Системы управления базами данных (СУБД, DBMS – Database Management System)

Управление информацией  всегда было основной сферой применения компьютеров и, надо думать, будет  играть еще большую роль в будущем. Системы управления базами данных (СУБД, DBMS – Database Management System) на протяжении всего пути развития компьютерной техники совершенствовались, поддерживая все более сложные уровни абстрактных данных, заданных пользователем, и обеспечивая взаимодействие компонентов, распределенных в глобальных сетях и постепенно интегрирующихся с телекоммуникационными системами. Позволив себе рассуждения в стиле Билла Гейтса, предположим, что результатом будет становление систем управления информацией одной из частей повседневной жизни каждого.

История развития компьютерной техники – это история непрерывного движения от языка и уровня коммуникации машины к уровню пользователя. Если первые машины требовали от пользователя оформления того, что ему нужно (то есть написания программ), в машинных кодах, то языки программирования четвертого уровня (4GLs) позволяли конечным пользователям, не являющимся профессиональными программистами, получать доступ к информации без детального описания каждого шага, но только с встроенными предопределенными типами данных – например, таблицами.

Последним шагом в этом направлении стала объектно-ориентированная технология, радикально изменившая сферу разработки программного обеспечения уже в 1990-х годах. Объектно-ориентированный подход позволяет упаковывать данные и код для их обработки вместе. Таким образом практически снимается ограничение на типы данных, позволяя работать на любом уровне абстракции.

Эволюция систем управления информацией шла параллельно  этому прогрессу, начиная с низкоуровневых программ, которые, например, напрямую производили операции чтения и записи со всей памятью без ограничения  доступа, лентой, цилиндрами и дорожками  диска и более высокоуровневыми средствами – файловыми системами, которые оперировали с такими понятиями, как массивы, записи и  индексы для повышения производительности. Базы данных в свою очередь начинали с модели записей и индексов (ISAM и др.), приобретая со временем способность восстановления после сбоев, проверки целостности данных и возможности работы нескольких пользователей одновременно. Эти ранние модели данных (CODASYL) относились скорее к уровню машинной ориентации. В дальнейшем реляционные базы данных, пришедшие на смену в 1980-х годах, приобрели механизм запросов, позволяющий пользователю указать требуемое, предоставив СУБД самой оптимальным образом найти результат, используя динамическую индексацию.

Обьектно-ориентированные СУБД (ООСУБД) стали разрабатываться с середины 80-х годов в основном для поддержки приложений САПР. Сложные структуры данных систем автоматизированного проектирования оказалось очень удобно оформлять в виде объектов, а технические чертежи проще хранить в базе данных, чем в файлах. Это позволяет обойтись без декомпозиции графических структур  на элементы и записи их в файлы после завершения работы с чертежом, выполнения обратной операции при внесении любого изменения. Если типичные реляционные базы данных имеют связи глубиной в два уровня, то иерархическая информация чертежей САПР обычно включает порядка десяти уровней, что требует достаточно сложных операций для “сборки” результата. Объектные базы данных хорошо соответствовали подобным задачам, и эволюция многих СУБД началась именно с рынка САПР.

Между тем рынок САПР был  быстро насыщен, и в начале 90-х годов производители ООСУБД обратили внимание на другие области применения, уже прочно занятые реляционными СУБД. Для этого потребовалось оснастить ООСУБД функциями оперативной обработки транзакций (OLTP), утилитами администратора баз данных (database administrator – DBA), средствами резервного копирования/восстановления и т. д. Работы в данном направлении продолжаются и сегодня, но уже можно сказать, что переход к коммерческим приложениям идет достаточно успешно.

Реляционные базы данных

В реляционных базах данных (Relational Database System, RDBS) все данные отображаются в двумерных таблицах. База данных, таким образом, это ни что иное, как набор таблиц. RDBS и ориентированные на записи системы организованы на основе стандарта B-Tree или методе доступа, основанном на индексации – Indexed Sequential Access Method (ISAM) и являются стандартными системами, использующимися в большинстве современных программных продуктов. Для обеспечения комбинирования таблиц для определения связей между данными, которые практически полностью отсутствуют в большинстве программных реализаций B-Tree и ISAM, используется языки, подобные SQL (IBM), Quel (Ingres) и RDO (Digital Equipment), причем стандартом отрасли в настоящее время стал язык SQL, поддерживаемый всеми производителями реляционных СУБД.

Оригинальная версия SQL – это интерпретируемый язык, предназначенный для выполнения операций над базами данных. Язык SQL был создан в начале 70-х как интерфейс для взаимодействия с базами данных, основанными на новой для того времени реляционной теории. Реальные приложения обычно написаны на других языках, генерирующих код на языке SQL и передающих их в СУБД в виде текста в формате ASCII. Нужно отметить также, что практически все реальные реляционные (и не только реляционные) системы помимо реализации стандарта ANSI SQL, известного сейчас в последней редакции под именем SQL2 (или SQL-92), включают в себя дополнительные расширения, например, поддержка архитектуры клиент-сервер или средства разработки приложений.

Строки таблицы составлены из полей, заранее известных базе данных. В большинстве систем нельзя добавлять новые типы данных. Каждая строка в таблице соответствует  одной записи. Положение данной строки может изменяться вместе с удалением  или вставкой новых строк.

Чтобы однозначно определить элемент, ему должны быть сопоставлены поле или набор полей, гарантирующих  уникальность элемента внутри таблицы. Такое поле или поля называются первичным ключом (primary key) таблицы и часто являются числами. Если одна таблица содержит первичным ключ другой, это позволяет организовать связь между элементами разных таблиц. Это поле называетсявнешним ключом (foreign key).

Так как все поля одной  таблицы должны содержать постоянное число полей заранее определенных типов, приходится создавать дополнительные таблицы, учитывающие индивидуальные особенности элементов, при помощи внешних ключей. Такой подход сильно усложняет создание сколько нибудь сложных взаимосвязей в базе данных. Желающим убедится, что это действительно так  и не пожалевшим на это определенный отрезок времени, компания POET Software любезно предоставляет возможность ознакомиться с примером в своей “белой книге” “POET Technical Reference”. База данных рядового предприятия общепита (клиенты – Джордж Буш и Эдди Мэрфи) состоит из четырех таблиц.

Еще один крупный недостаток реляционных баз данных – это  высокая трудоемкость манипулирования  информацией и изменения связей.