Принципы организации данных, лежащие в основе современных СУБД

    Данные, представленные в виде двумерной таблицы, являются первой нормальной формой реляционной модели данных. Первый этап нормализации заключается в образовании двумерной таблицы, содержащей все необходимые свойства информационной модели, и в выделении ключевых свойств. Очевидно, что полученная весьма внушительная таблица будет содержать очень разнородную информацию. В этом случае будут наблюдаться аномалии включения, обновления и удаления данных, так как при выполнении этих действий нам придется уделить внимание данным (вводить или заботиться о том, чтобы они не были стерты), которые не имеют к текущим действиям никакого отношения. Например, может наблюдаться такая парадоксальная ситуация.

    Отношение задано во второй нормальной форме, если оно является отношением в первой нормальной форме и каждое свойство, не являющийся первичным свойством в этом отношении, полностью зависит от любого возможного ключа этого отношения.

    Если  все возможные ключи отношения  содержат по одному свойству, то это  отношение задано во второй нормальной форме, так как в этом случае все свойства, не являющиеся первичными, полностью зависят от возможных ключей. Если ключи состоят более чем из одного свойства, отношение, заданное в первой нормальной форме, может не быть отношением во второй нормальной форме. Приведение отношений ко второй нормальной форме заключается в обеспечении полной функциональной зависимости всех свойств от ключа за счет разбиения таблицы на несколько, в которых все имеющиеся свойства будут иметь полную функциональную зависимость от ключа этой таблицы. В процессе приведения модели ко второй нормальной форме в основном исключаются аномалии дублирования данных.

    Отношение задано в третьей нормальной форме, если оно задано во второй нормальной форме и каждое свойство этого отношения, не являющийся первичным, не транзитивно зависит от каждого возможного ключа этого отношения.

    Транзитивная  зависимость выявляет дублирование данных в одном отношении. Если А, В и С - три свойства одного отношения  и С зависит от В, а В от А, то говорят, что С транзитивно  зависит от А. Преобразование в третью нормальную форму происходит за счет разделения исходного отношения на два. 
 

    Концептуальная  модель переносится затем в модель данных, совместимую с выбранной СУБД. Возможно, что отраженные в концептуальной модели взаимосвязи между объектами окажутся впоследствии нереализуемыми средствами выбранной СУБД. Это потребует изменения концептуальной модели. Версия концептуальной модели, которая может быть обеспечена конкретной СУБД, называется логической моделью.

    Логическая  модель отражает логические связи между элементами данных вне зависимости от их содержания и среды хранения. Логическая модель данных может быть реляционной, иерархической или сетевой. Пользователям выделяются подмножества этой логической модели, называемые внешними моделями, отражающие их представления о предметной области. Внешняя модель соответствует представлениям, которые пользователи получают на основе логической модели, в то время как концептуальные требования отражают представления, которые пользователи первоначально желали иметь и которые легли в основу разработки концептуальной модели. Логическая модель отображается в физическую память, такую, как диск, лента или какой-либо другой носитель информации.

    Иерархическая модель данных строится по принципу иерархии типов объектов, то есть один тип объекта является главным, а остальные, находящиеся на низших уровнях иерархии, — подчиненными. Между главным и подчиненными объектами устанавливается взаимосвязь «один ко многим». В то же время для каждого экземпляра главного объекта может быть несколько экземпляров подчиненных типов объектов. Взаимосвязи между объектами напоминают взаимосвязи в генеалогическом дереве за единственным исключением: для каждого порожденного (подчиненного) типа объекта может быть только один исходный (главный) тип объекта.

    Итак, полученную концептуальную модель,  будем считать логико-иерархической  моделью данных. По моему мнению, больше преобразований не получится. Конечную модель можно считать оконченной.

    Физическая  модель, определяющая размещение данных, методы доступа и технику индексирования, называется внутренней моделью системы.

    Внешние модели никак не связаны с типом  физической памяти, в которой будут храниться данные, и с методами доступа к этим данным. Это положение отражает первый уровень независимости данных. С другой стороны, если концептуальная модель способна учитывать расширение требований к системе в будущем, то вносимые в нее изменения не должны оказывать влияния на существующие внешние модели. Это — второй уровень независимости данных. Построение логической модели обусловлено требованиями используемой СУБД. Поэтому при замене СУБД она также может измениться.

    С точки зрения прикладного программирования независимость данных определяется не техникой программирования, а его дисциплиной, т.е. для того чтобы при любом изменении системы избежать перекомпиляции приложения, рекомендуется не определять константы (постоянные значения данных) в программе. Лучшее решение состоит в передаче программе значений в качестве параметров.

    Все актуальные требования предметной области и адекватные им «скрытые» требования на стадии проектирования должны найти свое отражение в концептуальной модели. Конечно, нельзя предусмотреть все возможные варианты использования и изменения базы данных. Но в большинстве предметных областей такие основные данные, как объекты и их взаимосвязи, относительно стабильны. Меняются только информационные требования, то есть способы использования данных для получения информации.

    Степень независимости данных определяется тщательностью проектирования базы данных. Всесторонний анализ объектов предметной области и их взаимосвязей минимизирует влияние изменения требований к данным в одной программе на другие программы. В этом и состоит всеобъемлющая независимость данных.

    Основное различие между указанными выше тремя типами моделей данных (концептуальной, логической и физической) состоит в способах представления взаимосвязей между объектами. При проектировании БД требуется различать взаимосвязи между объектами, между свойствами одного объекта и между свойствами различных объектов.

    В процессе проектирования объекты преобразуются  в отношения, свойства в поля таблиц, методы – в процедуры, формы и  т.д. (что и было произведено). Правильно  проведенный объектно-ориентированный  анализ позволяет значительно облегчить работу. 
 

    Одним из основных факторов, влияющих на производительность программ, которые взаимодействуют с базой данных, является способ хранения и доступа к данным. Обычно в дополнение к специализированным методам доступа в рамках внешней модели СУБД использует несколько методов доступа внутренней модели. Мы рассмотрим (по условию варианта) индексно-последовательный метод доступа (ИМД).

    Существует  множество индексных методов  доступа, в основе которых лежит  принцип создания отдельного файла или структуры из статей значений действительного ключа. Статья действительного ключа называется статьёй индекса, а весь файл действительных ключей - индексом. Индексный файл значительно меньше собственно базы данных, и, поскольку в оперативной памяти могут находиться многие из его статей, скорость поиска в нём гораздо выше.

    В индексно-последовательном методе доступа  индексный файл всегда упорядочен по так называемому первичному ключу. Первичный ключ - главный атрибут  физической записи. По его значению идентифицируется физическая запись. До тех пор, пока это возможно, записи хранятся в той же логической последовательности, что и индекс (отсюда и название "индексно-последовательный метод доступа"). 
 
 
 
 

      Краткая характеристика программного обеспечения,

      используемого при создании СУБД. 

      Рассмотрим  более подробно программные продукты компании Microsoft, а именно Visual FoxPro 3.0, Visual Basic 4.0, Visual С++, Access 7.0, SQL Server 6.5. Наиболее интересной чертой этих пакетов являются их большие возможности интеграции, совместной работы и использования данных, так как данные пакеты являются продуктами одного производителя, а также используют сходные технологии обмена данными.

      Visual FoxPro отличается высокой скоростью, имеет встроенный объектно-ориентированный язык программирования с использованием xBase и SQL, диалекты которых встроены во многие СУБД. Имеет высокий уровень объектной модели. При использовании в вычислительных сетях обеспечивает как монопольный, так и раздельный доступ пользователей к данным. Применяется для приложений масштаба предприятия для работы на различных платформах: Windows 3.x, Windows 95, Macintosh... Минимальные ресурсы ПК: для Visual FoxPro версии 3.0 – процессор 468DX, Windows 3.1, 95, NT, объем оперативной памяти 8 (12) Мб, занимаемый объем на ЖМД 15-80 Мб, а для Visual FoxPro версии 5.0 (выпущена в 1997 году) – Windows 95 или NT, 486 с тактовой частотой 50 МГц, 10 Мб ОЗУ, от 15 до 240 Мб на ЖМД.

      Access входит в состав самого популярного пакета Microsoft Office. Основные преимущества: знаком многим конечным пользователям и обладает высокой устойчивостью данных, прост в освоении, может использоваться непрофессиональным программистом, позволяет готовить отчеты из баз данных различных форматов. Предназначен для создания отчетов произвольной формы на основании различных данных и разработки некоммерческих приложений. Минимальные ресурсы ПК: процессор 468DX, Windows 3.1, 95, NT, объем оперативной памяти 12 (16) Мб, занимаемый объем на ЖМД 10-40 Мб.

      Visual Basic – это универсальный объектно-ориентированный язык программирования, диалекты которого встроены в Access, Visual FoxPro. Преимущества: универсальность, возможность создания компонентов OLE, невысокие требования к аппаратным ресурсам ЭВМ. Применяется для создания приложений средней мощности, не связанных с большой интенсивностью обработки данных, разработки компонентов OLE, интеграция компонентов Microsoft Office. Минимальные ресурсы ПК: процессор 368DX, Windows 3.1, 95, NT, объем оперативной памяти 6 (16) Мб, занимаемый объем на ЖМД 8-36 Мб.

      Visual C++ – наиболее мощный объектно-ориентированный язык программирования, обладает неограниченной функциональностью. Предназначен для создания компонентов приложений для выполнения операций, критичных по скорости.

      SQL Server – сервер баз данных, реализует подход «клиент-сервер» и взаимодействует с указанными пакетами. Главные достоинства: высокая степень защиты данных, мощные средства для обработки данных, высокая производительность. Область применения: хранение больших объемов данных, хранение высокоценных данных или данных, требующих соблюдения режима секретности. Минимальные ресурсы ПК: процессор 468DX-33МГц, Windows NT, объем оперативной памяти 16 (32) Мб, занимаемый объем на ЖМД 80 Мб.

      Указанные программные продукты имеют возможности визуального проектирования интерфейса пользователя, то есть разработчик из готовых фрагментов создает элементы интерфейса, программирует только их изменения в ответ на какие-либо события. 

      Принципы  организации данных, лежащие в основе современных СУБД. 

      Современные СУБД являются объектно-ориентированными и реляционными. Основной единицей является объект, имеющий свойства, и связи между объектами. СУБД используют несколько моделей данных: иерархическую и сетевую (с 60-х годов) и реляционную (с 70-х). Основное различие данных моделей в представлении взаимосвязей между объектами.

      Иерархическая модель данных строится по принципу иерархии объектов, то есть один тип объекта является главным, все нижележащие – подчиненными. Устанавливается связь «один ко многим», то есть для некоторого главного типа существует несколько подчиненных типов объектов. Иначе, главный тип именуется исходным типом, а подчиненные – порожденными. У подчиненных типов могут быть в свою очередь подчиненные типы. Наивысший в иерархии узел (совокупность атрибутов) называют корневым.

      Сетевая модель данных строится по принципу «главный и подчиненный тип одновременно», то есть любой тип данных одновременно может одновременно порождать несколько подчиненных типов (быть владельцем набора) и быть подчиненным для нескольких главных (быть членом набора).

      Реляционная модель данных объекты и связи между ними представляются в виде таблиц, при этом связи тоже рассматриваются как объекты. Все строки, составляющие таблицу в реляционной базе данных должны иметь первичный ключ. Все современные средства СУБД поддерживают реляционную модель данных.

      Объект (Сущность) – элемент какой-либо системы, информация о котором сохраняется. Объект может быть как реальным (например, человек), так и абстрактным (например, событие – поступление человека в стационар).