Лекции "Базе данным"

1. Основные  этапы развития информационных систем

    В истории вычислительной техники можно проследить развитие двух основных областей ее использования. Первая область — применение вычислительной техники для выполнения численных расчетов, которые слишком долго или вообще невозможно производить вручную. Развитие этой области способствовало интенсификации методов численного решения сложных математических задач, появлению языков программирования, ориентированных на удобную запись численных алгоритмов, становлению обратной связи с разработчиками новых архитектур ЭВМ. Характерной особенностью данной области применения вычислительной техники является наличие сложных алгоритмов обработки, которые применяются к простым по структуре данным, объем которых сравнительно невелик.

    Вторая  область— это использование средств  вычислительной техники в автоматических или автоматизированных информационных системах. Информационная система представляет собой программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий выполнение следующих функций:

• надежное хранение информации в памяти компьютера;
• выполнение специфических для данного приложения преобразований информации и вычислений;
• предоставление пользователям удобного и легко осваиваемого интерфейса.

    Обычно  такие системы имеют дело с  большими объемами информации, имеющей  достаточно сложную структуру. Классическими  примерами информационных систем являются банковские системы, автоматизированные системы управления предприятиями, системы резервирования авиационных или железнодорожных билетов, мест в гостиницах и т. д.

    Вторая  область использования вычислительной техники возникла несколько позже первой. Это связано с тем, что на заре вычислительной техники возможности компьютеров по хранению информации были очень ограниченными. Говорить о надежном и долговременном хранении информации можно только при наличии запоминающих устройств, сохраняющих информацию после выключения электрического питания. Оперативная память компьютеров этим свойством обычно не обладает. В первых компьютерах использовались два вида устройств внешней памяти — магнитные ленты и барабаны. Емкость магнитных лент была достаточно велика, но по своей физической природе они обеспечивали последовательный доступ к данным. Магнитные же барабаны  давали возможность произвольного доступа к данным, но имели ограниченный объем хранимой информации.

    Эти ограничения не являлись слишком  существенными для чисто численных расчетов. Даже если программа должна обработать (или произвести) большой объем информации, при программировании можно продумать расположение этой информации во внешней памяти (например, на последовательной магнитной ленте), обеспечивающее эффективное выполнение этой программы. Однако в информационных системах совокупность взаимосвязанных информационных объектов фактически отражает модель объектов реального мира. А потребность пользователей в информации, адекватно отражающей состояние реальных объектов, требует сравнительно быстрой реакции системы на их запросы. И в этом случае наличие сравнительно медленных устройств хранения данных, к которым относятся магнитные ленты и барабаны, было недостаточным.

    Появление съемных магнитных дисков с подвижными головками явилось революцией в истории вычислительной техники. Эти устройства внешней памяти обладали существенно большей емкостью, чем магнитные барабаны, обеспечивали удовлетворительную скорость доступа к данным в режиме произвольной выборки, а возможность смены дискового пакета на устройстве позволяла иметь практически неограниченный архив данных.

2. Файлы и файловые системы

    Важным  шагом в развитии информационных систем явился переход к использованию  централизованных систем управления файлами. С точки зрения прикладной программы, файл — это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные. Правила именования файлов, способ доступа к данным, хранящимся в файле, и структура этих данных зависят от конкретной системы управления файлами и, возможно, от типа файла. Система управления файлами берет на себя распределение внешней памяти, отображение имен файлов в соответствующие адреса во внешней памяти и обеспечение доступа к данным. Пользователи видят файл как линейную последовательность записей и могут выполнить над ним ряд стандартных операций:

• создать файл (требуемого типа и размера);
• открыть ранее созданный файл;
• прочитать из файла некоторую запись (текущую, следующую, предыдущую, первую, последнюю);
• записать в файл на место текущей записи новую, добавить новую запись в конец файла.

    В разных файловых системах эти операции могли несколько отличаться, но общий  смысл их был именно таким. Главное, что следует отметить, это то, что структура записи файла была известна только программе, которая  с ним работала, система управления файлами не знала ее. И поэтому для того, чтобы извлечь некоторую информацию из файла, необходимо было точно знать структуру записи файла с точностью до бита. Каждая программа, работающая с файлом, должна была иметь у себя внутри структуру данных, соответствующую структуре этого файла. Поэтому при изменении структуры файла требовалось изменять структуру программы, а это требовало новой компиляции, то есть процесса перевода программы в исполняемые машинные коды. Такая ситуации характеризовалась как зависимость программ от данных. Для информационных систем характерным является наличие большого числа различных пользователей (программ), каждый из которых имеет свои специфические алгоритмы обработки информации, хранящейся в одних и тех же файлах. Изменение структуры файла, которое было необходимо для одной программы, требовало исправления и перекомпиляции и дополнительной отладки всех остальных программ, работающих с этим же файлом. Это было первым существенным недостатком файловых систем, который явился толчком к созданию новых систем хранения и управления информацией.

    Далее, поскольку файловые системы являются общим хранилищем файлов, принадлежащих, вообще говоря, разным пользователям, системы управления файлами должны обеспечивать авторизацию доступа к файлам. В общем виде подход состоит в том, что по отношению к каждому зарегистрированному пользователю данной вычислительной системы для каждого существующего файла указываются действия, которые разрешены или запрещены данному пользователю. Для множества файлов, отражающих информационную модель одной предметной области, такой децентрализованный принцип управления доступом вызывал дополнительные трудности. И отсутствие централизованных методов управления доступом к информации послужило еще одной причиной разработки СУБД.

    Следующей причиной стала необходимость обеспечения  эффективной параллельной работы многих пользователей с одними и теми же файлами. В общем случае системы  управления файлами обеспечивали режим  многопользовательского доступа. Если операционная система поддерживает многопользовательский режим, вполне реальна ситуация, когда два или более пользователя одновременно пытаются работать с одним и тем же файлом. Если все пользователи собираются только читать файл, ничего страшного не произойдет. Но если хотя бы один из них будет изменять файл, для корректной работы этих пользователей требуется взаимная синхронизация их действий по отношению к файлу. 

3. Основные  понятия и определения баз и банков данных

    Недостатки файловых систем, затрудняющие совместное использование информации многими пользователями были решены в рамках новых программных систем, названных впоследствии Системами Управления Базами Данных (СУБД).

    Банк  данных (БнД) — это система специальным  образом организованных данных — баз данных, программных, технических, языковых, организационно-методических средств, предназначенных для обеспечения централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования данных.

    База  данных (БД) — именованная совокупность структурированных данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области. Под предметной областью принято понимать часть реального мира, подлежащего изучению для организации управления и, в конечном счете, автоматизации, например, для ведения счетов, учета материальных ценностей, планирования и т.п. Структурирование данных – это введение соглашения о способах представления данных.

    Задачами  БД являются обеспечение хранения информации, а также организация удобного и быстрого доступа к данным. Информация в БД должна быть:

• непротиворечивой;
• не избыточной;
• целостной.

    Система управления базами данных (СУБД) — совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения  и совместного использования БД многими пользователями.

    Программы, с помощью которых пользователи работают с базой данных, называются приложениями. В общем случае с одной базой данных могут работать множество различных приложений. Например, если база данных моделирует некоторое предприятие, то для работы с ней может быть создано приложение, которое обслуживает подсистему учета кадров, другое приложение может быть посвящено работе подсистемы расчета заработной платы сотрудников, третье приложение работает как подсистемы складского учета, четвертое приложение посвящено планированию производственного процесса. При рассмотрении приложений, работающих с одной базой данных, предполагается, что они могут работать параллельно и независимо друг от друга, и именно СУБД призвана обеспечить работу множества приложений с единой базой данных таким образом, чтобы каждое из них выполнялось корректно, но учитывало все изменения в базе данных, вносимые другими приложениями.

4. Информационная система: функции и основное назначение

    Информационная  система (ИС) - совокупность БД и комплекса  аппаратно-программных средств для ее хранения, изменения и поиска информации, для взаимодействия с пользователем. Основное назначение информационных систем и баз данных; хранение, поиск, внесение изменений, группировка и сортировка данных (манипулирование данными).

    Информационные  системы создаются по определенным отраслям, в каждой из которых выполняют  кроме основного назначения и  свои специфические функции. Но общим для всех систем является накопление данных, организация деятельности по обработке данных (аналитическая деятельность) и принятие обоснованных управленческих решений. Информационные системы могут быть классифицированы по виду деятельности организации:

    производственные  системы;

    системы маркетинга;

    системы учета и бухгалтерии;

    системы кадров и т. д.

    Информационные  системы могут различаться и  по архитектуре и по способам реализации, однако есть свойства, которые являются общими для всех информационных систем. Первое - это назначение: сбор, хранение и обработка информации. Второе - среда хранения и доступ к данным. С одной стороны необходимо обеспечить сохранность данных на длительный срок, с другой,  доступ к данным должен осуществляться в самые короткие сроки. Причем данные могут и должны иметь разные структуры.

    Третье  и обязательное свойство - удобный  и понятный интерфейс для конечного  пользователя. Информационная система  служит в первую очередь инструментом деятельности пользователя, который не должен вникать в особенности программы. Традиционно стали использовать графический интерфейс, интуитивно понятный и удобный при оперировании электронными объектами.

    Любая информационная система имеет прикладное назначение. Информация какой-либо производственной сферы должна накапливаться и соответственно должны применяться определенные свойства манипулирования данными. Возможности выделения информационных блоков могут отличаться. Например, в бухгалтерском деле в основном оперируют числовыми данными, а в области медицины необходимо пользоваться текстовыми данными. Соответственно в информационные системы закладывают различные способы оперирования данными. 

5. Архитектура базы данных. Физическая и логическая независимость

    В настоящее время стандартами  определяется трехуровневая система организации БД, изображенная на рис.1:

1. Уровень внешних  моделей — самый верхний уровень, определяющий точку зрения на БД отдельных приложений. Каждое приложение видит и обрабатывает только те данные, которые необходимы именно этому приложению. Например, система распределения работ использует сведения о квалификации сотрудника, но ее не интересуют сведения об окладе, домашнем адресе и телефоне сотрудника, и наоборот, именно эти сведения используются в подсистеме отдела кадров.
2. Концептуальный уровень — центральное управляющее звено, на котором база данных представлена в общем виде, объединяющем данные, используемые всеми приложениями, работающими с данной базой данных. Фактически концептуальный уровень отражает обобщенную модель предметной области (объектов реального мира), для которой создавалась база данных. Как любая модель, концептуальная модель отражает только существенные, с точки зрения обработки, особенности объектов реального мира.
3. Физический уровень — определяет физическую организацию данных, их расположение в файлах или в страничных структурах на внешних носителях информации.