САРАТОВСКИЙ ГОСУНИВЕРСИТЕТ
МЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Базы данных
Кафедра компьютерной алгебры и теории чисел Подготовил Ковалев А. Д.
Дата последнего обновления 15 апреля 2010 г.
Оглавление
I. |
Установочный модуль |
9 |
||
1. |
Введение |
|
10 |
|
II. |
Модуль 1 |
13 |
||
2. |
Реляционная алгебра |
14 |
||
|
2.1. |
Отсутствующие данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
14 |
|
|
2.2. |
Пустые значения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
15 |
|
|
2.3. |
Неопределенные значения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
16 |
|
|
|
2.3.1. |
Интерпретации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
16 |
|
|
2.3.2. |
Правила вычисления выражений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
17 |
|
|
2.3.3. |
Следствия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
21 |
|
|
2.3.4. |
Проверка условий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
22 |
|
2.4. |
Реляционные объекты данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
24 |
|
2.4.1.Формальные определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4.2.Домены и атрибуты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.3. |
Схема отношения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
28 |
2.4.4. |
Именованное значение атрибута . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
29 |
2.4.5. |
Кортеж . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
29 |
2.4.6.Отношение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.7.Схема базы данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.8.База данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.Операции реляционной алгебры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.1.Унарные операции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.2.Бинарные операции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.5.3. |
Варианты операции соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
41 |
2.5.4. |
Производные операции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
42 |
2.6.Пример построения выражения реляционной алгебры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.7.Понятие базовых и виртуальных отношений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.8.Понятие полноты реляционной алгебры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.9.Формирование запросов на языке SQL 2.9.1. Металингвистические символы
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
49 |
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
50 |
2.9.2.Реализация операций реляционной алгебры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.9.3.Пример использования подзапросов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.9.4.Группирующие запросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.9.5. Упорядочение результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.10.Вопросы для самоконтроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.11.Упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.11.1. Построение выражений реляционной алгебры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
III. Модуль 2 |
72 |
3. Базовые и виртуальные отношения |
73 |
3.1.Типы данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.1.1. Базовые типы данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
|
3.1.2. |
Типы данных, определяемые пользователем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
79 |
3.2. |
Первичные и кандидатные ключи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
80 |
|
3.3. |
Создание базовых отношений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
82 |
|
3.4. |
Индексы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
86 |
|
3.5. |
Модификация базовых отношений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
88 |
|
|
3.5.1. |
Вставка строк . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
88 |
|
3.5.2. |
Обновление строк . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
90 |
|
3.5.3. |
Удаление строк . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
91 |
3.6. |
Целостность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
91 |
|
|
3.6.1. |
Декларативная поддержка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
92 |
3.6.2.Пример декларативной поддержки целостности . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.6.3.Транзакции и блокировки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.6.4. Триггеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.7.Виртуальные отношения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.8.Вопросы для самоконтроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.9.Упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 3.9.1. Декларативная поддержка целостности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
IV. Модуль 3 |
113 |
4. Нормальные формы |
114 |
4.1.Функциональные зависимости (ФЗ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.1.1.Правила вывода Армстронга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.1.2.Производные правила вывода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.1.3. |
Независимость правил Армстронга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
121 |
4.1.4. |
Полнота системы правил Армстронга . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
123 |
4.2. Нормальные формы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
124 |
|
4.2.1. |
Первая нормальная форма (1NF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
126 |
4.2.2.Вторая нормальная форма (2NF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.2.3.Третья нормальная форма (3NF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.2.4.Нормальная форма Бойса-Кодда (Boyce, Codd; NFBC) . . . . . . . . . . . . . . 135
4.2.5.Пример построения нормализованных схем отношений . . . . . . . . . . . . . . 139
4.3.Вопросы для самоконтроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
V. |
Модуль 4 |
144 |
|
5. |
Проектирование схем баз данных |
145 |
|
|
5.1. |
Уровни логической модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
147 |
|
5.2. |
Миграция ключей и виды связей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
149 |
|
5.3. |
Классификация кластеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
156 |
|
5.4. |
Иерархическая рекурсия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
157 |
5.4.1.Абстрактная схема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.4.2.Обобщения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.4.3.Пример реализации иерархической рекурсии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.5. Сетевая рекурсия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.5.1.Абстрактная схема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.5.2.Сетевая реализация иерархической рекурсии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.5.3.Обобщения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.5.4.Пример реализации сетевой рекурсии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
5.6.Ассоциация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.6.1.Детализация связей многие-ко-многим . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.6.2.Обобщения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.6.3.Пример реализации ассоциации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.7.Обобщение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
5.7.1.Абстрактная схема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
5.7.2. Пример реализации обобщения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.8.Композиция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
5.8.1.Абстрактная схема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
5.8.2.Пример реализации композиции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
5.9.Агрегация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
5.9.1.Абстрактная схема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
5.9.2.Пример реализации агрегации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.10. Унификация атрибутов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
5.11.Вопросы для самоконтроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.12.Упражнения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.12.1. |
Иерархическая рекурсия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
209 |
5.12.2. |
Сетевая рекурсия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
210 |
5.12.3.Ассоциация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
5.12.4.Обобщение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
5.12.5.Композиция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
5.12.6.Агрегация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
VI. Дополнительные главы |
215 |
||
6. Технологии баз данных |
216 |
||
6.1. |
Информационные системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
216 |
|
|
6.1.1. |
Жизненный цикл ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
217 |
|
6.1.2. |
СУБД и БД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
222 |
|
6.1.3. |
Жизненный цикл БД и средства проектирования . . . . . . . . . . . . . . . . . |
223 |
6.2. |
Модели данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
226 |
|
6.2.1.Иерархическая модель данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
6.2.2.Сетевая модель данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.2.3.Реляционная модель данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
6.2.4. |
Постреляционная модель данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
234 |
6.2.5. |
Объектно-ориентированные модели данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
234 |
6.2.6.XML как модель данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
6.2.7.Многомерная модель данных (OLAP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
6.3. Основные функции СУБД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
6.3.1.Управление данными во внешней памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
6.3.2.Управление буферами оперативной памяти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
6.3.3. Управление транзакциями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.3.4.Журнализация и восстановление БД после сбоев . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
6.3.5.Поддержка языков баз данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
6.4. |
Типовая организация СУБД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
247 |
|
6.5. |
Модели взаимодействия с БД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
249 |
|
|
6.5.1. |
Модель с централизованной архитектурой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
249 |
|
6.5.2. |
Модель с автономными персональными компьютерами . . . . . . . . . . . . . . |
250 |
|
6.5.3. |
Архитектура «файл-сервер» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
251 |
|
6.5.4. |
Архитектура «клиент-сервер» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
251 |
|
6.5.5. |
Архитектура «клиент-сервер» трехзвенная . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
253 |
|
6.5.6. |
Распределенные базы данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
254 |
6.5.7. Технология тиражирования данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
6.6.Фрактальные методы сжатия BLOB [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
6.6.1. |
Понятие «фрактал» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
257 |
6.6.2. |
Геометрические фракталы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
258 |
6.6.3. |
Алгебраические фракталы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
260 |
6.6.4. |
Стохастические фракталы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
263 |
6.6.5. Системы итерируемых функций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
6.7.Вопросы для самоконтроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Литература |
269 |
Список иллюстраций |
271 |
Список таблиц |
274 |
Часть I.
Установочный модуль
1. Введение
Традиционная тема курса – модели данных – рассматривается с той или иной степенью детализации в широком диапазоне: модели иерархическая, сетевая, реляционная, постреляционная, объектноориентированая, XML, OLAP.
При рассмотрении основных функций СУБД выделяются функции управления данными во внешней памяти и буферами оперативной памяти, функция управления транзакциями, функции журнализации и восстановления БД после сбоев, поддержки языков баз данных.
При анализе моделей взаимодействия пользователей с базами данных проводится их сравнительный анализ в исторической цепочке: модели с централизованной архитектурой и автономными персональными компьютерами, архитектуры «файл-сервер», «клиент-сервер» и ее более развитый трехзвенный вариант, технологии распределенных баз данных и тиражирования данных.
Далее рассматриваются теоретические вопросы обоснования теории реляционных БД (РБД) и технологические вопросы разработки РБД.
Вводится реляционная алгебра. Анализируется проблема неопределенных значений и ее влияние на методы обработки данных. Формализуется понятие базы данных на наиболее абстрактном уровне. Вводятся реляционные операции и их варианты, анализируется независимость операций. На алгебраическом уровне водятся понятия базовых и виртуальных отношений. Описывается реализация операций реляционной алгебры на языке баз данных SQL. Демонстрируется техника использования SQL-подзапросов.
Рассматривается внутреннее устройство базовых и виртуальных отношений. Определяются базовые типы данных и типы данных, определяемые пользователем. Описывается техника индексирования. Описываются SQL-конструкции для создания и модификации отношений.
Анализируются декларативные и процедурные методы поддержания целостности БД с использование механизма транзакций и триггеров.
Излагается теория нормализации (до NFBC включительно). Вводится понятие функциональных зависимостей, и обосновываются правила вывода Армстронга. Определяются и анализируются 1NF, 2NF, 3NF, NFBC.
Описывается методология проектирования схем баз данных в стиле UML. Вводятся понятия диаграмм, связей и их элементов. Методология проектирования демонстрируется на таких кластерах, как иерархическая и сетевая рекурсии, ассоциация, обобщение, композиция, агрегация. Рассматривается назначение унификации атрибутов.
В заключительной обсуждаются фрактальные методы сжатия BLOB – крупных двоичных объектов, что актуально для мультимедийных БД.
О контрольных работах (лабораторном практикуме). К пособию прилагается задания на выполнение лабораторных работ с примерами ее выполнения.
Цель работы – приобретение практических навыков анализа и моделирования предметной области; ознакомление с работой специализированных CASE-средств; изучение подхода к обработке данных на основе применения языка SQL; при наличии возможностей – ознакомление с архитектурой «клиент-сервер».
Лабораторный практикум предполагает последовательное выполнение студентами 3-х циклов лабораторных работ, моделирующих определенную предметную область, предложенную каждому студенту в рамках конкретного задания.
К разделам пособия прилагаются вопросы для самоконтроля, тестовые задания (где целесообразно) и списки рекомендуемой литературы.
К пособию в целом прилагаются методические указания, тестовые задания и списки рекомендуемой литературы.
Содержание пособия соответствует требованиям ГОС ВПО и, как можно ожидать, пособие не потеряет актуальности и при переходе на новую систему образования.
Пособие может быть рекомендовано студентам специальности прикладная информатика всех форм обучения и преподавателям.