ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 18

1.Основные понятия

Базы данных занимают все более прочное место в нашей жизни. Мы пользуемся ими для решения различных задач, из которых наиболее общими и часто встречающимися являются задачи хранения, постоянного обновления и анализа данных о каких-то объектах: документах, товарах, клиентах и т.д. В этом курсе рассматриваются основные понятия баз данных и круг задач, решаемых с их помощью. В качестве примера системы управления базами данных приводится популярная на сегодняшний день СУБД Microsoft Acces

Данные – любой тип информации, который хранится на диске компьютера. В качестве данных могут использоваться даты, денежные суммы, рисунки, слова или целые файлы.

База данных – это файл или набор файлов с данными, организованными определенным образом.

Система управления базами данных – набор программ, предназначенный для работы с информацией, хранимой в базе данных.

Реляционной базой данныхназывается база данных, построенная на основе связанных таблиц. Каждая таблица хранит информацию об однотипных объектах: товарах, клиентах, поставщиках, заказах и т.п.

Записью называется информация об одном объекте, которая содержится в одной строке таблицы

Полем называется информация об одном свойстве объекта, которая содержится в одном столбце таблицы.

Ключевым полем называется поле, однозначно определяющее запись. Иными словами, в таблице не может быть двух записей с одинаковыми значениями ключевого поля.

1.1. Понятия базы данных, системы баз данных, системы управления базами данных

В широком смысле слова база данных (БД) – это совокупность сведений о конкретных объектах реального мира в какой-либо предметной области.

Для удобной работы с данными их необходимо структурировать, т.е. ввести определенные соглашения о способах их представления.

База данных (в узком смысле слова) — поименованная совокупность структурированных данных относящихся к некоторой предметной области

В реальной деятельности в основном используют системы БД.

Система баз данных (СБД) – это компьютеризированная система хранения структурированных данных, основная цель которой – хранить информацию и предоставлять ее по требованию.

Системы БД существуют и на малых, менее мощных компьютерах, и на больших, более мощных. На больших применяют в основном многопользовательские системы, на малых – однопользовательские.

Однопользовательская система (single-user system) – это система, в которой в одно и то же время к БД может получить доступ не более одного пользователя.

Многопользовательская система (multi-user system) - это система, в которой в одно и то же время к БД может получить доступ несколько пользователей.

Основная задача большинства многопользовательских систем – позволить каждому отдельному пользователю работать с системой как с однопользовательской.

Различия однопользовательской и многопользовательской систем – в их внутренней структуре, конечному пользователю они практически не видны.

 

Система баз данных содержит четыре основных элемента: данные, аппаратное обеспечение, программное обеспечение и пользователи.

Данные в БД являются интегрированными и общими.

· Интегрированные – значит, данные можно представить как объединение нескольких, возможно перекрывающихся, отдельных файлов данных. (Например, имеется файл, содержащий данные о студентах – фамилию, имя, отчество, дату рождения, адрес и т.д., а другой – о спортивной секции. Необходимые данные о студентах, посещающих секцию, можно получить путем обращения к первому файлу.)

· Общие – значит, отдельные области данных могут использовать различные пользователи, т.е. каждый из этих пользователей может иметь доступ к одной и той же области данных, даже одновременно. (Например, одни и те же данные БД о студентах может одновременно использовать студенческий отдел кадров и деканат.)

К аппаратному обеспечению относятся:

· Накопители для хранения информации вместе с подсоединенными устройствами ввода-вывода, каналами ввода-вывода и т.д.

· Процессор (или процессоры) вместе с основной памятью, которая используется для поддержки работы программного обеспечения системы.

Между собственно данными и пользователями располагается уровень программного обеспечения. Ядром его является система управления базами данных (database management system – DBMS), или диспетчер БД (database manager).

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

Основная функция СУБД – это предоставление пользователю БД возможности работы с ней, не вникая в детали на уровне аппаратного обеспечения. Т.е. все запросы пользователя к БД, добавление и удаление данных, выборки, обновление данных – все это обеспечивает СУБД.

Иными словами, СУБД поддерживает пользовательские операции высокого уровня. Сюда включены и операции, которые можно выполнить с помощью языка SQL.

SQL - это специальные язык БД. Сейчас он поддерживается большинством СУБД, он является официальным стандартом языка для работы с реляционными системами. Название SQL вначале было аббревиатурой от Structured Query Language (язык структурированных запросов), сейчас название языка уже не считается аббревиатурой, т.к. функции его расширились и не ограничиваются только созданием запросов.

СУБД – это не единственный программный компонент системы, хотя и наиболее важный. Среди других – утилиты, средства разработки приложений, средства проектирования, генераторы отчетов и т.д.

 

Пользователей СБД можно разделить на три группы:

· Прикладные программисты. Отвечают за написание прикладных программ, использующих БД. Для этих целей применимы различные языки программирования. Прикладные программы выполняют над данными стандартные операции – выборку, вставку, удаление, обновление – через соответствующий запрос к СУБД. Такие программы бывают простыми – пакетной обработки, или оперативными приложениями – для поддержки работы конечного пользователя.

· Конечные пользователи. Работают с системами БД непосредственно через рабочую станцию или терминал. Конечный пользователь может получить доступ к БД, используя оперативное приложение или интегрированный интерфейс самой СУБД (такой интерфейс тоже является оперативным приложением, но встроенным). В большинстве систем есть хотя бы одно такое встроенное приложение – процессор языка запросов (или командный интерфейс). Язык SQL – пример языка запросов для БД. Кроме языка запросов в современных СУБД, как правило, есть интерфейсы, основанные на меню и формах – для непрофессиональных пользователей. Понятно, что командный интерфейс более гибок, содержит больше возможностей.

· Администраторы БД. Отвечают за создание БД, технический контроль, обеспечение быстродействия системы, ее техническое обслуживание.

СУБД имеют свою архитектуру. В процессе разработки и совершенствования СУБД предлагались различные архитектуры, но самой удачной оказалась трехуровневая архитектура, предложенная исследовательской группой ANSI/SPARC американского комитета по стандартизации ANSI (American National Standards Institute). Упрощенная схема архитектуры СУБД приведена на рис. 1.

 

 

 

Внешний уровень – это уровень пользователя. По сути, это совокупность внешних представлений данных, которые обрабатывают приложения и какими их видит пользователь на экране. Это может быть таблица с отсортированными данными, с примененным фильтром, форма, отчет, результат запроса. Внешние представления взаимосвязаны, т.е. из одного внешнего представления можно получить другое.

Концептуальный уровень – центральный. Здесь БД представлена в наиболее общем виде, который объединяет данные, используемые всеми приложениями. Т.е. это обобщенная модель предметной области, для которой созданы БД. Можно сказать, что концептуальный уровень формируется при создании таблиц (определение их полей, типов, свойств), связей, а так же при заполнении таблиц.

Физический уровень – собственно данные, расположенные на внешних носителях.

. Реляционная модель состоит из трех взаимосвязанных частей, которые кратко можно назвать объекты, целостность данных и операторы.

 

2.1. Реляционные объекты данных

Существует специальная терминология, принятая в теории реляционных БД (рис. 3)

Подпись: Кардинальное число

(количество кортежей)

Подпись: Первичный ключПодпись: кортежи

 

Рис. 3. Реляционные объекты данных

 

№

Фамилия

Имя

Отчество

Адрес

Телефон

Иванов

Иван

Иванович

Ленина,12-4

22-22-22

Петров

Петр

Петрович

Свободы,2-9

33-33-33

Андреев

Андрей

Андреевич

Грина,34-18

44-44-44

Отношением называется вся таблица, отвечающая определенным свойствам (о которых более подробно – ниже).

Отношение характеризуется следующими понятиями:

Атрибут соответствует столбцу этой таблицы, а именно – свойствам объектов, сведения о которых хранятся в ней. В конкретных СУБД атрибуты часто называют полями.

Первичный ключ – это атрибут (или множество атрибутов), значения которого уникально идентифицируют кортежи (записи).

Кортеж соответствует заполненной строке таблицы. В конкретных СУБД кортежи называют записями.

Степень отношения – количество его атрибутов.

Кардинальное число – количество кортежей в отношении в текущий момент времени.

Домен – это общая совокупность значений, из которой берутся конкретные значения для конкретного атрибута.

2.1.1. Домены

Домены более точно можно определить как именованное множество скалярных значений одного типа. Эти скалярные значения называют скалярами. По сути, это наименьшая семантическая (смысловая) единица данных. У скаляров нет внутренней структуры, т.е. они не разложимы в данной реляционной модели.

Например, если имеется атрибут (свойство объекта) «ФИО», он предусматривает скаляры, содержащие фамилию, имя и отчество. Конечно, эти скаляры можно еще разбить на буквы, но тогда будет утрачен нужный смысл. То есть для данной модели наименьшими семантическими единицами данных будут именно фамилия, имя и отчество.

Из доменов, как уже говорилось, берутся значения атрибутов. На практике домены часто не описывают, а задают типом, форматом и другими свойствами данных. Каждый атрибут должен быть определен на единственном домене.

Основное назначение доменов — ограничение сравнения различных по смыслу атрибутов.

Например: Если для атрибутов №ЗачетнойКнижки отношения Студенты и №Кабинета для отношения Кабинеты домены заданы следующим образом:

№ зачетной книжки = {100000, 100001, 100002, … 999999}

№ кабинета = {1, 2, 3, … 999},

то система выдаст ошибку на запрос типа: «Вывести всех студентов, № зачетной книжки которых совпадает с № кабинета». Если же домены не определены, а определен только целый тип данных для атрибутов №ЗачетнойКнижки и №Кабинета, то подобный запрос выполнится, хотя не будет иметь смысла.

Еще одно возможное применение доменов – использование их в специальных запросах. Например, «Какие отношения в БД включают атрибуты, определенные на домене «№ зачетной книжки»?». В системе, поддерживающей домены, такой запрос будет иметь смысл и результатом его будет список отношений, где используется № зачетной книжки (это могут быть отношения Студенты, Занятия, Успеваемость, …). А в системе, где домены не определены, реализовать такого рода запрос гораздо сложнее – если через имена атрибутов, то они могут не совпадать (имена атрибутов, содержащих № зачетной книжки могут варьироваться: № зачетки, № зачетной книжки и т.п.), а если через тип – то получится много лишних отношений, т.к. немало атрибутов может иметь целый тип данных.

2.1.2. Отношения

С отношением связаны понятия переменной отношения и значения отношения.

Переменная отношения — обычная переменная, т.е. именованный объект, значение которого может изменяться со временем (по сути - это множество заданных атрибутов данного отношения).

Значение отношения — значение переменной отношения в конкретный момент времени (по сути - это сохраненные кортежи отношения).

Дадим более точное, формальное, определение отношения.

Отношение R1, определенное на множестве доменов D1, D2, …, Dn (необязательно различных), состоит из двух частей: заголовка и тела.

Заголовок содержит фиксированное множество пар {Ai:Di}, где Ai – имя атрибута, Di – имя домена.

Тело содержит множество пар {Ai:Zij}, где Ai – имя атрибута, Zij – значение i-ого атрибута в j-ом кортеже.

i = 1,2,…n, где n – степень отношения,

j = 1,2,…m, где m – кардинальное число.

Например, рассмотрим отношение Студенты БД Факультет:

Заголовок: {№ЗачетнойКнижки : Целый; Фамилия : Текстовый; Имя : Текстовый; ДатаРождения : Дата; Адрес : Текстовый; Группа : Текстовый}

Тело: {№ЗачетнойКнижки : 111111; Фамилия : Петров; Имя : Петр; Отчество : Петрович; ДатаРождения : 12.03.83; Адрес : Свободы, 12-45; Группа : ИНФ-21}

{№ЗачетнойКнижки : 222222; Фамилия : Иванов; Имя : Иван; Отчество : Иванович; ДатаРождения : 25.11.83; Адрес : Ленина, 65-9; Группа : ИНФ-21}

и т.д.

Для упрощенного описания отношения и его атрибутов будем использовать следующую запись:

ИмяОтношения (ИмяАтрибута1, ИмяАтрибута2, …, ИмяАтрибутаN),

где будем подчеркивать атрибуты, входящие в первичный ключ и где N – степень отношения.

Свойства отношений

1. Нет одинаковых кортежей. Это следует из того, что тело отношения определено как математическое множество кортежей, а множество по определению не содержит одинаковых элементов.

Следствие этого свойства: в отношении всегда существует первичный ключ.

2. Кортежи неупорядочены. Это следует также из того, что тело отношения определено как математическое множество кортежей. А математическое множество по определению не упорядочено. Именно поэтому в отношении не существует таких понятий, как «следующий», «предыдущий», «второй кортеж» и т.п.

3. Атрибуты не упорядочены. Это следует из того, что заголовок отношения определен как математическое множество атрибутов. А множество не упорядочено по определению. Т.е. опять нет понятий «первый атрибут», «следующий атрибут» и т.п.

4. Все значения атрибутов неделимы. Это следствие того, что каждый атрибут определен на своем домене, а домен – множество неделимых скаляров.