Шпоры по базам данных (госэкзамен) / БД 5,6,7,8

5. Транзакция. Системы обработки данных.

Механизм транзакций используется в СУБД для поддержания целостности в БД

Транзакцией называют неделимую с позиции воздействия на БД последовательность операций манипулирования данными. Транзакция может состоять из операций чтения, удаления, вставки, модификации данных. Транзакция обладает четырьмя основными свойствами:

• Атомарности

• Согласованности

• Изолированности (сериализуемости)

• Долговечности

Атомарность

Свойство атомарности означает, что транзакция должна выполняться как единая операция доступа к БД. Она должна быть выполнена полностью либо не выполнена совсем. Т.е. должны быть выполнены все операции манипулирования данными, которые входят в транзакцию, либо, если по каким-то причинам выполнение части операций невозможно, ни одна из операций не должна выполняться.

Согласованность

Свойство согласованности гарантирует взаимную целостность данных, т.е. выполнение ограничений целостности БД после окончания обработки транзакции. Следует отметить, что база данных может обладать такими ограничениями целостности, которые сложно не нарушить, выполняя только один оператор ее изменения.

Примеры ограничений целостности:

1. Возраст сотрудника не может быть < 18 и > 65 лет.

2. Каждый сотрудник имеет уникальный табельный номер.

3. Сотрудник обязан числиться в одном отделе

Изолированность

Современные СУБД являются многопользовательскими системами, т.е. допускают параллельную одновременную работу большого количества пользователей.

Транзакция разных пользователей не должны мешать друг другу, т.е. транзакции выполняются независимо друг от друга. Транзакции необходимо выполнить одновременно, но так, чтобы результат был бы такой же, как если бы транзакции выполнялись по очереди.

Принципы совместной обработки (сериализации) транзакций:

• Транзакция не может получить доступ к незафиксированным данным, т.е. к данным, в которых произведены изменения, но эти изменения еще не зафиксированы.

• Результат совместного выполнения транзакций должен быть эквивалентен результат)' их последовательного выполнения. Т.е., если две транзакции выполняются параллельно, то полагается, что результат будет такой же, как если бы сначала выполнялась первая, а затем вторая транзакция, или сначала вторая, а потом первая.

В современных СУБД сериализация транзакций реализуется через механизм блокировок. На время выполнения транзакции СУБД блокирует часть БД (отношение, строку или группу строк), к которой транзакция обращается. Блокировка сохраняется до момента фиксации транзакции

При выполнении транзакции современные СУБД могут блокировать всю БД, отношение, группу строк или отдельную строку.

Чем больше блокируемый элемент данных, тем медленнее СУБД обрабатывает транзакции — велико время ожидания снятия блокировок.

При работе в режиме оперативного доступа к БД, как правило, реализуется блокировка на уровне отдельных строк. В этом случае можно добиться максимальной производительности за счет того, что блокируемый объект — минимальная структурная единица БД.

Транзакции могут попасть в ситуацию взаимоблокировки

Для предотвращения взаимоблокировки СУБД периодически проверяет блокировки, установленные выполняющимися транзакциями. Если обнаруживается ситуация взаимоблокировки, то одна из транзакций, вызвавших эту ситуацию, прерывается. Это разрешает тупиковые ситуации. Программа, которая сгенерировала прерванную транзакцию, получает сообщение об ошибке.

Долговечность

Если транзакция выполнена, то результаты ее должны сохраняться в системе, даже если в следующий момент произойдет сбой системы.

Казалось бы, самый простой способ обеспечить такую гарантию - это во время каждой операции сразу записывать все изменения на дисковые носители.

Такой способ не является удовлетворительным, т.к. имеется существенное различие в скорости работы с оперативной и с внешней памятью. Единственный способ достичь приемлемой скорости работы состоит в буферизации страниц БД в оперативной памяти. Это означает, что данные попадают во внешнюю долговременную память не сразу после внесения изменений, а через некоторое (достаточно большое) время.

Результатом выполнения транзакции может быть ее фиксация или откат.

Фиксация транзакции — это действие, обеспечивающее запись в БД всех изменений, которые были произведены в процессе ее выполнения. До того как транзакция зафиксирована, возможна отмена всех сделанных изменений и возврат БД в то состояние, в котором она была до начала выполнения транзакции.

Если нормальное завершение транзакции невозможно, напр., нарушены ограничения целостности БД, или пользователь выдал специальную команду, происходит откат транзакции. БД возвращается в исходное состояние, все изменения аннулируются. Механизм корректного отката и фиксации транзакций основан на использовании журнала транзакций.

Если транзакция работает с БД, расположенной на одном узле, то ее называют локальной. Таким образом, логически распределенная транзакция состоит из нескольких локальных.

Локальные и глобальные транзакции

С точки зрения пользователя, локальные и глобальные транзакции обрабатываются одинаково, т.е. СУБД должна организовать процесс выполнения распределенной транзакции так, чтобы все локальные транзакции, входящие в нее, синхронно фиксировались на затрагиваемых ими узлах распределенной системы.

Однако распределенная транзакция должна фиксироваться только в случае, когда зафиксированы все локальные транзакции, ее составляющие. Если прерывается хотя бы одна из локальных транзакций, должна быть прервана и распределенная транзакция.

6. Реляционная модель БД. Основные понятия.

Реляционная база данных является организованной на машинном носителе совокупностью взаимосвязанных данных и содержит сведения о различных сущностях одной предметной области — реальных объектах, процессах, событиях или явлениях. Реляционная база данных представляет собой множество взаимосвязанных двумерных таблиц, в каждой из которых содержатся сведения об одной сущности.

Структура реляционной таблицы определяется составом и последовательностью полей, соответствующих ее столбцам, с указанием типа элементарного данного, размещаемого в поле. Каждое поле отражает определенную характеристику сущности, а соответствующий столбец содержит данные одного типа.

Содержание реляционной таблицы заключено в ее строках. Каждая строка таблицы содержит данные о конкретном экземпляре сущности и называется записью. для однозначного определения каждой записи таблица должна иметь уникальный ключ (первичньгй ключ). Этот ключ может состоять из одного или нескольких полей. По значению ключа отыскивается единственная запись.

Связи между таблицами базы данных дают возможность совместно использовать данные из разных таблиц. В нормализованной реляционной базе данных связи характеризуются отношениями типа один-к-одному (1:1) или один-ко-многим (1 :М). Связь каждой пары таблиц обеспечивается одинаковыми полями в них - ключом связи. Ключом связи всегда является уникальный ключ главной таблицы в связи. В подчиненной таблице он называется внешним ключом.

Основные понятия РБД

Сущность есть объект любой природы, данные о котором хранятся в базе данных. Данные о сущности хранятся в отношении.

Атрибуты представляют собой свойства, характеризующие сущность. В структуре таблицы каждый атрибут именуется и ему соответствует заголо­вок некоторого столбца таблицы.

Домен представляет собой множество всех возможных значений опреде­ленного атрибута отношения.

Каждому кортежу соответствует строка отношения

Схема отношения представляет собой список имен атрибутов

Мно­жество кортежей отношения часто называют содержимым (телом) отношения.

Первичным ключом (ключом отношения, ключевым атрибутом) на­зывается атрибут отношения, однозначно идентифицирующий каждый из его кортежей.

Ключ может быть состав­ным (сложным), то есть состоять из нескольких атрибутов или простым. Простой ключ может быть естественным или искусственным (суррогатным). Суррогатный ключ создается СУБД или пользователем и не содержит никакой информации. Используется для создания уникальных идентификаторов строк. Такой ключ часто используют вместо составного ключа, и он не зависит от предметной области, для которой создается БД, поэтому не возникает необходимости в его изменении при изменчивости предметной области

Ключи обычно используют для достижения следующих целей:

1)исключения дублирования значений в ключевых атрибутах (остальные атрибуты в расчет не принимаются);

2)упорядочения кортежей. Возможно упорядочение по возрастанию или убыванию значений всех ключевых атрибутов, а также смешанное упо­рядочение (по одним — возрастание, а по другим — убывание);

3)ускорения работы с кортежами отношения

4) организации связывания таблиц

В реляционной модели данные представляются в виде совокупности взаимосвязанных таблиц

7. Индексирование, хеширование данных в БД.

Вопросы представления данных тесно связаны с операциями, при помощи которых эти данные обрабатываются. К числу таких операций относятся: выборка, изменение, включение и исключение данных. В основе всех перечисленных операций лежит операция доступа, которую нельзя рассматривать независимо от способа представления. В задачах поиска предполагается, что все данные хранятся в памяти с определенной идентификацией и, говоря о доступе, имеют в виду прежде всего доступ к данным (называемым ключами), однозначно идентифицирующим связанные с ними совокупности данных.

Определение ключа для таблицы означает авто­матическую сортировку записей, контроль отсутствия повторений значе­ний в ключевых полях записей и повышение скорости выполнения опера­ций поиска в таблице. Для реализации этих функций в СУБД применяют индексирование.

Термин «индекс» тесно связан с понятием «ключ», хотя между ними есть и некоторое отличие.

Под индексом понимают средство ускорения операции поиска записей в таблице, а следовательно, и других операций, использующих поиск: извле­чение, модификация, сортировка и т. д. Таблицу, для которой используется индекс, называют индексированной.

Индекс выполняет роль оглавления таблицы, просмотр которого предше­ствует обращению к записям таблицы. В некоторых системах, например, FoxPro, индексы хранятся в индексных файлах, хранимых отдельно от таб­личных файлов.

Варианты решения проблемы организации физического доступа к инфор­мации зависят в основном от следующих факторов:

• вида содержимого в поле ключа записей индексного файла;

• типа используемых ссылок (указателей) на запись основной таблицы;

• метода поиска нужных записей.

При создании индекса в нем сохраняется информация о местонахождении записей, относящихся к индексируемому столбцу таблицы. При добавлении в таблицу новых записей или удалении существующих индекс также модифицируется.

При выполнении запроса к базе данных, в условие поиска которого входит индексированный столбец, поиск значений производится в первую очередь в индексе. Если этот поиск оказывается успешным, то в индексе устанавливается точное местоположение искомых данных в таблице базы данных.

В приведённом примере индекс построен по полю ИМЯ. В индексе записи хранятся в отсортированном виде (в отличие от таблицы БД), что позволяет ускорить доступ к данным.

Наибольший эффект повышения производительности работы с индексированными таблицами достигается для значительных по объему таблиц. Индексирование требует небольшого дополнительного места на диске и незначительных затрат процессора на изменение индексов в процессе работы.

Еще один интересный подход, применяемый для повышения эффективности доступа к данным,— хеширование (свертка ключа). Этот метод используется тогда, когда все множество ключей заранее известно и на время обработки может быть размещено в оперативной памяти. В этом случае строится специальная функция, однозначно отображающая множество ключей на множество указателей, называемая хеш-функцией. Имея такую функцию можно вычислить адрес записи в файле по заданному ключу поиска. В общем случае ключевые данные, используемые для определения адреса записи, организуются в виде таблицы, называемой хэш-таблицей. Преимущество хранения хеш - кода в поле ключа индексного файла вместо значения состоит в том, что длина свертки независимо от длины исходного значения ключевого поля всегда имеет постоянную и достаточно малую величину ( напр. 4 байта), что существенно снижает время поисковых операций. Недостатком является необходимость выполнения операции свертки (требуется дополнительное время), а также борьба с возникновением коллизий (свертка различных значений может дать одинаковый хеш-код).

8. Защита данных в БД.

Средства защиты БД в различных СУБД несколько отличаются друг от друга. Но условно их можно разделить на две группы: основные и дополнительные.

К основным средствам защиты информации можно отнести следу­ющие средства:

• парольной защиты;

• шифрования данных и программ;

• установления прав доступа к объектам БД;

• защиты полей и записей таблиц БД.

Парольная защита представляет простой и эффективный способ защиты БД от несанкционированного доступа. Пароли устанавливаются конечными пользователями или администраторами БД. Учет и хранение паролей произ­водится самой СУБД. Обычно пароли хранятся в определенных системных файлах СУБД в зашифрованном виде. Поэтому просто найти и определить пароль невозможно. После ввода пароля пользователю СУБД предоставляются все возможности по работе с защищенной БД. Саму СУБД защищать паролем большого смысла нет.

Шифрование данных (всей базы или отдельных таблиц) применяют для того, чтобы другие программы, «знающие формат БД этой СУБД», не могли прочитать данные. Такое шифрование (применяемое в Мicrosoft Ассess), по-видимому, даст немного, поскольку расшифровать БД может любой с гюмощью -«родной» СУБД

Шифрование исходных текстов программ позволяет скрыть от несанкционированного пользователя описание соответствующих алгоритмов.

В целях контроля использования основных ресурсов СУБД во многих системах имеются средства установления прав доступа к объектам БД. Права доступа определяют возможные действия над объектами. Владелец объекта (пользователь, создавший объект), а также администратор БД имеют все права. Остальные пользователи к разным объектам могут иметь различные уровни доступа.

По отношению к таблицам в общем случае могут предусматриваться следующие права доступа:

• просмотр (чтение) данных;

• изменение (редактирование) данных;

• добавление новых записей;

• добавление и удаление данных;

• все операции, в том числе изменение структуры таблицы.

Применительно к защите данных в полях таблиц можно выделить следу­ющие уровни прав доступа;

• полный запрет доступа;

• только чтение;

• разрешение всех операций (просмотр, ввод новых значений, удаление и изменение).

Для исключения просмотра и модификации (случайной и преднамеренной) текстов программ, используемых в приложениях СУБД, помимо шифрации, может применяться их парольная защита.

К дополнительным средствам защиты БД можно отнести такие, которые нельзя прямо отнести к средствам защиты, но которые непосредственно влияют на безопасность данных. Их составляют следующие средства:

• встроенные средства контроля значений данных в соответствии с типами;

• повышения достоверности вводимых данных;

• обеспечения целостности связей таблиц;

• организации совместного использования объектов БД в сети.