Базы данных

1 Понятие «базы данных». Основные компоненты базы данных.

Под базой данных обычно понимается именованная совокупность данных, отображающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области. Характерной чертой баз данных является постоянство: данные постоянно накапливаются и используются; состав и структура данных, необходимых для решения тех или иных прикладных задач, обычно постоянны и стабильны во времени; отдельные или даже все элементы данных могут меняться – но это и есть проявление постоянства – постоянная актуальность.

Основные компоненты БД:

Поле - это минимальный элемент базы данных, содержащий один неделимый квант информации.

Каждое поле характеризуется именем и типом хранящихся в нем данных.

Запись - это совокупность нескольких разнородных полей, описывающая некоторую сущность предметной области.

Таблица базы данных - это набор однородных записей.Таблица позволяет читать, изменять, добавлять и удалять записи, а также сортировать их по определенному условию и осуществлять поиск по заданным значениям.

Также компонентами БД явл. Триггеры, Индексы, ХП, Генераторы, Схемы.

Триггеры: это хранимая процедура особого типа, которую пользователь не вызывает непосредственно, а исполнение которой обусловлено действием по модификации данных: добавлением INSERT, удалением DELETE строки в заданной таблице, или изменением UPDATE данных в определенном столбце заданной таблицы реляционной базы данных. Триггеры применяются для обеспечения целостности данных и реализации сложной бизнес-логики. Триггер запускается сервером автоматически при попытке изменения данных в таблице, с которой он связан. Все производимые им модификации данных рассматриваются как выполняемые в транзакции, в которой выполнено действие, вызвавшее срабатывание триггера. Соответственно, в случае обнаружения ошибки или нарушения целостности данных может произойти откат этой транзакции.

Индексы:объект базы данных, создаваемый с целью повышения производительности поиска данных. Таблицы в базе данных могут иметь большое количество строк, которые хранятся в произвольном порядке, и их поиск по заданному критерию путем последовательного просмотра таблицы строка за строкой может занимать много времени. Индекс формируется из значений одного или нескольких столбцов таблицы и указателей на соответствующие строки таблицы и, таким образом, позволяет искать строки, удовлетворяющие критерию поиска. Ускорение работы с использованием индексов достигается в первую очередь за счѐт того, что индекс имеет структуру, оптимизированную под поиск — например,сбалансированного дерева.

Хранимая процедура: объект базы данных, представляющий собой набор SQL- инструкций, который компилируется один раз и хранится на сервере. Хранимые процедуры очень похожи на обыкновенные процедуры языков высокого уровня, у них могут быть входные и выходные параметры и локальные переменные, в них могут производиться числовые вычисления и операции над символьными данными, результаты которых могут присваиваться переменным и параметрам. В хранимых процедурах могут выполняться стандартные операции с базами данных (как DDL, так и DML). Кроме того, в хранимых процедурах возможны циклы и ветвления, то есть в них могут использоваться инструкции управления процессом исполнения.

Генератор: Генераторы предназначены для получения последовательностей уникальных чисел. Например - 1, 2, 3..., 10, 20, 30, и т.п. Такие числа обычно используются как идентификаторы записи в таблицах, имеющих суррогатный первичный ключ.

Схема как структура базы данных

Схема системы базы данных (от англ. Database schema) — еѐ структура, описанная на формальном языке, поддерживаемомсистемой управления базами данных (СУБД). В реляционных базах данных схема определяет таблицы, поля в каждой таблице, а также отношения между полями и таблицами.

Схемы в общем случае хранятся в словаре данных. Хотя схема определена на языке базы данных в виде текста, термин часто используется для обозначения графического представления структуры базы данных. [2]

Основными объектами схемы являются таблицы и связи.

Схема как объект базы данных

Есть и другое понятие схемы в теории баз данных.

Схема (SCHEMA) — является одним из основных объектов базы данных Oracle. Близкое понятие (RIS Schema) существует вRIS-интерфейсе доступа к базам данных. SCHEMA также появилась и в Microsoft SQL Server 2005 и формально определяется как набор объектов в базе данных[4].

В Oracle она привязывается только к одному пользователю (USER) и является логическим набором объектов базы данных. Схема создается при создании пользователем первого объекта, и все последующие объекты созданные этим пользователем становятся частью этой схемы.

2 Архитектура системы баз данных.

Современная технология баз данных основана на концепции многоуровневой архитектуры системы БД, которая представляет собой обобщенную трѐхуровневую модель архитектуры системы БД, включающая концептуальный, внешний и внутренний уровни.

Концептуальный уровень служит для поддержки единого взгляда на базу данных, общего для всех еѐ приложений и независимого от них и от среды хранения. Концептуальный уровень представляет собой формализованную информационнологическую модель ПО. Описание этого представления называется концептуальной схемой или схемой БД.

Внутренний уровень архитектуры поддерживает представление данных в среде хранения и пути доступа к ним. На этом архитектурном уровне БД представлена в полностью "материализованном" виде, тогда как на других уровнях идѐт работа на уровне отдельных экземпляров или множества экземпляров данных. Описание БД на внутреннем уровне называется внутренней схемой или схемой хранения.

Внешний уровень архитектуры БД предназначен для групп пользователей. Описание представления данных для группы пользователей называется внешней схемой. Наличие внешнего уровня позволяет поддерживать разное представление одних и тех же данных для различных групп пользователей или задач.

В данной архитектурной модели предполагается наличие в системе БД механизмов, обеспечивающих междууровневое отображение данных "внешний – концептуальный" и "концептуальный – внутренний". Функциональные возможности этих механизмов определяют степень независимости данных на всех уровнях. На переходе "внешний – концептуальный" обеспечивается логическая независимость данных, на переходе "концептуальный – внутренний" – физическая независимость. Под логической независимостью подразумевается возможность вносить изменения в концептуальный уровень, не меняя представление БД для пользователей, или изменять представление данных для пользователей без изменения концептуальной схемы. Физическая

логически ошибочным результатам выборки или изменения данных. Нормальная форма определяется как совокупность требований, которым должно удовлетворять отношение.

Процесс преобразования отношений базы данных (БД) к виду, отвечающему нормальным формам, называется нормализацией. Нормализация предназначена для приведения структуры БД к виду, обеспечивающему минимальную логическую избыточность, и не имеет целью уменьшение или увеличение производительности работы или же уменьшение или увеличение физического объѐма базы данных.

1NF. Переменная отношения находится в первой нормальной форме тогда и только тогда, когда в любом допустимом значении отношения каждый его кортеж содержит только одно значение для каждого из атрибутов.

Пример

Исходная ненормализованная (то есть не являющаяся правильным представлением некоторого отношения) таблица:

Таблица, приведѐнная к 1NF (являющаяся правильным представлением некоторого отношения):

2NF. Переменная отношения находится во второй нормальной форме тогда и только тогда, когда она находится в первой нормальной форме и каждый неключевой атрибут неприводимозависит от ее потенциального ключа.

Пример приведения отношения ко второй нормальной форме

Пусть в следующем отношении первичный ключ образует пара атрибутов {Сотрудник,

Должность}:

Зарплату сотруднику каждый начальник устанавливает сам (хотя еѐ границы зависят от должности). Наличие же компьютера у сотрудника зависит только от должности, то есть зависимость от первичного ключа неполная.

В результате приведения к 2NF получаются два отношения:

3NF. Переменная отношения R находится в 3NF тогда и только тогда, когда выполняются следующие условия:

●R находится во второй нормальной форме.

●ни один неключевой атрибут R не находится в транзитивной функциональной зависимости от потенциального ключа R.

Пояснения к определению:

Неключевой атрибут отношения R — это атрибут, который не принадлежит ни одному из потенциальных ключей R.

Функциональная зависимость множества атрибутов Z от множества атрибутов X (записывается X → Z, произносится «икс определяет зет») является транзитивной, если существует такое множество атрибутов Y, что X → Y и Y → Z. При этом ни одно из множеств X, Y и Z не является подмножеством другого, то есть функциональные зависимости X → Z, X → Y и Y→ Z не являются тривиальными.

Рассмотрим в качестве примера отношение, которое находится во 2NF, но не соответствует 3NF:

В отношении атрибут «Сотрудник» является первичным ключом. Личных телефонов у сотрудников нет, и телефон сотрудника зависит исключительно от отдела.

Таким образом, в отношении существуют следующие функциональные зависимости: Сотрудник → Отдел, Отдел → Телефон, Сотрудник → Телефон.

Зависимость Сотрудник → Телефон является транзитивной, следовательно, отношение не находится в 3NF.

В результате декомпозиции отношения R1 получаются два отношения, находящиеся в

3NF:

Исходное отношение R1 при необходимости легко получается в результате операции соединения отношений R2 и R3.

Нормальная форма Бойса-Кодда. Определение

Переменная отношения находится в BCNF тогда и только тогда, когда каждая еѐ нетривиальная и неприводимая слева функциональная зависимость имеет в качестве своего детерминанта некоторый потенциальный ключ.

Менее формально, переменная отношения находится в нормальной форме Бойса-Кодда тогда и только тогда, когда детерминанты всех ее функциональных зависимостей являются потенциальными ключами.

Для определения BCNF следует понимать понятие функциональной зависимости атрибутов отношения.

Пусть R является переменной отношения, а X и Y — произвольными подмножествами множества атрибутов переменной отношения R. Y функционально зависимо от X тогда и только тогда, когда для любого допустимого значения переменной отношения R, если два кортежа переменной отношения R совпадают по значению X, они также совпадают и по значению Y. Подмножество X называют детерминантом, а Y — зависимой частью.

Функциональная зависимость тривиальна тогда и только тогда, когда ее правая (зависимая) часть является подмножеством ее левой части (детерминанта).

Ситуация, когда отношение будет находиться в 3NF, но не в BCNF, возникает, например, при условии, что отношение имеет два (или более) потенциальных ключа, которые

являются составными и имеют общий атрибут. На практике такая ситуация встречается достаточно редко, для всех прочих отношений 3NF и BCNF эквивалентны.

Пример

Предположим, создаѐтся таблица бронирования для теннисных кортов на день: {Номер корта, Время начала, Время окончания, Тариф, Член клуба}. Тариф зависит от выбранного корта и членства в клубе, для каждого из кортов имеется тариф для членов теннисного клуба и для сторонних клиентов. Тарифы для кортов не повторяются.

Таким образом, возможны следующие составные первичные ключи: {Номер корта, Время начала}, {Номер корта, Время окончания}, {Тариф, Время начала}, {Тариф, Время окончания}.

Таблица соответствует второй и третьей нормальной форме. Требования второй нормальной формы (2NF) выполняются, так как все атрибуты входят в какой-то из потенциальных ключей, а неключевых атрибутов в отношении нет. Также нет и транзитивных зависимостей, что соответствует требованиям третьей нормальной формы.

(3NF).

Тем не менее, существует функциональная зависимость тарифа от номера корта. То есть, по ошибке можно нарушить логическую целостность и, например, приписать тариф Premiumдля первого корта, хотя тариф Premium может относиться только ко второму корту.

Можно улучшить структуру, разбив таблицу на две: {Номер корта, Время начала, Время окончания, Член клуба} и {Тариф, Номер корта, Член клуба}. Данное отношение будет соответствовать BCNF.

4NF. Определение

Переменная отношения R находится в четвѐртой нормальной форме, если она находится в НФБК и все нетривиальные многозначные зависимости фактически являютсяфункциональными зависимостями от еѐ потенциальных ключей.

Эквивалентная формулировка определения:

Переменная отношения R находится в четвѐртой нормальной форме тогда и только тогда, когда в случае существования таких подмножеств A и B атрибутов этой переменной отношения R, для которых выполняется нетривиальная многозначная зависимость A →→ B, все атрибуты переменной отношения R также функционально зависят от А.

Пример