Современные системы управления базами данных (СУБД) и их применение

Понятие базы данных тесно  связано с такими понятиями структурных элементов, как поле, запись, файл (таблица). В структуре записи файла указываются поля, значения которых являются ключами: первичными (ПК), которые идентифицируют экземпляр записи, и вторичными (ВК), которые выполняют роль поисковых или группировочных признаков (по значению вторичного ключа можно найти несколько записей).

Ядром любой базы данных является модель данных. Модель данных представляет собой множество структур данных, ограничений целостности  и операций манипулирования данными. С помощью модели данных могут быть представлены объекты предметной области и взаимосвязи между ними. Модель данных — совокупность структур данных и операций их обработки.

СУБД основывается на использовании иерархической, сетевой  или реляционной модели, на комбинации этих моделей или на некотором их множестве.

1.2.1 Особенности построения иерархической модели базы данных

 

Иерархическая модель позволяет  строить БД с иерархической древовидной  структурой. Структура ИМД описывается  в терминах, аналогичных терминам сетевой модели данных (версия CODASYL). Группу в ИМД принято называть сегментом. В основе ИМД лежит понятие дерева.

Дерево– это связный  неориентированный граф, который  не содержит циклов. При работе с  деревом выделяют какую-то конкретную вершину, определяют её как корень дерева и рассматривают особо – в эту вершину не заходит ни одно ребро. В этом случае дерево становится ориентированным, ориентация определяется от корня. Дерево как ориентированный граф определяется так: имеется единственная особая вершина, называемая корнем, в которую не заходит ни одно ребро; во все остальные вершины заходит только одно ребро, а исходит произвольное количество ребер;

Конечные вершины, то есть вершины, из которых не выходит ни одной дуги, называются листьями дерева. Количество вершин на пути от корня к листьям в разных ветвях дерева может быть различным.

В иерархических моделях  данных используется ориентация древовидной структуры от корня к листьям. Графическая диаграмма концептуальной схемы базы данных называется деревом определения. Пример иерархической базы данных приведён на рис. 1.2.1. Каждая некорневая вершина в ИМД связана с родительской вершиной (сегментом) иерархическим групповым отношением. Каждая вершина дерева соответствует типу сущности ПО. Тип сущности характеризуется произвольным количеством атрибутов, связанных с ней отношением 1:1. Атрибуты, связанные с сущностью отношением 1:n, образуют отдельную сущность (сегмент) и переносятся на следующий уровень иерархии. Реализация связей типа n:m не поддерживается.

Рис. 1.2.1. Пример иерархической базы данных

Тип вершины определяется типом сущности и набором её атрибутов. Каждая вершина дерева хранит экземпляры сущностей – записи. Следствием внутренних ограничений иерархической модели является то, что каждому экземпляру зависимой группы в БД соответствует уникальное множество экземпляров родительских записей – по одному экземпляру (записи) каждого типа вершин вышестоящих уровней.

По сравнению с СМД  иерархическая имеет ограниченный набор режимов включения и  исключения подчинённых записей. Это  определяется обязательностью связей: в дереве не может быть «висячих»  вершин, не связанных с вершиной верхнего уровня (кроме корневой). Поэтому ИМД не поддерживает необязательный класс членства и ручной режим включения записей.

В ИМД предусмотрены  специальные способы навигации. Передвижение по дереву всегда начинается с корневой вершины, от которой можно  перейти на конкретный экземпляр записи любой вершины следующего уровня. Эта вершина становится текущей вершиной, а экземпляр – текущей записью. От этой записи можно перейти к другой записи данной вершины, к экземпляру записи родительской вершины или к экземпляру записи подчинённой вершины. Т.о., попасть в любую вершину можно, только проделав полный путь по дереву от корня. Связи между записями в ИМД обычно выполнены в виде ссылок (т.е. хранятся адреса связанных записей).

Корневая запись дерева должна содержать ключ с уникальным значением. Ключи некорневых записей должны иметь уникальные значения только в экземплярах групповых отношений, т.е. на одном и том же уровне иерархии в разных ветвях дерева могут быть экземпляры записей с одинаковыми ключами. Это объясняется тем, что каждая запись идентифицируется полным сцепленным ключом, который образуется путём конкатенации всех ключей экземпляров родительских записей. Например, для студента (рис. 1.2.1) ключ – это (Шифр_факультета+№_курса+№_группы+№_зачётной_книжки).

Основным недостатком  ИМД является дублирование данных. Оно вызвано тем, что каждая сущность (атрибут) может относиться только к одной родительской сущности. Например, если в БД хранятся данные о детях сотрудников, а на предприятии работает и отец, и мать ребёнка, то сведения об этом ребёнке нужно хранить дважды. Аналогичная ситуация возникает, если нужно отразить в БД связь «многие-ко-многим». Дублирование данных может вызвать нарушение логической целостности БД при внесении изменений в эти данные.

Если данные имеют  естественную древовидную структуризацию, то ис-пользование иерархической модели данных не вызывает проблем. Но на практике часто требуется реализовать структуры данных, отличные от иерархической. Для решения этих задач конкретные СУБД, основанные на ИМД, включают дополнительные средства, облегчающие представление произвольно организованных данных.

В качестве примера типичного  представителя иерархических СУБД можно привести систему IMS (Information Management System, IBM).

Сетевая и иерархическая  модели данных относятся к базам данных I-го поколения (60-е – начало 70-х гг. XX века). Эти модели не смогли в полной мере реализовать независимость данных от программ. Из-за особенностей их организации структура запросов к данным в таких системах определяется наличием связей между записями.

1.2.2 Особенности построения сетевой модели базы данных

 

Сетевая модель базы данных похожа на иерархическую. Она имеет  те же основные составляющие , однако характер их отношений принципиально иной. В сетевой модели принята свободная  связь между элементами разных уровней. В сетевой модели данных каждый элемент может иметь более одного порождающего элемента, а графическое представление очень напоминает сеть. Она допускает усложнения «дерева» без ограничения количества связей, входящих в его вершину.

К достоинствам сетевых  баз данных можно отнести гибкость, стандартизацию и быстродействие.

1.2.3 Особенности построения реляционной модели базы данных

 

Термин «реляционный» (от лат. Relatio- отношение) указывает прежде всего на то, что такая модель хранения данных построена на взаимоотношении составляющих ее частей. В простейшем случае она представляет собой двухмерный массив или двухмерную таблицу, а при создании сложных информационных моделей составит совокупность взаимосвязанных таблиц. Рассмотрим табл.1, в которой хранятся сведения о студентах 4 курса физико-математического факультета (№ зачетки, группа, ФИО, дата рождения). Каждая строка такой таблицы называется записью и хранит информацию об одном экземпляре объекта данных, представленного в таблице. Одинаковых записей в таблице не должно быть. Каждый столбец в такой таблице называется полем. Основное требование к реляционной базе данных состоит в том, что значения полей должны быть элементарными и неделимыми информационными единицами, что создает возможность применять в целях обработки информации математический аппарат реляционной алгебры. Наиболее популярны реляционные СУБД-dBase, FoxBase, FoxPro, Clarion, Paradox, Access и др.

Таблица 1

№ зачетки	Группа	Фамилия	Имя	Отчество	Дата рождения
03139	131	Архипова	Наталья	Владимировна	03.03.1986
03612	132	Боярских	Мария	Александровна	19.12.1985
03056	133	Зарубина	Ирина	Владимировна	08.04.1986

 

Реляционная модель базы данных имеет следующие свойства:

1) каждый элемент таблицы - один элемент данных;

2) все столбцы таблицы являются однородными, т.е. имеют один тип;

3) каждый столбец (поле) имеет уникальное имя;

4) одинаковые строки в таблице отсутствуют;

5) порядок следования строк в  таблице может быть произвольным и может характеризоваться количеством полей, записей, типом данных; Над реляционной моделью базы данных удобно производить следующие действия: сортировку данных, выборку данных по группам, поиск записей.

Реляционная модель данных, как правило, состоит из нескольких таблиц, которые связываются между собой ключами.

Ключ- поле, которое однозначно определяет соответствующую запись.

В нашем примере в  качестве ключа может служить  номер зачетки студента.

В настоящее время  реляционная модель является наиболее удобной и применимой моделью  хранения данных.

Рассмотрим достоинства  и недостатки реляционной и иерархической моделей баз данных (табл.2).

 

Таблица 2

Реляционная модель	Иерархическая модель
Достоинства
1 .Быстрый поиск данных, так как все данные находятся  в одной таблице. Поиск осуществляется  по записям	1.Удобный переход от  одного класса к другому, который организован с помощью кнопок, созданных в базе данных
2.Создается только  одна таблица, в которой сведения  о каждом студенте сохранены  в виде отдельных записей
3.Возможность сортировки  данных и выборки по заданным условиям.
Недостатки
1. Переход к отдельному студенту по имени возможен только в последовательности от одной записи к    другой, или через специальный инструмент - «Поиск».	1.Необходимо создавать  таблицу на каждого студента  в отдельности.
		2. Затруднен поиск  и сортировка данных.
		3.Переход по записям  одного уровня невозможен, необходимо  выйти на предыдущий уровень  и пойти в другую ветвь связей

2. Основные виды систем управления базами данных. Функциональные возможности СУБД

 

Системой управления базами данных называют программную  систему, предназначенную для создания на ЭВМ общей базы данных, используемой для решения множества задач. Подобные системы служат для поддержания  базы данных в актуальном состоянии  и обеспечивают эффективный доступ пользователей к содержащимся в ней данным в рамках предоставленных пользователям полномочий. СУБД предназначена для централизованного управления базой данных в интересах всех работающих в этой системе.

По степени универсальности  различают два класса СУБД:

- системы общего назначения;

- специализированные системы.

СУБД общего назначения не ориентированы на какую-либо предметную область или на информационные потребности  какой-либо группы пользователей. Специализированные СУБД создаются в редких случаях при невозможности или нецелесообразности использования СУБД общего назначения. Рассмотрим основные характеристики некоторых СУБД — лидеров на рынке программ, предназначенных как для разработчиков информационных систем, так и для конечных пользователей. В рассматриваемую группу программных продуктов вошли:

- dBASE IV 2.0, компании Borland International;

- Microsoft Access 2.0;

- Microsoft FoxPro 2.6 for DOS;

- Microsoft FoxPro 2.6 for Windows, корпорации Microsoft Corp;

- Paradox for DOS 4.5;

- Paradox for Windows, версия 4.5 компании Borland.

В таблице 3 показаны места (условные), которые занимают рассматриваемые программные средства относительно друг друга. Например, 1 — означает, что в указанной позиции данная программа обладает лучшими характеристиками, 5 — худшими, нет — указанной характеристикой данная программа не обладает.

Таблица 3. Характеристики СУБД

Наименование	dBASE IV 2.0	Microsoft Access 2.0	Microsoft FoxPro for DOS 2.6	Microsoft FoxPro for Windows2.6	Paradox for DOS 4.5	Paradox for Windows 4.5
Производительность	4	3	1	1	2	2
Обеспечение целостности данных на уровне базы данных	нет	1	нет	нет	2	2
Обеспечение безопасности	2	1	5	5	3	4
Работа в многопользовательских  средах	2	2	4	4	1	3
Импорт-экспорт	2	1	2	1	1	1
Доступ к данным SQL	2	1	2	2	нет	3
Возможности запросов и инструментальные средства разработки прикладных программ	3	3	1	1	2	4