Некоторые СУБД поддерживают специальные типы полей для первичных ключей. При добавлении записей такие поля заполняются автоматически последовательными значениями (обычно целыми). В случае Microsoft Access и Microsoft SQL Server такие поля называются Identity fields, а в случае Corel Paradox - автоинкрементными полями (Autoincrement fields).

Пользователи и роли

Предотвращение несанкционированного доступа к данным является серьезной проблемой, которая решается разными способами. Самый простой - это парольная защита либо всей таблицы, либо некоторых ее полей (такой механизм поддерживается, например, в Corel Paradox).

В настоящее время более популярен другой способ защиты данных - создание списка пользователей (users) с именами (user names) и паролями (passwords). В этом случае любой объект базы данных принадлежит конкретному пользователю, и этот пользователь предоставляет другим пользователям разрешение на чтение или модификацию данных из этого объекта либо на модификацию самого объекта. Этот способ применяется во всех серверных и некоторых настольных СУБД (например, Microsoft Access).

Некоторые СУБД, в основном серверные, поддерживают не только список пользователей, но и роли (roles). Роль - это набор привилегий. Если конкретный пользователь получает одну или несколько ролей, а вместе с ними - и все привилегии, определенные для данной роли.

Запросы к базам данных

Модификация и выбор данных, изменение метаданных и некоторые другие операции осуществляются с помощью запросов (query). Большинство современных СУБД (и некоторые средства разработки приложений) содержат средства для генерации таких запросов.

Один из способов манипуляции данными называется «queries by example» (QBE) - запрос по образцу. QBE представляет собой средство для визуального связывания таблиц и выбора полей, которые следует отобразить в результате запроса.

В большинстве СУБД (за исключением некоторых настольных) визуальное построение запроса с помощью QBE приводит к генерации текста запроса с помощью специального языка запросов SQL (Structured Query Language). Можно также написать запрос непосредственно на языке SQL.

Курсоры

Нередко результатом запроса является набор из строк и столбцов (dataset). В отличие от реляционной таблицы в таком наборе строки упорядочены, и их порядок определяется исходным запросом (и иногда - наличием индексов). Поэтому мы можем определить текущую строку в таком наборе и указатель на нее, который называется курсором (cursor).

Большинство современных СУБД поддерживают так называемые двунаправленные курсоры (bi-directional cursors), позволяющие перемещаться по результирующему набору данных как вперед, так и назад. Однако некоторые СУБД поддерживают только однонаправленные курсоры, позволяющие перемещаться по набору данных только вперед.

Язык SQL

Structured Query Language (SQL) - это непроцедурный язык, используемый для формулировки запросов к базам данных в большинстве современных СУБД и в настоящий момент являющийся индустриальным стандартом.

Непроцедурность языка означает, что на нем можно указать, что нужно сделать с базой данных, но нельзя описать алгоритм этого процесса. Все алгоритмы обработки SQL-запросов генерируются самой СУБД и не зависят от пользователя. Язык SQL состоит из набора операторов, которые можно разделить на несколько категорий:

• Data Definition Language (DDL) - язык определения данных, позволяющий создавать, удалять и изменять объекты в базах данных
• Data Manipulation Language (DML) - язык управления данными, позволяющий модифицировать, добавлять и удалять данные в имеющихся объектах базы данных
• Data Control Languages (DCL) - язык, используемый для управления пользовательскими привилегиями
• Transaction Control Language (TCL) - язык для управления изменениями, сделанными группами операторов
• Cursor Control Language (CCL) - операторы для определения курсора, подготовки операторов SQL к выполнению и некоторых других операций.

Более подробно о языке SQL вы расскажем в одной из следующих статей этого цикла.

Функции, определяемые пользователем

Некоторые СУБД позволяют использовать функции, определяемые пользователем (UDF-User-Defined Functions). Эти функции, как правило, хранятся во внешних библиотеках и должны быть зарегистрированы в базе данных, после чего их можно использовать в запросах, триггерах и хранимых процедурах.

Поскольку функции, определяемые пользователем, содержатся в библиотеках, их можно создавать с помощью любого средства разработки, позволяющего создавать библиотеки для платформы, на которой функционирует данная СУБД.

Транзакции

Транзакция (Transaction) - это группа операций над данными, которые либо выполняются все вместе, либо все вместе отменяются.

Завершение (Commit) транзакции означает, что все операции, входящие в состав транзакции, успешно завершены, и результат их работы сохранен в базе данных.

Откат (Rollback) транзакции означает, что все уже выполненные операции, входящие в состав транзакции, отменяются и все объекты базы данных, затронутые этими операциями, возвращены в исходное состояние. Для реализации возможности отката транзакций многие СУБД поддерживают запись в log-файлы, позволяющие восстановить исходные данные при откате.

Транзакция может состоять из нескольких вложенных транзакций.

Некоторые СУБД поддерживают двухфазное завершение транзакций (two-phase commit) - процесс, позволяющий осуществлять транзакции над несколькими базами данных, относящихся к одной и той же СУБД.

Для поддержки распределенных транзакций (то есть транзакций над базами данных, управляемых разными СУБД), существуют специальные средства, называемые мониторами транзакций (transaction monitors).

Заключение

В данной статье мы обсудили основные концепции построения реляционных СУБД, базовые принципы проектирования данных, а также рассказали о том, какие объекты могут быть созданы в базах данных.

В следующей статье мы познакомим наших читателей с наиболее популярными настольными СУБД: dBase, Paradox, Access, Visual FoxPro, Works и обсудим их основные возможности.

КомпьютерПресс 3"2000

логической модели реляционной базы данных в объекты реляционной базы данных. Для решения этой задачи проектировщику базы данных необходимо знать: а) какими объектами располагает реляционная база данных в принципе; б) какие объекты поддерживает конкретная СУБД, которая выбрана для реализации базы данных.

Таким образом, мы предполагаем, что решение о выборе СУБД уже принято руководителем ИТ-проекта, и согласовано с заказчиком базы данных, т.е. СУБД задана. Проектировщик базы данных должен ознакомиться с документацией, в которой описан диалект SQL, поддерживаемый выбранной СУБД. В настоящей лекции предполагается, что была выбрана СУБД Oracle 9i, хотя подавляющая часть материала охватывает объекты в любой промышленной реляционной СУБД.

Замечание. О выборе СУБД. Выбор СУБД относится к многокритериальной задаче выбора и в настоящем курсе не рассматривается. Следует помнить о том, что СУБД обычно поддерживает только одну модель данных: реляционную, иерархическую, сетевую, многомерную, объектно-ориентированную, объектно-реляционную. Исключение составляют небольшое число СУБД. Например, ADABAS, Software AG (сетевая и реляционная модели), или Oracle 9i, Oracle Inc. (реляционная и объектно-реляционная модели). Обычно при выборе СУБД при всех прочих равных возможностях стараются создать базу данных на СУБД, претендующей на промышленный стандарт.

Иерархия объектов реляционной базы данных прописана в стандартах по SQL, в частности, в стандарте SQL-92 , на который мы будем ориентироваться при изложении материала настоящей лекции. Этот стандарт поддерживается практически всеми современными СУБД, вплоть до настольных. Иерархия объектов реляционной базы данных показана на рисунке ниже.

На самом нижнем уровне находятся наименьшие объекты, с которыми работает реляционная база данных, - столбцы (колонки) и строки. Они, в свою очередь, группируются в таблицы и представления.

Замечание. В контексте лекции атрибуты, колонки, столбцы и поля считаются синонимами. То же относится и к терминам "строка", "запись" и "кортеж".

Таблицы и представления, которые представляют физическое отражение логической структуры базы данных, собираются в схему. Несколько схем собираются в каталоги, которые затем могут быть сгруппированы в кластеры. Следует отметить, что ни одна из групп объектов стандарта SQL-92 не связана со структурами физического хранения информации в памяти компьютеров.

Рис. 8.1.

Помимо указанных на рисунке объектов, в реляционной базе данных могут быть созданы индексы, триггеры, события, хранимые команды, хранимые процедуры и ряд других. Теперь перейдем к определению объектов реляционной базы данных.

Основные объекты реляционной базы данных

Кластеры, каталоги и схемы не являются обязательными элементами стандарта и, следовательно, программной среды реляционных баз данных.

Под кластером понимается группа каталогов, к которым можно обращаться через одно соединение с сервером базы данных (программная компонента СУБД).

На практике процедура создания каталога определяется реализацией СУБД на конкретной операционной платформе. Под каталогом понимается группа схем. На практике каталог часто ассоциируется с физической базой данных как набором физических файлов операционной системы, которые идентифицируются ее именем.

Для проектировщика базы данных схема - это общее логическое представление отношений законченной базы данных. С точки зрения SQL, схема - это контейнер для таблиц, представлений и других структурных элементов реляционной базы данных. Принцип размещения элементов базы данных в каждой схеме полностью определяется проектировщиком базы данных.

Для создания таблиц и представлений наличие схемы не обязательно. Если у вас планируется инсталляция только одной логической базы данных, то ясно, что можно обойтись и без схемы. Но если планируется, что одна и та же СУБД будет использоваться для поддержки нескольких баз данных, то надлежащая организация объектов баз данных в схемы может значительно облегчить сопровождение этих баз данных. На практике схема часто ассоциируется с объектами определенного пользователя физической базы данных.

Далее объекты реляционной базы данных будут вводиться в контексте реляционной СУБД Oracle 9i. Такой подход принят потому, что проектирование физической модели реляционной базы данных выполняется для конкретной среды ее реализации.

В Oracle 9i термин схема (Schema) используется для описания всех объектов базы данных, которые созданы некоторым пользователем. Для каждого нового пользователя автоматически создается новая схема.

К числу основных объектов реляционных баз данных относятся таблица, представление и пользователь.

Таблица (Table) является базовой структурой реляционной базы данных. Она представляет собой единицу хранения данных - отношение. Таблица идентифицируется в базе данных своим уникальным именем, которое включает в себя идентификацию пользователя. Таблица может быть пустой или состоять из набора строк.

Представление (View) - это поименованная динамически поддерживаемая СУБД выборка из одной или нескольких таблиц базы данных. Оператор выборки ограничивает видимые пользователем данные. Обычно СУБД гарантирует актуальность представления - его формирование производится каждый раз, когда представление используется. Иногда представления называют виртуальными таблицами .

Пользователь (User) - это объект, обладающий возможностью создавать или использовать другие объекты базы данных и запрашивать выполнение функций СУБД , таких как организация сеанса работы, изменение состояние базы данных и т. д.

Для упрощения идентификации и именования объектов в базе данных поддерживается такие объекты, как синоним, последовательность и .

Синоним ( Synonym ) - это альтернативное имя объекта (псевдоним) реляционной базы данных, которое позволяет иметь доступ к данному объекту. Синоним может быть общим и частным. Общий синоним позволяет всем пользователям базы данных обращаться к соответствующему объекту по его псевдониму. Синоним позволяет скрыть от конечных пользователей полную квалификацию объекта в базе данных.

Последовательность (Sequence) - это объект базы данных, который позволяет генерировать последовательность уникальных чисел (номеров) в условиях многопользовательского асинхронного доступа. Обычно элементы последовательности используются для уникальной нумерации элементов таблиц (строк) в операциях модификации данных.

Определенные пользователем типы данных ( User-defined data types ) представляют собой определенные пользователем типы атрибутов (домены), которые отличаются от поддерживаемых (встроенных) СУБД типов. Они определяются на основе встроенных типов. Определенные пользователем типы данных образуют ту часть среды СУБД, которая организована в соответствии с объектно-ориентированной парадигмой.

Для обеспечения эффективного доступа к данным в реляционных СУБД поддерживаются ряд других объектов: индекс, табличная область, кластер, секция.

Индекс (Index) - это объект базы данных, создаваемый для повышения производительности выборки данных и контроля уникальности первичного ключа (если он задан для таблицы). Полностью индексные таблицы (index-organized tables) исполняют роль таблицы и индекса одновременно.

Табличное пространство или область ( Tablespace ) - это именованная часть базы данных, используемая для распределения памяти для таблиц и индексов. В Oracle 9i - это логическое имя физических файлов операционной системы. Все объекты базы данных, в которых хранятся данные, соответствуют некоторым табличным пространствам . Большинство объектов базы данных, в которых данные не хранятся, находятся в словаре данных, расположенном в табличном пространстве SYSTEM .

Кластер (Cluster) - это объект, задающий способ совместного хранения данных в нескольких или одной таблице. Одним из критериев использования кластера является наличие общих ключевых полей в нескольких таблицах, которые используются в одной и той же команде SQL. Обычно кластеризованные столбцы или таблицы хранятся в базе данных в виде таблиц хэширования (т.е. специальным образом).

Секция (Partition) - это объект базы данных, который позволяет представить объект с данными в виде совокупности подобъектов, отнесенных к различным табличным пространствам . Таким образом, секционирование позволяет распределять очень большие таблицы на нескольких жестких дисках.

Для обработки данных специальным образом или для реализации поддержки ссылочной целостности базы данных используются объекты: хранимая процедура, функция, команда, триггер, таймер и пакет (Oracle). С помощью этих объектов базы данных можно выполнять так называемую построчную обработку (record processing) данных. С точки зрения приложений баз данных построчная обработка - это последовательная выборка данных по одной строке, ее обработка и переход к обработке следующей строки.

Данные объекты реляционной базы данных представляют собой программы, т.е. исполняемый код. Этого код обычно называют серверным кодом (server-side code) , поскольку он выполняется компьютером, на котором установлено ядро реляционной СУБД. Планирование и разработка такого кода является одной из задач проектировщика реляционной базы данных.

Хранимая процедура ( Stored procedure ) - это объект базы данных, представляющий поименованный набор команд SQL и/или операторов специализированных языков обработки программирования базы данных (например, SQLWindows или PL/SQL).

Функция (Function) - это объект базы данных, представляющий поименованный набор команд SQL и/или операторов специализированных языков обработки программирования базы данных, который при выполнении возвращает значение - результат вычислений.

Команда (Command) - это поименованный оператор SQL, который заранее откомпилирован и сохраняется в базе данных. Скорость обработки команды выше, чем у соответствующего ему оператора SQL, т.к. при этом не выполняются фазы синтаксического разбора и компиляции.

Триггер (Trigger) - это объект базы данных, который представляет собой специальную хранимую процедуру. Эта процедура запускается автоматически, когда происходит связанное с триггером событие (например, до вставки строки в таблицу).

Таймер (Timer) отличается от триггера тем, что запускающим событием для хранимой процедуры является событие таймера.

Пакет (Package) - это объект базы данных, который состоит из поименованного структурированного набора переменных, процедур и функций.

В распределенных реляционных СУБД имеются специальные объекты: снимок и связь базы данных.

Снимок (Snapshop) - локальная копия таблицы удаленной базы данных, которая используется для тиражирования (репликации) таблицы или результата запроса. Снимки могут быть модифицируемыми или предназначенными только для чтения.

Связь базы данных (Database Link) или связь с удаленной базой данных - это объект базы данных, который позволяет обратиться к объектам удаленной базы данных. Имя связи базы данных, грубо говоря, можно представить как ссылку на параметры доступа к удаленной базы данных.

Для эффективного управления разграничением доступа к данным в Oracle поддерживает объект роль.

Роль (Role) - объект базы данных, представляющий собой поименованную совокупность привилегий, которые могут назначаться пользователям, категориям пользователей или другим ролям.

В данной главе выделим и характеризируем основные классы СУБД.

Основная классификация СУБД основывается на используемой модели баз данных. По этому критерию выделяют несколько классов СУБД: иерархические, сетевые, реляционные, объектные и другие. Некоторые СУБД могут одновременно поддерживать несколько моделей данных.

Более ранние СУБД такие как иерархические и сетевые имеют древовидную структуру и построены по принципу "Предок - потомок". Но такие системы уже отжили своё и применяются все реже.

На смену иерархическим и сетевым пришли реляционные СУБД.

Характеристика реляционных СУБД

Первые теоретические разработки в области реляционных СУБД были получены еще в 70-х, в то же время появились первые прототипы реляционных СУБД. Долгое время считалось невозможным добиться эффективной реализации таких систем. Однако постепенное накопление методов и алгоритмов организации реляционных баз данных и управления ими привели к тому, что уже в середине 80-х годов реляционные системы практически вытеснили с мирового рынка ранние СУБД.

Реляционный подход организации СУБД предполагает наличие набора отношений (двумерных таблиц), связанных между собой. Связь в данном случае - это ассоциирование двух или более отношений (таблиц). База данных, не имеющая связей между отношениями, имеет очень ограниченную структуру и реляционной называться не может. Запросы к таким базам данных возвращает таблицу, которая повторно может участвовать в следующем запросе. Данные в одних таблицах, как мы говорили, связаны с данными других таблиц, откуда и произошло название "реляционные".

Реляционный подход в построении СУБД имеет ряд достоинств Байдак А.Я., Булгаков А.А. Современные СУБД и их применение в энергетике [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http: //masters. donntu.edu.ua/2010/etf/baydak/library/article2. htm. - Загл. с экрана:

Наличие небольшого набора абстракций, которые позволяют сравнительно просто моделировать большую часть распространенных предметных областей и допускают точные формальные определения, оставаясь интуитивно понятными;

Наличие простого и в то же время мощного математического аппарата, опирающегося главным образом на теорию множеств и математическую логику и обеспечивающего теоретический базис реляционного подхода к организации баз данных;

Возможность ненавигационного манипулирования данными без необходимости знания конкретной физической организации баз данных во внешней памяти.

Реляционная модель имеет строгое теоретическое обоснование. Эта теория способствовала созданию декларативного языка SQL, который в настоящее время стал стандартным в отношении определения и манипулирования реляционными базами данных. Другие сильные стороны реляционной модели - простота, пригодность для систем интерактивной обработки транзакций (OLTP), обеспечение независимости от данных. Однако реляционная модель данных и реляционная СУБД, в частности, имеют и определенные недостатки.

Главным недостатком реляционных СУБД считается присущая этим системам ограниченность использования в областях, в которых требуются достаточно сложные структуры данных. Одним из основных аспектов традиционной реляционной модели данных является атомарность (единственность и неделимость) данных, которые хранятся на пересечении строк и столбцов таблицы. Такое правило было заложено в основу реляционной алгебры при ее разработке как математической модели данных. Кроме того, специфика реализации реляционной модели не позволяет адекватно отражать реальные связи между объектами в описываемой предметной области. Данные ограничения существенно мешают эффективной реализации современных приложений, которые требуют уже несколько иных подходов к организации данных.

Основной принцип реляционной модели - устранять повторяющиеся поля и группы с помощью процесса, который называется нормализацией. Плоские нормализованные таблицы универсальны, просты в понимании и теоретически достаточны для представления данных любой предметной области. Они хорошо подходят для приложений, связанных с хранением и отображением данных в традиционных отраслях, таких как банковские или учетные системы, но их применение в системах, основанных на более сложных структурах данных, часто является затруднительным. В основном, это связано с примитивностью механизмов хранения данных, лежащих в основе реляционной модели Никитин М. Закончилась ли эпоха реляционных СУБД? [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http: //www.cnews.ru/reviews/free/marketBD/articles/articles2. shtml. - Загл. с экрана.

На сегодняшний день известные фирмы производители реляционных СУБД следующие - ORACLE, Informix, IBM (DB2), Sybase, Microsoft (MS SQL Server), Progress и другие. В своих продуктах производители СУБД ориентируются на работу на различных типах компьютеров (от майнфреймов до портативных) и на различных операционных системах (ОС). Также производители СУБД не обошли вниманием продукты, работающие на настольных компьютерах, такие как dBase, FoxPro, Access и им подобные. Данные СУБД предназначены для работы на РС и решают локальные задачи на одном РС или небольшой группе РС. Часто данные СУБД используются, как зеркальное отображения небольшой части общей корпоративной СУБД, для минимизации требуемых аппаратных и ресурсных затрат для решения небольших задач.

Различные СУБД работают под управлением разных ОС и аппаратной части. Наиболее известные среди таких ОС - UNIX, VAX, Solaris, Windows. В зависимости от объема хранения данных, количества пользователей, осуществляющих одновременный доступ к данным, сложности задач - используются различные СУБД на различных платформах. Например, СУБД Oracle на Unix, инсталлированная на многопроцессорный сервер позволяет решать задачи по обеспечению данными сотни тысяч пользователей Пономарева И.С. Системы управления базами данных [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http: //mathmod. aspu.ru/images/File/Ponomareva/TM10_About%20BD. pdf. - С. 2.

В настоящее время наибольший интерес представляют СУБД ориентированные на операционную систему Windows использующие платформу Intel.