Учебник_Информатика. Стандарт третьего поколениян. В. Макарова, В. Б. Волков
 Скачать 14.49 Mb.
|
|
и добав л я ет к ней зап и сь со зн а ч е ниям и полей, пер ечисленны м и в скобках п осл е опер атор а VALUES. □ UPDATE — оператор изменения данных. Пример: UPDATE 'Заказы' SET 'Номер счета' = 1432 WHERE 'Номер заказа' - 1220 Этот запрос обращается к таблице Заказы и в записи с номером заказа 1220 изменяет значение поля Номер счета на 1432. □ DELETE — оператор удаления данных. Пример: DELETE FROM 'Заказы' WHERE 'Номер клиента’ - 20 Из таблицы Заказы удаляются строки с номером клиента 20 (то есть все за казы данного клиента). Операторы определения данных Операторы определения данных позволяют манипулировать схемой базы дан ных, то есть создавать объекты базы данных (таблицы, представления, триггеры, хранимые процедуры, индексы, ключи, ограничения, и т. д.). □ CREATE (TABLE, VIEW, TRIGGER, INDEX, STORED PROC) — создает указанный объект базы данных. □ DROP (TABLE, VIEW, TRIGGER, INDEX, STORED PROC) — уничтожает указанный объект базы данных. □ ALTER (TABLE, VIEW, TRIGGER, INDEX, STORED PROC) — изменяет структуру указанного объекта базы данных. 194 Глава 6. Теория баз данных Операторы управления данными К операторам управления данными относятся операторы назначения прав до ступа и управления транзакциями, а также операторы создания баз данных и из менения структуры данных. □ GRANT — п р едостав л яет п р ивил егии пользователям. Пример: GRANT SELECT ON 'Заказы' ТО NEKT0 Разрешает пользователю NEKT0 выполнять запросы на выборку данных к та блице Заказы. При этом пользователь не получает привилегий, позволяющих ему изменять данные в этой таблице или в структуре таблицы. □ REVOKE — а н н ул и р ует привил егии. Пример: REVOKE ALL ON 'Заказы' FROM NEKTO Лишает пользователя NEKTO всех привилегий в таблице Заказы. □ COMMIT — п одтв ер ж дает транзакцию . □ ROLLBACK — отменяет транзакцию. □ CREATE DATABASE — создает базу данных. □ ALTER DATABASE — изменяет базу данных. □ DROP DATABASE — ун и ч тож ает б а зу данны х. В данном разделе перечислены только основные операторы языка SQL. Даже в стандартной реализации их гораздо больше. Однако ограничения, накладываемые декларативным характером языка, вынуждают производителей СУБД создавать расширенные версии SQL. Примерами таких расширенных версий могут служить Transact SQL для MS SQL Server или PL/SQ L для ORACLE. В этих расширениях в язык включены операторы для организации ветвлений, циклов, и т. д. 6.3.7. Преимущества и недостатки реляционной модели Структурная независимость. Поскольку в реляционной модели баз данных навигационная схема доступа к данным не используется, маршрут доступа к дан ным не имеет значения для проектировщиков, программистов и конечных поль зователей реляционной базы данных. Изменения в структуре реляционной БД не влияют на доступ к данным со стороны СУБД. Поэтому в реляционной модели базы данных достигается структурная независимость, не свойственная сетевым и иерархическим моделям. Структурная независимость имеет место, когда из менения в структуре БД не влияют на возможности доступа к данным со стороны СУБД. В отличие от реляционной базы данных, любые изменения в древовидной структуре иерархической базы данных или во множествах баз сетевой БД влияют на маршруты доступа к данным, что требует изменения всех прикладных программ. 6.3. Реляционные базы данных 195 Концептуальная простота. Реляционная модель на концептуальном уровне проста для понимания. Поскольку реляционная модель позволяет полностью избавиться от подробностей физического хранения данных, пользователи могут полностью сосредоточиться на логическом представлении базы данных, то есть уделять большее внимание естественному представлению о хранении. Простота проектирования, реализации, управления и использования. Посколь ку в реляционной модели достигаются и независимость по данным, и структур ная независимость, становится проще проектировать базу и управлять ее содер жимым. Нерегламентированные запросы. Одним из главных факторов, позволивших реляционным базам данных занять доминирующее положение на рынке, была возможность применять гибкий и унифицированный механизм создания запро сов. Для большей части программного обеспечения реляционных БД стандартным языком запросов является язык SQL. SQL относится к так называемым языкам четвертого поколения (4GL), которые дают пользователям возможность опреде лить, что делать, не указывая, как именно это делать. В РСУБД язык SQL при меняется при трансляции запроса пользователя в специальный код, необходимый для извлечения запрошенной информации. Следовательно, запросы в реляционной базе данных требуют меньшего программирования, чем в любой другой базе или в файловой системе. Любое SQL-приложение реляционной БД состоит из трех частей: интерфейса пользователя, набора таблиц внутри БД и SQL-магиины (SQL-engine). Интерфейс включает в себя систему меню, команды запросов и генераторы отчетов. В основ ном такой интерфейс дает возможность конечному пользователю взаимодейство вать с данными. С помощью генераторов приложений, которые сегодня являются стандартными средствами, входящими в состав многих РС УБД , пользователь может разрабатывать собственные интерфейсы. В значительной степени скрытая от конечного пользователя SQL-машина вы полняет большую работу. Внутри РСУБД SQL-машина служит для создания струк туры таблиц, обслуживания словаря данных и системного каталога, обеспечения доступа к таблицам БД, а также для трансляции запроса пользователя в формат, пригодный для обработки компьютером. Мощная система управления базой данных. Хорошая РСУБД является более сложной частью программного обеспечения, нежели СУБД иерархических и сете вых баз данных. Это связано с тем, что она решает гораздо больше (и значительно более сложных) задач как для проектировщиков, так и для пользователей. РСУБД полностью скрывает физический уровень сложности системы от проектировщика и конечного пользователя. Несмотря на существенные преимущества реляционной модели перед иерар хической или сетевой, она имеет некоторые недостатки. Один из них — это суще ственные требования к оборудованию и системному программному обеспечению. На самом деле это не столько недостаток, сколько вполне справедливая плата за те преимущества, которые получают пользователи, программисты и админи страторы. 196 Глава 6. Теория баз данных 6.4. Постреляционные модели и базы данных По мере того как практические задачи приобретают все более сложный и ком плексный характер, а информационные системы все больше склонны проявлять интеллектуальное поведение при взаимодействии с окружающим миром, необхо димы более совершенные модели данных. Такие модели должны точнее описывать окружающий мир: уже не в терминах наборов данных, а в терминах объектов, об ладающих свойствами, состояниями и поведением. Первой из таких моделей стала семантическая модель данных (Semantic Data Model, SDM), разработанная М. Хаммером и Д. Маклеодом в 1981 г. SDM позволя ет моделировать как данные, так и их отношения в единой структуре, называемой объектом. Поскольку основной структурой модели является объект, модель SDM получила название объектно-ориентированной модели данных (Object-Oriented Data Model, OODM). В свою очередь, OODM стала основой для создания объ ектно-ориентированной модели базы данных ( OODBM), управление которой осуществляется с помощь системы управления объектно-ориентированной базой данных (ООСУБД или OODBMS). Объект может включать в себя все данные о себе, связи с другими объектами и операции, которые могут выполняться с объектом (или выполняться объектом). Таким образом, объекты в усовершенствованной модели SDM стали похожи на объекты, создаваемые объектно-ориентированными языками. Это, в свою очередь, обеспечило возможность сближения и тесной интеграции различных групп разра ботчиков, как проектировщиков и архитекторов базы данных, так и программистов, разрабатывающих пользовательские программы. Рисунок 6.17 иллюстрирует такую методологию работы, когда различные группы разработчиков, вовлеченные в процесс обеспечения работы ООСУБД, ис пользуют общий репозиторий (хранилище) классов для решения различных задач на различных этапах работы над проектом. Структуры классов " База данных Пользовательские интерфейсы Функции поддержки Структуры программы Поток работ Приложения ООБД Рис. 6 .1 7 . Методология совместной разработки в парадигме ООБД 6.4. Постреляционные модели и базы данных 197 6.4.1. Основные понятия OODM Объекты модели данных являются абстракцией сущностей и событий реального мира. В общих чертах любой объект может рассматриваться как эквивалент сущ ности ER-модели. Точнее, любой объект представляет собой только один экземпляр сущности. Атрибуты описывают свойства объекта. Например, в объект PERSON (персона) включены атрибуты Name (имя), Social Security Number (номер социального страхо вания) и Date o f Birth (дата рождения). Объекты, которые совместно используют одни и те же характеристики, груп пируются в классы. Класс представляет собой абстрактное представление схожих объектов со структурой совместного доступа (атрибутами) и поведением (метода ми). В общем случае класс напоминает набор сущностей ER-модели. Однако класс отличается от набора сущностей тем, что содержит набор процедур, называемых методами. Метод класса представляет собой некоторое действие, например, поиск, изменение данных или распечатку данных. Иначе говоря, методы эквивалентны процедурам в традиционных языках программирования. В терминах объектно- ориентированного подхода методы определяют поведение объекта. Классы организованы в иерархию классов. Иерархия классов похожа на пере вернутое дерево, в ней каждый класс имеет только одного предка (явное сходство с иерархической моделью). Наследование — это возможность объекта внутри иерархии классов наследовать атрибуты и методы классов, структурно расположенных выше него. 6.4.2. Преимущества OODM Объектно-ориентированная модель имеет несколько важнейших преимуществ перед ER-моделью. Добавление семантического наполнения делает модель более значимой и инфор- мационно-насыщенной. Семантическое наполнение включено во внешнее представление. Как и ER- диаграммы, объектно-ориентированная модель представляет отношения в нагляд ной форме. Однако в наглядное представление объектно-ориентированной модели включается семантическое наполнение, что упрощает визуализацию сложных отношений между объектами. Целостность базы данных. Так же как и иерархическая, объектно-ориентиро- ванная модель использует наследование для защиты целостности базы данных. Однако объекты OODM содержат большее количество типов связей, а сами связи являются более сложными. Структурная независимость и независимость по данным. Автономия объекта объектно-ориентированной модели гарантирует структурную независимость и не зависимость по данным. 198 Глава 6. Теория баз данных 6.4.3. Недостатки OODM Несмотря на то что OODM является безусловным шагом вперед по сравнению с реляционной моделью, подавляющее число СУБД на сегодняшний день продол жают оставаться реляционными. Причин этому множество, и не последнюю роль сыграли недостатки, свойственные OODM. Отсутствие должного уровня стандартизации. Для OODM пока не существует стандартов объектно-ориентированной модели. Различные стандарты, связанные с OODM, находятся в активной разработке, работа над ними продолжается, однако они не являются столь распространенными, как стандарты для РСУБД. Происхо дит сближение стандартов для РСУБД с ООСУБД, например, в стандарте SQL3 и более поздних. Особенно проблематичным является отсутствие стандартного метода доступа к данным. Этот недочет создает проблемы при доступе к данным из различных источников (различные поставщики поддерживают различные методы доступа к данным, как правило, несовместимые). Сложная навигация доступа к данным. Метод доступа к данным напоминает стиль навигации в иерархической и сетевой моделях. Трудность изучения. Недостаток стандартизации и трудности, вызванные на вигационным стилем доступа к данным, приводят к затруднениям в изучении объектно-ориентированной модели, даже большим, чем при изучении сетевой модели. Несмотря на то что мы с легкостью используем объекты — перетаскиваем объекты на экране дисплея, не заботясь и не задумываясь о тех процессах, которые обеспечивают это действие, — моделирование данных и реализация объектно-ори ентированных баз данных — это совершенно иные действия. Объекты сложны, и тот факт, что они могут иметь большое семантическое на полнение, делает их трудными для проектирования и реализации. Работа с OODM больше похожа на объектно-ориентированное программирование, чем на про ектирование данных. Это приводит к тому, что конечные пользователи считают объектно-ориентированные системы трудными для понимания и применения. Ресурсоемкость. Объектно-ориентированные системы сложнее, чем реляцион ные модели. Реализация такой модели требует солидных затрат на приобретение оборудования и операционной системы. Сложность конфигурации и повышен ные системные требования приводят к замедлению выполнения запросов и тран закций. 6.5. Проектирование баз данных Проектирование баз данных, как и проектирование информационных систем, состоит из нескольких этапов. Одним из важных этапов проектирования является создание диаграмм «сущность-связь». Для этого необходимо обозначить сущности, добавить к ним атрибуты, установить ключи и объединить сущности при помощи связей. Все это можно проделывать вручную, просто рисуя соответствующие диаграммы на бумаге. В те времена, когда была предложена концепция «сущность- 6.5. Проектирование баз данных 199 связь», так и делали, однако при наличии компьютера с развитым графическим интерфейсом рисунки на бумаге отошли в прошлое. Довольно быстро был создан целый класс программных продуктов, позволяющий не только выполнять мо делирование в парадигме «сущность-связь», но и генерировать на основе соз данных моделей схему базы данных для практически любых распространенных серверов баз данных. Одной из таких программ является ErW in D ata Modeler (рис. 6.18). " . fill! IIM-Ili I I 'VIIII 'I d il l- l i’t j 41w ici i : 4 1.!li! s:iliic < t At I-,1 ! | 1ЩЯШШ 'ЯЗШШ1ШВШВШЙВШ Рис. 6 .1 8 . Окно программы ErWin Data Modeler При помощи этой программы можно быстро и легко создавать сущности, при сваивать им атрибуты, ключи, создавать между ними связи. После того как схема создана, можно выбрать конкретный сервер баз данных и построить схему базы данных. При этом ErWin Data Modeler переводит созданную логическую модель на физический уровень представления и генерирует схему в соответствии с набором типов данных на конкретном выбранном сервере. Этот процесс носит название прямого проектирования (forward engineering). Интересной особенностью ErWin Data Modeler является также возможность осуществить обратную операцию: извлечь схему из выбранного сервера баз данных и отобразить ее в качестве своей модели. Извлеченную схему можно затем изме нить и снова осуществить прямую генерацию. Надо отметить, что современные серверы баз данных часто оснащаются сред ствами моделирования модели «сущность-связь» или другими средствами создания схем баз данных. 200 Глава 6. Теория баз данных Вопросы для самопроверки 1. Что такое «предметная область»? 2. Какие определения понятия «база данных» вам известны? Приведите мини мум два. 3. Что такое «СУБД»? 4. Из каких компонентов состоит СУБД? 5. Каковы основные группы пользователей СУБД? 6. Что такое «модель данных»? 7. Какие виды классификаций СУБД вам известны? 8. Как СУБД классифицируются в зависимости от принятой модели данных? 9. Что такое «распределенная СУБД»? 10. Чем клиент-серверная СУБД отличается от встроенной? 11. Какие функции выполняет СУБД? 12. Какие модели данных вам известны? 13. Из каких уровней состоит трехуровневая модель представления данных ANSI- SPARC? 14. Что такое «элемент данных»? 15. Что такое «запись»? Что такое «схема записи»? 16. Зачем нужно ключевое поле? 17. Что такое «сущность» в модели «сущность-связь»? Приведите пример. 18. Что такое «класс сущностей»? 19. Что такое «атрибуты и идентификаторы сущностей»? 20. Что такое «связи сущностей», что они определяют? Какие типы связей вам известны? 21. Чем отличается связь один ко многим от связи многие ко многим? Приведите примеры. 22. Каковы преимущества и недостатки ER-моделирования? 23. Что такое «реляционная модель данных»? Кем она была предложена? 24. Назовите по крайней мере две системы, применяющиеся для непрерывного моделирования? 25. Каким условиям должны удовлетворять данные в реляционных таблицах? 26. Перечислите хотя бы 9 из 12 правил Кодда. 27. Что такое «первичный ключ»? 28. Что такое «внешний ключ», какова его роль в установлении связи между та блицами? 29. Что такое «ссылочная целостность»? Каковы последствия несоблюдения ссы лочной целостности для базы данных? Литература 201 30. В чем заключаются первая, вторая и третья нормальные формы? 31. Какие группы операторов языка SQL вам известны? 32. Какие операторы входят в группу операторов манипулирования данными? Каково их назначение? 33. Перечислите преимущества реляционной модели. 34. Каковы причины возникновения постреляционных моделей СУБД? 35. Чем OODM отличается от ER-модели? 36. Перечислите преимущества и недостатки OODM. Литература 1. КренкеД. Теория и практика построения баз данных. СПб.: Питер, 2003. 2. Кузин А. В., Левонисова В. С. Базы данных. М.: Академия, 2008. 3. Марков А. С., Лисовский К. Ю. Базы данных: введение в теорию и методологию. М.: Финансы и статистика, 2006. 4. Райордан Р Основы реляционных баз данных. М.: Русская редакция, 2001. Глава 7 Основы моделирования 7.1. Представление о назначении и особенностях моделирования 7.2. Классификация моделей 7.3. Основные этапы компьютерного моделирования 7.4. Основы имитационного моделирования 7.5. Программные среды моделирования В этой главе дано определение понятию моделирования, описаны способы по строения, назначение и области применения различных моделей. Особое внимание уделено компьютерному моделированию: описаны основные этапы создания и ис пользования моделей на компьютере, а также современные программные средства, позволяющие осуществлять компьютерное моделирование в различных отраслях науки и техники. 7.1. Представление о назначении и особенностях моделирования 7.1.1. Понятия модели и моделирования Моделирование в научных исследованиях стало применяться еще в глубокой древности и постепенно захватывало все новые области научных знаний: техниче ское конструирование, строительство и архитектуру, астрономию, физику, химию, биологию и, наконец, общественные науки. Постепенно стала осознаваться роль моделирования как универсального метода научного познания. Большие успехи и признание практически во всех отраслях современной науки получило моде- 7.1. Представление о назначении и особенностях моделирования 203 лирование в XX в. Термин «модель» широко используется в различных сферах человеческой деятельности и имеет множество смысловых значений. Под моделированием понимается процесс построения, изучения и применения моделей. Моделирование является одной из форм отражения действительности. Моделирование тесно связано с такими категориями, как абстракция, аналогия, гипотеза и др. Процесс моделирования обязательно включает в себя и построение абстракций, и умозаключения по аналогии, и разработку научных гипотез. Главная особенность моделирования состоит в опосредованном познании с помощью объ- ектов-заместителей. Модель выступает как своеобразный инструмент познания, который исследователь ставит между собой и объектом и с помощью которого из учает интересующий его объект. Понятие модели широко используется не только в науке и технике, но и в искусстве, и в повседневной жизни. Возможности моделирования, то есть переноса результатов, полученных в ходе построения и исследования модели, на оригинал, основаны на том, что модель в определенном смысле отображает (воспроизводит, моделирует, описывает, имитирует) некоторые интересующие исследователя свойства объекта. Примени тельно к естественным и техническим наукам принято различать следующие виды моделирования: □ Концептуальное моделирование. При таком моделировании совокупность уже известных фактов или представлений относительно исследуемого объекта или системы истолковывается с помощью некоторых специальных знаков, символов, операций над ними или с помощью естественного или искусственного языка. □ Физическое моделирование. В этом случае модель и моделируемый объект представляют собой реальные объекты или процессы единой или различной физической природы, причем между процессами в объекте-оригинале и мо дели имеют место некоторые соотношения подобия, вытекающие из схожести физических явлений. □ Структурно-функциональное моделирование. Моделями являются схемы (блок- схемы), графики, чертежи, диаграммы, таблицы, рисунки, дополненные специ альными правилами их объединения и преобразования. □ Математическое (логико-математическое) моделирование. Моделирование, включая построение модели, осуществляется средствами математики и логики. □ Имитационное (программное) моделирование. Логико-математическая модель исследуемого объекта представляет собой алгоритм функционирования систе мы, реализованный в виде программного комплекса. Перечисленные виды моделирования не являются взаимоисключающими и мо гут применяться при исследовании сложных объектов либо одновременно, либо в некоторой комбинации. Кроме того, в определенном смысле концептуальное 204 Глава 7. Основы моделирования и структурно-функциональное моделирование неразличимы, так как блок-схемы, конечно же, вполне можно считать специальными знаками с установленными операциями над ними. 7.1.2. Компьютерное моделирование Традиционно под моделированием на компьютере понималось лишь имитацион ное моделирование. К настоящему времени компьютер используется практически для всех видов моделей за исключением физического моделирования. Например, при математическом моделировании выполнение одного из основных этапов — по строения математических моделей по экспериментальным данным — в настоящее время просто немыслимо без компьютера. В последние годы, благодаря развитию графического интерфейса и графических пакетов, широкое развитие получило компьютерное, структурно-функциональное моделирование. Положено начало использованию компьютера даже при концептуальном моделировании, например, с целью построения систем искусственного интеллекта. Таким образом, понятие «компьютерное моделирование» значительно шире традиционного понятия «моделирование на ЭВМ» и нуждается в уточнении, учи тывающем сегодняшние реалии. В настоящее время под компьютерной моделью чаще всего понимают следующее: □ условный образ объекта или некоторой системы объектов (или процессов), описанный с помощью взаимосвязанных компьютерных таблиц, блок-схем, диаграмм, графиков, рисунков, анимационных фрагментов, гипертекстов и т. д. и отображающий структуру и взаимосвязи между элементами объекта. Компьютерные модели такого вида мы будем называть структурно-функцио нальными; □ отдельную программу, совокупность программ, программный комплекс, позво ляющий с помощью последовательности вычислений и графического отображе ния их результатов воспроизводить (имитировать) процессы функционирова ния объекта, системы объектов при условии воздействия на объект различных факторов. Такие модели определяют как имитационные. Компьютерное моделирование является методом решения задачи анализа или синтеза сложной системы на основе использования ее компьютерной модели. Суть компьютерного моделирования заключена в получении количественных и качественных результатов по имеющейся модели. Качественные выводы, полу чаемые по результатам анализа, позволяют обнаружить неизвестные ранее свойства сложной системы: ее структуру, динамику развития, устойчивость, целостность и др. Количественные выводы используются для прогноза будущих или объясне ния прошлых значений переменных исследуемого объекта. Основные области применения компьютера при моделировании: □ вспомогательное средство для решения задач; □ постановка и решение новых задач, не решаемых традиционными методами, алгоритмами, технологиями; □ разработка компьютерных обучающих и моделирующих сред; 7.1. Представление о назначении и особенностях моделирования 205 □ получение новых знаний в ходе моделирования; □ «обучение» разработанных моделей (самообучающиеся модели). Компьютерное моделирование становится новым инструментом, методом на учного познания, новой технологией еще и из-за возрастающей потребности в пере ходе от исследования линейных математических моделей систем к более сложным и плохо формализуемым системам. Предметом компьютерного моделирования могут быть любые сложные системы, например, экономическое подразделение фирмы или банка, промышленное пред приятие, информационно-вычислительная сеть, технологический процесс, любой реальный объект или процесс и т. д. Цели компьютерного моделирования могут быть различными. Наиболее часто моделирование является центральной проце дурой системного анализа, причем под системным анализом мы далее понимаем совокупность методологических средств, используемых для подготовки и принятия решений экономического, организационного, социального, технического и иного характера. Компьютерная модель сложной системы должна по возможности отображать все основные факторы и взаимосвязи, характеризующие реальные ситуации, кри терии и ограничения. Модель должна быть достаточно универсальной, чтобы опи сывать близкие по назначению объекты, и в то же время достаточно простой, чтобы обеспечивать выполнение необходимых исследований с разумными затратами. 7.1.3. Параметры модели Основные параметры, на основе которых оценивается модель, представлены на рис. 7.1. Рис. 7.1. Параметры модели Универсальность модели характеризует полноту отражения в ней свойств реаль ного объекта, поскольку модель отражают не все, а лишь некоторые его свойства. Точность модели оценивается степенью совпадения (погрешностью) значений выходных параметров реального объекта и значений тех же параметров, рассчи- 206 Глава 7. Основы моделирования тайных с помощью модели. Пусть отражаемые в математической модели свойства объекта представлены вектором выходных параметров У = ( у 1, у 2, - , у „ ) - Здесь г/, — истинное значение г-го параметра. Обозначим через у,,„ i-й параметр, рассчитанный с помощью модели. Тогда относительная погрешность математиче ской модели по г-му параметру будет: г \Ут -Уг\ hi = ----------- |