Введение
В связи с тем, что практически любая информационная система использует в качестве базиса какую-то СУБД (в настоящее время их насчитывается порядка 100 [5]), назначение данного пособия с единых позиций рассмотреть основные идеи и методы, используемые в современных системах управления базами данных.
В учебном пособии не рассматривается какая-либо одна конкретная СУБД; излагаемый материал в равной степени относится к любой современной системе [15, 20, 22, 25, 33]. Как показывает практика, знание основ построения баз данных позволяет значительно быстрее разобраться с конкретными системами, как бы хорошо они не были документированы.
Целью пособия является обеспечение студентов материалом по следующим разделам рабочей программы дисциплины: «Назначение и основные компоненты системы баз данных»; «Архитектура банка данных»; «Модели и типы данных в БД»; «Базовые элементы реляционных БД».
В первой главе пособия рассматривается основная терминология, используемая в системах управления базами данных, с учетом ограничения на объем пособия. Во второй главе приводится классификация СУБД и обобщенная архитектура банка данных, с учетом рекомендаций ANSI/SPARC - американского института стандартов по проектированию баз данных. В этой же части обсуждаются различные уровни представления данных и управления ими. Рассматриваются базовые функции СУБД и их связь с различными языками, используемыми в СУБД. Типовые концептуальные модели данных, используемые в СУБД рассмотрены в 3 главе, а в главе 4 их физическая организация.
Пятая глава содержит необходимый теоретический базис, на котором основывается традиционная реляционная модель. Вводятся основные понятия реляционной модели данных, и приводятся требования, которым должна удовлетворять схема модели базы данных. Далее, в главе 6, излагаются принципы нормализации, на которых основан классический подход к проектированию реляционных баз данных.
Седьмая глава содержит множество примеров, поясняющих и раскрывающих сущность процесса построения нормальных форм отношений. Приводятся примеры декомпозиции отношений, приводящие модель базы данных к нормализованному виду, включая пятую нормальную форму. В заключение главы рассматриваются недостатки присущие моделям данных, построенных на базе теории нормализации, и приводятся рекомендации по устранению отмеченных недостатков. Книга 2 по дисциплине «Базы данных» содержат информацию о языке манипулирования данными SQL и основах программирования в СУБД.
Глава 1. Назначение и основные компоненты системы баз данных
1.1. СУБД – основа информационных систем
Информация и модели данных
Вычислительная техника предназначена, прежде всего, для обработки информации.
Под информацией здесь понимаются любые сведения о каком-либо событии, сущности, процессе и т.п., являющиеся объектом некоторых операций: восприятия, передачи, преобразования, хранения или использования.
Для пользователей, обрабатывающих информацию с помощью вычислительной техники, является крайне важным, как информация отображается в компьютере, то есть, каким образом реальный мир (информация о реальном мире) посредством моделей представлен в памяти ЭВМ. Количество моделей достаточно велико, так как в принципе каждый человек моделирует реальный мир (предметную область) с учетом своего мировосприятия. Каждый человек, создавая модель предметной области, на первоначальном этапе использует универсальное средство представления информации – естественный язык.
Однако, в силу специфики этого универсального средства и отсутствия предела познания предметной области, такие модели не приспособлены для отображения в компьютерных системах, хотя и являются семантической (смысловой) основой для последующего моделирования компьютерного представления информации о предметной области. Таким образом, возникает проблема создания общего подхода к моделированию данных, при этом важно, чтобы такой подход обеспечил не только идентификацию понятий и свойств моделей данных, но и посредством самой модели раскрывал сущность данных (их взаимосвязи) и представляемой ими информации.
Модель данных - это средство абстракции, которое интерпретирует информационное содержание данных предметной области, частично представляя семантику данных предметной области, т.е. средство, передающее некоторые знания о реальном мире (предметной области).
Информационное содержание модели данных отображается в компьютерной среде в виде базы данных (баз данных).
Таким образом, база данных является интегрированным хранилищем данных, которое, прежде всего, формируется на принципах, вкладываемых в смысловое содержание элементов модели данных и требований приложений (задач) предметной области.
Отметим, что файловая система также использует какие-то модели предметной области, но эти модели в своем большинстве, разрабатываются для каждого приложения (задачи) и не учитывают интеграцию данных. И если даже частично такие модели учитывают совместность обработки, они чаще всего не используют для своего построения, какой-либо формальный аппарат, что значительно снижает их дальнейшее развитие и тиражируемость.
Основной целью создания и использования систем управления базами данных (СУБД) является снижение затрат на разработку приложений (задач), ускорение процесса проектирования и частичная автоматизация процесса программирования.
1.1.1. Эволюция развития систем управления данными
Построение информационной системы (ИС) - это проблема, которую приходится решать на большинстве современных предприятий, независимо от того, какого рода бизнесом они занимаются. Термин "информационная система" относится к классу программно-аппаратных продуктов, "автоматизирующих" процессы информационной поддержки ведения бизнеса.
В большинстве случаев при создании собственной ИС невозможно обойтись без использования баз данных. Чем отличается "база данных" от какого бы то ни было набора данных, поддерживаемого в файлах операционной системы? Основное отличие состоит в том, что набором данных, входящих в состав базы данных управляет специальная программа, обычно называемая "системой управления базами данных (СУБД)", которая обладает знаниями по взаимосвязи между разнородными данными предметной области. Например, в случае ИС управления ВУЗом, СУБД, управляющая соответствующей базой данных, должна знать, что для экзаменационной ведомости не могут появиться фамилии студентов, не сдавших необходимые зачеты. Такого типа свойства называются целостностью базы данных. При создании базы данных ИС разработчик сообщает СУБД, какого рода ограничения целостности система должна поддерживать в базе данных, а далее ответственность берет на себя СУБД, без требования вмешательства прикладной программы.
Второй важной особенностью СУБД является обеспечение выполнения так называемых "незапланированных" запросов к базе данных. Представим себе, что при проектировании информационной системы, предназначенной для автоматизации управления ВУЗом, было запланировано выполнение запросов об успеваемости учебных групп, а впоследствии понадобилась информация об успеваемости в разрезе, например, возрастного или полового признака студентов. При отсутствии СУБД понадобилась бы переделка ИС. Однако СУБД, обладая достаточными знаниями о предметной области (например, о структуре и смысле объектов ИС), включающая универсальный язык запросов (например, язык SQL Structured Query Languague), позволяющий сформулировать произвольный запрос на выборку информации из соответствующей базы данных, в некоторой степени повышает жизненный цикл ИС. Такой запрос может быть в любой момент подан с терминала или встроен в одну из прикладных программ, входящих в ИС.
Наконец, еще одной важной особенностью большинства современных СУБД является обеспечение многопользовательского режима доступа.
Сегодня развитые компьютерные архитектуры обычно относятся к одной из двух категорий (или к их комбинации): информационно-вычислительный сервер (mainfraim) с более чем одним подключенным к нему терминалом или информационно-вычислительная сеть серверов и клиентских рабочих станций, обеспечивающая совместное использование ресурсов.
В любом случае, каждый из потенциальных пользователей может захотеть в любой момент времени воспользоваться услугами ИС. Соответственно, ИС должна иметь возможность параллельно (виртуально у пользователя не возникает ощущения чувствительной задержки ответа) выполнить операции, задаваемые несколькими пользователями одновременно. При этом такое "параллельное" выполнение является корректным, т.е. результат получается таким, как если бы несколько параллельных транзакций (запросов) выполнялось последовательно. СУБД поддерживает эту возможность, избавляя разработчиков ИС от необходимости заботиться об обеспечении режима мультидоступа.
Специфика информационных программных систем
В зависимости от конкретной области применения (которую принято называть предметной областью информационной системы) ИС могут очень сильно различаться по своим функциям, архитектуре, реализации. Однако можно выделить, по крайней мере, два свойства, которые являются общими для всех ИС.
Во-первых, любая ИС предназначена для сбора, хранения и обработки информации. Поэтому в основе любой ИС лежит среда хранения и доступа к данным. Среда должна обеспечивать уровень надежности хранения и эффективность доступа, которые соответствуют области применения ИС.
Во-вторых, ИС ориентируются на конечного пользователя, например, методиста деканата. Такие пользователи могут быть очень далеки от мира компьютеров. Для них терминал, персональный компьютер представляют собой всего лишь орудие их собственной профессиональной деятельности. Поэтому ИС обязана обладать простым, удобным, легко осваиваемым интерфейсом, который должен предоставить конечному пользователю все необходимые для его работы функции, но в то же время не дать ему возможность выполнять какие-либо лишние или ошибочные действия.
Как уже отмечалось, понятие базы данных изначально предполагает использование многопользовательской технологии работы. Разная реализация таких технологий в разное время была связана как с основными свойствами вычислительной техники, так и с развитием программного обеспечения. Приведем краткую характеристику этих технологий в хронологическом порядке.
1.1.2. Локальная технология
При использовании этой технологии база данных, СУБД и прикладная программа (приложение) располагаются на одном компьютере (мэйнфрейме или персональном компьютере) (рис.1.1). Для такого способа организации не требуется программные и аппаратные средства сети и все сводится к монопольной (автономной) работе.
Свойства технологии:
-
База данных в виде набора файлов находится на жестком диске компьютера.
-
На этом же компьютере установлены СУБД и приложение для работы с БД.
-
Пользователь запускает приложение. Используя предоставляемый приложением пользовательский интерфейс, он формирует обращение к БД на выборку/обновление информации.
-
Все обращения к БД идут через СУБД, которая внутри себя.
-
Результат СУБД возвращает в приложение, которое, используя пользовательский интерфейс, отображает результат запроса.
Рис. 1.1. Локальная архитектура
Подобная архитектура использовалась в первых версиях СУБД DB2, Oracle, ORD, Ingres.
Многопользовательская технология работы обеспечивалась либо режимом мультипрограммирования (одновременно могли работать процессор и внешние устройства – например, пока в прикладной программе одного пользователя шло считывание данных из внешней памяти, программа другого пользователя обрабатывалась процессором), либо режимом разделения времени (пользователям по очереди выделялись кванты времени на выполнении их программ). Такая технология была распространена в период больших ЭВМ (IBM-370 и ЕС ЭВМ в СССР). Основным недостатком этой модели является снижение производительности при увеличении числа пользователей.
Как правило, в основу ИС закладывается реляционная база данных (см. главу 3, 5, 6). Все подходы к организации ИС базируются на общей архитектуре "клиент-сервер". Различие состоит только в том, что делают клиенты и серверы. Тем не менее, широко применяется более узкое разделение на “файл-сервер”, непосредственно “клиент-сервер”, “Intranet”.
1.1.3. Архитектура с сетью и файловым сервером
Появление персональных компьютеров и локальных вычислительных сетей явились предпосылками появления новой архитектуры файл-сервер. Эта архитектура баз данных с сетевым доступом предполагает назначение одного из компьютеров сети в качестве выделенного сервера, на котором будут храниться файлы базы данных. В соответствии с запросами пользователей файлы с файл-сервера передаются на рабочие станции пользователей, где и осуществляется основная часть обработки данных. Выделенный сервер выполняет в основном только роль хранилища файлов, не участвуя в обработке самих данных (рис. 1.2).
Свойства технологии:
-
База данных в виде набора файлов находится на жестком диске специально выделенного компьютера (файлового сервера).
-
Существует локальная сеть, состоящая из клиентских компьютеров, на каждом из которых установлены СУБД и приложение для работы с БД.
-
На каждом из клиентских компьютеров пользователи имеют возможность запустить приложение. Используя предоставляемый приложением пользовательский интерфейс, он инициирует обращение к БД на выборку/обновление информации.
-
Все обращения к БД идут через СУБД, которая зафиксировала внутри себя все сведения о физической структуре БД, расположенной на файловом сервере.
-
СУБД инициирует обращения к данным, находящимся на файловом сервере, в результате которых часть файлов БД копируется на клиентский компьютер и обрабатывается, что обеспечивает выполнение запросов пользователя (осуществляются необходимые операции над данными).
-
При необходимости (в случае изменения данных) данные отправляются назад на файловый сервер с целью обновления БД.
-
Результат СУБД возвращает в приложение, которое, используя пользовательский интерфейс, отображает результат запроса.
Рис. 1.2. Архитектура "файл-сервер"
В рамках архитектуры "файл-сервер" были выполнены первые версии популярных так называемых настольных СУБД, таких, как Clipper, FoxBase и Microsoft Access. В подобных СУБД на файл-сервере гораздо проще вносить изменения в отдельные таблицы базы, минуя приложения, непосредственно из инструментальных средств (например, из утилиты Database Desktop фирмы Borland для файлов Paradox и dBase); подобная возможность облегчается тем обстоятельством, что фактически у таких СУБД база данных – набор отдельных таблиц (файлов), хранящихся в отдельном каталоге на диске.
В литературе указываются следующие основные недостатки данной архитектуры:
-
Вся таблица (файл) БД копируется на клиентскую машину и обработка данных осуществляется на клиенте. В результате возрастает сетевой трафик и увеличиваются требования к аппаратным мощностям пользовательского компьютера.
-
При одновременном обращении множества пользователей к одним и тем же данным производительность падает, т.к. необходимо дождаться пока пользователь, работающий с данными, завершит свою работу, если приложение пользователя требует монопольного владения информацией.
-
Как правило, используется навигационный подход, ориентированный на работу с отдельными записями файла.
-
Архитектура обладает низким уровнем безопасности, опирающегося только на средства операционной системы.
-
В ранних СУБД недостаточно развит аппарат транзакций, что служит потенциальным источником ошибок в плане нарушения ссылочной целостности информации при одновременном внесении изменений в одну и ту же запись.
|
