1. Основные понятия и определения баз данных

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

Система баз данных (СБД) – это компьютеризированная система хранения структурированных данных, основная цель которой – хранить информацию и предоставлять ее по требованию.

Система управления базами данных (СУБД) - это комплекс программных и языковых средств, необходимых для создания БД, поддержания их в актуальном состоянии и организации поиска в них необходимой информации.

2. Модели данных: иерархическая, сетевая, реляционная.

Иерархическая модель данных.

В иерархической модели все записи, агрегаты и атрибуты базы данных образуют иерархически организованный набор, то есть такую структуру, в которой все элементы связаны отношениями подчиненности, и при этом любой элемент может подчиняться только одному какому-нибудь другому элементу. Такую форму зависимости удобно изображать с помощью древовидного графа (схемы, состоящей из точек и стрелок, которая связна и не имеет циклов). Пример иерархической структуры базы данных приведен на рис. 1.

К основным понятиям иерархической структуры относятся уровень, элемент или узел и связь. Узел - это совокупность атрибутов, описывающих некоторый объект. На схеме иерархического дерева узлы представляются вершинами графа. Каждый узел на более низком уровне связан только с одним узлом, находящимся на более высоком уровне. Иерархическое дерево имеет только одну вершину (корень дерева), не подчиненную никакой другой вершине и находящуюся на самом верхнем (первом) уровне. Зависимые (подчиненные) узлы находятся на втором, третьем и так далее уровнях. Количество деревьев в базе данных определяется числом корневых записей. К каждой записи базы данных существует только один (иерархический) путь от корневой записи. В иерархической модели данных автоматически поддерживается целостность ссылок между предками и потомками. Основное правило: никакой потомок не может существовать без своего родителя.2.

Сетевая модель данных.Сетевой подход к организации данных является расширением иерархического. В иерархических структурах запись-потомок должна иметь в точности одного предка; в сетевой структуре данных потомок может иметь любое число предков (рис. 2).

С етевая БД состоит из набора записей и набора связей между этими записями, точнее, из набора экземпляров записей заданных типов (из допустимого набора типов) и набора экземпляров из заданного набора типов связи.

Реляционная модель данных. В реляционной модели объекты и взаимосвязи между ними представляются с помощью двумерных таблиц (рис. 3). Реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:

каждый элемент таблицы — один элемент данных;

все столбцы в таблице однородные, то есть, все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный или другой) и длину;

каждый столбец имеет уникальное имя;

одинаковые строки в таблице отсутствуют;

порядок следования строк и столбцов может быть произвольным.

3. Постреляционные модели данных. Описание моделей данных

Объектно-ориентированная модель изначально строилась с учетом ее эволюции и расширения. Эта модель базируется на основных понятиях и методах, разработанных в объектно-ориентированном програмировании (ОПП) и представленных в широко используемых языках объектно-ориентированного программирования, таких как С++, Java и др..

Принципиальное отличие реляционных и объектно-ориентированных БД заключается в следующем:

- объектно-ориентированная модель данных оказывается более адекватной моделью предметной области реального мира;

- объекты вторых можно хранить и использовать непосредственно, не раскладывая их по таблицам;

- типы данных определяются разработчиком и не ограничены набором предопределенных типов.

Объектно-реляционная модель.В объектно-реляционных СУБД (ОРСУБД) используется базовая реляционная модель данных. ОРСУБД являются постепенным развитием предшествующих им реляционным СУБД. В отличие от ООСУБД переход к ОРСУБД не требует массового перепрограммирования. Основной язык объектно-ориентированных БД SQL3.

Основная идея объектно-реляционного подхода - это допущение использовать в качестве атрибутов не только простые, атомарные типы данных, но и составные, абстрактные типы данных, что противоречит классической концепции реляционных СУБД.

Объектно-реляционные системы управления базами данных сочетают в себе преимущества современных объектно-ориентированных языков программирования с функциями реляционных баз данных, такими как множественные виды данных и высокоуровневый, непроцедурный язык запросов (SQL).

4. Реляционная модель данных

Реляционная модель данных. В реляционной модели объекты и взаимосвязи между ними представляются с помощью двумерных таблиц (рис. 3). Реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:

каждый элемент таблицы — один элемент данных;

все столбцы в таблице однородные, то есть, все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный или другой) и длину;

каждый столбец имеет уникальное имя;

одинаковые строки в таблице отсутствуют;

порядок следования строк и столбцов может быть произвольным.

5. Особенности реляционной модели данных.

• множество объектов реляционной модели данных однородно - структура данных определяется только в терминах отношений;

• основная единица обработки в операциях реляционной модели данных не запись (как в сетевых и иерархических моделях данных), а множество записей - отношение.

6. Обработка информации в реляционных БД: реляционная алгебра, реляционное исчисление. Выполнение нормализации отношений.

В реляционном исчислении используется алфавит (совокупность обозначений), термы (элементарные конструкции) и формулы, представляющие собой некоторые аксиомы, записанные с помощью предикатов, термов и обозначений в виде выражений.

В реляционном исчислении вводится следующий алфавит A:

· Отдельные константы.

· Индексные переменные.

· Переменные выборки.

· Одноместные (монадические) предикаты.

· Двуместные предикаты (диадические предикаты или операции сравнения).

· Логические символы, включая кванторы.

· Разделители (круглые и квадратные скобки).

В реляционном исчислении вводится однозначное соответствие между одноместным предикатом и отношением в конкретной базе данных. Так, если в БД даны отношения R1, ¼. Rn, то предикат Pj показывает принадлежность выборки к отношению Rj.

Реляционная алгебра — замкнутая система операций над отношениями в реляционной модели данных. Операции реляционной алгебры также называют реляционными операциями.

Реляционная алгебра представляет собой набор операторов, использующих отношения в качестве аргументов, и возвращающие отношения в качестве результата. Таким образом, реляционный оператор выглядит как функция с отношениями в качестве аргументов: R = f (R1, R2,…, Rn). Реляционная алгебра является замкнутой, т.к. в качестве аргументов в реляционные операторы можно подставлять другие реляционные операторы, подходящие по типу: R = f (f1 (R11, R12,…),f2(R21, R22,…). Таким образом, в реляционных выражениях можно использовать вложенные выражения сколь угодно сложной структуры.

Первый этап проектирования БД — построение концепту­альной информационной модели организации. Для этого должны быть изучены концептуальные требования заказчика (организа­ции) и на основе анализа этих требований определены сущности. Результатом работ 1-го этапа проектирования БД должен быть список основных сущностей — прообраз будущих таблиц и ин­формационная (концептуальная) модель данных.

Второй этап проектирования — определение взаимосвязей между сущностями. Результатом работ 2-го этапа проектирова­ния БД должна быть схема, отражающая взаимосвязи между сущностями.

Третий этап проектирования — задание первичных и внеш­них ключей для перехода между сущностями. Результатом работ 3-го этапа проектирования БД должна быть общая таблица с опи­санием всех сущностей — прообразами будущих таблиц. В таб­лице, кроме атрибутов (будущих полей), задаются первичные и внешние ключи для каждой таблицы.

Четвертый этап проектирования — приведение модели к тре­буемому уровню нормальной формы, т. е. выполнение нормали­зации отношений между таблицами. Следует удалить из БД из­быточную информацию. Для этого нужно создать для каждой сущности по одной таблице с ее именем, а полями будут атрибу­ты сущности. При этом следует выполнить условия: