Системы управления базами данных

8.1. Общая характеристика баз данных

База данных – это совокупность структурированных и взаимосвязанных данных, относящихся к определенной предметной области.

Для создания, хранения, обработки и коллективного использования информации применяются специальные программные системы, называемые системами управления базами данных (СУБД).

К основным функциям СУБД относятся следующие:

• физическое размещение в памяти данных и их описаний;
• поддержка баз данных в актуальном состоянии;
• механизмы поиска запрашиваемых данных;
• доступ к данным при одновременном запросе одних и тех же данных многими пользователями (прикладными программами);
• способы обеспечения защиты данных от некорректных обновлений и/или несанкционированного доступа.

Основная особенность СУБД – это наличие процедур для ввода и хранения не только самих данных, но и описаний их структуры.

Тщательное проектирование базы данных – первый и очень важный шаг создания базы. Он позволяет избежать затрат, связанных с внесением исправлений в структуру хранящихся данных. Проектирование базы данных начинается с анализа предметной области и выявления требований к ней отдельных пользователей (сотрудников организации, для которых создается база данных). На этапе проектирования выявляются объекты информации и их характеристики, определяются виды данных, требующие регулярного обновления, и способы представления информации на экране и в отчетах, формулируются вопросы, на которые необходимо регулярно отвечать при поиске данных. Это помогает конкретизировать требования к хранимой информации. В любой момент можно изменить структуру хранящейся в базе информации, подкорректировав структуру таблиц и, соответственно, форм и отчетов. За проектирование и поддержку базы данных отвечает администратор базы данных (АБД).

СУБД использует следующие модели и описания:

• инфологическую;
• даталогическую;
• физическую.

Трехуровневая архитектура (инфологический, даталогический и физический уровни) позволяет обеспечить независимость хранимых данных от использующих их программ.

Первоначально создается обобщенное неформальное описание создаваемой базы данных. Это описание называют инфологической моделью данных, и оно выполняется с использованием естественного языка, блок-схем, математических формул, таблиц, графиков и других средств. Инфологическая модель отражает предметную область, для которой проектируется база данных, и полностью независима от физических параметров среды хранения данных. Основными конструктивными элементами инфологических моделей являются сущности, связи между ними и их свойства (атрибуты). Инфологическая модель не должна изменяться до тех пор, пока изменения в реальном мире не повлекут за собой изменения предметной области и, следовательно, изменения в модели.

Описание, создаваемое разработчиками базы данных по инфологической модели данных, называют даталогической моделью данных. Конечным результатом даталогического проектирования является описание логической структуры базы данных на ЯОД – языке описания данных конкретной СУБД. При создании даталогической модели данных обеспечивается однозначное соответствие между конструкциями языка описания данных и графическими обозначениями информационных единиц и связей между ними.

В основе каждой СУБД лежит концепция модели данных, то есть некоторой абстракции представления данных. Изначально были успешными две конкурирующие модели – иерархическая и сетевая. Иерархическая БД состоит из упорядоченного набора деревьев. Корпорация IBM разработала и внедрила язык описания данных DL/I (Data Language One), который моделировал данные в иерархической форме (представление данных в форме деревьев). Эта модель была разработана совместно с промышленными предприятиями и предназначалась для хранения и поддержки данных, которые иерархически связаны между собой, например, сметы материалов и списки деталей. Типичным представителем иерархической СУБД является СУБД IMS (Information Management System) компании IBM, первая версия которой появилась в 1968 г.

На рис.8.1 показан пример схемы иерархической БД. Тип записи ФАКУЛЬТЕТ является предком (родительской или исходной записью) для типов записей КАФЕДРЫ и ДЕКАНАТ, а записи КАФЕДРЫ и ДЕКАНАТ – потомки (дочерние или порожденные записи) для записи ФАКУЛЬТЕТ.

Все экземпляры определенного типа порожденной записи, относящиеся к одному экземпляру исходной записи, называются близнецами. Иерархическая модель реализует отношение между исходной и дочерними записями по схеме один-ко-многим., то есть одной родительской записи может соответствовать любое число дочерних. В иерархической базе данных существует единственный иерархический путь доступа к любой записи, начиная с корня дерева, т.е. порядок обхода дерева – сверху-вниз, слева-направо. По сути иерархическая модель – ориентированный граф.

Рис. 8.1. Схема иерархической модели базы данных

В терминологии IMS вместо термина "запись" использовался термин "сегмент", а под термином "запись базы данных" понималось все дерево сегментов. В 1970 году группа CODASYL, которая разрабатывала стандарты для языка COBOL, создала модель под названием DBTG (Data Base Task Group, группа задач базы данных). Модель DBTG была готова к представлению как иерархических, так и сетевых данных. Однако эта модель была очень сложной, поэтому не имела большого успеха.

Типичным представителем систем, основанных на сетевой модели данных, является СУБД IDMS (Integrated Database Management System), разработанная компанией Cullinet Software, Inc. Сетевой подход к организации данных является расширением иерархического подхода. Как и в иерархической модели, связи ведут от родительской записи к дочерней, но на этот раз поддерживается множественное наследование. В сетевой модели допускается несколько исходных записей для одной порожденной записи наряду с возможностью наличия записей без исходной записи (рис.8.2). Другими словами, в сетевой модели любая запись может участвовать в нескольких отношениях предок-потомок. Сетевая модель – неориентированный граф.

Рис. 8.2. Схема сетевой модели базы данных

Большинство применяемых сегодня баз данных основаны на реляционной модели. Основная идея реляционной модели – представить произвольную структуру данных в виде двумерных таблиц. Наиболее распространенной в настоящее время настольной реляционной базой данных является MS Access, пример которой рассматривается в разделе 6.3.3.

Реляционная модель впервые была предложена Э.Ф. Коддом (E.F. Codd) в 1970 году. Понятие модели данных, введенное Коддом, впоследствии развил Кристофер Дейт. Согласно Дейту, реляционная модель состоит из трех частей, описывающих разные аспекты реляционного подхода: структурной части, манипуляционной части и целостной части. Данные хранятся в таблицах. Столбцы таблиц называются полями, а строки – записями. В каждом поле может храниться информация только одного типа. Запросы предназначены для манипулирования данными, содержащимися в базе данных.

Кодд определил правила реляционной модели, которые получили название "12 правил Кодда". Позже Кодд добавил "нулевое" правило.

0. Реляционная СУБД должна быть способна полностью управлять базой данных, используя связи между данными.
1. Информационное правило: вся информация в реляционной БД, включая имена таблиц и столбцов, должна определяться строго как значения таблиц.
2. Гарантированный доступ: любое значение БД должно быть гарантированно доступным через комбинацию имени таблицы, первичный ключ и имя столбца.
3. Поддержка нулевого значения: СУБД должна уметь работать с нулевыми (пустыми) значениями. Нулевое значение – это неизвестное, независимое, неприменимое значение, в отличие от значений по умолчанию и обычных значений.
4. Активный, оперативный реляционный каталог – описание БД и ее содержимое – должны быть определены на логическом уровне через таблицы, к которым можно применять запросы, используя DML (Data Manipulation Language – язык манипулирования данными).
5. Исчерпывающее подмножество языка данных: по крайней мере, один из поддерживаемых языков должен иметь четко определенный синтаксис и быть самодостаточным. Он должен поддерживать определение данных и манипулирование ими, правила целостности, авторизацию и транзакции.
6. Правило обновления представлений: все представления, теоретически обновляемые, могут быть обновлены через систему.
7. Вставка, обновление и удаление: СУБД поддерживает не только запрос данных, но и вставку, обновление и удаление.
8. Физическая независимость данных: логика программ-приложений остается прежней при изменении физических методов доступа к данным и структур хранения.
9. Логическая независимость данных: логика программ-приложений остается прежней, в пределах разумного, при изменении структур таблиц.
10. Независимость целостности: язык БД должен быть способен определять ограничения целостности. Они должны быть доступны из оперативного каталога, и не должно быть способа их обойти.
11. Независимость распределения: перенос базы данных с одного компьютера на другой компьютер не должен оказывать влияния на запросы программ-приложений. Реляционная СУБД не должна зависеть от потребностей конкретного клиента.
12. Согласованность языков всех уровней: низкоуровневый язык доступа к данным не должен игнорировать правила безопасности и целостности, поддерживаемые языком более высокого уровня.

Предложив реляционную модель данных, Э.Ф. Кодд создал и инструмент для удобной работы с отношениями – реляционную алгебру – формальную систему манипулирования отношениями, основными операциями которой являются проекция, соединение, пересечение и объединение.

Реляционное исчисление – это еще одна формальная система, которая манипулирует отношениями. Реляционное исчисление основано на логике первого порядка. Так же как и выражения реляционной алгебры, формулы реляционного исчисления определяются над отношениями реляционных баз данных, и результатом вычисления также является отношение.

Реляционная алгебра и реляционное исчисление имеют одинаковую выражающую мощность; т. е. все запросы, которые можно сформулировать с помощью реляционной алгебры, могут быть также сформулированы с помощью реляционного исчисления и наоборот. Первым это доказал Э. Ф. Кодд в 1972 году. Это доказательство основано на алгоритме, по которому произвольное выражение реляционного исчисления может быть сокращено до семантически эквивалентного выражения реляционной алгебры. Алгоритм носит название "алгоритм редукции Кодда".

Реляционные базы данных имеют следующие специфические особенности.

• Для каждого поля таблицы базы данных определен тип данных, таким образом нельзя в одно поле разных записей вводить данные разных типов.
• СУБД позволяют не только вводить данные в таблицы, но и контролировать правильность вводимых данных. Имеются в виду не только ограничения по типу данных, но и контроль допустимых значений, количество вводимых знаков и т.п. СУБД не позволит сохранить в записи те данные, которые не удовлетворяют заданным правилам.
• Таблицы баз данных могут включать в себя количество записей, исчисляемое сотнями тысяч, и при этом СУБД обеспечивает удобные способы извлечения нужной информации из этого множества записей.
• Все данные хранятся, независимо от их структуры и содержания, в одном файле, и доступ к этим данным осуществляется постранично, не превышая ограничений на ресурсы компьютера.
• Можно устанавливать связи между таблицами и затем при помощи запросов совместно использовать данные разных таблиц. Данные, полученные в результате запроса, представляются также в виде таблицы.
• Запрос на выборку может быть обращен к одной или нескольким таблицам одновременно. Данные в выборке являются динамическими, т. е. при повторном запуске запроса по измененным данным, выборка изменяется.
• Благодаря установке взаимосвязей между отдельными таблицами удается избежать ненужного дублирования данных, сэкономить память компьютера, а также увеличить скорость обработки информации.
• Большинство баз данных может поддерживать одновременную работу с базой данных нескольких пользователей, при этом все пользователи гарантированно будут работать с актуальными данными.
• По сравнению с другими прикладными пакетами в базах данных имеется развитая система защиты от несанкционированного доступа, которая предоставляет, помимо парольной защиты файла, возможность каждому пользователю или группе пользователей видеть и изменять только те объекты, к которым пользователи имеют право доступа.

При проектировании реляционной базы данных большое внимание уделяется процессу нормализации таблиц. Целью нормализации является создание такого проекта базы данных, где будет исключена избыточность информации, т. е. каждый квант информации будет сохраняться лишь в одном месте. Основное назначение нормализации – исключение возможной противоречивости хранимых данных и экономия памяти. Пренебрежение нормализацией делает структуру базы данных запутанной, а саму базу – ненадежной в работе.

Теория нормализации основывается на наличии той или иной зависимости между полями таблицы. Определены два вида таких зависимостей: функциональные и многозначные.

Поле В таблицы функционально зависит от поля А той же таблицы в том и только в том случае, когда в любой заданный момент времени для каждого из различных значений поля А обязательно существует только одно из различных значений поля В. Отметим, что здесь допускается, что поля А и В могут быть составными.

Поле В находится в полной функциональной зависимости от составного поля А, если оно функционально зависит от А и не зависит функционально от любого подмножества поля А.

Поле А многозначно определяет поле В той же таблицы, если для каждого значения поля А существует определенное множество соответствующих значений В.

Процесс нормализации представляет собой последовательное преобразование исходной БД к нормализованной базе данных путем поэтапного приведения таблиц к нормальным формам (НФ). При этом каждая следующая НФ обязательно включает в себя предыдущую, что позволяет разбить процесс на этапы и производить его однократно, не возвращаясь к предыдущим этапам. Всего в реляционной теории насчитывается 6 нормальных форм: первая нормальная форма (1НФ), вторая нормальная форма (2НФ), третья нормальная форма (3НФ), нормальная форма Бойса-Кодда (НФБК), четвертая нормальная форма (4НФ) и пятая нормальная форма (5НФ).

По существу, таблица находится в 2НФ, если она находится в 1НФ и удовлетворяет, кроме того, некоторым дополнительным условиям. Таблица находится в 3НФ, если она находится в 2НФ и, помимо этого, удовлетворяет другим дополнительным условиям и т.д.

Таблица находится в первой нормальной форме (1НФ) тогда и только тогда, когда ни одна из ее строк не содержит в любом своем поле более одного значения и ни одно из ее ключевых полей не пусто.

Таблица находится во второй нормальной форме (2НФ), если она удовлетворяет определению 1НФ и все ее поля, не входящие в первичный ключ, связаны полной функциональной зависимостью с первичным ключом.

Таблица находится в третьей нормальной форме (3НФ), если она удовлетворяет определению 2НФ и ни одно из ее неключевых полей не зависит функционально от любого другого неключевого поля.

Кодд и Бойс обосновали и предложили более строгое определение для 3НФ, которое учитывает, что в таблице может быть несколько ключей. Таблица находится в нормальной форме Бойса-Кодда (НФБК), если и только если любая функциональная зависимость между ее полями сводится к полной функциональной зависимости от возможного ключа.

В следующих нормальных формах (4НФ и 5НФ) учитываются не только функциональные, но и многозначные зависимости между полями таблицы.

В настоящее время практически каждый производитель СУБД предлагает собственный программный продукт автоматизированного проектирования. Это Oracle Designer (Oracle), Power Desinger (Sybase) и другие. Демонстрационные версии данных программных продуктов можно загрузить с соответствующих сайтов (www.oracle.com, www.sybase.com). Кроме того, для автоматизированного проектирования представлены решения фирм, не производящих СУБД. Наиболее распространенными являются программные продукты фирмы AllFusion – AllFusion ERwin Data Modeler и AllFusion Process Modeler (ранее – BPwin) (см. www.interface.ru).

Реляционные языки обеспечивают типовые операции по обработке реляционных таблиц, позволяют формулировать логические условия, используемые в операциях выборки, проверку целостности (непротиворечивости) данных взаимосвязанных таблиц. Они оперируют с данными как со множествами, применяя к ним основные операции теории множеств. На входе реляционного оператора – множество записей одной или нескольких реляционных таблиц, на выходе – множество записей новой реляционной таблицы. Реляционные языки имеют различный уровень процедурности – содержание и последовательность перехода от входных данных к выходным.

Выделяют следующие разновидности языков реляционной алгебры:

• dBASe-подобные языки приближены к языкам структурного программирования. Эти языки обеспечивают создание интерфейса пользователя и типовые операции обработки данных;
• графические реляционные языки, ориентированные на конечных пользователей;
• SQL-подобные языки запросов, реализованные в большинстве многопользовательских и распределенных систем управления базами данных.

dBASe-подобные языки используют базы данных dBASe, Paradox, FoxPro, Clipper, Rbase и др.

Типичным представителем графического реляционного языка является язык QBE (Query By Example), реализованный в среде электронных таблиц, в различных базах данных, например, в MS Access, в пакете Microsoft Query. Этот язык относится к языкам манипулирования данными и имеет простейшие синтаксические конструкции, легко осваиваемые пользователями-непрограммистами.

SQL (Structured Query Language) применяется при работе с реляционными базами данных в современных СУБД (ORACLE, dBASE IY, dBASE Y, Paradox, Access и др.). Для отдельных СУБД синтаксис версий языка SQL может различаться.

Язык SQL стал стандартом языков запросов для работы с реляционными базами данных архитектуры "файл-сервер" и "клиент-сервер" и для управления распределенными базами данных. Это реляционно полный язык, предназначенный для работы с базами данных, создания запросов на выборку данных, для выполнения вычислений, для обеспечения целостности баз данных.