7.4. Системы управления базами данных
7.4.1. Основные понятия
База данных (БД) – это именованная совокупность взаимосвязанных данных, отражающая состояние объектов рассматриваемой предметной области и их отношений. БД могут использоваться несколькими приложениями под управлением системы управления базой данных.
При работе с информацией различают два уровня представления данных. Физические данные – это данные, хранящиеся в памяти ЭВМ, на ее запоминающих устройствах. Для долговременного хранения больших объемов данных используется вторичная память (внешние запоминающие устройства – ВЗУ). Логическое представление данных соответствует пользовательскому представлению о данных. Логическое представление отражает существующие взаимосвязи между элементами данных.
В обычном смысле БД представляет собой файл или множество файлов, имеющих определенную организацию. Однако при работе с обычными системами файловой обработки возникает ряд проблем, связанных, в частности, с избыточностью и зависимостью хранящихся в них данных.
Для решения конкретных задач, связанных с организацией хранения и обработки информации, в каждом приложении (прикладной программе), соответствующем задаче, определяются формат, организация и содержимое файлов данных, используемых для хранения информации. В файлах каждой прикладной системы содержится только необходимая ей информация, но часть данных может быть общей для нескольких приложений и эти данные дублируются в нескольких файлах. Согласование между наборами данных различных приложений при реализации такого подхода к разработке систем обработки данных отсутствует. Таким образом, использование автономных систем файловой обработки вследствие дублирования данных в них часто приводит, во-первых, к значительной избыточности данных, а во-вторых, существует опасность возникновения несоответствия данных, находящихся в файлах, с которыми работают различные приложения, нарушения их целостности.
Решение данной проблемы требует выполнения ряда шагов: объединения файловых систем всех приложений в единую базу данных, в которой будет содержаться только одна копия каждого логического элемента данных, поэтому избыточность будет исключена; согласование работы различных приложений с базой данных через использование общей управляющей программы, которая организовывала бы доступ всех приложений к информации в БД.
Еще одна задача – отделение логической структуры данных (организации данных с точки зрения пользователя) от физической (организации данных с точки зрения их представления на ВУ).
Необходимость решения этой задачи привела к выделению нескольких уровней представления информации, для работы с которой было разработано специальное программное обеспечение.
При решении этих задач можно описать хранимую и обрабатываемую информацию с различных точек зрения и с разной степенью детализации. Выделяется три основных уровня представления:
1) внешний уровень – уровень описания информационных потребностей конечного пользователя;
2) концептуальный уровень – описание информации на уровне понятий всей информационной системы;
3) внутренний уровень – описание способа хранения информации в памяти, на внешних запоминающих устройствах и методов доступа к ней.
Информационные потребности отдельного пользователя обычно затрагивают лишь часть данных, хранящихся в информационной системе, и описание этих потребностей может не совпадать со способом представления этих данных. Например, в базе данных информационной системы предприятия хранится информация обо всех его сотрудниках, но представление о том, какая именно информация необходима для работы, будет разным для разных групп пользователей, специалистов в различных областях – оно зависит от выполняемых ими обязанностей (специалист отдела кадров и сотрудники бухгалтерии, руководитель подразделения и т.д. нуждаются для выполнения своих функций в различных данных). Эти потребности и описываются на внешнем уровне представления данных (представления А, В, и С, рис. 2.7).
Внешних описаний данных, хранящихся в БД, следовательно, может быть множество.
Рассмотрим пример БД информационной системы фирмы, занимающейся поставками товаров в магазины города, причем будем учитывать только информационные потребности двух сотрудников фирмы (в упрощенной форме – иначе пример был бы слишком громоздким).
Сотрудник, занимающийся связями с клиентами, для выполнения своих обязанностей нуждается в следующей информации:
Для сотрудника, который работает с платежными формами, необходима другая информация о клиентах:
Данные, используемые отдельными специалистами, находятся в единой информационной системе предприятия, в общей для них базе данных. Поэтому внешние представления отдельных пользователей должны быть интегрированы в концептуальном представлении (рис. 2.7), цель описания данных на концептуальном уровне – создание такого формального представления о данных, чтобы любое внешнее представление являлось его подмножеством. В процессе интеграции внешних представлений устраняются двусмысленности и противоречия в информационных потребностях отдельных пользователей. Концептуальное описание, представляющее всю БД, должно быть единственным.
В рассматриваемом примере концептуальное представление должно включать всю информацию, необходимую всем сотрудникам. Противоречия могут возникнуть вследствие того, что сотрудники, которые используют общую информацию, могут представлять ее себе по-разному (например, номер телефона может быть записан в разных форматах). Все эти противоречия должны быть ликвидированы, данные и форма их представления должны быть согласованы.
Тогда концептуальное описание определяется следующей информацией:
Данные, описанные концептуальной схемой, должны быть записаны во внешней памяти, на ВЗУ, предназначенных для хранения информации, находящейся в БД. Внутреннее описание данных характеризует способ хранения данных во внешней памяти.
Правила описания данных определяются выбранной моделью данных (основными являются реляционная модель данных, сетевая и иерархическая модели).
Описание данных для конкретной информационной системы называется схемой. Данные требуется описывать на различных уровнях абстрагирования, описание каждого уровня представляет собой соответствующую схему.
Схема – это средство, с помощью которого описывается модель данных приложения. Модель данных состоит из трех компонентов:
– структура данных, представляющая точку зрения пользователя на БД;
– допустимые операции, выполняемые на определенной структуре данных;
– ограничения для контроля целостности данных.
Таким образом, в схеме присутствует и некоторая семантическая (смысловая) информация, относящаяся к приложению.
С помощью схемы описываются свойства и взаимосвязи между отдельными элементами данных, вытекающие из существующих связей в «реальном мире» предметной области.
Схемы соответствуют уровням описания данных, т.е. рассматриваются внешние схемы, концептуальная и внутренняя схемы. Описания (схемы) используются в процессе проектирования БД информационных систем. Кроме описания БД как единого целого на уровне абстракции концептуальной схемы часто требуются ее описания с различных точек зрения. Каждое такое описание можно считать частичным или переопределенным описанием БД. Эти описания являются внешними схемами или подсхемами.
Система управления базой данных (СУБД) – это программная система, обеспечивающая определение логической и физической структуры базы данных, ввод информации и доступ к ней. При этом все СУБД обеспечивают независимость прикладной программы от организации физических данных: изменения физической организации и/или параметров запоминающих устройств воспринимаются и «перехватываются» СУБД, но не влияют на прикладную программу. С другой стороны, изменение пользовательского представления и/или добавление нового представления также поддерживаются СУБД и не требуют затрат на реорганизацию и изменение механизма доступа к физическим данным в файлах. Еще одна задача СУБД – поддержание целостности данных, хранящихся в БД.
База данных – это файл или совокупность файлов, для определения которых и обращения к ним используются средства СУБД. Это означает, что БД определяется посредством схемы, не зависящей от программ, которые к этой БД обращаются.
Другим свойством БД является реализация их в виде «запоминающего устройства» с прямым доступом. Использование СУБД обеспечивает лучшее управление данными, более совершенную организация файлов и более простое обращение к ним по сравнению с обычным способом хранения данных в файлах.
Целостность БД означает поддержание данных в ней в таком состоянии, когда все значения данных «правильны» (отражают состояние реального объекта в пределах заданных ограничений по точности и временнόй согласованности) и подчиняются правилам взаимной непротиворечивости. Поддержание целостности включает проверку целостности данных в БД и восстановление БД из любого неправильного состояния, которое может быть обнаружено в процессе проверки.