6.Концептуальное проектирование модель сущность-связь
Этапы концептуального проектирования:
1) подробные модели пользовательских представлений данных.
2) интеграция в концептуальную модель.
Концептуальное проектирование приводит к созданию концептуальной схемы базы данных.
Подходы к проектированию:
1) Восходящий - используется для проектирования простых баз данных с небольшим кол-вом атрибутов. Определяем атрибуты, в зависимости от связей строим отношения. Отношения нормализуем ,что приводит к созданию нормализованных взаимосвязанных таблиц, основанных на функциональных зависимостях между атрибутами.
2) Нисходящий – используется для сложных баз данных, с большим кол-вом атрибутов
Нисходящий подход демонстрируется в концепции модели «сущность-связь» (Entity-Relationship model — ER-модель) — самой популярной технологии высокоуровневого моделирования данных, предложенной П. Ченом.
Фундаментальными понятиями концептуального проектирования являются данные с их связями и отношениями.
Объекты могут быть атомарными или составными. Объект – это то, о чем накапливается информация. Составные части объекта называются его экземплярами. Объекты бывают реальными (люди, книги) и концептуальными (деловые операции…). Объект независимый от других объектов называется сильным. Зависимый – слабым.
Атрибут — это поименованная характеристика объекта, с помощью которой моделируется его свойство. Атрибуты бывают простыми (не делимыми) или же составными (Дата рождения (год, день, месяц)). Атрибуты бывают однозначными и многозначными (человек может иметь только одно Имя). Атрибут бывает базовым и производным (зависящим от другого атрибута)
Ключ – это атрибут, с помощью которого можно идентифицировать экземпляр объекта.
сущность-объект, информация о котором хранится в бд
Экземпляры сущности- отличаются др. от др. и однозначно идентифицируются.
связь представляет собой линию, соединяющую две сущности (А и В).
Концептуальная схема реляционной БД, как правило, описывается диаграммой «сущность—связь» (ERD, ER-диаграмма), предназначенной для разработки модели данных и обеспечивающей стандартный способ определения данных и отношений между ними.
7.Модель данных — это абстрактное, самодостаточное, логическое определение объектов, операторов и прочих элементов, в совокупности составляющих абстрактную машину доступа к данным, с которой взаимодействует пользователь. Эти объекты позволяют моделировать структуру данных, а операторы — поведение данных
Реляционная модель данных — логическая модель данных, прикладная теория построения баз данных, которая является приложением к задачам обработки данных таких разделов математики как теории множеств и логика первого порядка.
На реляционной модели данных строятся реляционные базы данных.
Реляционная модель данных включает следующие компоненты:
Структурный аспект (составляющая) — данные в базе данных представляют собой набор отношений.
Аспект (составляющая) целостности — отношения (таблицы) отвечают определенным условиям целостности. РМД поддерживает декларативныеограничения целостности уровня домена (типа данных), уровня отношения и уровня базы данных.
Аспект (составляющая) обработки (манипулирования) — РМД поддерживает операторы манипулирования отношениями (реляционная алгебра, реляционное исчисление).
Графический метод — это метод условных изображений при помощи линий, точек, геометрических фигур и других символов.
Модель данных - интегрированный набор понятий для описания и обработки данных, связей между ними и ограничений, накладываемых на данные в некоторой организации. Модель данных можно рассматривать как сочетание трех указанных ниже компонентов:
-Структурная часть, т.е. набор правил, по которым может быть построена база данных.
-Управляющая часть, определяющая типы допустимых операций с данными (сюда относятся операции обновления и извлечения данных, а также операции изменения структуры базы данных).
-Набор (необязательный) ограничений поддержки целостности данных, гарантирующих корректность используемых данных.
Цель построения модели данных заключается в представлении данных в понятном виде. Если такое представление возможно, то модель данных можно легко применить при проектировании базы данных. Модели данных подразделяются на три категории:
-объектные (object-based) модели данных,
- модели данных на основе записей (record-based),
-физические модели данных.
Есть несколько типов моделей: иерархическая, сетевая, реляционная, постреляционная, объектно-ориентированная модель, объектно-реляционная.
Реляционная модель данных предложена сотрудником фирмы IВМ Удгаром Коддом и основывается на понятии отношение (relation). Отношение представляет собой множество элементов, называемых кортежами. Наглядной формой представления отношения является привычная для человеческого восприятия двумерная таблица. Таблица имеет строки (записи) и столбцы (колонки). Каждая строка таблицы имеет одинаковую структуру и состоит из полей. Строкам таблицы соответствуют кортежи, а столбцам — атрибуты отношения.
С
помощью одной таблицы удобно описывать
простейший вид связей между данными, а
именно деление одного объекта (явления,
сущности, системы и проч.), информация
о котором хранится в таблице, на множество
подобъектов, каждому из которых
соответствует строка или запись таблицы.
При этом каждый из подобъектов имеет
одинаковую структуру или свойства,
описываемые соответствующими значениями
полей записей. Например, таблица может
содержать сведения о группе обучаемых,
о каждом из которых известны следующие
характеристики: фамилия, имя и отчество,
пол, возраст и образование. Поскольку
в рамках одной таблицы не удается описать
более сложные логические структуры
данных из предметной области, применяют
связывание таблиц.
Физическое размещение данных в реляционных базах на внешних носителях легко осуществляется с помощью обычных файлов.
Схема отношения - это именованное множество пар {имя атрибута, имя домена (или типа, если понятие домена не поддерживается) }.
Достоинства: Простота, понятность и удобство физической реализации на ЭВМ. Именно простота и понятность для пользователя явились основной причиной их широкого использования. Проблемы же эффективности обработки данных этого типа оказались технически вполне разрешимыми.
Недостатки: Отсутствие стандартных средств идентификации отдельных записей и сложность описания иерархических и сетевых связей.
8.Реляционная алгебра. Основные операция РА. Специальные операции РА. Реляционное исчисление.
Реляционная алгебра — замкнутая система операций над отношениями в реляционной модели данных. Операции реляционной алгебры также называют реляционными операциями. Основная идея реляционной алгебры состоит в том, что коль скоро отношения являются множествами, то средства манипулирования отношениями могут базироваться на традиционных теоретико-множественных операциях, дополненных некоторыми специальными операциями, специфичными для баз данных. РА – процедурный язык, обеспечивающий пошаговое решение задач.
Существует много подходов к определению реляционной алгебры, которые различаются набором операций и способами их интерпретации, но в принципе, более или менее равносильны. Мы опишем немного расширенный начальный вариант алгебры, который был предложен Коддом. В этом варианте набор основных алгебраических операций состоит из восьми операций, которые делятся на два класса - теоретико-множественные операции и специальные реляционные операции. В состав теоретико-множественных операций входят операции:
объединения отношений;
пересечения отношений;
взятия разности отношений;
прямого произведения отношений.
Специальные реляционные операции включают:
ограничение отношения;
проекцию отношения;
соединение отношений;
деление отношений.
Кроме того, в состав алгебры включается операция присваивания, позволяющая сохранить в базе данных результаты вычисления алгебраических выражений, и операция переименования атрибутов, дающая возможность корректно сформировать заголовок (схему) результирующего отношения.
Реляционное исчисление – декларативный теоретический язык запросов, реализованный на основе исчисления предикатов первого порядка (высказываний в виде функции), которым должны удовлетворять искомые кортежи или домены отношений.
Запрос к БД, выполненный с использованием реляционного исчисления, содержит описание желаемого результата, для которого может существовать несколько способов его вычисления, представленных выражениями реляционной алгебры или непосредственно командами СУБД. Преимуществом реляционного исчисления перед реляционной алгеброй можно считать то, что пользователю не требуется самому строить алгоритм выполнения запроса, Программа СУБД (при достаточной ее интеллектуальности) сама строит эффективный алгоритм.
Существует два варианта исчислений: исчисление, кортежей и исчисление, доменов. В первом случае для описания отношений используются переменные, допустимыми значениями которых являются кортежи отношения, а во втором случае — элементы домена. РИ –непроцедурный язык создания запросов, позволяющий формулировать то, что нужно сделать путем определения табличных запросов за один шаг. Основан на реализации исчисления доменов, является основой большинства языков запросов.
Основные операция реляционной алгебры- могут выполняться над одним отношением (унарная операция) или над двумя отношениями (бинарная операция). При выполнении бинарной операции отношения, участвующие в операциях, должны быть совместимы по структуре. Для этого, во-первых, отношения должны иметь одинаковое количество атрибутов. Во-вторых, атрибуты должны иметь одинаковые имена. В-третьих, атрибуты должны быть определены на одном домене.
Специальные операции реляционной алгебры- Операция выбора (Select), заданная на отношении R в виде булевского выражения (Примеч.Булевские выражения называются также логическими выражениями), определенного на атрибутах отношения R, называется отношение R[a(r)] , включающее те кортежи из исходного отношения, для которых истинно условие выбора: R[a(r)]={r|r принадлежит R /\a(r)="Истина"} Операция проектирования (Project) или вертикального выбора называется отношение R[B] со схемой, соответствующей набору атрибутов B, содержащему кортежи, полученные из кортежей исходного отношения R путем удаления из них значений, не принадлежащих атрибутам из набора B. Операция соединения (Join) возвращает отношение, кортежи которого - это сочетание двух кортежей, имеющих общее значение для одного или нескольких общих атрибутов этих двух отношений. Операция деления (Divide) возвращает отношение, содержащее все значения одного атрибута отношения, которые соответствуют (в другом атрибуте) всем значениям во втором отношении
9. Язык БД .Операторы языка SQL. Управление структурой таблиц. Операторы манипулирования данными.
Язык БД- Для работы с базами данных используются специальные языки баз данных. Чаще всего выделяется два языка: – язык определения данных (ЯОД) – служит для определения логической структуры БД; – язык манипулирования данными (ЯМД) – содержит набор операторов манипулирования данными (добавление данных в БД, удаление, модификация, выборка и т.д.).
Язык БД-SQL является полным языком , в нем присутствуют как составляющие обе необходимы для работы с базами данных части: язык манипулирования данными DML и язык определения данных DDL.
Операторы языка SQL:
Операторы разграничения доступа пользователей к объектам базы данных (DCL).
GRANT – создание в системе безопасности записи, разрешающей пользователю работать с данными или выполнять определенные операции SQL.
DENY - создание в системе безопасности записи, запрещающей доступ для определенной учетной записи.
Операторы определения данных (язык DDL).
Соответствующие операторы предназначены для создания, удаления, изменения основных объектов модели данных реляционных СУБД: таблиц, представлений, индексов.
CREATE TABLE <имя> - создание новой таблицы в базе данных.
DROP TABLE <имя> - удаление таблицы из базы данных.
ALTER TABLE <имя> - изменение структуры существующей таблицы или ограничений целостности, задаваемых для данной таблицы.
При выполнении аналогичных операций с представлениями или индексами в указанных операторах вместо служебного слова TABLE записывается слово VIEW (представление) или слово INDEX (индекс)
Операторы манипулирования данными (язык DML).
Операторы DML работают с базой данных и используются для изменения данных и получения необходимых сведений.
SELECT – выборка строк, удовлетворяющих заданным условиям. Оператор реализует, в частности, такие операции реляционной алгебры как "селекция" и "проекция".
UPDATE – изменение значений определенных полей в строках таблицы, удовлетворяющих заданным условиям.
INSERT – вставка новых строк в таблицу.
DELETE – удаление строк таблицы, удовлетворяющих заданным условиям. Применение этого оператора учитывает принципы поддержки целостности, поэтому он не всегда может быть выполнен корректно.
Управление структурой таблиц - Структуру таблицы определяют следующие элементы: -описания столбцов; -ограничения столбцов; -описания ключей; -описания индексов; -ограничения таблицы. Описания и ограничения столбцов объединяют также под общим термином "описание столбцов". В InterBase ключи могут быть первичными и уникальными. Ограничения таблицы включают в себя ограничения ссылочной целостности и ограничения на значения столбцов. Отметим, что ограничения таблицы, описания ключей и индексов относятся также к структуре базы данных, поэтому их можно просмотреть при выводе метаданных БД, например, с помощью программы IBConsole. При управлении структурой таблицы удаленной БД состав и использование инструкций определения данных в языке SQL в принципе не отличаются от ранее рассмотренной версии этого языка для локальных БД. Однако в дополнение к локальной версии для столбцов таблицы удаленной БД можно задавать различные ограничения, например, значение по умолчанию или диапазон возможных значений. 2.4.1 Описание столбца 2.4.2 Ограничения столбца 2.4.3 Описание ключей 2.4.4 Определение ограничений ссылочной целостности 2.4.5 Использование индексов 2.4.6 Использование просмотров 2.4.1 Описание столбца
В операции манипулирования данными входят три операции: операция удаления записей — ей соответствует оператор DELETE, операция добавления или ввода новых записей — ей соответствует оператор INSERT и операция изменения (обновления записей) — ей соответствует оператор UPDATE
Синтаксис оператора DELETE следующий:
DELETE FROM имя_таблицы [WHERE условия_отбора]
Если условия отбора не задаются, то из таблицы удаляются все строки, однако это не означает, что удаляется вся таблица. Исходная таблица остается, но она остается пустой, незаполненной.
Оператор ввода данных INSERT имеет следующий синтаксис:
INSERT INTO имя_таблицы [(<список столбцов>) ] VALUES (<список значений>)
Подобный синтаксис позволяет ввести только одну строку в таблицу. Задание списка столбцов необязательно тогда, когда мы вводим строку с заданием значений всех столбцов.
Операция обновления данных UPDATE требуется тогда, когда происходят изменения во внешнем мире и их надо адекватно отразить в базе данных, так как надо всегда помнить, что база данных отражает некоторую предметную область. Да-примср, в нашем учебном заведении произошло счастливое событие, которое связано с тем, что госпожа Степанова К. Е. пересдала экзамен по дисциплине «Базы данных» с двойки сразу на четверку. В этом случае нам надо срочно выполнить соответствующую корректировку таблицы R1. Операция обновления имеет следующий формат:
UPDATE имя_таблицы
SET имя_столбца = новое_значение [WHERE условие_отбора]
10.Запросы .Типы запросов.
Запросы- это формирование условий выборки информации из БД. Запрос может относиться к одной или многим связанным таблицам. Результатом запроса является результирующий набор записей, который внешне выглядит как таблица. Эта виртуальная таблица может рассматриваться как таблица БД, которая позволяет добавлять, удалять, обновлять данные, а также включаться в новые запросы
Типы запросов- это формирование условий выборки информации из БД. Запрос может относиться к одной или многим связанным таблицам. Результатом запроса является результирующий набор записей (dynaset), который внешне выглядит как таблица. Эта виртуальная таблица может рассматриваться как таблица БД (добавление, удаление, обновление, включение в новые запросы). Dynaset- не хранится сам по себе и после закрытия прекращает свое существование. Хранятся только условия его создания (сам запрос). Но данные, которые в нем участвовали- хранятся в таблицах БД.
11.Жизненный цикл создания БД. Основные этапы.
Стадии жизненного цикла базы данных:
Стадия анализа – производится анализ предметной области и выявляются требования к ней. Происходит оценка актуальности разработки.
Стадия проектирования – создается логическая структура базы данных, функциональное описание программных модулей и информационных запросов. БД подготавливается к эксплуатации.
Стадия реализации – решаются задачи по разработке программного доступа к базе данных. Проводится тестирование.
Стадия эксплуатации и сопровождения.
Этапы проектирования базы данных:
1. Выделение сущностей и связей между ними.
2. Постройте диаграмму ER-типа с учетом сущ. и связей
3.Формируем набор предварительных отношений с указанием предположения первичного ключа для каждого отношения .
4.Добаление не ключевых атрибутов в отношение
5.Приведение отношения к норм. форме
12.Последовательная нормализация. Избыточность данных . Аномалии обеления данных. 1НФ, 2НФ, 3НФ.
Нормализация отношений- формально-аппаратные ограничения на формирование таблиц, котор. позволяет устранить дублирование, обеспечивая непротиворечивость хранимых в бд данных. Уменьшение затрат на ведение бд.
Избыточность данных :
Данные не должны быть избыточными; существует несколько причин, почему дублирование данных следует стремиться свести к минимуму. Например, нет необходимости хранить домашний адрес сотрудника компании более, чем в одной таблице, поскольку при этом непроизводительно расходуется дисковое пространство. Кроме того, может возникнуть невообразимая путаница, когда, например, адрес сотрудника в одной таблице не соответствует его же адресу в другой. Какая информация достоверна? Есть ли у вас соответствующие документы для проверки действительного адреса этого сотрудника? Как ни сложно управление информацией само по себе, избыточность данных в этом случае может оказаться настоящим бедствием.
Аномалии:
-Аномалия обновления – появление в базе данных несогласованности данных при выполнении операций вставки, удаления, модификации записей.
-Аномалии модификации – появление записей с противоречащими значениями в некоторых столбцах при изменении значений соответствующих полей одной записи.
Для отношения Студент (ФИО, Группа, Староста), где в столбце Группа хранится полное название группы, а столбец Староста содержит ФИО старосты группы, изменение значения Староста (например, для устранения ошибки) может привести к существованию более одного старосты одной и той же группы.
-Аномалии удаления – удаление лишней информации при удалении записи.
Для отношения Студент (ФИО, Группа, Староста), удаление студента может привести к удалению из БД и ФИО старосты группы (в том случае, если для данной группы запись – единственная).
-Аномалии вставки – добавление лишней информации или возникновение противоречащих значений в некоторых столбцах при вставке новой записи.
Для отношения Студент (ФИО, Группа, Староста), где в столбце Группа хранится полное название группы, а столбец Староста содержит ФИО старосты группы, добавление названия новой группы повлечет обязательное определение ФИО студента и старосты, в то время как эти данные могут быть пока не известны. В то же время, при добавлении нового студента значение поля Староста в новой записи может не совпадать со значением данного поля для другого студента этой же группы.
Для сохранения корректности БД необходимо устранять данные аномалии, выполняя дополнительные операции по просмотру и модификации данных. Потери в производительности, вызванные выполнением действий по устранению аномалий, могут быть весьма существенными, при этом данные потери, в большинстве случаев, не являются неизбежными, а определяются неудачным выбором схемы БД.
Указанные аномалии связаны с избыточностью данных в БД. Следует различать избыточное и неизбыточное дублирование данных.
НФ:
1НФ-если отношение имеет первичный ключ и все его атрибуты просты и атомарные (каждому из первичного ключа соответствует одно единственное значение ключа- не атрибута)
2НФ-если находится в 1НФ и каждый не ключевой атрибут функционально полно зависит от первичного ключа.
3НФ – если в 2НФ и отсутствует транзитивная зависимость(зависимость неключевых атрибутов между собой – плохая зависимость.)
13.Логическое проектирование БД. Правила преобразования КМ в РМ для связи 1:1. Для связи М:М
При проектировании любой базы данных всегда следует иметь в виду конечного пользователя. Логическое проектирование базы данных (также называемое построением ее логической модели) представляет собой процесс объединения данных в логически организованные группы объектов, которые можно легко поддерживать. Логическое проектирование базы данных должно приводить к уменьшению повторяющейся информации или даже полному ее устранению. В конце концов, зачем хранить одни и те же данные дважды? Кроме того, все используемые в базе данных соглашения о наименованиях также должны быть стандартными и логически обоснованными.
Преобразование ER – модели в реляционную модель.
Существует несколько правил позволяющие осуществить переход:
1. Каждый тип сущности преобразуется в таблицу. В эту табл. вносятся все атрибуты.
2. Бинарная связь типа один ко многим между сущностями разных типов, реализуется с помощью внешнего ключа между 2-мя табл.
3. Каждая связь со степенью > 2 и связь имеющая атрибуты преобразуется в табл.
4. Связь 1-1 реализуется в рамках одной табл. исключение из этого правила является ситуация, когда связанные сущности существенно не зависимы друг от друга.
5. Унарная связь 1-М между сущностями одного типа реализуются с помощью внешнего ключа определенного в той же табл. что и первичный ключ.
6. Бинарная связь типа М-М реализуется с помощью промежуточной табл.
7. Унарная связь многие ко многим реализуется с помощью промежуточных табл.
К не реализуемым относятся связь один ко многим или многие ко многим обязательно в обе стороны.
Таблицу можно создать без первичного ключа. В качестве первичного ключа может выступать любой уникальный атрибут, кот. не повторяется. Если у сущности нет
уникальных атрибутов, то рассматриваются уникальные комбинации атрибутов.
Первичный ключ не должен быть доменным (состоять из большого кол-ва атрибутов). При отсутствии подходящих атрибутов вводится суррогатный ключ, кот. не несет смысловой нагрузки и служит только для идентификации.
14. Функции приложения в архитектуре Клиент-Сервер.
Как правило компьютеры и программы, входящие в состав информационной системы, не являются равноправными. Некоторые из них владеют ресурсами (файловая система, процессор, принтер, база данных и т.д.), другие имеют возможность обращаться к этим ресурсам. Компьютер (или программу), управляющий ресурсом, называют сервером этого ресурса (файл-сервер, сервер базы данных, вычислительный сервер...). Клиент и сервер какого-либо ресурса могут находится как в рамках одной вычислительной системы, так и на различных компьютерах, связанных сетью.
Основной принцип технологии "клиент-сервер" заключается в разделении функций приложения на три группы:
ввод и отображение данных (взаимодействие с пользователем);
прикладные функции, характерные для данной предметной области;
функции управления ресурсами (файловой системой, базой даных и т.д.)
Поэтому, в любом приложении выделяются следующие компоненты:
компонент представления данных
прикладной компонент
компонент управления ресурсом
Связь между компонентами осуществляется по определенным правилам, которые называют "протокол взаимодействия".