ИГА. Понятие базы данных

• Название: Понятие базы данных
• Дата: 05.04.2022
• Размер: 0.77 Mb.
• Имя файла: ИГА.docx
• Тип: Документы; #445246
• страница: 1 из 37

Понятие базы данных

Вообще, в широком смысле информация – общенаучное понятие, включающее в себя обмен сведениями между людьми, обмен сигналами в природе, между людьми и техническими устройствами. Дадим следующее определение понятия «информация»:

информация – сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают имеющуюся об этих объектах и явлениях степень неопределенности, неполноты знаний.

Наряду с понятием «информация» часто употребляется понятие «данные».

Данные – признаки, сведения, зафиксированные наблюдения, которые в текущий момент не используются, а только хранятся.

В том случае, когда данные используются для уменьшения неопределенности о чем-либо, они становятся информацией. Таким образом, информацией становятся используемые данные.

Важными направлениями, стимулировавшими развитие вычислительной техники и автоматизированных компьютерных систем, стали, с одной стороны, системы управления физическими эксперимента­ми, обеспечивающими сверхоперативную обработку в реальном масштабе времени огромных потоков данных от датчиков, а с дру­гой – автоматизированные библиотечные информационно-поиско­вые системы.

Это привело к появлению новой информационной технологии интегрированного хранения и обработки данных – концепции баз данных (БД), в основе которой лежит механизм предоставления обраба­тывающей программе из всех хранимых данных только тех, которые ей необходимы, и в требуемой именно этой программой форме.

База данных – поименованная сово­купность данных, отображающая состояние объектов и их взаимосвязей в рассматриваемой предметной области.

Характерная черта БД – постоянство: данные постояннонакапливаются и используются, состав и структура данных, необходимых для реше­ния тех или иных прикладных задач, обычно,постоянныи стабиль­ны во времени, отдельные или даже все элементы данных могут ме­няться, но и это есть проявление постоянства – постоянная акту­альность.

БД управляются специальными системами, называемыми системами управления базами данных (СУБД).

Система управления базами данных – совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.

Иными словами, СУБД играет роль интерфейса между прикладными программами и БД.

1

Рис. 1. Формирование запроса на выборку в СУБД

БД и СУБД могут составлять отдельные части более сложной системы, называемой банком данных.

Банк данных (БнД) – система, состоящая из баз данных, программных, языковых, организационных и технических средств, предназначенных для централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования данных.

Иногда в составе БнД выделяют архивы. Основанием для этого может быть особый режим использования данных, когда только часть их находится под оперативным управлением СУБД. Все остальные данные (собственно архивы), как правило, располагаются на носителях, оперативно не управляемых СУБД. Одни и те же данные в разные моменты времени могут входить как в БД, так и в архивы. БнД могут не иметь архивов, но если они есть, то в состав БнД может входить и система управления архивами.

В этом смысле главная отличительная черта БД – использование централизованной системы управления данными, причем как на уровне файлов, так и на уровне элементов данных. Централизованное хранение совместно используемых данных приводит не только к сокращению затрат на создание и поддержание данных в актуальном состоянии, но и к сокращению избыточности информации, упрощению процедур поддержания непротиворечивости и целостности данных.

Архитектура СУБД и ее основные функции

БД управляются специальными системами, называемыми системами управления базами данных (СУБД).

Система управления базами данных – совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.

Иными словами, СУБД играет роль интерфейса между прикладными программами и БД.

БД и СУБД могут составлять отдельные части более сложной системы, называемой банком данных.

Банк данных (БнД) – система, состоящая из баз данных, программных, языковых, организационных и технических средств, предназначенных для централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования данных.

Иногда в составе БнД выделяют архивы. Основанием для этого может быть особый режим использования данных, когда только часть их находится под оперативным управлением СУБД. Все остальные данные (собственно архивы), как правило, располагаются на носителях, оперативно не управляемых СУБД. Одни и те же данные в разные моменты времени могут входить как в БД, так и в архивы. БнД могут не иметь архивов, но если они есть, то в состав БнД может входить и система управления архивами.

В этом смысле главная отличительная черта БД – использование централизованной системы управления данными, причем как на уровне файлов, так и на уровне элементов данных. Централизованное хранение совместно используемых данных приводит не только к сокращению затрат на создание и поддержание данных в актуальном состоянии, но и к сокращению избыточности информации, упрощению процедур поддержания непротиворечивости и целостности данных.

Рассмотрим основные требования, предъявляемые к БД.

Многократное использование данных.

Пользователи должны иметь возможность использовать данные различным образом.

 Простота.

Пользователи должны иметь возможность легко узнать и понять, какие данные имеются в их распоряжении.

 Легкость использования.

Пользователи должны иметь возможность осуществлять (процедурно) простой доступ к данным, при этом все сложности доступа к данным должны быть скрыты в самой СУБД.

 Гибкость использования.

Обращение к данным или их поиск должны осуществляться с помощью различных методов доступа.

 Быстрая обработка запросов на данные.

Запросы на данные, в том числе незапланированные, должны обрабатываться с помощью высокоуровневого языка запросов, а не только прикладными про­граммами, написанными с целью обработки конкретных запросов (разработка таких программ в каждом конкретном случае связана с большими затратами времени). Пользователь должен иметь возмож­ность кратко выразить нетривиальные запросы (в нескольких словах или несколькими нажатиями клавиш мыши). Это означает, что средство формулирования должно быть достаточно «декларатив­ным», т. е. упор должен быть сделан на «что», а не на «как». Кроме того, средство обработки запросов не должно зависеть от приложе­ния – оно должно работать с любой возможной БД.

 Язык взаимодействия конечных пользователей с системойдолжен обеспечивать им возможность получения дан­ных без использования прикладных программ.

 БД – основа для будущего наращивания прикладных программ.

БД должны обеспечивать возможность быстрой и дешевой разработки новых приложений.

 Сохранение затрат умственного труда.

Существующие програм­мы и логические структуры данных, на создание которых, обычно, затрачивается много человеко-лет, не должны переделываться при внесении изменений в БД.

 Наличие интерфейса прикладного программирования.

Прикладные программы должны иметь возможность просто и эффективно вы­полнять запросы на данные; программы должны быть изолированы от расположения файлов и способов адресации данных.

 Распределенная обработка данных.

Система должна функциони­ровать в условиях вычислительных сетей и обеспечивать эффектив­ный доступ пользователей к любым данным распределенной БД, размещенным в любой точке сети.

 Адаптивность и расширяемость.

БД должна быть настраиваемой, причем настройка не должна вызывать перезаписи прикладных программ. Кроме того, поставляемый с СУБД набор предопределенных типов данных должен быть расширяемым – в системе должны иметься средства для определения новых типов и не должно быть различий в использовании системных и определен­ных пользователем типов.

 Контроль за целостностью данных.

Система должна осуществлять контроль ошибок в данных и выполнять проверку взаимного логического соответствия данных.

 Восстановление данных после сбоев.

Автоматическое восстановле­ние без потери данных. В случае аппаратных или программных сбоев система должна возвращаться к некоторому согла­сованному состоянию данных.

 Вспомогательные средства.

Вспомогательные средства должны позволять разработчику или администратору БД предсказать и оптимизировать производительность системы.

 Автоматическая реорганизация и перемещение.

Система должна обеспечивать возможность перемещения данных или автоматиче­скую реорганизацию физической структуры.

История компьютерных БД начинается с 1955 г., когда появилось программируемое оборудование обработки записей. Тогда программное обеспечение поддерживало модель обработки записей на основе файлов, а для хранения данных использовались перфокарты.

Оперативные сетевые БД появились в середине 1960-х гг. Операции над оперативными БД обрабатывались в интерактивном режиме с помощью терминалов. Простые индексно-последовательные организации записей быстро развились до более мощной модели записей, ориентированной на наборы. Стандартный язык определения данных и манипулирования данными был разработан группой DBTG (Data Base Task Group) под руководством Чарльза Бахмана.  Сам термин Database (база данных) родился в начале 1960-х гг. и впервые широко использовался на симпозиумах, проводимых компанией SDC (System Development Corporation).

Следующий важный этап связан с появлением в начале 1970-х реляционной модели данных благодаря работам Эдгара Ф. Кодда. Работы Кодда открыли путь к тесной связи прикладной технологии БД с математикой и логикой.

Кодд продолжил разрабатывать и расширять реляционную модель данных. В последствии одна из нормальных форм отношений получила его имя (нормальная форма Бойса-Кодда). В начале 1980-х гг. реляционная модель начала входить в моду. Тогда же вышли в свет «12 правил Кодда», описывающих функционал реляционных СУБД.

Основные функции СУБД:

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

В большинстве современных СУБД БД представляется в виде совокупности таблиц. Рассматриваемая функция позволяет описать и создать в памяти структуру таблицы, провести начальную загрузку данных в таблицы. Как правило, создание структуры БД происходит в режиме диалога. СУБД последовательно запрашивает у пользователя необходимые данные.

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

Так, в MS Access реализация данной функции сводится к созданию и выполнению запросов и форм ввода.

3. Обеспечение логической и физической независимости данных.

Важнейшее свойство СУБД – возможность поддерживать два независимых «взгляда» на БД: взгляд пользователя, воплощаемый в «логическом» представлении данных, и «взгляд» системы – «физическое» представление данных в памяти ЭВМ. Обеспечение логической независимости данных предоставляет возможность изменения (в определенных пределах) «логического» представления БД 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 представляет возможность изменять (в определенных пределах) способы организации БД в памяти ЭВМ, не вызывая необходимости изменения «логического» представления данных. Таким образом, изменение способов организации БД не приводит к изменению прикладных программ.

4. Защита логической целостности БД.

Основная цель реализации этой функции – повышение достоверности данных в БД. Достоверность данных может быть нарушена при вводе в БД недостоверных данных 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, в определенных случаях «отлавливающие» 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. д. В развитых системах ограничения целостности описывает программист, исходя из содержательного смысла задачи, и их проверка осуществляется при каждом обновлении данных.

5. Защита физической целостности БД.

При работе ЭВМ возможны сбои (например, из-за отключения электропитания), повреждение машинных носителей данных и пр. При этом могут быть нарушены связи между данными, что приводит к невозможности дальнейшей работы. Развитые СУБД имеют средства восстановления БД. В таких системах в определенный момент БД копируется на резервные носители. Все обращения к БД записываются программно в журнал изменений. Если при работе с БД возникает сбой, то запускается процедура восстановления, в процессе которой в резервную копию из журнала изменений вносятся все произведенные изменения.

6. Управление полномочиями пользователей на доступ к БД.

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

7. Синхронизация работы пользователей.

Часто может иметь место ситуация, когда несколько пользователей одновременно выполняют операцию обновления одних и тех же данных. Это могло 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.

8. Управление ресурсами среды хранения.

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

9. Поддержка деятельности системного персонала.

При эксплуатации БД 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 действий обслуживающему персоналу – администратору БД.