Розділ 3 Бази даних. Системи управління базами даних

3.1. Бази даних. Моделі даних

Пригадайте!

1. Що таке інформаційна система? Назвіть складові інформаційної системи.

2. Опишіть структуру файлової системи операційної системи Windows? Як графічно ви б могли описати цю файлову систему?

3. Що таке модель? Які види моделей ви знаєте?

4. Які форми зберігання даних вам відомі? Як здійснюється пошук потрібних даних?

1. Поняття про бази даних, моделі даних

З появою писемності людство почало зберігати відомості для передавання їх наступним поколінням. Для цього використовували глиняні "книжки", книжки з папірусу, пергаменту тощо. Ці книги з часом почали збирати в бібліотеки. Одні з перших бібліотек були створені ще в шумерській державі. Так, при розкопках стародавнього міста шумерів Ур було знайдено більше 20 тисяч глиняних табличок з відомостями про звичаї давнього народу, його легенди та історичні події, що відбувалися більше, ніж 5 тисяч років тому. А знаменита Олександрійська бібліотека, яка була Заснована у ІІІ ст. до нашої ери, за різними джерелами містила від 100 до 700 тисяч томів. Сьогоднішні бібліотеки вражають обсягами збереження різноманітних даних. Найбільшою в світі вважається Британська бібліотека, яка нараховує більше 150 млн. одиниць зберігання, а найбільша бібліотека нашої країни - Національна бібліотека України імені В. І. Вернадського нараховує більше 15 млн. одиниць зберігання.

За такої кількості відомостей однією з основних задач стає упорядковане їх зберігання. У бібліотечній справі з часом розвинулась і удосконалилась система каталогів, які дозволяють значно прискорити процес пошуку потрібної інформації.

З необхідністю пошуку потрібної інформації людина стикається повсякчас, незалежно від сфери її професійних інтересів: з якої платформи відправляється потяг на Хмельницький, як приготувати вареники з вишнями, який склад має молекула води, скільки днів тривала друга світова війна, чи справджується прикмета про чорну кішку, яка частота змінного електричного струму в побутовій електричній мережі, яке закінчення мають іменники третьої відміни в родовому відмінку однини та ін. Частину відповідей на ці запитання людина може отримати зі своєї пам'яті, для отримання інших необхідно звернутися до інформаційної системи залізничного вокзалу, переглянути кулінарну книгу, довідник з хімії, фізики чи електротехніки, словник з правопису тощо. Для полегшення пошуку потрібної інформації людство придумало багато засобів – універсальні енциклопедії і енциклопедії з предметних галузей, довідники і словники, довідникові бюро та інформаційні табло тощо. Однак повільність їх створення і оновлення, незначна кількість ознак, за якими може здійснюватись пошук в безкомп'ютерному варіанті не забезпечують потреб сучасного користувача.

Обсяги повідомлень, які використовує людство, невпинно зростають і тому для ефективного і своєчасного використання значна її кількість зараз зберігається в комп’ютерних інформаційних системах. Вчені запевняють, що зберігання великих обсягів даних виправдано тільки за умови, якщо пошук потрібних даних здійснюється швидко і подається вона в доступній для розуміння формі.

Серед обов’язкових складових інформаційної системи є компоненти, що забезпечують упорядковане зберігання даних. В комп’ютерних інформаційних системах таким елементом є комп’ютерна база даних.

Запам’ятайте!

База даних – це впорядкований за певними правилами взаємопов’язаний набір даних.

Основним завданням бази даних є гарантоване систематизоване збереження значних обсягів даних та надання доступу до них користувачеві або комп’ютерній програмі. Тому система збереження даних у відповідних базах заздалегідь планується – створюється модель бази даних. При побудові моделі бази даних використовують ту чи іншу модель даних.

Запам’ятайте!

Модель даних це інформаційна модель, яка описує властивості даних, що зберігаються в базі даних, і набір операцій, які можна виконати над цими даними.

Модель даних має три компоненти:

1. Структура даних – множина можливих типів даних: цілих чисел, дійсних чисел, текстових, мультимедійних даних, масивів чисел тощо. Ця множина повинна бути достатньою для опису властивостей об’єктів бази даних.

2. Набір операцій, які можна виконувати над певними типами даних, наприклад над числовими –арифметичні, порівняння тощо, а над текстовими – порівняння, об'єднання тощо.

3. Обмеження цілісності – відповідність даних тим типам, що були визначені, а також обмеженнями на значення певних властивостей, які накладає користувач. Наприклад, обмеження на максимальну кількість символів, або встановлення формату подання дати чи часу.

При плануванні структури даних розробник бази даних повинен визначити:

• об’єкти, дані про які будуть зберігатися в базі даних;

• перелік властивостей, які необхідні для опису об’єктів бази даних.

• типи даних, які будуть використані для збереження значень властивостей.

Створюючи ту чи іншу базу даних ми тим самим створюємо певну модель реального світу, точніше модель деякої частини реального світу, тобто модель деякої предметної області. Предметна область в теорії баз даних – це частина реального світу, дані про яку збираються, зберігаються і опрацьовуються в базі даних.

Предметна область, як правило складається з різноманітних фрагментів. Наприклад, предметна область "школа" складається з таких фрагментів - учнів, учителів, адміністрації, працівників по обслуговуванню приміщень, бібліотекарів, з приміщень тощо. В свою чергу кожен фрагмент предметної області характеризується сукупністю об’єктів і процесів. Так, учень Петренко Микола може розглядатися як окремий об'єкт предметної області Школа, а конкретно її частини Учні.

Для вивчення тих чи інших аспектів діяльності школи можуть бути необхідні різноманітні дані про учнів – певні значення їх властивостей. Але в залежності від конкретних потреб користувача, в БД повинні зберігатися різні дані про учнів школи. Так, для визначення учасників шкільної математичної олімпіади нам потрібно знати значення таких властивостей учнів: прізвище, ім'я, клас, рівень навчальних досягнень з математики, рівень сформованості логічного мислення тощо. А для визначення учасників змагань з легкоатлетичного багатоборства необхідний інший набір властивостей: прізвище, ім'я, вік, стать, найкращі результати у бігу на 100 м, у стрибках у довжину, у стрибках у висоту, у бігу на 1000 м тощо.

І для першого, і для другого випадку ми можемо розробити базу даних. І не зважаючи на те, що предметна область Учні у обох випадках будуть однаковими, моделі даних будуть різними. Бо різними є набори властивостей, які необхідні для створення кожної з баз даних.

При вивченні табличного процесора ви вже знайомилися з різним поданням даних. Ви знаєте що для зберігання і опрацювання вмісту клітинок використовуються такі формати: числовий, дата, текстовий, грошовий тощо. Ви також знаєте, що неправильно визначені формати даних можуть призводити до помилок при операціях над вмістом клітинок.

У базах даних для опису різних видів даних використовується поняття типи даних, яке є в якійсь мірі аналогією терміну формат даних в електронних таблицях. Правильний добір типів даних не тільки визначає можливість проводити операції над значеннями певних властивостей об’єкта (наприклад, визначати різницю в часі між подіями), а і пришвидшити опрацювання даних, збереження і пошук потрібних даних.

На відміну від табличного процесора в базах даних можуть зберігатися не тільки дані простих типів (цілі числа, дійсні числа, тексти, логічний тип тощо), а й мультимедійні (малюнки, звукові та відеодані) та складені типи даних (масиви, XML дані, вказівник, посилання тощо).

Обмеження цілісності забезпечує перевірку даних при їх введенні на відповідність визначеним в структурі типам даних, а також перевірку даних на відповідність тим правилам обмеження значень і подання даних, які задав користувач. Продумані правила обмежень на значення певних властивостей об’єкта бази даних дозволяють не тільки зменшити помилки при введенні даних, а і значно спростити подальше опрацювання цих даних. Наприклад, значення площі країни повинно бути додатнім числом, індекс поштової адреси в Україні – це натуральне число, що містить не більше п’яти цифр, чисельність населення столиці не може бути більшим від загальної чисельності населення країни. Завдання того, хто проектує модель даних, - найбільш повно встановити всі подібні правила і включити їх до бази даних.