Технологии хранения данных. Язык sql. Архитектура реляционной бд. Нормальные формы рбд. Субд, примеры, области применения. Совокупная стоимость владения и оптимизация издержек.
База данных (БД) — именованная совокупность данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области.
Система управления базами данных (СУБД) — совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.
Программы, с помощью которых пользователи работают с базой данных, называются приложениями. При рассмотрении приложений, работающих с одной базой данных, предполагается, что они могут ра6отать параллельно независимо друг от друга, и именно СУБД призвана обеспечить работу множества приложений с единой базой данных таким образом, чтобы каждое из них выполнялось корректно, но учитывало все изменения в базе данных.
Преимущества использования БД
Рассмотрим, какие преимущества получает пользователь при использовании БД как безбумажной технологии.
компактность - информация хранится в БД, нет необходимости хранить многотомные бумажные картотеки
скорость -скорость обработки информации (поиск, внесение изменений) компьютером намного выше ручной обработки
низкие трудозатраты - нет необходимости в утомительной ручной работе над данными
применимость - всегда доступна свежая информация
Дополнительные преимущества появляются при использовании БД в многопользовательской среде, поскольку становится возможным осуществлять централизованное управление данными.
SQL (Structured Query Language) — это структурированный язык запросов к реляционным базам данных. На этом языке можно формулировать выражения (запросы), которые извлекают требуемые данные, модифицируют их, создают таблицы и изменяют их структуры, определяют права доступа к данным и многое другое.
Язык SQL позволяет: создавать новые таблицы в базе данных; добавлять в таблицу новые записи; изменять записи; удалять записи; осуществлять выборку данных из одной или нескольких таблиц; изменять структуру таблиц; создавать, модифицировать и обеспечивать безопасность базы данных.
В языке SQL можно выделить три раздела:
DDL (Data Definition Language) – это язык определения данных, который включает операторы, управляющие объектами базы данных. К последним относятся таблицы, индексы, представления. Для каждой конкретной базы данных существует свой набор объектов базы данных, который может значительно расширять набор объектов, предусмотренный стандартом.
CREATE DATABASE – создать базы данных;
DROP DATABASE – удалить базу данных;
CREATE TABLE – создать таблицу;
ALTER TABLE – изменить таблицу;
DROP TABLE – удалить таблицу;
CREATE VIEW – создать представление;
DROP VIEW – удалить представление.
DML (Data Manipulation Language) - язык манипулирования данными:
SELECT – отобрать строки из таблиц;
INSERT – добавить строки в таблицу;
UPDATE – изменить строки в таблице;
DELETE – удалить строки в таблице;
DCD (Data Control Language) – язык управления данными состоит из операторов контроля данных, защиты и управления данными:
COMMIT – зафиксировать внесенные изменения;
ROLLBACK – откатить внесенные изменения.
GRANT – предоставить привилегии пользователю или приложению на манипулирование объектами;
REVOKE – отменить привилегии пользователя или приложения.
Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Каждая реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:
• каждый элемент таблицы — один элемент данных;
• все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный и т.д.) и длину;
• каждый столбец имеет уникальное имя;
• одинаковые строки в таблице отсутствуют;
• порядок следования строк и столбцов может быть произвольным.
При создании сложной базы реляционная база представляет собой совокупность взаимосвязанных таблиц. В таких базах данных удобно сортировать данные, производить выборку и поиск.
Архитектура реляционной БД.
Реляционные базы данных состоят из ряда общих ключевых элементов:
• Область хранения данных - содержит данные и размещается на диске.
• Механизм базы данных - обеспечивает функционирование ядра (стержневой части) базы данных, включая функции, используемые другими компонентами системы.
• Оптимизатор запросов - определяет наиболее эффективный путь доступа к хранилищу данных при необходимости в них.
• Память совместного использования (разделяемая память) - содержит буферный кэш базы данных и кэши других часто используемых данных. Способствует взаимодействию процессов.
• Регистратор - отмечает изменения, произведенные с данными, в журнале, или файле регистрации, для сохранения целостности базы данных в случае ее фатального сбоя или сбоя системы.
• Очистители страниц (Database Writers в терминологии Oracle, программы, осуществляющие операции записи, или редакторы базы дачных) - выгружают модифицированные страницы из кэша базы данных на диск.
• Процесс восстановления базы данных - после фатального сбоя восстанавливает базу данных в согласованное состояние и повторяет любые транзакции, которые не были записаны в таблицы базы данных на диске.
• Подсистема блокировки - разрешает параллельный доступ к базе данных, убедившись, что целостность данных сохраняется.
• Системные мониторы и мониторы процессов - осуществляют мониторинг всех активных процессов в системе и обеспечивают правильное закрытие системы в случае любых сбоев в процессах.
Каждый из этих компонентов находится под управлением системы базы данных; пользователи не могут получить прямой доступ к ним. Вместо этого система базы данных обеспечивает доступ к БД посредством следующих механизмов:
• Интерактивный и пакетный интерфейсы - поддерживают выполнение команд SQL (Structured Query Language - языка структурированных запросов). SQL является основным средством доступа к информации реляционной базы данных.
• Набор APIs (application programming interfaces - интерфейсов прикладного программирования) - обеспечивает доступ к базе данных через приложения пользователя. APIs обеспечивают доступ к функциям SQL из других языков программирования.
• Средства мониторинга производительности - предоставляют информацию о функционировании системы базы данных.
В теории реляционных баз данных обычно выделяется следующая последовательность нормальных форм:
первая нормальная форма (1NF);
вторая нормальная форма (2NF);
третья нормальная форма (3NF);
нормальная форма Бойса-Кодда (BCNF);
четвертая нормальная форма (4NF);
пятая нормальная форма (5NF или PJ/NF).
Основные свойства нормальных форм:
каждая следующая нормальная форма в некотором смысле лучше предыдущей;
при переходе к следующей нормальной форме свойства предыдущих нормальных свойств сохраняются.
На практике многие пользователи делают выбор хранения данных в пользу 3NF - третьей нормальной формы). Таблица организована в 3NF, если:
• Пересечение каждой строки и столбца в таблице (или отношении) содержит одно и только одно значение (1NF - первая нормальная форма). Данные атомарны (ФИО разделено)
• Каждый не ключевой атрибут (не входящий в состав первичного ключа) полностью функционально зависим от первичного ключа (2NF - вторая нормальная форма при условии, что первая нормальная форма также верна) (сотрудник, должность. Оклад, наличие ПК).
• Никакой из не первичных ключевых атрибутов не зависит транзитивно от первичного ключа (3NF) (таблица: ФИО, отдел, телефон).
Система управления базами данных — это универсальное программное средство, предназначенное для организации хранения и обработки логически взаимосвязанных данных и обеспечения быстрого доступа к ним.
СУБД дают возможность программистам и системным аналитикам быстро разрабатывать более совершенные программные средства обработки данных, а конечным пользователям осуществлять непосредственное управление данными. СУБД должна обеспечивать пользователю поиск, модификацию и сохранность данных, оперативный доступ, защиту целостности данных от аппаратных сбоев и программных ошибок, разграничение прав и защиту от несанкционированного доступа, поддержку совместной работы нескольких пользователей с данными.
Существуют универсальные системы управления базами данных, используемые для различных приложений. При настройке универсальных СУБД для конкретных приложений они должны обладать соответствующими средствами. Процесс настройки СУБД на конкретную область применения называется генерацией системы. К универсальным СУБД относятся, например системы Microsoft Access, Microsoft Visual FoxPro, Borland dBase, Borland Paradox, Oracle.
Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты:
ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти, и журнализацию,
процессор языка базы данных, обеспечивающий оптимизацию запросов на извлечение и изменение данных и создание, как правило, машинно-независимого исполняемого внутреннего кода,
подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс с СУБД
а также сервисные программы (внешние утилиты), обеспечивающие ряд дополнительных возможностей по обслуживанию информационной
Классификации СУБД
По степени распределённости: Локальные СУБД, Распределённые СУБД
По способу доступа к БД
• Файл-серверные
В файл-серверных СУБД файлы данных располагаются централизованно на файл-сервере. СУБД располагается на каждом клиентском компьютере (рабочей станции). Доступ СУБД к данным осуществляется через локальную сеть. Синхронизация чтений и обновлений осуществляется посредством файловых блокировок. Примеры: Microsoft Access, Paradox, dBase, FoxPro, Visual FoxPro.
• Клиент-серверные
Клиент-серверная СУБД располагается на сервере вместе с БД и осуществляет доступ к БД непосредственно, в монопольном режиме. Все клиентские запросы на обработку данных обрабатываются клиент-серверной СУБД централизованно. Недостаток клиент-серверных СУБД состоит в повышенных требованиях к серверу. Достоинства: потенциально более низкая загрузка локальной сети; удобство централизованного управления; удобство обеспечения таких важных характеристик как высокаянадёжность, высокая доступность и высокая безопасность.
Примеры: Oracle, Firebird, Interbase, IBM DB2, Informix, MS SQL Server, Sybase Adaptive Server Enterprise, PostgreSQL, MySQL,Caché, ЛИНТЕР.
• Встраиваемые
Встраиваемая СУБД — СУБД, которая может поставляться как составная часть некоторого программного продукта, не требуя процедуры самостоятельной установки. Примеры: OpenEdge, SQLite, BerkeleyDB, Firebird Embedded, Microsoft SQL Server Compact, ЛИНТЕР.
Атрибуты и типы атрибутов. Способы отображения атрибутов в стандартизованных диаграммах. Понятие доменов атрибутов. Требования, предъявляемые для проектирования доменов на разных этапах проектирования БД. Документальные базы данных.
Атрибут – любая характеристика сущности, значимая для рассматриваемой предметной области и предназначенная для квалификации, идентификации, классификации, количественной характеристики или выражения состояния сущности. Может быть обязательным, значит, что атрибут не может принимать неопределенных значений, или необязательным. Может быть описательным (обычным дескриптором сущности) и может входить в состав уникального идентификатора (первичного ключа).
Метод
моделирования данных IDEF1. IDEF1X (IDEF1
Extended) — методология построения реляционных
структур. IDEF1X относится к типу методологий
«Сущность-взаимосвязь» (ER —
Entity-Relationship) и, как правило, используется
для моделирования реляционных баз
данных. Позволяет построить модель
данных, эквивалентную реляционной
модели в третьей нормальной форме.
Атрибуты изображаются в идее списка имен внутри блока сущности. Атрибуты, определяющие первичный ключ, размещаются наверху списка и отделяются от других горизонтальной чертой. Сущности могут так же иметь внешние ключи (Foreign Key, FK)
Классы. Атрибут (attribute) — содержательная характеристика класса, описывающая множество значений, которые могут принимать отдельные объекты этого класса .
Атрибут
класса служит
для представления отдельного свойства
или признака, который является общим
для всех объектов данного класса. Атрибуты
класса записываются
во второй сверху секции прямоугольника класса.
Эту секцию часто называют секцией атрибутов.
Класс (class) в языке UML служит для обозначения множества объектов, которые обладают одинаковой структурой, поведением и отношениями с объектами из других классов. Графически класс изображается в виде прямоугольника, который дополнительно может быть разделен горизонтальными линиями на разделы или секции (рис. ). В этих разделах могут указываться имя класса, атрибуты (переменные) и операции (методы).
Документальные базы данных.
Базу данных таких систем образует совокупность неструктурированных текстовых документов (статьи, книги, рефераты, тексты законов) и графических объектов, снабженная тем или иным формализованным аппаратом поиска.
Цель системы - выдать в ответ на запрос пользователя список документов или объектов, в какой-то мере удовлетворяющих сформулированным в запросе условиям. Документальная система должна уметь по контексту определять смысл того или иного термина, например, различать «ромашка» (растение), «ромашка» (тип печатающей головки принтера).
В документальных БД единицей хранения является документ и пользователю выдается ссылка на документ или сам документ. Документальные БД организуются без хранения и с хранением документа на машинных носителях. К первому типу относятся библиографические, реферативные и БД-указатели, отсылающие к источнику информации. Системы, хранящие полный текст документа, называются полнотекстовыми. Их разновидностью являются БД форм документов, в которых документ ищется для использования его в качестве шаблона.
Соответствие найденных документов информационным потребностям пользователя называется пертинентностью.
Соответствие найденных документов запросу пользователя называется релевантностью.