Лекция 9. Понятие о базах данных и их разновидностях

База данных – совокупность взаимосвязанных данных, которые можно использовать для большого числа приложений, быстро получать и модифицировать необходимую информацию.

Модели базы данных базируются на современном подходе к обработке информации. Структура информации базы позволяет формировать логические записи их элементов и их взаимосвязи. Взаимосвязи могут быть: один к одному, один ко многим и многие ко многим.

Применение того или иного типа взаимосвязи определены тремя моделями базы данных: иерархической, сетевой, реляционной.

Иерархическая модель представлена в виде древовидного графа. Достоинство этой модели в том, что она позволяет описать структуру данных как на логическом, так и на физическом уровне. Ее недостаток – жесткая фиксированность взаимосвязи между элементами. В связи с этим любые изменения связей требуют изменения ее структуры. Кроме того, быстрота доступа достигнута за счет потери информационной гибкости, т.е. за один проход по древу невозможно получить информацию, расположенную по другой ветви связи. Данная модель реализует тип связи один ко многим.

Сетевая модель базы данных представлена в виде диаграммы связей. В сетевой модели допустимы любые виды связей между записями, отсутствуют ограничения на число обратных связей. Используется принцип многие ко многим. К достоинству этой модели относится большая информационная гибкость по сравнению с иерархической моделью, однако сохраняется недостаток – жесткость структуры.

 При необходимости частой реорганизации информационной базы применяют наиболее совершенную модель базы данных – реляционную, в которой отсутствуют отличия между объектами и взаимосвязями. Тип связи такой модели – один к одному. В этой модели связи между объектами представлены в виде двумерных таблиц – отношений. Поскольку любую структуру данных можно преобразовать в простую двухмерную таблицу, а такое представление является наиболее удобным и для пользователя, и для машины, подавляющее большинство современных информационных систем работает именно с такими таблицами, т.е. с реляционными базами данных.

Отношения обладают следующими свойствами:

-  каждый элемент – один элемент данных;

-  повторяющиеся группы отсутствуют;

-  элементы столбца имеют одинаковую природу;

-  в таблице не повторяются строки;

-  строки и столбцы можно просматривать в любом порядке.

Преимущество данной модели:

-  простота логической модели;

-  гибкость системы;

-  независимость данных;

-  возможность построения простого языка манипулирования данными с помощью математической теории реляционной алгебры. Именно наличие строгого математического аппарата обусловило ее наибольшее распространение и перспективность в современных компьютерных технологиях.

Основные функции СУБД:

1. Непосредственное управление данными во внешней памяти

Эта функция включает обеспечение необходимых структур внешней памяти как для хранения данных, непосредственно входящих в БД, так и для служебных целей, например, для убыстрения доступа к данным. В некоторых реализациях СУБД активно используются возможности существующих файловых систем, в других работа производится вплоть до уровня устройств внешней памяти. В развитых СУБД пользователи в любом случае не обязаны знать, использует ли СУБД файловую систему, и если использует, то как организованы файлы. В частности, СУБД поддерживает собственную систему именования объектов БД.

2. Управление буферами оперативной памяти

СУБД обычно работают с БД значительного размера; по крайней мере этот размер обычно существенно больше доступного объема оперативной памяти. Понятно, что если при обращении к любому элементу данных будет производиться обмен с внешней памятью, то вся (система будет работать со скоростью устройства внешней памяти.

3. Управление транзакциями

Транзакция - это последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД как единое целое. Либо транзакция успешно выполняется и СУБД фиксирует изменения БД, произведенные этой транзакцией, во внешней памяти, либо ни одно из этих изменений никак не отражается на состоянии БД. Понятие транзакции необходимо для поддержания логической целостности БД. Каждая транзакция начинается при целостном состоянии БД и оставляет это состояние целостным после своего завершения, делает очень удобным использование понятия транзакции как единицы активности пользователя по отношению к БД. При соответствующем управлении параллельно выполняющимися транзакциями со стороны СУБД каждый из пользователей может в принципе ощущать себя единственным пользователем СУБД.

4. Журнализация

Одним из основных требований к СУБД является надежность хранения данных во внешней памяти. Под надежностью хранения понимается то, что СУБД должна быть в состоянии восстановить последнее согласованное состояние БД после любого аппаратного или программного сбоя. Обычно рассматриваются два возможных вида аппаратных сбоев: так называемые мягкие сбои, которые можно трактовать как внезапную остановку работы компьютера (например, аварийное выключение питания), и жесткие сбои, характеризуемые потерей информации на носителях внешней памяти. Примерами программных сбоев могут быть: аварийное завершение работы СУБД (по причине ошибки в программе или в результате некоторого аппаратного сбоя) или аварийное завершение пользовательской программы, в результате чего некоторая транзакция остается незавершенной.

5. Поддержка языков БД

Для работы с базами данных используются специальные языки, в целом называемые языками баз данных. В ранних СУБД поддерживалось несколько специализированных по своим функциям языков. Чаще всего выделялись два языка - язык определения схемы БД (SDL) и язык манипулирования данными (DML). SDL служил главным образом для определения логической структуры БД, т.е. той структуры БД, какой она представляется пользователям. DML содержал набор операторов манипулирования данными, т.е. операторов, позволяющих заносить данные в БД, удалять, модифицировать или выбирать существующие данные.

В современных СУБД обычно поддерживается единый интегрированный язык, содержащий все необходимые средства для работы с БД, начиная от ее создания, и обеспечивающий базовый пользовательский интерфейс с базами данных. Стандартным языком наиболее распространенных в настоящее время реляционных СУБД является язык SQL (Structured Query Language), который сочетает средства SDL и DML, т.е. позволяет определять схему реляционной БД и манипулировать данными. Внутренняя часть СУБД (ядро) вообще не работает с именами таблиц и их столбцов.