Архитектура СУБД.

СУБД должна предоставлять доступ к данным любым пользователям, включая и тех, которые практически не имеют и (или) не хотят иметь представения о:

- физическом размещении запрашиваемых данных;

- механизмах поиска запрашиваемых данных;

- проблемах, возникающих при одновременном запросе одних и тех же данных многими пользователями (прикладными программами);

- способах обеспечения защиты данных от некорректных обновлений и (или) несанкционированного доступа;

- поддержки баз данных в актуальном состоянии и множестве других функций СУБД.

Объединяя частные представления о содержимом базы данных, полученные в результате опроса пользователей, и свои представления о данных, которые могут потребоваться в будущих приложениях, АБД сначала создает обобщенное неформальное описание создаваемой базы данных. Это описание, выполненное с использованием естественного языка, математических формул, таблиц, графиков и других средств, понятных всем людям, работающих над проектированием базы данных, называют информационной моделью данных (рис.5.2).

Модели и

описания

используе-

Рис.5.2. Уровни моделей данных.

Такая человеко-ориентированная модель полностью независима от физических параметров среды хранения данных. В конце концов этой средой может быть память человека, а не ЭВМ. Поэтому инфологическая модель не должна изменяться до тех пор, пока какие-то изменения в реальном мире не потребуют изменения в ней некоторого определения, чтобы эта модель продолжала отражать предметную область.

Остальные модели, показанные на рис.5.2, являются компьютерно-ориентированными. С их помощью СУБД дает возможность программам и пользователям осуществлять доступ к хранимым данным лишь по их именам, не заботясь о физическом расположении этих данных. Нужные данные отыскиваются СУБД на внешних запоминающих устройствах по физической модели данных.

Так как указанный доступ осуществляется с помощью конкретной СУБД, то модели должны быть описаны на языке описания данных этой СУБД. Такое описание, создаваемое по инфологической модели данных, называют даталогической моделью данных.

Трухуровневая архитектура (инфологический, даталогический и физический уровни) позволяют обеспечить независимость хранимых данных от использующих их программ. АБД может, при необходимости, переписать хранимые данные на другие носители информации и (или) реорганизовать их физическую структуру, изменив лишь физическую модель данных. АБД может подключить к системе любое число новых пользователей (новых приложений), дополнив, если надо, даталогическую модель. Указанные изменения физической и даталогической моделей не будут замечены существующими пользователями системы (окажутся “прозрачными” для них), так же как не будут замечены и новые пользователи. Следовательно, независимость данных обеспечивает возможность развития системы баз данных без разрушения существующих приложений.

2.3. Третье поколение: оперативные сетевые базы данных (1965 г.–1980 г.)

Для таких приложений, как ведение операций на фондовой бирже или резервирование билетов, требуется знание текущей информации. Эти приложения не могут использовать вчерашнюю информацию, обеспечиваемую системами пакетной обработки транзакций, - им нужен немедленный доступ к текущим данным. С конца 1950-х годов лидирующие компании из нескольких областей индустрии начали вводить в использование системы баз данных с оперативными транзакциями; транзакции над оперативными базами данных обрабатывались в интерактивном режиме. Аппаратура для подключения к компьютеру интерактивных компьютерных терминалов прошла путь развития от телетайпов к простым алфавитно-цифровым дисплеям и, наконец, к сегодняшним интеллектуальным терминалам, основанным на технологии персональных компьютеров. Мониторы телеобработки представляли собой специализированное программное обеспечение для мультиплексирования тысяч терминалов со скромными серверными компьютерами того времени. Эти мониторы собирали сообщения-запросы, поступающие с терминалов, быстро назначали программы сервера для обработки каждого сообщения и затем направляли ответ на соответствующий терминал. Оперативная обработка транзакций дополняла возможности пакетной обработки транзакций, за которой оставались задачи фонового формирования отчетов.

Оперативные базы данных хранились на магнитных дисках или барабанах, которые обеспечивали доступ к любому элементу данных за доли секунды. Эти устройства и программное обеспечение управления базами данных давали возможность программам считывать несколько записей, изменять их и затем возвращать новые значения оперативному пользователю.

2.3.1. Иерархические СУБД.

Одной из наиболее важных сфер применения первых СУБД было планирование производства для компаний, занимающихся выпуском продукции. Например, если автомобильная компания хотела выпустить 10000 машин одной модели и 5000 машин другой модели, ей необходимо было знать, сколько деталей следует заказать у своих поставщиков. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо определить, из каких деталей состоят эти части и т.д. Например, машина состоит из двигателя, корпуса и ходовой части; двигатель состоит из клапанов, цилиндров, свеч и т.д. Работа со списками составных частей была как будто специально предназначена для компьютеров.

Список составных частей изделия по своей природе является иерархической структурой. Для хранения данных, имеющих такую структуру, была разработана иерархическая модель данных, которую иллюстрирует рис.5.3.

В этой модели каждая запись базы данных представляла конкретную деталь. Между записями существовали отношения предок/потомок, связывающие каждую часть с деталями, входящими в нее.

Рис.5.3. Иерархическая база данных, содержащая информацию о составных частях.

Чтобы получить доступ к данным, содержащимся в базе данных, программа могла: - найти конкретную деталь (правую дверку) по ее номеру;

- перейти “вниз” к первому потомку (ручка двери);

- перейти “вверх” к предку (корпус);

- перейти “в сторону” к другому потомку (левая дверь).

Таким образом, для чтения данных из иерархической базы данных требовалось перемещаться по записям, за один раз переходя на одну запись вверх, вниз или в сторону.

2.3.2. Сетевые базы данных.

Если структура данных оказывалась сложнее, чем обычная иерархия, простота структуры иерархической базы данных становилась ее недостатком. Например, в базе данных для хранения заказов один заказ мог участвовать в трех различных отношениях предок/потомок, связывающих заказ с клиентом, разместившим его, со служащим, принявшим его, и с заказанным товаром, что иллюстрирует рис.5.4, такие структуры данных не соответствовали строгой иерархии IMS.

Клиенты Служащие Товары

Заказы

Рис.5.4. Множественные отношения предок/потомок.

В связи с этим для таких приложений, как обработка заказов, была разработана новая сетевая модель данных. Она являлась улучшенной иерархической моделью, в которой одна запись могла участвовать в нескольких отношениях предок/потомок, как показано на рис.5.5. В сетевой модели такие отношения назывались множествами.

Клиенты Товары

Множество

Записи

Заказы

Рис.5.5. Сетевая база данных, содержащая информацию о заказах.

Сетевые базы данных обладали рядом преимуществ:

- Гибкость. Множественные отношения предок/потомок позволяли сетевой базе данных хранить данные, структура которых была сложнее простой иерархии;

- Стандартизация. Появление стандарта CODASYL – популярность сетевой модели, а такие поставщики мини-компьютеров, как Digital Equipment Corporation и Data General, реализовали сетевые СУБД;

- Быстродействие. Вопреки своей большой сложности, сетевые базы данных достигали быстродействия, сравнимого с быстродействием иерархических баз данных. Множества были представлены указателями на физические записи данных, и в некоторых системах администратор мог задавать кластеризацию данных на основе множества отношений.

Конечно, у сетевых баз данных были недостатки. Как и иерархические базы данных, сетевые базы данных были очень жесткими. Наборы отношений и структур записей приходилось задавать наперед. Изменение структуры базы данных обычно означало перестройку всей базы данных.

Как иерархическая, так и сетевая база данных были инструментами программистов. Чтобы получить ответ на вопрос типа “Какой товар наиболее часто заказывает компания Acme Manufacturing?Э, программисту приходилось писать программу для навигации по базе данных. Реализация пользовательских запросов часто затягивалось на недели и месяцы, и к моменту появления программы информация, которую она предоставляла, часто оказывалась бесполезной.

2.4. Четвертое поколение: реляционные базы данных (1980 г. – 1995 г.).

Недостатки иерархической и сетевой моделей привели к появлению новой, реляционной модели данных, созданной Коддом в 1970 году и вызвавшей всеобщий интерес. Реляционная модель была попыткой упростить структуру базы данных. В ней отсутствовали явные указатели на предков и потомков, а все данные были представлены в виде простых таблиц, разбитых на строки и столбцы.

Реляционной называется база данных, в которой все данные, доступные пользователю, организованны в виде таблиц, а все операции над данными сводятся к операциям над этими таблицами.

Приведенное определение не оставляет места встроенным указателям, имеющимся в иерархических и сетевых СУБД. Несмотря на это, реляционная СУБД также способна реализовать отношения предок/потомок, однако эти отношения представлены исключительно значениями данных, содержащихся в таблицах.

2.4.1. Таблицы.

В реляционной базе данных информация организована в виде таблиц, разделенных на строки и столбцы, на пересечении которых содержатся значения данных. У каждой таблицы имеется уникальное имя, описывающее ее содержимое. Более наглядно структуру таблицы иллюстрирует рис.5.6, на котором изображена таблица OFFICES. Каждая горизонтальная строка этой таблицы представляет отдельную физическую сущность – один офис. Пять строк таблицы вместе представляют все пять офисов компании. Все данные, содержащиеся в конкретной строке таблицы, относятся к офису, который описывается этой строкой.

Таблица OFFICE

в Нью-Йорке

Данные об офисе

в Лос-Анджелесе

Город, в кото- Идентификатор Объем

зом располо- служащего, продаж

жился офис управляющего с офиса

Рис. 5.6. Структура реляционной таблицы.

Каждый вертикальный столбец таблицы OFFICES представляет один элемент данных для каждого из офисов. Например, в столбце CITY содержатся названия городов, в которых расположены офисы. В столбце SALTS содержатся объемы продаж, обеспечиваемые офисами.

На пересечении каждой строки с каждым столбцом таблицы содержится в точности одно значение данных. Например, в строке, представляющей нью-йоркский офис, в столбце CITY содержится значение “NEW YORK”. В столбце SALES той же строки содержится значение $692’000’00, которое является объемом продаж нью-йоркского офиса с начала года.

Все значения, содержащиеся в одном и том же столбце, являются данными одного типа. Например, в столбце CITY содержатся только слова, в столбце SALES содержатся денежные суммы, а в столбце MGR содержатся целые числа, представляющие идентификаторы служащих. Множество значений, которые могут содержаться в столбце, называется доменом этого столбца. Доменом столбца CITY является множество названий городов. Доменом столбца SALES является любая денежная сумма. Домен столбца REGION состоит всего из двух значений, ‘Eastern” и “Western”, поскольку у компании всего два торговых региона.

У каждого столбца в таблице есть свое имя, которое обычно служит заголовком столбца. Все столбцы в одной таблице должны иметь уникальные имена, однако разрешается присваивать одинаковые имена столбцам, расположенным в различных таблицах. На практике такие имена столбцов, как NAME, ADDRESS, QTY, PRICE и SALES, часто встречаются в различных таблицах одной базы данных.

Столбцы таблицы упорядочены слева направо, и их порядок определяется при создании таблицы. В любой таблице всегда есть как минимум один столбец. В стандарте ANSI/ISO не указывается максимально допустимое число столбцов в таблице, однако почти во всех коммерческих СУБД этот предел существует и обычно составляет примерно 255 столбцов.

В отличие от столбцов, строки таблицы не имеют определенного порядка. Это значит, что если последовательно выполнить два одинаковых запроса для отображения содержимого таблицы, нет гарантии, что оба раза строки будут перечислены в одном и том же порядке.

В таблице может содержаться любое количество строк. Вполне допустимо существование таблицы с нулевым количеством строк. Такая таблица называется пустой. Пустая таблица сохраняет структуру, определенную ее столбцами, просто в ней не содержится данных. Стандарт ANSI/ISO не накладывает ограничений на количество строк в таблице, и во многих СУБД размер таблиц ограничен лишь свободным дисковым пространством компьютера. В других СУБД имеется максимальный предел, однако он весьма высок – около двух миллиардов строк, а иногда и больше.

2.4.2. Первичные ключи.

Поскольку строки в реляционной таблице не упорядочены, нельзя выбрать строку по ее номеру в таблице. В таблице нет “первой”, “последней” или “тринадцатой” строки. Тогда каким же образом можно указать в таблице конкретную строку, например, строку для офиса, расположенного в Дунвере?

В правильно построенной реляционной базе данных в каждой таблице есть один или несколько столбцов, значения в которых во всех строках разные. Этот столбец (столбцы) называется первичным ключом таблицы. Давайте вновь посмотрим на базу данных, показанную на рис.5.6. На первый взгляд. Первичным ключом таблицы OFFICES могут служить и столбец OFFICE, и столбец CITY. Однако в случае, если компания будет расширяться и откроет в каком-либо городе второй офис, столбец CITY больше не сможет выполнять роль первичного ключа. На практике в качестве первичных ключей таблиц обычно следует выбирать идентификаторы, такие как идентификатор офиса (OFFICE в таблице OFFICES), служащего (EMPL_NUM в таблице SALESREPS) и клиента (CUST_NUM в таблице CUSTOMES). А в случае с таблицей ORDERS выбора нет – единственным столбцом, содержащим уникальные значения, является номер заказа (ORDER_NUM).

Таблица PRODUCTS, фрагмент которой показан на рис.5.7, является примером таблицы, в которой первичный ключ представляет собой комбинацию столбцов. Такой первичный ключ называется составным. Столбец MRF_ID содержит идентификаторы производителей всех товаров, перечисленных в таблице, а столбец PRODUCT_ID содержит номера, присвоенные товарам производителями. Может показаться, что столбец PRODUCT_ID мог бы и один выполнять роль первичного ключа, однако ничто не мешает двум различным производителям присвоить своим изделиям одинаковые номера. Таким образом, в качестве первичного ключа таблицы PRODUCTS необходимо использовать комбинацию столбцов MRF_ID и PRODUCT_ID. Для каждого из товаров, содержащихся в таблице, комбинация значений в этих столбцах будет уникальной.

Первичный ключ

Рис.5.7. Пример таблицы с составным первичным ключом.

Первичный ключ для каждой строки таблицы является уникальным, поэтому в таблице с первичным ключом нет двух совершенно одинаковых строк. Таблица, в которой все строки отличаются друг от друга, в математических терминах называется отношением. Именно этому термину реляционные базы данных и обязаны своим названием, поскольку в их основе лежат отношения (таблицы с отличающимися друг от друга строками).

Хотя первичные ключи являются важной частью реляционной модели данных, в первых реляционных СУБД (System/R, Oracle и другие) не была обеспечена явным образом их поддержка. Как правило, проектировщики базы данных сами следили за тем, чтобы у всех таблиц были первичные ключи, однако в самих СУБД не было возможности определить для таблицы первичный ключ. И только в СУБД DB2 Version 2, появившейся в апреле 1988 года, компания IBM реализовала поддержку первичных ключей. После этого подобная поддержка была добавлена в стандарт ANSI/ISO.

2.4.3. Отношения предок/потомок.

Одним из отличий реляционной модели от первых моделей представления данных было то, что в ней отсутствовали явные указатели. Используемые для реализации отношений предок/потомок в иерархической модели данных. Однако вполне очевидно, что отношения предок/потомок существуют и в реляционной модели данных. Например, в нашей базе данных каждый из служащих закреплен за конкретным офисом, поэтому ясно, что между строками таблицы OFFICES и таблицы SALESREPS существует отношение. Не приводит ли отсутствие явных указателей в реляционной модели к потере информации?

Как следует из рис.5.8, ответ на этот вопрос должен быть отрицательным. На рисунке изображено несколько строк из таблицы OFFICES и SALESREPS. Обратим внимание на то, что в столбце REP_OFFICE таблицы SALESREPS содержится идентификатор офиса, в котором работает служащий. Доменом этого столбца (множеством значений, которые могут в нем храниться) является множество идентификаторов офисов, содержащихся в столбце OFFICE таблицы OFFICES. То, в каком офисе работает Мэри Джонс (Mary Jones), можно узнать, определив значение столбца REP_OFFICE в строке таблицы SALESREPS для Мэри Джонс (число 11) и затем отыскав в таблице OFFICES строку с таким же значением в столбце OFFICE (это для офиса в Нью-Йорке). Таким образом, чтобы найти всех служащих нью-йоркского офиса, следует запомнить значение столбца OFFICE для Нью-Йорка (число 11), а потом просмотреть таблицу SALESREPS и найти все строки, в столбце REP_OFFICE которых содержится число 11 (это строки для Мэри Джонс и Сэма Кларка (Sam Clark)).

Таблица OFFICES

Таблица SALESREPS

Рис.5.8. Отношение предок/потомок в реляционной базе данных.

Отношение предок/потомок, существующее между офисами и работающими в них людьми, в реляционной модели не потеряно; просто оно реализовано в виде одинаковых значений данных, хранящихся в двух таблицах, а не в виде явного указателя. Все отношения, существующие между таблицами реляционной базы данных, реализуются в таком виде.

2.4.4. Внешние ключи.

Столбец одной таблицы, значения в котором совпадают со значениями столбца, являющегося первичным ключом другой таблицы, называется внешним ключом. На рис.5.9 столбец REP_OFFICE представляет собой внешний ключ для таблицы OFFICES. Значения, содержащиеся в этом столбце, представляют собой идентификаторы офисов. Эти значения соответствуют значениям в столбце OFFICE, который является первичным ключом таблицы OFFICES. Совокупно первичный и внешний ключи создают между таблицами, в которых они содержатся, такое же отношение предок/потомок, как и в иерархической базе данных.

Таблица CUSTOMERS Таблица SALESREPS Таблица PRODUCTS

Таблица ORDERS

Рис.5.9. Множественные отношения предок/потомок в реляционной базе данных.

Внешний ключ, как и первичный ключ, тоже может представлять собой комбинацию столбцов. На практике внешний ключ всегда будет составным (состоящим из нескольких столбцов), если он ссылается на составной первичный ключ в другой таблице. Очевидно, что количество столбцов и их типы данных в первичном и внешнем ключах совпадают.

Если таблица связана с несколькими другими таблицами, она может иметь несколько внешних ключей. На рис.5.9 показаны три внешних ключа таблицы ORDERS из учебной базы данных:

- столбец REP является внешним ключом для таблицы SALESREPS и связывает каждый заказ со служащим, принявшим его;

- столбец CUST является внешним ключом для таблицы CUSTOMES и связывает каждый заказ с клиентом, разместившим его;

- столбцы MRF и PRODUCT совокупно представляют собой внешний ключ для таблицы PRODUCTS, который связывает каждый заказ с заказанным товаром.

Отношения предок/потомок, созданные с помощью трех внешних ключей в таблице ORDERS, могут показаться знакомыми. И действительно, это те же самые отношения, что и в сетевой базе данных, представленной на рис.5.4. Как показывает пример, реляционная модель данных обладает всеми возможностями сетевой модели по части выражения сложных отношений.

Внешние ключи являются неотъемлемой частью реляционной модели, поскольку реализуют отношения между таблицами базы данных. К несчастью, как и в случае с первичными ключами, поддержка внешних ключей отсутствовала в первых реляционных СУБД. Она была введена в системе DB2 Version 2 и теперь имеется во всех коммерческих СУБД.

Лекция 6.2. Язык AQL как стандартный язык базы данных.

Стремительный рост популярности SQL является одной из самых важных тенденций в современной компьютерной промышленности. За несколько последних лет SQL стал единственным языком баз данных. На сегодняшний день SQL поддерживает свыше ста СУБД, работающих как на персональных компьютерах, так и на больших ЭВМ. Был принят, а затем дополнен официальный международный стандарт на SQL. Язык SQL является важным звеном в архитектуре систем управления базами данных, выпускаемых всеми ведущими поставщиками программных продуктов. Зародившись в результате выполнения второстепенного исследовательского проекта компании IBM, SQL сегодня широко известен и в качестве мощного рыночного фактора.