Реляционные базы данных

2.1. Реляционные базы данных

Все системы управления базами данных предназначены для хранения и обработки информации. Реляционный подход к управлению базами данных основан на математической модели, использующей методы реляционной алгебры и реляционного исчисления. Тем не менее большинство действительно необходимых определений из области управления базами данных скорее относятся к практической, чем к теоретической стороне этого вопроса.

С. Дейт дает следующее неформальное определение системе управления реляционными базами данных (СУБД).

Вся информация в базе данных представлена в виде таблиц.

Она поддерживает три реляционных оператора—выбора, проектирования и объединения, с помощью которых вы получаете необходимые вам данные (и можете выполнять эти операции, не требуя от системы физической записи получаемых с их помощью данных в каком-то определенном виде).

Др. И.Ф. Кодд, автор реляционной модели, разработал целый список критериев, которым должна удовлетворять реляционная модель. Описание этого списка, часто называемого «правилами Кодда», требует введения сложной терминологии и теоретических выкладок, что выходит за рамки данного дипломного проекта. Тем не менее, опишем состоящий из 12 правил тест Кодда для реляционных систем, и будем использовать его совместно с общим определением Дейта.

Чтобы считаться реляционной, система управления базами данных должна:

представлять всю информацию в виде таблиц,

поддерживать логическую структуру данных, независимо от их физического представления,

использовать язык высокого уровня для структурирования, выполнения запросов и изменения информации в базах данных (теоретически это может быть любой язык баз данных, практически для этого используется язык SQL),

поддерживать основные реляционные операции (выбор, проектирование и объединение), а также теоретико-множественные операции, такие как объединение, пересечение и дополнение,

поддерживать виртуальные таблицы, обеспечивая пользователям альтернативный способ просмотра данных в таблицах,

различать в таблицах неизвестные значения (nulls), нулевые значения и пропуски в данных,

обеспечивать механизмы для поддержки целостности, авторизации, транзакций и восстановления данных.

Далее проведем аналитический обзор этих пунктов, ко многим из них будем обращаться в дальнейшем.

Первое правило Кодда гласит, что вся информация в реляционных базах данных представляется значениями в таблицах (tables). В реляционных системах таблицы состоят из горизонтальных строк (row) и вертикальных столбцов (column). Все данные представляются в табличном формате — другого способа просмотреть информацию в базе данных не существует. Несколько замечаний по терминологии. Поскольку такие понятия как таблица, строка и столбец являются общепринятыми в коммерческих системах управления реляционными базами данных, будем стараться использовать их в этом дипломном проекте. Однако иногда можно встретиться и с такими понятиями, как отношение (relations), кортеж (tuple) и атрибут (attributes). Это соответственно синонимы понятий таблица, строка и столбец, так же, как и файл (file), запись (record) и поле (field). Первые три считаются академическими терминами, последние—взяты из общего лексикона, используемого в области обработки данных. Набор связанных таблиц образует базу данных (database). Таблицы в реляционной базе разделены, но полностью равноправны. Между ними не существует никакой иерархии и, вообще говоря, они не обязательно даже физически связаны друг с другом.

Каждая таблица состоит из строк и столбцов. Каждая строка описывает отдельный объект или сущность (entity) человека, компанию, торговую сделку или что-нибудь другое. Каждый столбец описывает одну характеристику объекта—имя человека или его адрес, телефонный номер компании или ее президента, лоты распродажи или дату. Каждый элемент данных, или значение (value), определяется пересечением строки и столбца таблицы. Чтобы найти требуемый элемент данных, необходимо знать имя содержащей его таблицы, столбец и значение его первичного ключа (primary key), или уникального идентификатора (каждая строка должна единственным образом идентифицироваться по одному из своих значений.)

В реляционных базах данных существует два типа таблиц — пользовательские таблицы (user tables) и системные таблицы (system tables). Пользовательские таблицы содержат информацию, для поддержки которой собственно и создавались системы реляционных баз данных—данные по сделкам, заказам, персоналу и т.д. Системные таблицы, известные также под названием системные каталоги (system catalog), содержат описание базы данных. Системные таблицы обычно поддерживаются самой СУБД, однако доступ к ним можно получить так же, как и к любым другим таблицам. Возможность получения доступа к системным таблицам, по аналогии с любыми другими таблицами, составляет основу другого правила Кодда для реляционных систем.

Независимость данных — критический аспект при управлении любой системой баз данных. Она позволяет изменять приложения, не изменяя для этого структуру базы данных, и изменять конструкцию базы данных, не оказывая при этом влияния на работу приложений. Система управления базами данных не должна вынуждать выносить окончательные решения о том, какие данные должны сохраняться, как получать к ним доступ и что будет нужно пользователям. Система не должна становиться бесполезной при изменении потребностей.

Реляционная модель обеспечивает независимость данных на двух уровнях — физическом и логическом. Физическая независимость данных (physical data independents) означает с точки зрения пользователя, что представление данных абсолютно не зависит от способа их физического хранения. Как следствие этого, физическое перемещение данных никоим образом не может повлиять на логическую структуру базы данных и ваше восприятие данных. Такие изменения обычно становятся просто необходимыми, особенно в больших многопользовательских системах. Например, при недостатке места для хранения информации может потребоваться установка дополнительных физических носителей. Когда устройство выходит из строя,—увы, его приходится быстро заменять. Иногда может потребоваться увеличить производительность системы или упростить ее использование, изменив для этого методы доступа к физическим данным. (Эти методы связаны с созданием стратегии доступа (access strategies) и применением индексов (index).)

Другой тип независимости, обеспечиваемый реляционными системами—логическая независимость (logical independents) означает, что изменение взаимосвязей между таблицами, столбцами и строками не влияет на правильное функционирование программных приложений и текущих запросов. Можно разбивать таблицы по строкам или столбцам, а приложения и запросы все равно будут выполняться, как и раньше. Несмотря на изменение логической структуры базы данных, всегда можно воспользоваться старыми запросами. Требование логической и физической независимости данных составляет основу двух других правил Кодда.

Определение реляционной системы, так же, как и правила Кодда, требует, чтобы весь диалог с базой данных велся на едином языке — иногда его называют общим подъязыком данных (comprehensive data sublanguage). В мире коммерческих систем управления базами данных такой язык получил название SQL. SQL используется для манипуляций с данными (data manipulation) выборки и модификации, определения данных (data definition) и администрирования данных (data administration). Любая операция по выборке, модификации, определению или администрированию выполняется с помощью оператора (statement) или команды (command) SQL.

Имеется две разновидности операций по манипуляции с данными — выборка данных (data retrieval) и модификация данных (data modification). Выборка — это поиск необходимых вам данных, а модификация означает добавление, удаление или изменение данных. Операции по выборке (чаше называемые запросами (query)) осуществляют поиск в базе данных, наиболее эффективно извлекают затребованную вами информацию и отображают ее. Другие команды SQL предназначены для создания и удаления таблиц, индексов и других объектов.

Последняя категория операторов SQL—операторы администрирования, или команды управления данными (data control). Они позволяют вам координировать совместное использование базы данных и поддерживать ее в наиболее эффективном состоянии.

Одним из наиболее важных аспектов администрирования многопользовательских систем управления базами данных является управление доступом к данным.

В определении системы управления реляционными базами данных упоминаются три операции по выборке данных — проектирование, выбор (иногда называемый ограничением (restrictions)) и объединение, которые позволяют строго указать системе, какие данные вы хотите увидеть. Операция проектирования выбирает столбцы, операция выбора — строки, а операция объединения собирает вместе данные из связанных таблиц.

Логическая и физическая независимость, о которой мы упоминали выше, означает, что вам не нужно беспокоиться о физическом расположении данных и о том, как их искать — это проблемы исключительно систем управления базами данных.

Проектирование. Операция проектирования позволяет указать системе, какие

столбцы таблицы должны просматриваться. С концептуальной точки зрения: операция проектирования определяет подмножество столбцов в таблице. Обратите внимание, что результаты выполнения проектирования (как и любой другой реляционной операции) также отображаются в форме таблицы. Результирующие таблицы иногда называют производными таблицами (derived tables), чтобы отличать их от базовых таблиц (base tables), содержащих исходные строки данных.

Выбор. Операция выбора позволяет вам получать из таблицы подмножества ее строк. Чтобы указать, какие строки нужны, соответствующие условия нужно разместить в предложении WHERE. В предложении WHERE оператора SELECT определяется критерий, которому должны соответствовать выбираемые строки. Можно комбинировать в запросе операции проектирования и выбора, чтобы получить требуемую информацию.

Объединение. Операция объединения может работать одновременно с одной или несколькими таблицами, соединяя данные таким образом, что можно легко сопоставить или выделить определенную информацию в базе данных. Операция объединения обеспечивает SQL и реляционную модель необходимой мощностью и гибкостью. Можно выявить любую взаимосвязь, существующую между элементами данных, а не только связи, введенные при конструировании базы. Когда «объединяются» две таблицы, на период действия запроса они как бы становятся единой таблицей. Операция объединения соединяет данные, сравнивая значения в заданных столбцах и отражая результаты.

Курсор (view) - это альтернативный способ просмотра данных из нескольких таблиц. Курсоры иногда называются виртуальными таблицами (virtual tables), или производными таблицами. Таблицы, на основе которых работают курсоры, называются базовыми таблицами. Курсор можно рассматривать как перемещаемую по таблицам рамку, через которую можно увидеть только необходимую часть информации. Курсор можно получить из одной или нескольких таблиц базы данных (включая и другие курсоры), используя любые операции выбора, проектирования и объединения. Курсоры позволяют создавать таблицы для специальных целей. С их помощью можно использовать результаты выполнения операторов выбора, проектирования и объединения как основу для последующих запросов. Виртуальные таблицы, в отличие от «настоящих», или базовых таблиц, физически не хранятся в базе данных. Важно осознать, что курсор—это не копия некоторых данных, помещаемая в другую таблицу. Когда изменяются данные в виртуальной таблице, то тем самым изменяются данные в базовых таблицах. Подобно результатам операции выбора, курсоры напоминают обычные таблицы баз данных.

Если применить операцию выбора к виртуальной таблице, то можно увидеть результаты выполнения запроса, на основе которого она была создана. В идеальной реляционной системе с курсорами можно оперировать, как и с любыми другими таблицами. В реальном мире различные версии реляционных баз данных накладывают на курсоры определенные ограничения, в частности на обновление. Одно из правил Кодда гласит, что в истинно реляционной системе над курсорами можно выполнять все «теоретически» возможные операции. Большинство современных систем управления реляционными базами данных не удовлетворяют этому правилу полностью.

В реальном мире управления информацией данные часто являются неизвестными или неполными: клиент не предоставил данных о физическом адресе организации, счет может быть оформлен, но дата его оплаты еще может быть неизвестна. Такие пропуски информации создают «дыры» в таблицах.

Проблема, конечно, состоит не в простой неприглядности подобных дыр. Опасность состоит в том, что из-за них база может стать противоречивой. Чтобы сохранить целостность данных в реляционной модели, так же, как и в правилах Кодда, для обработки пропущенной информации используется понятие нуля. «Нуль» не означает пустое поле или обычный математический нуль. Он отображает тот факт, что значение неизвестно, недоступно или неприменимо. Существенно, что использование нулей инициирует переход с двухзначной логики (да/нет или что-то/ничего) на трехзначную (да/нет/может быть или что-то ничего не уверен).

С точки зрения другого эксперта по реляционным системам, Дейта, нули не являются полноценным решением проблемы пропусков информации. Тем не менее, они являются составной частью большинства официальных стандартов SQL и de facto промышленных стандартов.

Понятие безопасности связано с необходимостью управления доступом к информации. Определенные команды позволяют некоторым привилегированным пользователям устанавливать права других пользователей на просмотр и модификацию информации в базе данных. В большинстве реализаций реляционных баз данных правами на доступ и модификацию данных (permission) можно управлять на уровне таблиц и столбцов. Эти права устанавливают владельцы (owner) баз данных или объектов баз данных. Некоторые системы разрешают передавать права владения от создателя базы другому пользователю.

В многопользовательских системах обычно имеется пользователь с правами даже более высокими, чем у владельца базы данных—системный администратор (system administrator), или администратор базы данных (database administrator). Этот пользователь обычно обладает широкими правами на наделение полномочий, а также выполняет целый ряд других задач, связанных с поддержкой и администрированием базы данных.

В качестве дополнительного механизма обеспечения безопасности могут выступать и виртуальные таблицы. Пользователи могут разрешать доступ только к определенному подмножеству своих данных, включенному в виртуальную таблицу.

Целостность (integrity) - очень сложный и серьезный вопрос при управлении реляционными базами данных. Несогласованность между данными может возникать по целому ряду причин. Несогласованность или противоречивость данных может возникать вследствие сбоя системы—проблемы с аппаратным обеспечением, ошибки в программном обеспечении или логические ошибки в приложениях. Реляционные системы управления базами данных защищают данные от такого типа несогласованности, гарантируя, что команда либо будет исполнена до конца, либо будет полностью отменена. Этот процесс обычно называют управлением транзакциями (transaction management).

Другой тип целостности, называемый объектной целостностью (entity integrity), связан с корректным проектированием базы данных. Объектная целостность требует, чтобы ни один первичный ключ не имел нулевого значения. Третий тип целостности, называемый ссылочной целостностью (referential integrity), означает непротиворечивость между частями информации, повторяющимися в разных таблицах. Например, если вы изменяете неправильно введенный номер расчетного счета покупателя в одной таблице, другие таблицы, содержащие эту же информацию, продолжают ссылаться на старый номер, поэтому вы должны обновить и эти таблицы. Чрезвычайно важно, чтобы при изменении информации в одном месте, она соответственно изменялась и во всех других местах. Правила Кодда гласят, что системы управления реляционными базами данных должны обеспечивать не только объектную и ссылочную целостность, но и позволять «вводить дополнительные ограничения на целостность, отражающие специальные требования». Кроме того, по определению Кодда, ограничения на целостность должны:

определяться на языке высокого уровня, используемом системой для всех других целей;

храниться в словаре данных, а не в программных приложениях.

Первоначально только несколько реализаций реляционных баз данных удовлетворяли критериям Кодда на целостность, но ситуация постепенно изменялась. Стандарт 1992 года (часто называемый «SQL92») поддерживает ограничения, обеспечивающие ссылочную целостность и позволяющие задавать бизнес правила. Эти возможности в том или ином виде реализованы в большинстве систем.

Похожие работы

Разработка предложений по совершенствованию стратегического управления инновационными процессами в сфере информационных технологий на примере ОАО "Смоленский авиационный завод"

Скачать

67476

7

8

... на промышленном предприятии, разработать и обосновать комплекс практических мероприятий по совершенствованию системы в краткосрочном периоде. Объект исследования: стратегическое управление инновационными процессами в сфере информационных технологий на ОАО «Смоленский авиационный завод». 1.         Сведения о предприятии ОАО «СмАЗ» 1.1      Организационно-управленческая характеристика ...

Разработка системы мониторинга оценки бизнеса промышленного предприятия

Скачать

152535

20

7

... 14 664 000руб. 3.  Корректировка чистых активов предприятия и определение реальной рыночной стоимости предприятия затратным подходом выявил стоимость предприятия в 7 583 000руб. Глава 3. Разработка системы мониторинга оценки бизнеса промышленного предприятия 3.1  Роль оценщика (фирмы по оценке бизнеса) в системе мониторинга ...

Автоматизация управления коммерческого предприятия

Скачать

86790

8

2

... развития коммерческого предприятия ООО Фирма «РИКА» достаточно обширны. Сегодня данная фирма - несомненный лидер среди подобных себе в республике Хакасия. Рассмотрев процессы автоматизации управления коммерческого предприятия, проведя обзор позиции фирмы на рынке, можно дать следующие рекомендательные выводы: Торговому предприятию ООО Фирма «РИКА» необходимо продолжать осуществлять основную ...

Разработка проекта автоматизации риэлтерской деятельности

Скачать

114209

7

25

... и дальнейшего использования «Автоматизированной системы агентства недвижимости» на предприятии. 1.4      Постановка цели и подзадач автоматизации. Критерии достижения цели 1.4.1               Экономическая сущность задачи Экономической сущностью задачи автоматизации риэлтерской деятельности агентства недвижимости «Елена» является повышение результативности труда посредством автоматизации ...