Презентация База данных. Презентация Лекция1. Введение БД. Лекция 1 Содержание
 Скачать 301 Kb.
|
|
Базы данных. Введение Материалы курса «Базы данных». Лекция 1 Содержание Базы данных и СУБД Системы управления базами данных Базы данных Функции СУБД Использование файлов для работы с данными Подходы к управлению базами данных и модели данных Реляционный подход к управлению базами данных и проектирование БД Представления о предметной области: трехуровневая схема Формирование представлений данных Пользователь Внешнее представление А Концептуальное представление Внутреннее представление Пользователь Пользователь Внешнее представление В Пользователь Внешнее представление С Внешний уровень – уровень описания информационных потребностей конечного пользователя Концептуальный уровень – описание информации на уровне понятий всей информационной системы Внутренний уровень – описание способа хранения информации в памяти, на внешних запоминающих устройствах и методов доступа к ней Представления о предметной области: внешние представления и концептуальная схема Информационные потребности отдельного пользователя обычно затрагивают лишь часть данных, хранящихся в информационной системе, и описание этих потребностей может не совпадать со способом представления этих данных. Внешних описаний данных, хранящихся в БД, следовательно, может быть множество. Данные, используемые отдельными специалистами, находятся в единой информационной системе предприятия, в общей для них базе данных. Поэтому внешние представления отдельных пользователей должны быть интегрированы в концептуальном представлении. Цель описания данных на концептуальном уровне – создание такого формального представления о данных, чтобы любое внешнее представление являлось его подмножеством. В процессе интеграции внешних представлений устраняются двусмысленности и противоречия в информационных потребностях отдельных пользователей. Концептуальное описание, представляющее всю БД, должно быть единственным. Представления о предметной области: внутреннее представление Внутреннее описание данных характеризует способ хранения данных во внешней памяти. Схема – это средство, с помощью которого описывается модель данных приложения. Выбранной моделью данных определяются правила описания данных (основными являются реляционная модель данных, сетевая и иерархическая модели). Модель данных определяется тремя компонентами:
допустимые операции, выполняемые на определенной структуре данных; ограничения для контроля целостности данных. Таким образом, в схеме присутствует и некоторая семантическая (смысловая) информация, относящаяся к приложению. С помощью схемы описываются свойства и взаимосвязи между отдельными элементами данных, вытекающие из существующих связей в «реальном мире» предметной области. Логическое представление данных и физические данные Таким образом, при работе с информацией различают два уровня представления данных:
Логическое представление данных соответствует пользовательскому представлению о данных, о существующих взаимосвязях между элементами данных. Встаёт задача отделения логической структуры данных (организации данных с точки зрения пользователя) от физической (организации данных с точки зрения их представления на ВУ), обеспечения работы с ней нескольких приложений пользователей и т.д.. Необходимость решения этой задачи и привела к возникновению нескольких уровней представления информации, для работы с которой было разработано специальное программное обеспечение. При решении этих задач можно описать хранимую и обрабатываемую информацию с различных точек зрения и с разной степенью детализации. Базы данных и СУБД База данных (БД) – это именованная совокупность взаимосвязанных данных, отражающая состояние объектов рассматриваемой предметной области и их отношений. БД могут использоваться несколькими приложениями под управлением системы управления базой данных (СУБД). В обычном смысле БД представляет собой файл или множество файлов, имеющих определенную организацию. Однако при работе с обычными системами файловой обработки возникает ряд проблем, связанных, в частности, с избыточностью и зависимостью хранящихся в них данных. Решение данной проблемы требует выполнения ряда шагов:
согласование работы различных приложений с базой данных через использование общей управляющей программы, которая организовывала бы доступ всех приложений к информации в БД. Системы управления базами данных Система управления базой данных (СУБД) – это программная система, обеспечивающая определение логической и физической структуры базы данных, ввод информации и доступ к ней. При этом все СУБД обеспечивают независимость прикладной программы от организации физических данных: изменения физической организации и/или параметров запоминающих устройств воспринимаются и «перехватываются» СУБД, но не влияют на прикладную программу. С другой стороны, изменение пользовательского представления и/или добавление нового представления также поддерживаются СУБД и не требуют затрат на реорганизацию и изменение механизма доступа к физическим данным в файлах. Таким образом, СУБД обеспечивает относительную независимость различных уровней представлений данных. Еще одна задача СУБД – поддержание целостности данных, хранящихся в базе данных, их согласованности, непротиворечивости. Базы данных База данных – это файл или совокупность файлов, для определения которых и обращения к ним используются средства СУБД. Это означает, что БД определяется посредством схемы, не зависящей от программ, которые к этой БД обращаются. Другим свойством БД является реализация их в виде «запоминающего устройства» с прямым доступом. Использование СУБД обеспечивает лучшее управление данными, более совершенную организация файлов и более простое обращение к ним по сравнению с обычным способом хранения данных в файлах. Целостность БД означает поддержание данных в ней в таком состоянии, когда все значения данных «правильны» (отражают состояние реального объекта в пределах заданных ограничений по точности и временнόй согласованности) и подчиняются правилам взаимной непротиворечивости. Поддержание целостности включает контроль целостности при выполнении операций, проверку целостности данных в БД и восстановление БД из любого неправильного состояния, которое может быть обнаружено в процессе проверки. Функции СУБД СУБД – программный комплекс поддержки интегрированной совокупности данных, предназначенный для создания, ведения и использования базы данных многими пользователями (прикладными программами). СУБД играет роль «интерфейса» между прикладными программами и базой данных. Функции СУБД:Функции СУБД Функции СУБД: Определение структуры базы данных, ее инициализация и проведение начальной загрузки Предоставление пользователям возможности манипулирования данными (выборка необходимых данных, выполнение вычислений, разработка интерфейса ввода/вывода, визуализация). Обеспечение независимости прикладных программ и данных (логической и физической независимости). Защита логической целостности базы данных. Защита физической целостности. Управление ресурсами среды хранения. Управление полномочиями пользователей на доступ к базе данных. Синхронизация работы нескольких пользователей. Поддержка деятельности системного персонала. Функции СУБД: обеспечение независимости Важнейшим свойством СУБД является возможность поддерживать два независимых взгляда на базу данных: – логическое представление данных – «взгляд пользователя», реализуемый в прикладных программах; – физическое представление данных в памяти – «взгляд системы» . Обеспечение логической независимости данных предоставляет возможность изменения (в определенных пределах) логического представления базы данных без необходимости изменения физических структур хранения данных (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. Функции СУБД: защита логической целостности базы данных Основной целью реализации этой функции является обеспечение достоверности данных в базе данных. Под целостностью базы данных понимается то, что в ней содержится полная, непротиворечивая и адекватно отражающая предметную область (правильная) информация. В системе объявляются так называемые ограничения целостности, которые в определенных случаях «отлавливают» ошибки при выполнении операций. Простейшие механизмы: проверка соответствие вводимых данных их типу, описанному при создании структуры, условиям, налагаемым на значения… В развитых системах ограничения целостности описывает программист, исходя из содержательного смысла задачи. Функции СУБД: ограничения целостности данных Ограничения целостности – специальные средства в базах данных, главное назначение которых – не дать попасть в базу недопустимым данным (например, предупредить ошибки пользователей при вводе данных). Все ограничения целостности можно разделить на три большие категории: Средства обеспечения доменной целостности, которые отвечают за то, чтобы в соответствующем поле базы данных были допустимые значения (обычно обеспечивается условиями на значение, запретом пустых значений, триггерами и хранимыми процедурами…). Задача поддержания сущностной целостности – сделать так, чтобы данные об одной сущности не попали в базу данных два раза (обеспечивается ограничением уникальности). Ссылочная целостность обеспечивается системой первичных и внешних ключей (это контроль появления «висячих ссылок»). Функции СУБД: ограничения целостности данных Еще один способ классификации даёт две большие категории, на которые можно поделить средства обеспечения целостности: Средства декларативного характера создаются как составные части объектов при их определении в базе данных (например, условие на значение при определении таблицы в базе данных). Средства процедурного характера (триггеры и хранимые процедуры) реализуются как отдельные программные модули. В общем случае декларативные ограничения менее функциональны, но более экономны с точки зрения ресурсов и наоборот. Наличие развитой системы ограничений целостности во многом определяет зрелость базы данных. При создании ограничений целостности разработчики должны позаботиться о том, чтобы ошибки, возникающие при нарушениях целостности, перехватывались клиентским приложением. Проще сразу позаботиться о том, чтобы в базу данных не попадали неверные значения, чем потом их убирать из базы данных. Функции СУБД: защита логической целостности базы данных Ограничения обычно разделяют на 3 группы: 1) внешние, 2) специально конструируемые и 3) внутренние. К предметной области относятся первые две группы (связаны с адекватностью отражения предметной области). Одним из способов задания таких ограничений является перечисление конечного множества допустимых значений какого-либо атрибута (так называемый «перечислимый» тип данных). Можно также задать условия, которые будут проверяться при вводе значений (дата выполнения заказа не может предшествовать дате его приёма). Для более сложных условий требуется конструировать их с использованием запросов к данным, размещенным в БД (например, проверка нормы, в соответствии с которой количество ставок учебно-вспомогательного персонала определяется числом студентов). Внутренние ограничения относятся уже к модели данных. Функции СУБД: защита физической целостности базы данных Защита физической целостности базы данных – это защита от сбоев, потери данных в результате ошибок. При сбоях во время выполнения операций могут быть не только потеряны данные, но и нарушена их целостность (связи между данными и т.п.). Это приводит к невозможности дальнейшей работы. Развитые СУБД имеют средства восстановления базы данных. Важнешим 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. Понятие модели данных Каждая система управления данными поддерживает определённые виды и типы данных, а также средства представления связей между данными, предоставляет для работы с ними набор операций. Модель данных описывается следующим образом:
заданы правила составления структур более общего типа из структур более простых типов (например, записей из полей, файлов из записей и т.д.); определён способ представления связей (отношений) между файлами и записями) с помощью дополнительных полей; определены возможные действия над структурами и правила их выполнения. Операции над данными и контроль целостности Для выполнения операций над данными в приложениях в системах управления данными определяются:
средства контроля относительно простых условий корректности операций добавления, обновления или удаления данных (ограничения целостности), реализуемые автоматически запускаемыми при выполнении вышеуказанных операций специальными процедурами; средства контроля сколь угодно сложных условий корректности выполнения определённых действий (правила); специальный класс процедур (называемых в БД триггерами, применяемыми, в частности, для контроля целостности). Использование файлов для работы с данными При размещении данных в файлах встают проблемы их избыточности, поддержания целостности. Вспомним, что потребовалось сделать при выполнении заданий по теме «Индексация файлов»? Ни одна из файловых систем не решает эти проблемы. Для их решения появились специальные программы ̶̶ СУБД (системы управления базами данных). При этом для работы с данными могут использоваться различные модели данных. Подходы к управлению базами данных Каждая СУБД поддерживает определённые виды и типы данных, а также средства представления связей между данными, составляющими модель данных СУБД, в ней также определены возможные действия над структурами и правила их выполнения, которые направлены на то, чтобы контролировать целостность данных, не допускать её нарушения. С точки зрения представления данных о системе база данных – поименованная совокупность экземпляров групп и групповых отношений. Для представления группового отношения используется различные формы: 1. Графовая: группы изображаются вершинами графа, связи между группами – дугами, направленными от группы-владельца к группе-потомку. По типу графов различают: иерархическую модель (граф без циклов – дерево) и сетевую модель (ориентированный граф общего вида). При выполнении операция выполняются «обходы» соответствующих графов. 2. Табличная: группы и связи между группами представляются таблицами, столбцы которых представляют атрибуты и ключи связываемых групп. Соответствующая модель данных называется реляционной моделью. и т.п. Подходы к управлению базами данных 3. Объектная: данные обрабатываются как абстрактные объекты, наделённые свойствами и использующие методы взаимодействия с другими объектами окружающего мира. 4. Документ-ориентированная СУБД (ДОСУБД) – компьютерная система, разработанная для хранения, получения и управления слабо структурированной информацией. ДОСУБД относится к категории так называемых NoSQL-баз данных. В отличие от, например, реляционных БД, построенных на принципах Отношение (Таблица), ДОСУБД оперируют абстрактным понятием "Документ". В общем смысле это подразумевает инкапсуляцию и кодирование сохраняемой информации в некотором стандартном формате. Таким стандартом может быть например - XML, YAML, JSON, BSON, а также в бинарных форматах, таких как PDF, документ Microsoft Office (DOC, PPT, XLS), документ OpenOffice (ODT, ODG, ODP, ODS, ODC), CHM, JPEG Реляционный подход к управлению базами данных и проектирование БД Реляционный подход к управлению БД основан на математической модели, использующей методы реляционной алгебры и реляционного исчисления. При использовании этого подхода основными свойствами СУБД являются следующие:
поддерживается три основных реляционных оператора – выбора, проектирования и объединения, с помощью которых можно получить все необходимые данные. Основа проектирования – теория нормализации (нормальных форм). Нормализация – это пошаговая декомпозиция отношений, в результате которой в БД достигается минимальная избыточность, позволяющая снизить трудоемкость ввода-редактирования данных, минимизировать количество ошибок при работе с БД. Общее правило нормализации – один объект реального мира – одна таблица. Детально – по файлу Word. |