Базы 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.

История БД фактически началась с появлением магнитных дисков. Такие  устройства внешней памяти обладали существенно большей емкостью, чем  магнитная лента и барабаны, а также обеспечивали во много раз большую скорость доступа в режиме произвольной выборки. В отличие от современных систем управления, которые могут применяться для самых различных баз данных, подавляющее большинство ранее разработанных СУБД были тесно связаны с пользовательской базой для того, чтобы увеличить скорость работы, хоть и в ущерб гибкости.

Первоначально СУБД применялись  только в крупных организациях с  мощной аппаратной поддержкой, необходимой  для работы с большими объемами данных.

Современные авторы часто  употребляют термины "банк данных" и "база данных" как синонимы, однако в общеотраслевых руководящих материалах по созданию банков данных Государственного комитета по науке и технике (ГКНТ), изданных в 1982 г., эти понятия различаются.

Там приводятся следующие  определения банка данных, базы данных и СУБД:

Банк  данных (БнД) - это система специальным образом организованных данных - баз данных, программных, технических, языковых, организационно-методических средств, предназначенных для обеспечения централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования данных.

База  данных (БД) - именованная совокупность данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области.

Система управления базами данных (СУБД) - совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.

 

 

 

1.Основные понятия баз данных

 

В современных базах  данных хранятся не только данные, но и информация.

База данных (БД)– организованная структура, предназначенная для хранения информации. Современные БД позволяют размещать в своих структурах не только данные, но и методы (т.е. программный код), с помощью которых происходит взаимодействие с потребителем или другими программно-аппаратными комплексами.

Системы управления базами данных (СУБД) – комплекс программных средств, предназначенных для создания структуры новой базы, наполнения ее содержанием, редактирования содержимого и визуализации информации. Под визуализацией информации базы понимается отбор отображаемых данных в соответствии с заданным критерием, их упорядочение, оформление и последующая выдача на устройство вывода или передача по каналам связи.

Существует много систем управления базами данных. Они могут по-разному работать с разными объектами и предоставляют пользователю разные функции и средства. Большинство СУБД опираются на единый устоявшийся комплекс основных понятий.

 

2.Классификация

В зависимости от архитектуры построения системы  управления базами СУБД могут подразделяться на следующие типы:

-Иерархические 

-Сетевые 

-Табличные

 

Иерархический тип

Окружающий мир  переполнен иерархическими данными. Любая  группа объектов, в которой один объект может быть «родителем» для  произвольного числа других объектов, организована в виде иерархического дерева. При работе с иерархиями используется «семейная» терминология (родители, внуки, предки, потомки), поскольку семья является самым распространённым примером объектов (в данном случае – людей), объединённых иерархическими отношениями. В то же время место объекта в иерархическом дереве - не более чем условное обозначение связи с другими объектами. Иерархическая структура всего лишь помогает сохранить и найти объект.

Иерархические модели имеют древовидную структуру, где каждому узлу соответствует  один сегмент, представляющий собой поименованный линейный кортеж полей данных. Каждому сегменту соответствует один входной и несколько выходных сегментов. Каждый элемент структуры лежит на единственном иерархическом пути, начинающемся от корневого. Иерархические базы данных наиболее пригодны для моделирования структур, по своей природе являющихся иерархическими. В качестве примеров можно привести воинские подразделения или сложные механизмы, состоящие из более простых узлов, которые в свою очередь тоже можно подвергнуть декомпозиции. Тем не менее существует значительное количество организаций, не сводящихся к простой иерархии. В этой модели запрос, направленный вниз по иерархии, прост, однако запрос, направленный вверх по иерархии, более сложен. К достоинствам иерархической модели данных относятся эффективное использование памяти ЭВМ и неплохие показатели времени выполнения основных операций над данными. Иерархической базой данных является файловая система, состоящая из корневой директории, в которой имеется древовидная структура поддиректорий и файлов.

Организация данных в СУБД иерархического типа определяется в терминах: элемент, агрегат, запись (группа), групповое отношение, база данных.   
   

Атрибут (элемент данных) - наименьшая единица структуры данных. Обычно каждому элементу при описании базы данных присваивается уникальное имя. По этому имени к нему обращаются при обработке. Элемент данных также часто называют полем.

Запись - именованная совокупность атрибутов. Использование записей позволяет за одно обращение к базе получить некоторую логически связанную совокупность данных. Именно записи изменяются, добавляются и удаляются. Тип записи определяется составом ее атрибутов. Экземпляр записи - конкретная запись с конкретным значением элементов

Групповое отношение - иерархическое отношение между записями двух типов. Родительская запись (владелец группового отношения) называется исходной записью, а дочерние записи (члены группового отношения) - подчиненными. Иерархическая база данных может хранить только такие древовидные структуры.

Корневая запись каждого дерева обязательно должна содержать ключ с уникальным значением. Ключи некорневых записей должны иметь уникальное значение только в  рамках группового отношения. Каждая запись идентифицируется полным сцепленным ключом, под которым понимается совокупность ключей всех записей от корневой по иерархическому пути.

При графическом  изображении групповые отношения  изображают дугами ориентированного графа, а типы записей - вершинами (диаграмма  Бахмана).

Для групповых  отношений в иерархической модели обеспечивается автоматический режим включения и фиксированное членство. Это означает, что для запоминания любой некорневой записи в БД должна существовать ее родительская запись. При удалении родительской записи автоматически удаляются все подчиненные.  

Структурная часть иерархической  модели

Основными информационными  единицами в иерархической модели данных являются сегмент и поле. Поле данных определяется как наименьшая неделимая единица данных, доступная  пользователю. Для сегмента определяются тип сегмента и экземпляр сегмента. Экземпляр сегмента образуется из конкретных значений полей данных. Тип сегмента — это поименованная совокупность входящих в него типов полей данных.

Как и сетевая, иерархическая модель данных базируется на графовой форме построения данных, и на концептуальном уровне она является просто частным случаем сетевой модели данных. В иерархической модели данных вершине графа соответствует тип сегмента или просто сегмент, а дугам — типы связей предок — потомок. В иерархических структуpax сегмент — потомок должен иметь в точности одного предка.

Иерархическая модель представляет собой связный  неориентированный гpaф древовидной структуры, объединяющий сегменты. Иерархическая БД состоит из упорядоченного набора деревьев. 

Недостатки 

К основным недостаткам  иерархических моделей следует  отнести: неэффективность, медленный  доступ к сегментам данных нижних уровней иерархии, четкая ориентация на определенные типы запросов и др. Также недостатком иерархической  модели является ее громоздкость для  обработки информации с достаточно сложными логическими связями, а  также сложность понимания для  обычного пользователя. Иерархические  СУБД быстро прошли пик популярности, которая обусловливалась их ранним появлением на рынке. Затем их недостатки сделали их неконкурентоспособными, и в настоящее время иерархическая  модель представляет исключительно  исторический интерес.  

 

Сетевые базы данных

Сетевая модель расширяет иерархическую модель, позволяя группировать связи между записями в множества. С логической точки зрения связь — это не сама запись. Связи лишь выражают отношения между записями. Как и в иерархической модели, связи ведут от родительской записи к дочерней, но на этот раз поддерживается множественное наследование.

Следуя спецификации CODASYL, сетевая модель поддерживает DDL (Data Definition Language — язык определения  данных) и DML (Data Manipulation Language — язык обработки  данных). Это специальные языки, предназначенные для определения структуры базы данных и составления запросов. Несмотря на их наличие, программист по-прежнему должен знать структуру базы данных.

В сетевой модели допускаются  отношения "многие ко многим", а  записи не зависят друг от друга. При удалении записи удаляются и все ее связи, но не сами связанные записи.

В сетевой модели требуется, чтобы связи устанавливались  между существующими записями во избежание дублирования и искажения  целостности. Данные можно изолировать  в соответствующих таблицах и связать с записями в других таблицах.

Программисту не нужно  заботиться о том, как организуется физическое хранение данных на диске. Это ослабляет зависимость приложений и данных. Но в сетевой модели требуется, чтобы программист помнил структуру данных при формировании запросов.

Оптимальную структуру  базы данных сложно сформировать, а  готовую структуру трудно менять. Если вид таблицы претерпевает изменения, все отношения с другими таблицами  должны быть установлены заново, чтобы  не нарушилась целостность данных. Сложность подобной задачи приводит к тому, что программисты зачастую отменяют некоторые ограничения целостности ради упрощения приложений.

Примеры сетевых СУБД: СООБЗ Cerebrum, ИСУБД CronosPRO[2], dbVista, Cache, GT.M

Сетевая БД состоит из набора записей и набора связей между этими записями. На формирование связи особых ограничений не накладывается. В иерархических структурах запись-потомок должна иметь в точности одного предка, а в сетевой структуре данных потомок может иметь любое число предков.

Достоинства

Достоинством сетевой модели данных является возможность эффективной  реализации по показателям затрат памяти и оперативности. В сравнении  с иерархической моделью сетевая  модель предоставляет большие возможности  в смысле допустимости образования произвольных связей. В рамках сетевых СУБД легко реализуются и иерархические даталогические модели. Сетевые СУБД поддерживают сложные соотношения между типами данных, что делает их пригодными в различных приложениях. Таким образом, к основным преимуществам сетевых СУБД относятся следующие:

 

   1. обработка больших объемов  информации (возможность построения  на основе таких СУБД «хранилищ  данных»);

   2. поддержка аналитической  обработки данных;

   3. эффективная реализация  обработки данных по показателям затрат памяти и оперативности.

Недостатки

Пользователи сетевых СУБД ограничены связями, определенными для них  разработчиками БД-приложений. Подобно  иерархическим, сетевые СУБД предполагают разработку БД приложений опытными программистами и системными аналитиками.

Также к недостаткам  сетевой модели данных относится  высокая сложность и жесткость  схемы БД, построенной на ее основе, а также сложность для понимания  и выполнения обработки информации в БД обычным пользователем. Кроме того, в сетевой модели данных ослаблен контроль целостности связей вследствие допустимости установления произвольных связей между записями.

Табличные базы данных.

Табличная база данных содержит перечень объектов одного типа, т. е. объектов с одинаковым набором свойств. Такую базу данных удобно представлять в виде двумерной таблицы.

Рассмотрим, например, базу данных «Компьютер» (табл.), представляющую собой перечень объектов (компьютеров), каждый из которых имеет имя (название). В качестве характеристик (свойств) могут выступать тип процессора и объем оперативной памяти.

Столбцы такой таблицы  называют полями; каждое поле характеризуется  своим именем (названием соответствующего свойства) и типом данных, отражающих значения данного свойства. Поля Название и Тип процессора — текстовые, а Оперативная память — числовое. При этом каждое поле обладает определенным набором свойств (размер, формат и др.). Так, для поля Оперативная память задан формат данных целое число.

Поле базы данных —  это столбец таблицы, включающий в себя значения определенного свойства.