Лекция 9 БД. Основы теории бд
 Скачать 383.38 Kb.
|
|
Лекция 9 ОСНОВЫ ТЕОРИИ БД Введение Развитие вычислительной техники и появление ёмких внешних запоминающих устройств прямого доступа предопределило интенсивное развитие автоматических и автоматизированных систем разного назначения и масштаба, в первую очередь в области бизнес-приложений. Такие системы работают с большими объёмами информации достаточно сложной структуры, требующей оперативности в обработке, частого обновления и в то же время – длительного хранения. Для хранения больших объемов информации служат БД. База данных (англ. «database») - это набор информации, организованной тем, или иным способом. То есть это представленная в объективной форме совокупность самостоятельных материалов (статей, расчётов, нормативных актов, судебных решений и иных подобных материалов), систематизированных таким образом, чтобы эти материалы могли быть найдены и обработаны. При использовании компьютеров БД – это именованные данные на машинных носителях, которые могут быть подвергнуты различным способам автоматизированной обработки. Примерами систем, где используются БД, являются автоматизированные системы: управление предприятием (АСУП), в банковской системе, в системах резервирования и продажи билетов и т.д. Это первое направление использования баз данных (БД). Другим направлением, стимулировавшим развитие БД, стали системы управления физическими экспериментами, обеспечивающие сверхоперативную обработку в реальном масштабе времени огромных потоков данных от датчиков. Следующее направление использования БД – автоматизированные библиотечные информационно-поисковые системы. Все это привело к появлению новой информационной технологии интегрированного хранения и обработки данных - концепции баз данных, в основе которой лежит механизм предоставления какой-либо работающей программе из всех хранимых данных только тех данных, которые необходимы этой программе. Более того, поскольку различные программы могут по-разному «видеть» (т.е. использовать) одни и те же данные, то система должна сделать «невидимыми» для программы все данные, кроме тех, которые для неё являются «своими». Примеры БД: база данных книжного фонда библиотеки; база данных кадрового состава учреждения; база данных законодательных актов в области уголовного права; база данных современной эстрадной песни. Функционирование БД обеспечивается системой управления базой данных (СУБД). Система управления базами данных (СУБД) - совокупность программных и лингвистических средств общего или специального назначения, обеспечивающих управление созданием и использованием баз данных. Часто системой управления базами данных называют программу, предназначенную для создания на ЭВМ общей БД для множества приложений; поддержания её в актуальном состоянии и обеспечения эффективного доступа пользователей к содержащимся в ней данным в рамках предоставленных им полномочий. СУБД обеспечивает: описание и сжатие данных; манипулирование данными (запись, поиск, выдачу, изменение содержания); физическое размещение (изменение размеров блоков данных, записей, использование занимаемого пространства, сортировку); защиту от сбоев, поддержку целостности и восстановление; безопасность данных. Данные. Сущности. Атрибуты Т.о., в узком смысле слова, база данных - это некоторый набор данных, необходимых для работы (актуальные данные). Однако данные - это абстракция; никто никогда не видел «просто данные»; они не возникают и не существуют сами по себе. Данные суть отражение объектов реального мира. Пусть, например, требуется хранить сведения о деталях, поступивших на склад. Как объект реального мира - деталь - будет отображена в базе данных? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, необходимо знать, какие признаки или стороны детали будут актуальны, необходимы для работы. Среди них могут быть: название детали, материал, из которого она сделана, ее вес, размеры, цвет, дата изготовления, стоимость, и т.д. В традиционной терминологии объекты реального мира, сведения о которых хранятся в базе данных, называются сущностями, а их актуальные признаки – атрибутами. Тогда каждое значение атрибута – это признак объекта (сущности). Так, деталь «стартер» имеет значение атрибута «вес», равное «10», что отражает тот факт, что данный объект весит 10 килограмм. Таким образом, в широком смысле слова база данных - это совокупность описаний объектов реального мира в виде атрибутов и связей между ними, актуальных для конкретной прикладной области. Было бы ошибкой считать, что в базе данных отражаются только физические объекты. Она способна вобрать в себя сведения об абстракциях, процессах, явлениях - то есть обо всем, с чем сталкивается человек в своей деятельности. Так, например, в базе данных можно хранить информацию о заказах на поставку деталей на склад (хотя заказ - не физический объект, а процесс). Атрибутами сущности «заказ» будут, например: название поставляемой детали, количество деталей, название поставщика, срок поставки и т.д. Классификация баз данных Фасетная классификация БД:
По технологии обработки данных БД подразделяются на централизованные и распределённые. Централизованная БД хранится целиком в памяти одной вычислительной системы. Если система входит в состав сети, то возможен доступ к этой БД других систем (рис.1).  Распределённая БД состоит из нескольких, возможно пересекающихся или дублирующих друг друга частей: БД 1, БД 2,…, хранимых в памяти разных вычислительных систем, объединённых в сеть (рис.2).  По способу доступа к данным БД различают локальный (автономный) и удалённый (сетевой) доступ. Локальный доступ предполагает, что СУБД обрабатывает БД, которая хранится на том же компьютере. Удалённый доступ – это обращение к БД, которая хранится на одном из компьютеров, входящих в компьютерную сеть. Удалённый доступ может быть выполнен по принципу файл-сервер или клиент-сервер. Архитектура файл-сервер (толстый клиент) предполагает выделение одного из компьютеров сети (сервер) для хранения централизованной БД (рис.3) Все остальные компьютеры сети (клиенты) исполняют роль рабочих станций, которые копируют требуемую часть централизованной БД в свою память, где и происходит обработка. Однако при большой интенсивности запросов к централизованной БД увеличивается нагрузка на каналы сети, что приводит к снижению производительности ИС в целом. Клиентом в этом случае является компьютер (компьютер-клиент), на котором необходима установка всех программ для обработки данных, что является недостатком.  Архитектура клиент-сервер (тонкий клиент) (рис.4) предполагает, что сервер, выделенный для хранения централизованной БД, дополнительно производит обработку клиентских запросов. Клиенты получают по сети уже обработанные данные. Клиентом в этом случае является программа (программа-клиент), которой понадобились данные из БД. Она посылает запрос серверу (точнее - программе, управляющей ведением БД) на специальном универсальном языке запросов. Сервер пересылает программе данные, являющиеся результатом поиска в БД по её запросу. Этот способ удобен тем, что программа-клиент не обязана содержать все функции поддержания и ведения БД, этим занимается сервер. В результате упрощается написание программ-клиентов. Кроме того, к серверу может обращаться любое количество клиентов. Высокой надёжностью обладает распределённая архитектура, в которой вычислительная система состоит из нескольких компонентов, распределённых по разным серверам. Специальные программы-мониторы следят за корректностью работы каждого из компонентов и, при необходимости, запускают дублирующие компоненты на других компьютерах.  Модель БД могут быть иерархической, сетевой, реляционной. Отметим, что эти модели относятся и к СУБД. Для рассмотрения понятия «модель БД» вспомним, что «база данных - это совокупность описаний объектов реального мира в виде атрибутов и связей между ними, актуальных для конкретной прикладной области». Модель как раз отражает, установленный разработчиком БД, механизм связи сущностей и атрибутов. Сетевые базы данных опираются на математику графов, конкретнее, сетевую модель данных можно представить в виде ориентированного графа. Направленный граф состоит из узлов и ребер. Узлы направленного графа – это ни что иное, как объекты сетевой базы данных (записи), а ребра такого графа показывают связи между объектами сетевой модели данных, причем ребра показывают не только саму связь, но и тип связи (связь один к одному или связь один ко многим). Тип связи определяется для двух типов записи: предка и потомка. Взгляните на рисунок, чтобы лучше осознать суть написанного выше:  На рис. 6 показан простой пример схемы сетевой БД. На этом рисунке показаны три типа записи: Отдел, Служащие и Руководитель и три типа связи: Состоит из служащих, Имеет руководителя и Является служащим. В типе связи Состоит из служащих типом записи-предком является Отдел, а типом записи-потомком – Служащие. В типе связи Имеет руководителя типом записи-предком является Отдел, а типом записи-потомком – Руководитель. Наконец, в типе связи Является служащим типом записи-предком является Руководитель, а типом записи-потомком – Служащие.  Рис. 6 Иерархическая БД состоит из упорядоченного набора деревьев. Тип дерева состоит из одного «корневого» типа записи и упорядоченного набора поддеревьев. Тип дерева в целом представляет собой иерархически организованный набор типов записи. На рис. 6 показан пример типа дерева (схемы иерархической БД). Здесь тип записи Отдел является предком для типов записи Руководитель и Служащие, а Руководитель и Служащие – потомки типа записи Отдел. Смысл полей типов записей в основном должен быть понятен по их именам. Поле Рук_Отдел типа записи Руководитель содержит номер отдела, в котором работает служащий, являющийся данным руководителем (предполагается, что он работает не обязательно в том же отделе, которым руководит). Между типами записи поддерживаются связи (правильнее сказать, типы связей, поскольку реальные связи появляются в экземплярах типа дерева).  Рис. 6 Основная идея реляционной БД, предложенной Эдгаром Коддом в 1969 г. состоит в выборе в качестве родовой логической структуры хранения данных структуру, которая, с одной стороны, была бы достаточно удобной для большинства приложений и, с другой стороны, допускала бы возможность выполнения над базой данных ненавигационных операций. Иерархические и, в особенности, сетевые структуры данных являются навигационными по своей природе. Ненавигационному использованию таблиц мешает упорядоченность их столбцов и, в особенности, строк. Кодд предложил использовать в качестве родовой структуры БД «таблицы», в которых и столбцы, и строки не являются упорядоченными. Преимущества реляционного подхода и развитие методов и алгоритмов организации и управления реляционными базами данных привели к тому, что к концу 80-х годов реляционные системы заняли на мировом рынке СУБД доминирующее положение. Манипулирование данными БД созданы для манипулирования данными. Вот примерный набор операций манипулирования данными: найти конкретную запись в наборе однотипных записей (например, служащего с именем Иванов); перейти от предка к первому потомку по некоторой связи (например, к первому служащему отдела 625); перейти к следующему потомку в некоторой связи (например, от Иванова к Сидорову); перейти от потомка к предку по некоторой связи (например, найти отдел, в котором работает Сидоров); создать новую запись; уничтожить запись; модифицировать запись; включить в связь; исключить из связи; переставить в другую связь и т.д. Основные принципы создания реляционных БД 1. База данных – это хранилище информации. Это, собственно, следует из самого понятия: база и данные. Причем храниться может совершенно разнородная информация. В современных базах ничто не мешает хранить вместе с прочими данными, например картинки или видеоролики. Хотя в основном все сводится к хранению строковых и числовых значений, что обуславливается требованиями бизнеса (суммы продаж, адреса покупателей и поставщиков и т.п.). 2. Любая информация внутри базы хранится (записывается) в виде таблиц. Это очевидно самый простой, логичный и универсальный способ хранения разнородной информации. Давайте рассмотрим на примере. Предположим нужно хранить данные о деталях, использующихся на заводе. Как бы велся их учет, не прибегая к использованию компьютера? Ответ очевиден – завели бы отдельную тетрадку, разлиновали табличку, в которой в каждой новой строчке записывали бы названия деталей, а в колонках по строке указывали бы необходимые для работы с этой деталью данные. Причем состав колонок как правило будет заранее известен и одинаков для всех деталей. Также обстоит дело и с хранением информации внутри базы данных. Разработчики по аналогии с реальной жизнью организовали хранение в таблицах (см. рис.7).  Рис.7 3. Механизм реляции. Поскольку информации в базе может быть много и самого разного вида, то для ее хранения может быть выделено множество таблиц. Большинство таблиц взаимосвязаны между собой, и для таких взаимосвязей был придуман специальный механизм, названный реляцией (от англ. relation – отношение). Отсюда берет свое начало термин «реляционные базы данных». Данный механизм позволил существенно сократить объемы хранимой информации за счет исключения дублирующей информации. Суть его заключается в том, что для представления данных об объектах и их взаимосвязях используются, кроме сущностей и атрибутов вводится отношение. Каждое отношение – это реляционная таблица, где хранится однородная информация об объекте, т.е. можно сказать, что отношение это совокупность атрибутов, оформленная в виде специальной таблицы. При необходимости в каких-либо однородных данных отразить информацию из других однородных данных (связать таблицы), указывается ссылка на ключевое поле, имеющиеся в этих таблицах. Ключевым полем является некий уникальный идентификатор, однозначно характеризующий сами данные. Поясним на примере. Представьте, что разным отделам на заводе необходима информация о деталях, хранящаяся в БД. Пусть это будут: бухгалтерия, отдел снабжения и конструкторский отдел. Посмотрим, как бы было организованно хранение, если бы не было механизма реляции (рис.8): Рис.8 На рис.8 красным выделена дублирующая информация. Поскольку взаимосвязи между данными (таблицами) отсутствуют, то чтобы указывать необходимую для работы информацию приходится ее каждый раз повторять. Как же будет выглядеть точно такая же ситуация, но с применением механизма взаимосвязи (реляции)? Вот так:  Рис.9 Теперь вместо того, чтобы перечислять каждый раз одну и ту же информацию о деталях в этих таблицах мы просто дали в них ссылку на конкретную деталь при помощи идентификатора. Если из таблицы “Список деталей” необходимо узнать сколько же, например болтов, расходуется на одно изделие, нужно по номеру идентификатора болтов посмотреть эту информацию в таблице “Нормативы деталей на одно изделие”. Очевидно, что такой способ организации хранения информации является более компактным и структурированным. 4. Каждая реляционная таблица должна обладать следующими свойствами: один элемент таблицы – один элемент данных; все столбцы таблицы содержат однородные по типу данные (целочисленный, числовой, текстовый и т.д.); каждый столбец имеет уникальное имя; число столбцов задаётся при создании таблицы; порядок записей в отношении может быть произвольным; записи не должны повторяться; количество записей в отношении не ограничено. Структура простейшей БД Структура представлена полями (столбцами) и записями (строками) (рис.10). Поле – это атрибут сущности, а запись – один элемент данных (сущность) с конкретными значениями атрибутов. Число столбцов – фиксировано, число строк – переменно. Строкам таблицы соответствуют кортежи, а столбцам - атрибуты отношения.  Например, простейшая телефонная записная книжка имеет чёткую структуру (имя абонента и его телефонный номер), что позволяет отличить её от блокнота или ежедневника, даже если в неё не записали ни одной строки. Элементы реляционной модели данных и формы их представления приведены в таблице:
Первичным ключом отношения называется поле или группа полей, однозначно определяющие запись. В отношении СТУДЕНТ первичным ключом может быть поле ФАМИЛИЯ, если во всём списке нет однофамильцев – это будет простой первичный ключ. Если есть однофамильцы, то совокупность полей – фамилия, имя, отчество – создадут составной первичный ключ. Итак:  На практике обычно в качестве простого первичного ключа выбирают поле, в котором совпадения заведомо исключены. Для рассматриваемого примера таким полем может служить номер зачётной книжки (ЗЧ) студента: Простой первичный ключ
Обычно в базе содержится не одна, а несколько связанных таблиц. Например, если в отношении СТУДЕНТ надо описать вуз, в котором он обучается, то, на первый взгляд, можно было бы включить в отношение следующие поля: СТУДЕНТ (ФАМИЛИЯ, ИМЯ, ОТЧЕСТВО, ГРУППА, НАЗВАНИЕ вуза, АДРЕС вуза). Но при заполнении такой таблицы для каждого студента придётся указывать довольно длинное наименование вуза и его адрес, что неудобно:
Более того, любая незначительная ошибка во вводе этих полей приведёт к нарушению непротиворечивости базы данных. Например, ошибка в адресе вуза приведёт к тому, что в БД появятся два вуза с одинаковым наименованием и разными адресами. Поступают в таком случае так: в отношение СТУДЕНТ (ФАМИЛИЯ, ИМЯ, ОТЧЕСТВО, ГРУППА) вводят поле «Код ВУЗа» (целое число) и добавляют ещё одно отношение – ВУЗ (КОД вуза, НАЗВАНИЕ, АДРЕС). Таблицы СТУДЕНТ и ВУЗ при этом будут связаны по полю «КОД вуза». В отношении ВУЗ поле «КОД вуза» будет первичным ключом, а в отношении СТУДЕНТ поле «КОД вуза» будет внешним ключом. Отношение «СТУДЕНТ»
Первичный ключ для связи Отношение «ВУЗ»
При работе с такими таблицами повторяться могут только данные в поле «Код ВУЗа», а все необходимые сведения о вузе можно взять из отношения ВУЗ. Понятие о связывании отношений Итак, реляционная БД - набор простых отношений (таблиц), связанных семантикой (смыслом) информации для какой-либо сущности. Для работы с БД необходимо выполнить связывание отношений, чтобы можно было извлекать из таблиц разнообразную информацию в зависимости от практических задач. Кроме этого, многие СУБД при связывании таблиц автоматически выполняют контроль целостности вводимых в базу данных в соответствии с установленными связями. В конечном итоге это повышает достоверность хранимой в БД информации. Кроме того, установление связи между таблицами облегчает доступ к данным. Связывание таблиц при выполнении таких операций как поиск, просмотр, редактирование, выборка и подготовка отчетов обычно обеспечивает возможность обращения к, произвольным полям связанных записей. Это уменьшает количество явных обращений к таблицам данных и число манипуляций в каждой из них. Связь между таблицами позволяет: • либо исключить возможность удаления или изменения данных в ключевом поле главной таблицы, если с этим полем связаны какие-либо поля других таблиц. • либо сделать так, что при удалении (или изменении) данных в ключевом поле главной таблицы автоматически (и абсолютно корректно) произойдет удаление или изменение соответствующих данных в полях связанных таблиц. Между таблицами могут устанавливаться бинарные (между двумя таблицами), тернарные (между тремя таблицами) и, в общем случае, n-арные связи. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся бинарные связи. При связывании двух таблиц выделяют основную и дополнительную (подчиненную) таблицы. Логическое связывание таблиц производится с помощью ключа связи. Ключ связи, по аналогии с обычным ключом таблицы, состоит из одного или нескольких полей, которые в данном случае называют полями связи (ПС). Суть связывания состоит в установлении соответствия полей связи основной и дополнительной таблиц. Поля связи основной таблицы могут быть обычными и ключевыми. В качестве полей связи подчиненной таблицы чаще всего используют ключевые поля. Связи бывают нескольких типов: – один к одному (1:1) – любая запись одной таблицы может быть связана только с одной записью другой, и наоборот. По сути, каждая пара записей является одной записью, поля которой разделены на две таблицы. То есть часть полей находится в одной таблице, а оставшаяся часть – в другой, являющейся продолжением первой. Пример:
Связь 1:1 – один ко многим (1:М или 1:∞). Любая запись одной таблицы может быть связана с несколькими записями другой, но любая запись второй таблицы связана только с одной записью первой таблицы. Связь «один ко многим» была установлена в вышеприведённом примере, так как одной записи таблицы ВУЗ соответствует множество записей таблицы СТУДЕНТ: Связь 1:М Студент 1
… – многие ко многим (М:М или ∞:∞) – любая запись одной таблицы может быть связана с несколькими записями другой, и наоборот. В явном виде эта связь может не поддерживаться, обычно она организуется путём создания дополнительных таблиц. Например, у каждого студента несколько преподавателей (по разным дисциплинам), а у каждого преподавателя – несколько студентов: Связь М:М
Свойства полей БД Поля БД не просто определяют структуру базы – они ещё определяют групповые свойства элементов данных, принадлежащих каждому из полей. Рассмотрим основные свойства полей БД на примере СУБД Microsoft Access: имя поля – идентификатор, по которому происходит обращение к данным этого поля при автоматических операциях с базой (используется в качестве заголовка по умолчанию); подпись – определяет заголовок столбца, отличный от имени поля; тип поля – определяет тип данных, содержащихся в данном поле; обязательное поле – свойство, определяющее обязательность ввода данных; пустые строки – в отличие от предыдущего свойства, разрешает ввод пустых строк для некоторых (например, текстовых) типов данных; размер поля – задаёт предельную длину (в символах) данных, которые могут размещаться в данном поле; формат поля – определяет способ форматирования данных в ячейках, принадлежащих полю; маска ввода – определяет форму, в которой вводятся данные в поле; значение по умолчанию – автоматически вводимое в поле значение при создании новой записи; условие на значение – ограничение, используемое для проверки; сообщение об ошибке – текстовое сообщение, выдаваемое при попытке ввода ошибочных данных, если задано предыдущее свойство; индексированное поле – свойство, ускоряющее операции поиска и сортировки записей по значениям данного поля. Возможна автоматическая проверка и исключение дублирования данных. Типы полей БД Более подробно рассмотрим тип поля. Тип определяет множество значений, которые может принимать данное поле в различных записях.  Таблицы баз данных допускают работу с гораздо большим количеством разных типов по сравнению с многими другими прикладными программами. Перечислим основные типы данных, которые используются в MS Access: текстовый – тип данных для хранения текста длиной до 255 символов; поле МЕМО – тип данных для хранения больших объёмов текста (до 65535 символов). Физически текст хранится в другом месте базы данных, а в поле помещается только указатель на него; числовой – тип данных для хранения чисел, формат представления которых (целые, действительные и др.) задаётся свойством Размер поля; дата/время – тип данных для хранения календарных дат и времени; денежный – тип данных для хранения денежных сумм. Денежный тип удобнее, чем специальная настройка формата числового типа и имеет некоторые особенности, например округления; счётчик – специальное поле для натуральных чисел с автоматическим наращиванием. Используется для естественной нумерации записей; логический – тип данных для хранения логических величин, которое может принимать всего два значения: «да» — «нет» или «истина» — «ложь» или (по-английски) «true» — «false; поле объекта OLE – тип данных для хранения объектов OLE (например, мультимедийных). Как и в поле МЕМО, содержимое хранится в специальном месте БД, иначе работа с базой была бы замедленной; гиперссылка – тип данных для хранения адресов web-объектов Интернета. При щелчке на ссылке запускается браузер, выполняющий загрузку и воспроизведение указанного объекта; вложение – тип данных для хранения внешних файлов, появившийся в версии Access 2007; вычисляемый – тип данных, появившийся в версии Access 2010. Поле этого типа содержит выражение, в котором могут использоваться другие поля той же таблицы. Access автоматически обновляет вычисляемые поля при редактировании записи, обеспечивая правильность значения в поле. В списке, из которого выбирается тип данных при конструировании таблиц, имеется Мастер подстановок, применимый для типов данных Текстовый, Числовой или Логический. С помощью мастера подстановок формируется раскрывающийся список, из которого можно выбирать данные при вводе. В частности, этот список может формироваться из поля другой таблицы, в этом случае устанавливается связь между таблицами. Вопросы 1.Вспомните и перечислите, когда Вы имели дело с БД? 2. Что такое сущность, атрибут? 3. Опишите кратко, в чём заключается роль БД в информационных системах? 4. Какие БД могут использоваться в вашей профессиональной области? Приведите примеры. 5. Чем отличаются реляционные БД от других? |