Элементы табличной структуры данных

Логическая и физическая организация БД

Нормальные формы, свойства нормальных форм

Рассматриваемые вопросы:

1. Понятие баз данных

2. Классификация баз данных

3. Классификация БД по моделям данных

1) Иерархическая модель

2) Сетевая модель

3) Реляционная модель

4. Элементы табличной (реляционной) структуры данных

5. Логическая и физическая организация баз данных

6. Нормальные формы, свойства нормальных форм

 

 

Литература:

1. Информатика. /Под ред. Н.В.Макаровой. – М.: Финансы и статистика, 2001

2. Информатика. Базовый курс /Под ред. С.В.Симоновича. – СПб.: «Питер», 2001

3. Информатика для юристов и экономистов /Под ред. С.В.Симоновича. – СПб.: «Питер», 2001

4. Информатика. 3-е изд. /А.Н.Степанов – СПб.: Питер, 2003

С базами данных мы постоянно сталкиваемся в своей повседневной жизни (телефонный справочник, школьный журнал, картотека сотрудников предприятия и т. д.). При этом базы данных могут быть представлены как в безмашинном варианте, так и машинном. Мы будем говорить о машинном варианте баз данных.

База данных (БД) — это организованная структура, предназначенная для хранения информации, обновления и использования.

Примеры баз данных:

q БД книжного фонда библиотеки;

q БД кадрового состава учреждения;

q БД законодательных актов в области уголовного права;и пр.

Сама по себе БД не может обслуживать запросы пользователя на поиск и обработку информации. БД – это только «информационный склад».

Чтобы управлять информацией, хранимой в БД, осуществлять поиск, сортировку, редактировать и т. п., необходима специальная программа — система управления базой данных (СУБД). Таким образом, надо различать сами БД, которые представляют собой упорядоченные определенным образом данные, и системы управления базами данных (СУБД) — специальные программы для создания и обработки базы данных.

В те годы, когда формировалось понятие баз данных, в них действительно хранились только данные. Однако сегодня большинство систем управления базами данных (СУБД) позволяют размещать в своих структурах не только данные, но и методы (то есть программный код), с помощью которых происходит взаимодействие с потребителем или с другими программно-аппаратными комплексами. Таким образом, мы можем говорить, что в современных базах данных хранятся отнюдь не только данные, но и информация.

Это утверждение легко пояснить, на примере, БД крупного банка. В ней есть все необходимые сведения о клиентах, об их адресах, кредитной истории, состоянии расчетных счетов, финансовых операциях и т. д. Доступ к этой базе имеется у некоторого количества сотрудников банка, но среди них вряд ли найдется такое лицо, которое имеет доступ ко всей базе полностью и при этом способно единолично вносить в нее произвольные изменения. Кроме данных, база содержит методы и средства, позволяющие каждому из сотрудников оперировать только с теми данными, которые входят в его компетенцию. В результате взаимодействия данных, содержащихся в базе, с методами, доступными конкретным сотрудникам, образуется информация, которую они потребляют и на основании которой в пределах собственной компетенции производят ввод и редактирование данных.

Классификация БД

По характеру хранимой в БД информации различают:

§ фактографические БД

§ документальные БД

 

Фактографические БД содержат данные, представляемые в краткой форме и строго фиксированных форматах. Например, различного рода каталоги (библиотечные, видео).

Документальные БД содержат обширную информацию самого разного типа: текстовую, графическую, звуковую, мультимедийную.

По технологии обработки БД делят на:

§ централизованные БД(вся информация хранится на одном компьютере);

§ распределенные БД (информация хранится на многих компьютерах, объединенных сетью).

По способу доступа к данным БД делят на:

§ локальный доступ(СУБД обрабатывает БД, которая хранится на той же вычислительной системе)[1];

§ удаленный доступ (обращение к БД, которая хранится на одной из систем). Удаленный доступ может быть выполнен по принципу файл-сервер или клиент-сервер.

Архитектура файл-сервер предполагает выделение одного из компьютеров сети (сервер) для хранения БД. Все остальные ПК сети (клиенты) копируют требуемую часть БД в свою память, где и происходит обработка.

Архитектура клиент-сервер предполагает, что сервер сам обрабатывает запросы и клиенты получают уже обработанные запросы. Этот способ удобен тем, что программа-клиент не обязана содержать все функции поддерживания и ведения БД.
Классификация БД по моделям данных

Ядром любой БД является модель представления данных.

Известны три основных типа (модели) организации данных и связей между ними: иерархический (в виде дерева), сетевой и реляционный.

Иерархическая модель

Иерархическая модель позволяет строить базы данных с древовидной структурой.

К основным понятиям иерархической модели относятся:

ü узел – набор атрибутов данных, описывающих объект;

ü связь – линия, связывающая узлы нижнего уровня с одним узлом вышележащего уровня.

ü Уровень – номер слоя узлов, отсчитанный от корня.

Узел вышележащего уровня называется предком для соответствующих ему узлов нижнего уровня. Узлы нижнего уровня называют потомками связанного с ними вышележащего узла.

В иерархической БД один элемент считается главным, остальные — подчиненными. На верхнем уровне дерева в этой модели имеется один узел – “корень”, на следующем уровне располагаются узлы, связанные с этим корнем, затем узлы, связанные с узлами предыдущего уровня и т.д., причем каждый узел может иметь только одного предка.

 

 

Рис.1 Иерархическая модель данных

Иерархическая структура может поддерживать только отношение типа "один-ко-многим". К каждому узлу существует единственный путь от корня.

Поиск данных в иерархической системе всегда начинается с корня. Затем производится спуск с одного уровня на другой пока не будет достигнут искомый уровень. Перемещения по системе от одной записи к другой осуществляются с помощью ссылок.

 

Рис.2 Иерархическая древовидная структура модели БД

 

Основные достоинства иерархической модели ‑ простота описания иерархических структур реального мира, однако, они часто содержат избыточные данные и плохо приспособлены для представления взаимосвязей типа "многие-ко-многим". Кроме того, не всегда удобно каждый раз начинать поиск нужных данных с корня, а другого способа перемещения по базе в иерархических структурах не имеется. Иерархические системы - старейшее поколение систем баз данных. Они разрабатывались для больших ЭВМ. Иерархическую БД образуют, например, каталоги файлов, хранящихся на диске. Такой же БД является родовое генеалогическое дерево.

К СУБД иерархического типа можно отнести многие системы управления файлами, в частности Total Commander, и пр. Некоторые СУБД, предназначенных для создания и ведения библиотечных баз данных, также имеют иерархический тип.

Сетевая модель

Сетевая модель, стандарт которой был разработан в начале 70-х годов, в отличие от иерархической модели поддерживает взаимосвязь типа "многие-ко-многим". Каждый порожденный элемент в них может иметь более одного предка.

Имеет те же составляющие, что и иерархическая, но каждый узел может быть связан с любым другим узлом.

В сетевых структурах потомок может иметь любое число предков.

 

 

Рис. 3 Сетевая модель

 

Рис.4 Сетевая структура модели БД

 

Однако обычно эти системы довольно сложны и требуют солидного программного обеспечения. В них, также как и в иерархических системах, переход от записи к записи производится по вставленным в каждую запись ссылкам. В свое время они были достаточно популярны и стали применяться для миникомпьютеров и для больших ЭВМ

Пример сетевой БД — глобальная компьютерная сеть Интернет. СУБД сетевого типа используются преимущественно в автоматизированных системах управления корпоративными бизнес-процессами.

Реляционная модель

Реляционными БД (от англ. слова relation — "отношение") называются БД, содержащие информацию, организованную в виде двумерных таблиц. Согласно этому подходу, такая таблица называется отношением.

В 1970 г. доктор Э.Ф. Кодд, математик и научный сотрудник фирмы IBM, предложил реляционную модель, основанную на представлении данных в виде таблиц. Одним из основных преимуществ реляционной модели является ее однородность. Все данные хранятся в плоских таблицах и только в них. В настоящее время практически все производственные СУБД различных масштабов используют реляционную модель.

В 1981 г. “за продолжительный фундаментальный вклад в теорию и практику развития СУБД” Кодду была вручена премия Тьюринга — самая престижная международная награда в области информационных технологий.

Сразу отметим, что теория реляционных баз данных изначально была сформулирована на строгом математическом языке, и именно строгие, формально определенные математические понятия наилучшим образом описывают суть вещей. Вместе с тем в большинстве случаев можно без особого ущерба пожертвовать строгостью терминологии в пользу прозрачности изложения, что мы и будем делать.

Основная идея реляционной модели заключается в следующем. База данных состоит из ряда неупорядоченных таблиц (в простейшем случае — из одной таблицы). Таблицами можно манипулировать посредством непроцедурных (декларативных) операций — запросов, результатами которых также являются таблицы.

На современных персональных компьютерах наибольшее распространение получили реляционные СУБД.

Существует немало различных СУБД реляционного типа — dBase, Clipper, Paradox, FoxPro, Clarion, Access.

Элементы табличной структуры данных

Строки таблицы в реляционной БД называются записями, а столбцы — полями. Итак:

q запись базы данных — это строка таблицы. Запись характеризует один объект БД и содержит набор значений, размещенных в полях БД;

q поле — столбец таблицы. Поле характеризует один из параметров каждого объекта базы данных.

Нередко слово “реляционная” (relational) в термине “реляционная модель” трактуют, основываясь на том, что в реляционной базе данных устанавливаются связи (relate) между таблицами. Такое объяснение удобно, но оно не является точным. В оригинальной системе терминов Кодда термины связи (relations), атрибуты (attributes) и кортежи (tuples) употреблялись там, где большинство из нас пользуется более привычными терминами таблицы, столбцы (поля) и строки (записи).

Таблица отражает тип объекта реального мира - сущность, а каждая ее строка один конкретный объект - экземпляр сущности.

Как правило, каждая сущность представляется одной таблицей. Каждая строка таблицы (одна запись) соответствует одному экземпляру сущности, а каждое поле описывает некоторое свойство (атрибут).

Каждый столбец таблицы имеет уникальное для своей таблицы имя. Столбцы расположены в таблице в соответствии с порядком следования их имен при ее создании. Таблица не может иметь менее одного столбца.

В отличие от столбцов строки не имеют имен, порядок их следования в таблице не определен, а количество - логически не ограничено. Так как строки в таблице не упорядочены, невозможно выбрать строку по ее позиции. Хотя в файле у каждой строки имеется номер, он не характеризует строку. Его значение изменяется при удалении строк из таблицы. Логически среди строк не существует “первой” и “последней”.

Реляционные системы исключили необходимость сложной навигации, поскольку данные представлены в них не в виде одного файла, а независимыми наборами, и для отбора данных используются операции реляционной алгебры ‑ прикладной теории множеств.

Данная модель опирается на систему понятий реляционной алгебры, важнейшие из которых: таблица, строка, столбец, отношение и первичный ключ, а все операции сводятся к манипуляциям с таблицами.

В каждой таблице реляционной модели должен быть столбец или совокупность столбцов, значения которых однозначно идентифицируют каждую строку таблицы. Этот столбец или их совокупность и называется первичным ключом таблицы.

Если таблица удовлетворяет требованию уникальности первичного ключа, она называется отношением. В реляционной модели все таблицы должны быть преобразованы в отношения. Отношения реляционной модели связаны между собой. Связи поддерживаются внешними ключами. Внешний ключ это столбец (совокупность столбцов), значение которого однозначно характеризует значения первичного ключа другого отношения.

Говорят, что отношение, в котором определен внешний ключ, ссылается на соответствующее отношение, в котором та же совокупность столбцов является первичным ключом.

Рис.4 Организация ссылки от одной таблицы к другой

В приведенном примере отношение "Сотрудник" ссылается на отношение "Отдел" через название отдела.

Кроме самих отношений в реляционной БД хранятся метаданные и другие объекты. Метаданными называют описатели таблиц, их столбцов, ключей и т.д. Эта информация представлена также в виде таблиц и размещается в словаре данных.

    СУБД (система управления базами данных) обычно поддерживает какую-нибудь одну из моделей организации данных, т.е. с их помощью можно создать базу данных вполне определенного типа.

 

Базы данных могут содержать различные объекты, но, забегая вперед, скажем, что основными объектами любой базы данных являются ее таблицы. Простейшая база данных имеет хотя бы одну таблицу. Соответственно, структура простейшей базы данных тождественно равна структуре ее таблицы.

 

Наиболее популярные СУБД для ПК:

- dBASE IV 1.1 (компания Ashton-Tate);

- Paradox 3.5 (фирма Borland International);

- Rbase 2.11 (компания Microrim);

- FoxPro (фирма Fox Software);

- Clipper 5.0 (компания Nantucket);

- db_VISTA III (корпорация Raima).

Все перечисленные СУБД, кроме db_VISTA III, основаны на реляционной модели данных. Система же db_VISTA базируется на сетевой модели.