Принципы построения баз данных

Содержание

 

 

Введение

 

     База  данных – это совокупность данных, упорядоченная для их использования, то есть набор данных, организованный по определенным правилам. Организации, работавшие с большим количеством бумажных документов – носителей информации: библиотеки, полиция, министерства старались упорядочить хранение и поиск информации путем создания картотек. В настоящее время термин “база данных” обычно применяется к упорядоченным массивам данных на компьютерных носителях информации – магнитных дисках, магнитных лентах, дисках с оптическим считыванием CD ROM, DVD, твердотельных блоках памяти FLASH. Обычно база данных является частью информационной системы организации, и система управления базой данных (СУБД) взаимодействует с прикладными программами пользователей, используя локальную, корпоративную или глобальную компьютерную сеть.

 

     1. Принципы построения баз данных

 

     Понятие “информация” применительно к вычислительной технике подразумевает все, что  представляется в ЭВМ (вводится, хранится, обрабатывается и выдается). База данных может быть определена как высший элемент иерархии структурных единиц информации, совокупность взаимосвязанных совместно хранящихся данных, используемых оптимальным образом для одного или нескольких приложений (Джеймс Мартин).

     Рассмотрим  иерархию структурных единиц информации:

     - бит  – наименьшая структурная единица; бит хранится в элементе памяти компьютера, имеющем два устойчивых состояния, которые можно интерпретировать как 0 и 1;

     - байт  – группа из 8 бит, имеющая адрес в оперативной памяти компьютера; в байт можно записать код одного из 255 символов, вводимых с клавиатуры при различных комбинациях клавиш;

     - поле  – группа байт;

     - запись – группа полей;

     - таблица – группа записей; обычно таблица записывается в отдельный файл, кроме базы данных Access, все объекты которой содержатся в одном файле;

     - база данных – группа таблиц и других объектов: запросы, формы, отчеты, программные модули, рисунки и т.д.

     2. Эволюция концепции базы данных

 

     Первым  этапом развития баз данных является файловый поход к организации  информации. При этом программист сам задавал структуру размещения записей в файле и их формат, а также создавал программные модули для записи, корректировки и чтения данных. Автор разрабатывал базу данных даже с использованием адресов данных в оперативной памяти и на магнитных лентах ЭВМ “Минск-22”, а программы для обработки данных были написаны в машинном коде. Жесткая привязка процедуры доступа к прикладной программе приводила к необходимости корректировки прикладной программы при изменении как структуры данных, так и запоминающего устройства. При изменении информации происходила полная перезапись файла.

     Развитие  файлового подхода заключается  в использовании методов доступа  к информации – специальных программных средств, предоставляющих доступ к данным заранее определенной структуры без учета используемых физических устройств. При этом, прикладной программист освобождается от необходимости переделки программ при изменении физического размещения данных при сохранении их логической структуры.

     Появились термины “физические данные” и “логические данные”. Под “физическими данными” понимается информация в виде, в котором организовано хранение данных на носителях информации. Под “логическими данными” понимается информация в виде, в котором ее представляет и потребляет пользователь. Можно сказать, что пользователь не знает физическую организацию и не использует физические данные, а в своей работе имеет дело только с логическими данными. Прикладная программа производит обращение к физическим данным, используя их логическое описание, при этом должен быть предусмотрен механизм перехода от логических данных к физическим и наоборот.

     По  мере развития средств обработки  становится очевидным, что прикладных программистов желательно сделать  независимыми как от изменений аппаратных средств хранения данных, так и от добавления к хранимым данным новых полей и взаимосвязей. Решение данных задач характерно для третьего этапа развития баз данных. Программное обеспечение, которое получает название системы управления базами данных – СУБД, позволяет обеспечить доступ к одним и тем же данным со стороны различных прикладных программ. СУБД служат для создания баз данных, их заполнения и корректировки, поиска и выборки необходимой информации и ее представления в наглядном виде.

     В состав СУБД входят  пакеты программ, библиотеки, а также логическое описание структуры данных и их физическое описание  (где и как записаны данные на магнитных носителях), создаваемые СУБД при инициации БД и  ее структуры.

       Несмотря на возможную организацию  крайне сложных структур данных, «хорошие» СУБД избавляют прикладного программиста от трудностей, связанных со сложностью структуры (независимо от того каким образом организованы данные «внутри», прикладной программист должен представлять себе файл в виде сравнительно простой структуры, которая спланирована в соответствии с требованиями его приложения). Очевидно, что СУБД должна располагать средствами отображения логических данных прикладных программистов в физическую структуру данных, которая запоминается на реальном носителе, и наоборот.

     Четвертый этап, длящийся до настоящего времени, связан с обеспечением возможности  изменения общей логической структуры  данных без изменения использующих ее прикладных программ посредством  использования концептуальной модели. Концептуальная модель должна разрабатываться таким образом, чтобы оставаться стабильной несмотря на изменения представлений программистов о данных, изменения физического хранения и организации данных концептуальная модель должна оставаться неизменной или увеличиваться с целью включения дополнительных типов данных. Основными преимуществами СУБД 4-го поколения являются простота развития базы данных, наличие средств администрации базы данных, реализующих функции управления доступа к информации и ее сохранности, возможность реализации заранее незапланированных запросов.

     Таким образом, СУБД является программным  средством, обеспечивающим интерфейс (взаимодействие) прикладных программ и операционной системы, в процессе обработки данных. Современные СУБД содержат развитый пользовательский интерфейс, который позволяет вводить и модифицировать информацию, выполнять поиск и представлять информацию в текстовом или графическом виде, а также средства программирования высокого уровня, с помощью которых можно создавать собственные приложения; например, СУБД Access включает в себя язык Visual Basic for Applications, позволяющий создавать экранные формы с активными элементами – полями, полями со списком, управляющими кнопками и другими.

     

     

       
 

     Рис 1. Схема обработки данных в информационной системе

     3. Технологическая схема работы СУБД

 

     Основной  функцией СУБД является выполнение операций поиска и предоставления информации прикладным программам. Рассмотрим более подробно последовательность основных действий, реализуемых СУБД в процессе считывания записи для прикладной программы. Данный процесс сопровождается рядом действий, зависящих от используемого программного обеспечения.

     Прикладная  программа выдает запрос на чтение записи системе управления базой  данных (1). Программа сообщает имя пользователя, затребовавшего данные и передает в запросе значение ключа сегмента или записи.

     Система управления базой данных получает в  распоряжение подсхему, используемую прикладной программой (описание данных для прикладной программы), и осуществляет в ней поиск описания данных на которые выдан запрос (2).

     

     Рис. 2. Технологическая схема работы СУБД 

     Система управления базой данных получает в  распоряжение схему (глобальное логическое описание данных) и с ее помощью  определяет какого типа или каких типов логические данные необходимы (3).

     Система управления базой данных просматривает  описание физической организации базы данных и определяет, какую физическую запись (или запись) требуется считать (4).

     Система управления базой данных выдает операционной системе команду чтения (5) требуемой записи (или записей).

     Операционная  система взаимодействует с физической памятью, в которой хранятся данные (6).

     Запрошенные данные передаются из памяти в системные  буферы (7).

     Система управления базой данных, осуществляя сравнение схемы и подсхемы, выделяет ту логическую запись, которая запрошена прикладной программой (8). Любое преобразование данных, необходимость в котором возникает из-за различия в описании одних тех же данных в схеме и подсхеме, выполняется системой управления базой данных.

     Система управления базой данных передает данные из системных буферов в рабочую  область прикладной программы (9).

     Система управления базой данных передает прикладной программе информацию о результатах  выполнения различных процедур по обслуживанию запроса (10). Эта информация содержит также сведения об ошибках, если они имеют место.

     Прикладная  программа обрабатывает данные, помещенные в ее рабочую область (11).

     В том случае, когда прикладная программа  обновляет запись, осуществляется аналогичная последовательность действий. Запись сначала обычным образом считывается и модифицируется в рабочей области программы, а затем системе управления базой данных передается команда записать обратно модифицированные данные. Система управления базой данных будет осуществлять все необходимые преобразования данных в системных буферах, обратные тем преобразованиям, которые были сделаны при считывании данных. Затем система управления базой данных выдает операционной системе команду “ЗАПИСАТЬ”.

     4. Требования, предъявляемые к СУБД

 

     Требования, предъявляемые к СУБД, можно рассматривать  как состав функций, которые подлежат реализации идеальной системой управления базами данных. Помимо основной функции системы управления базами данных – организации хранения и доступа к данным – подлежат реализации следующие функции:

     - целостность и непротиворечивость – обеспечение невозможности внесения в базу данных различных значений одной и той же характеристики одного и того же объекта;

     - восстанавливаемость – обеспечение сохранности информации базы данных при любых сбоях аппаратных и программных средств (наиболее распространенными способами реализации данной функции являются автоматическое создание резервных копий баз данных и ведение журналов транзакций);

     - согласованность – обеспечение блокировки доступа к информации в момент ее корректировки в целях невозможности получения частично измененной информации;

     - контролируемость – регистрация всех операций выполняемых с информацией базы данных (возможно обобщение функций контролируемости и восстанавливаемости ведением журнала транзакций);

     - безопасность и секретность – обеспечение невозможности непреднамеренного или умышленного получения, модификации и (или) разрушения информации базы данных;

     - перемещение данных (архивация базы данных) – обеспечение оптимального хранения данных, отвечающего реальной потребности в информации в текущий момент времени;