Базы данных

По справедливому замечанию Дейта, реляционная алгебра Кодда обладает несколькими недостатками. Во-первых, восемь перечисленных операций по охвату своих функций, с одной стороны, избыточны, так как минимально необходимый набор составляют пять операций: объединение, вычитание, произведение, проекция и выборка. Три другие операции (пересечение, соединение и деление) можно определить через пять минимально необходимых. Так, например, соединение - это проекция выборки произведения.

Во-вторых, этих восьми операций недостаточно для построения реальной СУБД на принципах реляционной алгебры. Требуются расширения, включающие операции: переименования атрибутов, образования новых вычисляемых атрибутов, вычисления итоговых функций, построения сложных алгебраических выражений, присвоения, сравнения и т. д.

Рассмотрим перечисленные операции более подробно, сначала - операции реляционной алгебры Кодда, а затем - дополнительные операции, введенные Дейтом.

Операции реляционной алгебры Кодда можно разделить на две группы: базовые теоретико-множественные и специальные реляционные. Первая группа операций включает в себя классические операции теории множеств: объединение, разность, пересечение и произведение. Вторая группа представляет собой развитие обычных теоретико-множественных операций в направлении к реальным задачам манипулирования данными, в ее состав входят следующие операции: проекция, селекция, деление и соединение.

Операции реляционной алгебры могут выполняться над одним отношением (например, проекция) или над двумя отношениями (например, объединение). В первом случае операция называется унарной, а во втором - бинарной. При выполнении бинарной операции участвующие в операциях отношения должны быть совместимы по структуре.

Совместимость структур отношений означает совместимость имен атрибутов и типов соответствующих доменов. Частным случаем совместимости является идентичность (совпадение). Для устранения конфликтов имен атрибутов в исходных отношениях (когда совпадение имен недопустимо), а также для построения произвольных имен атрибутов результирующего отношения применяется операция переименования атрибутов. Структура результирующего отношения по определенным правилам наследует свойства структур исходных отношений. В большинстве рассматриваемых бинарных реляционных операций будем считать, что заголовки исходных отношений идентичны, так как в этом случае не возникает проблем с заголовком результирующего отношения (в общем случае, заголовки могут не совпадать, тогда нужно оговаривать правила формирования заголовка отношения-результата).

Объединением двух совместимых отношений R1 и R2 одинаковой размерности (Rl UNION R2) является отношение R, содержащее все элементы исходных отношений (с исключением повторений).

Пример 1. Объединение отношений.

Пусть отношением Rl будет множество поставщиков из Лондона, а отношение R2 - множество поставщиков, которые поставляют деталь Р1. Тогда отношение R обозначает поставщиков, находящихся в Лондоне, или поставщиков, выпускающих деталь Р1, либо тех и других.

Вычитание совместимых отношений R1 и R2 одинаковой размерности (R1 MINUS R2) есть отношение, тело которого состоит из множества кортежей, принадлежащих Rl, но не принадлежащих отношению R2. Для тех же отношений R1 и R2 из предыдущего примера отношение R будет представлять собой множество поставщиков, находящихся в Лондоне, но не выпускающих деталь Р1, т. е. R={(S4, Николай, 20, Москва)}.

Заметим, что результат операции вычитания зависит от порядка следования операндов, т. е. R1 MINUS R2 и R2 MINUS R1 - не одно и то же.

Пересечение двух совместимых отношений R1 и R2 одинаковой размерности (R1 INTERSECT R2) порождает отношение R с телом, включающим в себя кортежи, одновременно принадлежащие обоим исходным отношениям. Для отношений R1 и R2 результирующее отношение R будет означать всех производителей из Лондона, выпускающих деталь Р1. Тело отношения R состоит из единственного элемента (S1, Сергей, 20, Москва).

Произведение отношения R1 степени к1 и отношения R2 степени к2 (R1 TIMES R2), которые не имеют одинаковых имен атрибутов, есть такое отношение R степени (к1+к2), заголовок которого представляет сцепление заголовков отношений R1 и R2, а тело - имеет кортежи, такие, что первые к1 элементов кортежей принадлежат множеству R1, а последние к2 элементов - множеству R2. При необходимости получить произведение двух отношений, имеющих одинаковые имена одного или нескольких атрибутов, применяется операция переименования RENAME, рассматриваемая далее.

Пример 2. Произведение отношений.

Пусть отношение R1 представляет собой множество номеров всех текущих поставщиков {S1, S2, S3, S4, S5}, а отношение R2 - множество номеров всех текущих деталей {Р1, Р2, РЗ, Р4, Р5, Р6}. Результатом операции Rl TIMES R2 является множество всех пар типа "поставщик-деталь", т. е. {(S1,P1), (S1,P2), (S1,P3), (S1,P4), (S1,P5), (S1,P6), (S2,P1),..., (S5,P6)}.

Заметим, что в теории множеств результатом операции прямого произведения является множество, каждый элемент которого является парой элементов, первый из которых принадлежит R1, а второй - принадлежит R2. Поэтому кортежами декартова произведения бинарных отношений будут кортежи вида: ((а, 6), (в, г)), где кортеж (а, б) принадлежит отношению R1, а кортеж (в, г) - принадлежит отношению R2. В реляционной алгебре применяется расширенный вариант прямого произведения, при котором элементы кортежей двух исходных отношений сливаются, что при записи кортежей результирующего отношения означает удаление лишних скобок, т. е. (а, б, в, г).

Выборка (R WHERE f) отношения R по формуле f представляет собой новое отношение с таким же заголовком и телом, состоящим из таких кортежей отношения R, которые удовлетворяют истинности логического выражения, заданного формулой f.

Для записи формулы используются операнды - имена атрибутов (или номера столбцов), константы, логические операции (AND - И, OR - ИЛИ, NOT - НЕ), операции сравнения и скобки.

Выборки.

Проекция отношения А на атрибуты X, Y,..., Z (А [X, Y,.. , Z]), где множество {X, Y,..., Z} является подмножеством полного списка атрибутов заголовка отношения А, представляет собой отношение с заголовком X, Y,..., Z и телом, содержащим кортежи отношения А, за исключением повторяющихся кортежей. Повторение одинаковых атрибутов в списке X, Y,..., Z запрещается.

Операция проекции допускает следующие дополнительные варианты записи:

отсутствие списка атрибутов подразумевает указание всех атрибутов (операция тождественной проекции);

выражение вида R[ ] означает пустую проекцию, результатом которой является пустое множество;

операция проекции может применяться к произвольному отношению, в том числе и к результату выборки.

Результатом деления отношения R1 с атрибутами А и В на отношение R2 с атрибутом В (R1 DIVIDEBY R2), где А и В простые или составные атрибуты, причем атрибут В - общий атрибут, определенный на одном и том же домене (множестве доменов составного атрибута), является отношение R с заголовком А и телом, состоящим из кортежей г таких, что в отношении R1 имеются кортежи (г, s), причем множество значений s включает множество значений атрибута В отношения R2.

Соединение С (R1, R2) отношений R1 и R2 по условию, заданному формулой f, представляет собой отношение R, которое можно получить путем Декартова произведения отношений R1 и R2 с последующим применением к результату операции выборки по формуле f. Правила записи формулы f такие же, как и для операции селекции.

Другими словами, соединением отношения R1 по атрибуту А с отношением R2 по атрибуту В (отношения не имеют общих имен атрибутов) является результат выполнения операции вида:

(R1 TIMES R2) WHERE A 0 В,

где Q, - логическое выражение над атрибутами, определенными на одном (нескольких - для составного атрибута) домене. Соединение C ((R1, R2), где формула f имеет произвольный вид (в отличие от частных случаев, рассматриваемых далее), называют также f-соединением.

Важными с практической точки зрения частными случаями соединения являются эквисоединение и естественное соединение.

Операция эквисоединения характеризуется тем, что формула задает равенство операндов. Приведенный выше пример демонстрирует частный случай операции эквисоединения по одному столбцу. Иногда эквисоединение двух отношений выполняется по таким столбцам, атрибуты которых в обоих отношениях имеют соответственно одинаковые имена и домены. В этом случае говорят об эквисоединении по общему атрибуту.

Операция естественного соединения (операция JOIN) применяется к двум отношениям, имеющим общий атрибут (простой или составной). Этот атрибут в отношениях имеет одно и то же имя (совокупность имен) и определен на одном и том же домене (доменах).

Результатом операции естественного соединения является отношение R, которое представляет собой проекцию эквисоединения отношений R1 и R2 по общему атрибуту на объединенную совокупность атрибутов обоих отношений.

Пусть необходимо найти естественное соединение отношений S и Р по общему атрибуту, характеризующему город (в отношении S - это Город_П, а в отношении Р - Город_Д). Поскольку условие операции требует одинаковости имен атрибутов, по которым выполняется соединение, то применяется операция RENAME переименования атрибутов.

Дополнительные операции реляционной алгебры, предложенные Дейтом, включают следующие операции.

Операция переименования позволяет изменить имя атрибута отношения и имеет вид:

RENAME <исходное отношение> <старое имя атрибута> AS <новое имя атрибута>,

где <исходное отношение> задается именем отношения либо выражением реляционной алгебры. В последнем случае выражение заключают в круглые скобки. Например:

RENAME Город_П AS Город_размещения_Поставщика.

Замечание. Для удобства записи выражений одновременного переименования нескольких атрибутов Дейтом введена операция множественного переименования, которая представима следующим образом:

RENAME <отн.> <ст. имя атр.1> AS <нов. имя атр.1>,<ст. имя атр.2> AS <нов. имя атр.2>,... ,<ст. имя arp.N> AS <нов. имя aTp.N>.



Операция расширения порождает новое отношение, похожее на исходное, но отличающееся наличием добавленного атрибута, значения которого получаются путем некоторых скалярных вычислений. Операция расширения имеет вид:

EXTEND <исходное отношение> ADD <выражение> AS <новый атрибут>,

где к исходному отношению добавляется (ключевое слово ADD) <новый атрибут>, подсчитываемый по правилам, заданным <выражением>.

Исходное отношение может быть задано именем отношения и с помощью выражения реляционной алгебры, заключенного в круглые скобки. При этом имя нового атрибута не должно входить в заголовок исходного отношения и не может использоваться в <выражении>. Помимо обычных арифметических операций и операций сравнения, в выражении можно использовать различные функции, называемые итоговыми, такие как: COUNT (количество), SUM (сумма), AVG (среднее), МАХ (максимальное), MIN (минимальное). Например:

EXTEND (PJOIN SP) ADD (Вес * Количество) AS Общий_Вес.

Замечания.

Пользуясь операцией расширения, можно выполнить переименование атрибута. Для этого нужно в выражении указать имя атрибута, в конструкции AS определить новое имя этого атрибута, затем выполнить проекцию полученного отношения на множество атрибутов, исключая старый атрибут. Таким образом, запись (EXTEND S ADD Город_П AS Город) [П#, Имя, Статус, Город] эквивалента конструкции S RENAME Город_П AS Город.

Подобно тому, как это сделано для операции переименования, Дейт определил операцию множественного расширения, которая позволяет в одной синтаксической конструкции вычислять несколько новых атрибутов. Формально операция пред-ставима следующим образом:

EXTEND <отн.> ADD <выр.1> AS <атр.1>, <выр.2> AS <атр.2>,... ,<выр.N> AS <атр.N>.

Операция подведения итогов SUMMARIZE выполняет "вертикальные" или групповые вычисления и имеет следующий формат:

SUMMARIZE <исх. отн> BY (<список атрибутов;") ADD <выр.> AS <новый атрибут>,

где исходное отношение задается именем отношения либо заключенным в круглые скобки выражением реляционной алгебры, <список атрибутов> представляет собой разделенные запятыми имена атрибутов исходного отношения A1, A2, ..., AN, <выр.> - скалярное выражение, аналогичное выражению операции EXTEND, а <новый атрибут> - имя формируемого атрибута.

В списке атрибутов и в выражении не должен использоваться <новый атрибут>. Результатом операции SUMMARIZE является отношение R с заголовком, состоящим из атрибутов списка, расширенного новым атрибутом. Для получения тела отношения R сначала выполняется проецирование (назовем проекцию R1) исходного отношения на атрибуты A1, A2,..., AN, после чего каждый кортеж проекции расширяется новым (N+1)-M атрибутом.

Поскольку проецирование, как правило, приводит к сокращению количества кортежей по отношению к исходному отношению (удаляются одинаковые кортежи), то можно считать, что происходит своеобразное группирование кортежей исходного отношения: одному кортежу отношения R1 соответствует один или более (если было дублирование при проецировании) кортежей исходного отношения. Значение (N+1)-гo атрибута каждого кортежа отношения R формируется путем вычисления выражения над соответствующей этому кортежу группой кортежей исходного отношения.

Отметим, что функция COUNT определяет количество кортежей в каждой из групп исходного отношения. Операция множественного подведения итогов, подобно соответствующим операциям переименования и расширения, выполняет одновременно несколько "вертикальных" вычислений и записывает результаты в отдельные новые атрибуты. Простейшим примером такой операции может служить следующая запись:

SUMMARIZE SP BY (Д#) ADD SUM Количество AS Общее_число_прставок AVG Количество AS Среднее_число_поставок.

К основным операторам, позволяющим изменять тело существующего отношения, отнесем операции:

реляционного присвоения,

вставки,

обновления,

удаления.

Операцию присвоения можно представить следующим образом: <выражение-цель>:= <выражение-источник>, где оба выражения задают совместимые (точнее, эквивалентные) по структуре отношения. Типичный случай выражений: в левой части - имя отношения, а в правой - некоторое выражение реляционной алгебры. Выполнение операции присвоения сводится к замене предыдущего значения отношения на новое (начальное значение, если тело отношения было пустым), определенное выражением-источником.

С помощью операции присвоения можно не только полностью заменить все значения отношения-цели, но и добавить или удалить кортежи. Приведем пример, в котором в отношение S дописывается один кортеж:

S:=S UNION {{< П# : 'S6' >, < Имя: 'Борис' >, < Статус: '50' >, <Город_П : 'Мадрид' >}}.

Более удобными операциями изменения тела отношения являются операции вставки, обновления и удаления. Операция вставки INSERT имеет следующий вид:

INSERT <выражение-источник> INTO <выражение-цель>,

где оба выражения должны быть совместимы по структуре. Выполнение операции сводится к вычислению <выражение-источник> и вставке полученных кортежей в отношение, заданное <выражение-цель>. Пример:

INSERT (S WHERE Город_П='Москва') INTO Temp.

Операция обновления UPDATE имеет следующий вид:

UPDATE <выражение-цель> <список элементов>,

где <список элементов> представляет собой последовательность разделенных запятыми операций присвоения <атрибут> := <скалярное выражение>.

Результатом выполнения операции обновления является отношение, полученное после присвоения соответствующих значений атрибутам отношения, заданного целевым выражением. Например, UPDATE P WHERE Тип='каленый' Город := 'Шахты'. Эта операция предписывает изменить значение атрибута Город (независимо от того, каким оно было) на новое значение - 'Шахты' таких кортежей отношения P, атрибут Тип которых имеет значение 'каленый'.

Операция удаления DELETE имеет следующий вид: DELETE <выражение-цель>, где <выражение-цель> представляет собой реляционное выражение, описывающее удаляемые кортежи.

Например, DELETE S WHERE Статус < 20.

Операция реляционного сравнения может использоваться для прямого сравнения двух отношений. Она имеет синтаксис:

<выражение1> ? <выражение2>,

где оба выражения задают совместимые по структуре отношения, а знак ? - один из следующих операторов сравнения: = (равно), ? (не равно), < (собственное подмножество), < (подмножество), >. (надмножество), > (собственное надмножество).

Например, сравнение: "Совпадают ли города поставщиков и города хранения деталей?" можно записать так:

S [Город_П] = Р [Город_Д].

Основные правила записи выражений. Как отмечалось, результатом произвольной реляционной операции является отношение, которое, в свою очередь, может участвовать в другой реляционной операции. Это свойство реляционной алгебры называется свойством замкнутости.

Свойство замкнутости позволяет записывать вложенные выражения реляционной алгебры, основой которых выступают рассмотренные ранее элементарные операций:

объединение

проекция

пересечение

выборка

и т. д.

При записи произвольного выражения реляционной алгебры надо принимать во внимание следующее:

1. В реляционной алгебре должен быть определен приоритет выполнения операций (например, операция пересечение более приоритетна чем операция объединение), который нужно учитывать при записи выражений. Для изменения порядка выполнения операций в выражениях можно использовать круглые скобки.

2. Существуют тождественные преобразования, позволяющие по-разному записывать одно и то же выражение. Например, следующие выражения эквивалентны (здесь А - отношение, С, C1, C2 - выражения):

A WHERE C1 AND C2 и (A WHERE C1) INTERSECT (A WHERE C2), A WHERE C1 OR C2 и (A WHERE C1) UNION (A WHERE C2), A WHERE NOT С и A MINUS (A WHERE C).

3. Составляя выражение, нужно обеспечивать совместимость участвующих в операциях отношений. При необходимости изменения заголовков следует выполнять переименование атрибутов.

3.7 Структурированный язык запросов SQL

Структурированный язык запросов SQL основан на реляционном исчислении с переменными кортежами. Язык имеет несколько стандартов, наиболее распространенными из которых являются SQL-89 и SQL-92 (подраздел 9.3).

Общая характеристика языка

Язык SQL предназначен для выполнения операций над таблицами (создание, удаление, изменение структуры) и над данными таблиц (выборка, изменение, добавление и удаление), а также некоторых сопутствующих операций. SQL является непроцедурным языком и не содержит операторов управления, организации подпрограмм, ввода-вывода и т. п. В связи с этим SQL автономно не используется, обычно он погружен в среду встроенного языка программирования СУБД (например, FoxPro СУБД Visual FoxPro, ObjectPAL СУБД Paradox, Visual Basic for Applications СУБД Access).

В современных СУБД с интерактивным интерфейсом можно создавать запросы, используя другие средства, например QBE. Однако применение SQL зачастую позволяет повысить эффективность обработки данных в базе. Например, при подготовке запроса в среде Access можно перейти из окна Конструктора запросов (формулировки запроса по образцу на языке QBE) в окно с эквивалентным оператором SQL. Подготовку нового запроса путем редактирования уже имеющегося в ряде случае проще выполнить путем изменения оператора SQL. В различных СУБД состав операторов SQL может несколько отличаться.

Язык SQL не обладает функциями полноценного языка разработки, а ориентирован на доступ к данным, поэтому его включают в состав средств разработки программ. В этом случае его называют встроенным SQL. Стандарт языка SQL поддерживают современные реализации следующих языков программирования: PL/I, Ada, С, COBOL, Fortran, MUMPS и Pascal.

В специализированных системах разработки приложений типа клиент-сервер среда программирования, кроме того, обычно дополнена коммуникационными средствами (установление и разъединение соединений с серверами БД, обнаружение и обработка возникающих в сети ошибок и т. д.), средствами разработки пользовательских интерфейсов, средствами проектирования и отладки.

Различают два основных метода использования встроенного SQL:

статический

динамический.

При статическом использовании языка (статический SQL) в тексте программы имеются вызовы функций языка SQL, которые жестко включаются в выполняемый модуль после компиляции. Изменения в вызываемых функциях могут быть на уровне отдельных параметров вызовов с помощью переменных языка программирования. При динамическом использовании языка (динамический SQL) предполагается динамическое построение вызовов SQL-функций и интерпретация этих вызовов, например, обращение к данным удаленной базы, в ходе выполнения программы. Динамический метод обычно применяется в случаях, когда в приложении заранее неизвестен вид SQL-вызова и он строится в диалоге с пользователем.

Основным назначением языка SQL (как и других языков для работы с базами данных) является подготовка и выполнение запросов. В результате выборки данных из одной или нескольких таблиц может быть получено множество записей, называемое: представлением.

Представление по существу является таблицей, формируемой в результате выполнения запроса. Можно сказать, что оно является разновидностью хранимого запроса. По одним и тем же таблицам можно построить несколько представлений. Само представление описывается путем указания идентификатора представления и запроса, который должен быть выполнен для его получения.

Для удобства работы с представлениями в язык SQL введено понятие курсора. Курсор представляет собой своеобразный указатель, используемый для перемещения по наборам записей при их обработке. Описание и использование курсора в языке SQL выполняется следующим образом. В описательной части программы выполняют связывание переменной типа курсор (CURSOR) с оператором SQL (обычно с оператором SELECT). В выполняемой;, части программы производится открытие курсора (OPEN <имя курсора>), перемещение курсора по записям (FETCH <имя курсора>...), сопровождаемое соответствующей обработкой, и, наконец, закрытие курсора (CLOSE <имя курсора>).

Основные операторы языка

Опишем минимальное подмножество языка SQL, опираясь на его реализацию в стандартном интерфейсе ODBC (Open Database Connectivity - совместимость открытых баз данных) фирмы Microsoft. Операторы языка SQL можно условно разделить на два подъязыка: язык определения данных (Data Definition Language - DDL) и язык манипулирования данными (Data Manipulation Language - DML). Основные операторы языка SQL представлены в табл. 3.3. Рассмотрим формат и основные возможности важнейших операторов, за исключением специфических операторов, отмеченных в таблице символом "*". Несущественные операнды и элементы синтаксиса (например, принятое во многих системах программирования правило ставить ";" в конце оператора) будем опускать.

1. Оператор создания таблицы имеет формат:

CREATE TABLE <имя таблицы>

(<имя столбца> <тип данных> [NOT NULL]

[,<имя столбца> <тип данных> [NOT NULL]] ... )

5. Оператор удаления индекса имеет формат:

DROP INDEX <имя индекса>

Этот оператор позволяет удалять созданный ранее индекс с соответствующим именем. Так, например, для уничтожения индекса main_indx к таблице emp достаточно записать оператор DROP INDEX main_indx.

6. Оператор создания представления имеет формат:

CREATE VIEW <имя представления>

[(<имя столбца> [,<имя столбца> ]... )] AS <оператор SELECT>



Данный оператор позволяет создать представление. Если имена столбцов в представлении не указываются, то будут использоваться имена столбцов из запроса, описываемого соответствующим оператором SELECT.

Пример 4. Создание представления.

Пусть имеется таблица companies описания производителей товаров с полями:

comp_id (идентификатор компании)

comp_name (название организации)

comp_address (адрес) и phone (телефон)

а также таблица goods производимых товаров с полями: type (вид товара), comp_id (идентификатор компании), name (название товара) и price (цена товара).

Таблицы связаны между собой по полю comp_id. Требуется создать представление rерr с краткой информацией о товарах и их производителях: вид товара, название производителя и цена товара. Оператор определения представления может иметь следующий вид:

CREATE VIEW rерr AS SELECT goods.type, companies.comp_name, goods.price

FROM goods, companies WHERE goods.comp_id = companies.comp_id

7. Оператор удаления представления имеет формат вида:

DROP VIEW <имя представления>

Оператор позволяет удалить созданное ранее представление. Заметим, что при удалении представления таблицы, участвующие в запросе, удалению не подлежат. Удаление представления rерr производится оператором вида:



DROP VIEW repr.

8. Оператор выборки записей имеет формат вида:

SELECT [ALL | DISTINCT] <список данных>

FROM <список таблиц>

[WHERE <условие выборки>]

[GROUP BY <имя столбца> [,<имя столбца>]... ] [HAVING <условие поиска>]

[ORDER BY <спецификация> [,<снецификация>] ...]

Это наиболее важный оператор из всех операторов SQL. Функциональные возможности его огромны. Рассмотрим основные из них. Оператор SELECT позволяет производить выборку и вычисления над данными из одной или нескольких таблиц. Результатом выполнения оператора является ответная таблица, которая может иметь (ALL), или не иметь (DISTINCT) повторяющиеся строки. По умолчанию в ответную таблицу включаются все строки, в том числе и повторяющиеся. В отборе данных участвуют записи одной или нескольких таблиц, перечисленных в списке операнда FROM.

Список данных может содержать имена столбцов, участвующих в запросе, а также выражения над столбцами. В простейшем случае в выражениях можно записывать, имена столбцов, знаки арифметических операций (+, -,*,/), константы и круглые скобки. Если в списке данных записано выражение, то наряду с выборкой данных выполняются вычисления, результаты которого попадают в новый (создаваемый) столбец ответной таблицы.

При использовании в списках данных имен столбцов нескольких таблиц для указания принадлежности столбца некоторой таблице применяют конструкцию вида:

<имя та6лицы>.<имя столбца>.

Операнд WHERE задает условия, которым должны удовлетворять записи в результирующей таблице. Выражение <условие выборки> является логическим. Его элементами могут быть имена столбцов, операции сравнения, арифметические oneрации, логические связки (И, ИЛИ, НЕТ), скобки, специальные функции LIKE, NULL, IN и т. д.

Операнд GROUP BY позволяет выделять в результирующем множестве записей группы. Группой являются записи с совпадающими значениями в столбцах, перечисленных за ключевыми словами GROUP BY. Выделение групп требуется для использования в логических выражениях операндов WHERE и HAVING, а также для выполнения операций (вычислений) над группами.

В логических и арифметических выражениях можно использовать следующие групповые операции (функции): AVG (среднее значение в группе), МАХ (максимальное значение в группе), MIN (минимальное значение в группе), SUM (сумма значений в группе), COUNT (число значений в группе).

Операнд HAVING действует совместно с операндом GROUP BY и используется для дополнительной селекции записей во время определения групп. Правила записи <условия поиска> аналогичны правилам формирования <условия выборки> операнда WHERE.

Операнд ORDER BY задает порядок сортировки результирующего множества. Обычно каждая <спецификация> аналогична соответствующей конструкции оператора CREATE INDEX и представляет собой пару вида: <имя столбца> [ ASC | DESC ].

Замечание. Оператор SELECT может иметь и другие более сложные синтаксические конструкции. Одной из таких конструкций, например, являются так называемые подзапросы. Они позволяют формулировать вложенные запросы, когда результаты одного оператора SELECT используются в логическом выражении условия выборки операнда WHERE другого оператора SELECT.

Вторым примером более сложной формы оператора SELECT является оператор, в котором отобранные записи в дальнейшем предполагается модифицировать (конструкция FOR UPDATE OF). СУБД после выполнения такого оператора обычно блокирует (защищает) отобранные записи от модификации их другими пользователями.

Еще один случай специфического использования оператора SELECT - выполнение объединений результирующих таблиц при выполнении нескольких операторов SELECT (операнд UNION).

Пример 5. Выбор записей. Для таблицы ЕМР, имеющей поля: NAME (имя), SAL (зарплата), MGR (руководитель) и DEPT (отдел), требуется вывести имена сотрудников и размер их зарплаты, увеличенный на 100 единиц. Оператор выбора можно записать следующим образом:

SELECT name, sal+100 FROM emp.

Пример 6. Выбор с условием. Вывести названия таких отделов таблицы ЕМР, в которых в данный момент отсутствуют руководители. Оператор SELECT для этого запроса можно записать так:

SELECT dept FROM emp WHERE mgr is NULL.

Пример 7. Выбор с группированием. Пусть требуется найти минимальную и максимальную зарплаты для каждого из отделов (по таблице ЕМР). Оператор SELECT для этого запроса имеет вид:

SELECT dept, MIN(sal), MAX(sal) FROM emp GROUP BY dept.



9. Оператор изменения записей имеет формат:

UPDATE <имя та6лицы>

SET <имя столбца> " {<выражение> , NULL }

[, SET <имя столбца> ° {<выражение> , NULL }... ]

[WHERE <условие>]

Выполнение оператора UPDATE состоит в изменении значений в определенных операндом SET столбцах таблицы для тех записей, которые удовлетворяют условию, заданному операндом WHERE. Новые значения полей в записях могут быть пустыми (NULL), либо вычисляться в соответствии с арифметическим выражением. Правила записи арифметических и логических выражений аналогичны соответствующим правилам оператора SELECT.

Пример 8. Изменение записей. Пусть необходимо увеличить на 500 единиц зарплату тем служащим, которые получают не более 6000 (по таблице ЕМР). Запрос, сформулированный с помощью оператора SELECT, может выглядеть так:

UPDATE emp SET sal = 6500 WHERE sal <= 6000.

10. Оператор вставки новых записей имеет форматы двух видов:

INSERT INTO <имя таблицы> [(<список столбцов>)] VALUES (<список значений?-)

и

INSERT INTO <имя таблицы> [(<список столбцов>)] <предложение SELECT>



В первом формате оператор INSERT предназначен для ввода новых записей с заданными значениями в столбцах. Порядок перечисления имен столбцов должен со-. ответствовать порядку значений, перечисленных в списке операнда VALUES. Если <список столбцов> опущен, то в <списке значений> должны быть перечислены все значения в порядке столбцов структуры таблицы.

Во втором формате оператор INSERT предназначен для ввода в заданную таблицy новых строк, отобранных из другой таблицы с помощью предложения SELECT.

Пример 9. Ввод записей. Ввести в таблицу ЕМР запись о новом сотруднике. Для этого можно записать, такой оператор вида:

INSERT INTO emp VALUES ("Ivanov", 7500, "Lee", "cosmetics").

11. Оператор удаления записей имеет формат:

DELETE FROM <имя таблицы> [WHERE <условие>]

Результатом выполнения оператора DELETE является удаление из указанной таблицы строк, которые удовлетворяют условию, определенному операндом WHERE. Если необязательный операнд WHERE опущен, т. е. условие отбора удаляемых записей отсутствует, удалению подлежат все записи таблицы.

Пример 10. Удаление записей. В связис ликвидацией отдела игрушек (toy), требуется удалить из таблицы ЕМР всех сотрудников этого отдела. Оператор DELETE для этой задачи будет выглядеть так:

DELETE FROM emp WHERE dept = "toy".



В заключение отметим, что, по словам Дейта, язык SQL является гибридом реляционной алгебры и реляционного исчисления. В нем имеются элементы алгебры (оператор объединения UNION) и исчисления (квантор существования EXISTS). Кроме того, язык SQL обладает реляционной полнотой.



4. Информационные системы в сетях

Создание и применение информационных систем в сетях компьютеров, с одной стороны дает заметные преимущества, с другой стороны, вызывает ряд проблем. В частности, возникают проблемы администрирования и защиты информации. В разделе рассматриваются основные понятия, связанные с сетями компьютеров и информационными системами в них, варианты архитектуры клиент-сервер, управление данными и доступ к ним, особенности информационных систем в локальных сетях, Internet и intranet.

4.1 Основные понятия

Основные понятия сетей ЭВМ раскроем, рассматривая виды и состав сетей, используемое программное и аппаратное обеспечение, а также методы управления ресурсами.

Виды и состав сетей

Сетью называется совокупность компьютеров или рабочих станций (PC), объединенных средствами передачи данных. Средства передачи данных, в свою очередь, в общем случае могут состоять из следующих элементов: связных компьютеров, каналов связи (спутниковых, телефонных, цифровых, волоконно-оптических, радио- и / других), коммутирующей аппаратуры, ретрансляторов, различного рода преобразователей сигналов и других элементов и устройств. Современные сети можно классифицировать по различным признакам: по удаленности компьютеров, топологии, назначению, перечню предоставляемых услуг, принципам управлений (централизованные и децентрализованные), методам коммутации (без коммутации, телефонная коммутация, коммутация цепей, сообщений, пакетов и дейтаграмм), видам среды передачи и т.д.

В зависимости от удаленности компьютеров сети условно разделяют на локальные и глобальные.

Произвольная глобальная сеть может включать другие глобальные сети, локальные сети, а также отдельно подключаемые к ней компьютеры (удаленные компьютеры) или отдельно подключаемые устройства ввода-вывода. Глобальные сети различают четырех основных видов: городские, региональные, национальные и транснациональные. В качестве устройств ввода-вывода могут использоваться, например, печатающие и копирующие устройства, кассовые и банковские аппараты, дисплеи (терминалы) и факсы. Перечисленные элементы сети могут быть удалены друг от друга на значительное расстояние.

Примером глобальной сети служит одна из первых в мире сеть ARPANET, а также сеть Интернет.

В локальных вычислительных сетях (ЛВС) компьютеры расположены на расстоянии до нескольких километров и обычно соединены при помощи скоростных линий связи со скоростью обмена от 1 до 10 и более Мбитов/с (не исключается соединение компьютеров и с помощью низкоскоростных телефонных линий). ЛВС обычно развертываются в рамках некоторой организации (корпорации, учреждения). Поэтому их иногда называют корпоративными системами или сетями. Компьютеры при этом, как правило, находятся в пределах одного помещения, здания или соседних зданий.

В глобальной сети основным видом взаимодействия между независимыми компьютерами является обмен сообщениями. Более интенсивный обмен информацией происходит в локальных сетях. В них, по существу, организовано управление аппаратно-программными ресурсами всех входящих в сеть компьютеров. Реализует эти функции сетевое ПО. Вкратце остановимся на программно-аппаратных ресурсах и методах управления ими в ЛВС.

Программное обеспечение ЛВС

Независимо от того, в какой сети работает некоторый компьютер, функции установленного на нем программного обеспечения условно можно разделить на две группы:

управление ресурсами самого компьютера (в том числе и в интересах решения задач для других компьютеров)

управление обменом с другими компьютерами (сетевые функции).

Собственными ресурсами компьютера традиционно управляет ОС. Функции сетевого управления реализует сетевое ПО, которое может быть выполнено как в виде отдельных пакетов сетевых программ, так и виде сетевой ОС (СОС). При разработке сетевого ПО используется иерархический подход, предполагающий определение совокупности сравнительно независимых уровней и интерфейсов между ними. Это позволяет легко модифицировать алгоритмы программ произвольного уровня без существенного изменения других уровней. В общем случае допускается упрощение функций некоторого уровня или даже его полная ликвидация.

Для упорядочения разработки сетевого ПО и обеспечения возможности взаимодействия любых вычислительных систем, Международная Организация по Стандартизации (International Organization for Standardization - ISO) разработала Эталонную Модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection Reference model - модель OSI).

Эталонная Модель определяет следующие семь функциональных уровней:

физический (physical layer);

канальный или управления линией (звеном) передачи (data link);

сетевой (network layer);

транспортный (transport layer);

сеансовый (session layer);

представительный (presentation layer);

прикладной или уровень приложений (application layer).

Отличия сетей друг от друга вызваны особенностями используемого аппаратного и программного обеспечения, различной интерпретацией рекомендаций фирмами-разработчиками, различием требований к системе со стороны решаемых задач (требования защищенности информации, скорости обмена, безошибочности передачи данных и т.д.) и другими причинами. В сетевом ПО локальных сетей часто наблюдается сокращение числа реализуемых уровней.

Аппаратные средства ЛВС

Основными аппаратными компонентами ЛВС являются: рабочие станции, серверы, интерфейсные платы и кабели.

Рабочие станции (PC) - это, как правило, персональные ЭВМ, которые являются рабочими местами пользователей сети. Иногда в PC, непосредственно подключенной к сетевому кабелю, могут отсутствовать накопители на магнитных дисках. Такие PC называют бездисковыми рабочими станциями. Основным преимуществом бездисковых PC является низкая стоимость, а также высокая защищенность от несанкционированного проникновения в систему пользователей и компьютерных вирусов. Недостаток бездисковой PC заключается в невозможности работать в автономном режиме (без подключения к серверу) и иметь собственные архивы данных и программ.

Серверы в ЛВС выполняют функции распределения сетевых ресурсов. Обычно его функции возлагают на достаточно мощный ПК, мини-ЭВМ, большую ЭВМ или специальную ЭВМ-сервер. В одной сети может быть один или несколько серверов. Каждый из серверов может быть отдельным или совмещенным с PC. В последнем случае только часть ресурсов сервера оказывается общедоступной.

При наличии в ЛВС нескольких серверов, каждый из них управляет работой подключенных к нему PC. Совокупность компьютеров сервера и относящихся к нему PC часто называют доменом. Иногда в одном домене находится несколько серверов. Обычно один из них является главным, а другие - выполняют роль резерва (на случай отказа главного сервера) или логического расширения основного сервера.

Используемые сетевые адаптеры имеют три основные характеристики: тип шины компьютера, к которому они подключаются (ISA, EISA, Micro Channel и пр.), разрядность (8, 16, 32, 64) и используемый метод доступа к сетевому каналу данных.

Существуют различные схемы объединения компьютеров в ЛВС. Классическими считаются топологии "звезда", "кольцо" и "общая шина". Наиболее широко используются следующие стандартизованные методы доступа к сетевому каналу:

Ethernet (поддерживает шинную топологию);

Arcnet (поддерживает звездную топологию);

Token-Ring (поддерживает кольцевую топологию).

Конфигурация соединения элементов в сеть (топология) во многом определяет такие важнейшие характеристики сети, как ее надежность, производительность, стоимость, защищенность и т.д.

Одним из подходов к классификации топологий ЛВС является выделение двух основных классов топологий:

широковещательных

последовательных.

В широковещательных конфигурациях каждый персональный компьютер передает сигналы, которые могут быть восприняты остальными компьютерами. К таким конфигурациям относятся топологии "общая шина", "дерево", "звезда с пассивным центром". Сеть типа "звезда с пассивным центром" можно рассматривать как разновидность "дерева", имеющего корень с ответвлением к каждому подключенному устройству.

В последовательных конфигурациях каждый физический подуровень передает информацию одному компьютеру. Примерами последовательных конфигураций являются: произвольная (произвольное соединение компьютеров), иерархическая, "кольцо", "цепочка", "звезда с интеллектуальным центром", "снежинка".

Для соединения компьютеров в ЛВС чаще всего используют коаксиальный кабель (тонкий и толстый). Помимо коаксиального кабеля может применяться "витая пара" и оптоволокно. В последнее время ведутся интенсивные работы по разработке и внедрению беспроводных радиосетей. Известные системы на их основе, по сравнению с кабельными системами, пока значительно уступают по скорости передачи данных и дальности приема (сотни метров), но позволяют создавать мобильные распределенные системы.

К дополнительному оборудованию ЛВС относят источники бесперебойного питания, модемы, трансиверы, повторители, а также различные разъемы (коннекторы, терминаторы).

Принципы управления

Существует два основных метода (принципа) управления в ЛВС:

централизованное

децентрализованное.

В централизованных сетях одна или несколько ПЭВМ являются центральными, а остальные - рабочими станциями (PC). Центральный узел сети, часто называемый компьютером-сервером (КС), может находиться на отдельном компьютере или совмещаться с PC. В первом случае говорят о выделенном КС, а во втором - о совмещенном КС. Основное назначение КС - управление передачей данных в сети и хранение файлов, используемых многими PC. Исходя из этого, под КС обычно выделяют наиболее производительную и имеющую значительную память ПЭВМ. Кроме того, к КС обычно подключается дорогостоящее оборудование (лазерные принтеры, факсы, модемы, сканеры и т. д.). Существует множество сетевых ОС, реализующих централизованное управление. Среди них Microsoft Windows NT Server, Novell NetWare (версии З.Х и 4.Х), Microsoft Lan Manager, OS/2 Warp Server Advanced, VINES 6.0 и другие.

Преимуществом централизованных сетей является высокая защищенность сетевых ресурсов от несанкционированного доступа, удобство администрирования сети, возможность создания сетей с большим числом узлов. Основной недостаток состоит в уязвимости системы при нарушении работоспособности файл-сервера (это преодолевается при наличии нескольких серверов или принятии других мер), а также в предъявлении довольно высоких требований к ресурсам серверов.

Сети с децентрализованным управлением (одноранговые сети) не содержат КС. В них функции управления сетью в соответствии с некоторой дисциплиной поочередно передаются от одной PC к другой. Децентрализованное управление, как правило, применяется в сетях со слабыми компьютерами и простейшими обменами между ними" на уровне файлов, а также без серьезного контроля прав доступа к ресурсам сети. Основные ресурсы всех PC обычно оказываются общедоступными, хотя система не всегда обеспечивает корректное их совместное использование на прикладном уровне.

Наиболее распространенными программными продуктами, позволяющими строить одноранговые сети, являются следующие программы и пакеты: Novell NetWare Lite, Windows for Workgroups, Windows 95/98, Artisoft LANtastic, LANsmart, Invisible Software NET-30 и другие.

Развертывание одноранговой сети для небольшого числа PC часто позволяет построить более эффективную и живучую распределенную вычислительную среду. Сетевое программное обеспечение в них является более простым по сравнению с централизованными сетями. Здесь не требуется установка файл-сервера (компьютера и соответствующих программ), что существенно удешевляет систему. Однако, такие сети слабее с точки зрения защиты информации и администрирования.

Говоря о сетях, часто используют термины "сервер" и "клиент". Любое взаимодействие в сети предполагает как минимум два элемента: потребляющий и предоставляющий ресурсы (сервис или услуги). Потребитель ресурсов называется клиентом, а предоставляющий ресурсы компонент - сервером (см. раздел 1). Основными видами ресурсов являются следующие: аппаратные (целая ЭВМ, дисковый накопитель, устройство печати и т. д.), программные и информационные.

Если в качестве ресурса рассматривается вся ЭВМ, то говорят о компьютере-клиенте и компьютере-сервере. Если подразумевается некоторый аппаратный ресурс, то используют такие термины как: диск-сервер (файловый сервер или файл-сервер), сервер печати. Типичными клиентами в сетях являются: ЭВМ, пользователь или программа.

Возможно уточнение назначения компьютера при обработке информации. Тогда говорят о серверах сообщений (обработка поступающих сообщений), серверах БД (обработка запросов к БД), серверах приложений (выполнение приложений пользователя) и т. д.

Иногда одним термином называют разные (аппаратные, программные или аппаратно-программные) компоненты вычислительной системы. Так, сервером печати может служить компьютер с подключенным к нему принтером, программа печати или компьютер с программным обеспечением управления печатью.

4.2 Модели архитектуры клиент-сервер

При построении распределенных ИС, работающих с БД, широко используется архитектура клиент-сервер. Ее основу составляют принципы организации взаимодействия клиента и сервера при управлении БД. Один из вариантов архитектуры клиент-сервер рассмотрен в подразделе 1.2. Чтобы охарактеризовать основные схемы взаимодействия процессов управления БД, воспользуемся Эталонной моделью Архитектуры открытых систем OSI. Согласно этой модели, функция управления БД относится к прикладному уровню.

Остановимся на двух самых верхних уровнях: прикладном и представительном, которые в наибольшей степени являются предметом внимания со стороны разработчика и пользователя. Остальные функции будем считать связными функциями, необходимыми для реализации двух первых. При этом будем придерживаться широкого толкования термина СУБД, понимая под ним все программные системы, которые используют информацию из БД.

Как поддерживающая интерфейс с пользователем программа, СУБД, в общем случае, реализует следующие основные функции:

управление данными, находящимися в базе;

обработка информации с помощью прикладных программ;

представление информации в удобном для пользователя виде.

Если система размещается на одной ЭВМ, то все функции собраны в одной программе и вызываются по схеме, подобной рассмотренной в разделе 1.

При размещении СУБД в сети возможны различные варианты распределение функций по узлам. В зависимости от числа узлов сети, между которыми выполняется распределение функций СУБД, можно выделить двухзвенные модели, трехзвенные модели и т. д. Место разрыва функций соединяется коммуникационными функциями (средой передачи информации в сети).

Двухзвенные модели распределения функций

Двухзвенные модели соответствуют распределению функций СУБД между двумя узлами сети. Компьютер (узел сети), на котором обязательно присутствует функция управления данными, назовем компьютером-сервером. Компьютер, близкий к, пользователю и обязательно занимающийся вопросами представления информации, назовем компьютером-клиентом.

Наиболее типичными вариантами разделения функций между компьютером-сервером и компьютером-клиентом являются следующие:

распределенное представление;

удаленное представление;

распределенная функция;

удаленный доступ к данным;

распределенная БД.

Перечисленные способы распределения функций в системах с архитектурой клиент-сервер иллюстрируют различные варианты: от мощного сервера, когда практически вся работа производится на нем, до мощного клиента, когда большая часть функций выполняется на рабочей станции, а сервер обрабатывает поступающие к нему по сети SQL-вызовы.

В моделях удаленного доступа к данным и удаленного представления производится строгое распределение функций между компьютером-клиентом и компьютером-сервером. В других моделях имеет место выполнение одной из следующих функций одновременно на двух компьютерах: управления данными (модель распределенной БД), обработки информации (модель распределенной функции), представления информации (модель распределенного представления).

Рассмотрим сначала модели удаленного доступа к данным и удаленного представления (сервера БД) как наиболее широко распространенные.

В модели удаленного доступа к данным (Remote Data Access - RDA) программы, реализующие функции представления информации и логику прикладной обработки, совмещены и выполняются на компьютере-клиенте. Обращение за сервисом управления данными происходит через среду передачи с помощью операторов языка SQL или вызовом функций специальной библиотеки API (Application Programming Interface - интерфейса прикладного программирования).

Основное достоинство RDA-модели состоит в большом обилии готовых СУБД, имеющих SQL-ннтерфейсы, и существующих инструментальных средств, обеспечивающих быстрое создание программ клиентской части. Средства разработки чаще всего поддерживают графический интерфейс пользователя в MS Windows, стандарт интерфейса ODBC и средства автоматической генерации кода. Подавляющее большинство средств разработки использует языки четвертого поколения.

Недостатками RDA-модели являются, во-первых, довольно высокая загрузка системы передачи данных вследствие того, что вся логика сосредоточена в приложении, а обрабатываемые данные расположены на удаленном узле. Как увидим далее, во время работы приложений обычно по сети передаются целые БД.

Во-вторых, системы, построенные на основе модели RDA, неудобны с точки зрения разработки, модификации и сопровождения. Основная причина состоит в том, что в получаемых приложениях прикладные функции и функции представления тесно взаимосвязаны. Поэтому даже при незначительном изменении функций системы требуется переделка всей прикладной ее части, усложняющая разработку и модификацию системы.

Модель сервера БД (DataBase Server - DBS) отличается от предыдущей модели тем, что функции компьютера-клиента ограничиваются функциями представления информации, в то время как прикладные функции обеспечиваются приложением, находящимся на компьютере-сервере. Эта модель является более технологичной, чем RDA-модель и применяется в таких СУБД, как Ingress, Sybase и Oracle. При этом приложения реализуются в виде хранимых процедур.

Процедуры обычно хранятся в словаре БД и разделяются несколькими клиентами. В общем случае хранимые процедуры могут выполняться в режимах компиляции и интерпретации.

Достоинствами модели DBS являются: возможность хорошего централизованного администрирования приложений на этапах разработки, сопровождения и модификации, а также эффективное использование вычислительных и коммуникационных ресурсов. Последнее достигается за счет того, что выполнение программ в режиме коллективного пользования требует существенно меньших затрат на пересылку данных в сети.