Файл_М

База данных (БД)

Рис. 1 Файловая организация баз данных (файлы, записи, поля)

Пользователями БД являются четыре основные категории потребителей ее информации и/или поставщиков информации для нее: (1) конечные пользователи, (2) программисты и системные аналитики, (3) персонал поддержки БД в актуальном состоянии и (4) администратор БД. Хорошо спроектированные системы управления БД (СУБД), исп ользуют развитые графические интерфейсы и поддерживают системы отчетов, отвечающие специфике пользователей указанных че тыр ех категорий. В этом случае персонал поддержки БД и конечные пользователи могут легко осваивать и использовать СУБД для обеспечения своих потребностей без какой-либо специальной подготовки, т.е. специфика функционирования данных систем скрыта от пользователя. Более того, хорошо спроектированные СУБД предоставляют опытному пользователю средства для создания собственных БД-приложений, не требуя от него специальной программистской подготовки. Конечным пользователям для обеспечения доступа к информации БД предоставляется графический интерфейс, как правило, в виде системы окон с функциональными меню, позволяющими легко получать необходимую информацию на экран и/или принтер в виде удобно оформленных отчетов.

Программисты и системные аналитики используют СУБД совершенно в ином качестве, обеспечивая разработку новых БД-приложений, подд ерживая и модифицируя (при необходимости) уже существующие. Для данной группы пользователей СУБД требуются средства, обеспечивающие указанные функции (создание, откладка, редактирование и т.д.). Пользователи третьей категории нуждаются в интерфейсе, как правило, графическом для обеспечения задач поддержания БД в актуальном состоянии. Эти пользователи состоят в штатах подразделений функциональных и/или обработки информации, обеспечивающих прикладную область, и отвечают за актуальное состояние соответствующей ей БД (контроль текущего состояния, удаление устаревшей информации, добавление новой и т.д.). Программисты выполняют своего рода посреднические функции между БД и конечными пользователями. И если на первых этапах развития БД-технологии они составляли весьма многочисленную группу пользователей, то в процессе развития СУБД и, прежде всего, массового использования ПК эта категория сходит на нет. Особую и ответственную роль выполняет администратор, отвечающий как за актуальность находящейся в БД информации, так и за корректность функционирования и использования БД и СУБД.

В случае больших БД может быть достаточно много конечных пользователей, ряд программистов и несколько администраторов БД; в случае небольших БД (что особенно характерно для ПК) все эти функции могут обеспечиваться одним человеком. Важные функции выполняет администратор БД, отвечающий за выработку требований к БД, ее проектирование, реализацию, эффективное использование и сопровождение. Необходимость в таком специалисте вытекает из принципа независимости данных, а также диктуется важностью БД в деятельности организаций и более крупных объединений — поставщиков и потребителей информации БД. Администратор БД взаимо действует с пользователями в определении требований к базе в процессе выработки требований к системе в целом, пользуется языков описания данных для определения БД в процессе проектирования системы, взаимодействует с программистами, которые создают ПС использующее доступ к БД, отвечает за загрузку БД информацией в процессе реализации системы, контролирует работоспособность БД, используя соответствующие программные и аппаратные средства, и определяет, когда следует реорганизовывать данные в базе или начать работы по созданию новой, более совершенной БД. В целом функции администратора БД сводятся к поддержанию целостности БД, необходимого ур овня защиты ее данных и эффективности. Среди его наиболее важных обязанностей — согласование конфликтующих требований, которое требуется достаточно часто, ибо БД обслуживает, как правило, целый ряд различных прикладных процессов.

Как уже отмечалось, БД представляет собой совокупность логически взаимосвязанных файлов данных определенной организации; для опр еделения и обращения к такой файловой совокупности используют средства системы управления БД (СУБД). СУБД представляет собой со вокупность лингвистических и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями. Тогда как под системой БД понимается СУБД с наполненной соответствующей информацией БД, управляемой ее средствами. Это означает, во-первых, что совокупность файлов БД определяется посредством схемы, не зависящей от программ, которые к ней обращаются, и, во-вторых, что она реализована на основе ВП прямого доступа. Использование СУБД обеспечивает лучшее управление данными, более совершенную организацию файлов и более простое обращение к ним по сравнению с обычными способами хранения информации. Вследствие более совершенных механизмов доступа БД, как правило, имеют более сложную организацию, чем обычные файлы, объединяя данные, ранее хранящиеся во многих отдельных файлах. Размер и сложность не являются определяющими характеристиками БД — наличие СУБД дл я ПК и даже в среде ряда пакетов (например, табличных процессоров, интегрированных и др.) приводит к созданию большого числа относительно простых и небольших БД, достоинством которых (при наличии соответствующих СУБД) являются простота определения и доступа к данным. Под банком данных (БнД) понимается си ст ема лингвистических, про граммных, аппаратных и организационных средств, основанная на БД-технологии и предназначенная для централизованного накопл ени я и коллективного испол ьзования данных в той или иной прикладной области. Тогда как система обработки информации (СОИ) реализует автоматизированный сбор, обработку и хранение информации, включая соответствующие лингвистические, программные, аппаратные, организационные средства и обслуживающий их персонал.

Под целостностью БД понимается актуальное состояние ее данных, отражающих состояние некоторой реальной прикладной области и подчиняющихся правилам непротиворечивости. Под языком БД понимается один или совокупность языков, обеспечивающих описание данных, манипулирование с данными. Конкретный язык БД всегда ассоциируется с конкретной СУБД. СУБД представляет собой средства обработки на языке базы данных, позволяющие обрабатывать обращения к БД, поступающие от прикладных программ и/или конечных пользователей, и поддерживать целостность БД. Таким образом, СУБД имеет свойства, характерные как для компиляторов, так и для ОС, однако по сравнению с первыми обеспечивается более высокий уровень абстрагирования, что оказывается очень полезным как для программистов, так и для конечных пользователей.

1.2. И ерархическая и сетевая даталогические модели СУБД

Каждая БнД содержит и обрабатывает информацию из конкретной прикладной области, представляющей интерес для определенных приложений. Описание предметной области без акцента на ее последующие БнД-реализации определяет инфологическую модель предметной области (рис. 2). Инфологическая модель является исходной для построения даталогической модели БД и служит промежуточной моделью для специалистов предметной области (для которой создается БнД) и администратора БД в процессе проектирования и разработки конкретной БнД.

Рис. 2. Принципиальная организация СОИ на основе БД-технологии

Под даталогической понимается модель, отражающая логичес кие взаимосвязи между элементами данных безотносительно их содержания и физической организации. При этом даталогическая модель разрабатывается с учетом конкретной реализации СУБД, также с учетом специфики конкретной предметной области на основе ее инфологической модели. Для конкретной реализации даталогической модели проектируется физическая модель (рис. 2), oтображающая первую на конкретные программные и аппаратные средства (ОС, внешняя память, работа с данными на физическом уровне и т.д.). Наполненная конкретной информацией физическая модель и составляет собственно БД. Система, обеспечивающая cо ответствующее совместное функционирование указанных компонентов и составляет суть конкретной СУБД.

Современные СУБД допускают целый ряд классификаций в зави симости от уровня их рассмотрения (в целом либо по совокупности их функциональных характеристик): по интерфейсу с пользователем в зависимости от поддерживаемых моделей, по назначению и режиму функционирования, по способу обработки информации и т.д . Мы кратко остановимся на моделях даталогического уровня, который берется за основу большинства современных классификаций СУБД.

Обычно различают три класса СУБД, обеспечивающих работу иерархических, сетевых и реляционных моделей. Однако различия между этими классами постепенно стираются, причем, видимо, будут появляться другие классы, что вызывается прежде всего интенсивными работами в области баз знаний (БЗ) и объектно-ориентированной инфотехнологие й, о которой будет идти речь ниже. Поэтому традиционной классификацией пользуются все реже, но мы пока будем придерживаться именно ее, как наиболее устоявшуюся. Каждая из указанных моделей обладает характеристиками, делающими ее наиболее удобной для конкретных приложений. Одно из основных различий этих моделей состоит в том, что для иерархических и сетевых СУБД их структура часто не может быть изменена после ввода данных, тогда как для реляционных СУБД структура может изменяться в любое время. С другой стороны, для больших БД, структура которых остается длительное время неизменной, и постоянно работающих с ними приложений с интенсивными потоками запросов на БД-обслуживание именно иерархические и сетевые СУБД могут оказаться наиболее эффективными решениями, ибо они могут обеспечивать более быстрый доступ к информации БД, чем реляционные СУБД.

Глава 2

Сетевые структуры

Если в отношении между данными порожденный элемент имеет более одного исходного элемента, то это отношение уже нельзя описать как древовидную или иерархическую структуру. Его описывают в виде сетевой структуры. Любая сетевая структура может быть приведена к более простому виду введением избыточности. «БД постоянно грозит опасность стать громоздкими, застывшими и слишком сложными системами. Новые приложения порождают новые виды запросов пользователей к базе, что увеличивает набор логических связей между ее элементами. В итоге многие системы БД оказываются очень сложными в построении и эксплуатации. Если разработчики не придумают ясные и простые схемы организации, эти системы будут подобны паутине» [К.Дейт.].

Сетевая модель более симметрична, чем иерархическая модель. Однако процедуры (обновления) значительно сложнее проблема состоит в следующем: всегда имеются две стратегии для определения места одного экземпляра записи, первая начинается с "владельца" и просмотра его цепочки для выбора звена, а другая начинается с "подчиненного звена" и просмотра его цепочки для выбора "владельца". Как пользователь может решить, какую стратегию принять? Выбор и здесь имеет большое значение. Как в иерархических, так и сетевых СУБД при описании данных обычно указываются характеристики записей каждого типа, способствующие более эффективному размещению данных во внешней памяти и более быстрому доступу к ним. К таким характеристикам относятся: размеры полей записи (минимальные, средние, максимальные), состав ключа, допустимый набор символов, интервалы значений и т.д.

Иерархические и сетевые базы данных часто называют базами данных с навигацией. Это название отражает технологию доступа к данным, используемую при написании обрабатывающих программ на языке манипулирования данными. При этом, очевидно, что доступ к данным по путям, не предусмотренным при создании базы данных, может потребовать неразумно большого времени. Повышая эффективность доступа к данным и сокращая таким образом время ответа на запрос, принцип навигации вместе с этим повышает и степень зависимости программ и данных. Обрабатывающие программы оказываются жестко привязанными к текущему состоянию структуры базы данных и должны быть переписаны при ее изменениях. Операции модификации и удаления данных требует переустановки указателей, а манипулирование данными остается записеориентированным. Кроме того, принцип навигации не позволяет существенно повышать уровень языка манипулирования данными, чтобы сделать его доступным пользователю-непрограммисту, или даже программисту-непрофессионалу. Для поиска записи-цели в иерархической или сетевой структуре программист должен вначале опеределить путь доступа, а затем просмотреть все записи, лежащие на этом пути, - шаг за шагом.

Насколько запутанной являются схемы представления иерархических и сетевых баз данных, настолько и трудоемким является проектирование конкретных прикладных систем на их основе. Как показывает, опыт длительные сроки разработки прикладных систем нередко приводят к тому, что они постоянно находятся в стадии разработки и доработки.

Указанные и некоторые другие проблемы, с которыми столкнулись разработчики и пользователи иерархических и сетевых систем послужили стимулом к созданию реляционной модели данных и реляционных СУБД.

2.1. Файловая модель

Кратко рассмотрим файловую модель, неправомерно относимую довольно часто к СУБД. Файловая модель представляет собой набор файлов данных определенной структуры, но связь между данными этих файлов отсутствует. Естественно, программные средства работы с таким образом организованной инфобазой могут устанавливать связь между данными ее файлов, но на концептуальном уровне файлы модели являются независимыми. Системы, обеспечивающие работу с файловыми инфобазами, называют системами управления файлами (СУФ) и они оказываются весьма эффективными во многих приложениях. СУФ используются на всех классах ЭВМ, но особенно они распространены для обработки информации на ПК. При этом во многих источниках они фигурируют в качестве СУБД. Файловые системы легко осваиваются, достаточно просты и эффективны в использовании и, как правило, для работы с ними используются простые языки запросов либо и вовсе ограничиваются набором программ-утилит. Такие системы обычно поддерживают работу с небольшим числом файлов, содержащих ограниченное число записей с небольшим количеством полей.

Иерархические модели СУБД имеют древовидную структуру, когда каждому узлу структуры соответствует один сегмент, представляющий собой поименованный линейный кортеж полей данных. Каждому сегменту (кроме S1-корневого) соответствует один входной и несколько выходных сегментов (рис. 3а). Каждый сегмент структуры лежит на единственном иерархическом пути, начинающемся от корневого сегмента.

Рис. а)

Рис. б)

Рис. 3. Структура иерархической (а) и сетевой (б) СУБД

Для описания такой логической организации данных ЯОД достаточно предусматривать для каждого сегмента данных только идентификацию входного для него сегмента. Так как в иерархической модели каждому входному сегменту данных соответствует N выходных, то такие модели весьма уд обны для представления отношений типа 1: N в предметной области. Следует отметить, что в настоящее время не разрабатываются СУБД, поддерживающие на концептуальном уровне только иерархические модели. Как правило, использующие иерархический подход системы допускают связывание древовидных структур между собой и/или установление связей внутри них. Это приводит к сетевым даталогическим моделям СУБД. К основным недостаткам иерархических моделей следует отнести: неэффективность реализации отношений типа N:N, медленный доступ к сегментам данных нижних уровней иерархии, четкая ориентация на определенные типы запросов и др. В связи с этими недостатками ранее созданные иерархические СУБД подвергаются существенным модификациям, позволяющим поддерживать более сложные типы структур и, в первую очередь, сетевые и их модификации. Сетевая даталогическая модель СУБД во многом подобна иерархической: если в иерархической модели (рис. 3а) для каждого сегмента записи допускается только один входной сегмент при N выходных, то в сетевой модели для сегментов допускается несколько входных сегментов наряду с возможностью наличия сегментов без входов с точки зрения иерархической структуры. На рис. 3б представлен простой пример сетевой структуры, полученной на основ е модификации иерархической структуры (рис. 3а). Графическое изображение структуры связей сегментов такого типа моделей представляет собой сеть. Сегменты данн ых в сетевых БД могут иметь множественные связи с сегментами старшего уровня. При этом направление и характер связи в сетевых БД не являются столь очевидными, как в случае иерархических БД. Поэтому имена и направление связей должны идентифицироваться при описании БД средствами ЯОД.

Таким образом, под сетевой СУБД понимается система, поддерживающая сетевую организацию: любая запись, называемая записью ст ар ш его уровня, может содержать данные, которые относятся к набору других записей, называемых записями подчиненного уровня. Возможно обращение ко всем записям в наборе, начиная с записи старшего уровня. Обращение к набору записей реализуется по указателям. В рамках сетевых СУБД легко реализуются и иерархические даталогические модели. Сетевые СУБД поддерживают сложные соотношения между типами данных, что делает их пригодными во многих различных приложениях. Однако пользователи таких СУБД ограничены связями, определенными для них разработчиками БД-приложений. Более того, подобно иерархическим сетевые СУБД предполагают разработку БД приложений опытными программистами и системными аналитиками.

Среди недостатков сетевых СУБД следует особо выделить проблему обеспечения сохранности информации в БД, решению которой уделяется повышенное вн имание при проектировании сетевых БД.

Глава 3

Реляционные структуры

Реляционный подход стал широко известен благодаря первым работам Е.Кодда, которые появились около 1970г. В течение долгого времени реляционный подход рассматривался как удобный формальный аппарат анализа баз данных, не имеющий практических перспектив, так как его реализация требовала слишком больших машинных ресурсов. Только с появлением персональных ЭВМ реляционные и близкие к ним системы неожиданно стали распространяться, практически не оставив места другим моделям. Один из самых естественных способов представления данных для пользователей - это двумерная таблица. Она привычна для пользователя, понятна и обозрима, ее легко запомнить. Поскольку любая сетевая структура может быть разложена в совокупность древовидных структур, то и любое представление данных может быть сведено к двумерным плоским файлам. Связи между данными могут быть представлены в форме двумерных таблиц.

Таблица обладает следующими свойствами:

Каждый элемент таблицы представляет собой один элемент данных. Повторяющиеся группы отсутствуют.

Все столбцы в таблице однородные. Это означает, что элементы столбца имеют одинаковую природу.

Столбцам присвоены уникальные имена.

В таблице нет двух одинаковых строк.

Порядок расположения строк и столбцов в таблице безразличен. Таблица такого рода называется отношением. База данных, построенная с помощью отношений, называется реляционной базой данных.

Чем же принципиально отличаются реляционные модели от сетевых и иерархических? Вкратце на это можно ответить следующим образом: иерархические и сетевые модели данных - имеют связь по структуре, а реляционные - имеют связь по значению. Проектирование баз данных традиционно считалось очень трудной задачей. Реляционная технология значительно упрощает эту задачу в трех различных направлениях: