Понятие реляционных данных и субд

Логическая модель данных, строгая математическая теория, описывающая структурный аспект, аспект целостности и аспект обработки данных в реляционных базах данных.

• Структурный аспект (составляющая) - данные в базе данных представляют собой набор отношений.
• Аспект (составляющая) целостности - отношения (таблицы) отвечают определенным условиям целостности. РМД поддерживает декларативные ограничения целостности уровня домена (типа данных), уровня отношения и уровня базы данных.
• Аспект (составляющая) обработки (манипулирования) - РМД поддерживает операторы манипулирования отношениями (реляционная алгебра, реляционное исчисление).

Кроме того, в состав реляционной модели данных обычно включают теорию нормализации.

Реляционная модель данных является приложением к задачам обработки данных таких разделов математики как теория множеств и формальная логика.

Термин «реляционный» означает, что теория основана на математическом понятии отношение (relation). В качестве неформального синонима термину «отношение» часто встречается слово таблица. Необходимо помнить, что «таблица» есть понятие нестрогое и неформальное и часто означает не «отношение» как абстрактное понятие, а визуальное представление отношения на бумаге или экране.

Для лучшего понимания РМД следует отметить три важных обстоятельства:

• модель является логической, т.е. отношения являются логическими (абстрактными), а не физическими (хранимыми) структурами;
• для реляционных баз данных верен информационный принцип: все информационное наполнение базы данных представлено одним и только одним способом, а именно - явным заданием значений атрибутов в кортежах отношений; в частности, нет никаких указателей (адресов), связывающих одно значение с другим;
• наличие реляционной алгебры позволяет реализовать декларативное программирование и декларативное описаний ограничений целостности, в дополнение к навигационному (процедурному) программированию и процедурной проверке условий.

Принципы реляционной модели были сформулированы в 1969-1970 годах Э. Ф. Коддом (E. F. Codd). Идеи Кодда были впервые подробно изложены в статье «A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks», ставшей классической.

Строгое изложение теории реляционных баз данных (реляционной модели данных) в современном понимании можно найти в книге К. Дж. Дейта. «C. J. Date. An Introduction to Database Systems» («Дейт, К. Дж. Введение в системы баз данных»).

Альтернативами реляционной модели являются иерархическая модель и сетевая модель. Некоторые системы, использующие эти старые архитектуры по-прежнему используется до сих пор. Кроме того, можно упомянуть об объектной модели данных, на которой строятся так называемые объектные СУБД, хотя однозначного и общепринятого определения такой модели нет.

Достоинства реляционной модели

• Простота и доступность понимания конечным пользователем - единственной информационной конструкцией является таблица.
• При проектировании реляционной БД применяются строгие правила, базирующие на математическом аппарате.
• Полная независимость данных. При изменении структуры реляционной изменения, которые требуют произвести в прикладных программах, минимальны.
• Для построения запросов и написания прикладных программ нет необходимости знания конкретной организации БД во внешней памяти.

Недостатки реляционной модели

• Относительно низкая скорость доступа и большой объем внешней памяти.
• Трудность понимания структуры данных из-за появления большого кол-ва таблиц в результате логического проектирования.
• Далеко не всегда предметную область можно представить в виде совокупности таблиц.

Реляционные СУБД обладают рядом особенностей, влияющих на организацию внешней памяти. К наиболее важным особенностям можно отнести следующие.

Наличие двух уровней системы:

уровня непосредственного управления данными во внешней памяти (а также обычно управления буферами оперативной памяти, управления транзакциями и журнализацией изменений БД),

языкового уровня (например уровня, реализующего язык SQL).

При такой организации подсистема нижнего уровня должна поддерживать во внешней памяти набор базовых структур, конкретная интерпретация которых входит в число функций подсистемы верхнего уровня.

Поддержка отношений-каталогов (справочников). Информация, связанная с именованием объектов базы данных и их конкретными свойствами (например, структура ключа индекса), поддерживается подсистемой языкового уровня. С точки зрения структур внешней памяти, отношение-каталог ничем не отличается от обычного отношения базы данных.

Регулярность структур данных . Поскольку основным объектом реляционной модели данных является плоская (в 1НФ) таблица, главный набор объектов внешней памяти может иметь очень простую регулярную структуру. При этом необходимо обеспечить возможность эффективного выполнения операторов языкового уровня как над одним отношением (простые операции селекции и проекции), так и над несколькими отношениями (наиболее распространена и трудоемка операция соединения нескольких отношений). Для этого во внешней памяти должны поддерживаться дополнительные индексы.

Для выполнения требования надежного хранения баз данных необходимо поддерживать избыточность хранения данных, что обычно реализуется в виде журнала изменений базы данных.

Соответственно, возникают следующие разновидности объектов во внешней памяти базы данных:

строки отношений - основная часть базы данных, большей частью непосредственно видимая пользователям;

управляющие структуры - индексы, создаваемые по инициативе пользователя (администратора) или верхнего уровня системы из соображений повышения эффективности выполнения запросов и обычно автоматически поддерживаемые нижним уровнем системы;

журнальная информация , поддерживаемая для удовлетворения потребности в надежном хранении данных;

служебная информация , поддерживаемая для удовлетворения внутренних потребностей нижнего уровня системы; набор структур служебной информации зависит от общей организации системы, но обычно требуется поддержание следующих служебных данных:

· внутренние каталоги (справочники), описывающие физические свойства объектов базы данных, например число атрибутов отношения, их размер и, возможно, типы данных;

· описание индексов, определенных для данного отношения;

· описатели свободной и занятой памяти в страницах внешней памяти, распределенных для хранения отношений; такая информация требуется для нахождения свободного места при занесении кортежей.

Базовые структуры памяти

Структура и типы страниц

Основной единицей хранения и манипулирования данными при бесфайловой организации является страница памяти (или блок данных ) - часть пространства памяти среды хранения базы данных, организованного таким образом, что оно состоит из последовательности таких частей (страниц), имеющих одинаковую длину.

Страницаявляется единицей обмена с внешней памятью. Размер страницы фиксирован для базы данных и устанавливается при ее (базы) создании. Страницы памяти имеют уникальные идентификаторы , в качестве которых обычно используются их последовательные номера. Содержимое страницы памяти может быть прочитано в буфер обмена или записано во внешнюю память из буфера за одно обращение к устройству внешней памяти. В некоторых системах страницы памяти могут иметь внутреннюю организацию, например, могут обладать индексом , обеспечивающим прямой доступ к содержащимся на странице хранимым записям. Страницы с простейшей организацией, предусматривающей последовательное размещение в них записей, в некоторых методах доступа называются блоками записей .

Выделяют четыре типа страниц:

· страницы данных,

· страницы индексов,

· страницы blob-объектов,

· битовые страницы.

Страница данных . Основная единица осуществления операций обмена. Структура страницы данных представлена на рис. 32.

Рис. 32. Структура страницы данных

Заголовок страницы включает внутрисистемную информацию, используемую СУБД в механизме управления страницами.

Данные на странице представляются в виде строк . Каждая строка соответствует некоторому кортежу отображаемого отношения.

Слоты характеризуют размещение строк данных на странице. В базе данных каждый кортеж имеет уникальный внутрисистемный идентификатор, включающий номер страницы и номер строки на странице, в которую отображается данный кортеж. Содержимое слота и составляет идентификатор соответствующей ему (по номеру на странице) строки. При упорядочивании кортежей отношения по значению какого-либо атрибута физического перемещения строк на соответствующих страницах не происходит. Вместо этого производится перестройка содержимого слотов.

Страница индексов. Страницы индексов предназначены для хранения индексных структур, используемых СУБД в реализации методов доступа, и организованы в виде В-деревьев.

Страница blob . Страницы blob (B inary L arge Ob ject) предназначены для хранения слабоструктурированной информации, содержащей тексты большого объема, графическую информацию, двоичные коды. Эти данные рассматриваются как потоки байтов произвольного размера, а в страницах данных формируются ссылки на эти страницы. Данные таких типов в ранних СУБД относились к типу MEMO.

Битовая страница . Битовые страницы содержат описатели других типов страниц. Описатель страницы включает две составляющих – тип страницы и ее состояние (свободна /занята ).

Табличные пространства

Общим для СУБД является понятие пространства (для некоторых СУБД табличное пространство ). В табличных пространствах размещены различные логические структуры данных, такие как таблицы и индексы, временные таблицы и словарь данных. Группировка хранимых данных по пространствам производится по ряду признаков: частота изменения данных, характер работы с данными (преимущественно чтение или запись и т.п.), скорость роста объема данных, важность и т.п. Таким образом, например, только читаемые таблицы помещаются в одно пространство, для которого установлены одни параметры хранения, таблицы транзакций размещаются в пространстве с другими параметрами и т.д. (рис. 33).

Рис.33. Физическое размещение данных по устройствам

Одна логическая единица данных (таблица или индекс) размещается точно в одном пространстве, которое может быть отображено на несколько физических устройств или файлов. При этом физически разнесены (располагаться на разных дисках) могут не только логические единицы данных (таблицы отдельно от индексов), но и данные одной логической структуры (таблица на нескольких дисках). Такой способ хранения называется горизонтальной фрагментацией (или секционированием ): таблица делится на фрагменты по строкам. Фрагментация - один из способов повышения производительности.

Могут применяться различные схемы записи данных во фрагментированные таблицы. Одна из них - круговая, когда некоторая часть вставляемых в таблицу строк записывается в первый фрагмент, другая часть - в следующий и так далее по кругу. В данном случае за счет распараллеливания может быть увеличена производительность операций модификации данных и запросов.

Существует и другая схема, включающая логическое разделение строк таблицы по ключу (кластеризация ). Данная схема позволяет избежать перерасхода процессорного времени и уменьшить общий объем операций ввода/вывода. Ее суть в том, что при создании таблицы все пространство значений ключа таблицы разбивается на несколько интервалов, а строкам с ключами, принадлежащими разным интервалам, назначаются различные месторасположения. Впоследствии, при обработке запроса, данная информация учитывается оптимизатором. Если производится поиск по ключу, то оптимизатор может удалять из рассмотрения фрагменты таблицы, не удовлетворяющие условию выборки.

Пусть, например, для таблицы Person создаются два раздела part1 и part2 , каждый из которых размещен в своем табличном пространстве (tblspace1 и tblspace2 ). Записи со значением поля Num от 1 до 499 будут располагаться в первом разделе, а записи с номерами от 500 до 1000 - во втором (рис. 34.).

Тогда при запросе:

SELECT FIO FROM person WHERE Num BETWEEN 10 AND 40

оптимизатор будет производить поиск только в разделе part1, что может дать ощутимый выигрыш в производительности в таблице с десятками тысяч строк.

Подобные механизмы фрагментации данных поддерживают практически все современные СУБД, что часто используется при создании систем высокой производительности.

Рис. 34. Пример кластеризации записей

В данной главе выделим и характеризируем основные классы СУБД.

Основная классификация СУБД основывается на используемой модели баз данных. По этому критерию выделяют несколько классов СУБД: иерархические, сетевые, реляционные, объектные и другие. Некоторые СУБД могут одновременно поддерживать несколько моделей данных.

Более ранние СУБД такие как иерархические и сетевые имеют древовидную структуру и построены по принципу "Предок - потомок". Но такие системы уже отжили своё и применяются все реже.

На смену иерархическим и сетевым пришли реляционные СУБД.

Характеристика реляционных СУБД

Первые теоретические разработки в области реляционных СУБД были получены еще в 70-х, в то же время появились первые прототипы реляционных СУБД. Долгое время считалось невозможным добиться эффективной реализации таких систем. Однако постепенное накопление методов и алгоритмов организации реляционных баз данных и управления ими привели к тому, что уже в середине 80-х годов реляционные системы практически вытеснили с мирового рынка ранние СУБД.

Реляционный подход организации СУБД предполагает наличие набора отношений (двумерных таблиц), связанных между собой. Связь в данном случае - это ассоциирование двух или более отношений (таблиц). База данных, не имеющая связей между отношениями, имеет очень ограниченную структуру и реляционной называться не может. Запросы к таким базам данных возвращает таблицу, которая повторно может участвовать в следующем запросе. Данные в одних таблицах, как мы говорили, связаны с данными других таблиц, откуда и произошло название "реляционные".

Реляционный подход в построении СУБД имеет ряд достоинств Байдак А.Я., Булгаков А.А. Современные СУБД и их применение в энергетике [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http: //masters. donntu.edu.ua/2010/etf/baydak/library/article2. htm. - Загл. с экрана:

Наличие небольшого набора абстракций, которые позволяют сравнительно просто моделировать большую часть распространенных предметных областей и допускают точные формальные определения, оставаясь интуитивно понятными;

Наличие простого и в то же время мощного математического аппарата, опирающегося главным образом на теорию множеств и математическую логику и обеспечивающего теоретический базис реляционного подхода к организации баз данных;

Возможность ненавигационного манипулирования данными без необходимости знания конкретной физической организации баз данных во внешней памяти.

Реляционная модель имеет строгое теоретическое обоснование. Эта теория способствовала созданию декларативного языка SQL, который в настоящее время стал стандартным в отношении определения и манипулирования реляционными базами данных. Другие сильные стороны реляционной модели - простота, пригодность для систем интерактивной обработки транзакций (OLTP), обеспечение независимости от данных. Однако реляционная модель данных и реляционная СУБД, в частности, имеют и определенные недостатки.

Главным недостатком реляционных СУБД считается присущая этим системам ограниченность использования в областях, в которых требуются достаточно сложные структуры данных. Одним из основных аспектов традиционной реляционной модели данных является атомарность (единственность и неделимость) данных, которые хранятся на пересечении строк и столбцов таблицы. Такое правило было заложено в основу реляционной алгебры при ее разработке как математической модели данных. Кроме того, специфика реализации реляционной модели не позволяет адекватно отражать реальные связи между объектами в описываемой предметной области. Данные ограничения существенно мешают эффективной реализации современных приложений, которые требуют уже несколько иных подходов к организации данных.

Основной принцип реляционной модели - устранять повторяющиеся поля и группы с помощью процесса, который называется нормализацией. Плоские нормализованные таблицы универсальны, просты в понимании и теоретически достаточны для представления данных любой предметной области. Они хорошо подходят для приложений, связанных с хранением и отображением данных в традиционных отраслях, таких как банковские или учетные системы, но их применение в системах, основанных на более сложных структурах данных, часто является затруднительным. В основном, это связано с примитивностью механизмов хранения данных, лежащих в основе реляционной модели Никитин М. Закончилась ли эпоха реляционных СУБД? [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http: //www.cnews.ru/reviews/free/marketBD/articles/articles2. shtml. - Загл. с экрана.

На сегодняшний день известные фирмы производители реляционных СУБД следующие - ORACLE, Informix, IBM (DB2), Sybase, Microsoft (MS SQL Server), Progress и другие. В своих продуктах производители СУБД ориентируются на работу на различных типах компьютеров (от майнфреймов до портативных) и на различных операционных системах (ОС). Также производители СУБД не обошли вниманием продукты, работающие на настольных компьютерах, такие как dBase, FoxPro, Access и им подобные. Данные СУБД предназначены для работы на РС и решают локальные задачи на одном РС или небольшой группе РС. Часто данные СУБД используются, как зеркальное отображения небольшой части общей корпоративной СУБД, для минимизации требуемых аппаратных и ресурсных затрат для решения небольших задач.

Различные СУБД работают под управлением разных ОС и аппаратной части. Наиболее известные среди таких ОС - UNIX, VAX, Solaris, Windows. В зависимости от объема хранения данных, количества пользователей, осуществляющих одновременный доступ к данным, сложности задач - используются различные СУБД на различных платформах. Например, СУБД Oracle на Unix, инсталлированная на многопроцессорный сервер позволяет решать задачи по обеспечению данными сотни тысяч пользователей Пономарева И.С. Системы управления базами данных [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http: //mathmod. aspu.ru/images/File/Ponomareva/TM10_About%20BD. pdf. - С. 2.

В настоящее время наибольший интерес представляют СУБД ориентированные на операционную систему Windows использующие платформу Intel.

Структура реляционной БД.

Типы БД.

Основные возможности СУБД.

Понятие базы данных, СУБД.

План

ТЕРМИНЫ : база данных, система управления базами данных (СУБД),

реляционная БД, запись БД, поле БД, ключевое поле БД, таблица БД, запрос БД, форма БД, отчёт БД, макрос БД, модуль БД.

Одной из основных сфер использования компьютера в современном информационном обществе является хранение и обработка больших объёмов информации.

База данных (БД )- это систематизированное хранилище информации определённой предметной области, к которому могут иметь доступ различные пользователи для решения своих задач.

Далее на примере одной из самых распространенных систем управления базами данных - Microsoft Access входит в состав популярного пакета Microsoft Office - мы познакомимся с основными типами данных, способами создания баз данных и с приемами работы с базами данных.

База данных - организованная совокупность данных, предназначенная для длительного хранения во внешней памяти ЭВМ и постоянного применения. Для хранения БД может использоваться как один компьютер, так и множество взаимосвязанных компьютеров.

Если различные части одной базы данных хранятся на множестве компьютеров, объединенных между собой сетью, то такая БД называется распределенной базой данных.

Система управления базой данных (СУБД ) – это программное обеспечение, позволяющее создавать БД, обновлять хранимую в ней информацию и обеспечивающее удобный доступ к ней с целью просмотра и поиска.

В настоящее время наибольше распространение получили СУБД Microsoft Access, FoxPro , dBase . СУБД делятся по способу организации баз данных на сетевые, иерархические и реляционные СУБД.

Основные возможности СУБД:

ü Обновление, пополнение и расширение БД.

ü Высокая надёжность хранения информации.

ü Вывод полной и достоверной информации на запросы.

ü Средства защиты информации в БД.

БД бывают фактографическими и документальными .

В фактографических БД содержатся краткие сведения об описываемых объектах, представленные в строго определённом формате. В БД библиотеки хранятся библиографические сведения о каждой книге: год издания, автор, название и пр. В БД отдела кадров учреждения хранятся анкетные данные сотрудников: ф., и, о, год и место рождения и пр. БД законодательных актов в области уголовного права, к примеру, будет включать в себя тексты законов; БД современной музыки – тесты и ноты песен, справочную информацию о композиторах, поэтах, исполнителях, звуковые записи и видеоклипы. Следовательно, документальная БД содержит обширную информацию самого разного типа: текстовую, звуковую, мультимедийную.

Для хранения БД может использоваться как один компьютер, так и множество взаимосвязанных компьютеров.

Если различные части одной БД хранятся на множестве компьютеров, объединённых между собой сетью, то такая БД называется распределённой базой данных .

Известны три основных типа организации данных в БД и связей между ними:

· иерархический (в виде дерева),

· сетевой,

· реляционной .

В иерархической БД существует упорядоченность элементов в записи, один элемент считается главным, остальные – подчинёнными. Поиск какого-либо элемента данных в такой системе может оказаться трудоёмким из-за необходимости последовательно проходить несколько иерархических уровней.

Пример : иерархическую БД образует каталог файлов, хранимый на диске.

Такой же БД является родовое генеалогическое древо.

Сетевая БД отличается большей гибкостью, в ней существует возможность устанавливать дополнительно к вертикальным связям горизонтальные связи.

Реляционными БД (от англ. relation – «отношение») называются БД, содержащие информацию в виде прямоугольных таблиц. Согласно этому подходу, такая таблица называется отношением. Каждая строка таблицы содержит информацию об одном отдельном объекте описываемой в БД предметной области, а каждый столбец – определённые характеристики (свойства, атрибуты) этих объектов. Реляционная база данных, по сути, представляет собой двумерную таблицу . В реляционной БД используются четыре основных типов полей:

· Числовой,

· Символьный (слова, тексты, коды и т.д.),

· Дата (календарные даты в форме «день/месяц/год»),

· Логический (принимает два значения: «да» - «нет» или «истина» - «ложь»).

Окно базы данных содержит следующие элементы:

ü Кнопки : «СОЗДАТЬ» , «ОТКРЫТЬ» , «КОНСТРУКТОР» и т. д. Кнопки открывают объект в определенном окне или режиме.

ü Кнопки объектов . (Корешки выбора объектов, ярлычки.) «Таблица» , «Форма» и т. д. Кнопки объектов выводят список объектов, которые могут быть открыты или закрыты.

ü Список объектов. Выводит список объектов, выбираемых пользователем. В нашем варианте список пока пуст.

Основные объекты баз данных:

· Таблица – это объект, предназначенный для хранения данных в виде записей (строк) и полей (столбцов). Обычно каждая таблица используется для хранения сведений по одному конкретному вопросу.

· Форма – это объект Microsoft Access, предназначенный, в основном, для ввода данных. В форме можно разместить элементы управления, применяемые для ввода, изображения и изменения данных в полях таблицы.

· Запрос – объект, позволяющий получить нужные данные из одной или нескольких таблиц.

· Отчет – объект базы данных Microsoft Access, предназначенный для печати данных.

· Макросы – автоматизируют стандартные действия.

· Модули – автоматизируют сложные операции, которые нельзя описать макросами.

Реляционная СУБД – СУБД, управляющая реляционными базами данных.

Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Каждая реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:

каждый элемент таблицы – один элемент данных.

все ячейки в столбце таблицы однородные, то есть все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный и т. д.)

каждый столбец имеет уникальное имя

одинаковые строки в таблице отсутствуют

порядок следования строк и столбцов может быть произвольным

Строка таблицы называется записью, колонка – полем.

Первичный ключ (англ. primary key) – минимальное множество атрибутов, являющееся подмножеством заголовка данного отношения, составное значение которых уникально определяет кортеж отношения. На практике термин первичный ключ обозначает поле или группу полей таблицы базы данных, значение которого (или комбинация значений которых) используется в качестве уникального идентификатора записи этой таблицы. В реляционной теории таблица представляет собой неупорядоченный набор записей. Единственный способ идентифицировать определённую запись в этой таблице – это указать набор значений одного или нескольких полей, который был бы уникальным для этой записи. Отсюда и происходит понятие первичного ключа – набора полей таблицы, совокупность значений которых определена для любой записи (строки) этой таблицы и различна для любых двух записей.

Внешний ключ (англ. foreign key) – поле таблицы, предназначенное для хранения значения первичного ключа другой таблицы с целью организации связи между этими таблицами.

Пусть имеются таблицы A и B. Таблица A содержит поля a, b, c, d, из которых поле a – первичный ключ. Таблица B содержит поля x, y, z. В поле y содержится значение поля a одной из записей таблицы A. В таком случае поле y и называется внешним ключом таблицы A в таблице B.

Вот такой SQL-запрос вернёт все связанные пары записей из таблиц A и B:

select * from A, B where A.a = B.y;

Внешний ключ в таблице может ссылаться и на саму эту таблицу. В таких случаях говорят о рекурсивном внешнем ключе. Необходимо для реализации древовидной структуры данных в реляционной таблице.

СУБД поддерживают автоматический контроль ссылочной целостности на внешних ключах.

Виды связей таблиц

Существует три виды связей таблиц.

Связь с отношением «один-ко-многим». Является наиболее часто используемым типом связи между таблицами. В такой связи каждой записи в таблице A могут соответствовать несколько записей в таблице B, а запись в таблице B не может иметь более одной соответствующей ей записи в таблице A. Например, в одном подразделение может работать несколько сотрудников, но ни один сотрудник не может работать сразу в нескольких подразделениях. Принятое обозначение (1 – ∞).

Отношение «многие-ко-многим». При этом отношении одной записи в таблице A могут соответствовать несколько записей в таблице B, а одной записи в таблице B несколько записей в таблице A. Такая схема реализуется только с помощью третьей (связующей) таблицы, ключ которой состоит по крайней мере из двух полей, которые являются полями внешнего ключа в таблицах A и B. Например, между таблицами инспекторов и лиц, пересекающих границу, связь определяется отношением «многие-ко-многим». Один декларант может обсуживаться у нескольких инспекторов, в то же время инспектор может обслуживать несколько лиц. Такая связь определяется путем создания двух связей с отношением «один-ко-многим» для таблицы Инспектор_Декларант, в которой обязательно должны быть поля КлючИнспектора и КлючДекларанта.

При отношении «один-к-одному» запись в таблице A может иметь не более одной связанной записи в таблице B и наоборот. Этот тип связи используют не очень часто, поскольку такие данные могут быть помещены в одну таблицу. Связь с отношением «один-к-одному» используют для разделения очень широких таблиц или для отделения части таблицы по соображениям защиты.