Базовые понятия дисциплины «Базы данных»

 

1. Информационная модель (или модель данных) отображает сведения, содержащие как данные, так и взаимосвязи между ними.

Модель данных– это некоторая абстракция, которая, будучи приложенной к конкретным данным, позволяет пользователям и разработчикам трактовать их уже как информацию, то есть сведения, содержащие не только данные, но и взаимосвязь между ними.

2.Архитектура ANSI/SPARC включает три уровня:

· внешний (пользовательский),

· концептуальный,

· внутренний (физический).

3.Уровни моделирования, выделяемые при разработке базы данных. Используются для перехода от предметной области к конкретной реализации базы данных.

· Инфологическое (концептуальное) проектирование – построение семантической модели предметной области, то есть информационной модели наиболее высокого уровня абстракции - это сбор, анализ и редактирование требований к данным.

· Логическое (даталогическое) проектирование – создание схемы базы данных на основе конкретной модели данных, например, реляционной модели данных, т.е. преобразование требований к данным в структуры данных. На выходе получается СУБД-ориентированная структура БД и спецификации прикладных программ. Даталогические модели данных отражают три аспекта работы с данными – задание структуры данных, правила обеспечения целостности данных, правила манипулирования данными.

· Физическое проектирование – определение особенностей хранения данных, методов доступа и т.д.Физические модели БД определяют способы размещения данных в среде хранения и способы доступа к этим данным, которые поддерживаются на физическом уровне и описываются средствами конкретной СУБД.

4. База данных обеспечивает хранение информации и представляет собой поименованную совокупность данных, организованных по определенным правилам, включающим общие принципы описания, хранения и манипулирования данными.

5. Метаинформациясодержит описание базы данных (в буквальном смысле метаинформация – это информации об информации). Описание баз данных часто называют схемой. Кроме описания баз данных в состав метаинформации, хранимой в БнД, может включаться информация о предметной области, необходимая для проектирования автоматизированной информационной системы, о пользователях БнД, о проектных решениях, описания отдельных частей базы данных с точки зрения конкретных пользователей и т.д.

6.Централизованное хранилище метаинформации называется словарем данных (репозиторием).

7.Программное обеспечение, которое управляет доступом к базе данных, называется системой управления базами данных (СУБД).

Система управления базами данных представляет собой пакет прикладных программ и совокупность языковых средств, предназначенных для создания, сопровождения и использования баз данных.

8.Основными функциями СУБД являются:

· непосредственное управление данными во внешней памяти и поддержание логически согласованного набора файлов;

· обеспечения языка манипулирования данными; для работы с базами данных используются специальные языки, называемые языками баз данных, содержащие все необходимые средства для работы с базой данных и обеспечивающие базовый пользовательский интерфейс;

· восстановление информации после разного рода сбоев; для этого необходимо хранить дополнительную информацию в журнале изменений базы данных, он ведется автоматически без участия пользователя СУБД;

· возможность параллельной работы нескольких пользователей; эта возможность осуществляется с помощью транзакций. Данная функция обеспечивается за счет механизма, который гарантирует выполнение либо всех операций обновления данных, либо ни одной из них.

9.Процесс проектирования БД представляет собой последовательность переходов от неформального словесного описания информационной структуры предметной области к формализованному описанию объектов предметной области в терминах некоторой модели.

10.При проектировании базы данных решаются две основные проблемы.

· Каким образом отобразить объекты предметной области в абстрактные объекты модели данных, чтобы это отображение не противоречило семантике предметной области и было, по возможности, лучшим (эффективным, удобным и т.д.)? Часто эту проблему называют проблемой логического проектирования баз данных.

· Как обеспечить эффективность выполнения запросов к базе данных, т.е. каким образом, имея в виду особенности конкретной СУБД, расположить данные во внешней памяти, создания каких дополнительных структур (например, индексов) потребовать и т.д.? Эту проблему обычно называют проблемой физического проектирования баз данных.

11. Нормализация отношений – это процесс построения оптимальной структуры таблиц и связей в реляционной базе данных.

12.В теории реляционных баз данных обычно выделяется следующая последовательность нормальных форм:

· первая нормальная форма (1NF);

· вторая нормальная форма (2NF);

· третья нормальная форма (3NF);

· нормальная форма Бойса-Кодда (BCNF);

· четвертая нормальная форма (4NF);

· пятая нормальная форма, или нормальная форма проекции-соединения (5NF или PJ/NF);

· доменно-ключевая нормальная форма (DKNF);

· шестая нормальная форма (6NF).

13. Основные свойства нормальных форм:

· каждая следующая нормальная форма в некотором смысле лучше предыдущей;

· при переходе к следующей нормальной форме свойства предыдущих нормальных форм сохраняются.

14.Таблица в 1 нормальной форме должна соответствовать следующим требованиям:

1. Таблица не должна иметь повторяющихся записей.

2. В таблице должны отсутствовать повторяющиеся группы полей.

3. Все столбцы содержат только неделимые значения.

15.Таблица представлена во 2НФтогда и только тогда, когда:

1. Таблица представлена в 1НФ.

2. Любой неключевой атрибут полностью определен первичным ключом.

16.О таблице говорят, что она находится в 3НФ, если:

1. Она удовлетворяет условиям 2НФ.

2. Ни одно из неключевых полей не идентифицируется с помощью другого неключевого поля (любой не ключевой атрибут нетранзитивно функционально зависит только от первичного ключа).

Основные понятия реляционной теории баз данных

· Домен

· Отношение

· Тип данных

· Атрибут

· Кортеж

· Ключ

Основными объектами реляционной модели данных являются отношения и домены. Базовой структурой данных в модели является отношение, основанное на декартовом произведении доменов.

Домен – это множество значений, которое может принимать элемент данных (например, множество целых чисел, множество дат, множество комбинаций символов длиной N и т.п.). Домен может задаваться перечислением элементов, указанием диапазона значений, функцией и т.д.

Отношение – подмножество декартова произведения доменов. В реляционной модели данных отношение (таблица) – это некоторая регулярная структура, состоящая из конечного набора однотипных записей.

Тип данных характеризует вид хранящихся данных. Традиционное (нестрогое) определение типа данных состоит из трех основных компонентов:

· определение множества значений данного типа;

· определение набора операций, применимых к значениям типа;

· определение способа внешнего представления значений типа (литералов).

Каждая запись одного отношения состоит из конечного числа полей, причем конкретное поле каждой записи одной таблицы может содержать данные только одного типа.

В отношении выделяют следующие элементы: кортежи и атрибуты.

Элементы отношения называются кортежами (записями). Каждый кортеж отношения соответствует одному экземпляру сущности определённого типа и представляет отдельную строку таблицы (отношения).

Элементы кортежа принято называть атрибутами. Атрибут – это информационное отображение свойств объекта. Каждый объект характеризуется рядом основных атрибутов. Каждый атрибут в модели должен иметь уникальное имя – идентификатор. Атрибут при реализации информационной модели на каком-либо носителе информации часто называют элементом данных или полем данных.

Объектом называется элемент информационной системы, информация о котором сохраняется. В реляционной теории баз данных объект называется сущностью.

18. Свойства отношений:

1) Отсутствие кортежей-дубликатов. Действительно, тело отношения есть математическое множество кортежей и, как всякое множество, не может содержать неразличимые элементы. Таблицы в отличие от отношений могут содержать одинаковые строки. (К большому сожалению, стандарт SQL позволяет, чтобы таблицы содержали одинаковые строки). Важным следствием этого свойства является наличие у каждого значения отношения первичного ключа. Первичный ключ – это уникальный идентификатор для таблицы, то есть столбец или такая комбинация столбцов, что в любой момент времени не существует двух строк, содержащих одинаковое значение в этом столбце или комбинации столбцов.

2) Кортежи не упорядочены (сверху вниз). Это свойство также следует из того, что тело отношения – это математическое множество, а простые множества в математике не упорядочены. Строки в таблицах, как правило, упорядочены (идут в определенном порядке). Одно и то же отношение может быть изображено разными таблицами, в которых строки идут в различном порядке.

3) Атрибуты не упорядочены (слева направо). Т.к. каждый атрибут имеет уникальное имя в пределах отношения, то порядок атрибутов не имеет значения. Столбцы в таблице обычно упорядочены. Одно и то же отношение может быть изображено разными таблицами, в которых столбцы идут в различном порядке.

4) Все значения атрибутов неразделимы (атомарны). Это следует из того, что лежащие в их основе атрибуты имеют атомарные значения. Главное в атомарности значений атрибутов состоит в том, что реляционная СУБД не должна обеспечивать пользователям явной видимости внутренней структуры значения. Со всеми значениями можно обращаться только с помощью операций, определенных в соответствующем типе данных. Из этого свойства следует понятие нормализации отношений. Отношение, удовлетворяющее этому условию, называется нормализованным отношением. Принято говорить, что в реляционных базах данных допускаются только нормализованные отношения, или отношения, представленные в первой нормальной форме. Математическое отношение не всегда нормализовано.

19. Ключевым элементом данных (ключом) называется такой элемент, по которому можно определить значения других элементов данных.

Первичные ключ – это атрибут (или группа атрибутов), которые единственным образом идентифицируют каждую запись отношения. Понятие первичного ключа является исключительно важным в связи с понятием целостности баз данных.

Альтернативный ключ – это атрибут (или группа атрибутов), несовпадающий с первичным ключом и уникально идентифицирующий экземпляр объекта.

Внешний ключ – это атрибут (столбец), значения которого однозначно характеризуют сущности, представленные строками некоторого другого отношения, т.е. задают значения их первичного ключа. Говорят, что отношение, в котором определен внешний ключ, ссылается на соответствующее отношение, в котором такой же атрибут является первичным ключом.

20. Связь – это функциональная зависимость между сущностями.

Родительская сущность является главной (справочной), дочерняя сущность является зависимой, производной от главной (сводной).

21. Типы связей: идентифицирующая, неидентифицирующая, полная/неполная категория, неспецифическая связь (многие-ко-многим).

Связь называется идентифицирующей, если экземпляр дочерней сущности идентифицируется (однозначно определяется) через ее связь с родительской сущностью. Атрибуты, составляющие первичный ключ родительской сущности, при этом входят в первичный ключ дочерней сущности. Дочерняя сущность при идентифицирующей связи всегда является зависимой.

Связь называется неидентифицирующей, если экземпляр дочерней сущности идентифицируется иначе, чем через связь с родительской сущностью. Атрибуты, составляющие первичный ключ родительской сущности, при этом входят в состав не ключевых атрибутов дочерней сущности.

В зависимости от того, все или не все возможные сущности дочерней категории (сущности-подтипы) включены в модель, категорийная связь является полной или неполной. Примеры таких связей представлены на следующих рисунках.

22. Мощность связи представляет собой отношение количества экземпляров родительской сущности к соответствующему количеству экземпляров дочерней сущности. Для любой связи, кроме неспецифической, эта связь записывается как 1:n.

Есть несколько видов связи:

§ Один-к-одному (1:1)– означает, что каждая запись в одной таблице соответствует только одной записи в другой таблице.

§ Один-ко-многим (1:М) –одной записи в одной таблице (родительской) соответствует несколько записей в другой (дочерней).

§ Много-ко-многим (М:М) –нескольким записям в одной таблице соответствуют несколько записей в другой (например, список товаров и покупателей – несколько товаров могут быть куплены несколькими покупателями).

23. Типа ограничений целостности:

§ целостность сущностей и

§ целостность ссылок или ссылочная целостность.

24.Ограничение целостности сущностей состоит в том, что любой кортеж отношения должен отличаться от любого другого его кортежа, т.е., другими словами, любое отношение должно обладать первичным ключом. Это требование удовлетворяется автоматически, если в системе не нарушаются базовые свойства отношений.

25. NULL-значение – это некий маркер, показывающий, что значение неизвестно.

26.Под ссылочной целостностью понимается обеспечение требования, чтобы значения внешнего ключа экземпляра дочерней сущности соответствовали значениям первичного ключа в родительской сущности.

27. Транзакция – это последовательность операций, выполняемых отдельным пользователем или прикладной программой над БД, рассматриваемых СУБД как единое целое. Либо транзакция успешно выполняется, и СУБД фиксирует (commit) изменения БД, произведенные этой транзакцией, во внешней памяти, либо ни одно из этих изменений никак не отражается на состоянии БД, происходит откат транзакции. Откат (rollback) транзакции означает, что все уже выполненные операции, входящие в состав транзакции, отменяются и объекты базы данных, затронутые этими операциями, возвращены в исходное состояние. Понятие транзакции необходимо для поддержания логической целостности БД.

28. Объекты, поддерживаемые СУБД:

· объекты, предназначенные для хранения данных (в реляционных СУБД это таблицы, поля);

· индексы – объекты БД, поддерживаемые СУБД для повышения производительности сортировки и поиска данных и обеспечения уникальности данных (реализации ключей);

· ограничения или правила (constraints, rules) – объекты, содержащие сведения об ограничениях, накладываемых на возможные значения полей и так называемые ссылочные ограничения (referential constraints), включают в себя, прежде всего, ограничения на уникальные непустые значения первичного ключа и ограничения на внешние ключи (внешний ключ может содержать только значения первичного ключа другой таблицы);

· представления (views) – виртуальные таблицы, предоставляющую данные из одной или нескольких реальных таблиц;

· триггеры (triggers) – это предварительно определенное действие или последовательность действий, автоматически осуществляемых при выполнении операций обновления, добавления или удаления данных;

· хранимые процедуры (stored procedures) – это специальный вид процедур, которые выполняются сервером баз данных, пишутся на процедурном языке, зависящем от конкретной СУБД, могут вызывать друг друга, читать, изменять данные в таблицах, вызваться из клиентского приложения, работающего с базой данных;

· объекты для генерации первичных ключей;

· списки пользователей и ролей.

29. SQL (Structured Query Language – «язык структурированных запросов») – универсальный компьютерный язык, применяемый для создания, модификации и управления данными в реляционных базах данных.

30. Группы операторов SQL:

1. Операторы DDL (Data Definition Language) – операторы определения объектов БД, предназначенных для создания БД (таблиц, индексов и т.д.) и редактирования ее схемы. В операторов определения объектов базы данных допустимо использовать данные определенных в языке типов.

2. Операторы DML (Data Manipulation Language) – операторы манипулирования данными, предназначенные для внесения изменений в содержимое таблиц базы данных.

3. Операторы определения доступа к данным DCL (Data Control Language)–операторы, определяющие права и возможности доступа к данным.

4. Операторы управления транзакциями TCL (Transaction Control Language) –операторы, определяющие правила управления транзакциями, защиту данных.

 

31. Темпоральные БД позволяют сохранить информацию об эволюции объектов предметной области: для любого объекта, который был создан в момент времени t_start и закончил свое существование в момент времени t_end, в базе данных будут сохранены все его состояния на временном интервале [t_start,t_end].