Системы управления базами данных

Организация баз данных и выбор систем управления базами данных

Введение

Широкое использование систем переработки информации в различных сферах управленческой деятельности, для решения сложных экономических задач, проведения научных исследований обусловливают повышенные требования к эффективности организации данных в условиях коллективного пользования.

Традиционный способ организации данных в виде массивов, ориентированных на конкретные задачи, отличается статичностью, жесткой привязкой к соответствующему программному обеспечению, приводит к дублированию при накоплении и проверке данных, вызывает значительный перерасход памяти на их хранение, частую реорганизацию данных при изменении задач и т.п.

Одним из главных путей преодоления указанных недостатков является создание баз данных, обеспечивающих поддержание в системе динамической информационной модели сложных управляемых объектов и процессов и коллективный доступ к ней.

Организация баз данных

База данных (БД) определяется как совокупность взаимосвязанных данных, характеризующихся: возможностью использования для большого количества приложений; возможностью быстрого получения и модификации необходимой информации; минимальной избыточностью информации; независимостью прикладных программ; общим управляемым способом поиска.

Возможность использования базы данных для многих прикладных программ пользователя упрощает реализацию комплексных запросов, снижает избыточность и повышает эффективность использования информации в системах обработки данных. Минимальная избыточность и возможность быстрой модификации позволяют поддерживать данные на одинаковом уровне обновления. Независимость данных и использующих их прикладных программ является основным свойством базы данных. Независимость данных подразумевает, что изменение данных не приводит к изменению прикладных программ.

Традиционной формой организации баз данных, обеспечивающей такую независимость, является трехуровневая структура: логическая структура данных прикладного программиста (подсхема); общая логическая, структура данных (схема); физическая структура данных.

Схемы и подсхемы базы данных часто изображают в виде диаграмм. На рис. 1 приведена общая схема логической структуры базы данных и подсхемы двух прикладных программистов, которые имеют различные представления о данных. Сплошные линии обозначают связи на схеме. Простые связи обозначаются одной стрелкой, связи "один ко многим" - двойной стрелкой. Штриховые линии отображают перекрестные ссылки. Наличие перекрестных ссылок позволяет избежать повторения записей ПОСТАВЩИК и СПЕЦИФИКАЦИИ - ПАРТИИ -ТОВАРА в каждой записи СТАТЬЯ ЗАКУПКИ.

Создание базы данных не является единовременным процессом, оно растягивается на весь период ее существования. Трехуровневая организация обеспечивает возможность быстрого изменения структуры базы данных в условиях ведения и модификации систем управления и наращивания задач пользователей, а также в условиях совершенствования и наращивания аппаратных средств. Трехуровневая организация обеспечивает взаимную независимость изменений общей логической структуры базы данных и прикладных программ (логическая независимость данных) и возможность изменения физического расположения и организации данных без изменения общей логической структуры данных и структур данных прикладных программистов (физическая независимость).

Рис. 1

Системы управления базами данных

Использование систем управления базами данных (СУБД) позволяет исключить из прикладных программ описание данных и детальное программирование управления данными. Описания заменяются ссылками на общую логическую структуру данных, а программирование управления – командами манипулирования данными, которые выполняет универсальное программное обеспечение.

Основной функцией СУБД наряду с обновлением данных является обработка запросов пользователей по поиску и передаче данных прикладным программам. Например, последовательность основных действий, реализуемых СУБД в процессе считывания записи, состоит из следующих операций: прикладная программа выдает запрос СУБД на чтение записи, в котором содержится значение ключа сегмента или записи; СУБД осуществляет в подсхеме прикладной программы поиск описания данных, на которые выдан запрос; СУБД с помощью общей логической схемы данных определяет, какого типа логические данные необходимы; СУБД по описанию физической организации данных определяет, какую физическую запись требуется считать; СУБД выдает операционной системе команду чтения требуемой записи; операционная система считывает данные в системные буферы; СУБД на основании сравнения схемы и подсхемы выделяет информацию, запрошенную прикладной программой; СУБД передает данные из системных буферов в рабочую область прикладной программы.

Действия, которые осуществляет СУБД при обновлении данных, аналогичны операциям считывания. СУБД будет осуществлять необходимые преобразования данных в системных буферах, обратные тем преобразованиям, которые были сделаны при считывании данных. Затем система управления базами данных выдает операционной системе команду ЗАПИСАТЬ. Общая архитектура системы управления базами данных приведена на рис. 2. Она присуща всем СУБД, которые различаются ограничениями и возможностями по выполнению соответствующих функций.

Процесс сравнения и выбора таких систем для конкретного применения сводится к сопоставлению их возможностей с конкретными требованиями и ограничениями пользователя.

Для работы с системой управления базой данных необходимо несколько языков: языки программирования, языки описания схем и подсхем, языки описания физических данных. Прикладной программист использует языки программирования для написания программ (КОБОЛ, ФОРТРАН, ПЛ/1, АССЕМБЛЕР) и средства для описания данных - язык описания подсхем. Язык описания подсхем может представлять собой средство описания данных в языке программирования, средство, обеспечиваемое СУБД, а также независимый язык описания данных. Многие СУБД используют средства описания данных языков программирования. Для прикладного программиста СУБД должна обеспечить средства передачи команд и интерпретации сообщений, выдаваемых системой. Интерфейс между прикладной программой и СУБД - язык манипулирования данными - встраивается в язык программирования. Запись запрашивается на языке манипулирования данными и считывается в рабочую область прикладной программы; аналогично при включении записи в базу данных прикладная программа помещает ее в рабочую область и выдает команду на языке манипулирования данными. Типичными командами языка манипулирования данными являются: открыть файл или набор записей; закрыть файл или набор записей; определить местонахождение и считать указанный экземпляр записи; передать содержимое указанных элементов данных из определенного экземпляра записи; заменить значение определенных элементов указанного экземпляра записи величинами из рабочей области программы; вставить в набор записей запись из рабочей области; удалить определенный экземпляр записи из последовательности записей; запомнить новый экземпляр записи в базе данных; удалить определенный экземпляр записи из базы данных; переупорядочить записи в группе в убывающей или возрастающей последовательности по указанному ключу.

Рис. 2

Системный программист использует язык описания общей логической схемы данных. Этим языком может быть расширение языка программирования, средство СУБД или независимый язык. Для описания размещения данных системный программист использует некоторую форму языка описания физических данных. Этот язык определяет размещение данных на физических устройствах, управление буферизацией, способы адресации и поиска.

При возникновении в системе управления новых задач, связанных с переработкой больших объемов информации, возникает проблема выбора способа организации данных, обеспечивающих ее решение. При этом необходимо рассмотреть возможные способы организации данных и эффективность их применения для решения поставленной задачи: организация данных в виде файлов; использование существующей базы данных (без изменений общей логической схемы данных); разработка новой логической схемы базы данных с использованием универсальной СУБД; разработка базы данных и специальной СУБД.

Любой необходимый для оценки и выбора способа организации базы данных анализ должен начинаться с тщательного изучения потребностей пользователя. На основе изучения пользовательских требований следует составить полный список подлежащих хранению данных с указанием их характеристик и взаимосвязей, список взаимодействующих с базой процессов и пользователей с указанием их приоритетов и заданием параметров доступа к данным, сформулировать требования к времени и стоимости обращения к базе данных. Кроме того, необходимо проанализировать имеющиеся аппаратные средства (размер основной памяти процессора, конфигурацию операционной системы с учетом средств передачи данных, доступных ресурсов и возможностей расширения внешней памяти), а также численность и квалификацию системных и прикладных программистов.

Если возникает необходимость организации данных для решения ряда прикладных задач при отсутствии функционирующей базы данных, следует оценить целесообразность использования концепции базы данных для решения поставленных задач. Основой для использования базы данных являются следующие факторы: значительное перекрытие массивов по данным, дублирование накопления и проверки данных, необходимость решения проблемы непротиворечивости элементов; значительное число потребителей информации; значительное число типов запросов; относительное постоянство номенклатуры запросов. Вместе с тем при принятии решения об организации базы данных следует помнить, что ее создание может привести к снижению эффективности отдельных прикладных программ и запросов, так как цель организации БД – повышение эффективности всей системы.

При возникновении новых задач в системе управления с функционирующей базой данных следует оценить возможность использования общей структуры данных для описания предметных областей, т.е. совокупности объектов и процессов новых пользователей на языке подсхем функционирующей базы данных или, если существующая общая логическая схема нуждается в модификации, оценить затраты на внесение необходимых изменений и влияние этих изменений на общие характеристики системы с точки зрения удовлетворения потребностей всех пользователей системы.

В случае принятия решения о разработке новой базы данных возникают задачи выбора универсальной или разработки специализированной СУБД, а также проектирования ее общей логической и физической структуры, причем выбор СУБД, как правило, является основой для проектирования и организации логической и физической структур базы данных.

Существующие СУБД обеспечивают три основных подхода в управлении данными: иерархический, сетевой и реляционный (рис. 3). Иерархический подход основан на представлении иерархии объектов. Иерархические взаимосвязи непосредственно поддерживаются в физических конструкциях СУБД. Иерархические взаимосвязи являются частным случаем сетевых взаимосвязей. Например, поставщик может поставлять несколько видов товаров, а каждый вид товара может иметь несколько поставщиков. Реляционные системы не вводят различия между объектами и взаимосвязями. Сетевые и иерархические взаимосвязи могут быть представлены в виде двухмерных таблиц, называемых отношениями и обладающих следующими свойствами: каждый элемент таблицы представляет собой один элемент данных (повторяющиеся группы отсутствуют); элементы столбца имеют одинаковую природу, столбцам однозначно присвоены имена; в таблице нет двух одинаковых строк; строки и столбцы могут просматриваться в любом порядке вне зависимости от их информационного содержания. База данных, построенная с помощью отношений, называется реляционной и в идеале обладает следующими преимуществами: возможностью использования неподготовленными пользователями; простотой системы защиты (для каждого отношения задается правомерность доступа); независимостью данных; возможностью построения простого языка манипулирования данными с помощью алгебры отношений.

Рис. 3

При выборе универсальной СУБД для реализации конкретной совокупности прикладных программ на основе использования базы данных следует оценить предоставляемый пользователю язык описания данных, язык манипулирования данными и средства поддержания физической базы данных. В качестве характеристик, определяющих язык описания данных, обычно выделяют: наглядность, простоту изучения, степень независимости данных, процедуры защиты от несанкционированного доступа, элементы описания (типы данных, размер и имя и др.), поддерживаемые взаимосвязи (иерархические, сетевые, реляционные). Среди характеристик языков манипулирования данными следует выделить: представляемые средства доступа (в физической последовательности, по значению элемента данных, по ключу), совместимость с базовыми (высокоуровневыми) языками программирования, простоту изучения и использования, независимость данных, возможности и средства одновременного использования базы несколькими прикладными программами.

Выбор СУБД

Он осуществляется с учетом потребностей пользователя одним из следующих методов: анализа возможностей, экспериментальной проверки, имитации и моделирования.

Метод анализа возможностей основан на балльной оценке приведенных выше характеристик СУБД с точки зрения требований пользователя. Каждая характеристика изучается с двух позиций - присутствует ли она в предлагаемой СУБД и каково ее качество. Качество ранжируется по стандартной шкале. Коэффициент ранжирования умножается на выделенный для данной составляющей вес, и взвешенные по каждой составляющей баллы суммируются.

Метод экспериментальной проверки состоит в создании определенной прикладной среды и получении с ее помощью эксплуатационных характеристик заданной программно-аппаратной системы. Для экспериментальной проверки необходимо спроектировать и загрузить типовую базу данных; затем с использованием языка манипулирования данными СУБД промоделировать требования по обработке существующих и ожидаемых прикладных программ и выполнить экспериментальную проверку рассматриваемых СУБД.

В методе имитации и моделирования работы СУБД применяют математические выражения, определяющие зависимость одного из параметров от других. Например, время обращения можно представить в виде функции от числа обращений к диску, количества передаваемой информации и процессорного времени формирования отклика на запрос. Так как перечисленные параметры зависят от способа хранения данных и способа доступа к ним, для различных СУБД требуются разные модели. Если эти модели разработаны, их можно использовать для оценки времени и стоимости обработки при использовании различных СУБД, задавая разнообразные условия (изменяя размеры базы данных, методы доступа, коэффициенты блокирования и т.п.).

Неквалифицированный проектировщик может наложить ограничения конкретной СУБД уже на ранней стадии проектирования базы данных. При этом пользовательские требования искусственно задаются иерархическими и сетевыми структурами определенной СУБД без рассмотрения других возможных проектных решений. Такой подход может привести к уменьшению эффективности системы.

Ниже приведены краткие характеристики некоторых универсальных СУБД.

СУБД ИНЭС ориентирована на решение информационно-поисковых задач главным образом с использованием диалога. В ней обеспечиваются возможности быстрого обращения к базе для получения данных справочного характера и эффективного просмотра больших объемов данных при составлении сводок и при формировании исходных массивов для решения экономических задач.

В системе допускается обращение к данным из прикладных программ пользователя, написанных на языке АССЕМБЛЕР, ПЛ/1, КОБОЛ, АЛГОЛ-60, ФОРТРАН-4.

Используются специальные входные языки (язык ввода экономических показателей, язык ввода документов) и язык запросов, которые удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к языкам описания данных и языкам манипулирования данными.

Для работы с данными, имеющими иерархическую структуру, служит специальный метод доступа. СУБД ИНЭС имеет систему формирования выходных сообщений и систему визуализации сообщений, которые позволяют пользователю задавать структуру документа и его реквизиты, осуществлять поиск, изменение и корректировку данных и вывод их на дисплей.

СУБД КВАНТ-М представляет собой систему реального времени, предназначенную для работы на мини-ЭВМ и используемую для решения задач в информационно-поисковых и справочных системах (фактографических, библиографических, резервирования заказов и т.п.).

Пользовательские программы могут быть написаны на языках КОБОЛ, ФОРТРАН, БЕЙСИК-2 и обращаются к базе данных с помощью САМ-интерфейса.

СУБД КВАНТ-М поддерживает базу данных, состоящую из набора массивов (файлов). Записи массива имеют одинаковую структуру и уникальный последовательный номер (ISN). Записи состоят из полей, которые являются минимальной единицей данных в базе. Поле может быть объявлено ключом. Для описания данных в файлах создается схема, содержащая имена полей записей, их тип и признак, указывающий, является ли поле ключом. Для пользователей создается одна или несколько подсхем, к которым они имеют доступ.

Физическая структура данных использует инвертированные списки значений ключей и обеспечивает независимость адресации от физического расположения данных. Система обеспечивает следующие типы доступа: последовательный по ISN; в логической последовательности; по запросу.

Языком манипулирования данными является язык КВАНТ СКРИПТ-М. Это англоподобный диалоговый язык, предназначенный для эффективного поиска и выделения записей в базе данных и вывода их на дисплей.

В последнее время организован выпуск быстродействующих персональных ЭВМ с большой оперативной и внешней памятью, с возможностью их объединения в локальную вычислительную сеть. Для этих ЭВМ появились и продолжают появляться универсальные СУБД, предоставляющие пользователю средства и удобства иногда более богатые, чем у мини-ЭВМ и больших ЭВМ. Этот процесс еще не установился, в связи с чем не имеет смысла приводить в учебнике характеристики этих СУБД.