Системы управления базами данных

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 централизованными управлениями, 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

Данная  работа представлена некоторые теоретические аспекты теории БД, основные понятия, функциональные возможности систем управления БД.  

I. Теоретические аспекты  СУБД.

1. Основные понятия  БД.

    Всякая  прикладная программа является отображением какой - то части реального мира и  поэтому содержит его формализованное описание в виде данных. Крупные массивы данных размещают, как правило, отдельно от исполняемого программы, и организуют в виде Базы данных. Начиная с 60-х годов для работы с данными, стали использовать особые программные комплексы, называемые системами управления базами данных (СУБД). Системы управления базами данных отвечают за:

- физическое  размещение данных и их описаний;

- поиск  данных;

- поддержание  баз данных в актуальном состоянии;

- защиту  данных от некорректных обновлений и несанкционированного доступа;

- обслуживание одновременных запросов к данным от нескольких пользователей (прикладных программ).

     Модели  данных.

    Хранимые  в базе данных имеют определенную логическую структуру, то есть, представлены некоторой моделью, поддерживаемой СУБД. К числу важнейших относятся следующие модели данных:

- иерархическая;

- сетевая;

- реляционная;

- обЪектно - ориентированная;

    В иерархической модели данные представляются в виде древовидной (иерархической) структуры. Она удобна для работы с иерархически упорядоченной информацией и громоздка для информации со сложными логическими связями.

    Сетевая модель означает представление данных в виде произвольного графа. Достоинством сетевой и иерархической моделей данных является возможность их эффективной реализации показателей затрат памяти и оперативности. Недостатком сетевой модели данных является высокая сложность и жесткость схемы БД, построенной на ее основе.

    Реляционная модель данных (РМД) название получила от английского термина Relation - отношение. Модель данных описывает некоторый набор родовых понятий и признаков, которыми должны обладать все конкретные СУБД и управляемые ими БД, если они основываются на этой модели.

    Объектно-ориентировочная  модель данных - это когда в базе хранятся не только данные, но и методы их обработки в виде программного кода. Это перспективное направление, пока также не получившее активного распространения из-за сложности создания и применения подобных СУБД.

    База  данных - это совокупность записей различного типа, содержащая перекрестные ссылки.

Файл - это совокупность записей одного типа, в котором перекрестные ссылки отсутствуют. Более того, в определении  нет упоминания о компьютерной архитектуре. Дело в том, что, хотя в большинстве  случаев БД действительно представляет собой один или (чаще) несколько файлов, физическая их организация существенно отличается от логической. Таблицы могут храниться как в отдельных файлах, так и все вместе. И, наоборот, для хранения одной таблицы иногда используются несколько файлов. Для поддержки перекрестных ссылок и быстрого поиска обычно выделяются дополнительные специальные файлы. Поэтому при работе с базами данных обычно применяются понятия более высокого логического уровня: запись и таблица, без углубления в подробности их физической структуры.

    Таким образом, сама по себе база данных - это  только набор таблиц с перекрестными  ссылками. Чтобы универсальным способом извлекать из нее группы записей, обрабатывать их, изменять и удалять, требуются специальные программы, называются СУБД.

По характеру  использования СУБД делят на: персональные (СУБДП) и многопользовательские (СУБДМ).

К персональным СУБД относятся VISUAL FOXPRO, ACCESS и др. К  многопользовательским СУБД относятся, например, СУБД ORACLE и INFORMIX. Многопользовательские СУБД включают в себя сервер БД и клиентскую часть, работают в неоднородной вычислительной среде допускаются разные типы ЭВМ и различные операционные системы. Поэтому на базе СУБДМ можно создать информационную систему, функционирующую по технологии клиент-сервер. Универсальность многопользовательских СУБД отражается соответственно на высокой цене и компьютерных ресурсах, требуемых для поддержки. СУБДП представляет собой совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и использования БД.

    Персональные  СУБД обеспечивают возможность создания персональных БД и недорогих приложений, работающих с ними, и при необходимости создания приложений, работающих с сервером БД. Для обработки команд пользователя или операторов программ в СУБДП используются интерпретаторы команд (операторов) и компиляторы. С помощью компиляторов в ряде СУБДП можно получать исполняемые автономно приложения-ехе-программы. Обеспечение целостности БД-необходимое условие успешного функционирования БД. Целостность БД-свойство БД, означающее, что база данных содержит полную и непротиворечивую информацию, Для обеспечения целостности БД накладывают ограничения целостности в виде некоторых условий, которым должны удовлетворять хранимые в базе данные. Примером таких условий может служить ограничение диапазонов возможных значений атрибутов объектов, сведения о которых хранятся в БД, или отсутствие повторяющихся записей в таблицах реляционных БД.

    Обеспечение безопасности достигается СУБД шифрованием прикладных программ, данных, защиты паролем, поддержкой уровней доступа к базе данных, к отдельной таблице. Расширение возможностей пользователя СУБДП достигается за счет подключения систем распространения Си или Ассемблера.

Поддержка функционирования в  сети обеспечивается:

- средствами  управления доступом пользователей  к совместно используемым данным, т.е. средствами блокировки файлов (таблиц), записей, полей, которые  в разной степени реализованы  в разных СУБДП;

- средствами  механизма транзакций, обеспечивающими  целостность БД при функционировании в сети.

Теперь  рассмотрим функции СУБД немного подробнее:

Определение данных.

    СУБД  должна допускать определения данных (внешние схемы, концептуальную схему, внутреннюю схему, а также все  связанные отображения) в исходной форме и преобразовывать эти определения в форму соответствующих объектов. Иначе говоря, СУБД должна включать в себя компонент языкового процессора для различных языков определений данных. СУБД должно также «понимать» синтаксис языка определений данных.

Обработка данных.

    СУБД  должна уметь обрабатывать запросы  пользователя на выборку, изменение  или удаление существующих данных в  базе данных или на добавление новых  данных в базу данных. Другими словами, СУБД должна включать в себя компонент  процессора языка обработки данных.

    Запросы языка обработки данных бывают «планируемые»  и «не планируемые».

1. Планируемый запрос-это запрос, необходимость которого предусмотрена заранее. Администратор базы данных, возможно, должен настроить физический проект БД таким образом, чтобы гарантировать достаточное быстродействие для таких запросов.

2. Не планируемый  запрос-это, наоборот, специальный запрос, необходимость которого не была предусмотрена заранее. Физический проект БД может подходить, а может и не подходить для рассматриваемого специального запроса. В общем, получение возможной наибольшей производительности для не планируемых запросов представляет собой одну из проблем СУБД. (Подробнее эта проблема будет обсуждаться в следующих частях книги.)

Безопасность  и целостность  данных.

    СУБД должна контролировать пользовательские запросы и пресекать попытки нарушения правил безопасности и целостности, определенные АБД.

Восстановление  данных и дублирование.

    СУБД  или другой связанный с ней  программный компонент, обычно называемый администратором транзакций, должны осуществлять необходимый контроль над восстановлением данных и дублированием. Подробности использования этих функций системы приводятся далее в этой книге.

Словарь данных.

    СУБД  должна обеспечить функцию словаря данных. Сам словарь данных можно по праву считать БД (но не пользовательской, а системой). Словарь «содержит данные о данных» (иногда называемые метаданными), т.е. определения других объектов системы, а не просто «сырые данные». В частности, исходная и объектная формы различных схем (внешних, концептуальных и т.д.) и отображений будут сохранены в словаре. Расширенный словарь будет включать также перекрестные ссылки, показывающие, например, какие из программ какую часть БД используют, какие отчеты требуются тем или иным пользователям, какие терминалы подключены к системе и т.д. Словарь может быть (а на самом деле даже должен быть) интегрирован в определяемую им БД, а значит, должен содержать описание самого себя. Конечно, должно быть возможность обращения к словарю, как и к другой БД, например, для того узнать, какие программы и/или пользователи будут затронуты при предполагаемом внесении изменения в систему. (Дальнейшее обсуждение этого вопроса приводится в следующих главах книги.)

Производительность.

    Очевидно, что СУБД должна выполнять все указанные функции с максимально возможной эффективностью. Подводя итог сказанному, можно сделать вывод, что в целом назначением СУБД является предоставление пользовательского интерфейса с БД. Пользовательский интерфейс может быть определен как граница в системе, ниже которой все невидимо для пользователя. Следовательно, по определению пользовательский интерфейс находится на внешнем уровне. Тем не менее, иногда встречаются случаи, когда внешнее представление вряд ли значительно отличается от относящейся, по мере в современных коммерческих продуктах.

    В заключении вкратце сопоставим описанную  СУБД с системой файлами (или с  управлением файлами). В своей  основе система управления файлами  является компонентом общей системы, которая управляет хранимыми  файлами; проще говоря, она «ближе к диску», чем СУБД. Таким образом, пользователь системы управления файлами может создавать и уничтожать хранимые файлы, а также выполнять простые операции выборки и обновления хранимых записей в таких файлах. Однако, в отличие от СУБД, системы управления файлами имеют некоторые недостатки.

2. Функциональные возможности  СУБД.

    Управляющим компонентом многих СУБД является ядро, выполняющее следующие функции:

- управление  данными во внешней памяти;