Контрольные вопросы

1. Назначение БД.

2. Две основные задачи, выполняемые БД.

3. Неформальное определение БД.

4. Понятие информационной модели объекта.

5. Примеры объектов для создания БД.

6. Основные цели разработки БД.

7. Основные требования к данным в компьютерных АИС.

8. Формальное определение БД.

9. Назначение и основные функции СУБД.

10. Основные типы СУБД для ПК.

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЛЯЦИОННЫХ БАЗ ДАННЫХ

Разработка современных текстовых или табличных документов практически с самого начала происходит с использованием соответствующих прикладных программ – текстового редактора или программы электронных таблиц и т.п. В отличие от этого создание БД требует перед использованием соответствующей СУБД выполнения очень важного и во многом решающего для нормального функционирования будущей БД этапа – этапа планирования, а точнее проектирования БД. Этот этап выполняется фактически «вручную» без привлечения компьютера и соответствующего программного обеспечения, так как предполагает планирование и разработку структуры БД «на бумаге».

При создании БД прежде всего необходимо определить, какие объекты будет описывать БД и какими свойствами эти объекты будут характеризоваться. При этом с самого начала необходимо выбрать соответствующую модель описания данных и соответствующую этой модели СУБД. Модель описания данных представляет собой множество допустимых типов данных и отношений между ними и состоит из множества структур данных и множества операций над данными, ограниченного требованием обеспечения целостности БД. Целью моделирования данных является создание логической информационной структуры БД.

В информационных моделях данных объекты одной природы, о которых надо хранить информацию в БД, иногда называют сущностью. Например, множество сту­дентов некоторой группы, как совокупность объектов одной природы, может быть обозначено сущностью «Студенты». Свойства, характеризующие такую сущность, называют атрибутами. Например, атри­бутами сущности «Студенты» могут являться: «Фамилия», «Имя», «Год рождения» и т.п. Между различными сущностями предметной области и их атрибутами могут существовать межсущностные и межатрибутные связи, необходимые для создания структуры БД как единой информационной системы.

Таким образом, любая БД состоит из описания некоторых объектов, которые представляются записями в базе данных с определенным набором атрибутов, и содержит также информацию о связях между этими объектами. Атрибутом в БД является логически неделимый элемент, который характеризует некоторое свойство объекта. Атрибуты разделяются на атрибуты-признаки и атрибуты-основания. Атрибут-признак является качественной характеристикой объекта и участвует в логических операциях и организации межсущностных связей между объектами, а атрибут-основание является количественной характеристикой объекта и участвует в вычислениях.

Информационная модель предметной области с выделенными в ней сущностями, атрибутами и связями должна быть описана для представления в компьютере. Это описание и выполняется средствами модели данных, которую поддерживает СУБД, и называется внутренней схемой информационной модели.

1. Типы баз данных

Наиболее широко распространенными являются иерархические, сетевые и реляционные модели данных, каждая из которых имеет свою внутреннюю схему построения. Соответствующим образом называют и СУБД, поддерживающие перечисленные модели.

В иерархических БД данные представляются в виде древовидной структуры (см. рис.1). Дерево представляет собой иерархию элементов, называемых узлами. На самом верхнем уровне иерархии имеется только один узел - корень. Каждый узел, кроме корня, связан с одним узлом на более высоком уровне, называемом исходным узлом для данного узла. Ни один элемент не имеет более одного исходного. Каждый элемент может быть связан с одним или несколькими элементами на более низком уровне. Они называются порож­денными. Иерархическая база данных, как правило, состоит из совокупности таких «деревьев», которые образуют множество деревьев, или «лес».

Иерархические БД обладают высокой скоростью доступа к требуемой информации в направлении от основания дерева к его вершинам, однако, с другой стороны, затрудненным доступом к информации в обратном направлении - от периферии к основанию дерева.

Рис.1. Схематическое изображение иерархической БД

Если порожденный элемент в отношении между данными имеет более чем один исходный элемент, то это отношение, очевидно, уже нельзя описать как древовидную структуру. Его описывают в виде сетевой структуры (см. рис. 2).

Рис. 2. Схематическое изображение сетевой БД

Каждый элемент в сетевой структуре может быть связан с любым другим элементом. Такие структуры используются для представления данных в сетевых СУБД. В сетевых моделях снимается указанный выше недостаток иерархических БД, однако, с другой стороны, язык манипулирования данными для таких моделей всегда является гораздо более сложным, так как содержит большое число разнотипных команд и слабо формализуется.

В настоящее время на персональных компьютерах наиболее распространены т.н. реляционные модели БД. В основе реляционной модели данных лежит понятие отношения, или реляции (relation – отношение, англ., отсюда и происходит термин реляционные БД). Отношение удобно и наглядно представляется в виде двумерной (плоской) таблицы при соблюдении опреде­ленных ограничивающих условий. Данные в таблицах могут быть связанными, а сама реляци­онная база данных представляет собой набор таких взаимосвязанных таблиц.

В реляционных БД (РБД) все объекты разделяются на типы, т.е. каждый объект относится к некоторому типу. Объекты одного и того же типа имеют свой, соответствующий их типу, набор атрибутов. Поэтому объекты одного типа в РБД представляются записями с одинаковым количеством полей, а каждый экземпляр объекта можно представить как вектор с соответствующим количеством измерений. Например, если n – количество атрибутов объекта данного типа, то i-й экземпляр объекта можно представить как вектор А_i=(A_i1,A_i2,…,A_in). Вся совокупность из m экземпляров объектов данного типа может быть представлена в виде матрицы или таблицы размерностью m*n вида

Множество строк в таблице R_ij, т.е. экземпляров объекта данного типа, и называется отношением, а совокупность всех возможных значений таблицы R_ij называется схемой отношений.

В зависимости от содержания в РБД различают два типа отношений: объектные и связные. Объектное отношение хранит данные об объектах и отражает зависимости между атрибутами объекта, связное отношение отражает зависимости между отдельными таблицами в РБД.

В объектном отношении один из атрибутов однозначно идентифицирует объект в таблице, т.е. запись в таблице, а именно каждому конкретному значению такого атрибута будет соответствовать одна и только одна запись (строка) в таблице. Понятно, что значения такого атрибута в столбце таблицы должны быть уникальны и никогда не повторяться. Такой атрибут называется первичным ключом отношения. Для удобства первичный ключ обычно размещают в первом столбце таблицы. Для обеспечения уникальности значения первичного ключа, если в таблице нет одного атрибута с неповторяющимися значениями, такой ключ может состоять из нескольких атрибутов, и тогда он называется составным ключом.

В связном отношении атрибуты-признаки разных таблиц используются для организации связей между таблицами. Благодаря наличию таких связей обеспечивается целостность БД и взаимодействие данных, содержащихся в различных таблицах БД.

Реляционную модель данных предложил в 1969 году Э.Ф. Кодд – сотрудник фирмы IBM. Основной принцип реляционного подхода заключается в использовании операций над таблицами, а не над отдельными записями, что имеет место в иерархических и сетевых БД. Можно выделить следующие важные преимущества РБД:

• отношения (таблицы) не зависят от способа хранения данных в компьютере;

• теория отношений является областью математической логики, т.н. реляционной алгебры, и поэтому хорошо формализована;

• имеется простой и единообразный способ представления данных в виде таблиц;

• осуществляется надежное обеспечение целостности и защиты данных и некоторые другие.

Важным достоинством реляционной модели данных является то, что на основе уже имеющихся схем отношений можно получать новые схемы, которые ра­нее в файле базы данных не были представлены. Таким способом соответствующая СУБД позволяет по­лучать ответы на незапланированные прикладными программами информационные за­просы.

Необходимо отметить, что РБД не лишены и определенных недостатков: медленность работы для больших БД, жесткость структуры данных и некоторые другие. Однако для персональных компьютеров и не очень больших БД в настоящее время используются исключительно реляционные модели БД.

Итак, перечислим исходные компоненты реляционной модели данных, основанной на совокупности отношений:

• все множество объектов (записей) предметной области, которую описывает БД, разделяется на несколько типов, каждый из которых представляется своей таблицей;

• каждому типу объектов соответствует определенный набор атрибутов, который определяет содержание соответствующей данному типу объектов таблице;

• каждый тип объектов имеет свои признаки или характеристики – атрибуты, значения которых содержатся в полях – в столбцах таблицы;

• каждому конкретному объекту данного типа соответствует определенный набор значений этих атрибутов, соответствующий строке в таблице;

• атрибут (или набор атрибутов), однозначно определяющий объект в таблице (т.е. строку в таблице), называется первичным ключом объекта;

• в таблицах имеются также атрибуты, являющиеся первичными ключами в других таблицах, т.н. внешние ключи, которые обеспечивают связь между таблицами в РБД.