База данных

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Министерство образования и науки РФ

Шахтинский институт (филиал) ГОУ ВПО

Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт)

КАФЕДРА ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ

Конспект лекций по дисциплине

«Базы данных»

Беленченко В.М.

Шахты 2010

Содержание

1. Введение в базы данных

1.1 Базы данных и информационные системы

1.2 Архитектура информационной системы

1.3 Системы управления базами данных

1.4 Локальные информационные системы

1.5 Способы разработки и выполнения приложений

1.6 Схема обмена данными при работе с БД

2. Модели и типы данных

2.1 Иерархическая модель

2.2 Сетевая модель

2.3 Реляционная модель

2.4 Постреляционная модель

2.5 Многомерная модель

2.6 Объектно-ориентированная модель

2.7 Типы данных

3. Реляционная модель данных

3.1 Определение реляционной модели

3.2 Индексирование

3.3 Связывание таблиц

3.4 Контроль целостности связей

3.5 Теоретические языки запросов

3.6 Реляционная алгебра

3.7 Структурированный язык запросов SQL

4. Информационные системы в сетях

4.1 Основные понятия

4.2 Модели архитектуры клиент-сервер

4.3 Управление распределенными данными

4.4 Информационные системы в локальных сетях

4.5 Информационные системы в Internet и intranet

5. Проектирование баз данных

5.1 Проблемы проектирования

5.2 Метод нормальных форм

6. Перспективы развития БД и СУБД

1. Введение в базы данных

база данные запрос сеть

Рассматриваются базы данных и информационные системы. Описываются основные понятия баз данных и систем управления базами данных. Дается характеристика вариантов организации информационной системы по архитектуре клиент-сервер. Приводится классификация СУБД, и описываются основные их функции. Рассматриваются варианты создания приложений и организации взаимодействия пользователей с информационными системами.

1.1 Базы данных и информационные системы

В основе решения многих задач лежит обработка информации. Для облегчения обработки информации создаются информационные системы (ИС). Автоматизированными называют ИС, в которых применяют технические средства, в частности ЭВМ. Большинство существующих ИС являются автоматизированными, поэтому для краткости просто будем называть их ИС.

В широком понимании под определение ИС подпадает любая система обработки информации. По области применения ИС можно разделить на системы, используемые в производстве, образовании, здравоохранении, науке, военном деле, социальной сфере, торговле и других отраслях. По целевой функции ИС можно условно разделить на следующие основные категории: управляющие, информационно-справочные, поддержки принятия решений.

Заметим, что иногда используется более узкая трактовка понятия ИС как совокупности аппаратно-программных средств, задействованных для решения некоторой прикладной задачи. В организации, например, могут существовать информационные системы, на которых соответственно возложены следующие задачи: учет кадров и материально-технических средств, расчет с поставщиками и заказчиками, бухгалтерский учет и т. п.

Банк данных является разновидностью ИС, в которой реализованы функции централизованного хранения и накопления обрабатываемой информации, организованной в одну или несколько баз данных. Банк данных (БнД) в общем случае состоит из следующих компонентов: базы (нескольких баз) данных, системы управления базами данных, словаря данных, администратора, вычислительной системы и обслуживающего персонала. Вкратце рассмотрим названные компоненты и некоторые связанные с ними важные понятия.

База данных (БД) представляет собой совокупность специальным образом организованных данных, хранимых в памяти вычислительной системы и отображающих состояние объектов и их взаимосвязей в рассматриваемой предметной области.

Логическую структуру хранимых в базе данных называют моделью представления данных. К основным моделям представления данных (моделям данных) относятся следующие: иерархическая, сетевая, реляционная, постреляционная, многомерная и объектно-ориентированная (см. раздел 2).

Система управления базами данных (СУБД) - это комплекс языковых и программных средств, предназначенный для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями. Обычно СУБД различают по используемой модели данных. Так, СУБД, основанные на использовании реляционной модели данных, называют реляционными СУБД.

Одними из первых СУБД являются следующие системы: IMS (IBM, 1968 г.), IDMS (Cullinet, 1971 г.), ADABAS (Software AG, 1969 г.) и ИНЭС (ВНИИСИ АН СССР, 1976 г.). Количество современных систем управления базами данных исчисляется тысячами.

Приложение представляет собой программу или комплекс программ, обеспечивающих автоматизацию обработки информации для прикладной задачи. Нами рассматриваются приложения, использующие БД. Приложения могут создаваться в среде или вне среды СУБД - с помощью системы программирования, использующей средства доступа к БД, к примеру, Delphi или C++ Builder. Приложения, разработанные в среде СУБД, часто называют приложениями СУБД, а приложения, разработанные вне СУБД, - внешними приложениями.

Для работы с базой данных зачастую достаточно средств СУБД и не нужно использовать приложения, создание которых требует программирования. Приложения разрабатывают главным образом в случаях, когда требуется обеспечить удобство работы с БД неквалифицированным пользователям или интерфейс СУБД не устраивает пользователей.

Словарь данных (СД) представляет собой подсистему БнД, предназначенную для централизованного хранения информации о структурах данных, взаимосвязях файлов БД друг с другом, типах данных и форматах их представления, принадлежности данных пользователям, кодах защиты и разграничения доступа и т.п. Функционально СД присутствует во всех БнД, но не всегда выполняющий эти функции компонент имеет именно такое название. Чаще всего функции СД выполняются СУБД и вызываются из основного меню системы или реализуются с помощью ее утилит.

Администратор базы данных (АБД) есть лицо или группа лиц, отвечающих за выработку требований к БД, ее проектирование, создание, эффективное использование и сопровождение. В процессе эксплуатации АБД обычно следит за функционированием информационной системы, обеспечивает защиту от несанкционированного доступа, контролирует избыточность, непротиворечивость, сохранность и достоверность хранимой в БД информации. Для однопользовательских информационных систем функции АБД обычно возлагаются на лиц, непосредственно работающих с приложением БД.

В вычислительной сети АБД, как правило, взаимодействует с администратором сети. В обязанности последнего входят контроль за функционированием аппаратно-программных средств сети, реконфигурация сети, восстановление программного обеспечения после сбоев и отказов оборудования, профилактические мероприятия и обеспечение разграничения доступа.

Вычислительная система (ВС) представляет собой совокупность взаимосвязанных и согласованно действующих ЭВМ или процессоров и других устройств, обеспечивающих автоматизацию процессов приема, обработки и выдачи информации потребителям. Поскольку основными функциями БнД являются хранение и обработка данных, то используемая ВС, наряду с приемлемой мощностью центральных процессоров (ЦП) должна иметь достаточный объем оперативной и внешней памяти прямого доступа.

Обслуживающий персонал выполняет функции поддержания технических и программных средств в работоспособном состоянии. Он проводит профилактические, регламентные, восстановительные и другие работы по планам, а также по мере необходимости.

1.2 Архитектура информационной системы

Эффективность функционирования информационной системы (ИС) во многом зависит от ее архитектуры. В настоящее время перспективной является архитектура клиент-сервер. В достаточно распространенном варианте она предполагает наличие компьютерной сети и распределенной базы данных, включающей корпоративную базу данных (КБД) и персональные базы данных (ПБД). КБД размещается на компьютере-сервере, ПБД размещаются на компьютерах сотрудников подразделений, являющихся клиентами корпоративной БД.

Сервером определенного ресурса в компьютерной сети называется компьютер (программа), управляющий этим ресурсом, клиентом - компьютер (программа), использующий этот ресурс. В качестве ресурса компьютерной сети могут выступать, к примеру, базы данных, файловые системы, службы печати, почтовые службы. Тип сервера определяется видом ресурса, которым он управляет. Например, если управляемым ресурсом является база данных, то соответствующий сервер называется сервером базы данных.

Достоинством организации информационной системы по архитектуре клиент-сервер является удачное сочетание централизованного хранения, обслуживания и коллективного доступа к общей корпоративной информации с индивидуальной работой пользователей над персональной информацией. Архитектура клиент-сервер допускает различные варианты реализации.

Исторически первыми появились распределенные ИС с применением файл-сервера (рис. 1.1). В таких ИС по запросам пользователей файлы базы данных передаются на персональные компьютеры (ПК), где и производится их обработка. Недостатком такого варианта архитектуры является высокая интенсивность передачи обрабатываемых данных. Причем, зачастую передаются избыточные данные: вне зависимости от того, сколько записей из базы данных требуется пользователю, файлы базы данных передаются целиком.

Структура распределенной ИС, построенной по архитектуре клиент-сервер с использованием сервера баз данных, показана на рис. 1.2. При такой архитектуре сервер базы данных обеспечивает выполнение основного объема обработки данных. Формируемые пользователем или приложением запросы поступают к серверу БД в виде инструкций языка SQL. Сервер базы данных выполняет поиск и извлечение нужных данных, которые затем передаются на компьютер пользователя. Достоинством такого подхода в сравнении предыдущим является заметно меньший объем передаваемых данных. Основные варианты построения распределенных БД по архитектуре клиент-сервер рассматриваются в разделе 4.

Для создания и управления персональными БД и приложений, работающих с ними, используются СУБД, такие как Access и Visual FoxPro фирмы Microsoft, Paradox фирмы Borland.

Корпоративная БД создается, поддерживается и функционирует под управлением сервера БД, например, Microsoft SQL Server или Oracle Server.

В зависимости от размеров организации и особенностей решаемых задач информационная система может иметь одну из следующих конфигураций:

компьютер-сервер, содержащий корпоративную и персональные базы;

компьютер-сервер и персональные компьютеры с ПБД;

несколько компьютеров-серверов и персональных компьютеров с ПБД.

Использование архитектуры клиент-сервер дает возможность постепенного наращивания информационной системы предприятия, во-первых, по мере развития предприятия; во-вторых, по мере развития самой информационной системы.

Разделение общей БД на корпоративную БД и персональные БД позволяет уменьшить сложность проектирования БД по сравнению с централизованным вариантом, а значит снизить вероятность ошибок при проектировании и стоимость проектирования.

Важнейшим достоинством применения БД в информационных системах является обеспечение независимости данных от прикладных программ.

Это дает возможность пользователям не заниматься проблемами представления данных на физическом уровне: размещения данных в памяти, методов доступа к ним и т. д.

Такая независимость достигается поддерживаемым СУБД многоуровневым представлением данных в БД на логическом (пользовательском) и физическом уровнях.

Благодаря СУБД и наличию логического уровня представления данных обеспечивается отделение концептуальной (понятийной) модели БД от ее физического представления в памяти ЭВМ.

1.3 Системы управления базами данных

В этом подразделе приводится классификация СУБД, и рассматриваются основные их функции. В качестве основных классификационных признаков можно использовать следующие: вид программы, характер использования, модель данных. Названные признаки существенно влияют на целевой выбор СУБД и эффективность использования разрабатываемой информационной системы.

Классификация СУБД. В общем случае под СУБД можно понимать любой программный продукт, поддерживающий процессы создания, ведения и использования БД. Рассмотрим какие из имеющихся на рынке программ имеют отношение к БД и в какой мере они связаны с базами данных.

К СУБД относятся следующие основные виды программ:

полнофункциональные СУБД;

серверы БД;

клиенты БД;

средства разработки программ работы с БД.

Полнофункциональные СУБД (ПФСУБД) представляют собой традиционные СУБД, которые сначала появились для больших машин, затем для мини-машин и для ПЭВМ. Из числа всех СУБД современные ПФСУБД являются наиболее многочисленными и мощными по своим возможностям. К ПФСУБД относятся, например, такие пакеты как: Clarion Database Developer, DataBase, Dataplex, dBase IV, Microsoft Access, Microsoft FoxPro и Paradox R: BASE.

Обычно ПФСУБД имеют развитый интерфейс, позволяющий с помощью команд меню выполнять основные действия с БД: создавать и модифицировать структуры таблиц, вводить данные, формировать запросы, разрабатывать отчеты, выводить их на печать и т. п. Для создания запросов и отчетов не обязательно программирование, а удобно пользоваться языком QBE (Query By Example - формулировки запросов по образцу, см. подраздел 3.8). Многие ПФСУБД включают средства программирования для профессиональных разработчиков.

Некоторые системы имеют в качестве вспомогательных и дополнительные средства проектирования схем БД или CASE-подсистемы. Для обеспечения доступа к другим БД или к данным SQL-серверов полнофункциональные СУБД имеют факультативные модули.

Серверы БД предназначены для организации центров обработки данных в сетях ЭВМ. Эта группа БД в настоящее время менее многочисленна, но их количество постепенно растет. Серверы БД реализуют функции управления базами данных, запрашиваемые другими (клиентскими) программами обычно с помощью операторов SQL. Примерами серверов БД являются следующие программы: NetWare SQL (Novell), MS SQL Server (Microsoft), InterBase (Borland), SQLBase Server (Gupta), Intelligent Database (Ingress).

В роли клиентских программ для серверов БД в общем случае могут использоваться различные программы: ПФСУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры, программы электронной почты и т. д. При этом элементы пары "клиент - сервер" могут принадлежать одному или разным производителям программного обеспечения.

В случае, когда клиентская и серверная части выполнены одной фирмой, естественно ожидать, что распределение функций между ними выполнено рационально. В остальных случаях обычно преследуется цель обеспечения доступа к данным "любой ценой". Примером такого соединения является случай, когда одна из полнофункциональных СУБД играет роль сервера, а вторая СУБД (другого производителя) - роль клиента. Так, для сервера БД SQL Server (Microsoft) в роли клиентских (фронтальных) программ могут выступать многие СУБД, такие как: dBASE IV, Biyth Software, Paradox, DataEase, Focus, 1-2-3, MDBS III, Revelation и другие.

Средства разработки программ работы с БД могут использоваться для создания разновидностей следующих программ:

клиентских программ;

серверов БД и их отдельных компонентов;

пользовательских приложений.

Программы первого и второго вида довольно малочисленны, так как предназначены, главным образом, для системных программистов. Пакетов третьего вида гораздо больше, но меньше, чем полнофункциональных СУБД.

К средствам разработки пользовательских приложений относятся системы программирования, например Clipper, разнообразные библиотеки программ для различных языков программирования, а также пакеты автоматизации разработок (в том числе систем типа клиент-сервер). В числе наиболее распространенных можно назвать следующие инструментальные системы: Delphi и Power Builder (Borland), Visual Basic (Microsoft), SILVERRUN (Computer Advisers Inc.), S-Designor (SDP и Powersoft) и ERwin (LogicWorks).

Кроме перечисленных средств, для управления данными и организации обслуживания БД используются различные дополнительные средства, к примеру, мониторы транзакций (см. подраздел 4.2).

По характеру использования СУБД делят на персональные и многопользовательские.

Персональные СУ БД обычно обеспечивают возможность создания персональных БД и недорогих приложений, работающих с ними. Персональные СУБД или разработанные с их помощью приложения зачастую могут выступать в роли клиентской части многопользовательской СУБД. К персональным СУБД, например, относятся Visual FoxPro, Paradox, Clipper, dBase, Access и др.

Многопользовательские СУБД включают в себя сервер БД и клиентскую часть и, как правило, могут работать в неоднородной вычислительной среде (с разными типами ЭВМ и операционными системами). К многопользовательским СУБД относятся, например, СУБД Oracle и Informix.

По используемой модели данных СУБД (как и БД), разделяют на иерархические, сетевые, реляционные, объектно-ориентированные и другие типы. Некоторые СУБД могут одновременно поддерживать несколько моделей данных.

С точки зрения пользователя, СУБД реализует функции хранения, изменения (пополнения, редактирования и удаления) и обработки информации, а также разработки и получения различных выходных документов.

Для работы с хранящейся в базе данных информацией СУБД предоставляет программам и пользователям следующие два типа языков:

язык описания данных - высокоуровневый непроцедурный язык декларативного типа, предназначенный для описания логической структуры данных;

язык манипулирования данными - совокупность конструкций, обеспечивающих выполнение основных операций по работе с данными: ввод, модификацию и выборку данных по запросам.

Названные языки в различных СУБД могут иметь отличия. Наибольшее распространение получили два стандартизованных языка: QBE (Query By Example) - язык запросов по образцу и SQL (Structured Query Language) - структурированный язык запросов. QBE в основном обладает свойствами языка манипулирования данными, SQL сочетает в себе свойства языков обоих типов - описания и манипулирования данными.

Перечисленные выше функции СУБД, в свою очередь, используют следующие основные функции более низкого уровня, которые назовем низкоуровневыми:

управление данными во внешней памяти;

управление буферами оперативной памяти;

управление транзакциями;

ведение журнала изменений в БД;

обеспечение целостности и безопасности БД.

Дадим краткую характеристику необходимости и особенностям реализации перечисленных функций в современных СУБД.

Реализация функции управления данными во внешней памяти в разных системах может различаться и на уровне управления ресурсами (используя файловые системы ОС или непосредственное управление устройствами ПЭВМ), и по логике самих алгоритмов управления данными. В основном методы и алгоритмы управления данными являются "внутренним делом" СУБД и прямого отношения к пользователю не имеют. Качество реализации этой функции наиболее сильно влияет на эффективность работы специфических ИС, например, с огромными БД, со сложными запросами, большим объемом обработки данных.

Необходимость буферизации данных и как следствие реализации функции управления буферами оперативной памяти обусловлено тем, что объем оперативной памяти меньше объема внешней памяти.

Буферы представляют собой области оперативной памяти, предназначенные для ускорения обмена между внешней и оперативной памятью. В буферах временно хранятся фрагменты БД, данные из которых предполагается использовать при обращении к СУБД или планируется записать в базу после обработки.

Механизм транзакций используется в СУБД для поддержания целостности данных в базе. Транзакцией называется некоторая неделимая последовательность операций над данными БД, которая отслеживается СУБД от начала и до завершения. Если по каким-либо причинам (сбои и отказы оборудования, ошибки в программ- / ном обеспечении, включая приложение) транзакция остается незавершенной, то она отменяется.

Говорят, что транзакции присущи три основных свойства:

атомарность (выполняются все входящие в транзакцию операции или ни одна);

сериализуемость (отсутствует взаимное влияние выполняемых в одно и то же время транзакций);

долговечность (даже крах системы не приводит к утрате результатов зафиксированной транзакции).

Примером транзакции является операция перевода денег с одного счета на другой в банковской системе. Здесь необходим, по крайней мере, двухшаговый процесс. Сначала снимают деньги с одного счета, затем добавляют их к другому счету. Если хотя бы одно из действий не выполнится успешно, результат операции окажется неверным и будет нарушен баланс между счетами.

Контроль транзакций важен в однопользовательских и в многопользовательских СУБД, где транзакции могут быть запущены параллельно. В последнем случае говорят о сериализуемости транзакций. Под сериализацией параллельно выполняемых транзакций понимается составление такого плана их выполнения (сериального плана), при котором суммарный эффект реализации транзакций эквивалентен эффекту их последовательного выполнения.

При параллельном выполнении смеси транзакций возможно возникновение конфликтов (блокировок), разрешение которых является функцией СУБД. При обнаружении таких случаев обычно производится "откат" путем отмены изменений, произведенных одной или несколькими транзакциями.

Ведение журнала изменений в БД (журнализация изменений) выполняется СУБД для обеспечения надежности хранения данных в базе при наличии аппаратных сбоев и отказов, а также ошибок в программном обеспечении.

Журнал СУБД - это особая БД или часть основной БД, непосредственно недоступная пользователю к используемая для записи информации обо всех изменениях базы данных. В различных СУБД в журнал могут заноситься записи, соответствующие изменениям в СУБД на разных уровнях: от минимальной внутренней операции модификации страницы внешней памяти до логической операции модификации БД (например, вставки записи, удаления столбца, изменения значения в поле) и даже транзакции.

Для эффективной реализации функции ведения журнала изменений в БД необходимо обеспечить повышенную надежность хранения и поддержания в рабочем состоянии самого журнала. Иногда для этого в системе хранят несколько копий журнала.

Обеспечение целостности БД составляет необходимое условие успешного функционирования БД, особенно для случая использования БД в сетях. Целостность БД, есть свойство базы данных, означающее, что в ней содержится полная, непротиворечивая и адекватно отражающая предметную область информация. Поддержание целостности БД включает проверку целостности и ее восстановление в случае обнаружения противоречий в базе данных. Целостное состояние БД описывается с помощью ограничений целостности в виде условий, которым должны удовлетворять хранимые в базе данные. Примером таких условий может служить ограничение диапазонов возможных значений атрибутов объектов, сведения о которых хранятся в БД, или отсутствие повторяющихся записей в таблицах реляционных БД.

Обеспечение безопасности достигается в СУБД шифрованием прикладных программ, данных, защиты паролем, поддержкой уровней доступа к базе данных и к отдельным ее элементам (таблицам, формам, отчетам и т. д.).

1.4 Локальные информационные системы

Функциональные части информационной системы могут размещаться на одном или на нескольких компьютерах. Рассмотрим варианты организации И С на одном ПК. Соответствующую ИС обычно называют локальной или однопользовательской (хотя последнее не совсем строго, поскольку на одном компьютере поочередно могут работать несколько пользователей). Более сложные варианты организации ИС рассматриваются в разделе 4.

Организация функционирования локальной ИС на одном компьютере в среде некоторой операционной системы (ОС) возможна с помощью следующих вариантов использования программных средств:

"полной" СУБД;

приложения и "усеченной" (ядра) СУБД;

независимого приложения.

Первый способ обычно применяется в случаях, когда в дисковой памяти компьютера помещается вся СУБД, и она часто используется для доработки приложения (рис. 1.3).

Взаимодействие пользователя с СУБД происходит напрямую через пользовательский (терминальный) интерфейс СУБД, либо с помощью приложения. Приложение выполняется в режиме интерпретации (см. подраздел 1.5).

Основное достоинство схемы - простота разработки и сопровождения БД и приложений при наличии развитых соответствующих средств разработки и сервисных средств. Недостатком этой схемы являются затраты дисковой памяти на хранение программы СУБД.

Приложение с ядром СУБД (рис. 1.4) используют для достижения следующих целей:

уменьшения объема занимаемого СУБД пространства жесткого диска и оперативной памяти;

повышения скорости работы приложения;

защиты приложения от модификации со стороны пользователя (обычно ядро не содержит средств разработки приложений).

Примером такого подхода является использование модуля FoxRun системы FoxBase+. Из современных СУБД отметим Microsoft Access, включающую дополнительный пакет Microsoft Access Developer's Toolkit. С его помощью можно создавать переносимую на дискетах "укороченную" (run-time) версию Microsoft Access, не содержащую инструментов разработки.

Достоинствами использования ядра СУБД по сравнению с использованием полной версии СУБД являются: меньшее потребление ресурсов памяти компьютера, ускорение работы приложения и возможность защиты приложения от модификации. К основным недостаткам можно отнести все еще значительный объем дисковой памяти, необходимой для хранения ядра СУБД, и недостаточно высокое быстродействие работы приложений (выполнение приложения по-прежнему происходит путем интерпретации).

При третьем способе организации ИС исходная программа предварительно компилируется - преобразуется в последовательность исполняемых машинных команд. В результате получается готовая к выполнению независимая программа, не требующая для своей работы ни всей СУБД, ни ее ядра (рис. 1.5). Заметим, что с точки зрения выполнения основных функций хранения и обработки данных такая программа мало отличается от приложения, работающего под управлением СУБД или ее ядра.

Основными достоинствами этого варианта по сравнению с двумя предыдущими является экономия внешней и оперативной памяти компьютера, ускорение выполнения приложения и полная защита приложения от модификации (случай дизассемблирования и вставки своего кода и ему подобные в расчет не берутся). К недостаткам можно отнести трудоемкость доработки приложений и отсутствие возможности использовать стандартные средства СУБД по обслуживанию БД.

1.5 Способы разработки и выполнения приложений

Современные СУБД позволяют решать широкий круг задач по работе с базами данных без разработки приложения. Тем не менее, есть случаи, когда целесообразно разработать приложение. Например, если требуется автоматизация манипуляций с данными, терминальный интерфейс СУБД недостаточно развит, либо имеющиеся в СУБД стандартные функции по обработке информации не устраивают пользователя. Для разработки приложений СУБД должна иметь программный интерфейс, основу которого составляют функции и/или процедуры соответствующего языка программирования.

Существующие СУБД поддерживают следующие технологии (и их комбинации) разработки приложений:

ручное кодирование программ (Clipper, FoxPro, Paradox);

создание текстов приложений с помощью генераторов (FoxApp в FoxPro, Personal Programmer в Paradox);

автоматическая генерация готового приложения методами визуального программирования (Delphi, Access, Paradox tor Windows).

При ручном кодировании программисты вручную набирают текст программ приложений, после чего выполняют их отладку.

Использование генераторов упрощает разработку приложений, поскольку при этом можно получать программный код без ручного набора. Генераторы приложений облегчают разработку основных элементов приложений (меню, экранных форм, запросов и т. д.), но зачастую не могут полностью исключить ручное кодирование.

Средства визуального программирования приложений являются дальнейшим развитием идеи использования генераторов приложений. Приложение при этом строится из готовых "строительных блоков" с помощью удобной интегрированной среды. При необходимости разработчик легко может вставить в приложение свой код. Интегрированная среда, как правило, предоставляет мощные средства создания, отладки и модификации приложений. Использование средств визуального программирования позволяет в кратчайшие сроки создавать более надежные, привлекательные и эффективные приложения по сравнению с приложениями, полученными первыми двумя способами.

Разработанное приложение обычно состоит из одного или нескольких файлов операционной системы.

Если основным файлом приложения является исполняемый файл (например, ехе-файл), то это приложение, скорее всего, является независимым приложением, которое выполняется автономно от среды СУБД. Получение независимого приложения на практике осуществляется путем компиляции исходных текстов программ, полученных различными способами: путем набора текста вручную, а также полученных с помощью генератора приложения или среды визуального программирования.

Независимые приложения позволяют получать, например, СУБД FoxPro и система визуального программирования Delphi. Отметим, что с помощью средств Delphi обычно независимые приложения не разрабатывают, так как это достаточно трудоемкий процесс, а привлекают процессор баз данных BDE (Borland DataBase Engine), играющий роль ядра СУБД. Одним из первых средств разработки приложений для персональных ЭВМ является система Clipper, представляющая собой "чистый компилятор".

Во многих случаях приложение не может исполняться без среды СУБД. Выполнение приложения состоит в том, что СУБД анализирует содержимое файлов приложения (в частном случае - это текст исходной программы) и автоматически строит необходимые исполняемые машинные команды. Другими словами, приложение выполняется методом интерпретации.

Режим интерпретации реализован во многих современных СУБД, например, Access, Visual FoxPro и Paradox, а также в СУБД недавнего прошлого, к примеру, FoxBase и FoxPro.

Кроме этого, существуют системы, использующие промежуточный вариант между компиляцией и интерпретацией - так называемую псевдокомпиляцию. В таких системах исходная программа путем компиляции преобразуется в промежуточный код (псевдокод) и записывается на диск. В этом виде ее в некоторых системах разрешается даже редактировать, но главная цель псевдокомпиляции - преобразовать программу к виду, ускоряющему процесс ее интерпретации. Такой прием широко применялся в СУБД, работающих под управлением DOS, например, Foxbase+ и Paradox 4.0/4.5 for DOS.

В СУБД, работающих под управлением Windows, псевдокод чаще используют для того, чтобы запретить модифицировать приложение. Это полезно для защиты от случайной или преднамеренной порчи работающей программы. Например, такой прием применен в СУБД Paradox for Windows, где допускается разработанные экранные формы и отчеты преобразовывать в соответствующие объекты, не поддающиеся редактированию.

Некоторые СУБД предоставляют пользователю возможность выбора варианта разработки приложения: как интерпретируемого СУБД программного кода или как независимой программы.

Достоинством применения независимых приложений является то, что время выполнения машинной программы обычно меньше, чем при интерпретации. Такие приложения целесообразно использовать на слабых машинах и в случае установки систем "под ключ", когда необходимо закрыть приложение от доработок со стороны пользователей.

Важным достоинством применения интерпретируемых приложений является легкость их модификации. Если готовая программа подвергается частым изменениям, то для их внесения нужна инструментальная система, т. е. СУБД или аналогичная среда. Для интерпретируемых приложений такой инструмент всегда под рукой, что очень удобно.

Другим серьезным достоинством систем с интерпретацией является то, что хорошие СУБД обычно имеют мощные средства контроля целостности данных и защиты от несанкционированного доступа, чего не скажешь о системах компилирующего типа. В последних упомянутые функции приходится программировать вручную, либо оставлять на совести администраторов.

При выборе средств для разработки приложения следует учитывать три основных фактора: ресурсы компьютера, особенности приложения (потребность в модификации функций программы, время на разработку, необходимость контроля доступа и поддержание целостности информации) и цель разработки (отчуждаемый программный продукт или система автоматизации своей повседневной деятельности).

Для пользователя, имеющего современный компьютер и планирующего создать несложное приложение, по всей видимости, больше подойдет СУБД интерпретирующего типа. Напомним, что такие системы достаточно мощны, имеют высокоуровневые средства, удобны для разработки и отладки, позволяют быстро выполнить разработку и обеспечивают удобное сопровождение и модификацию приложения.

При использовании компьютера со слабыми характеристиками лучше остановить свой выбор на системе со средствами разработки независимых приложений. При этом следует иметь ввиду, что малейшее изменение в приложении влечет за собой циклическое повторение этапов программирования, компиляции и отладки программы.

Разница в выполнении независимого приложения и выполнения приложения в режиме интерпретации колеблется в пределах миллисекунд в пользу независимого приложения.

В то же время разница во времени подготовки приложения к его использованию обычно составляет величины порядка минуты - часы в пользу систем с интерпретацией.

1.6 Схема обмена данными при работе с БД

Пользователю любой категории (администратору БД, разработчику приложения, обычному пользователю) для грамотного решения задач полезно представлять вычислительный процесс, происходящий в ОС при работе с БД. Раскроем внутренние механизмы этого процесса на примере наиболее общего случая организации ИС, функционирующей на одном ПК, - когда пользователь работает с "полной" версией программы СУБД (рис. 1.3). Варианты, представленные на рис. 1.4 и рис. 1.5, можно считать частными случаями.

При работе пользователя с базой данных над ее содержимым выполняются следующие основные операции: выбор, добавление, модификация (замена) и удаление данных. Рассмотрим как происходит обмен данными между отдельным пользователем и персональной СУБД при выполнении наиболее часто используемой операции выбора данных. Обмен данными между пользователем и БД для других операций отличается несущественно.

Схематично обмен данными при работе пользователя с БД можно представить так, как показано на рис. 1.6, где обычными стрелками обозначены связи по управлению, утолщенными - связи по информации.

Цикл взаимодействия пользователя с БД с помощью приложения можно разделить на следующие основные этапы:

1. Пользователь терминала (1) в процессе диалога с приложением формулирует запрос (2) на некоторые данные из БД.

2. Приложение (3) на программном уровне средствами языка манипулирования данными формулирует запрос (4), с которым обращается к СУБД.

3. Используя свои системные управляющие блоки и таблицы, СУБД с помощью словаря данных определяет местоположение требуемых данных и обращается (5) за ними к ОС.

4. Программы методов доступа файловой системы ОС считывают (6) из внешней памяти искомые данные и помещают их в системные буферы СУБД.

5. Преобразуя полученные данные к требуемому формату, СУБД пересылает их (7) в соответствующую область программы и сигнализирует (8) о завершении операции каким-либо образом (например, кодом возврата).

6. Результаты выбора данных из базы приложение (3) отображает (9) на терминале пользователя (1).

В случае работы пользователя в диалоговом режиме с СУБД (без приложения) цикл взаимодействия пользователя с БД упрощается. Его можно представить следующими этапами.

1. Пользователь терминала (10) формулирует на языке запросов СУБД, например QBE, по связи (11) требование на выборку некоторых данных из базы.

2. СУБД определяет местоположение требуемых данных и обращается (5) за ними к ОС, которая считывает (6) из внешней памяти искомые данные и помещает их в системные буферы СУБД.

3. Информация из системных буферов преобразуется (12) к требуемому формату, после чего отображается (13) на терминале пользователя (10).

Напомним, что описанная схема поясняет как функционирует СУБД с одним пользователем на отдельной ПЭВМ.

Если компьютер и ОС поддерживают многопользовательский режим работы, то в такой вычислительной системе может функционировать многопользовательская СУБД. Последняя, в общем случае, позволяет одновременно обслуживать несколько пользователей, работающих непосредственно с СУБД или с приложениями (каждое из которых может поддерживать работу с одним или несколькими пользователями).

Иногда к вычислительной системе подключается так называемый "удаленный пользователь", находящийся на некотором удалении от ЭВМ и соединенный с ней при помощи какой-либо передающей среды (интерфейс ЭВМ, телефонный канал связи, радиоканал, оптико-волоконная линия и т. д.). Чаще всего такой пользователь программным способом эмулируется под обычного локального пользователя. СУБД, как правило, этой подмены "не замечает" и работает по обслуживанию запросов обычным образом.

В многопользовательских СУБД при выполнении различных операций параллельно проистекают процессы, подобные описанным выше и показанным на рис. 1.6.

При обслуживании нескольких параллельных источников запросов (от пользователей и приложений) СУБД так планирует использование своих ресурсов и ресурсов ЭВМ, чтобы обеспечить независимое или почти независимое выполнение операций, порождаемых запросами. Многопользовательские СУБД часто применяются на больших и средних ЭВМ, где основным режимом использования ресурсов является коллективный доступ.

На персональных ЭВМ пользователь обычно работает один, но с различными программами, в том числе и одновременно (точнее, попеременно). Иногда такими программами оказываются СУБД: различные программы или разные копии одной и той же СУБД. Последняя ситуация возникает, например, при работе с различными базами данных с помощью СУБД Access.

Технология одновременной работы пользователя с несколькими программами неплохо реализована в Windows. Здесь каждая выполняемая программа имеет свое окно взаимодействия с пользователем, и имеются удобные средства переключения между программами. При работе в Windows СУБД избавлена от необходимости поддержания нескольких сеансов работы с пользователями.

2. Модели и типы данных

Одними из основополагающих в концепции баз данных являются обобщенные категории «данные» и «модель данных». Понятие «данные» в концепции баз данных это набор конкретных значений, параметров, характеризующих объект, условие, ситуацию или любые другие факторы. Примеры данных: Петров Николай Степанович, $30 и т. д. Данные не обладают определенной структурой, данные становятся информацией тогда, когда пользователь задает им определенную структуру, то есть, осознает их смысловое содержание. Поэтому центральным понятием в области баз данных является понятие модели. Не существует однозначного определения этого термина, у разных авторов эта абстракция определяется с некоторыми различиями, но, тем не менее, можно выделить нечто общее в этих определениях-

Модель данных это некоторая абстракция, которая, будучи приложима к конкретным данным, позволяет пользователям и разработчикам трактовать их уже как информацию, то есть сведения, содержащие не только данные, но и взаимосвязь между ними. На рис. 2 представлена классификация моделей данных.



Рис. 2 Классификация моделей данных

В соответствии с рассмотренной ранее трехуровневой архитектурой мы сталкиваемся с понятием модели данных по отношению к каждому уровню. И действительно, физическая модель данных оперирует категориями, касающимися организации внешней памяти и структур хранения, используемых в данной операционной среде. В настоящий момент в качестве физических моделей используются различные методы размещения данных, основанные на файловых структурах: это организация файлов прямого и последовательного доступа, индексных файлов и инвертированных файлов, файлов, использующих различные методы хеширования, взаимосвязанных файлов. Кроме того, современные СУБД широко используют страничную организацию данных. Физические модели данных, основанные на страничной организации, являются наиболее перспективными.

Наибольший интерес вызывают модели данных, используемые на концептуальном уровне. По отношению к ним внешние модели называются подсхемами и используют те же абстрактные категории, что и концептуальные модели данных.

Кроме трех рассмотренных уровней абстракции при проектировании БД существует еще один уровень, предшествующий им. Модель этого уровня должна выражать информацию о предметной области в виде, независимом от используемой СУБД. Эти модели называются инфологическими, или семантическими, и отражают в естественной и удобной для разработчиков и других пользователей форме информационно-логический уровень абстрагирования, связанный с фиксацией и описанием объектов предметной области, их свойств и их взаимосвязей.

Инфологические модели данных используются на ранних стадиях проектирования для описания структур данных в процессе разработки приложения, а даталогические модели уже поддерживаются конкретной СУБД.

Документальные модели данных соответствуют представлению о слабоструктурированной информации, ориентированной в основном на свободные форматы документов, текстов на естественном языке.

Модели, основанные на языках разметки документов, связаны, прежде всего, со стандартным общим языком разметки SGML (Standard Generalized Markup Language), который был утвержден ISO в качестве стандарта еще в 80-х годах. Этот язык предназначен для создания других языков разметки, он определяет допустимый набор тегов (ссылок), их атрибуты и внутреннюю структуру документа. Контроль за правильностью использования тегов осуществляется при помощи специального набора правил, называемых DTD-описаниями. которые используются программой клиента при разборе документа. Для каждого класса документов определяется свой набор правил, описывающих грамматику соответствующего языка разметки. С помощью SGML можно описывать структурированные данные, организовывать информацию, содержащуюся в документах, представлять эту информацию в некотором стандартизованном формате. Но ввиду некоторой своей сложности SGML использовался в основном для описания синтаксиса других языков (наиболее известным из которых является HTML), и немногие приложения работали с SGML-документами напрямую.

Гораздо более простой и удобный, чем SGML, язык HTML позволяет определять оформление элементов документа и имеет некий ограниченный набор инструкций тегов, при помощи которых осуществляется процесс разметки. Инструкции HTML в первую очередь предназначены для управления процессом вывода содержимого документа на экране программы-клиента и определяют этим самым способ представления документа, но не его структуру. В качестве элемента гипертекстовой базы данных, описываемой HTML. используется текстовый файл, который может легко передаваться по сети с использованием протокола HTTP. Эта особенность, а также то, что HTML является открытым стандартом, и огромное количество пользователей имеет возможность применять возможности этого языка для оформления своих документов, безусловно, повлияли на рост популярности HTML и сделали его сегодня главным механизмом представления информации в Internet.

Однако HTML сегодня уже не удовлетворяет в полной мере требованиям, предъявляемым современными разработчиками к языкам подобного рода. И ему на смену был предложен новый язык гипертекстовой разметки, мощный, гибкий и, одновременно с этим, удобный язык XML. В чем же заключаются его достоинства?

XML (Extensible Markup Language) это язык разметки, описывающий целый класс объектов данных, называемых XML-докумснтами. Он используется в качестве средства для описания грамматики других языков и контроля за правильностью составления документов. То есть сам по себе XML не содержит никаких тегов, предназначенных для разметки, он просто определяет порядок их создания.

Тезаурусные модели основаны на принципе организации словарей, содержат определенные языковые конструкции и принципы их взаимодействия в заданной грамматике. Эти модели эффективно используются в системах-переводчиках, особенно многоязыковых переводчиках. Принцип хранения информации в этих системах и подчиняется тезаурусным моделям.

Дескрипторные модели самые простые из документальных моделей, они широко использовались на ранних стадиях использования документальных баз данных. В этих моделях каждому документу соответствовал дескриптор описатель. Этот дескриптор имел жесткую структуру и описывал документ в соответствии с теми характеристиками, которые требуются для работы с документами в разрабатываемой документальной БД. Например, для БД, содержащей описание патентов, дескриптор содержал название области, к которой относился патент, номер патента, дату выдачи патента и еще ряд ключевых параметров, которые заполнялись для каждого патента. Обработка информации в таких базах данных велась исключительно по дескрипторам, то есть по тем параметрам, которые характеризовали патент, а не по самому тексту патента.

Хранимые в базе данные имеют определенную логическую структуру - иными словами, описываются некоторой моделью представления данных (моделью данных), поддерживаемой СУБД. К числу классических относятся следующие модели данных:

иерархическая,

сетевая,

реляционная.

Кроме того, в последние годы появились и стали более активно внедряться на практике следующие модели данных:

постреляционная,

многомерная,

объектно-ориентированная.

Разрабатываются также всевозможные системы, основанные на других моделях данных, расширяющих известные модели. В их числе можно назвать объектно-реляционные, дедуктивно-объектно-ориентированные, семантические, концептуальные и ориентированные модели. Некоторые из этих моделей служат для интеграции баз данных, баз знаний и языков программирования.

В некоторых СУБД поддерживается одновременно несколько моделей данных. Например, в системе ИНТЕРБАЗА для приложений применяется сетевой язык манипулирования данными, а в пользовательском интерфейсе реализованы языки SQL и QBE.

2.1 Иерархическая модель

В иерархической модели связи между данными можно описать с помощью упорядоченного графа (или дерева). Упрощенно представление связей между данными в иерархической модели показано на рис. 2.1.

Рис. 2.1 Представление связей в иерархической модели

Для описания структуры (схемы) иерархической БД на некотором языке программирования используется тип данных "дерево". Тип "дерево" схож с типами данных "структура" языков программирования ПЛ/1 и Си и "запись" языка Паскаль. В них допускается вложенность типов, каждый из которых находится на некотором уровне. Тип "дерево" является составным. Он включает в себя подтипы ("поддеревья"), каждый из которых, в свою очередь, является типом "дерево". Каждый из типов "дерево" состоит из одного "корневого" типа и упорядоченного набора (возможно пустого) подчиненных типов. Каждый из элементарных типов, включенных в тип "дерево", является простым или составным типом "запись". Простая "запись" состоит из одного типа, например, числового, а составная - объединяет некоторую совокупность типов, например, целое, строку символов и указатель (ссылку). Пример типа "дерево" как совокупности типов показан на рис. 2.2.

Корневым называется тип, который имеет подчиненные типы и сам не является подтипом. Подчиненный тип (подтип) является потомком по отношению к типу, который выступает для него в роли предка (родителя). Потомки одного и того же типа являются близнецами по отношению друг к другу. В целом тип "дерево" представляет собой иерархически организованный набор типов "запись".

Иерархическая БД представляет собой упорядоченную совокупность экземпляров данных типа "дерево" (деревьев), содержащих экземпляры типа "запись" (записи). Часто отношения родства между типами переносят на отношения между самими записями. Поля записей хранят собственно числовые или символьные значения, составляющие основное содержание БД. Обход всех элементов иерархической БД обычно производится сверху вниз и слева направо.

В иерархических СУБД может использоваться терминология, отличающаяся от приведенной. Так, в системе IMS понятию "запись" соответствует термин "сегмент", а под "записью БД" понимается вся совокупность записей, относящаяся к одному экземпляру типа "дерево". Данные в базе с приведенной схемой (рис. 2.2) могут выглядеть, например, как показано на рис. 2.3.

Для организации физического размещения иерархических данных в памяти ЭВМ могут использоваться следующие группы методов:

представление линейным списком с последовательным распределением памяти (адресная арифметика, левосписковые структуры);

представление связными линейными списками (методы, использующие указатели и справочники).

К основным операциям манипулирования иерархически организованными данными относятся следующие:

поиск указанного экземпляра БД (например, дерева со значением 10 в поле Отд_номер);

переход от одного дерева к другому;

переход от одной записи к другой внутри дерева (например, к следующей записи типа Сотрудники);

вставка новой записи в указанную позицию;

удаление текущей записи и т. д.

В соответствии с определением типа "дерево", можно заключить, что между предками и потомками автоматически поддерживается контроль целостности связей. Основное правило контроля целостности формулируется следующим образом: потомок не может существовать без родителя, а у некоторых родителей может не быть потомков. Механизмы поддержания целостности связей между записями различных деревьев отсутствуют.

К достоинствам иерархической модели данных относятся эффективное использование памяти ЭВМ и неплохие показатели времени выполнения основных операций над данными. Иерархическая модель данных удобна для работы с иерархически упорядоченной информацией.

Недостатком иерархической модели является ее громоздкость для обработки информации с достаточно сложными логическими связями, а также сложность понимания для обычного пользователя. На иерархической модели данных основано сравнительно ограниченное количество СУБД, в числе которых можно назвать зарубежные системы IMS, PC/Focus, Team-Up и Data Edge, а также отечественные системы Ока, ИНЭС и МИРИС.

2.2 Сетевая модель

Сетевая модель данных позволяет отображать разнообразные взаимосвязи элементов данных в виде произвольного графа, обобщая тем самым иерархическую модель данных (рис. 2.4). Наиболее полно концепция сетевых БД впервые была изложена в Предложениях группы КОДАСИЛ (KODASYL).