Основные понятия и принципы программирования баз данных

ВВЕДЕНИЕ

     Важнейшая задача компьютерных систем - хранение и обработка данных. Современная  жизнь  немыслима  без  эффективного  управления.  Важной категорией являются системы обработки информации, от  которых  во  многом зависит эффективность работы  любого  предприятия ли  учреждения.  Такая система должна:

-обеспечивать  получение  общих  и/или  детализированных  отчетов  по  итогам работы;

-позволять легко определять тенденции изменения важнейших показателей;

-обеспечивать получение информации, критической по времени, без  существенных задержек;

-выполнять точный и полный анализ данных.

   Недостаточно  просто написать программу, взаимодействующую  с базой данных. Нужно уметь  правильно спроектировать эту базу данных. Проектирование баз данных, в общем, является первым шагом разработки приложения. Только когда база данных спроектирована, программист приступает непосредственно к проекту приложения.

   Основа  доклада - это программирование баз  данных - очень большой и серьезный  вопрос практического программирования. В докладе рассматриваются основные понятия и принципы программирования баз данных. Программисты большую часть своего времени тратят именно на проектирование баз данных и разработку приложений, работающих с ними. Это неудивительно - в настоящее время каждая государственная организация, каждая фирма или крупная корпорация имеют рабочие места с компьютерами. Имеется масса данных, которые нужно не только сохранить, но и обработать, получить комплексные отчеты. Без баз данных сегодня не обойтись. А завтра они будут еще нужней.

   Целью доклада является изучение теоретических  основ проектирования баз данных, характеристик современных систем управления базами данных, языковых средств, средств автоматизации проектирования баз данных, современных технологий организации баз данных, а также приобретение навыков работы в среде конкретных моделей.

     В результате изучения описанного  в докладе материала  мы  должны узнать:

   -принципы организации современных баз данных и систем управления базами данных;

   -основные модели данных;

   -стандарты языков описания и манипулирования данными для иерархической и сетевой моделей данных. Знать теоретические и математические основы реляционной модели данных: понятие отношения, кортежа, атрибута функциональных зависимостей, схемы отношения, понятие эквивалентных схем отношения;

   -теоретические основы средств манипулирования данными в реляционной модели реляционную алгебру. Знать современные языки манипулирования данными в реляционной модели QBE и SQL и уметь применять эти знания на практике для составления сложных запросов к реляционным базам данных;

   -основы создания баз данных;

   -основные методы защиты информации, применяемые в базах данных.

   Таким образом, изучая основные понятия и  принципы баз данных, мы сможем решать следующие задачи, а именно:

   -корректно проектировать базы данных с учетом функциональных зависимостей, знать и уметь применять на практике теорию нормализации;

   -составлять запросы к базе данных произвольной сложности на языке реляционной алгебры, QBE и SQL. Уметь переходить с одного языка на другой;

   -применять на практике понятие защиты базы данных, целостности и сохранности информации в базе данных;

   -применять на практике технологию базы данных для разработки конкретных систем. Уметь создавать базу данных и отдельные объекты: таблицы, формы, запросы, отчеты;

   -уметь проектировать макросы и разрабатывать модули для реализации более сложных функций работы приложений с базами данных. 
 
 

1 ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ БАЗ  ДАННЫХ

1.1 Понятие  баз данных, их классификация  и создание

   Под данными понимается информация, находящаяся в памяти ЭВМ или машинных носителях (дискете, магнитной ленте и др.).

   Под обработкой данных понимается совокупность задач, осуществляющих преобразование массивов данных. Обработка данных включает в себя ввод данных в ЭВМ, отбор данных по каким-либо критериям и параметрам, преобразование структуры данных, перемещение данных, вывод данных в табличном или ином удобном для пользователя виде.

   Под управлением данных понимается весь круг операций с  данными, которые необходимы для получения требуемого результата.

   Под базой данных  понимается совокупность взаимосвязанных данных некоторой предметной области, хранимых в памяти ЭВМ и организованных таким образом, чтобы эти данные могли быть использованы  для решения многих задач многими пользователями. База данных - это организованная структура, предназначенная для хранения информации. Создавая базу данных, пользователь стремится упорядочить информацию по различным признакам и быстро извлекать выборку с произвольным сочетанием признаков. Сделать это возможно, только если данные структурированы.

   Структурирование - это введение соглашений о способах представления данных.

   Пользователями  базы данных могут быть различные  прикладные программы, программные  комплексы, а также специалисты предметной области, выступающие в роли потребителей или источников данных, называемые конечными пользователями.

   В современной технологии баз данных предполагается, что создание базы данных, ее поддержка и обеспечение  доступа пользователей к ней  осуществляются централизованно с помощью специального программного инструментария - системы управления базами данных.

   База  данных - это поименованная совокупность структурированных данных, относящихся  к определенной предметной области. База данных - это информационная модель, позволяющая упорядоченно хранить данные о группе объектов, обладающих одинаковым набором свойств.

   Программное обеспечение, предназначенное для  работы с базами данных, называется системой управления базами данных

   Система управления базами данных - это комплекс программных и языковых средств, необходимых для создания баз данных, поддержания их в актуальном состоянии и организации поиска в них необходимой информации.

   Система управления базами данных организует хранение информации таким образом, чтобы ее было удобно: просматривать, пополнять, изменять, искать нужные сведения, делать любые выборки, осуществлять сортировку в любом порядке.

   Централизованный  характер управления данными в базе данных предполагает необходимость  существования некоторого лица (группы лиц), на которое возлагаются функции администрирования данными, хранимыми в базе.

   Классификация баз данных:

   По  характеру хранимой информации:  
- Фактографические (картотеки), 
- Документальные (архивы)

   По  способу хранения данных: 
- Централизованные (хранятся на одном компьютере), 
- Распределенные (используются в локальных и глобальных компьютерных сетях).

   По  структуре организации данных: 
- Табличные (реляционные), 
- Иерархические.

   По  способу доступа к данным базы данных разделяются на базы данных с локальным доступом и базы данных с удаленным (сетевым) доступом.

   Централизованные  базы данных с сетевым доступом могут  иметь следующую архитектуру: файл-сервер; клиент-сервер базы данных; "тонкий клиент" - сервер приложений - сервер базы данных (трехуровневая архитектура).

   Файл-сервер. Архитектура систем баз данных с сетевым доступом предполагает выделение одной из машин сети в качестве центральной (файловый сервер). На этот компьютер устанавливается операционная система для выделенного сервера (например, Microsoft Windows Server 2003). На нем же хранится совместно используемая централизованная база данных в виде одного или группы файлов. Файлы базы данных в соответствии с пользовательскими запросами передаются на рабочие станции, где и производится обработка информации. Рисунок 1.  При большой интенсивности доступа к одним и тем же данным производительность информационной системы падает. Пользователи могут создавать также локальные базы данных на рабочих станциях.

     
 
 

Рисунок 1 - Схема  работы с базой данных в локальной сети с выделенным файловым сервером

   Клиент-сервер. В этой архитектуре на выделенном сервере, работающем под управлением серверной операционной системы, устанавливается специальное программное обеспечение - сервер баз данных. Система управления баз данных подразделяется на две части: клиентскую и серверную. Основа работы сервера баз данных - использование языка запросов (SQL). Запрос на языке SQL, передаваемый клиентом (рабочей станцией) серверу базы данных, порождает поиск и извлечение данных на сервере. Извлеченные данные транспортируются по сети от сервера к клиенту. Рисунок 2. Тем самым, количество передаваемой по сети информации уменьшается во много раз.

     
 
 

Рисунок 2 - Схема работы с базой данных в архитектуре "Клиент-сервер"

   Трехуровневая архитектура функционирует в Интернет- и Интернет-сетях. Клиентская часть ("тонкий клиент"), взаимодействующая с пользователем, представляет собой HTML-страницу в Web-браузере либо Windows-приложение, взаимодействующее с Web-сервисами. Вся программная логика вынесена на сервер приложений, который обеспечивает формирование запросов к базе данных, передаваемых на выполнение серверу баз данных. Сервер приложений может быть Web-сервером или специализированной программой. Рисунок 3.

   

    
 

Рисунок 3 -  Схема работы с базой данных в трехуровневой архитектуре

   Понятие базы данных тесно связано с такими понятиями структурных элементов, как поле, запись, файл.

   Поле - элементарная единица логической организации данных, которая соответствует  неделимой единице информации - реквизиту.

   Запись - совокупность логически связанных  полей. Экземпляр записи - отдельная  реализация записи, содержащая конкретные значения ее полей.

   Файл (таблица) - совокупность экземпляров  записей одной структуры

   В структуре записи файла указываются поля, значения которых являются ключами: первичными, которые идентифицируют экземпляр записи, и вторичными, которые выполняют роль поисковых или группировочных признаков. 

   Информация  в базах данных структурирована  на отдельные записи, которыми называют группу связанных между собой элементов данных. Характер связи между записями определяет два основных типа организации баз данных: иерархический и реляционный.

   В иерархической базе данных записи упорядочиваются  в определенную последовательность, как ступеньки лестницы, и поиск данных может осуществляться последовательным «спуском» со ступени на ступень. Иерархическая база данных по своей структуре соответствует структуре иерархической файловой системы.

   В основе данной модели - иерархическая  модель данных. В этой модели имеется один главный объект и остальные - подчиненные - объекты, находящиеся на разных уровнях иерархии. Взаимосвязи объектов образуют иерархическое дерево с одним корневым объектом.

   Иерархическая база данных состоит из упорядоченного набора нескольких экземпляров одного типа дерева. Автоматически поддерживается целостность ссылок между предками и потомками. Основное правило: никакой потомок не может существовать без своего родителя.

   Реляционная база данных, по сути, представляет собой  двумерную таблицу.  
Столбцы таблицы называются полями: каждое поле характеризуется своим именем и топом данных. Поле базы данных – это столбец таблицы, содержащий значения определенного свойства.

   Строки  таблицы являются записями об объекте. Запись базы данных – это строка таблицы, содержащая набор значения определенного свойства, размещенный в полях базы данных.

   Системы управления базами данных позволяют  объединять большие объемы информации и обрабатывать их, сортировать, делать выборки по определенным критериям.

   Создание баз данных начинается с проектирования. Этапы проектирования баз данных: