Шпоры ГОС / БД

1. Восстановление состояния базы данных. Типы сбоев и их последствия. Роль системного журнала в процедурах восстановления. Протокол WAL.---Главное требование долговечности данных транзакций состоит в том, что данные зафиксированных транзакций должны сохраняться в системе, даже если в следующий момент произойдет сбой системы. Избыточность хранения данных, позволяющую восстановить систему после сбоя обычно обеспечивает журнал транзакций.

Восстановление базы данных может производиться в следующих случаях:---*Локальный сбой (индивидуальный откат транзакции). Попытка деления на ноль, нарушение ограничений целостности, тупиковая ситуация, явное завершение транзакции оператором ROLLBACK.---*Мягкий сбой системы (аварийный отказ программного обеспечения). Характеризуется утратой оперативной памяти системы. При этом поражаются все выполняющиеся в момент сбоя транзакции, теряется содержимое всех буферов базы данных. Данные, хранящиеся на диске, остаются неповрежденными. Мягкий сбой может произойти, например, в результате аварийного отключения электрического питания или в результате неустранимого сбоя процессора.---*Жесткий сбой системы (аварийный отказ аппаратуры). Характеризуется повреждением внешних носителей памяти. Может произойти в результате поломки головок дисковых накопителей.---Страницы базы данных и журнала транзакций не записываются сразу на диск, а предварительно буферизируются в оперативной памяти. Страницы базы данных, содержимое которых в буфере отличается от содержимого на диске, называются "грязными" (dirty) страницами. Запись "грязных" страниц из буфера на диск называется выталкиванием страниц во внешнюю память.---Основным принципом согласованной политики выталкивания буфера журнала и буферов страниц базы данных является то, что запись об изменении объекта базы данных должна попадать во внешнюю память журнала раньше, чем измененный объект оказывается во внешней памяти базы данных. Соответствующий протокол журнализации (и управления буферизацией) называется WAL - "пиши сначала в журнал", и состоит в том, что если требуется вытолкнуть во внешнюю память измененный объект базы данных, то перед этим нужно гарантировать выталкивание во внешнюю память журнала записи о его изменении.---В простейшем случае журнализация изменений заключается в последовательной записи во внешнюю память всех изменений, выполняемых в базе данных. Записывается следующая информация:---*порядковый номер, тип и время изменения;---*идентификатор транзакции;---*объект, подвергшийся изменению;---*предыдущее состояние объекта и новое состояние объекта.---Журнал содержит отметки начала и завершения транзакции, и отметки принятия контрольной точки (при переполнении журнала).---Индивидуальный откат транзакции выполняется при помощи журнала транзакций. Создается список записей журнала от данной транзакции. Элементы списка размещены в порядке, обратном хронологическому. Список последовательно просматривается и для каждой записи выполняется противоположная по смыслу операция, восстанавливающая предыдущее состояние объекта базы данных. Начальным состоянием для процедуры отката является состояние буферов БД в момент прекращения транзакции.---Восстановление системы после мягкого сбоя осуществляется как часть процедуры перезагрузки системы. Транзакции, успешно завершившиеся до наступления сбоя, и данные о которых отсутствуют в базе данных, повторяются заново. Транзакции, не успевшие завершиться к моменту сбоя, и данные о которых имеются в базе данных, откатываются.

Восстановление системы после жесткого сбоя выполняется при помощи архивной копии базы данных и журнала транзакций. Базу данных и журнал транзакций обычно располагают на физически разных дисках, управляемых физически разными контроллерами.

3. Модель транзакции в SQL. Механизм представлений в SQL.---Транзакция - это последовательность операторов манипулирования данными, выполняющаяся как единое целое (все или ничего) и переводящая базу данных из одного целостного состояния в другое целостное состояние. Согласно стандарту, ID (пользователь или прикладная программа) может выполнить транзакцию всегда.---Транзакция обычно начинается автоматически с момента присоединения пользователя к СУБД и продолжается до тех пор, пока не произойдет одно из следующих событий:---*Подана команда COMMIT (зафиксировать транзакцию).---*Подана команда ROLLBACK (откатить транзакцию).---*Произошло отсоединение пользователя от СУБД.---*Произошел сбой системы.---Команда COMMIT завершает текущую транзакцию и автоматически начинает новую транзакцию. При этом гарантируется, что результаты работы завершенной транзакции фиксируются, т.е. сохраняются в базе данных.---Команда ROLLBACK приводит к тому, что все изменения, сделанные текущей транзакцией откатываются, т.е. отменяются так, как будто их вообще не было. При этом автоматически начинается новая транзакция.---При отсоединении пользователя от СУБД происходит автоматическая фиксация транзакций.---При сбое системы происходят более сложные процессы. Кратко суть их сводится к тому, что при последующем запуске системы происходит анализ выполнявшихся до момента сбоя транзакций. Те транзакции, для которых была подана команда COMMIT, но результаты работы которых не были занесены в базу данных выполняются снова (накатываются). Те транзакции, для которых не была подана команда COMMIT, откатываются.---Обычная транзакция SQL может выполняться в одном из двух режимов: READ-WRITE (чтение-запись) или READ-ONLY (только чтение).---Стандарт SQL не предусматривает понятие блокировок. Вместо этого вводится понятие уровней изоляции. Стандарт предусматривает 4 уровня изоляции:---SERIALIZABLE (высший уровень). Параллельно исполняющиеся транзакции никак не влияют на данные, которые она использует.---REPEATABLE READ (появление строк-фантомов) Его следует устанавливать в том случае, если транзакции не требуется повторно выполнять один и тот же многострочный запрос.---READ COMMITED (+возможны неповторяющиеся чтения). Является вполне удовлетворительным, если транзакции не потребуется дважды считывать одну и ту же строку, накапливать итоги или выполнять вычисления, для которых необходимы непротиворечивые данные.---READ UNCOMMITED (доступны промежуточные результаты транзакций). Этот режим можно использовать лишь в том случае, когда допустимы «грязные» данные в результатах запросов.---Транзакции могут запускаться с различными уровнями изоляции. Характеристиками по умолчанию являются READ-WRITE и SERIALIZABLE.---Механизм представлений обеспечивает возможность предъявления хранимых данных в удобной и привычной для конечного пользователя форме. Кроме того, он является средством ограничения доступа к данным. Как правило, представления создаются Администратором БД в интересах конечных пользователей (КП) и представляют хранимые данные в привычной и удобной для КП форме. В общем случае для конкретного КП создается набор представлений, отражающий все необходимые ему в силу служебных обязанностей данные. Для этого пользователя этот набор представлений и есть БД, с которой он работает. Ничего другого он не видит и об истинной организации данных ничего не знает.---Механизм представлений, как средство определения внешних моделей, обладает рядом важных свойств.---Во-первых, он позволяет ограничить доступ конечных пользователей к данным, как для просмотра, так и для внесения изменений и тем самым обеспечить безопасность данных.---Во-вторых, представления обеспечивают частичную защиту прикладных программ конечного пользователя от некоторых типов изменений в структуре БД. В ряде случаев можно «незаметно» для приложений, работающих с представлениями, добавлять новые таблицы, изменять структуры и имена существующих таблиц и т.п., если соответственно изменить определения представлений.---В-третьих, с помощью представлений можно значительно упростить операции выборки данных. Если какой-то сложный запрос приходится выполнять часто, то можно определить соответствующее представление и «выбирать» данные из него.

5. Модель "сущность - связь". Назначение модели. Понятия сущности, связи, атрибута. Типы связей.---Концептуальной (информационной) моделью ПО называется формальное описание объектов реального мира, их свойств и отношений между ними, выполненное с точки зрения определенного вида деятельности и без учета каких-либо аспектов реализации БД. Создание концептуальной модели ПО – важнейший этап проектирования базы данных.---Понятийные основы концептуального моделирования заложены американским исследователем П. Ченом, предложившим в 1976 году так называемую модель «сущность–связь» (Entity–Relationship, ER-модель).---В концептуальной модели объекту ПО соответствует сущность, а свойству объекта – атрибут.---Атрибут сущности - это именованная характеристика, являющаяся некоторым свойством сущности.---Сущность - это класс однотипных объектов, информация о которых должна быть учтена в модели.---Ключ сущности - это неизбыточный набор атрибутов, значения которых в совокупности являются уникальными для каждого экземпляра сущности. Неизбыточность заключается в том, что удаление любого атрибута из ключа нарушается его уникальность. Сущность может иметь несколько различных ключей.---Объекты ПО состоят в связи, если хотя бы одному экземпляру одного из них можно поставить в соответствие один или более экземпляров другого.---Каждая связь может иметь один из следующих типов связи:---Связь типа один-к-одному означает, что один экземпляр первой сущности (левой) связан с одним экземпляром второй сущности (правой). Связь 1:1 чаще всего свидетельствует о том, что на самом деле мы имеем всего одну сущность, неправильно разделенную на две.---Связь типа один-ко-многим означает, что один экземпляр первой сущности (левой) связан с несколькими экземплярами второй сущности (правой). Это наиболее часто используемый тип связи. Левая сущность (со стороны "один") называется родительской, правая (со стороны "много") - дочерней.---Связь типа много-ко-многим означает, что каждый экземпляр первой сущности может быть связан с несколькими экземплярами второй сущности, и каждый экземпляр второй сущности может быть связан с несколькими экземплярами первой сущности. Тип связи много-ко-многим является временным типом связи, допустимым на ранних этапах разработки модели. В дальнейшем этот тип связи должен быть заменен двумя связями типа один-ко-многим путем создания промежуточной сущности.---Свойства связей.---Арность (степень) - число вступающих в связь сущностей. Бывают унарные, бинарные, тернарные и т.д. В IDEF1X вместо связей выше бинарных используются бинарные связи с сущностями-ассоциациями, в состав атрибутов которой входят возможные ключи всех сущностей.---Мощность. Число М экземпляров связи, которые могут быть образованы одним экземпляром сущности, называется мощностью (кардинальностью) связи со стороны этой сущности.---Направленность. Связь типа 1:М называется направленной или функциональной, или специфическим соединением. В такой связи всегда можно указать родителя и потомка. Родителем называется сущность, мощность связи со стороны которой равна М (многосвязная). Мощность направленной связи со стороны потомка 0 или 1. Связь типа М:М называется ненаправленной или нефункциональной, или неспецифическим соединением. В такой связи нет родителя и потомка. Ненаправленную связь всегда можно представить в виде пары направленных связей между тремя сущностями, определив сущности-ассоциации.

7. Проблема синхронизации транзакций. Двухфазный протокол синхронизационных блокировок.---Современные СУБД являются многопользовательскими системами, т.е. допускают параллельную одновременную работу большого количества пользователей. При этом пользователи не должны мешать друг другу. Транзакции необходимо выполнять одновременно, но так, чтобы результат был бы такой же, как если бы транзакции выполнялись по очереди. Трудность состоит в том, что если не предпринимать никаких специальных мер, то данные измененные одним пользователем могут быть изменены транзакцией другого пользователя раньше, чем закончится транзакция первого пользователя. В результате, в конце транзакции первый пользователь не увидит результаты своей работы. Рассмотрим типичные ситуации, которые могут возникнуть, если отсутствует определенная дисциплина предоставления ресурсов данных параллельно исполняемым транзакциям. Различают три основные проблемы параллелизма:---- потерянные изменения. СУБД должна гарантировать невозможность потерянных изменений при параллельном исполнении транзакций. Это минимальное требование к подсистеме синхронизации транзакций.---чтение "грязных" данных. Для обеспечения изолированности транзакций необходимо, чтобы до завершения транзакции, изменяющей некоторый объект, никакая другая транзакция не могла читать этот объект.---

- неповторяющиеся чтения. Для обеспечения изолированности транзакций необходимо, чтобы до завершения транзакции, читающей некоторый объект, никакая другая транзакция не могла изменять этот объект.--- -кортежи-фантомы. Пусть транзакция A выполняет оператор выборки кортежей отношения R с условием выборки S. До завершения A транзакция B вставляет в отношение новый кортеж r, удовлетворяющий условию S, и успешно завершается. Если теперь A повторно выполнит тот же оператор выборки, то в результате появится кортеж r, который отсутствовал при первом выполнении.---Рассмотрим две транзакции, A и B, запускающиеся в соответствии с некоторыми графиками. Операцию чтение строки будем обозначать =P. Операцию записи значения в строку будем обозначать P. Работа с данными !P---Двухфазный протокол блокировки---Прежде чем выполнять какую-либо операцию над объектом базы данных А, транзакция Т должна запросить блокировку (захват) А. Если объект не заблокирован для другой транзакции, то он блокируется для Т и удерживается до ее окончания. В противном случае транзакция Т ожидает освобождения объекта.---В зависимости от вида предполагаемой операции объект может быть заблокирован в одном из двух режимов:---S – разделяемый захват, необходимый для выполнения операции чтения;---X – монопольный захват, необходимый для выполнения операций добавления, удаления и модификации объекта. ---Сформулируем теперь протокол доступа к данным.---Перед операцией извлечения объекта транзакция должна заблокировать его в S-режиме.---*Перед операцией обновления объекта транзакция должна заблокировать его в X-режиме. Если она уже заблокировала его в S-режиме, то эта блокировка должна быть заменена X-блокировкой.---*Если запрашиваемая транзакцией A блокировка отвергается из-за несовместимости с блокировкой, наложенной на объект транзакцией B, то A переходит в состояние ожидания. Она находится в этом состоянии до тех пор, пока наложенная транзакцией B блокировка не будет снята.---*Все наложенные транзакцией блокировки сохраняются вплоть до завершения транзакции оператором COMMIT или ROLLBACK.

9. Назначение и составные части реляционной модели данных. Понятия домена, атрибута, схемы отношения, кортежа, отношения. Свойства отношений.---Основы РМД были впервые изложены в статье Е.Кодда в 1970 г. Наиболее распространенная трактовка РМД принадлежит К.Дейту: РМД состоит из трех частей: структурной, целостной, манипуляционной.---Структурная часть описывает, какие объекты рассматриваются РМД. Постулируется, что единственной структурой данных, используемой в реляционной модели, являются нормализованные n-арные отношения.---Целостная часть описывает ограничения специального вида, которые должны выполняться для любых отношений в любых РБД. Это целостность доменов, сущностей и ссылочная целостность.---Манипуляционная часть описывает два эквивалентных способа манипулирования реляционными данными - реляционную алгебру и реляционное исчисление.---Выделяется шесть базовых понятий РМД: тип данных, домен, атрибут, схема отношения, кортеж, отношение.---В классической реляционной модели используются только простые (атомарные) типы данных, которые не обладают внутренней структурой. Реляционные СУБД обычно поддерживают числовые, символьные, битовые и логические типы, а также специальные числовые типы, такие как деньги, даты, время и т.п.---Домены - это типы данных, имеющие некоторый смысл (семантику). Домены ограничивают сравнения - некорректно, хотя и возможно, сравнивать значения из различных доменов. Свойства:---Домен имеет уникальное имя (в пределах БД).---Домен определен на некотором простом типе данных или на другом домене.---Домен может иметь некоторое логическое условие, позволяющее описать подмножество данных, допустимых для данного домена.---Отношение состоит из двух частей - заголовка отношения и тела отношения.---Заголовок отношения - это аналог заголовка таблицы. Заголовок отношения состоит из атрибутов. Количество атрибутов называется арностью (степенью) отношения. Атрибут отношения есть пара вида <атрибут, домен>. Имена атрибутов должны быть уникальны в пределах отношения. Часто имена атрибутов отношения совпадают с именами соответствующих доменов.---Тело отношения - это аналог тела таблицы. Тело отношения состоит из кортежей. Кортеж отношения является аналогом строки таблицы. Количество кортежей отношения называется мощностью отношения. Кортеж есть пара вида <атрибут, значение атрибута>---Отношение является единственной структурной единицей РМД и обладает следующими свойствами:---В отношении нет одинаковых кортежей.---Кортежи не упорядочены (сверху вниз).---Атрибуты не упорядочены (слева направо).---Все значения атрибутов атомарны.---РБД называется набор отношений. Схемой отношений называется набор заголовков отношений, входящих в БД.---Отношение находится в 1НФ, если оно содержит только скалярные (атомарные) значения.

11. Операции реляционной алгебры. Синтаксис выражений.---РА относится к манипуляционной части РМД. РА представляет собой набор операторов, использующих отношения в качестве аргументов, и возвращающие отношения в качестве результата.---Определяют восемь реляционных операторов, объединенных в две группы.---Теоретико-множественные операторы: объединение, пересечение, вычитание, декартово произведение.---Специальные реляционные операторы: выборка, проекция, соединение, деление.---Опр 1. Будем называть отношения совместимыми по типу, если они имеют одно и то же множество имен атрибутов и атрибуты с одинаковыми именами определены на одних и тех же доменах.---Правило: Никакие реляционные операторы не передают результатирующему отношению никаких данных о потенциальных ключах.---Оператор переименования атрибутов – Rename – можно получить совместимое множество.---Объединением двух совместимых по типу отношений A и B называется отношение с тем же заголовком, что и у отношений A и B, и телом, состоящим из кортежей, принадлежащих или A, или B, или обоим отношениям.---A UNION B---Пересечением двух совместимых по типу отношений A и B называется отношение с тем же заголовком, что и у отношений A и B, и телом, состоящим из кортежей, принадлежащих одновременно обоим отношениям A и B.---A INTERSECT B---Вычитанием двух совместимых по типу отношений A и B называется отношение с тем же заголовком, что и у отношений A и B, и телом, состоящим из кортежей, принадлежащих отношению A и не принадлежащих отношению B.---A MINUS B---Декартовым произведением двух отношений A(A1,A2…An) и B(B1,B2…Bn) называется отношение, заголовок которого является сцеплением заголовков отношений A и B: (A₁,A₂…A_n, B₁,B₂…B_n), а тело состоит из кортежей, являющихся сцеплением кортежей отношений A и B: (a₁,a₂…a_n, b₁,b₂…b_n) ---A TIMES B---Замечания. Мощность произведения равна произведению мощностей отношений, атрибуты с одинаковыми наименованиями перед выполнением необходимо переименовать, совместимость по типу не требуется.---Выборкой (ограничением, селекцией) на отношении А с условием r называется отношение с тем же заголовком, что и у отношения A, и телом, состоящем из кортежей, значения атрибутов которых при подстановке в условие r дают значение ИСТИНА. A WHERE r---Проекцией отношения A по атрибутам X, Y…Z, где каждый из атрибутов принадлежит отношению A, называется отношение с заголовком (X, Y…Z) и телом, содержащим множество кортежей вида (x, y…z). ---A[X,Y…Z]---Соединением отношений A и B по условию r называется отношение (A TIMES B) WHERE r, в котором r представляет собой логическое выражение, в которое могут входить атрибуты отношений A и B и (или) скалярные выражения.

Пусть даны отношения A(A₁…A_n,X₁…X_p) и B(X₁…X_p, B₁…B_m), имеющие одинаковые атрибуты X₁…X_p (т.е. атрибуты с одинаковыми именами и определенные на одинаковых доменах).---Тогда естественным соединением отношений A и B называется отношение с заголовком (A₁…A_n,X₁…X_p,B₁…B_m) и телом, содержащим множество кортежей (a₁…a_n,x₁…x_p,b₁…b_m).---A JOIN B---Пусть даны отношения A(X₁…X_n,Y₁…Y_m) и B(Y₁…Y_m), причем атрибуты Y₁…Y_m - общие для двух отношений. Делением отношений A на B называется отношение с заголовком (X₁…X_n) и телом, содержащим множество кортежей (x₁…x_n), таких, что для всех кортежей (y₁…y_m)B в отношении A найдется кортеж (x₁…x_n, y₁…y_m).---A DEVIDEBY B. Замечание. Типичные запросы, реализуемые с помощью операции деления, обычно в своей формулировке имеют слово "все" - "какие поставщики поставляют все детали?"

13. Назначение модели данных IDEF1X. Компоненты модели. Нотации графического языка IDEF1X. Уровни модели. Этапы моделирования.

Стандарт IDEF1X дает следующее определение модели данных:

Модель данных – графическое и текстуальное представление, идентифицирующее потребности организации в данных для достижения ее целей, выполнения функций и определения стратегий управления. Модель данных идентифицирует сущности, домены, атрибуты и связи между данными и поддерживает единый концептуальный взгляд на данные и их взаимосвязи.

В соответствии с этим определением IDEF1Х как язык описания данных содержит два важнейших компонента:

графический – средства создания диаграмм, показывающих структуру и взаимосвязи данных;

текстовый – правила создания и ведения текстовых документов, уточняющих и поясняющих графическую модель, – глоссариев, спецификаций, отчетов, заметок и т.п.

В IDEF1Х различают три уровня графического представления информации, или три уровня диаграмм.

Уровень «сущность-связь» (ER level). Используется на начальной стадии моделирования, когда еще не выяснены или не поняты до конца свойства сущностей и связей. На диаграммах ER-уровня сущности и связи представлены только их именами.

Уровень ключей (Key-Based Level, KB). На этом уровне в диаграммах отражаются имена первичных и внешних ключей сущностей и спецификации связей. Диаграмма KB-уровня объявляет уникальные идентификаторы экземпляров сущностей и ограничения ссылочной целостности.

Уровень атрибутов (Fully Attributed Level, FA). Диаграмма FA-уровня показывает имена всех атрибутов сущностей и связей и полностью определяет структуру и взаимосвязи данных.

Цель моделирования – создание FA-диаграммы. Она является графическим представлением структуры реляционной базы данных с полностью определенными схемами отношений.

15. Назначение и составные части реляционной модели данных (РМД). Внутренние ограничения целостности РМД. Механизмы поддержания целостности реляционной базы данных.---Основы РМД были впервые изложены в статье Е.Кодда в 1970 г. Наиболее распространенная трактовка РМД принадлежит К.Дейту: РМД состоит из трех частей: структурной, целостной, манипуляционной.

Структурная часть описывает, какие объекты рассматриваются РМД. Постулируется, что единственной структурой данных, используемой в реляционной модели, являются нормализованные n-арные отношения.---Целостная часть описывает ограничения специального вида, которые должны выполняться для любых отношений в любых РБД.---Манипуляционная часть описывает два эквивалентных способа манипулирования реляционными данными - реляционную алгебру и реляционное исчисление.---Текущее состояние БД является целостным, если возможна осмысленная интерпретация его в терминах ПО. Три разновидности внутренних ОЦ:

1) целостность домена - всякий атрибут может принимать значения только из своего домена (предотвращает грубые ошибки пользователя). Это означает, что в любой РБД для каждого атрибута должно существовать правило, определяющее допустимость значений. Правило целостности домена – это метаправило, правило о правилах.---2) целостность сущности - атрибуты, входящие в состав некоторого потенциального ключа не могут принимать null-значений (идентификация информации). Потенциальный ключ отношения - это набор атрибутов отношения, обладающий свойствами уникальности и неизбыточности.---3) ссылочная целостность - ни в какой момент времени в БД не может быть определенных (не Null-) значений ссылающегося ключа, которых нет среди существующих значений родительского ключа.---Таблица. Возможные нарушения ограничений целостности при операциях обновления.---

Операции удаления или обновления значений родительских ключей затрагивают, как минимум, два отношения. СУБД сможет поддерживать ссылочную целостность при выполнении этих операций, если для каждого ссылающегося отношения определены правила изменения значений внешних ключей при изменении значений соответствующих родительских ключей. Две основные стратегии – ОТЛОЖИТЬ и КАСКАДИРОВАТЬ – обычно поддерживаются стандартными процедурами РСУБД. Все специфические правила внешних ключей должны быть определены проектировщиком и реализованы в виде хранимых процедур (контроль целостности домена, сущности и ссылочной целостности).---*Отложить - удаление/обновление ссылочного ключа до тех пор, пока в БД не останется ни одного ссылающегося на него значения внешнего ключа.---*Каскадировать - разрешить выполнение требуемой операции, но внести каскадные изменения в другие отношения так, чтобы не допустить нарушения ссылочной целостности.

17. Понятие базы данных. Структурные единицы БД. Метаданные и индексы.---Для обеспечения эффективности информационных процессов необходима соответствующая организация данных. Проблема моделирования данных связана с таким представлением данных, которое наиболее естественно отражает реальный мир и может поддерживаться компьютерами. В настоящее время в самых различных областях широкое распространение получила разработка баз данных (БД). База данных – это совокупность предназначенных для обработки на ЭВМ поименованных данных, которая служит для запросов многих пользователей в рамках организации (предметной области).---Модель ПО реализуется в базе данных в виде конкретных наборов значений свойств объектов и указателей связей между экземплярами объектов. На концептуальном уровне можно представлять БД как коллекцию экземпляров записей. Типы записей соответствуют объектам ПО, поля записей – свойствам объектов, экземпляры записей – экземплярам объектов.---Предметная область как часть реального мира изменяется во времени. Все эти изменения должны отражаться в информационной модели ПО. Модель должна быть динамической, т.е. отражающей текущее состояние ПО.---База данных есть динамическая информационная модель своей ПО, адекватно отражающая ее состояние в любой момент времени. Эта модель используется бизнесом для принятия оперативных решений, анализа эффективности деятельности, определения стратегии и т.д.--- База данных не может существовать вне некоторой совокупности средств поддержки. Она является информационным ядром человеко-машинной системы – системы базы данных (СБД).---Цель этой системы состоит в накоплении и хранении сведений о ПО и предоставлении их заинтересованным пользователям по их требованиям в виде, пригодном для решения их задач. Система предоставляет доступ к сведениям одновременно и независимо многим пользователям, создавая для каждого из них иллюзию индивидуальной работы.---Структурные единицы базы данных: поле, запись, таблица.---Метаданные, в общем случае, — это данные, характеризующие или поясняющие другие данные. Каждая БД сохраняет метаданные - детальную информацию обо всех объектах системы в системном каталоге, доступном КП.---Каталог, доступный конечным пользователям. СУБД должна иметь доступный конечным пользователям каталог, в котором хранится описание элементов данных. Предполагается, что каталог доступен как пользователям, так и функциям СУБД. Системный каталог, или словарь данных, является хранилищем информации, описывающей данные в базе данных (по сути, это - метаданные). В зависимости от типа используемой СУБД количество информации и способ ее применения могут варьироваться. Обычно в системном каталоге хранятся следующие сведения:---1)имена, типы и размеры элементов данных;---2)имена связей; ---3)накладываемые на данные ограничения поддержки целостности; ---4)имена санкционированных пользователей, которым предоставлено право доступа к данным;---5)внешняя, концептуальная и внутренняя схемы и отображения между ними;---6)статистические данные, например частота транзакций и счетчики обращений к объектам базы данных.---Индекс—объект базы данных, создаваемый с целью повышения производительности выполнения запросов. Таблицы в базе данных могут иметь большое количество строк, которые хранятся в произвольном порядке, и их поиск по заданному значению 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 находить нужную строку по заданному значению. Ускорение работы с использованием индексов достигается в первую очередь за счёт того, что индекс имеет структуру, оптимизированную под поиск - например, сбалансированного дерева. Индексы могут быть объявлены как уникальные и как неуникальные. Уникальный индекс реализует ограничение целостности на таблице, исключая возможность вставки повторяющихся значений.

19. Трёхуровневая архитектура СУБД.---Трехуровневая архитектура СБД. Решение проблемы независимости прикладных программ и данных обеспечивается использованием трехуровневой архитектуры системы.---Эта архитектурная концепция предлагает использовать три уровня представления данных:---•внешний уровень – представления данных для различных конечных пользователей.---•внутренний уровень – представление данных в памяти ЭВМ, но без конкретных технических деталей (схема хранения).---•концептуальный уровень – обобщенное логическое представление данных, не содержащее никаких ссылок на реализацию.---Внешнее представление состоит из множеств экземпляров некоторых типов внешних записей. Эти внешние записи отнюдь не должны совпадать с хранимыми. Подъязык данных пользователя определен в терминах внешних записей. Значит, операции выборки/обновления будут определяться над множеством внешних записей. Единицей доступа к данным для пользователя является внешняя запись.---На концептуальном уровне данные представлены такими, какие они есть на самом деле. Концептуальное представление состоит из множества экземпляров каждого типа концептуальной записи. Она вовсе не обязана совпадать с внешней или хранимой записью. Концептуальное представление задается концептуальной схемой, которая включает определения типов концептуальных записей. Для определения концептуальной схемы используется специальный язык определения данных, не содержащий средств определения структур хранения и методов доступа к данным. Определения концептуального языка относятся только к содержанию информации. Если это обеспечено, то внешние схемы, определяемые на основе концептуальной схемы, заведомо не будут меняться при изменении хранимых схем. Концептуальное представление – это представление всего содержимого БД, а концептуальная схема – определение этого представления.---Важнейшее свойство концептуальной схемы – стабильность. Она отражает общие информационные потребности бизнеса и может измениться только в связи с радикальным изменением этих потребностей.---Внутреннее представление состоит из множества экземпляров каждого типа внутренней (хранимой) записи. Это представление, так же, как и внешнее и концептуальное, не связано с физическим уровнем, т.е. с блоками, цилиндрами, дорожками и т.д. Оно описывается внутренней схемой, которая определяет типы хранимых записей, способы представления хранимых полей, физическую последовательность хранения записей, существующие индексы и т.д. Внутренняя схема описывается с помощью внутреннего ЯОД, отличающегося как от ЯОД подъязыка данных внешнего представления, так и от концептуального ЯОД. Все, что ниже этого уровня, – уровень ОС.---Единица доступа к данным для СУБД – хранимая запись. СУБД получает доступ к данным через посредство ОС.

4. Подходы к ограничению доступа к данным в системе базы данных.---В настоящее время используется два основных подхода к организации систем безопасности: избирательный и обязательный.---Избирательный подход состоит в том, что с каждым конкретным ID связывается определенный набор объектов БД и с каждой парой (ID, объект) – определенный набор привилегий. При этом различные ID обладают, как правило, и различными привилегиями по отношению к одним и тем же объектам. Поэтому избирательные схемы защиты оказываются очень гибкими. Их легко изменять при изменении информационной политики предприятия.---Основные понятия избирательного подхода---Все избирательные системы обеспечения безопасности реализуют общую концепцию, основанную на следующих понятиях:---•пользователь – системный ID, от имени которого СУБД выполняет определенные действия над определенными объектами;---•объект защиты – часть БД, на которую распространяется действие конкретного правила безопасности; это может быть группа отношений, отдельное отношение, подмножества атрибутов и т.д.;---•привилегия – действие над объектом защиты, которое может быть совершено от имени конкретного ID.---Информация о привилегиях ID сохраняется в системном каталоге. Она используется системой для принятия решения о выполнении запрошенных ID операций над данными. При этом действует принцип: запрещено все, что не разрешено явно.---Выделяют два типа привилегий:---•системные привилегии – права на создание и модификацию объектов СБД (пользователей, именованных отношений, правил и т.п.);---•объектные привилегии – права на использование объектов в операциях манипулирования данными.---Владельцем базы данных является АБД. Ему предоставлены все системные и объектные привилегии. В частности, он имеет право регистрации новых пользователей и предоставления им привилегий, как системных, так и объектных.---Пользователь, имеющий системные привилегии, является владельцем всех созданных им объектов, имеет по отношению к ним все привилегии и может предоставлять их полностью или частично другим пользователям.---Обязательный подход заключается в том, что каждому объекту защиты присваивается определенный уровень классификации, а каждому пользователю – уровень допуска с теми же градациями. Эти уровни образуют иерархии. Например, особой важности > совершенно секретно > секретно > для служебного пользования > открыто. Теперь можно сформулировать два очень простых (и жестких) правила безопасности:---пользователь i имеет доступ к объекту j, только если его уровень допуска больше или равен уровню классификации объекта j;---*пользователь i может модифицировать объект j, только если его уровень допуска равен уровню классификации объекта j.---Второе правило означает, что всякая информация, записанная пользователем i, автоматически получает уровень классификации, равный уровню допуска пользователя i. Это необходимо для того, чтобы предотвратить запись, например, секретных данных в файл с уровнем классификации для служебного пользования или открыто.---Обязательный подход используется специальными системами, предназначенными для государственных, военных и других организаций с жесткой структурой.

2. Понятие функциональной зависимости атрибутов. Нормальные формы отношений. Процедура нормализации.---Цель нормализации – преобразовать универсальное отношение в систему отношений, удовлетворяющих определенным формальным требованиям. При обновлении данных, хранящихся в такой системе отношений, не возникают аномальные ситуации, и РСУБД в состоянии поддерживать целостность данных. Нормализация основана на понятии функциональной зависимости атрибутов отношения.---Определение 1. Пусть R некоторое отношение, А, В – подмножества его атрибутов. Говорят, что А функционально определяет В (или В функционально зависит от А), если и только если для любого допустимого значения R каждому значению А соответствует точно одно значение В. Функциональную зависимость (ФЗ) принято обозначать А  В. (Пример: ТабФамилия)

Т.е, если А  В, то для любого допустимого значения R два кортежа, совпадающие по значению А, совпадают также и по значению В. Обратное неверно. Подмножество А называют детерминантом зависимости, подмножество В – зависимой частью.---Определение 3. Пусть A и B – подмножества атрибутов и A – детерминант B. Говорят, что ФЗ A  B неприводима, если не существует такого подмножества C  A, что C  B. (Пример: № поставки, № деталикол-во)---Говорят, что отношение находится в 1НФ, если и только если все домены его атрибутов содержат скалярные значения (простые типы данных – логический, строковый, численный)(универсальные отношения - возможно избыточное дублирование данных и аномалии вставки, обновления и удаления). Любое отношение автоматически уже находится в 1НФ.---Говорят, что отношение находится в 2НФ, если и только если каждый его неключевой атрибут неприводимо зависит от первичного ключа (те же проблемы).---Опр2. Атрибуты называются взаимно независимыми, если ни один из них не является функционально зависимым от другого. (Пример: вес и кол-во деталей)---Отношение R находится в 3НФ тогда и только тогда, когда отношение находится в 2НФ и все неключевые атрибуты взаимно независимы.---или Опр 3. Пусть R – некоторое отношение, А, В, С – подмножества его атрибутов. Если А  В, В  С, то А  С. В таком случае говорят, что существует транзитивная функциональная зависимость.---Говорят, что отношение находится в 3НФ, если и только если оно находится в 2НФ и нет транзитивных зависимостей.---Для того, чтобы устранить зависимость неключевых атрибутов, нужно произвести декомпозицию отношения на несколько отношений. При этом те неключевые атрибуты, которые являются зависимыми, выносятся в отдельное отношение.---Алгоритм нормализации:---Шаг 1 (Приведение к 1НФ). На первом шаге задается одно или несколько отношений, отображающих понятия предметной области. По модели предметной области (не по внешнему виду полученных отношений!) выписываются обнаруженные функциональные зависимости. Все отношения автоматически находятся в 1НФ.---Шаг 2 (Приведение к 2НФ). Если в некоторых отношениях обнаружена зависимость атрибутов от части сложного ключа, то проводим декомпозицию этих отношений на несколько отношений следующим образом: те атрибуты, которые зависят от части сложного ключа выносятся в отдельное отношение вместе с этой частью ключа. В исходном отношении остаются все ключевые атрибуты.---Шаг 3 (Приведение к 3НФ). Если в некоторых отношениях обнаружена зависимость некоторых неключевых атрибутов от других неключевых атрибутов, то проводим декомпозицию этих отношений следующим образом: те неключевые атрибуты, которые зависят от других неключевых атрибутов выносятся в отдельное отношение. В новом отношении ключом становится детерминант функциональной зависимости.

8. Реляционные исчисления (РИ). Правильно построенные формулы РИ с переменными-кортежами.---Манипуляционная часть РМД описывает два эквивалентных способа манипулирования реляционными данными - реляционную алгебру и реляционное исчисление. В выражениях реляционной алгебры указывается, как следует выбрать из отношений, а в реляционном исчислении – что.

Базисными понятиями исчисления являются понятие переменной с определенной для нее областью допустимых значений и понятие правильно построенной формулы, опирающейся на переменные, предикаты и кванторы. Существует теория реляционного исчисления кортежей и реляционного исчисления доменов. В исчислении кортежей допустимым значением каждой переменной является кортеж некоторого отношения.---Для определения кортежной переменной используется оператор RANGE. Например, для того, чтобы определить переменную S, областью определения которой является отношение СОТРУДНИКИ, нужно употребить конструкцию---RANGE S IS СОТРУДНИКИ.---Ссылка на значение атрибута Num переменной S: S.Num.---Правильно построенные формулы (WFF) служат для выражения условий, накладываемых на кортежные переменные. Основой WFF являются простые сравнения, представляющие собой операции сравнения скалярных значений: =, NOT, AND, OR и IF ... THEN. Правильно построенная формула может содержать кванторы EXISTS (существует) и FORALL (для всякого).---Переменные, входящие в WFF, могут быть свободными или связанными. Все переменные, входящие в WFF, при построении которой не использовались кванторы, являются свободными. Например, (S.Num, S.Fam) WHERE Ci = ‘Томск’.

Если же имя переменной использовано сразу после квантора при построении WFF вида EXISTS var (form) или FORALL var (form), то в этой WFF и во всех WFF, построенных с ее участием, var - это связанная переменная. Это означает, что такая переменная не видна за пределами минимальной WFF, связавшей эту переменную. Связанная переменная подобна локальной переменной в языках программирования.

Формула, в которой все переменные связаны, называется закрытой. Например, FORALL x (EXISTS y (f(x, y))) – закрытая формула. Формула, содержащая по крайней мере одну свободную переменную, называется открытой.

ТАБЛИЦА ДЛЯ БИЛЕТА №7

6. Понятие транзакции. Свойства АСИД.

Транзакция - это последовательность операторов манипулирования данными, выполняющаяся как единое целое (все или ничего) и переводящая базу данных из одного целостного состояния в другое целостное состояние.

Транзакция обладает четырьмя важными свойствами, известными как свойства АСИД:

(А) Атомарность. Транзакция выполняется как атомарная операция - либо выполняется вся транзакция целиком, либо она целиком не выполняется. Если в процессе обработки транзакции возник какой-то сбой, то все выполненные до этого момента обновления данных должны быть отменены. Следовательно, транзакция ни в каком случае не может нарушить целостность данных.

(С) Согласованность. Транзакция переводит базу данных из одного согласованного (целостного) состояния в другое согласованное (целостное) состояние. Внутри транзакции согласованность базы данных может нарушаться.

(И) Изолированность. Транзакции разных пользователей не должны мешать друг другу (например, как если бы они выполнялись строго по очереди). Говорят, что транзакция обладает свойством изолированности, если ей недоступны промежуточные результаты других параллельно исполняющихся транзакций и ее промежуточные результаты недоступны другим транзакциям.

(Д) Долговечность. Если транзакция выполнена, то результаты ее работы должны сохраниться в базе данных, даже если в следующий момент произойдет сбой системы. В случае неуспешного завершения транзакции по любой причине система гарантирует отсутствие каких-либо следов ее работы в ФБД (откат транзакции).

12.Операторы обновления данных в SQL.

Операторы обновления данных входят в состав операторов манипулирования данными (DML)---Оператор INSERT вставляет новые строки в таблицу. При этом значения столбцов могут представлять собой литеральные константы либо являться результатом выполнения подзапроса. В первом случае для вставки каждой строки используется отдельный оператор INSERT; во втором случае будет вставлено столько строк, сколько возвращается подзапросом.---INSERT INTO <имя таблицы>[(<имя столбца>,...)]---{VALUES (< значение столбца>,…)}---| <выражение запроса> ---| {DEFAULT VALUES};---Как видно из представленного синтаксиса, список столбцов не является обязательным. В том случае, если он отсутствует, список вставляемых значений должен быть полный, т.е. обеспечивать значения для всех столбцов таблицы. Для вставки во все столбцы значений по умолчанию предназначена специальная конструкция DEFAULT VALUES.---При вставке строки в таблицу проверяются все ограничения, наложенные на данную таблицу. В случае нарушения какого-либо ограничения вставка строки будет отвергнута.---Оператор UPDATE изменяет имеющиеся данные в таблице. Команда имеет следующий синтаксис---UPDATE <имя таблицы>---SET {имя столбца = {выражение для вычисления значения столбца---| NULL--- | DEFAULT},...}---[ {WHERE <предикат>}];---С помощью одного оператора могут быть заданы значения для любого количества столбцов. Однако в одном и том же операторе UPDATE можно вносить изменения в каждый столбец указанной таблицы только один раз. При отсутствии предложения WHERE будут обновлены все строки таблицы.---Если столбец допускает NULL-значение, то его можно указать в явном виде. Кроме того, можно заменить имеющееся значение на значение по умолчанию (DEFAULT) для данного столбца.---Оператор DELETE удаляет строки из базовых таблиц---DELETE FROM <имя таблицы > [WHERE <предикат>];---Если предложение WHERE отсутствует, удаляются все строки из таблицы или представления (представление должно быть обновляемым).

10. Организация данных SQL-системы. Объекты, схема, каталог, кластер.---Фактически стандартным языком доступа к базам данных в настоящее время стал язык SQL.---Язык SQL оперирует терминами, несколько отличающимися от терминов реляционной теории. (отношениятаблицы, кортеж истроки, атрибутыстолбцы.---Стандарт SQL трактует объект как нечто, имеющее уникальное имя и определение, постоянно сохраняемые в системном каталоге СУБД. Объект создается пользователем, имеющим соответствующую привилегию CREATE. Этот пользователь является владельцем объекта и может распоряжаться им по своему усмотрению.---Типы объектов SQL.---Идентификатор авторизации (ID) – идентификатор источника операторов SQL и одновременно объект, с которым связаны привилегии. Может быть пользователем или модулем, владельцем схемы SQL и ее содержимого.---Утверждение (ASSERTION) есть объект, содержащий проверку ограничения, записанного в виде предиката, ссылающегося на столбцы таблиц.---Домен (DOMAIN) – объект, который может использоваться как альтернатива типу данных для столбцов. Определяет тип данных и может также задавать некоторые другие элементы, например, значение по умолчанию, одно или несколько ограничений.---Таблица (TABLE) – объект, являющийся набором значений, которые могут разделяться на строки и столбцы, так что на пересечении строки и столбца располагается только одно значение. Все значения в столбце принадлежат одному домену. Столбцы имеют имена, уникальные в пределах таблицы.---Можно выделить две категории таблиц – именованные и неименованные. Именованные таблицы могут быть базовыми или представлениями.---Представление (VIEW) есть объект, содержащий именованный запрос, на который можно ссылаться в операторах манипулирования данными.---Объекты типов CHARACTER SET, COLLATION и TRANSLATION определяют соответственно набор символов, порядок сортировки символьных строк и преобразование строки одного набора символов в строку другого набора.---Системный каталог есть принадлежащий SQL-системе набор таблиц, содержащий определения объектов.---Информационная схема есть стандартизованный набор представлений таблиц системного каталога, создаваемый для конкретного ID.---Схемой (SCHEMA) называется поименованная группа связанных объектов, управляемых единым ID.---Схема состоит из определений объектов и может содержать домены, различные виды таблиц, правил и т.п. Схема является минимальной базой данных, доступной конкретному пользователю в конкретном сеансе. Схемы могут быть сгруппированы в каталоги, а каталоги – в кластеры.---Каталог – именованная группа схем, которая обрабатывается как единый объект. Каждый каталог обязательно содержит информационную схему, описывающую содержимое схем каталога.---Кластер – это набор каталогов. Он является максимальной базой данных конкретного ID и содержит все объекты, доступные ему в конкретном сеансе.

16. Организация процессов обработки данных в системах оперативной обработки транзакций.

---Всякое приложение работает не с физическим представлением базы на диске, а с буфером из которого оно берёт данные. В буфере СУБД выполняет предварительную обработку этих данных и возвращает данные приложению, которое выполняет над ними какие-то специфические действия. Поскольку в системе постоянно работает несколько транзакций, разные транзакции могут запросить одни и те же данные. СУБД не загружает в буфер одни и те же данные для разных транзакций два раза, следующая транзакция уже работает с данными из самого буфера. После завершения транзакции СУБД фиксирует данные, которые обрабатывались и не попадают во внешнюю память, так как могут понадобиться другой транзакции. Так как буфер имеет ограниченный объем, СУБД следит за использованием различных объектов, накапливает какую-то статистическую информацию, и исходя из этого принимает решение о выталкивании каких-то данных во внешнюю память по мере переполнения буфера. Каждое действие фиксируется в системном журнале. Соответствующий протокол журнализации (и управления буферизацией) называется WAL - "пиши сначала в журнал", и состоит в том, что если требуется вытолкнуть во внешнюю память измененный объект базы данных, то перед этим нужно гарантировать выталкивание во внешнюю память журнала записи о его изменении.

В простейшем случае журнализация изменений заключается в последовательной записи во внешнюю память всех изменений, выполняемых в базе данных. Записывается следующая информация:

• порядковый номер, тип и время изменения;

• идентификатор транзакции;

• объект, подвергшийся изменению;

• предыдущее состояние объекта и новое состояние объекта.

Журнал содержит отметки начала и завершения транзакции, и отметки принятия контрольной точки (при переполнении журнала).

Журнал предназначен для возможности восстановления данных в случае аварии, и для отлавливания попыток несанкционированного доступа.

14. Функции СУБД (8 сервисов Кодда).

Основоположник РМД Е.Кодд предложил перечень из восьми сервисов, которые должны быть реализованы в любой полномасштабной СУБД.

1)Доступ пользователя к данным. СУБД должна предоставлять пользователям возможность сохранять, извлекать и обновлять данные в базе данных. Это самая фундаментальная функция СУБД. Способ реализации этой функции в СУБД должен позволять скрывать от КП внутренние детали физической реализации системы.

2)Санкционирование доступа. СУБД должна иметь механизм, гарантирующий возможность доступа к базе данных только санкционированных пользователей. Термин "безопасность" относится к защите БД от преднамеренного или случайного несанкционированного доступа. Предполагается, что СУБД обеспечивает механизмы подобной защиты данных.

3)Управление транзакциями. СУБД должна иметь механизм, который гарантирует выполнение либо всех операций обновления данной транзакции, либо ни одной из них.

4)Целостность данных. СУБД должна обладать инструментами контроля за тем, чтобы данные и их изменения соответствовали заданным правилам.

5)Системный каталог. СУБД должна иметь доступный конечным пользователям каталог, в котором хранится описание элементов данных. Предполагается, что каталог доступен как пользователям, так и функциям СУБД. Системный каталог, или словарь данных, является хранилищем информации, описывающей данные в базе данных (по сути, это - метаданные).

6)Восстановление данных в случае аварии. При сбое транзакции БД должна быть возвращена в непротиворечивое состояние.

7)Удобная среда разработки баз данных.

8)Возможность связи с другими программами.

20. Организация доступа приложений к данным в СБД.

Реализация изложенной архитектурной концепции вовсе необязательно явно включает все три уровня. Однако в любой реализации ПП получают доступ к хранимым данным только через посредство СУБД. Для примера рассмотрим схему алгоритма выполнения операции чтения данных прикладной программой.

Шаг 1. ПП обращается к СУБД с запросом на чтение записи внешней модели.

Шаг 2. СУБД, используя схемы ВМД и КМД и описание отображения внешний  концептуальный, определяет, какие записи КМД необходимы для формирования требуемой записи ВМД.---Шаг 3. СУБД, используя схемы КМД и В_НМД и описание отображения концептуальный  внутренний, определяет, какие записи внутренней модели необходимы для формирования затребованных записей КМД и совокупность физических записей, которые должны быть для этого считаны с физического носителя.---Шаг 4. СУБД выдает ОС запрос на считывание в свои буферы необходимых записей физической базы данных (ФБД).---Шаг 5. ОС считывает затребованные записи и помещает их в системные буферы СУБД.---Шаг 6. На основании имеющихся схем моделей и описаний отображений СУБД формирует в своем буфере затребованную внешнюю запись.---Шаг 7. СУБД пересылает сформированную внешнюю запись в рабочую область (РО) ПП.---Шаг 8. СУБД передает в ПП сообщение о результатах выполнения запроса.---Процедура записи данных из ПП в ФБД выполняется аналогично.

18. Жизненный цикл системы с базами данных. Фазы проектирования БД.

Для программной реализации баз данных обычно используются универсальные системы управления базами данных (СУБД).---Процесс разработки базы данных обычно начинается с построения информационной модели предметной области (ПО). На приведенном ниже рисунке показаны основные этапы создания и эксплуатации БД.---Жизненный цикл базы данных можно условно разбить на 2 фазы.---1. Анализа и проектирования;---2. Реализации и функционирования.---На этапе анализа и проектирования осуществляется.---1) Формирование и анализ требований к информации о ПО. Здесь осуществляется сбор требований к содержанию и процессу обработки данных от всех пользователей, обеспечивается согласованность данных.--- 2) Концептуальное проектирование. Построение независимой от СУБД информационной структуры путем объединения требований пользователей. Концептуальная схема не зависит от конкретной СУБД и технических решений.---3) Проектирование реализации. На этом этапе осуществляется реализация информационной модели в рамках конкретной СУБД. Производится описание структуры данных, разработка программ обработки данных.---На этапе реализации и функционирования БД осуществляется.---1) Реализация БД.---2) Анализ функционирования и поддержка.---3) Модификация и адаптация.