Лекция 1. Введение в теорию баз данных

 

      Лекция  посвящена рассмотрению основных понятий теории баз данных и основных моделей данных, на которых строятся современные БД. 

      Цель: выявить основные структурные элементы баз данных и основные принципы, используемые при их разработке.

       

Основные понятия

 

      Существуют  различные определения понятия база данных (БД). Чаще всего под БД понимается поименованная совокупность структурированных данных, относящихся к некоторой предметной области. Однако в этом случае БД весьма трудно отличить от обычной картотеки или архива документов.

      Можно выделить три свойства, которые отличают БД от простой совокупности данных:

1. БД хранится и обрабатывается в вычислительной системе.
2. Данные в БД хорошо структурированы, т.е. выделены основные элементы, их типы и связи между элементами, а также ограничения на допустимые операции.
3. Обеспечивается поиск и обработка данных.

 

      Наиболее  распространенным типом БД являются реляционные базы данных. Рассмотрим основные структурные элементы реляционной БД:

1. Поле – элементарная единица организации данных. Для описания поля используют характеристики: имя, тип, длина, точность и т.д. Соответствует столбцу в таблице.
2. Запись – совокупность логически связанных полей. Соответствует строке в таблице.
3. Собственно таблица (отношение).

Система баз данных

 

      Система баз данных (СБД) – это компьютеризированная система структурированных данных, основная цель которой хранение информации и предоставление ее по требованию.

      Различают однопользовательские и многопользовательские  системы.

      Однопользовательская  система (Single-user system) – это система, в которой в одно и то же время к БД может получить доступ только один пользователь.

      Многопользовательская система (Multi-user system) – это система, в которой в каждый момент времени к БД могут получить доступ несколько пользователей. Основная задача такой системы – позволить пользователю работать с БД как с однопользовательской.

      Обычно  в СБД выделяют четыре основных элемента:

1. Данные.
2. Аппаратное обеспечение.
3. Программное обеспечение (ПО).
4. Пользователи.

 

      Упрощенная  схема СБД представлена на рис. 1.1. 
 

 

Рис. 1.1. Элементы системы баз данных 

      Данные

      Данные  в БД можно охарактеризовать как  интегрированные и общие. Интегрированные данные можно представить как объединение нескольких отдельных файлов, полностью или частично неперекрывающихся. В случае общих данных отдельные области данных можно использовать нескольким различным пользователям. 

      Аппаратное обеспечение

      К нему относятся:

• накопители для хранения информации вместе с устройствами ввода/вывода;
• процессор вместе с основной памятью, которая используется для поддержки работы ПО системы.

 

      Программное обеспечение

      Основная  часть ПО – это система управления базами данных, СУБД (DBMS – DataBase Management System – диспетчер БД).

      Основная  функция СУБД – предоставление пользователю возможности работать с БД, не вникая в детали на уровне аппаратуры.

      СУБД  поддерживает пользовательские операции высокого уровня. К таким операциям  относятся и операции, выполняемые  с помощью языка SQL (Structured Query Language, структурированный язык запросов) – специального языка БД. СУБД хотя и основной, но не единственный программный компонент системы, среди других можно назвать утилиты, средства разработки приложений, генераторы отчетов и другие. 

      Пользователи

      Различают три группы пользователей СБД:

1. Прикладные программисты. Для целей разработки прикладных программ, которые используют базы данных, применимы различные языки и среды программирования: Visual Basic, C++, Java, C# и другие. Прикладные программы получают доступ к базе данных посредством выдачи соответствующего запроса к СУБД (обычно это операторы SQL).
2. Конечные (рядовые) пользователи. Конечный пользователь может получать доступ к базе данных, применяя одно из интерактивных приложений. Многие СУБД предоставляют не только средства для выполнения запросов SQL, но и графические утилиты, позволяющие создавать запросы без знания SQL.
3. Администраторы БД. Занимаются управлением работы сервера БД.

Организация данных в БД

 

      В базе данных выделяют следующие элементы:

• данные;
• объекты;
• связи;
• свойства.

 

      Данные

      В БД данные обычно называют постоянными, хотя они конечно не являются таковыми в общепринятом понимании. Так их назвали в сравнении с изменчивыми данными – транзитными (промежуточные результаты, входные, выходные данные).

      Входные данные – это информация, передаваемая системе с терминала или рабочей станции. Когда эта информация сохранена в таблицах, она становится частью постоянных данных или влечет за собой изменения постоянных данных.

      Выходные данные – это сообщения и результаты, выдаваемые системой на экран, печать и иное устройство вывода. 

 

       Объекты

      В реляционных БД это таблицы (другое название – отношения), описывающие некоторые объекты реального мира. Реляционные базы данных хранят все данные только в таблицах. 

      Связи

      Связи отображают зависимости между объектами. Как правило, они бывают двусторонними. Допустим, есть два объекта Students и Groups, по связи между ними можно ответить на два вопроса:

1. какой группе принадлежит данный студент;
2. какие студенты входят в данную группу.

      Схема, на которой представлены объекты  и их связи, называется Схема объект-отношение или Диаграмма объект-отношение (рис. 1.2.). 

 

Рис. 1.2. Связь между таблицами Students и Groups 

      В схеме могут быть связи, указывающие на один и тот же тип объекта. Например, преподаватель является наставником молодого преподавателя. В конкретном наборе объектов может быть любое количество связей. Между двумя таблицами может быть более одной связи. 

      Свойства

      Все объекты и связи имеют определенные свойства. Свойства объектов выражаются полями таблицы. Свойства связей выражаются в их характеристиках при формировании.

Виды  моделей данных

 

      Ядром любой БД является модель данных. Модель данных – это совокупность структуры данных и операций их обработки.

      Кратко  рассмотрим основные виды моделей данных и выявим их основные преимущества и недостатки, при этом будем учитывать факторы, характеризующие принципиальные особенности моделей, а также факторы, связанные с реализацией этих моделей на ЭВМ.

1. Иерархическая модель данных. Представляет собой совокупность элементов, связанных по строго определенным правилам. Объекты, связанные иерархическими отношениями образуют ориентированный граф. Основными понятиями иерархической модели данных являются: уровень, узел (или элемент) и связь. Такая модель данных обладает следующими свойствами:

• каждый узел связан только с одним вышестоящим узлом, кроме вершины;

• иерархическая модель данных имеет только одну вершину, узел не подчинен более никаким узлам;
• от каждого узла существует единственный путь к вершине;
• связь не может быть установлена между объектами, находящимися через уровень;
• связь между узлами первого уровня не определяется.

 

     Примеры.

1. Файловая структура организации информации.
2. Структура организации (директор, заместитель, руководители отделов, сотрудники) (рис.1.3).

 

 

Рис. 1.3. Иерархическая структура данных 

      Преимущества:

1. Простота.
2. Минимальный расход памяти.

 

      Недостатки:

1. Отсутствие универсальности – не всякую информацию можно выразить в иерархической модели данных.
2. Исключительно навигационный принцип доступа к данным.
3. Доступ к данным только через корневой элемент.

 
      

2. Сетевая модель данных. Элементами этой модели являются: уровень, узел, связь. Отличия в том, что элемент одного уровня может быть связан с любым количеством элементов соседнего уровня, и не существует подчиненности уровней друг другу.

Свойства  сетевой модели:

• связь не может быть установлена между объектами, находящимися через уровень;
• связь между узлами первого уровня не определяется.

 

     Пример. Рассмотрим работу над проектами: можно выделить три вида объектов – сотрудники, проекты, заказчики (рис.1.4). 

 

Рис. 1.4. Сетевая структура данных 

      Преимущества:

1. Универсальность.
2. Возможность доступа к данным через значения нескольких отношений.

 

      Недостатки:

1. Сложность – обилие понятий, вариантов их взаимосвязей и способов реализации.
2. Допустимость только навигационного принципа доступа к данным.

 
      

3. Реляционная модель данных (табличная). Это способ представления данных в виде таблиц. Элементы: поле (столбец), запись (строка) и таблица (отношение). В дальнейшем мы будем рассматривать именно реляционную модель данных, которая используется в реляционных системах. Под реляционной системой понимается система, основанная на следующих принципах:

• данные пользователя представлены только в виде таблиц;

• пользователю предоставляются операторы, генерирующие новые таблицы из старых (для выборки данных).

 

     Пример. Рассмотрим отношения Студенты и Группы: 
 
 

Students: