Лекция №9 базы данных
В самом общем смысле база данных (БД) - это система хранения информации, обращение к которой осуществляется через средство управления базой данных (СУБД). На практике - это данные, рассортированные по уникальным идентификаторам и организованные в виде таблиц. Основное назначение БД - предоставить пользователю нужную информацию в нужном месте и в нужное время. И надо сказать, что по мере своего развития БД справлялись с этой задачей все лучше и лучше. Тем не менее, первые БД не совсем соответствовали ожиданиям. Организации и предприятия должны были бороться с огромными объемами дублированной и иногда противоречивой информации, предоставляемой, к тому же, различными и, зачастую, несовместимыми друг с другом способами.
От прошлого к настоящему
Можно сказать, что путь развития БД - это путь все большего и большего отстранения программного обеспечения от физических структур данных. До появления БД информация хранилась в отдельных файлах. Самые первые системы управления файлами позволяли программистам создавать, записывать, обновлять и читать эти файлы. Файловая система имеет органический недостаток: программы должны точно "знать", где расположены данные. Как следствие - для определения адресов в развитых системах хранения данных необходимо применение довольно сложных, трудно оптимизируемых и модифицируемых алгоритмов.
Первыми попытками абстрагирования программ от физических структур данных были индексные файлы, обеспечивающие доступ к информации посредством индексных ключей, т. е. для поиска записей в файле использовалась совокупность указателей. Такой подход решал определенный круг проблем, но индексным файлам по-прежнему были присущи многие ограничения, характерные для простых структур с единственной точкой входа. Сюда можно отнести, в частности, и неоптимальное хранение информации (дублирование, недостаточное структурирование), и значительное время поиска в больших файлах.
В качестве возможного решения этих проблем явились иерархические БД. В таких базах элементы данных строго упорядочены, причем так, что данные одного уровня подчиняются (является подмножеством) данным другого, более высокого уровня. В такой модели связи данных могут быть отражены в виде дерева-графа, где допускаются только односторонние связи от старших вершин к младшим. Иерархические БД не получили широкого распространения. Реальный мир отнюдь не является иерархическим. Перспективнее оказались сетевые СУБД, учитывающие более сложные взаимосвязи между элементами, составляющими БД (теоретически, по крайней мере, допускаются связи "всех со всеми"). Управляющие программы для таких СУБД становились все более и более независимыми от физических структур данных. Но все равно необходимо знать, как управлять этими структурами. По-прежнему для таких моделей характерна сложность реализации СУБД, а сами программы остаются весьма чувствительными к модификациям. А поскольку каждый элемент данных должен содержать ссылки на другие элементы, требуются значительные объемы памяти, как дисковой, так и оперативной. Дефицит последней может приводить к замедлению доступа к данным, лишая сетевую БД основного ее достоинства - быстродействия.
Процесс отделения программ от структур данных в конечном итоге завершили реляционные базы данных (РБД). В РБД все данные представлены исключительно в формате таблиц или, по терминологии реляционной алгебры, отношений (relation). Таблица в реляционной алгебре - это неупорядоченное множество записей (строк), состоящих из одинакового набора полей (столбцов). Каждая строка характеризует некий объект, каждый столбец - одну из его характеристик. Совокупность таких связанных таблиц и составляет БД, при этом таблицы полностью равноправны - между ними не существует никакой иерархии. Реляционная модель является простейшей и наиболее привычной формой представления данных. РБД позволили моделям данных отражать взаимосвязи прикладной области, а не методы программного доступа к данным и структурам данных. Это - огромный шаг вперед по нескольким причинам:
Отражающие прикладную область знаний модели данных являются интуитивно понятными конечному пользователю.
Реорганизация данных на физическом уровне совершенно не влияет на выполнение прикладных программ. Одним из важнейших побочных эффектов данного преимущества является появление клиент-серверных архитектур, сохраняющих все достоинства централизованного администрирования и управления данными, с одной стороны, и дружески настроенных по отношению к пользователю клиентских программ, с другой.
Благодаря нормализации удается избежать чрезмерного дублирования данных.
Индустрия РБД в настоящее время вполне созрела. Условия на рынке сейчас диктует "большая пятерка": IBM, Informix, Microsoft, Oracle и Sybase. На нее падает львиная доля всех расходов на разработку БД. Можно выделить две категории приложений в БД: оперативная обработка транзакций (OLTP - Online Transaction Processing) и системы поддержки принятия решений (DSS - Decision Support System).
OLTP-системы используются для создания приложений, поддерживающих ежедневную активность организации. Обычно это критические для деятельности приложения, требующие быстроты отклика и жесткого контроля над безопасностью и целостностью данных.
DSS (Decision Support System)-системы поддержки принятия решений, как правило, крупнее, чем OLTP-системы. Обычно они используются с целью анализа данных и выдачи отчетов и рекомендаций. Пользователи должны иметь возможность конструировать запросы различной степени сложности, осуществлять поиск зависимостей, выводить данные на графики и использовать информацию в других приложениях типа электронных таблиц, текстовых процессорах и статистических пакетов. Еще более широкую поддержку в процессе принятия решений обеспечивают системы оперативной аналитической обработки (OLAP - Online Analytical Processing).
Критерии оценки БД
Базы данных будут продолжать развиваться, а объемы информации в компьютерах - расти. Усложнение производственных процессов, "интеллектуа-лизация" контрольно-измерительных приборов, требования конечного пользователя относительно повышения объемов и качества информации делают это предположение особенно справедливым для промышленных условий.
Однако наиболее важные критерии оценки БД останутся теми же самыми, а именно:
Повышает ли БД возможности конечных пользователей путем предоставления доступа к нужной информации в нужном месте и в нужное время?
Обеспечивает ли БД требуемый уровень открытости и гибкости запросов?
Легко ли сопровождать и использовать БД? Надежна ли она?
Широко ли распространена БД и хорошо ли поддерживается ее технология большим числом независимых производителей программного обеспечения?
Легко ли интегрировать БД с широким спектром иного программного обеспечения?
Широк ли спектр возможных применений БД?
Доступны ли по цене большинству пользователей аппаратные платформы, поддерживаемые БД?
Приемлема ли сама БД по цене для большинства пользователей?
Клиент-серверные технологии
Модель "клиент-сервер" в настоящее время стала доминирующей компьютерной архитектурой после того, как предприятия осознали преимущество объединения удобных персональных компьютеров с централизованными, надежными и отказоустойчивыми мэйнфреймами. Клиент-серверные системы одновременно используют вычислительную мощь как клиента, так и сервера, возлагая интенсивную обработку данных на сервер и оптимизируя сетевой трафик так, чтобы повысить общую эффективность работы (рис. 1).
Для интерфейса в клиент-серверных системах используется SQL - язык структурированных запросов (Structured Query Language). Он представляет собой средство организации, управления и поиска информации в РБД. Широкое признание SQL приобрел благодаря таким своим характеристикам, как:
независимость от поставщика;
переносимость на разные компьютерные платформы;
опора на реляционные принципы хранения информации;
высокоуровневая англоязычная структура;
интерактивное выполнение запросов;
полнофункциональный язык БД;
поддержка со стороны IBM, Oracle, Sybase, Microsoft и др.
Язык SQL поддерживается всеми крупными поставщиками серверов БД и огромным большинством производителей различных прикладных средств разработки и языков.
Рис. 1. Клиент-серверная организация.