Системы управления базами данных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Системы управления базами данных

Трудовая деятельность человека постоянно связана с восприятием и накоплением информации об окружающей среде, отбором и обработкой информации при решении различных задач, обменом ею с другими людьми. Комплекс этих операций, методы и средства их реализации послужили основой для создания информационных систем. Их основное назначение - информационное обеспечение пользователя, т.е. предоставление ему необходимых сведений из определенной предметной области. С появлением ЭВМ стало возможным создание автоматизированных информационных систем (АИС). программа язык банк информационный

В развитии АИС различают две ступени:

Информационные системы, базирующиеся на автономных файлах. Это системы с простой архитектурой и ограниченным кругом возможностей. Они состоят из набора автономных файлов и комплекса прикладных программ, предназначенных для обработки этих файлов и выдачи документов. Недостатки, присущие этим АИС - высокая избыточность данных, сложность ведения и совместной обработки файлов, зависимость программ от данных.

Банки данных. Это системы с высокой степенью интеграции данных и автоматизации управления ими, ориентированные на коллективное пользование. Они, в основном, лишены недостатков, присущих АИС первого поколения.

Функционирование АИС связано с накоплением и обработкой информации. Под информацией понимается совокупность знаний о фактических данных и зависимостях между ними.

В компьютере понятия информации и данных часто отождествляются. Хотя, если быть точным, то данные - это информация, представленная в форме, необходимой для ввода ее в ПК, хранения, обработки и выдачи потребителям.

Информация, вводимая в АИС, а также выдаваемая системой пользователю, представляется в виде документов.

Документ - это материальный объект, содержащий в зафиксированном виде информацию, оформленную установленным порядком, имеющую в соответствии с установленным законодательством правовое значение и предназначенную для передачи и использования. Источником информации в АИС являются люди и датчики, потребителем пользователи (люди).

Пользователей АИС делят на три категории:

администраторы системы, отвечающие за ее эксплуатацию;

прикладные программисты, разрабатывающие прикладные программы для решения различных задач;

конечные пользователи, т.е. те, кто обращается к системе для получения необходимых данных.

Обращение пользователей в АИС осуществляется в виде запросов. Запрос - это формализованное сообщение, поступающее на вход системы содержащее условие на поиск данных и указание о том, что проделать с найденными данными.

Интерпретация введенных запросов, выполнение действий, указанных в них, формирование и вывод сообщений и документов составляют основные этапы работы АИС.

В целом под автоматизированной информационной системой понимается совокупность информационных массивов, технических, программных и языковых средств, предназначенных для сбора, хранения, поиска, обработки и выдачи данных по запросам пользователей.

Использование АИС может осуществляться двумя способами:

Автономное функционирование, когда АИС не входит в состав других систем. Примером могут служить библиотечные информационно-поисковые системы и системы резервирования авиа-эксплуатационных билетов типа “Сирена” и “Экспресс”, в которых ответы на запрос пассажира является документ в виде билета либо сообщение об отсутствии свободных мест.

Использование АИС в качестве составной части другой АИС, в этом случае выходные данные могут применяться не только конечными пользователями, но и другими компонентами этой АИС с целью дальнейшей обработки и применения в производственном процессе.

Так в обучающих системах АИС содержит изучаемый материал, набор вопросов, задач и ответов, в САПР - нормативно-справочную информацию, сведения о ГОСТах и другие данные, в АСУ - всю информацию, необходимую для управления предприятием, т.е. для анализа, оценки, прогнозирования, выработки решений, планирования, контроля исполнения.

Информационные системы принято классифицировать по четырем основным признакам:

по типу хранимых данных;

по характеру обработки данных;

по степени интеграции данных и автоматизации управления;

по степени распределенности.

По типу хранимых данных АИС разделяются документальные информационно-поисковые системы (ДИПС) и фактографические информационно-поисковые системы (ФИПС).

ДИПС предназначены для хранения и обработки документов, описаний и рефератов, а также текстов документов. Такие данные представляются в неструктурированном виде (пример - библиотечные АИС).

ФИПС хранят и обрабатывают фактографическую информацию - структурированные данные в виде чисел и текстов. Над такими данными можно выполнять различные операции.

По характеру обработки данных АИС делятся на две группы. К первой относятся информационно-справочные системы (ИСС), называемые часто запросно-ответными или просто справочными, которые выполняют поиск и вывод информации без ее обработки.

Ко второй группе относятся автоматизированные информационные системы обработки данных. Они сочетают в себе информационно-справочную систему с системой обработки данных. Обработка найденных данных выполняется комплексом предусмотренных в системе прикладных программ. Большинство АИС построено по этому принципу.

По степени интеграции данных и автоматизации управления информационные системы делятся на АИС на автономных файлах, где принцип интеграции практически не используется, а уровень автоматизации управления файлами сравнительно низкий. Такие системы применяются в настоящее время. Они эффективны в случае узкого, специализированного использования небольшим кругом лиц.

По сравнению с АИС на автономных файлах в банках данных хранимая информация сосредоточена в едином информационном массиве - базе данных, а процесс манипулирования данными автоматизирован.

По степени распределенности АИС делятся на локальные, когда система размещается на одном ПК, и на распределенные, функционирующие в среде вычислительной сети и компоненты которой распределены по узлам сети (серверам и рабочим станциям).

К основным требованиям при проектировании банков данных относятся следующие:

Адекватность информации состоянию предметной области;

Надежность функционирования;

Быстродействие и производительность;

Простота и удобство использования;

Массовость использования;

Защита информации;

Возможность расширения.

В основе построения БНД лежат определенные научные принципы, из которых наиболее существенные - это принцип интеграции данных и принцип централизации управления ими. Оба принципа отражают суть банка данных: интеграция является основой организации БД, централизация управления - основой организации и функционирования системы управления базами данных (СУБД).

Суть принципа интеграции данных состоит в объединении отдельных, взаимно не связанных данных в единое целое, в роли которого выступает база данных, в результате чего пользователю и его прикладным программам все данные предоставляются единым информационным массивом. Интеграцию данных необходимо рассматривать на двух уровнях - логическом и физическом.

На логическом уровне множество структур данных отображается в единую структуру данных, на физическом уровне автономные файлы объединяются в базу данных.

Принцип централизации управления состоит в передаче всех функций управления данными единому комплексу управляющих программ - системе управления базами данных. Т.е. все операции, связанные с доступом к БД, выполняются не прикладными программистами, а централизовано - ядром СУБД - на основании информации, получаемой из этих программ. Соблюдение этого принципа позволяет автоматизировать работу с базами данных и тем самым повысить эффективность применения БД.

Состав банка данных

Состав информационной системы выбирается исходя из возлагаемых на нее функций и особенностей решаемых задач.

Основными функциями БНД являются:

хранение информации и организация ее защиты;

периодическое изменение хранимых данных (обновление, добавление, удаление);

поиск и отбор данных по запросам пользователей и прикладных программ;

обработка найденных данных и вывод результатов в заданной форме.

Как уже отмечалось, хранимая информация размещается в базах данных.

База данных - это поименованная совокупность данных, организованных по определенным правилам, предусматривающим общие принципы описания, хранения и манипулирования данными, не зависящая от прикладных программ.

Как и в случае любого файла данных, БД состоит из записей; записи делятся на поля. Запись является наименьшей единицей обмена данными между оперативной и внешней памятью; поле - наименьшей единицей обработки данных.

В операционных системах, в среде которых функционирует банк данных, специальных средств для создания и обработки БД, как правило, не предусматривается. Поэтому необходим комплекс программ, которые бы обеспечивали автоматизацию всех операций с решением этих задач. Такой комплекс программ получил название системы управления базами данных.

Система управления базами данных (СУБД) - это совокупность программ и языковых средств, предназначенных для создания, ведения и использования баз данных.

По схеме классификации программного обеспечения СУБД представляет собой пакет прикладных программ, рассматривающих возможности операционной системы по обработке баз данных.

Основной составной частью СУБД является ее ядро - управляющая программа, предназначенная для автоматизации всех процессов, связанных с обращением к базам данных. После запуска СУБД ее ядро постоянно находится в основной памяти и организует обработку поступающих запросов, управляет очередностью их выполнения, взаимодействует с прикладными программами и операционной системой.

Другой частью СУБД является набор обрабатывающих программ: трансляторов с языков описания данных, языков запросов и языков программирования, редакторов, отладчиков.

Таким образом, типовой состав банка данных можно представить как совокупность базы данных, СУБД и прикладных программ.

В БнД может быть больше одной БД.

Обеспечение банков данных

Для выполнения главных функций информационной системы существует комплекс средств, называемый обеспечиваемым составом или обеспечением БнД.

Он включает:

Техническое обеспечение - все аппаратные средства, необходимые для функционирования системы.

Математическое обеспечение - совокупность методов, способов, математических моделей и алгоритмов управления базами данных и решения прикладных задач.

Программное обеспечение БнД - это программы, в среде которых функционирует база данных (операционная система, оболочка NC) и набор сервисных программных средств, необходимых для выполнения вспомогательных операций и решения пользовательских задач.

Информационное обеспечение представляет собой совокупность системы классификации и кодирования информации, входных документов и вспомогательных информационных массивов, в которых размещаются классификаторы, таблицы кодирования и другие данные.

Лингвистическое обеспечение - множество языков, используемых в СУБД и набор словарей, образующих словарный состав информационной системы.

Организационное обеспечение - комплекс мероприятий и руководящих документов, определяющих организацию повседневной эксплуатации банка данных и эффективное обслуживание пользователей.

Организация баз данных

Логическая организация баз данных

Процесс создания баз данных включает два этапа: разработку логической организации БД и создание БД на носителе.

Логическая организация БД - это представление пользователя о той предметной области, информация о которой должна храниться в БнД, т.е. это логическая модель предметной области. Такая модель отражает три вида информации: сведения об объектах предметной области, их свойствах и отношениях между объектами. Объекты на схемах представляются типами записей; свойства объектов - элементарными или групповыми данными в виде полей записей; отношения - связями между типами записей и полями. Такая модель не зависит от физической среды - типа ПК, операционной системы и СУБД, т.е. абстрагируется от смыслового содержания данных, отражая только формы представления информации и связи между данными.

Логическую модель можно представить несколькими способами. Для информационных систем характерны два способа схемного представления данных - графический и табличный.

Графический способ основан на изображении модели данных в виде ориентированного графа, вершины которого служат для отображения типов записей, а дуги - связей между записями.

Табличный способ состоит в представлении информации о предметной области в виде одной или нескольких таблиц, заголовок каждой из которых аналогичен типу записи графической модели данных.

При проектировании структур данных для АИС можно выделить три основных подхода:

Сбор информации об объектах предметной области в рамках одной таблицы (одного отношения) и последующая декомпозиция ее на несколько взаимосвязанных таблиц на основе процедуры нормализации отношений.

Определение типов исходных данных и их взаимосвязей и требований к обработке данных, получение с помощью CASE-системы (системы автоматизации проектирования и разработки баз данных) готовой схемы базы данных и даже готовой прикладной информационной системы.

Структурирование информации для использования в информационной системе в процессе проведения системного анализа на основе совокупности правил и рекомендаций.

Первый из приведенных подходов является классическим и исторически первым.

В настоящее время известны три логические модели: иерархическая, сетевая и реляционная. Последняя наиболее широко применяется на ПК.

Иерархическая модель данных основана на использовании графического способа: она представляет собой дерево, в вершинах которого располагаются типы записей. Каждая из вершин связана только с одной вершиной вышележащего уровня.

Пример:

Поиск данных в такой структуре выполняется всегда по одной из ветвей, начиная с корневого элемента, т.е. должен быть указан полный путь движения по ветви. Так для поиска и выборки одного или нескольких экземпляров записи типа “Студент” необходимо указать корневой элемент “Факультет” и элементы “Курс”, “Группа”.

В MS DOS для поиска файла используется этот же принцип.

Сетевая модель данных также использует графический способ представления данных, и схема отображается также в виде графа. Однако по сравнению с иерархической моделью никаких ограничений на количество связей, входящих в каждую вершину, не накладывается, что позволяет отображать связи между объектами предметной области практически любой степени сложности, в частности кольцевые структуры.

Пример:

Реляционная модель данных (РМД) строится на использовании табличных методов и средств представления данных и манипулировании ими. В РМД информация о предметной области отображается таблицей - отношением, строка таблицы называется кортежем, столбец - атрибутом. Каждый атрибут может принимать некоторое подмножество значений из определенной области - домена. Домен, таким образом, является областью определения одного или нескольких атрибутов. Отношениям, атрибутам и доменам присваиваются имена.

Отношение характеризуется числом кортежей m и числом атрибутов n, составляющим арность отношения. Различают унарные (n=1), бинарные(n=2), тернарные(n=3) и так далее n-арные отношения.

К отношениям предъявляется ряд требований:

значения атрибутов, т.е. данные, расположенные на пересечении строки и столбца, являются неделимыми, элементарными;

в отношении не может быть двух одинаковых кортежей;

порядок следования атрибутов в отношении фиксирован;

порядок следования кортежей безразличен.

Эти требования создаю предпосылки для применения к отношениям РМД математического аппарата реляционной алгебры.

Существует определенная аналогия между структурой отношения и организацией данных, предусмотренная в операционных системах: атрибут отождествляется с полем записи, схема отношений - с типом записи, кортеж - с экземпляром записи, отношение - с файлом. В состав РМД может входить несколько отношений, каждое из которых имеет свою схему. Поэтому под реляционной моделью данных понимается набор схем отношений, удовлетворяющих указанным ранее требованиям.

Пример РМД в составе двух отношений:

Для поиска данных по ключу отдельные атрибуты объявляются в качестве возможных ключей, один из которых назначается первичным.

Форма отношения, удовлетворяющая требованиям, предъявляемым к РМД, называется нормальной формой, а процесс приведения отношений к нормальной форме - нормализацией отношений. В настоящее время используются шесть нормальных форм и шесть этапов нормализации: приведение к первой нормальной форме (1НФ), второй, третьей Бойса-Кодда, к четвертой и пятой. Отношение считается нормализованным, если оно находится в одной из этих форм.

На каждую из форм распространяется принцип вложенности: если отношение находится в форме с номером n (например, в 3НФ), то оно обязательно находится и в форме с номером n-1 (т.е. в 2НФ). Обязательным условием для работы в РМД является нахождение всех отношений в 1НФ. Преобразование таблиц в другие формы необходимо в том случае, если предполагается добавление либо удаление кортежей или атрибутов, в результате чего в таблицах могут возникать искажения информации. Отношение находится в 1НФ, если значения всех его атрибутов атомарны. Одним из способов приведения отношения к 1НФ является декомпозиция (разложение) его на два или более новых отношения, в совокупности эквивалентных исходному.

Основной недостаток РМД - большая информационная избыточность как на логическом, так и на физическом уровнях. Трудоемким является и процесс нормализации отношений.

Кроме рассмотренных моделей иногда используется и простейшая логическая организация данных - модель на плоских файлах. Плоскими называются файлы, в которых не предусматриваются ни прямые, ни косвенные связи между типами данных. Так, если в структурах иерархической модели данных и сетевой модели убрать все связи, а в таблице РМД не использовать поля должность в качестве атрибута связи, то эти модели превратятся в модель базы данных на плоских файлах.

Физическая организация баз данных

Под физической организацией БД понимается совокупность методов и средств размещения данных во внешней памяти и созданная на их основе внутренняя (физическая) модель данных. Внутренняя модель является средством отображения логической модели данных в физическую среду хранения. В отличие от логических моделей физическая модель данных связана со способами организации данных на носителях, методами доступа к данным. Она указывает, каким образом записи размещаются в базе данных, как они упорядочиваются, как организуются связи, каким путем можно локализовать записи и осуществить их выборку.

Внутренняя модель разрабатывается средствами СУБД.

Очевидно, что любая логическая модель может быть отображена множеством внутренних моделей данных подобно тому, как один и тот же алгоритм может быть представлен множеством эквивалентных программ, составленных на одном или разных языках программирования. Одна из внутренних моделей будет оптимальной. В качестве критериев оптимальности используются минимальное время ответа системы, минимальный объем памяти, минимальные затраты на ведение баз данных и др.

Основными средствами физического моделирования в БнД являются структура хранения данных, поисковые структуры и язык описания данных.

В простейшем случае структуру хранения данных можно представить в виде структуры записи файла базы данных, включающей поля записи, порядок их размещения, типы и длины полей. Если структура хранения данных в основном предназначена для указания способа размещения записей и полей, то поисковые структуры определяют способ быстрого нахождения этих записей. Поэтому различают два принципа физической организации БД: организация на основе структуры хранения данных и организация, сочетающая структуру хранения данных с одной или несколькими поисковыми структурами.

Конечным итогом разработки физической организации БД являются базы данных - файл базы данных и файлы поисковых структур. В ПК эти файлы могут быть последовательными или прямыми (имеется в виду последовательного или прямого доступа).

Из множества типов поисковых структур в СУБД на ПК чаще всего используются линейные и цепные списки, инвертированные и индексные файлы.

Линейный список - самый простой способ физической организации баз данных. В отличие от остальных трех способов он не требует создания дополнительных файлов. В соответствие с этим способом файл базы данных рассматривается как последовательность невзаимосвязанных записей. Поиск любой из них выполняется путем вычисления адреса записи по некоторому алгоритму. По критерию “минимум памяти” это самый экономичный способ. Однако по быстродействию он проигрывает остальным способам.

Цепной список - представляет собой файл, записи которого имеют ссылки на другие записи, образуя связанную (ассоциативную) организацию данных.

Средством связи (ссылкой) элементов списка являются указатели, встраиваемые в записи в виде дополнительных полей. С помощью указателей устанавливается любой требуемый порядок выборки записей.

Поле, выделяемое для хранения указателя, называется адресом связи. Чтобы войти в список, необходимо указать точку входа, т.е. адрес начала списка. Такой адрес хранится, как правило, в отдельной записи (заголовке) или фиксаторе списка.

В базе данных записи, как правило, упорядочены по одному из полей (основному ключу), что позволяет сократить перебор записей при чтении файла БД. Для уменьшения времени поиска данных по неключевым полям создаются инвертированные файлы. Инвертированным называется файл, записи которого упорядочены по неключевому полю. Процесс создания инвертированного файла состоит в переупорядочении исходного (основного) файла по значениям неключевого поля, т.е. в получении копии основного файла с иным порядком следования записей. Инвертирование основного файла будет полным, если созданы инвертированные файлы для каждого из его неключевых полей, и частичных, если они созданы только для их части.

Пример:

Здесь приведена база данных в составе основного файла, где записи упорядочены по ключевому полю ФАМИЛИЯ, и инвертированного файла ИФ_ГОД, записи которого упорядочены по неключевому полю Год основного файла. При вводе запроса “найти сотрудников с годом рождения, меньшим 1970” поиск данных необходимо вести не в основном файле, в котором для нашего примера достаточно прочитать две первые записи.

Инвертированный файл обеспечивает самый быстрый поиск данных по неключевому полю. По отношению к основному файлу базы данных он является поисковой структурой. Однако применение инвертированного файла приводит к чрезмерно большому дублированию информации, т.е. перерасходу памяти.

В связи с этим целесообразно создавать не инвертированные файлы, а инвертированные файлы адресов записей основного файла, т.е. файлы, содержащие вместо записей базы данных адреса этих записей. Такие файлы называются индексными файлами (индексами), они занимают малый объем памяти. Каждая запись индекса содержит значение одного неключевого поля и список адресов записей основного файла, в которых встречается указанное значение неключевого поля.

Файл базы данных, для обработки которого используется хотя бы один индекс, называется индексированным файлом. Построение индекса выполняется автоматически самой СУБД.



Поиск записей в БД с помощью индексов заключается в выборе индекса, соответствующего признаку поиска, поиске в индексе строки с заданным значением признака, выборке из этой строки списка адресов искомых записей и чтение этих записей в основном файле по указанным адресам методом прямого доступа. Таким образом, БД может включать один основной и несколько вспомогательных файлов.

Как уже отмечалось, СУБД представляет собой совокупность программных и языковых средств, предназначенных для создания, ведения и использования баз данных. Являясь специализированным пакетом прикладных программ, СУБД расширяет возможности ОС в области управления БД. В БнД СУБД является принципиально необходимой частью информационной системы по следующим причинам:

Логическая и физическая организации БД являются нестандартными для операционных систем и языков программирования;

Описание БД и их фрагментов отдельно от прикладных программ и должно создаваться и обрабатываться специальными средствами;

Доступ к данным, включающий вычисление адресов, маршрутизацию в базе данных, локализацию записей, основывается на специальных методах и требует разработки специальных алгоритмов и управляющих программ.

Обработка реляционных баз данных базируется на операциях реляционной алгебры, не предусмотренной в операционных системах и системах программирования;

Специальная обработка БД, такая, как поддержание целостности, непротиворечивости и избыточности данных, не реализована в этих системах.

СУБД берет на себя все указанные операции на каждом из трех этапов жизненного цикла БД - в процессе создания, ведения и использования.

Все функции СУБД можно разделить на три группы: управление базами данных; разработка, отладка и выполнение прикладных программ; выполнение вспомогательных операций (сервис).

В СУБД предусмотрены три уровня управления:

управление файлами, осуществляемое в процессе их генерации и эксплуатации. Основными операциями являются открытие и закрытие, переименование, реорганизация, восстановление баз данных, снятие отчетов по базам данных;

управление записями (кортежами), которое включает чтение, добавление, удаление и упорядочение записей;

управление полями записей (атрибутами).

Такие операции, как ввод данных с клавиатуры, вычисления, организация циклов и ветвлений, вывод данных на экран и принтер не являются сферой деятельности СУБД, а определяются в прикладных программах. Для разработки прикладных программ в СУБД предусматривается специальный язык программирования.

В соответствии с указанным набором функций в СУБД входят программы трех типов: управляющие, обрабатывающие (транслятор) и сервисные. Программы функционально взаимосвязаны и взаимодействуют друг с другом и с операционной системой.

Основным признаком классификации СУБД является логическая модель базы данных. Поэтому различают сетевые, иерархические и реляционные СУБД. К числу наиболее распространенных реляционных СУБД относятся dBASE, FoxBASE, FoxPro, Clipper, Clarion, Paradox и др.

Языки запросов QBE и SQL

Хранимые в БД данные можно просматривать и редактировать с помощью имеющихся в каждой СУБД средств просмотра и редактирования данных в таблицах. Однако для повышения эффективности редактирования и выбора данных из таблиц создаются и выполняются запросы. Запрос представляет собой специальным образом сформированное требование, определяющее состав производимых над БД операций по выборке или модификации хранимых данных.

Для подготовки запросов с помощью различных СУБД используются два основных языка описания запросов:

язык Query By Example (QBE) - язык запросов по образцу;

SQL (Structured Query Language) - структурированный язык запросов.

По возможностям манипулирования данными эти языки практически эквивалентны. Главное отличие между ними заключается в способе формирования запросов: язык QBE предполагает ручное или визуальное формирование запроса, а использование SQL означает программирование запроса.

Язык QBE позволяет создавать сложные запросы к БД путем заполнения предлагаемой СУБД запросной формы. Этот способ обеспечивает высокую наглядность и не требует указания алгоритма выполнения операций - достаточно указать образец ожидаемого результата.

При задании запросов с помощью языка QBE допустимы следующие операции: выборка, вычисление и модификация данных; вставка и удаление записей. Результат выполнения запроса - новая таблица и/или обновленная исходная таблица. Выборка, вставка, удаление и модификация данных и записей могут выполняться с использованием условий, задаваемых с помощью логических выражений. Вычисления над данными задаются с помощью арифметических выражений и порождают в ответных таблицах новые, вычисляемые, поля.

Во многих современных СУБД, например, в Access и Visual FoxPro, многие действия по подготовке запросов с помощью языка QBE выполняются визуально с помощью мыши.

Структурированный язык запросов SQL основан на реляционном исчислении с переменными кортежами. Язык имеет несколько стандартов, наиболее распространенными являются SQL-89 и SQL-92.

SQL предназначен для выполнения операций над таблицами (создание, удаление, изменение структуры) и над данными таблиц (выборка, изменение, добавление и удаление). SQL является непроцедурным языком и не содержит имеющихся в обычных языках программирования операторов управления, организации подпрограмм, ввода-вывода. В связи с этим SQL автономно не используется, а обычно погружен в среду встроенного языка программирования СУБД (например, языка FoxPro СУБД Visual FoxPro).

В современных СУБД с интерактивным интерфейсом можно создавать запросы, не применяя SQL. Однако его применение в некоторых случаях позволяет расширить возможности использования СУБД.

Размещено на Allbest.ru

...