Первичный ключ

S#	ST_FAM	ST_NAME	AV_CNT
S1	Степанов	Руслан	4.1
S2	Иванов	Иван	3.8
S3	Смирнов	Сергей	4.18
S4	Губанов	Владимир	3.7
S5	Толмачев	Сергей	4.0

К

а

р

д

и ч

н и

а с

л л

ь о

н

о

е

Отношение S

Кортежи

| <----------------------------------- Степень ----------------------------------->|

Атрибуты

Отношение - Таблица;

Кортеж - строка таблицы,

атрибут - столбец;

Количество кортежей - кардинальное число;

Количество атрибутов - степень;

Первичный ключ - столбец или комбинация столбцов, такая, что в любой момент времени не существует двух строк, содержащих одинаковое значение в этом столбце или комбинации столбцов;

Домен - это общая совокупность значений, из которой берутся настоящие значения для атрибутов определенного отношения.

Теперь можно различать реляционные и нереляционные системы по следующим признакам. Как уже отмечалось, пользователь реляционной системы видит данные, представленные в таблицах и никак иначе. Пользователь нереляционной системы, напротив, видит данные, представленные в других структурах вместо таблиц реляционной системы или наряду с ними. И для работы с этими другими структурами применяются другие операции. Например, в иерархической системе данные представлены пользователю в форме набора древовидных структура (иерархий), а среди операций работы с иерархическими структурами есть операции перемещения по иерархическими путям вниз и вверх по деревьям.

На практике системы баз данных могут быть легко распределены по категориям в соответствии со структурами данных и операторами, которые они предоставляются пользователю. Теперь мы можем различать реляционные и нереляционные системы по следующим признакам. Как уже отмечалось, пользователь реляционной системы видит данные в виде таблиц и никак иначе.

Пользователь нереляционной системы, напротив, видит данные, представленные в других структурах— либо вместо таблиц реляционной системы, либо наряду с ними. Для работы с этими другими структурами применяются иные операции. В частности, в иерархической системе (например, в СУБД IMS фирмы IBM) данные представляются пользователю в форме набора древовидных структур (иерархий), а среди операций работы с иерархическими структурами есть операции перемещения (навигации) по иерархическим указателям, позволяющие переходить вверх и вниз по ветвям деревьев. Реляционные системы, как мы видели, не имеют таких указателей, и это очень важная их отличительная особенность (по крайней мере, в них отсутствуют указатели, видимые для пользователя, иными словами, указатели на уровне модели, но могут быть предусмотрены указатели на уровне физической реализации).

На основании изложенного можно сделать вывод, что системы баз данных могут быть легко распределены по категориям в соответствии со структурами данных и операциями, которые они предоставляют пользователю. Прежде всего, старые (дореляционные) системы можно разделить на три большие категории: системы с инвертированными списками (inverted list), иерархические (hierarchic) и сетевые (network). {Примечание. Термин сетевая система в данном случае не имеет ничего общего с коммуникационной сетью.) Эти категории подробно рассматривать не будем , поскольку, их можно считать устаревшими.

Следует отметить, что сетевые системы иногда называют системами CODASYL или системами DBTG (Data Base Task Group) в честь предложившего их подразделения организации CODASYL (Conference on Data Systems Language). Пожалуй, наиболее известной из таких систем была IDMS корпорации Computer Associates International, Inc. Подобно иерархическим системам (но в отличие от реляционных), все подобные системы предоставляют пользователю доступ к указателям.

Первые реляционные продукты начали появляться в конце 1970-х и начале 1980-х го-

дов. К настоящему времени преобладающее большинство СУБД являются реляционными (по меньшей мере, они поддерживают язык SQL) и предназначены для работы практически на любой существующей программной и аппаратной компьютерной платформе. Среди них ведущими (в алфавитном порядке) являлются следующие:

DB2 (всевозможные версии) корпорации IBM;

Ingres II корпорации Computer Associates International, Inc.;

Informix Dynamic Server корпорации Informix Software, Inc.;

Microsoft SQL Server корпорации Microsoft;

Oracle 8i корпорации Oracle;

Sybase Adaptive Server компании Sybase, Inc.

В последнее время стали появляться объектно-ориентированные и объектно-реляционные продукты: первые объектные системы были выпущены в конце 1980-х и начале 1990-х годов, а объектно-реляционные системы были созданы в конце 1990-х годов. Большинство объектно-реляционных СУБД основываются на расширенных оригинальных реляционных продуктах, как в случае с DB2 или Informix. Существующие объектно-ориентированные системы иногда представляют собой попытки создать нечто совершенно отличное от других систем, как это имеет место в случае с системой GemStone корпорации GemStone Systems, Inc. и системой Versant ODBMS компании Versant Object Technology.

В дополнение к различным уже упоминавшимся выше подходам, в течение нескольких лет проводились исследования множества альтернативных схем, включая многомерный (multi-dimensional) подход и логический (logic-based) подход, называемый еще дедуктивным или экспертным. Кроме того, в связи с наблюдающимся в последнее время стремительным ростом World Wide Web и расширением области применения языка XML, проявляется значительный интерес к направлению научной деятельности, которое получило (не совсем удачное) название полуструктурированный подход.

Рассмотрим основные подсистемы реляционной СУБД (RDBMS);

СУБД можно рассматривать как подсистему ОС, разработанную специально для управления доступом к данным; ее основные функции -хранение, выборка и обеспечение безопасности данных. Подобно ОС, СУБД управляет доступом одновременно работающих пользователей базы данных к некоторому набору ресурсов.

Подсистемы СУБД очень схожи с соответствующими подсистемами ОС и сильно интегрированы с предоставляемыми базовой ОС сервисными функциями доступа на машинном уровне к таким ресурсам, как память, центральный процессор, устройства и файловые структуры.

На рисунке показаны основные подсистемы ядра СУБД.

Процессор языка программирования

Безопасность

Ввод-вывод

Управление

памятью

СУБД

(RDBMS)

Управление хранением данных

Управление

блокировками

Ведение журналов и восстановление

Контроль распределенных

операций

Управление

транзакциями

Управление хранением данных во внешней памяти

Эта функция включает обеспечение необходимых структур внешней памяти как для хранения данных, непосредственно входящих в БД, так и для служебных целей, например, для ускорения доступа к данным в некоторых случаях (обычно для этого используются индексы). В некоторых реализациях СУБД активно используются возможности существующих файловых систем, в других работа производится вплоть до уровня устройств внешней памяти. Но подчеркнем, что в развитых СУБД пользователи в любом случае не обязаны знать, использует ли СУБД файловую систему, и если использует, то, как организованы файлы. В частности, СУБД поддерживает собственную систему именования объектов БД.

Управление транзакциями

Транзакция - это последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД как единое целое. Либо транзакция успешно выполняется, и СУБД фиксирует (COMMIT) изменения БД, произведенные этой транзакцией, во внешней памяти, либо ни одно из этих изменений никак не отражается на состоянии БД. Понятие транзакции необходимо для поддержания логической целостности БД. Если вспомнить наш пример информационной системы с файлами СОТРУДНИКИ и ОТДЕЛЫ, то единственным способом не нарушить целостность БД при выполнении операции приема на работу нового сотрудника является объединение элементарных операций над файлами СОТРУДНИКИ и ОТДЕЛЫ в одну транзакцию. Таким образом, поддержание механизма транзакций является обязательным условием даже однопользовательских СУБД (если, конечно, такая система заслуживает названия СУБД). Но понятие транзакции гораздо более важно в многопользовательских СУБД.

То свойство, что каждая транзакция начинается при целостном состоянии БД и оставляет это состояние целостным после своего завершения, делает очень удобным использование понятия транзакции как единицы активности пользователя по отношению к БД.

При соответствующем управлении параллельно выполняющимися транзакциями со стороны СУБД каждый из пользователей может в принципе ощущать себя единственным пользователем СУБД (на самом деле, это несколько идеализированное представление, поскольку в некоторых случаях пользователи многопользовательских СУБД могут ощутить присутствие своих коллег).

С управлением транзакциями в многопользовательской СУБД связаны важные понятия сериализации транзакций и сериального плана выполнения смеси транзакций.

Под сериализаций параллельно выполняющихся транзакций понимается такой порядок планирования их работы, при котором суммарный эффект смеси транзакций эквивалентен эффекту их некоторого последовательного выполнения. Сериальный план выполнения смеси транзакций - это такой план, который приводит к сериализации транзакций. Понятно, что если удается добиться действительно сериального выполнения смеси транзакций, то для каждого пользователя, по инициативе которого образована транзакция, присутствие других транзакций будет незаметно (если не считать некоторого замедления работы по сравнению с однопользовательским режимом).

Существует несколько базовых алгоритмов сериализации транзакций. В централизованных СУБД наиболее распространены алгоритмы, основанные на синхронизационных захватах объектов БД. При использовании любого алгоритма сериализации возможны ситуации конфликтов между двумя или более транзакциями по доступу к объектам БД. В этом случае для поддержания сериализации необходимо выполнить откат (ликвидировать все изменения, произведенные в БД) одной или более транзакций. Это один из случаев, когда пользователь многопользовательской СУБД может реально (и достаточно неприятно) ощутить присутствие в системе транзакций других пользователей.

Oпределение ACID и стоящие за ним свойства. Определение ACID:

• Atomicity — транзакции атомарны, то есть либо все изменения транзакции фиксируются (commit), либо все откатываются (rollback);

• Consistency — транзакции не нарушают согласованность данных, то есть они переводят базу данных из одного корректного состояния в другое. Тут можно упомянуть допустимые значения полей, внешние ключи и более сложные ограничения целостности;

• Isolation — работающие одновременно транзакции не влияют друг на друга, то есть многопоточная обработка транзакций производится таким образом, чтобы результат их параллельного исполнения соответствовал результату их последовательного исполнения;

• Durability — если транзакция была успешно завершена, никакое внешнее событие не должно привести к потере совершенных ей изменений.

Каждое из этих требований выглядит более чем рациональным, особенно если оно затрагивает такие важные сферы, как банковские операции и другие операции с валютой: согласитесь, будет очень неприятно, если с вашего счета деньги спишутся, а на счет магазина они не придут (нарушение «atomicity»), или в результате сбоя будет потеряна информация о том, что вам на счет зачислили зарплату (нарушение «durability»). Если начать рассуждать о том, как же работают СУБД, поддерживающие ACID транзакции, больше всего вопросов вызовет свойство Isolation: современные СУБД поддерживают сотни и тысячи одновременных транзакций, и все они обращаются к одним и тем же таблицам. Как же сделать так, чтобы они друг другу не мешали? Здесь на помощь приходит MVCC (MultiVersion Concurrency Control), то есть контроль конкурентного доступа к данным через создание множества “версий” изменяемых данных. В упрощенном виде этот механизм можно представить следующим образом: все операции с данными можно условно разделить на чтение (select), вставку (insert), удаление (delete), обновление (update). Вот что происходит при этих операциях:

• Select — считываются валидные записи таблицы. Запись считается валидной, если она создана транзакцией, которая была зафиксирована (commit) до начала текущей транзакции;

• Insert — новая запись просто добавляется в свободное место таблицы;

• Delete — запись в таблице помечается как не валидная, при этом сама запись не удаляется;

• Update — комбинация delete и insert. Сначала старая версия записи помечается как не валидная, затем добавляется новая запись с обновленными данными.

В целом, указанный подход можно реализовать при помощи всего одного дополнительного бита с флагом is_valid = 1 для валидных записей и 0 для не валидных. Но есть проблема с многопоточностью: при таком подходе будет возможен только последовательный доступ к данным (писатели будут блокировать как читателей, так и других писателей).

Журнализация

Одним из основных требований к СУБД является надежность хранения данных во внешней памяти. Под надежностью хранения понимается то, что СУБД должна быть в состоянии восстановить последнее согласованное состояние БД после любого аппаратного или программного сбоя. Обычно рассматриваются два возможных вида аппаратных сбоев: так называемые мягкие сбои, которые можно трактовать как внезапную остановку работы компьютера (например, аварийное выключение питания), и жесткие сбои, характеризуемые потерей информации на носителях внешней памяти. Примерами программных сбоев могут быть: аварийное завершение работы СУБД (по причине ошибки в программе или в результате некоторого аппаратного сбоя) или аварийное завершение пользовательской программы, в результате чего некоторая транзакция остается незавершенной. Первую ситуацию можно рассматривать как особый вид мягкого аппаратного сбоя; при возникновении последней требуется ликвидировать последствия только одной транзакции.

Понятно, что в любом случае для восстановления БД нужно располагать некоторой дополнительной информацией. Другими словами, поддержание надежности хранения данных в БД требует избыточности хранения данных, причем та часть данных, которая используется для восстановления, должна храниться особо надежно. Наиболее распространенным методом поддержания такой избыточной информации является ведение журнала изменений БД.

Журнал - это особая часть БД, недоступная пользователям СУБД и поддерживаемая с особой тщательностью (иногда поддерживаются две копии журнала, располагаемые на разных физических дисках), в которую поступают записи обо всех изменениях основной части БД. В разных СУБД изменения БД заносятся в журнал на разных уровнях: иногда запись в журнале соответствует некоторой логической операции изменения БД (например, операции удаления строки из таблицы реляционной БД), иногда - минимальной внутренней операции модификации страницы внешней памяти; в некоторых системах одновременно используются оба подхода.

Во всех случаях придерживаются стратегии "упреждающей" записи в журнал (так называемого протокола Write Ahead Log - WAL). Грубо говоря, эта стратегия заключается в том, что запись об изменении любого объекта БД должна попасть во внешнюю память журнала раньше, чем измененный объект попадет во внешнюю память основной части БД. Известно, что если в СУБД корректно соблюдается протокол WAL, то с помощью журнала можно решить все проблемы восстановления БД после любого сбоя.

Самая простая ситуация восстановления - индивидуальный откат транзакции. Строго говоря, для этого не требуется общесистемный журнал изменений БД. Достаточно для каждой транзакции поддерживать локальный журнал операций модификации БД, выполненных в этой транзакции, и производить откат транзакции путем выполнения обратных операций, следуя от конца локального журнала. В некоторых СУБД так и делают, но в большинстве систем локальные журналы не поддерживают, а индивидуальный откат транзакции выполняют по общесистемному журналу, для чего все записи от одной транзакции связывают обратным списком (от конца к началу).

При мягком сбое во внешней памяти основной части БД могут находиться объекты, модифицированные транзакциями, не закончившимися к моменту сбоя, и могут отсутствовать объекты, модифицированные транзакциями, которые к моменту сбоя успешно завершились (по причине использования буферов оперативной памяти, содержимое которых при мягком сбое пропадает). При соблюдении протокола WAL во внешней памяти журнала должны гарантированно находиться записи, относящиеся к операциям модификации обоих видов объектов. Целью процесса восстановления после мягкого сбоя является состояние внешней памяти основной части БД, которое возникло бы при фиксации во внешней памяти изменений всех завершившихся транзакций, и которое не содержало бы никаких следов незаконченных транзакций. Для того, чтобы этого добиться, сначала производят откат незавершенных транзакций (undo), а потом повторно воспроизводят (redo) те операции завершенных транзакций, результаты которых не отображены во внешней памяти. Этот процесс содержит много тонкостей, связанных с общей организацией управления буферами и журналом. Более подробно мы рассмотрим это в соответствующей лекции.

Для восстановления БД после жесткого сбоя используют журнал и архивную копию БД. Грубо говоря, архивная копия - это полная копия БД к моменту начала заполнения журнала (имеется много вариантов более гибкой трактовки смысла архивной копии). Конечно, для нормального восстановления БД после жесткого сбоя необходимо, чтобы журнал не пропал. Как уже отмечалось, к сохранности журнала во внешней памяти в СУБД предъявляются особо повышенные требования. Тогда восстановление БД состоит в том, что исходя из архивной копии по журналу воспроизводится работа всех транзакций, которые закончились к моменту сбоя. В принципе, можно даже воспроизвести работу незавершенных транзакций и продолжить их работу после завершения восстановления. Однако в реальных системах это обычно не делается, поскольку процесс восстановления после жесткого сбоя является достаточно длительным.

Контрольные вопросы.

1. Дайте определение базы данных.

2. Что является компонентами базы данных.

3. Перечислите основные понятия реляционной модели данных.

4. Назовите основные подсистемы реляционной СУБД.