Раздел 3. Базы данных Тема 3.1. Основы понятия теории баз данных. Модели и структуры данных.

С начала развития вычислительной техники образовались два основных направления ее использования:

·   выполнение расчетов, которые невозможно производить вручную;

·   создание автоматизированных информационных систем (АИС).

Создание АИС стало возможным с появлением жестких дисков большой емкости, обеспечивающих произвольный доступ к данным. Это предопределило развитие АИС разного назначения и масштаба, в первую очередь в области бизнес-приложений. Примерами являются автоматизированные системы управления предприятием, банковские системы, системы резервирования и продажи билетов.

Параллельно развивались системы управления физическими экспериментами, обеспечивающие оперативную обработку в реальном времени огромных потоков данных от датчиков, и автоматизированные библиотечные информационно-поисковые системы. Все это привело к появлению новой информационной технологии интегрированного хранения и обработки данных – концепции баз данных.

Система баз данных (СБД) – это система специально организованных данных (баз данных), программных, технических, языковых, организационно-методических средств для централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования данных.

Системы БД существуют и на малых, менее мощных компьютерах, и на больших, более мощных. На больших применяют в основном многопользовательские системы, на малых – однопользовательские.

Однопользовательская система (single-user system) – это система, в которой в одно и то же время к БД может получить доступ не более одного пользователя.

Многопользовательская система (multi-user system) - это система, в которой в одно и то же время к БД может получить доступ несколько пользователей.

Основная задача большинства многопользовательских систем – позволить каждому отдельному пользователю работать с системой как с однопользовательской.

Различия однопользовательской и многопользовательской систем – в их внутренней структуре, конечному пользователю они практически не видны.

Терминологическое единство в рассматриваемой сфере отсутствует. Термин «система баз данных» (database system) широко используется в современнойанглоязычной литературе для определения человеко-машинной системы, включающей БД, СУБД, оборудование и персонал. Значительно реже используется термин «банк данных», который многими авторами признается архаичным.

База данных (БД) – именованная совокупность данных, отображающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области.

В ранних определениях БД указывалось на отсутствие дублирования данных. Однако дублирование может быть вызвано спецификой модели данных или технологическими причинами (обеспечение надежности, сокращение времени реакции). Но это должно быть отслеживаемое и управляемое дублирование.

Система управления базами данных (СУБД) – это совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.

Иногда в составе СБД выделяют систему управления архивами. Под оперативным управлением СУБД находится часть данных, остальные данные (архивы) располагаются на носителях, не управляемых СУБД.

Основные требования к СБД можно сформулировать следующим образом:

·  адекватность отображения предметной области (полнота, целостность, непротиворечивость и актуальность данных);

·  возможность взаимодействия пользователей разных категорий, обеспечение высокой эффективности доступа;

· дружественность интерфейса;

· обеспечение секретности и конфиденциальности;

· обеспечение взаимной независимости программ и данных;

· обеспечение надежности – защита данных от случайного и преднамеренного разрушения, возможность восстановления данных в случае сбоев в системе;

· распределенная обработка данных и обеспечение эффективного доступа пользователей к данным в любой точке сети.

Компоненты среды СУБД

В среде СУБД можно выделить следующие пять основных компонентов: аппаратное и программное обеспечение, данные, процедуры и пользователей.

Аппаратное обеспечение

Для работы СУБД и приложений необходимо некоторое аппаратное обеспечение. Оно может варьировать в очень широких пределах — от единственного персонального компьютера или одного мэйнфрейма до сети из многих компьютеров.

Используемое аппаратное обеспечение зависит от требований данной организации и типа СУБД. Одни СУБД предназначены для работы только с конкретными типами операционных систем или оборудования, другие могут работать с широким кругом аппаратного обеспечения и различными операционными системами.

Для работы СУБД обычно требуется некоторый минимум оперативной и дисковой памяти, но такой минимальной конфигурации может оказаться совершенно недостаточно для достижения приемлемой производительности системы. В аппаратное обеспечение могут входить например сервер баз данных и клиентские компьютеры.

Программное обеспечение Этот компонент охватывает программное обеспечение самой СУБД и прикладных программ, вместе с операционной системой, включая и сетевое программное обеспечение, если СУБД используется в сети. Обычно приложения создаются на языках третьего поколения, таких как C++, Java, Visual Basic, Fortran, Pascal, PHP, Perl или на языках четвертого поколения, таких как SQL, операторы которых внедряются в программы на языках третьего поколения. Впрочем, СУБД может иметь свои собственные инструменты четвертого поколения, предназначенные для быстрой разработки приложений с использованием встроенных непроцедурных языков запросов, генераторов отчетов, форм, графических изображений и даже полномасштабных приложений. Использование инструментов четвертого поколения позволяет существенно повысить производительность системы и способствует созданию более удобных для обслуживания программ.

Данные

Вероятно, самым важным компонентом среды СУБД (с точки зрения конечных пользователей) являются данные. На предыдущем рис. показано что данные играют роль моста между компьютером и человеком. База данных содержит как рабочие данные, так и метаданные, т.е. "данные о данных". Структура базы данных называется схемой.  Процедуры

К процедурам относятся инструкции и правила, которые должны учитываться при проектировании и использовании базы данных. Пользователям и обслуживающему персоналу базы данных необходимо предоставить документацию, содержащую подробное описание процедур использования и сопровождения данной системы, включая инструкции о правилах выполнения приведенных ниже действий.

• Регистрация в СУБД.

• Использование отдельного инструмента СУБД или приложения.

• Запуск и остановка СУБД.

• Создание резервных копий СУБД.

• Обработка сбоев аппаратного и программного обеспечения, включая процедуры идентификации вышедшего из строя компонента, исправления отказавшего компонента (например, посредством вызова специалиста по ремонту аппаратного обеспечения), а также восстановления базы данных после устранения неисправности. • Изменение структуры таблицы, реорганизация базы данных, размещенной на нескольких дисках, способы улучшения производительности и методы архивирования данных на вторичных устройствах хранения.

Пользователей СБД можно разделить на три группы:

· Прикладные программисты. Отвечают за написание прикладных программ, использующих БД. Для этих целей применимы различные языки программирования. Прикладные программы выполняют над данными стандартные операции – выборку, вставку, удаление, обновление – через соответствующий запрос к СУБД. Такие программы бывают простыми – пакетной обработки, или оперативными приложениями – для поддержки работы конечного пользователя.

·  Конечные пользователи. Работают с системами БД непосредственно через рабочую станцию или терминал. Конечный пользователь может получить доступ к БД, используя оперативное приложение или интегрированный интерфейс самой СУБД (такой интерфейс тоже является оперативным приложением, но встроенным). В большинстве систем есть хотя бы одно такое встроенное приложение – процессор языка запросов (или командный интерфейс). Язык SQL – пример языка запросов для БД. Кроме языка запросов в современных СУБД, как правило, есть интерфейсы, основанные на меню и формах – для непрофессиональных пользователей. Понятно, что командный интерфейс более гибок, содержит больше возможностей.

· Администраторы БД. Отвечают за создание БД, технический контроль, обеспечение быстродействия системы, ее техническое обслуживание.