возможными ключами, поскольку любое из них можно выбрать в качестве составного ключа.

Например, пусть имеется отношение

R(Город, Адрес, Почтовый_индекс).

Очевидно, что атрибуты Город Адрес Почтовый_индекс. В то же время Почтовый_индекс Город (хотя и не адрес). Оба множества могут быть возможными ключами.

Шаг 2. Переместить любую селекцию в дереве как можно ниже - законы I.4, IY.1, IY.3, IY.5.

Шаг 3. Переместить любую проекцию в низ дерева - законы I.2, IY.5, IY.6.

Шаг 4. Скомбинировать любой каскад селекций (проекций) в одиночную селекцию (проекцию) I.1, I.2, I.5 или селекцию с последующей проекцией.

Шаг 5. Разбить внутренние узлы дерева на группы: объединить двухместные операции с предшествующими или последующим узлу унарными операциями S и P.

Шаг 6. Перейти к более высокому уровню иерархии.

Пример оптимизации. Пусть дана база данных Библиотека:

ИЗД[АТЕЛИ](Название_издательства, Место, Адрес_издательства),

ЧИТ[АТЕЛИ](Фамилия, Адрес, Город, N_форм[уляра]),

ВЫД[АЧИ](N_форм[уляра], N_бк, Дата), где бк - библиотечный каталог, а для обозначения таблиц и полей используем сокращения (без букв в квадратных скобках).

Запрос: найти, у кого находятся книги, выданные до 01.01.1997.Д

Ему соответствует на языке АЛЬФА запрос (рис. 4.8, а)

p НАЗВАНИЕ s ДАТА J 1.1.1997 p S (S F (ВЫД, ЧИТ, КН)),

где F = ЧИТ.N_форм = ВЫД.N_формКН.N_бк = ВЫД.N_бк,

На рис. 4.8, а в условии F разделяют две селекции и перемещают как можно ниже в дереве. Селекция

s ДАТА≤1.1.1997 (4.2)

ниже проекции и двух селекций по законам I.1, I.5.

Селекция (4.2) применяется к произведению (ВЫД×ЧИТ)×КН. Дата - единственный атрибут отношения ВЫД потому

s ДАТА≤1.1.1997 ((ВЫД×ЧИТ)×КН)

(s ДАТА≤1.1.1997 (ВЫД×ЧИТ))×КН

((s ДАТА≤1.1.1997 (ВЫД))×ЧИТ)×КН.

Селекцию можно переместить вниз по дереву. Селекция с условием КН.N_бк = ВЫД.N_бк не может быть перемещена ниже любого декартова произведения, поскольку имеет атрибуты как отношения КН, так и других отношений.

s ЧИТ.N_ФОРМ = s ВЫД.N_ФОРМ может быть перемещена ниже и применена к произведению

s ДАТА≤1.1.1997 ((ВЫД)×ЧИТ).

ВЫД.N_форм есть имя атрибута отношения, полученного в s ДАТА≤1.1.1997 (ВЫД), ибо это атрибут отношения ВЫД.

По закону I.2 две проекции комбинируются в одну pНАЗВАНИЕ и результат отражается в рис. 4.8, б.

По закону I.4 p НАЗВАНИЕ и s кн.N_бк=выд.N_бк заменим на каскад

p НАЗВАНИЕ,

s кн.N_бк=выд.N_бк,

p название кн.N_бк, выд.N_бк. (4.3)

По закону IY.6 выражение (4.3) заменяется на p название кн.N_бк, примененное к отношению КН, и

p выд.N_бк, (4.4)

примененное к левому оператору декартова произведения более высокого уровня (рис. 4.8, б).

Последняя проекция (4.4) взаимодействует с нижней селекцией по закону I.4 и получается каскад:

p выд.N_бк,

s чит.N_форм=выд.N_форм,

p выд.N_бк, чит.N_форм, выд.N_форм. (4.5)

Проекция (4.5) «просеивается» через декартово произведение по закону IY.6 и частично - через s ДАТА≤1.1.1997 (ВЫД) по закону I.4. Кроме того, проекция p выд.N_бк, выд.N_форм, дата - излишняя (это - все атрибуты ВЫД) и исключается. Тогда окончательный результат принимает вид рис. 4.9,
на котором группы операторов обведены пунктирными линиями. Любое из декартовых произведений является фактически эквисоединением, если его скомбинировать с селекцией, находящейся в дереве выше. Иными словами, селекция для ВЫД и проекция для ЧИТ могут быть скомбинированы в группы I и II, при этом сначала выполняются операции группы I, а затем - группы II.

Полученный результат может оказаться неоптимальным, поскольку критерий оптимизации как таковой отсутствует.

Если принять в качестве критерия минимум соединений и декартовых произведений [ c. 204], то для класса так называемых конъюнктивных запросов возможно провести однозначную оптимизацию.

Синхронизация процессов доступа

Синхронизация имеет место как при однопользовательском, так и при многопользовательском режимах.

Здесь возникают понятия «достоверность», «логический элемент работы или транзакция», «объект (запись, столбец, таблица, файл)», «управление параллелелизмом», «восстановление БД».

Первоначально поговорим об однопользовательском режиме.

Под транзакцией понимается:

1) входное сообщение, передаваемое в систему и отражающее некоторое реальное событие в компьютере (БД);

2) процесс изменения в БД, вызванный передачей одного входного сообщения.

К транзакции преддъявляются следующие основные требования:

1) она выполняется полностью или не выполняется совсем;

2) транзакция должна иметь возможность возврата, при этом независим возврат в начальное состояние до момента изменения состояния всех объектов;

3) транзакция должна быть воспроизводима: при воспроизводстве блокировку необходимо осуществлять до момента просмотра всех объектов.

Возможна двухфазная и трехфазная схема транзакции. Последняя болеe сложная и применяется в ограниченном объеме (например, в системе управления распределенной БД SDD-1) и будет рассмотрена позднее. Сейчас же поговорим о широко применяемой двухфазной схеме транзакции.

Возврат (восстановление) может быть оперативным, промежуточным, длительным. Для двух первых устанавливается предыдущее состояние (точки фиксации), для последнего - контрольные точки. Контрольные точки предназначены для процедуры восстановления БД после серьезного сбоя и устанавливаются периодически (например, с интервалом 2 - 3 с). Интервал определяется при настройке БД или компьютера.

Перейдем к многопользовательскому режиму (рис. 4.11).
Здесь задача синхронизации процессов усложняется за счет взаимодействия нескольких пользователей.

Для любой транзакции ТР возможны две группы действий:

1) изменение состояния (запись) - R;

2) считывание (чтение) состояния - W.

Для двух взаимодействующих транзакций ТР 1 и ТР 2 возможны следующие случаи.

Одновременное изменение ТР 1 и ТР 2 , при этом возможны наложение данных (потеря обновления) или ошибка в первой транзакции (взаимозависимость восстановления).

Изменение R 1 и считывание W 2 с двумя возможными последствиями:

а) изменение с помощью ТР 1 значения, считываемого ТР 2 (воспроизводимость считывания);

б) откат перед окончанием работы ТР 1 (поскольку нет изменений в ТР 2) и возврат ТР 1 в прежнее состояние.

Чтение ТР 1 и изменение ТР 2 (нет гарантии воспроизводимости).

Для устранения этих нежелательных явлений возможны такие способы управления.

Блокировка монопольная или согласованная.

Отложенные изменения.

Привязка по меткам времени работы компьютера (временная привязка) и трехфазная схема транзакции.

Второй способ используется редко. Третий способ рассмотрим при изучении распределенных баз данных, а здесь остановимся на первом способе.

Блокировка выполняется только для одной транзакции и одного объекта.

При последовательном (во времени) выполнении транзакций нарушений целостности нет, но такое выполнение требует много времени. В связи с этим используют так называемый параллельный режим (параллелизм). Вводится понятие «правильно оформленная транзакция» .

Перед обработкой объекта должна быть выполнена его блокировка.

После обработки объект должен быть разблокирован.

Перед разблокировкой не должна выполняться повторная блокировка.

Неблокированный объект не должен освобождаться.

Для параллельного выполнения

Для выхода из тупиков при монопольной блокировке возможны следующие выходы:

При использовании согласованных блокировок возможно:

1) предупреждение о блокировке для всей области;

2) блокировка части области, связанной с данной транзакцией.

База данных (БД) – это организованный набор данных. Организация данных обычно призвана отражать реальную взаимосвязь хранимых данных таким образом, чтобы облегчить обработку этой информации.

СУБД – системы управления базами данных – это специализированное ПО, призванное, ожидаемо, управлять базами данных. Достигается это взаимодействием с пользователем с одной стороны и собственно с базой данных с другой.

СУБД общего назначения должна позволять определение, создание, изменение, администрирование и произведение запросов к БД.

В качестве примеров СУБД можно назвать такие широко известные пакеты, как

• MySQL
• PostgreSQL
• Microsoft SQL Server
• Oracle
• IBM DB2
• Microsoft Access
• SQLite

Базы данных обычно не являются переносимыми между различными СУБД, однако возможно взаимодействие между СУБД (и с пользовательским ПО) с использованием различных стандартов, таких, как SQL, ODBC или JDBC.

СУБД часто классифицируются по поддерживаемой ими модели данных. С 1980х годов, практически все популярные СУБД поддерживают реляционную модель данных, представленную стандартом языка запросов SQL (хотя последние годы набирает популярность NoSQL).

Итак, основные задачи, выполняемые СУБД включают

Определение схемы данных Создание, изменение и удаление структур, которые определяют организацию всех остальных данных в БД Изменение данных Добавление, изменение и удаление самих данных Получение данных Предоставление информации в форме, пригодной к непосредственному использованию другими приложениями. Администрирование БД Регистрация и управление пользователями, обеспечение безопасности данных, поддержание целостности, восстановление информации, управление одновременным доступом, слежение за производительностью и т.п.

СУБД широко используются в банковском деле, транспортных компаниях, учебных заведениях, телекоммуникациях, для управления финансовой информацией и человеческими ресурсами. Ну и не стоит забывать, что большинство бэкэндов Web использует ту или иную СУБД.

Одной из основных особенностей разработки БД является факт отсутствия готовых решений и алгоритмов. Каждая БД специфична к задаче, для которой она проектируется. Это отличает разработку БД от разработки типовых приложений, для которых алгоритмы и шаблоны проектирования разработаны уже давно и придумывать особо ничего не приходится. Хотя, безусловно, приемы проектирования БД общие для всех применений.

Модели БД

Как уже говорилось ранее, наиболее широко распространенной моделью данных является реляционная модель. Однако появлению реляционной модели предшествовали другие, в частности

• Иерархическая, или навигационная модель
• Сетевая модель

Иерархическая модель широко использовалась в СУБД, поставляемых компанией IBM в 1960х. Основная идея заключается в том, что запись в такой БД может иметь несколько “дочерних” и одну “родительскую”. В целом, это подозрительно похоже на иерархическую файловую систему. Чтобы получить запись в такой БД, часто необходим проход по всему дереву.

Сетевая модель – более гибкая версия того же подхода. Она позволяет иметь записи несколько “родительских”. Эта модель, появившись в начале 1970х, не получила широкого распространения, и вскоре была вытеснена реляционной моделью.

В 1970х Эдгаром Коддом (сотрудник IBM) была предложена реляционная модель, которая значительно облегчила задачу поиска информации в БД. О реляционной модели можно думать как о “таблицах”, в которых “строки” – это записи в БД. Записи в реляционной БД так же называются кортежами (tuples), а группы записей (“таблицы”) – отношениями (relations). Реляционная модель способна выразить связи иерархической и сетевой моделей, и добавляла собственные связи, соответствующие табличной модели.

На основе предложений Кодда к середине 1970х была разработана СУБД System R, а к концу в ней появилась поддержка стандартизованного языка запросов SQL.

В 1980х, с появлением объектно-ориентированного программирования, все чаще возникали сложности в трансляции объектов на реляционную модель. В конце концов это привело к появлению подходов NoSQL и NewSQL, которые на текущий момент только развиваются. Примерами реализации NoSQL подхода могут быть т.н. документо-ориентированные БД, построенные на основе XML. Основное преимущество NoSQL – высокая горизонтальная масштабируемость, т.е. возможность увеличивать производительность за счет добавления серверов. С появлением облачных технологий, NoSQL стал особенно востребован.

Тем не менее, реляционная модель пока остается самой распространенной, поэтому более подробно остановимся именно на ней.

Реляционная модель

Реляционная модель оперирует понятиями записей, атрибутов и отношений. Отношение можно представить себе в виде двумерной таблицы, тогда атрибуты – это столбцы таблицы (точнее, названия столбцов), а записи – строки таблицы.

Реляционная модель требует строгого определения структуры данных, хранимых в БД, то есть отношения и атрибуты для данной БД фиксированы.

Введем некоторые определения.

Домен Множество, содержащее полный набор всех возможных значений некоторой переменной. Домены часто так же называют типом данных . Атрибут Упорядоченная пара названия атрибута и домена \(D_j\) . Кортеж Конечное упорядоченное множество \((d_1, d_2, \ldots, d_n)\) Заголовок (схема) отношения Кортеж \((A_1, A_2, \ldots, A_n)\) , где \(A_j\) – атрибуты. Значение атрибута Конкретное значение, принадлежащее домену атрибута. Тело отношения Множество кортежей , где \(d^i_j \in D_j\) , \(D_j\) – домены. Запись Кортеж \((d^i_1, d^i_2, \ldots, d^i_n)\) при фиксированном \(i\) . Отношение Совокупность заголовка отношения и тела отношения. Схема базы данных Множество схем всех отношений, входящих в БД.

Можно представить отношение в виде таблицы. Тогда тело отношения – это тело таблицы, заголовок отношения – заголовок таблицы, атрибуты – названия столбцов, записи – строки, а значения атрибутов находятся в ячейках:

\(A_1\)	\(A_2\)	\(\ldots\)	\(A_n\)	← Заголовок
\(d^1_1\)	\(d^1_2\)	\(\ldots\)	\(d^1_n\)	← Запись
\(d^2_1\)	\(d^2_2\)	\(\ldots\)	\(d^2_n\)	← Запись
\(\ldots\)	\(\ldots\)	\(\ldots\)	\(\ldots\)	← Запись
\(d^m_1\)	\(d^m_2\)	\(\ldots\)	\(d^m_n\)	← Запись

Реляционная модель налагает следующие дополнительные требования на отношения:

Ясно, что атрибуты (точнее, их значения) каким-то образом зависят друг от друга – иначе отношение оказывается просто неструктурированным набором данных. Для определения зависимостей между атрибутами используется понятие функциональной зависимости .

Функциональная зависимость множество атрибутов \(B\) функционально зависит от множества атрибутов \(A\) (записывается \(A\rightarrow B\) ), если для любых двух записей, имеющих одинаковые значения \(A\) , их значения \(B\) совпадают. Иначе, каждому значению \(A\) соответствует единственное значение \(B\) (не обязательно уникальное, именно единственное).

Иными словами, если некоторый набор атрибутов \(A\) однозначно определяет (в рамках данного отношения) значения атрибутов \(B\) , то \(B\) функционально зависит от \(A\) .

В качестве более привычного примера функциональной зависимости, можно привести математическое определение функции. Для функции, каждому значению аргументов соответсвтует единственное значение функции. Обратное в общем случае неверно, например, для функции \(y = sin(x)\) любому значению \(y\) из области определения \(1\geq y \geq -1\) соответствует бесконечное множество значений \(x\) , но для каждого значения \(x\) есть ровно одно значение \(y\) , т.о. \(x \to y\) . Заметим, что понятие функциональной зависимости так же применимо и к функциям многих переменных. Для них, значение функции функционально зависит от всех аргументов одновременно . Скажем, для функции \(z = f(x,y)\) выполняется ФЗ \((x,y)\to z\) , или сокращенно, \(xy\to z\) .

Отношения в данном контексте можно рассматривать как некие табличные или дискретные функции.

Работа с ФЗ

Существуют определенные формальные правила работы с ФЗ отношения.

Формальные правила тесно связаны с понятиями замыкания и неприводимой ФЗ .

Аксиомы Армстронга

Существуют правила вывода новых ФЗ из существующих, называемые аксиомами Армстронга .

Аксиомы Армстронга

1. Правило рефлексивности: если \(B \subset A\) , то \(A\rightarrow B\)
2. Правило дополнения: если \(A\rightarrow B\) , то \(AC\rightarrow BC\)
3. Правило транзитивности: если \(A\rightarrow B\) и \(B\rightarrow C\) , то \(A\rightarrow C\)

Из этих аксиом так же могут быть выведены следующие дополнительные правила:

1. Правило самоопределения: \(A\rightarrow A\)
2. Правило декомпозиции: Если \(A\rightarrow BC\) , то \(A\rightarrow B\) и \(A\rightarrow C\)
3. Правило объединения: Если \(A\rightarrow B\) и \(A\rightarrow C\) , то \(A\rightarrow BC\)
4. Правило композиции: Если \(A\rightarrow B\) и \(C\rightarrow D\) , то \(AC\rightarrow BD\)

Можно заметить, что, вследствие правила рефлексивности, любое множество атрибутов \(A\) подразумевает ФЗ вида \(A\to A\) . Такие ФЗ, а так же следующие из них, не представляют интереса, и называются тривиальными.

Тривиальная функиональная зависимость ФЗ \(A \to B\) , такая, что \(B \subset A\) .

В принципе, этих правил достаточно для того, чтобы найти все ФЗ, следующие из данных. В связи с этим вводится понятие замыкания множества ФЗ.

Замыкание множества ФЗ Замыканием множества ФЗ называется такое множество ФЗ, которое включает все ФЗ исходного множества, а так же все подразумеваемые ими. Другими словами, для отношения \(R\) , обладающего функциональными зависимостями \(S\) , замыканием \(S^+\) называется множество всех ФЗ, возможных для \(R\) , исходя из \(S\) .

Как правило, требуется установить, будет ли некая ФЗ \(X\rightarrow Y\) следовать из данного множества ФЗ \(S\) . Оказывается, это возможно тогда и только тогда, когда множество атрибутов \(Y\) является подмножеством замыкания атрибутов \(X^+\) в \(S\) .

Замыкание атрибутов Замыканием \(X^+\) атрибутов \(X\) по множеству ФЗ \(S\) называется множество всех атрибутов, которые функционально зависят от какого-либо подмножества \(X\) .

Для вычисления замыкания множества атрибутов \(X^+\) по множеству ФЗ \(S\) существует следующее правило: для каждой ФЗ \(A\rightarrow B\) в \(S\) , если \(A \subset X^+\) , то и \(B \subset X^+\) , причем достаточно начать с предположения, что \(X^+ = X\) .

Следует заметить, что для любого замыкания \(X^+\) , существуют ФЗ вида \(X \to B\) , где \(B \subset X^+\) , таким образом, замыкания всех атрибутов отношения по его ФЗ описывают замыкание ФЗ этого отношения.

Это правило используется для вычисления неприводимого множества ФЗ, эквивалентного данному (в смысле эквивалентности их замыканий). Уменьшение количества ФЗ при сохранении замыкания (и, следовательно, внутренней логики, описываемой ФЗ) является важным шагом в проектировании БД.

Множество ФЗ называется неприводимым, если:

1. Правая часть каждой ФЗ содержит только один элемент
2. Ни один атрибут ни одной левой части ФЗ множества не может быть удален без изменения замыкания
3. Ни одна ФЗ множества не может быть удалена без изменения замыкания.

Для любого множества ФЗ существует хотя бы одно эквивалентное неприводимое множество. Такое множество называется минимальным покрытием .

Прежде чем подробно рассматривать каждый из этих шагов, остановимся на основных концепциях реляционных баз данных. В реляционной теории одним из главных является понятие отношения. Математически отношение определяется следующим образом. Пусть даны n множеств D1,D2,...,Dn. Тогда R есть отношение над этими множествами, если R есть множество упорядоченных наборов вида< d1,d2,...,dn>, где d1 - элемент из D1, d2 - элемент из D2, ..., dn - элемент из Dn. При этом наборы вида называются кортежами, а множества D1,D2,...,Dn - доменами. Каждый кортеж состоит из элементов, выбираемых из своих доменов. Эти элементы называются атрибутами, а их значения - значениями атрибутов представляет нам графическое изображение отношения с разных точек зрения.

Рис.

Легко заметить, что отношение является отражением некоторой сущности реального мира (в данном случае - сущности "деталь") и с точки зрения обработки данных представляет собой таблицу. Поскольку в локальных базах данных каждая таблица размещается в отдельном файле, то с точки зрения размещения данных для локальных баз данных отношение можно отождествлять с файлом. Кортеж представляет собой строку в таблице, или, что то же самое, запись. Атрибут же является столбцом таблицы, или - полем в записи. Домен же представляется неким обобщенным типом, который может быть источником для типов полей в записи. Таким образом, следующие тройки терминов являются эквивалентными:

• · отношение, таблица, файл (для локальных баз данных)
• · кортеж, строка, запись
• · атрибут, столбец, поле.

Реляционная база данных представляет собой совокупность отношений, содержащих всю необходимую информацию и объединенных различными связями.

Атрибут (или набор атрибутов), который может быть использован для однозначной идентификации конкретного кортежа (строки, записи), называется первичным ключом . Первичный ключ не должен иметь дополнительных атрибутов. Это значит, что если из первичного ключа исключить произвольный атрибут, оставшихся атрибутов будет недостаточно для однозначной идентификации отдельных кортежей. Для ускорения доступа по первичному ключу во всех системах управления базами данных (СУБД) имеется механизм, называемый индексированием . Грубо говоря, индекс представляет собой инвертированный древовидный список, указывающий на истинное местоположение записи для каждого первичного ключа. Естественно, в разных СУБД индексы реализованы по-разному (в локальных СУБД - как правило, в виде отдельных файлов), однако, принципы их организации одинаковы.

Возможно индексирование отношения с использованием атрибутов, отличных от первичного ключа. Данный тип индекса называется вторичным индексом и применяется в целях уменьшения времени доступа при нахождении данных в отношении, а также для сортировки. Таким образом, если само отношение не упорядочено каким-либо образом и в нем могут присутствовать строки, оставшиеся после удаления некоторых кортежей, то индекс (для локальных СУБД - индексный файл), напротив, отсортирован.

Для поддержания ссылочной целостности данных во многих СУБД имеется механизм так называемыхвнешних ключей . Смысл этого механизма состоит в том, что некоему атрибуту (или группе атрибутов) одного отношения назначается ссылка на первичный ключ другого отношения; тем самым закрепляются связи подчиненности между этими отношениями. При этом отношение, на первичный ключ которого ссылается внешний ключ другого отношения, называется master-отношением , или главным отношением; а отношение, от которого исходит ссылка, называется detail-отношением , или подчиненным отношением. После назначения такой ссылки СУБД имеет возможность автоматически отслеживать вопросы "ненарушения" связей между отношениями, а именно:

• · если Вы попытаетесь вставить в подчиненную таблицу запись, для внешнего ключа которой не существует соответствия в главной таблице (например, там нет еще записи с таким первичным ключом), СУБД сгенерирует ошибку;
• · если Вы попытаетесь удалить из главной таблицы запись, на первичный ключ которой имеется хотя бы одна ссылка из подчиненной таблицы, СУБД также сгенерирует ошибку.
• · если Вы попытаетесь изменить первичный ключ записи главной таблицы, на которую имеется хотя бы одна ссылка из подчиненной таблицы, СУБД также сгенерирует ошибку.

Замечание . Существует два подхода к удалению и изменению записей из главной таблицы:

• 1. Запретить удаление всех записей, а также изменение первичных ключей главной таблицы, на которые имеются ссылки подчиненной таблицы.
• 2. Распространить всякие изменения в первичном ключе главной таблицы на подчиненную таблицу, а именно:
  • o если в главной таблице удалена запись, то в подчиненной таблице должны быть удалены все записи, ссылающиеся на удаляемую;
  • o если в главной таблице изменен первичный ключ записи, то в подчиненной таблице должны быть изменены все внешние ключи записей, ссылающихся на изменяемую.

Итак, после того как мы ознакомились с основными понятиями реляционной теории, можно перейти к детальному рассмотрению шагов проектирования базы данных, которые мы перечислили выше.

база данные реляционный индексирование

Модель данных - совокупность структур данных и операций по их обработке. С помощью модели данных можно наглядно представить структуру объектов и установленные меж­ду ними связи. Для терминологии моделей данных характерны понятия «эле­мент данных» и «правила связывания». Элемент данных описывает любой на­бор данных, а правила связывания определяют алгоритмы взаимосвязи элементов данных. К настоящему времени разработано множество различных моделей дан­ных, но на практике используется три основных. Выделяют иерархическую, сетевую и реляционную модели данных. Соответственно говорят об иерархичес­ких, сетевых и реляционных СУБД.

О Иерархическая модель данных. Иерархически организованные данные встре­чаются в повседневной жизни очень часто. Например, структура высшего учеб­ного заведения - это многоуровневая иерархическая структура. Иерархичес­кая (древовидная) БД состоит из упорядоченного набора элементов. В этой модели исходные элементы порождают другие элементы, причем эти элементы в свою очередь порождают следующие элементы. Каждый порожденный эле­мент имеет только один порождающий элемент.

Организационные структуры, списки материалов, оглавление в книгах, пла­ны проектов и многие другие совокупности данных могут быть представле­ны в иерархическом виде. Автоматически поддерживается целостность ссы­лок между предками и потомками. Основное правило: никакой потомок не может существовать без своего родителя.

Основным недостатком данной модели является необходимость использова­ния той иерархии, которая была заложена в основу БД при проектировании. Потребность в постоянной реорганизации данных (а часто невозможность этой реорганизации) привели к созданию более общей модели - сетевой.

О Сетевая модель данных. Сетевой подход к организации данных является рас­ширением иерархического подхода. Данная модель отличается от иерахической тем, что каждый порожденный элемент может иметь более одного по­рождающего элемента. ■

Поскольку сетевая БД может представлять непосредственно все виды связей, присущих данным соответствующей организации, по этим данным можно переме­щаться, исследовать и запрашивать их всевозможными способами, то есть сете­вая модель не связана всего лишь одной иерархией. Однако для того чтобы со­ставить запрос к сетевой БД, необходимо достаточно глубоко вникнуть в ее структуру (иметь под рукой схему этой БД) и выработать механизм навигации по базе данных, что является существенным недостатком этой модели БД.

О Реляционная модель данных. Основная идея реляционной модели данных за­ключается в том, чтобы представить любой набор данных в виде двумерной таблицы. В простейшем случае реляционная модель описывает единственную двумерную таблицу, но чаще всего эта модель описывает структуру и взаи­моотношения между несколькими различными таблицами.

Реляционная модель данных

Итак, целью информационной системы является обработка данных об объектах реального мира, с учетом связей между объектами. В теории БД данные часто называют атрибутами, а объекты - сущностями. Объект, атрибут и связь - фундаментальные понятия И.С.

Объект (или сущность) - это нечто существующее и различимое, то есть объектом можно назвать то «нечто», для которого существуют название и спо­соб отличать один подобный объект от другого. Например, каждая школа - это объект. Объектами являются также человек, класс в школе, фирма, сплав, хи­мическое соединение и т. д. Объектами могут быть не только материальные пред­меты, но и более абстрактные понятия, отражающие реальный мир. Например, события, регионы, произведения искусства; книги (не как полиграфическая про­дукция, а как произведения), театральные постановки, кинофильмы; правовые нормы, философские теории и проч.

Атрибут (или данное) - это некоторый показатель, который характеризует некий объект и принимает для конкретного экземпляра объекта некоторое чис­ловое, текстовое или иное значение. Информационная система оперирует на­борами объектов, спроектированными применительно к данной предметной области, используя при этом конкретные значения атрибутов (данных) тех или иных объектах. Например, возьмем в качестве набора объектов классы в школе. Число учеников в классе - это данное, которое принимает числовое значение (у одного класса 28, у другого- 32). Название класса - это данное, принимающее текстовое значение (у одного - 10А, у другого - 9Б и т. д.).

Развитие реляционных баз данных началось в конце 60-х годов, когда по­явились первые работы, в которых обсуждались; возможности использования при проектировании баз данных привычных и естественных способов представле­ния данных - так называемых табличных даталогических моделей.

Основоположником теории реляционных баз данных считается сотрудник фирмы IBM доктор Э. Кодд, опубликовавший 6 (июня 1970 г. статью A Relational Model of Data for Large-Shared Data Banks (Реляционная модель данных для больших коллективных банков данных). В этой статье впервые был использован термин «реляционная модель данных. Теория реляционных баз данных, разработанная в 70-х годах в США докто­ром Э. Коддом, имеет под собой мощную математическую основу, описывающую правила эффективной организации данных. Разработанная Э. Коддом теорети­ческая база стала основой для разработки теории проектирования баз данных.

Э. Кодд, будучи математиком по образованию, предложил использовать для обработки данных аппарат теории множеств (объединение, пересечение, раз­ность, декартово произведение). Он доказал, что любой набор данных можно представить в виде двумерных таблиц особого вида, известных в математике как «отношения».

Реляционной считается такая база данных, в которой все данные представле­ны для пользователя в виде прямоугольных таблиц значений данных, и все операции над базой данных сводятся к манипуляциям с таблицами.

Таблица состоит из столбцов (полей) и строк (записей); имеет имя, уникаль­ное внутри базы данных. Таблица отражает тип объекта реального мира (сущ­ность), а каждая ее строка- конкретный объект. Каждый столбец таблицы - это совокупность значений конк­ретного атрибута объекта. Значения выбираются из множества всех возможных значений атрибута объек­та, которое называется доменом (domain) .

В самом общем виде домен определяется заданием некоторого базового типа данных, к которому относятся элементы домена, и произвольного логического выражения, применяемого к элементам данных. Если при вычислении логическо­го условия относительно элемента данных в результате получено значение «исти­на», то этот элемент принадлежит домену. В простейшем случае домен определяется как допустимое потенциальное множество значений одного типа. Например, со­вокупность дат рождения всех сотрудников составляет «домен дат рождения», а имена всех сотрудников составляют «домен имен сотрудников». Домен дат рож­дения имеет тип данных, позволяющий хранить информацию о моментах време­ни, а домен имен сотрудников должен иметь символьный тип данных.

Если два значения берутся из одного и того же домена, то можно выполнять сравнение этих двух значений. Например, если два значения взяты из домена дат рождения, то можно сравнить их и определить, кто из сотрудников старше. Если же значения берутся из разных доменов, то их сравнение не допускается, так как, по всей вероятности, оно не имеет смысла. Например, из сравнения имени и даты рождения сотрудника ничего определенного не выйдет.

Каждый столбец (поле) имеет имя, которое обычно записывается в верхней части таблицы. При проектировании таблиц в рамках конкретной СУБД имеет­ся возможность выбрать для каждого поля его тип, то есть определить набор правил по его отображению, а также определить те операции, которые можно выполнять над данными, хранящимися в этом поле. Наборы типов могут разли­чаться у разных СУБД.

Имя поля должно быть уникальным в таблице, однако различные таблицы могут иметь поля с одинаковыми именами. Любая таблица должна иметь, по крайней мере, одно поле; поля расположены в таблице в соответствии с порядком следования их имен при ее создании. В отличие от полей, строки не имеют имен; порядок их следования в таблице не определен, а количество логически не ограничено.

Так как строки в таблице не упорядочены, невозможно выбрать строку по ее позиции - среди них не существует «первой», «второй», «последней». Любая таблица имеет один или несколько столбцов, значения в которых однозначно идентифицируют каждую ее строку. Такой столбец (или комбинация столбцов) называется первичным ключом (primary key) . Часто вводят искусственное поле, предназначенное для нумерации за­писей в таблице. Таким полем, например, может быть его порядковый, который сможет обеспечить уникальность каж­дой записи в таблице. Ключ должен обладать следующими свойствами.

Уникальностью. В каждый момент времени никакие два различных кортежа отношения не имеют одинакового значения для комбинации входящих в ключ атрибутов. То есть в таблице не может быть двух строк, имеющих одинако­вый идентификационный номер или номер паспорта.

Минимальностью. Ни один из входящих в ключ атрибутов не может быть ис­ключен из ключа без нарушения уникальности. Это означает, что не стоит со­здавать ключ, включающий и номер паспорта, и идентификационный номер. Достаточно использовать любой из этих атрибутов, чтобы однозначно иденти­фицировать кортеж. Не стоит также включать в ключ неуникальный атрибут, то есть запрещается использование в качестве ключа комбинации идентифи­кационного номера и имени служащего. При исключении имени служащего из ключа все равно можно уникально идентифицировать каждую строку.

Каждое отношение имеет, по крайней мере, один возможный ключ, посколь­ку совокупность всех его атрибутов удовлетворяет условию уникальности - это следует из самого определения отношения.

Один из возможных ключей произвольно выбирается в качестве первичного ключа. Остальные возможные ключи, если они есть, принимаются за альтерна­тивные ключи. Например, если в качестве первичного ключа выбрать иденти­фикационный номер, то номер паспорта будет альтернативным ключом.

Взаимосвязь таблиц является важнейшим элементом реляционной модели данных. Она поддерживается внешними ключами (foreign key).

При описании модели реляционной базы данных для одного и того же поня­тия часто употребляют различные термины, что зависит от уровня описания (теория или практика) и системы (Access, SQL Server, dBase). В табл. 2.3 приве­дена сводная информация об используемых терминах.

Таблица 2.3. Терминология баз данных

Теория БД____________ Реляционные БД_________ SQL Server __________

Отношение (Relation) Таблица (Table) Таблица (Table)

Кортеж (Tuple) Запись (Record) Строка (Row)

Атрибут (Attribute)Поле (Field)_______________ Столбец или колонка (Column)

Реляционные базы данных

Реляционная база данных - это совокупность отношений, содержащих всю ин­формацию, которая должна храниться в базе данных. То есть база данных пред­ставляет набор таблиц, необходимых для хранения всех данных. Таблицы реля­ционной базы данных логически связаны между собой.Требования к проектированию реляционной базы данных в общем виде можно свести к нескольким правилам.

О Каждая таблица имеет уникальное в базе данных имя и состоит из однотипных строк.

О Каждая таблица состоит из фиксированного числа столбцов и значений. В одном столбце строки не может быть сохранено более одного значения. Например, если есть таблица с информацией об авторе, дате издания, тираже и т. д., то в столбце с именем автора не может храниться более одной фамилии. Если книга написана двумя и более авторами, придется использовать дополнительные таблицы.

О Ни в какой момент времени в таблице не найдется двух строк, дублирующих друг друга. Строки должны отличаться хотя бы одним значением, чтобы была возможность однозначно идентифицировать любую строку таблицы.

О Каждому столбцу присваивается уникальное в пределах таблицы имя; для него устанавливается конкретный тип данных, чтобы в этом столбце размещались однородные значения (даты, фамилии, телефоны, денежные суммы и т. д.).

О Полное информационное содержание базы данных представляется в виде яв­ных значений самих данных, и такой метод представления является единствен­ным. Например, связь между таблицами осуществляется на основе хранимых в соответствующих столбцах данных, а не на основе каких-либо указателей, искусственно определяющих связи.

О При обработке данных можно свободно обращаться к любой строке или лю­бому столбцу таблицы. Значения, хранимые в таблице, не накладывают ни­каких ограничений на очередность обращения к данным. Описание столбцов,

База данных - совокупность связанных данных, организованных по определенным правилам, предусматривающим общие принципы описания, хранения и манипулирования, независимая от прикладных программ. Реляционная база данных - это база данных, в которой информация представлена в виде двумерных таблиц, сохраняемых в файлах. Таблица состоит из строк, называемых записями, записи состоят из столбцов, называемых полями.

Система управления базами данных (СУБД) - это совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями. Пользователей СУБД можно разделить на три большие группы:

• разработчики базы данных отвечают за написание прикладных программ, использующих базу данных;
• конечные пользователи работают с базой данных либо через некоторую информационную систему, либо пользовательский интерфейс системы управления базами данных;
• администраторы базы данных обеспечивают поддержание работоспособности базы данных, сохранность и безопасность данных, настройку работы базы данных.

Базовой архитектурой СУБД является трехуровневая модель, в рамках которой СУБД представляется состоящей из внешнего, концептуального и внутреннего уровня. На внешнем уровне содержимое СУБД представляется так, как его видит отдельный пользователь. На концептуальном уровне данные СУБД описываются в обобщенной модели предметной области, для которой создается информационная система. Внутренний уровень - это собственно данные, расположенные в файлах. В ведении СУБД также находится словарь данных, содержащий сведения обо всем, что хранится в базе данных (имена всех таблиц и представлений, хранимых процедур и триггеров, учетные записи пользователей СУБД и т.п.). Сведения такого рода принято называть метаданными.

Реляционная модель данных основывается на математических принципах теории множеств и математической логике. Эти принципы были впервые использованы для моделирования данных в 60-х годах прошлого века Коддом. Реляционная модель определяет, каким образом данные могут быть представлены (структура данных), каким образом данные могут быть защищены от некорректных изменений (целостность данных) и какие операции могут быть выполнены с данными (операции с данными). Основные понятия реляционной модели:

• все данные концептуально представляются как упорядоченное набор строк и столбцов, называемых отношением;
• все данные являются скалярными;
• строка данных называется кортежем, количество кортежей называется кардинальным числом;
• каждый столбец в кортеже называется атрибутом, количество атрибутов называется степенью отношения;
• отсутствие информации описывается значением NULL;
• потенциальный ключ K для отношения R - это подмножество множества атрибутов R, всегда обладающее свойством уникальности (т.е. нет двух кортежей в отношении R с одинаковым значение K) и свойством не избыточности (т.е. никакое из подмножеств K не обладает свойством уникальности). Потенциальный ключ, состоящий из более чем одного атрибута, называется составным, а из одного - простым. Первичный ключ - это потенциальный ключ, по которому физически упорядочены кортежи в отношении.
• внешний ключ определяется следующим образом. Пусть R2 - некоторое отношение. Тогда внешний ключ FK в отношении R2 - это такое подмножество множества атрибутов R2, что существует отношение R1 с потенциальным ключом K и значение FK в любом кортеже R2 всегда совпадает со значением K некоторого кортежа в R1. Ограничение, по которому значения внешнего ключа должны быть адекватны значениям соответствующего потенциального ключа, называют ссылочным ограничением. Соответственно, под ссылочной целостностью понимают требование того, чтобы в базе данных не было нарушений ссылочных ограничений.

Следующие операции допустимыми над данными в реляционной модели:

• выборка возвращает отношение, содержащие все кортежи заданного отношения, удовлетворяющие определенным условиям;
• проекция возвращает отношение, содержащие все кортежи заданного отношения после исключения из него некоторых атрибутов;
• произведение возвращает отношение, содержащие кортежи, которые являются всеми возможными сочетаниями кортежей, принадлежащих двум исходным отношениям;
• объединение возвращает отношение, содержащие все кортежи, принадлежащие двум исходным отношениям;
• соединение возвращает отношение, кортежи которого являются соединением двух кортежей, принадлежащих исходным отношениям и имеющим общее значение для одного или более атрибутов исходных отношений; при этом общее значение атрибутов встречается в результирующем кортеже только один раз.