Система управления базой данных (СУБД)

                            Содержание

 

Введение………………………………………………………….2

Глава 1. Теоретические аспекты СУБД

1.1 Основные понятия…………………………………………………………….3

1.2 Функциональные возможности СУБД………………………………………4

1.3 Типы СУБД…………………………………………………..………………11

 

Глава 2. Разработка базы данных

2.1  Разработка инфологической модели……………………………………….17

2.2  Разработка базы данных для хранения и обработки информации………18

   2.3 Разработка программного приложения……………………………………19

Заключение………………………………………………………..…………….21

Список литературы……………………………………………………………23

Приложение……………………………………………..…………….………...24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                    Введение

 

Развитие средств вычислительной техники обеспечило для создания и широкого использования систем обработки данных разнообразного назначения. Разрабатываются информационные системы для обслуживания различных систем деятельности, систем управления хозяйственными и техническими объектами, модельные комплексы для научных исследований, системы автоматизации проектирования и производства, всевозможные тренажеры и обучающие системы. Одной из важных предпосылок создания таких систем стала возможность оснащения их «памятью» для накопления, хранения и систематизация больших объемов данных. Другой существенной предпосылкой нужно признать разработку подходов, а также создание программных и технических средств конструирования систем, предназначенных для коллективного пользования. В этой связи потребовалось разработать специальные методы и механизмы управления  такого рода совместно используемыми ресурсами данных, которые стали называться базами данных. Исследования и разработки, связанные с проектированием, созданием и эксплуатации баз данных, а также необходимых для этих целей языковых и программных инструментальных средств привели к появлению самостоятельной ветви информатики, получившей название системы управления данными.

Такие программные комплексы выполняют  довольно сложный набор функций, связанный с централизованным управлением данными в базе данных, интерфейсах всей совокупности ее пользователей. По существу, система управления базами данных служит посредником между пользователями и базой данных.

В настоящее время  разработаны и используются на персональных компьютерах около двадцати систем управления базами данных. Они представляют пользователю удобные средства интерактивного взаимодействия с БД и имеют развитый язык программирования                                 

             Глава 1. Теоретические аспекты СУБД

1. Основные понятия.

Развитие компьютерных технологий, связанных с хранением и обработкой данных, привело к появлению в конце 60-х — начале 70-х годов специализированного программного обеспечения, получившего название систем управления базами данных, или СУБД (DataBase Management Systems, DBMS). СУБД позволяют структурировать, систематизировать и организовывать данные для их компьютерного хранения и обработки. Именно системы управления базами данных являются основой практически любой информационной системы.

СУБД можно определить как некую систему управления данными, обладающую следующими свойствами:

• поддержанием логически согласованного набора файлов;
• предоставлением языка манипулирования данными;
• восстановлением информации после разного рода сбоев;
• обеспечением параллельной работы нескольких пользователей.

Система управления базой  данных представляет собой программное  обеспечение, которое управляет  доступом к базе данных. Это происходит следующим образом:

1. Пользователь выдает запрос на доступ, применяя определенный подъязык данных (обычно SQL).

2. СУБД перехватывает этот запрос и анализирует его.

3. Затем СУБД просматривает внешнюю схему для этого пользователя, концептуальную, внутреннюю схему и определяет структуру хранения.

4. На последнем шаге СУБД выполняет необходимые операции над хранимой базой данных.

 

 

1.2. Функциональные  возможности СУБД.

Управляющим компонентом  многих СУБД является ядро, выполняющее  следующие функции:

• непосредственное управление данными во внешней памяти;
• управление буферами оперативной памяти;
• управление транзакциями;
• протоколирование;
• поддержку языков баз данных.

Рассмотрим каждую из указанных функций более подробно.

Непосредственное управление данными во внешней памяти

Функция непосредственного управления данными во внешней памяти включает предоставление необходимых структур внешней памяти (постоянных запоминающих устройств, как правило, магнитных дисков) как для хранения данных, непосредственно входящих в базу данных, так и для служебных целей, например для ускорения доступа к данным в некоторых случаях (обычно для этого используются индексы). Причем пользователям базы данных в общем случае не нужно знать, применяет ли СУБД файловую систему, а если применяет, как организованы файлы. Обычно СУБД поддерживает собственную систему именования объектов базы данных. В зависимости от способа реализации СУБД может либо использовать возможности существующих файловых систем, либо работать с устройствами внешней памяти на низком уровне.

Управление буферами оперативной памяти

Объем информации, хранящейся в базе данных, с которой работает СУБД, обычно достаточно велик и практически всегда превышает доступный объем оперативной памяти. При этом время доступа к данным, хранящимся в оперативной памяти, существенно меньше, чем к данным, хранящимся на устройствах внешней памяти. Очевидно, что если при обращении к любому элементу данных требуется обмен с внешней памятью, то вся система будет работать со скоростью функционирования устройства внешней памяти.

Повышения скорости обмена данными можно достичь, используя буферизацию данных в оперативной памяти. При этом даже если операционная система выполняет общесистемную буферизацию (как в случае ОС UNIX), этого недостаточно для целей СУБД, у которой гораздо больше информации, позволяющей судить о полезности буферизации той или иной части базы данных. Поэтому в СУБД обычно поддерживается собственный набор буферов оперативной памяти с собственным механизмом замены буферов.

Следует отметить, что существует направление развития СУБД, ориентированное на постоянное присутствие в оперативной памяти всей информации из базы данных. Это направление основывается на предположении, что в будущем объем оперативной памяти компьютеров будет настолько велик, что буферизация станет лишней.

 

Управление транзакциями

Транзакцией называется последовательность операций над базой данных, рассматриваемых СУБД как единое целое. Если все операции успешно выполнены, то транзакция также считается успешно выполненной, и СУБД фиксирует (commit) все изменения данных, произведенные этой транзакцией (то есть заносит изменения во внешнюю память). Если же хотя бы одна операция транзакции заканчивается неудачей, то транзакция считается невыполненной, и производится ее откат (rollback) с отменой всех изменений данных, произведенных в ходе выполнения транзакции, и возвращением базы данных к состоянию до начала выполнения транзакции.

Управление транзакциями необходимо для поддержания логической целостности базы данных.

Поддержка механизма транзакций является обязательным условием работы даже однопользовательских, а тем более многопользовательских СУБД. Поскольку каждая транзакция начинается при целостном состоянии базы данных и оставляет это состояние целостным после своего завершения, понятие транзакции очень удобно использовать как единицу активности пользователя по отношению к базе данных. При должном управлении параллельно выполняющимися транзакциями со стороны СУБД каждый из пользователей может, в принципе, ощущать себя единственным пользователем СУБД.

С управлением транзакциями в многопользовательской СУБД связаны важные понятия сериализации и плана сериализации смеси транзакций. Под сериализации понимается параллельное выполнение смеси транзакций, результат которого эквивалентен результату их последовательного выполнения. План сериализации смеси транзакций — это такой план, который приводит к сериализации транзакций. Понятно, что если удается добиться реальной сериализации смеси транзакций, то для каждого пользователя, по инициативе которого начата транзакция, выполнение других транзакций будет незаметным (если не считать некоторого замедления работы по сравнению с однопользовательским режимом). Существует несколько базовых алгоритмов сериализации транзакций. В централизованных СУБД наиболее распространены алгоритмы, основанные на синхронизированных захватах объектов базы данных. При использовании любого алгоритма сериализации возможны конфликты между несколькими транзакциями по доступу к объектам базы данных. В этом случае для поддержания сериализации необходимо выполнить откат одной или нескольких транзакций. Это один из случаев, когда пользователь многопользовательской СУБД может реально (и достаточно неприятно) ощутить присутствие в системе обработки транзакций других пользователей.

Протоколирование

Одним из основных требований к СУБД является надежность хранения данных во внешней памяти. Под надежностью хранения понимается то, что СУБД должна быть в состоянии восстановить последнее согласованное состояние БД после любого аппаратного или программного сбоя.

Аппаратные сбои обычно подразделяются на два вида:

• мягкие сбои связаны с внезапной остановкой компьютера и обычно являются следствием внезапного выключения питания или «зависания» операционной системы;
• жесткие сбои характеризуются потерей информации на носителях внешней памяти.

Программные сбои обычно возникают вследствие ошибок в программах. Причем эти ошибки могут быть как в самой СУБД, что может привести к аварийному завершению ее работы, так и в пользовательской программе. Первый случай можно рассматривать как разновидность мягкого аппаратного сбоя. Во втором случае незавершенной остается только одна транзакция.

В любом случае для восстановления информации в базе данных необходимо иметь некоторую дополнительную информацию. Таким образом, для надежного хранения данных требуется их избыточность. Причем та часть информации, которая используется для восстановления, должна храниться особо надежно. Наиболее распространенным методом поддержания такой избыточной информации является ведение журнала изменений базы данных.

Журнал представляет собой недоступную пользователям и поддерживаемую с особой тщательностью часть базы данных, в которую поступают записи обо всех изменениях основной части базы данных. Иногда используются две копии журнала, располагаемые на разных физических дисках.

В разных СУБД изменения базы данных протоколируются на разных уровнях: иногда запись в журнале соответствует некоторой логической операции изменения базы данных, иногда — минимальной внутренней операции модификации страницы внешней памяти. Могут также использоваться одновременно оба иод-хода.

Во всех случаях придерживаются стратегии упреждающей записи в журнал (Write Ahead Log, WAL). Несколько утрируя, можно сказать, что эта стратегия подразумевает внесение в журнал записи об изменении любого объекта базы данных до того, как будет выполнено и зафиксировано изменение этого объекта. Если в СУБД поддерживается протокол WAL, то с помощью журнала можно решить все проблемы восстановления базы данных после любого сбоя.

Самая простая ситуация восстановления — откат отдельной транзакции. Строго говоря, для этого не требуется общесистемный журнал изменений базы данных. Достаточно для каждой транзакции поддерживать локальный журнал операций модификации базы данных, выполненных в этой транзакции, и производить откат транзакции путем выполнения обратных операций, следуя от конца локального журнала. В некоторых СУБД так и делают, но в большинстве систем локальные журналы не поддерживают, а откат отдельной транзакции выполняют по общесистемному журналу, для чего все записи, относящиеся к одной транзакции, связывают обратным списком (от конца к началу).

При мягком сбое во внешней памяти основной части базы данных могут находиться объекты, модифицированные транзакциями, не закончившимися к моменту сбоя, и могут отсутствовать объекты, модифицированные транзакциями, которые к моменту сбоя успешно завершились (по причине очистки буферов оперативной памяти при мягком сбое). При соблюдении протокола WAL во внешней памяти журнала должны гарантированно находиться записи, относящиеся к операциям модификации обоих видов объектов. Целью восстановления после мягкого сбоя является приведение внешней памяти основной части базы данных в такое состояние, которое возникло бы при фиксации во внешней памяти изменений всех завершившихся транзакций и не содержало бы никаких следов незаконченных транзакций. Для того чтобы этого добиться, сначала производят откат незавершенных транзакций, а потом повторно воспроизводят те операции завершенных транзакций, результаты которых не сохранились во внешней памяти.