Современные системы управления базами данных

Современные системы управления базами данных

Введение

Базы данных использовались в вычислительной технике с незапамятных времен. В первых компьютерах использовались два вида внешних устройств - магнитные ленты и магнитные барабаны. Емкость магнитных лент была достаточно велика. Устройства для чтения-записи магнитных лент обеспечивали последовательный доступ к данным. Для чтения информации, которая находилась в середине или конце магнитной ленты, необходимо было сначала прочитать весь предыдущий участок. Следствием этого являлось чрезвычайно низкая производительность операций ввода-вывода данных во внешнюю память. Магнитные барабаны давали возможность произвольного доступа, но имели ограниченный объем хранимой информации.

Разумеется, говорить о какой-либо системе управления данными во внешней памяти, в тот момент не приходилось. Каждая прикладная программа, которой требовалось хранить данные во внешней памяти, сама определяла расположение каждого блока на магнитной ленте. Прикладная программа также брала на себя функции информационного обмена между оперативной памятью и устройствами внешней памяти с помощью программно-аппаратных средств низкого уровня. Такой режим работы не позволяет или очень затрудняет поддержку на одном носителе нескольких архивов долговременно хранимой информации. Кроме того, каждой прикладной программе приходилось решать проблемы именования частей данных и структуризации во внешней памяти.

база данные сетевая реляционная

1.       Сетевая модель данных

Сетевая модель данных позволяет отображать связи М:М. Обычно она представляет собой ориентированный мультиграф, вершинами которого являются объекты, а ребрами - связи между объектами. Вершины такого графа соединены параллельными ребрами, имеющими определенные направления.

Рис. 1

Построенную ранее логическую структуру данных представим в виде сети. Стрелками обозначены связи 1:М. Стрелки, расположенные между объектами ПРЕПОДАВАТЕЛЬ - СТУДЕНТ и ПРЕПОДАВАТЕЛЬ - ПРЕДМЕТ двунаправленные, так как в логической структуре данных между этими объектами существует связь М:М.

В сетевой модели связям между объектами присваиваются имена, отражающие смысл каждой из связей. Поименованная связь представляет собой связь определенного типа, т.е. в сетевой модели, кроме понятия тип объекта существует понятие тип связи. В рассмотренной модели установлены 5 типов связей: Ученики, Учителя, Лектор, Читаемый предмет, Изучаемый предмет.

В описании схемы БД каждый из типов объектов описывается записью определенного типа, поэтому в дальнейших рассуждениях понятие тип записи будем использовать наряду с понятием тип объекта.

Основной конструктивной единицей сетевой модели является тип набора. При описании типа набора один из типов записи определяется как владелец набора, а запись другого типа определяется как член набора. Между владельцем и членом набора устанавливается связь определенного типа. Имя связи рассматривается как имя набора. В рассмотренной модели представлены 5 типов наборов. Набор Ученики (владелец набора - запись типа ПРЕПОДАВАТЕЛЬ, член набора - запись типа СТУДЕНТ), Набор Учителя (владелец набора - запись типа СТУДЕНТ, член набора - запись типа ПРЕПОДАВАТЕЛЬ), набор Читаемый предмет (владелец набора - запись типа ПРЕПОДАВАТЕЛЬ, член набора - запись типа ПРЕДМЕТ), набор Лектор (владелец набора - запись типа ПРЕДМЕТ, член набора - запись типа ПРЕПОДАВАТЕЛЬ) и набор Изучаемый предмет (владелец набора - запись типа СТУДЕНТ, член набора - запись типа ПРЕДМЕТ).

На схеме сети в вершинах графа изображены лишь типы объектов и указаны их имена. Необходимо помнить о том, что каждый из типов объектов описывается совокупностью свойств.

СТУДЕНТ (№ зачетной книжки, ФИО, Группа, Средний балл);

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ (ФИО_П, Должность);

ПРЕДМЕТ (Наименование, Часы, Отчетность).

Определив значения свойств, получим экземпляры объектов данного типа и, соответственно, экземпляры записей. Например, (Кошкин И.И., доцент), (Мышкин М.М., ассистент) - это два экземпляра объекта типа ПРЕПОДАВАТЕЛЬ. Для дальнейших рассуждений примем следующие сокращения для идентификации экземпляров объектов: Преподаватель 1, Преподаватель 2, …. , Студент 1, Студент 2, ….., Предмет 1, Предмет 2 и т.д.

При определении конкретных значений свойств объектов оперируют терминами экземпляр набора, экземпляр владельца и экземпляр члена набора.

В каждом экземпляре набора определенного типа содержится единственный экземпляр записи - владельца набора и множество экземпляров записей - членов набора, т.е. между владельцем набора и членами набора существует связь 1:М

С учетом принятых сокращений изобразим фрагмент экземпляра схемы БД, в котором отображены связи типа Ученики и Читаемый предмет для нескольких экземпляров записей типа ПРЕПОДАВАТЕЛЬ, ПРЕДМЕТ и СТУДЕНТ. У Преподавателя 1 учениками являются Студент 1, Студент 3 и Студент 4, этот преподаватель читает Предмет 1 и Предмет 3. Преподаватель 2 читает Предмет 2, его учениками являются Студент 2, Студент 3 и Студент 5.

Данный фрагмент содержит 2 экземпляра набора типа Читаемый предмет и 2 экземпляра набора типа Ученики (владельцы - Преподаватель 1 и Преподаватель 2).

Сетевая модель сложна для восприятия, а СУБД, поддерживающие сетевую модель, довольно сложны в эксплуатации. Поэтому сетевую модель обычно приводят к виду иерархической или реляционной модели. Однако, у сетевой модели есть очень важное достоинство: эта модель данных не избыточная, так как каждый экземпляр записи хранится в БД единожды, т.е. отсутствует дублирование экземпляров записей.

. Иерархическая модель данных

Иерархическая модель данных основана на принципе иерархического подчинения типов объектов. Среди объектов предметной области выделяют порождающие типы объектов и порожденные типы. Между ними устанавливаются допустимые в иерархии связи.

Иерархическая модель данных - частный случай сетевой модели, так как дерево представляет собой граф, на который наложены определенные ограничения. Так, например, в дереве возможны только однонаправленные связи - от порождающей вершины к порожденной. Каждая порожденная вершина может иметь единственную порождающую вершину, но каждая порождающая - любое количество порожденных вершин. Поэтому в иерархической модели могут присутствовать лишь связи 1:М.

Сеть приводится к виду дерева введением избыточности. При этом все вершины сети неоднократно повторяются в тех деревьях, которыми заменяют сеть.

Полученная выше сетевая модель данных представляет собой сложную сеть, т.к. она имеет вид ориентированного мультиграфа (между объектами, входящими в сеть, имеются двусторонние связи). К виду дерева можно  привести лишь простую сеть, представленную графом, не имеющим параллельных ребер. Если в виде дерева надо представить сложную сеть, то  последнюю вначале приводят к простому виду, а потом полученные простые сети заменяют деревьями.

Преобразуем сложную сеть к виду простой сети, а затем к виду дерева.

На рис. цифрой 1 обозначена вершина, содержащая запись об объекте ПРЕПОДАВАТЕЛЬ, цифрой 2 - вершина СТУДЕНТ, цифрой 3 - вершина ПРЕДМЕТ. Из рисунка видно, что иерархическая модель данных рассматриваемой предметной области состоит из двух типов деревьев, причем отдельные вершины деревьев повторяются неоднократно.

Разместив в вершинах экземпляры записей, изобразим фрагмент экземпляра схемы. На рисунке изображены два экземпляра дерева первого типа.

В БД будет содержаться множество экземпляров деревьев каждого типа: количество экземпляров деревьев первого типа равно числу студентов, количество экземпляров деревьев второго типа равно числу преподавателей.

3.   Реляционная модель данных

Реляционная модель была предложена американским математиком Е. Коддом в 1970 г. Это единственная из моделей БД, основанная на специальном разделе математики - теории отношений. Благодаря математическому обоснованию удалось сформулировать достаточно строгие правила построения модели данных. Языки данных, основанные на математическом аппарате теории отношений, позволяют составлять любые запросы к БД и выполнять разнообразные операции манипулирования данными.

В реляционной модели все данные представлены в табличной форме. Каждому типу объекта сопоставлена отдельная таблица. Таблице присваивается имя, обычно совпадающее с именем объекта. Свойствам объекта сопоставлены столбцы таблицы, называемые также полями. Каждое поле имеет уникальное имя, обычно совпадающее с именем соответствующего свойства. Строки каждой таблицы, называемые также записями, содержат значения свойств и соответствуют экземплярам объекта данного типа. Представим объекты рассматриваемой предметной области в табличной форме.

СТУДЕНТ ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

ПРЕДМЕТ

Между таблицами реляционной модели должны быть установлены связи, существующие между объектами предметной области, т.е. все те связи, которые были установлены нами в рассмотренной выше сетевой модели.

В реляционной модели нет специальных средств для представления связей. Все связи устанавливаются через одинаковые значения одноименных столбцов, содержащихся в различных таблицах. Эти столбцы должны соответствовать одному и тому же свойству.

Для установления связи 1:М в таблицу, находящуюся на стороне М, вводятся дополнительные столбцы из таблицы, находящейся на стороне 1.Для установления связи М:М приходится создавать дополнительную связующую таблицу, содержащую столбцы из связываемых таблиц. Между каждой из связываемых таблиц и вновь созданной таблицей устанавливается связь 1:М. Если между таблицами существует связь 1:1, то их можно объединить в одну.

Установим связи между таблицами. Для установления связей Читаемый предмет и Лектор можно создать связующую таблицу ПРЕПОДАВАТЕЛЬ_ПРЕДМЕТ, содержащую столбцы ФИО_П и Наименование. Каждая из записей этой таблицы будет содержать фамилию преподавателя и наименование читаемого им предмета.

Таблицу ПРЕПОДАВАТЕЛЬ можно связать с таблицей ПРЕПОДАВАТЕЛЬ_ПРЕДМЕТ по столбцу ФИО_П связью 1:М (связь Читаемый предмет).

Каждой записи таблицы ПРЕПОДАВАТЕЛЬ (с определенной фамилией преподавателя) в таблице ПРЕПОДАВАТЕЛЬ_ПРЕДМЕТ будет соответствовать несколько записей (по числу читаемых этим преподавателем предметов). Таблицу ПРЕДМЕТ также можно связать с таблицей ПРЕПОДАВАТЕЛЬ_ПРЕДМЕТ по столбцу Наименование связью 1:М (связь Лектор).

Для создания связей Учителя и Ученики можно создать связующую таблицу СТУДЕНТ_ПРЕПОДАВАТЕЛЬ, состоящую из столбцов ФИО_П и ФИО. Эта таблица связывается с таблицей СТУДЕНТ по столбцу ФИО, а с таблицей ПРЕПОДАВАТЕЛЬ - по столбцу ФИО_П.

ПРЕДМЕТ ПРЕПОДАВАТЕЛЬ СТУДЕНТ

Для данной схемы связь Изучаемый предмет будет установлена между таблицами СТУДЕНТ и ПРЕДМЕТ через таблицы СТУДЕНТ_ПРЕПОДАВАТЕЛЬ и ПРЕПОДАВАТЕЛЬ_ПРЕДМЕТ.

Связи, существующие между объектами предметной области, могут обладать определенными свойствами. Эти свойства можно представить дополнительными столбцами в связующих таблицах.

В процессе установления связей в таблицы вводятся избыточные данные, т.к. в связующих таблицах присутствуют столбцы, уже имеющиеся в других таблицах. Избыточность данных, присущая реляционной модели, требует особого внимания к вопросу обеспечения целостности и непротиворечивости данных.

Таблицы реляционной модели строятся по определенным правилам. Некоторые из них таковы:

в таблице не должно быть столбцов с одинаковыми именами;

в каждом столбце должны содержаться данные, имеющие одинаковый смысл и принадлежащие к одному и тому же типу;

в таблицах не должно быть повторяющихся строк;

каждое значение, содержащееся на пересечении строки и столбца, должно быть атомарным (логически неделимым);

в таблице должен присутствовать столбец (или набор из нескольких столбцов), значения в котором не повторяются и уникальны для каждой из строк.

Эти и другие правила построения таблиц будут обсуждаться ниже.

При соблюдении всех правил построения таблиц каждую из них можно рассматривать как математическое отношение (relation). Тогда над таблицами можно выполнять математические операции реляционной алгебры и теории множеств. Именно эти операции положены в основу ЯМД реляционных СУБД.

Достоинством реляционной модели является ее наглядность, так как таблица - это привычная и понятная форма представления данных. Но самое важное достоинство реляционной модели - это ее математическая обоснованность. Этот факт обеспечивает возможность формулировки достаточно строгих правил построения модели и возможность выполнения любых манипуляций с данными.

Заключение

Современные системы управления базами данных обеспечивают как физическую (независимость от способа хранения и метода доступа), так и логическую независимость данных (возможность изменения одного приложения без изменения остальных приложений, работающих с этими же данными).

Современные СУБД дают возможность включать в них не только текстовую и графическую информацию, но и звуковые фрагменты и даже видеоклипы.

Простота использования СУБД позволяет создавать новые базы данных, не прибегая к программированию, а пользуясь только встроенными функциями. СУБД обеспечивают правильность, полноту и непротиворечивость данных, а также удобный доступ к ним.

Популярные СУБД - FoxPro, Access for Windows, Paradox. Для менее сложных применений вместо СУБД используются информационно-поисковые системы (ИПС), которые выполняют следующие функции:

· хранение большого объема информации;

· быстрый поиск требуемой информации;

· добавление, удаление и изменение хранимой информации;

· вывод ее в удобном для человека виде.

Список использованной литературы

1. Информатика. Базовый курс /Симонович С.В. и др. - СПб: Издательство «Питер», 2000. - 640с.

. Информатика. Учебное пособие /Под ред. В.Г. Кирия. - Иркутск: ИрГТУ, 1998 часть 2. - 382с.

. Информатика. Учебное пособие /Ломтадзе В.В., Шишкина Л.П. - Иркутск: ИрГТУ, 1999. - 116с.