Системы управления базами данных

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Основой для учета, контроля и планирования служат всевозможные картотеки, регистрационные журналы, списки и т.д. Они постепенно накапливаются и обновляются. При большом объеме информации поиск и обобщение необходимых сведений, осуществляемых вручную, представляют собой довольно трудоемкий процесс.

С появлением ЭВМ и использованием их для обработки информации появилась возможность автоматизировать решение многих информационно - справочных и расчетных задач.

Первоначально для накопления и хранения информации на ЭВМ применялись локальные массивы (или файлы), при этом для каждой из решаемых функциональных задач создавались собственные файлы исходной и результатной информации. Это приводило к значительному дублированию данных, усложняло их обновление, затрудняло решение взаимосвязанных проблемных задач.

Постепенно с развитием программного обеспечения ЭВМ появились идеи создания управляющих систем, которые позволяли бы накапливать, хранить и обновлять взаимосвязанные данные по целому комплексу решаемых задач, например при автоматизации бухгалтерского учета на предприятии.

Эти идеи нашли свое воплощение в системах управления базами данных (СУБД). СУБД взаимодействуют не с локальными, а взаимосвязанными по информации массивами, называемыми базами данных. С появлением персональных компьютеров СУБД становятся наиболее популярным средством обработки табличной информации. Они являются инструментальным средством проектирования банков данных при обработке больших объемов информации.

Программное обеспечение для работы с базами данных используется на персональных компьютерах уже довольно давно. К сожалению, эти программы либо были элементарными диспетчерами хранения данных и не имели средств разработки приложений, либо были настолько сложны и трудны, что даже хорошо разбирающиеся в компьютерах люди избегали работать с ними до тех пор, пока не получали полных, ориентированных на пользователя приложений.

1. Назначение и основные функции СУБД

1.1 Назначение СУБД

база данные управление буфер

Система управления базами данных -- совокупность программных и лингвистических средств общего или специального назначения, обеспечивающих управление созданием и использованием баз данных.

Основная задача СУБД - предоставить пользователю базы данных возможность работать с ней, не вникая в детали на уровне аппаратного обеспечения (пользователь более отстранен от этих деталей, чем прикладной программист, использующий среду программирования). Иными словами, СУБД позволяет конечному пользователю рассматривать базу данных как объект более высокого уровня по сравнению с аппаратным обеспечением, а также предоставляет в его распоряжение набор операций, выражаемых в терминах языка высокого уровня (например, набор операций, которые можно выполнять с помощью языка SQL). В мире существует множество систем управления базами данных. Несмотря на то что они могут по-разному работать с разными объектами и предоставляют пользователю различные функции и средства, большинство СУБД опираются на единый устоявшийся комплекс основных понятий. Это дает нам возможность рассмотреть одну систему и обобщить ее понятия, приемы и методы на весь класс СУБД.

СУБД являются посредниками между логической структурой данных, необходимых разным приложениям, и физическими хранилищами данных (обычно это файловая система персонального компьютера или сервера, хотя последнее время хранилища могут распределяться между многими серверами). Физическая структура данных (в частности, файловая) должна быть скрыта от программистов. СУБД должны хранить логическую структуру (метаданные), предотвращая несогласованные изменения данных, нарушающие эту структуру.

Таким образом, любая СУБД должна обеспечивать следующее:

1)компактное хранение данных (без дублирования);

2)оптимизацию доступа к данным;

3)логическую целостность (согласованность) данных;

универсальный интерфейс (язык или протокол), позволяющий задавать структуру данных, изменять и извлекать их неизвестному заранее алгоритму.

Обеспечение этих требований к информационным системам на уровне СУБД позволяет избегать повторения одной и той же работы при разработке программ.

1.2 Функции СУБД

Системы управления базами данных обладают следующими функциями:

Управление данными во внешней памяти

Управление данными включает обеспечение необходимых структур внешней памяти как для хранения данных, непосредственно входящих в БД, так и для служебных целей. В некоторых реализациях СУБД активно используются возможности существующих файловых систем, в других работа производится вплоть до уровня устройств внешней памяти. Но, в развитых СУБД пользователи в любом случае не обязаны знать, использует ли СУБД файловую систему, и если использует, то, как организованы файлы. В частности, СУБД поддерживает собственную систему именования объектов БД.

Управление буферами оперативной памяти

СУБД обычно работают с БД значительного размера; по крайней мере, этот размер обычно существенно больше доступного объема оперативной памяти. Понятно, что если при обращении к любому элементу данных будет производиться обмен с внешней памятью, то вся система будет работать со скоростью устройства внешней памяти. Практически единственным способом реального увеличения этой скорости является буферизация данных в оперативной памяти. При этом даже если операционная система производит общесистемную буферизацию (как в случае ОС UNIX), этого недостаточно для целей СУБД, которая располагает гораздо большей информацией о полезности буферизации той или иной части БД. Поэтому в развитых СУБД поддерживается собственный набор буферов оперативной памяти с собственной дисциплиной замены буферов.

Управление транзакциями.

Транзакция - это последовательность операций над базой данных, рассматриваемых СУБД как единое целое. Либо транзакция успешно выполняется, и СУБД фиксирует изменения в базе данных, произведенные этой транзакцией, во внешней памяти, либо ни одно из этих изменений никак не отражается на состоянии базы данных.

Понятие транзакции необходимо для поддержания логической целостности базы данных. То свойство, что каждая транзакция начинается при целостном состоянии БД и оставляет это состояние целостным после своего завершения, делает очень удобным использование понятия транзакции как единицы активности пользователя по отношению к БД. При соответствующем управлении параллельно выполняющимися транзакциями со стороны СУБД каждый из пользователей может в принципе ощущать себя единственным пользователем СУБД (на самом деле, это несколько идеализированное представление, поскольку в некоторых случаях пользователи многопользовательских СУБД могут ощутить присутствие своих коллег).

С управлением транзакциями в многопользовательской СУБД связаны важные понятия сериализации транзакций и сериального плана выполнения смеси транзакций. Под сериализацией параллельно выполняющихся транзакций понимается такой порядок планирования их работы, при котором суммарный эффект смеси транзакций эквивалентен эффекту их некоторого последовательного выполнения. Сериальный план выполнения смеси транзакций - это такой план, который приводит к сериализации транзакций. Понятно, что если удается добиться действительно сериального выполнения смеси транзакций, то для каждого пользователя, по инициативе которого образована транзакция, присутствие других транзакций будет незаметно (если не считать некоторого замедления работы по сравнению с однопользовательским режимом).

Журнализация

Одним из основных требований к СУБД является надежность хранения данных во внешней памяти. Под надежностью хранения понимается то, что СУБД должна быть в состоянии восстановить последнее согласованное состояние БД после любого аппаратного или программного сбоя. Обычно рассматриваются два возможных вида аппаратных сбоев: так называемые мягкие сбои, которые можно трактовать как внезапную остановку работы компьютера (например, аварийное выключение питания), и жесткие сбои, характеризуемые потерей информации на носителях внешней памяти.

Примерами программных сбоев могут быть: аварийное завершение работы СУБД (по причине ошибки в программе или в результате некоторого аппаратного сбоя) или аварийное завершение пользовательской программы, в результате чего некоторая транзакция остается незавершенной. Первую ситуацию можно рассматривать - как особый вид мягкого аппаратного сбоя; при возникновении последней требуется ликвидировать последствия только одной транзакции. Понятно, что в любом случае для восстановления БД нужно располагать некоторой дополнительной информацией.

Другими словами, поддержание надежности хранения данных в БД требует избыточности хранения данных, причем та часть данных, которая используется для восстановления, должна храниться особо надежно. Наиболее распространенным методом поддержания такой избыточной информации является ведение журнала изменений БД.

Журнал - это особая часть БД, недоступная пользователям СУБД и поддерживаемая с особой тщательностью (иногда поддерживаются две копии журнала, располагаемые на разных физических дисках), в которую поступают записи обо всех изменениях основной части БД. В разных СУБД изменения БД журнализируются на разных уровнях: иногда запись в журнале соответствует некоторой логической операции изменения БД (например, операции удаления строки из таблицы реляционной БД), иногда - минимальной внутренней операции модификации страницы внешней памяти; в некоторых системах одновременно используются оба подхода. Во всех случаях придерживаются стратегии "упреждающей" записи в журнал (так называемого протокола Write Ahead Log - WAL). Грубо говоря, эта стратегия заключается в том, что запись об изменении любого объекта БД должна попасть во внешнюю память журнала раньше, чем измененный объект попадет во внешнюю память основной части БД. Известно, что если в СУБД корректно соблюдается протокол WAL, то с помощью журнала можно решить все проблемы восстановления БД после любого сбоя.

Самая простая ситуация восстановления - индивидуальный откат транзакции. Строго говоря, для этого не требуется общесистемный журнал изменений БД. Достаточно для каждой транзакции поддерживать локальный журнал операций модификации БД, выполненных в этой транзакции, и производить откат транзакции, путем выполнения обратных операций, следуя от конца локального журнала. В некоторых СУБД так и делают, но в большинстве систем локальные журналы не поддерживают, а индивидуальный откат транзакции выполняют по общесистемному журналу, для чего все записи от одной транзакции связывают обратным списком (от конца к началу).

При мягком сбое во внешней памяти основной части БД могут находиться объекты, модифицированные транзакциями, не закончившимися к моменту сбоя, и могут отсутствовать объекты, модифицированные транзакциями, которые к моменту сбоя успешно завершились (по причине использования буферов оперативной памяти, содержимое которых при мягком сбое пропадает). При соблюдении протокола WAL во внешней памяти журнала должны гарантированно находиться записи, относящиеся к операциям модификации обоих видов объектов. Целью процесса восстановления после мягкого сбоя является: состояние внешней памяти основной части БД, которое возникло бы при фиксации во внешней памяти изменений всех завершившихся транзакций и которое не содержало бы никаких следов незаконченных транзакций. Для того чтобы этого добиться, сначала производят откат незавершенных транзакций, а потом повторно воспроизводят те операции завершенных транзакций, результаты которых не отображены во внешней памяти. Этот процесс содержит много тонкостей, связанных с общей организацией управления буферами и журналом.

Для восстановления БД после жесткого сбоя используют журнал и архивную копию БД. Грубо говоря, архивная копия - это полная копия БД к моменту начала заполнения журнала. Конечно, для нормального восстановления БД после жесткого сбоя необходимо, чтобы журнал не пропал. Как уже отмечалось, к сохранности журнала во внешней памяти в СУБД предъявляются особо повышенные требования.

Тогда восстановление БД состоит в том, что исходя из архивной копии, по журналу воспроизводится работа всех транзакций, которые закончились к моменту сбоя. В принципе, можно даже воспроизвести работу незавершенных транзакций и продолжить их работу после завершения восстановления. Однако в реальных системах это обычно не делается, поскольку процесс восстановления после жесткого сбоя является достаточно длительным.

Поддержка языков БД

Для работы с базами данных используются специальные языки, в целом называемые языками баз данных. В ранних СУБД поддерживалось несколько специализированных по своим функциям языков. Чаще всего выделялись два языка: язык определения схемы БД (SDL - Schema Definition Language) и язык манипулирования данными (DML - Data Manipulation Language). SDL служил главным образом для определения логической структуры БД, т.е. той структуры БД, какой она представляется пользователям. DML содержал набор операторов манипулирования данными, т.е. операторов, позволяющих заносить данные в БД, удалять, модифицировать или выбирать существующие данные.

В современных СУБД обычно поддерживается единый интегрированный язык, содержащий все необходимые средства для работы с БД, начиная от ее создания, и обеспечивающий базовый пользовательский интерфейс с базами данных. Стандартным языком наиболее распространенных в настоящее время реляционных СУБД является язык SQL (Structured Query Language).

1.3 Архитектура СУБД

Архитектура СУБД должна обеспечивать, в первую очередь, разграничение пользовательского и системного уровней. В настоящее время чаще всего поддерживается трехуровневая архитектура описания БД с тремя уровнями абстракции, на которых можно рассматривать базу данных. Такая архитектура включает: внешний уровень, внутренний уровень, концептуальный уровень.

Основным назначением трехуровневой архитектуры является обеспечение независимости от данных. Суть этой независимости заключается в том, что изменения на нижних уровнях никак не влияют на верхние уровни. Различают два типа независимости от данных: логическую (означает полную защищенность внешних схем от изменений, вносимых в концептуальную схему) и физическую (защищенность концептуальной схемы от изменений, вносимых во внутреннюю схему).

На внешнем уровне пользователи воспринимают данные, где отдельные группы пользователей имеют свое представление (ПП) на базу данных. Каждый тип пользователей может применять для работы с БД свой язык общения. Конечные пользователи употребляют либо язык запросов, либо специальный язык, поддерживаемый приложениями и вызывающий определенные для пользователя экранные формы и пользовательские меню.

Концептуальный уровень является промежуточным уровнем в трехуровневой архитектуре и обеспечивает представление всей информации базы данных в абстрактной форме. Описание базы данных на этом уровне называется концептуальной схемой, которая включает объекты и их атрибуты, связи между объектами, ограничения, накладываемые на данные, семантическую информацию о данных, обеспечение безопасности и поддержки целостности данных.

Внутренняя схема описывает физическую реализацию базы данных и предназначена для достижения оптимальной производительности и обеспечения экономного использования дискового пространства. На внутреннем уровне осуществляется взаимодействие СУБД с методами доступа операционной системы с целью размещения данных на запоминающих устройствах, создания индексов, извлечения данных и т. д. На внутреннем уровне хранится следующая информация: распределение дискового пространства для хранения данных и индексов, описание подробностей сохранения записей, сведения о размещении записей, сведения о сжатии данных и выбранных методов их шифрования. Ниже внутреннего уровня находится физический уровень, который контролируется операционной системой, но под руководством СУБД. Физический уровень учитывает, каким образом данные будут представлены в машине.

Реализация трехуровневой архитектуры БД требует, чтобы СУБД переводила информацию с одного уровня на другой, то есть преобразовывала адреса и указатели в соответствующие логические имена и отношения и наоборот. Выгодой такого перевода является независимость логического и физического представления данных, но и плата за эту независимость не малая - большая системная задержка.

1.4 Классификация СУБД

Классифицировать СУБД можно используя различные признаки классификации: по модели данных, по степени распределённости, по способу доступа к БД и по степени универсальности.

По модели данных классифицировать СУБД можно следующим образом:

Иерархические СУБД - поддерживают древовидную организацию информации. Связи между записями выражаются в виде отношений предок/потомок, а у каждой записи есть ровно одна родительская запись. Это помогает поддерживать ссылочную целостность. Когда запись удаляется из дерева, все ее потомки также должны быть удалены.

Иерархические базы данных имеют централизованную структуру, т.е. безопасность данных легко контролировать. К сожалению, определенные знания о физическом порядке хранения записей все же необходимы, так как отношения предок/потомок реализуются в виде физических указателей из одной записи на другую. Это означает, что поиск записи осуществляется методом прямого обхода дерева. Записи, расположенные в одной половине дерева, ищутся быстрее, чем в другой.

Отсюда следует необходимость правильно упорядочивать записи, чтобы время их поиска было минимальным. Это трудно, так как не все отношения, существующие в реальном мире, можно выразить в иерархической базе данных. Отношения "один ко многим" являются естественными, но практически невозможно описать отношения "многие ко многим" или ситуации, когда запись имеет несколько предков. До тех пор пока в приложениях будут кодироваться сведения о физической структуре данных, любые изменения этой структуры будут грозить перекомпиляцией.

Сетевые СУБД - Сетевая модель расширяет иерархическую модель СУБД, позволяя группировать связи между записями в множества. С логической точки зрения связь - это не сама запись. Связи лишь выражают отношения между записями. Как и в иерархической модели, связи ведут от родительской записи к дочерней, но на этот раз поддерживается множественное наследование.

Следуя спецификации CODASYL, сетевая модель поддерживает DDL (Data Definition Language - язык определения данных) и DML (Data Manipulation Language - язык обработки данных). Это специальные языки, предназначенные для определения структуры базы данных и составления запросов. Несмотря на их наличие программист по-прежнему должен знать структуру базы данных.

В сетевой модели допускаются отношения "многие ко многим", а записи не зависят друг от друга. При удалении записи удаляются и все ее связи, но не сами связанные записи.

В сетевой модели требуется, чтобы связи устанавливались между существующими записями во избежание дублирования и искажения целостности. Данные можно изолировать в соответствующих таблицах и связать с записями в других таблицах.

Программисту не нужно, при проектировании СУБД, заботиться о том, как организуется физическое хранение данных на диске. Это ослабляет зависимость приложений и данных. Но в сетевой модели требуется, чтобы программист помнил структуру данных при формировании запросов.

Оптимальную структуру базы данных сложно сформировать, а готовую структуру трудно менять. Если вид таблицы претерпевает изменения, все отношения с другими таблицами должны быть установлены заново, чтобы не нарушилась целостность данных. Сложность подобной задачи приводит к тому, что программисты зачастую отменяют некоторые ограничения целостности ради упрощения приложений.

Реляционные СУБД - В сравнении с рассмотренными выше моделями реляционная модель требует от сервера СУБД гораздо более высокого уровня сложности. В ней делается попытка избавить программиста от выполнения рутинных операций по управлению данными, столь характерных для иерархической и сетевой моделей.

В реляционной модели база данных представляет собой централизованное хранилище таблиц, обеспечивающее безопасный одновременный доступ к информации со стороны многих пользователей. В строках таблиц часть полей содержит данные, относящиеся непосредственно к записи, а часть - ссылки на записи других таблиц. Таким образом, связи между записями являются неотъемлемым свойством реляционной модели.

Каждая запись таблицы имеет одинаковую структуру. Например, в таблице, содержащей описания автомобилей, у всех записей будет один и тот же набор полей: производитель, модель, год выпуска, пробег и т.д. Такие таблицы легко изображать в графическом виде.

В реляционной модели СУБД достигается информационная и структурная независимость. Записи не связаны между собой настолько, чтобы изменение одной из них затронуло остальные, а измененая структура СУБД, базы данных не обязательно приводит к перекомпиляции работающих с ней приложений.

В реляционных СУБД применяется язык SQL, позволяющий формулировать произвольные, нерегламентированные запросы. Это язык четвертого поколения, поэтому любой пользователь может быстро научиться составлять запросы. К тому же, существует множество приложений, позволяющих строить логические схемы запросов в графическом виде. Все это происходит за счет ужесточения требований к производительности компьютеров. К счастью, современные вычислительные мощности более чем адекватны.

Реляционные базы данных страдают от различий в реализации языка SQL, хотя это и не проблема реляционной модели. Каждая реляционная СУБД реализует какое-то подмножество стандарта SQL плюс набор уникальных команд, что усложняет задачу программистам, пытающимся перейти от одной СУБД к другой. Приходится делать нелегкий выбор между максимальной переносимостью и максимальной производительностью. В первом случае нужно придерживаться минимального общего набора команд, поддерживаемых в каждой СУБД. Во втором случае программист просто сосредоточивается на работе в данной конкретной СУБД, используя преимущества ее уникальных команд и функций СУБД.

Объектно-ориентированные СУБД - позволяет программистам, которые работают с языками третьего поколения, интерпретировать все свои информационные сущности как объекты, хранящиеся в оперативной памяти. Дополнительный интерфейсный уровень абстракции обеспечивает перехват запросов, обращающихся к тем частям базы данных, которые находятся в постоянном хранилище на диске. Изменения, вносимые в объекты, оптимальным образом переносятся из памяти на диск.

Преимуществом ООСУБД является упрощенный код. Приложения получают возможность интерпретировать данные в контексте того языка программирования, на котором они написаны. Реляционная база данных возвращает значения всех полей в текстовом виде, а затем они приводятся к локальным типам данных. В ООБД этот этап ликвидирован. Методы манипулирования данными всегда остаются одинаковыми независимо от того, находятся данные на диске или в памяти.

Данные в ООСУБД способны принять вид любой структуры, которую можно выразить на используемом языке программирования. Отношения между сущностями так-же могут быть произвольно сложными. ООБД управляет кэш-буфером объектов, перемещая объекты между буфером и дисковым хранилищем по мере необходимости.

С помощью ООСУБД решаются две проблемы. Во-первых, сложные информационные структуры выражаются в них лучше, чем в реляционных базах данных, а во вторых, устраняется необходимость транслировать данные из того формата, который поддерживается в СУБД. Например, в реляционной СУБД размерность целых чисел может составлять 11 цифр, а в используемом языке программирования - 16. Программисту придется учитывать эту ситуацию.

Объектно-ориентированные СУБД выполняют много дополнительных функций. Это окупается сполна, если отношения между данными очень сложны. В таком случае производительность ООСУБД оказывается выше, чем у реляционных СУБД. Если же данные менее сложны, дополнительные функции оказываются избыточными.

В объектной модели данных поддерживаются нерегламентированные запросы, но языком их составления не обязательно является SQL. Логическое представление данных может не соответствовать реляционной модели, поэтому применение языка SQL станет бессмысленным. Зачастую удобнее обрабатывать объекты в памяти, выполняя соответствующие виды поиска.

Большим недостатком объектно-ориентированных баз данных является их тесная связь с применяемым языком программирования. К данным, хранящимся в реляционной СУБД, могут обращаться любые приложения, тогда как, к примеру, Java-объект, помещенный в ООСУБД, будет представлять интерес лишь для приложений, написанных на Java.

Объектно-реляционные - Объектно-реляционные СУБД объединяют в себе черты реляционной и объектной моделей. Их возникновение объясняется тем, что реляционные базы данных хорошо работают со встроенными типами данных и гораздо хуже - с пользовательскими, нестандартными. Когда появляется новый важный тип данных, приходится либо включать его поддержку в СУБД, либо заставлять программиста самостоятельно управлять данными в приложении.

Не всякую информацию имеет смысл интерпретировать в виде цепочек символов или цифр. Представим себе музыкальную базу данных. Песню, закодированную в виде аудиофайла, можно поместить в текстовое поле большого размера, но как в таком случае будет осуществляться текстовый поиск?

Перестройка архитектуры СУБД с целью включения в нее поддержки нового типа данных - не лучший выход из положения. Вместо этого объектно-реляционная СУБД позволяет загружать код, предназначенный для обработки "нетипичных" данных. Таким образом, база данных сохраняет свою табличную структуру, но способ обработки некоторых полей таблиц определяется извне, т.е. программистом.

Следующим важнейшим классифицирующим признаком СУБД является степень распределённости. Здесь можно выделить локальные и распределённые СУБД.

В случае локальных СУБД и сама программа и база данных находятся на одном компьютере.

Технология распределенных баз данных, получившая в настоящее время широкое распространение, способствует обратному переходу от централизованной обработки данных к децентрализованной. Создание технологии систем управления распределенными базами данных является одним самых больших достижений в области баз данных и поэтому я считаю нужным остановиться на ней более подробно.

По способу доступа к БД:

Файл-серверные

В файл-серверных СУБД файлы данных располагаются централизованно на файл-сервере. Ядро СУБД располагается на каждом клиентском компьютере. Доступ к данным осуществляется через локальную сеть. Синхронизация чтений и обновлений осуществляется посредством файловых блокировок. Преимуществом этой архитектуры является низкая нагрузка на ЦП сервера, а недостатком -- высокая загрузка локальной сети. На данный момент файл-серверные СУБД считаются устаревшими.

Клиент-серверные Такие СУБД состоят из клиентской части (которая входит в состав прикладной программы) и сервера (см. Клиент-сервер). Клиент-серверные СУБД, в отличие от файл-серверных, обеспечивают разграничение доступа между пользователями и мало загружают сеть и клиентские машины. Сервер является внешней по отношению к клиенту программой, и по надобности его можно заменить другим. Недостаток клиент-серверных СУБД в самом факте существования сервера (что плохо для локальных программ -- в них удобнее встраиваемые СУБД) и больших вычислительных ресурсах, потребляемых сервером.

Встраиваемые Встраиваемая СУБД -- библиотека, которая позволяет унифицированным образом хранить большие объёмы данных на локальной машине. Доступ к данным может происходить через SQL либо через особые функции СУБД. Встраиваемые СУБД быстрее обычных клиент-серверных и не требуют установки сервера, поэтому востребованы в локальном ПО, которое имеет дело с большими объёмами данных (например, геоинформационные системы).

Размещено на Allbest.ru