информация зафиксированная в некоторой форме пригодной для последующей обработки передачи и хранения

Терминология: информация, данные, знания

Тема «Технологии хранения, поиска и сортировки данных»

Информация – любые сведения о каком-либо событии, сущности, процессе и т.п., являющиеся объектом некоторых операций: восприятие, передача, преобразование, хранение или использование.

Данные – это информация, зафиксированная в некоторой форме, пригодной для последующей обработки, передачи и хранения, например, находящаяся в памяти ЭВМ или подготовленная для ввода в ЭВМ.

Подготовка информации – состоит в ее формализации, сборе и переносе на машинные носители.

Обработка данных – это совокупность задач, осуществляющих преобразование массивов данных. Обработка данных включает в себя ввод данных в ЭВМ, отбор данных по каким-либо критериям, преобразование структуры данных, перемещение данных на внешней памяти ЭВМ, вывод данных, являющихся результатом решения задач, в табличном или в каком-либо ином удобном для пользователя виде.

Система обработки данных(СОД) – это набор аппаратных и программных средств, осуществляющих выполнение задач по управлению данными.

Управление данными – совокупность функций обеспечения требуемого представления данных, их накопления и хранения, обновления, удаления, поиска по заданному критерию и выдачи данных.

Предметная область – часть реального мира, подлежащая изучению с целью организации управления и, в конечном итоге автоматизации.

База данных(БД) – совокупность данных, организованных по определенным правилам, предусматривающим общие принципы описания, хранения и манипулирования данными, независимая от прикладных программ. Эти данные относятся к определенной предметной области и организованы таким образом, что могут быть использованы для решения задач многими пользователями.

Введение базы данных – деятельность по обновлению, восстановлению и изменению структуры базы данных с целью обеспечения ее целостности, сохранности и эффективности использования.

Система управления базами данных(СУБД) – это совокупность программ и языковых средств, предназначенных для управления данными в базе данных, ведения базы данных и обеспечения взаимодействия ее с прикладными программами.

Автоматизированная информационная система (АИС) представляет собой совокупность данных, экономико-математических методов и моделей, технических, программных средств и специалистов, предназначенную для обработки информации и принятия управленческих решений.

2. Классификация баз данных

Развитие средств вычислительной техники и информационных технологий обеспечило возможности для создания и широкого применения автоматизированных информационных систем (АИС) разнообразного назначения. Разрабатываются и внедряются информационные системы управления хозяйственными и техническими объектами, модельные комплексы для научных исследований, системы автоматизации проектирования и производства, всевозможные тренажеры и обучающие системы.

Технологии баз данных одна из наиболее востребованных технологий в практической разработке информационных систем, сформирована широкая сфера самых разнообразных приложений систем баз данных. Обычно БД создается для хранения и доступа к данным из некоторой предметной области.

Под автоматизированной информационной системой(АИС) понимают совокупность программно-аппаратных средств, предназначенных для автоматизации деятельности, связанной с хранением, передачей и обработкой информации. АИС, основанная на базе данных, служит для сбора, накопления, хранения информации, а также ее эффективного использования для различных целей. Информация представляется в виде данных, хранимых в памяти ЭВМ.

По сферам применения и правилам организации различают два основных класса АИС, основанных на базе данных: информационно-поисковые (ИПС) и системы обработки данных (СОД).

ИПС ориентированы, как правило, на извлечение подмножества хранимых данных, удовлетворяющих некоторому поисковому критерию. Пользователя ИПС интересует, в основном, сами извлекаемые из базы данных сведения, а не результаты их обработки. Примером ИПС является любая справочная служба: к ней обращаются с запросом и получают в результате те данные, которые удовлетворяют этому запросу.

Обращения пользователя к СОД чаще всего приводят к обновлению данных. Вывод данных может вовсе отсутствовать или представлять собой результат программной обработки хранимых сведений. Пример СОД – банковские системы, осуществляющие открытие\закрытие счетов, пересчет вкладов в зависимости от процентов, прием\снятие сумм и т.п.

В зависимости от характера информационных ресурсов, с которыми имеют дело АИС, их подразделяют на документальныеи фактографические. На практике используются также системы комбинированного типа.

Фактографические АИС хранят сведения об объектах предметной области, их свойствах и взаимосвязях. Сведения о каждом объекте могут поступать в систему из множества различных источников. Кроме поиска и модификации данных, фактографические системы поддерживают статистические функции (нахождение суммы, минимума, максимума и т.п.). Фактографические АИС обычно принадлежат к классу систем обработки данных.

В документальной системе объект хранения – документ, который содержит информацию, относящуюся к определенной предметной области. Это могут быть графические изображения (например, географические карты): информация на естественном языке (монографии, тексты законодательных актов, научные отчеты и т.п.); звуковая информация (например, мелодии для системы, хранящей фонотеку) и т.д. Для обработки данных не важно, какие сведения хранятся в документах. Обычно (но не всегда) документальные АИС реализуются в виде информационно-поисковых систем (ИПС).

3. Назначение и основные компоненты систем баз данных

Система БД включает два основных компонента: собственно базу данных и систему управления базами данных – СУБД (рисунок 3.1.). Большинство СОД включают также программы обработки данных (прикладное программное обеспечение), которые обращаются к данным через СУБД.

Рисунок 3.1. Компоненты системы баз данных

Таким образом, обращение к базе данных возможно только через СУБД. База данных предназначена для хранения данных информационной системы. Пользователи обращаются к базе данных обычно не напрямую через средства СУБД, а с помощью внешнего интерфейса – приложения, входящего в состав АИС. Основной характеристикой баз данных является совместное использование данных многими пользователями.

4. Основные модели данных

Модель данных – это совокупность правил прохождения структур данных в базе данных, операций над ними, а также ограничений целостности, определяющих допустимые связи и значение данных, последовательность их изменения.

История создания и развития СУБД насчитывает около сорока лет. За этот период были разработаны многочисленные модели данных, прежде всего это сетевые, иерархические и реляционные модели данных. Сетевые и иерархические модели в настоящее время считаются устаревшими, но существует множество баз данных созданных на их основе и требующих поддержания их работы.

Сетевая модель БД— модель, в которой принята свободная связь между элементами разных уровней. Сетевая модель позволяет организовывать БД, структура которых представляется графом общего вида. Сетевая база данных является обобщением иерархической, в которой каждый элемент вышестоящего уровня может быть связан одновременно с любым элементом следующего уровня. На связи между объектами в сетевых моделях не накладывается никаких ограничений. Пример сетевой базы данных приведён на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1. Пример фрагмента сетевой базы данных

Сетевой базой данных фактически является «всемирная паутина» сети Интернет. Гиперссылки связывают собой сотни миллионов документов в единую сетевую базу данных.

Иерархическая модельпозволяет строить БД с иерархической древовидной структурой. В основе иерархической модели 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. Иерархическая база данных по своей структуре соответствует иерархической файловой системе.

В иерархических моделях данных используется ориентация древовидной структуры от корня к листьям. Поиск данных в таком случае может осуществляться последовательным «спуском» с одного уровня на другой Пример иерархической базы данных приведён на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2. Пример фрагмента иерархической базы данных

5. Реляционная модель данных

Реляционная модель данных была предложена в 1970 г. математиком Эдгаром Коддом. Широкое распространение реляционной модели объясняется в первую очередь простотой представления и формирования базы данных, универсальностью и удобством обработки данных, которая осуществляется с помощью декларативного языка запросов SQL.

В основе реляционной моделилежит понятие множества, как неупорядоченного набора уникальных значений. Основные особенности множества:

· уникальность составляющих элементов,

Ограниченностьопределяет условием вхождения данных в заданное множество. Например, «все целые числа», или «все числа от минус 0,5 до плюс 0.5». В общем случае элементов множества может быть бесконечно много, но всегда есть способ понять – число 3,1415 к обоим множествам не относится.

Уникальностьпозволяет однозначно определить объект в базе данных. Уникальность позволяет не только искать и находить, но находить с гарантией, что эта находка будет единственной. Система поиска, таким образом, «строится» исходя из твердой уверенности, что данный объект – уникальный, правильно идентифицированный, и именно к нему относятся взятые в другом месте характеристики. Именно к этому речному переходу по каталогу, например, относятся данные промеров русла, а не к рекам со сходным названием вообще.

Неупорядоченностьгарантирует, что при любомобращении операция обойдет все элементы в множестве (все объекты в базе данных).

Источник

Информация зафиксированная в некоторой форме пригодной для последующей обработки передачи и хранения

Тесты МУ Витте (МИЭМП/МУИВ), письменные работы. запись закреплена

Тесты Витте ПРЕДМЕТ Базы данных
Консультации по сдаче тестов, задач, практик, курсовых, и др.
Кейс-задания. Отчеты НИР. Рефераты. Контрольные. Рейтинговые.
Анонимно и с гарантией! Специалисты онлайн! Все дисциплины!

Как называется информация, зафиксированная в некоторой форме, пригодной для последующей обработки, передачи и хранения?
-: подготовленная информация
+: данные
-: СУБД
-: база данных

Как называется совокупность данных, организованных по определенным правилам, предусматривающим общие принципы описания, хранения и манипулирования данными, независимая от прикладных программ?
-: база знаний
+: база данных
-: система обработки данных
-: СУБД

Как называется совокупность программ и языковых средств, предназначенных для управления данными в базе данных, ведения базы данных и обеспечения взаимодействия её с прикладными программами?
-: база знаний
+: СУБД
-: система обработки данных
-: база данных

Как называется автоматизированная информационная система, включающая в свой состав комплекс специальных методов и средств (математических, информационных, программных, языковых, организационных и технических) для поддержания динамической информационной модели предметной области?
-: база данных
-: база знаний
-: система обработки данных
-: СУБД

Как называется реального мира, подлежащая изучению с целью организации управления и, в конечном итоге, автоматизации?
-: информация
+: предметная область
-: данные
-: СУБД

В виде чего можно представлять сведения о каком-либо объекте, предмете или сущности:
-: информация
-: база знаний
-: данные
-: автоматизированная информационная система

Какие есть средства организации данных?
-: база данных
-: автоматизированная информационная система
-: база знаний
-: предметная область

Какие программные средства используются для хранения данных?
-: банк данных
-: модель данных
-: СУБД
-: прикладная программа

Какие существуют компоненты в трехзвенной системе обработки данных?
+: прикладное программное обеспечение
+: система управления базой данных
+: файловая схема базы данных
-: пользовательский интерфейс

Какие существуют уровни представления данных?
-: внешний уровень
-: связанный уровень
-: концептуальный уровень
-: физический уровень

Совокупность данных, организованных по определенным правилам, предусматривающим общие принципы описания, хранения и манипулирования данными называется _________________.
-: база данных

______________ уровень представляет собой формализованную информационно-логическую модель предметной области.

Деятельность по обновлению, восстановлению и перестройке структуры базы данных с целью обеспечения ее целостности, сохранности и эффективности использования называется ___________ базы данных.

Определить, какое количество стрелок управления будет приходить к работам в этой модели, если она составлена в нотации IDEF0:
Как называется описание базы данных в контексте конкретной модели данных?
-: концептуальная
-: схема данных
-: физическая модель данных
-: логическая модель данных

Какая модель структуризации данных была предложена Ассоциацией по языкам обработки данных (CODASY)?
-: реляционная модель данных
-: сетевая модель данных
-: иерархическая модель данных
-: дерево

Какая модель данных позволяет организовывать БД, структура которых представляется графом общего вида?
-: дерево
-: иерархическая модель данных
-: реляционная модель данных
-: сетевая модель данных

Какая модель данных реализовывается как ориентированный граф?
-: сетевая модель данных
-: дерево
-: реляционная модель данных
-: иерархическая модель данных

Какая модель данных основана на использовании отношений в виде декартового произведения доменов?
-: иерархическая модель данных
-: реляционная модель данных
-: сетевая модель данных
-: дерево

Какие модели данных обеспечивают возможность использования агрегатов данных?
-: сетевая модель данных
-: реляционная модель данных
-: иерархическая модель данных
-: физическая модель данных

В каких моделях данных обеспечивают структурированные запросы?
+: сетевая модель данных
-: концептуальная модель данных
+: реляционная модель данных
-: инфологическая модель данных

Какие модели структуризации данных были разработаны по предложениям Ассоциации по языкам обработки данных (CODASY)?
-: сетевая модель данных
-: реляционная модель данных
-: иерархическая модель данных
-: физическая модель данных

Какая модель данных может быть представлена в виде графа?
-: сетевая модель данных
-: иерархическая модель данных
-: дерево
-: реляционная модель данных

Какая модель данных поддерживает составные типы данных?
-: сетевая модель данных
-: реляционная модель данных
-: иерархическая модель данных
-: инфологическая модель данных

Модель данных, реализуемая как ориентированный граф, называется _________.
Ассоциация по языкам обработки данных носила название __________.
_____________________ определяется в виде отношений на основе декартового произведения доменов.
Описание базы данных в контексте конкретной модели данных это ______________________.

Источник

Информация зафиксированная в некоторой форме пригодной для последующей обработки передачи и хранения

1.1. Информация, данные, знания. Терминология *

1.2. Автоматизированная информационная система *

1.3. Предметная область информационной системы *

1.4. Назначение и основные компоненты системы баз данных *

1.5. Уровни представления данных *

2. ОСНОВНЫЕ МОДЕЛИ ДАННЫХ *

2.1. Понятие модели данных *

2.1.1. Типы структур данных *

2.1.2. Операции над данными *

2.1.3. Ограничения целостности *

2.2. Сетевая модель данных (СМД) *

2.3. Иерархическая модель данных (ИМД) *

2.4. Реляционная модель данных (РМД) *

2.4.1. Понятие отношения *

2.4.2. Свойства отношений *

2.4.3. Достоинства и недостатки РМД *

2.4.4. Операции реляционной алгебры *

2.4.5. Преобразования операций реляционной алгебры *

2.5. Другие модели данных *

2.5.1. Объектно-реляционные модели данных *

2.5.2. Объектно-ориентированные модели данных *

3.1. Инфологическое проектирование

3.2. Определение требований к операционной обстановке

3.3. Выбор СУБД и инструментальных программных средств

3.4. Логическое проектирование БД

3.5. Физическое проектирование БД

3.6. Автоматизация проектирования БД

3.7. Особенности проектирования реляционных БД

3.7.1. Аномалии модификации данных

3.7.2. Нормализация отношений

4. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ

4.1. Классификация СУБД

4.2. Основные функции СУБД

4.3. Логическая и физическая целостность БД

4.4. Администрирование БД

4.5. Словари-справочники данных

5.1. Механизмы среды хранения и архитектура СУБД

5.2. Пространство памяти и размещение хранимых данных

5.3. Структура хранимых данных

5.4. Виды адресации хранимых записей

5.5. Организация связей между хранимыми записями

6. МЕХАНИЗМЫ РАЗМЕЩЕНИЯ ДАННЫХ И ДОСТУПА К ДАННЫМ

6.1. Способы доступа к записям

6.2. Индексирование данных

6.2.1. Способы организации индексов

6.2.2. Многоуровневые индексы на основе В-дерева

6.2.3. Использование индексов

6.3.1. Методы хеширования

6.3.2. Разрешение коллизий

6.3.2. Использование хеширования

6.4. Кластеризация данных

6.4.1. Принцип организации кластеров

6.4.2. Использование кластеров

7. ОРГАНИЗАЦИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ДОСТУПА К ДАННЫМ

7.1. Механизм транзакций

7.2. Взаимовлияние транзакций

7.3. Уровни изоляции транзакций

8. СПЕЦИАЛЬНАЯ ОБРАБОТКА БАЗЫ ДАННЫХ

8.1. Обеспечение целостности данных

8.2. Обеспечение защиты данных

8.2.1. Безопасность данных (обеспечение физической защиты)

8.2.2. Защита от несанкционированного доступа

8.2.3. Управление доступом к базе данных

9. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ БАЗ ДАННЫХ

Список используемых сокращений

1. ВВЕДЕНИЕ

Развитие средств вычислительной техники обеспечило возможности для создания и широкого использования автоматизированных систем обработки данных (СОД) разнообразного назначения. Разрабатываются информационные системы управления хозяйственными и техническими объектами, модельные комплексы для научных исследований, системы автоматизации проектирования и производства, всевозможные тренажеры и обучающие системы.

Существуют две основные предпосылки создания таких систем:

1. Разработка методов конструирования систем, предназначенных для коллективного пользования.

2. Возможность собирать, хранить и обрабатывать большое количество данных о реальных объектах и явлениях, то есть оснащение этих систем «памятью». Массив данных общего пользования в подобных системах называется
базой данных. Концепция баз данных стала определяющим фактором при создании эффективных автоматизированных СОД.

Основным принципом организации базы данных является совместное хранение данных и их описаний.

Эти описания обычно называют метаданными. С помощью данного принципа обеспечивается независимость данных от программ обработки, что позволяет запрашивать и модифицировать данные без написания дополнительных программ.

Информация – любые сведения о каком-либо событии, сущности, процессе и т.п., являющиеся объектом некоторых операций: восприятия, передачи, преобразования, хранения или использования.

Данные – это информация, зафиксированная в некоторой форме, пригодной для последующей обработки, передачи и хранения, например, находящаяся в памяти ЭВМ или подготовленная для ввода в ЭВМ.

Знания – в системах обработки информации знания понимают как сложноорганизованные данные, содержащие фактографическую и семантическую информацию (т.е. регистрация некоторого факта и его смысловое содержание).

Подготовка информации состоит в её формализации, сборе и перенесении на машинные носители.

Обработка данных – это совокупность задач, осуществляющих преобразование массивов данных. Обработка данных включает в себя ввод данных в ЭВМ, отбор данных по каким-либо критериям, преобразование структуры данных, перемещение данных на внешней памяти ЭВМ, вывод данных, являющихся результатом решения задач, в табличном или в каком-либо ином удобном для пользователя виде.

Система обработки данных (СОД) – это набор аппаратных и программных средств, осуществляющих выполнение задач по управлению данными.

Управление данными – весь круг операций с данными, которые необходимы для успешного функционирования СОД.

Предметная область (ПО) – часть реального мира, подлежащая изучению с целью организации управления и, в конечном итоге, автоматизации. ПО представляется множеством фрагментов, которые характеризуются множеством объектов, множеством процессов, использующих объекты, а также множеством пользователей, характеризуемых единым взглядом на предметную область.

База данных (БД) – совокупность структурированных взаимосвязанных данных, относящихся к определённой предметной области и организованных таким образом, что эти данные могут быть использованы для решения многих задач многими пользователями.

В дальнейшем речь пойдёт только об электронных базах данных, т.е. таких, которые хранятся и используются с помощью ЭВМ.

Автоматизированная информационная система (АИС) – это аппаратно-программный комплекс, функционирующий на основе вычислительной техники и обеспечивающий сбор, хранение, актуализацию и обработку данных в целях информационной поддержки какого-либо вида деятельности.

Банк данных (БнД) – это автоматизированная информационная система, включающая в свой состав комплекс специальных методов и средств (математических, информационных, программных, языковых, организационных и технических) для поддержания динамической информационной модели предметной области с целью обеспечения информационных запросов пользователей.

Информационная система (ИС), основанная на базе данных, служит для сбора, накопления, хранения информации, а также её эффективного использования для разнообразных целей. Информация представляется в виде данных, хранимых в памяти ЭВМ. При проектировании АИС, с одной стороны, решается вопрос о том, какие сведения и для каких целей будут содержаться в системе, с другой – как соответствующие данные будут организованы в памяти ЭВМ, как они будут поддерживаться и обрабатываться при эксплуатации АИС.

По сферам применения различают два основных класса АИС: информационно-поисковые (ИПС) и системы обработки данных (СОД). ИПС ориентированы, как правило, на извлечение подмножества хранимых данных, удовлетворяющих некоторому поисковому критерию. Пользователя ИПС интересует, в основном, извлекаемые из базы данных сведения, а не результаты их обработки (пример ИПС – справочные службы).

Обращения пользователя к СОД чаще всего приводят к обновлению данных. Вывод данных может вовсе отсутствовать или представлять собой результат программной обработки хранимых сведений. Пример СОД – банковские системы, осуществляющие открытие/закрытие счетов, пересчёт вкладов в зависимости от процентов, приём/снятие сумм и т.п.

В зависимости от характера информационных ресурсов, с которыми имеют дело АИС, их подразделяют на документальные и фактографические. На практике используются также и системы комбинированного типа.

В документальной системе объект хранения – документ, который содержит информацию, относящуюся к определённой предметной области. Это могут быть графические изображения (например, географические карты); информация на естественном языке (монографии, тексты законодательных актов, научные отчёты и т.п.); звуковая информация (например, мелодии для системы, хранящей фонотеку) и т.д. Для обработки информации не важно, какие сведения хранятся в документах. Обычно документальные АИС реализуются в виде информационно-поисковых систем.

Основные компоненты ИПС – это программные средства, поисковый массив документов, средства поддержки информационного языка системы. Программные средства ИПС служат для организации управления данными (ввода, хранения, защиты, поиска и выдачи). Поисковый массив документов в ИПС обычно называется базой данных. Он представляет собой набор ссылок на документы (или их описаний), хранящий основную информацию о документах и организованный так, чтобы обеспечить быстрый поиск документов. Описание документа зависит от предметной области и состоит из значений атрибутов, характеризующих содержание документа. Например, для БД географических карт это могут быть координаты и масштаб, а для БД законодательных актов – тип документа (закон, постановление и т.д.), дата его принятия, область действия и т.п.

Информационный язык системы предназначен для того, чтобы пользователь мог сформулировать запрос к системе. Системными средствами запрос преобразуется в формализованное поисковое предписание – поисковый образ запроса, которое далее сопоставляется с поисковыми образами документов, хранимыми в системе, по критерию смыслового соответствия. Информационный язык системы может быть основан на подмножестве естественного языка, которое относится к обслуживаемой ПО. Но чаще поиск документа осуществляется с помощью шаблонов – экранных форм, включающих поля описания документа.

Фактографические АИС хранят сведения об объектах предметной области, их свойствах и взаимосвязях. Сведения о каждом объекте могут поступать в систему из множества различных источников. Кроме поиска и модификации данных, фактографические системы поддерживают статистические функции (нахождение суммы, минимума, максимума и т.п.).

Мы будем основное внимание обращать на фактографические АИС, имея в виду, что ИПС создаются с помощью те же программных средств и на тех же принципах, что и СОД, а специфические моменты обработки данных реализуются через приложения (программы, внешние по отношению к ядру СОД).

Разработка любой информационной системы начинается с определения предметной области.

Предметная область (ПО) информационной системы рассматривается как совокупность реальных процессов и объектов (сущностей), представляющих интерес для её пользователей.

Каждый из объектов обладает определённым набором свойств (атрибутов), среди которых можно выделить существенные и малозначительные. Признание какого-либо свойства существенным носит относительный характер. Для упрощения процедуры формализации ПО в большинстве случаев прибегают к разбиению всего множества объектов ПО на группы объектов, однородных по структуре и поведению (относительно рамок рассматриваемой ПО), называемых типами объектов. Данные ПО представлены экземплярами объектов. Экземпляры объектов одного типа обладают одинаковыми наборами атрибутов, но должны отличаться значением хотя бы одного атрибута для того, чтобы быть узнаваемыми.

Для каждого объекта определяется идентификатор – ключевой атрибут или комбинация атрибутов. Такой идентификатор называется первичным ключом, его значение является уникальным и обязательным.

Между объектами ПО могут существовать связи, имеющие различный содержательный смысл (семантику). Эти связи могут быть факультативными или обязательными (рис.1.1). Если вновь порождённый объект одного из типов оказывается по необходимости связанным с объектом другого типа, то между этими типами объектов существует обязательная связь. Иначе связь является факультативной.

Рис.1.1. Примеры обязательной и факультативной связей

Различают типы множественных связей: «один к одному» (1:1), «один ко многим» (1:n) и «многие ко многим» (m:n) (рис. 1.2).

Рис.1.2. Примеры типов множественных связей

Совокупность типов сущностей и типов связей между ними характеризует структуру предметной области. Собственно данные представлены экземплярами объектов и связей между ними.

Множества типов объектов ПО и экземпляров объектов, значения атрибутов объектов и связи между ними могут изменяться во времени. Поэтому каждому моменту времени можно сопоставить некоторое состояние ПО. Состояния ПО обладают совокупностью свойств (правил), которые характеризуют семантику ПО. Эти правила могут быть заданы с помощью так называемых ограничений целостности, которые накладываются на типы объектов, типы связей и/или их экземпляры.

Система БД включает два основных компонента: собственно базу данных и систему управления (рис. 1.3). Большинство СОД включают также программы обработки данных, которые обращаются к данным через систему управления.

Рис.1.3. Компоненты системы баз данных

В соответствии с рис. 1.3. система управления базами данных (СУБД) обеспечивает выполнение двух групп функций: предоставление доступа к базе данных пользователям (или прикладному программному обеспечению, ППО) и управление хранением и обработкой данных в БД.

БД является информационной моделью внешнего мира, некоторой предметной области. В ней, как правило, хранятся данные об объектах, их свойствах и характеристиках. Во внешнем мире объекты взаимосвязаны, поэтому в БД эти связи должны быть отражены. Если связи между данными в БД отсутствуют, то имеет смысл говорить о нескольких независимых БД, имеющих раздельное хранение.

В памяти ЭВМ создаётся динамически обновляемая модель предметной области, что обеспечивает соответствие базы данных текущему состоянию ПО (периодически или в режиме реального времени). Одни и те же данные БД могут быть использованы для решения многих прикладных задач. Этим база данных принципиально отличается от любой другой совокупности данных внешней памяти ЭВМ.

Концепции многоуровневой архитектуры СУБД служат основой современной технологии БД. Эти идеи впервые были сформулированы в отчёте рабочей группы по базам данных Комитета по планированию стандартов Американского национального института стандартов (ANSI/X3/SPARC), опубликованному в 1975 г. В нем была предложена обобщенная трехуровневая модель архитектуры СУБД, включающая концептуальный, внешний и внутренний уровни (рис. 1.4).

Рис.1.4. Уровни представления данных

Концептуальный уровень архитектуры ANSI/SPARC служит для поддержки единого взгляда на базу данных, общего для всех её приложений и независимого от них. Концептуальный уровень представляет собой формализованную информационно-логическую модель ПО. Описание этого представления называется концептуальной схемой.

Внутренний уровень архитектуры поддерживает представление БД в среде хранения – хранимую базу данных. На этом архитектурном уровне БД представлена в полностью “материализованном” виде, тогда как на других уровнях идёт работа на уровне отдельных экземпляров или множества экземпляров записей. Описание БД на внутреннем уровне называется внутренней схемой или схемой хранения.

Внешний уровень архитектуры БД предназначен для различных групп пользователей. Описания таких представлений называются внешними схемами. В системе БД могут одновременно поддерживаться несколько внешних схем для различных групп пользователей или задач.

Совокупность схем всех уровней называется схемой базы данных.

Каждый из этих уровней может считаться управляемым, если он обладает внешним интерфейсом, который поддерживает возможности определения данных. В этом случае становится возможными формирование и системная поддержка независимого взгляда на БД для какой-либо группы персонала или пользователей, взаимодействующих с БД через интерфейс данного уровня.

В архитектурной модели ANSI/SPARC предполагается наличие в СУБД механизмов, обеспечивающих междууровневое отображение данных “внешний – концептуальный” и “концептуальный – внутренний”. Функциональные возможности этих механизмов обеспечивают абстракцию данных и определяют степень независимости данных на всех уровнях.

2. ОСНОВНЫЕ МОДЕЛИ ДАННЫХ

2.1. Понятие модели данных

Модель данных – это математическое средство абстракции, позволяющее отделить факты от их интерпретации и вместе с тем обеспечить развитые возможности представления соотношения данных.

Модель данных – это комбинация трех составляющих:

1. Набора типов структур данных.

2. Набора операторов или правил вывода, которые могут быть применены к любым правильным примерам типов данных, перечисленных в (1), чтобы находить, выводить или преобразовывать информацию, содержащуюся в любых частях этих структур в любых комбинациях.

3. Набора общих правил целостности, которые прямо или косвенно определяют множество непротиворечивых состояний БД и/или множество изменений её состояния.

2.1.1. Типы структур данных

Структуризация данных базируется на использовании концепций «агрегации» и «обобщения». Первый вариант структуризации данных был предложен Ассоциацией по языкам обработки данных (Conference on Data Systems Languages, CODASYL) (рис.2.1).

Рис.2.1. Композиция структур данных по версии CODASYL

Элемент данных – наименьшая поименованная единица данных, к которой СУБД может обращаться непосредственно и с помощью которой выполняется построение всех остальных структур. Для каждого элемента данных должен быть определён его тип.

Агрегат данных – поименованная совокупность элементов данных внутри записи, которую можно рассматривать как единое целое. Агрегат может быть простым (включающим только элементы данных, рис.2.2,а) и составным (включающим наряду с элементами данных и другие агрегаты, рис.2.2,б).

Рис.2.2. Примеры агрегатов: а) простой и б) составной агрегат

Запись – поименованная совокупность элементов данных или элементов данных и агрегатов. Запись – это агрегат, не входящий в состав никакого другого агрегата; она может иметь сложную иерархическую структуру, поскольку допускается многократное применение агрегации. Различают тип записи (её структуру) и экземпляр записи, т.е. запись с конкретными значениями элементов данных. Одна запись описывает свойства одного объекта ПО (экземпляра).

Среди элементов данных (полей) выделяются одно или несколько ключевых полей. Значения ключевых полей позволяют классифицировать объект, к которому относится конкретная запись. Ключи с уникальными значениями называются потенциальными. Каждый ключ может представлять собой агрегат данных. Один из ключей является первичным, остальные – вторичными. Первичный ключ идентифицирует экземпляр записи и его значение должно быть уникальным в пределах записей одного типа.

Иногда термин «запись» заменяют термином «группа».

Набор (или групповое отношение) – поименованная совокупность записей, образующих двухуровневую иерархическую структуру. Каждый тип набора представляет собой отношение (связь) между двумя или несколькими типами записей. Для каждого типа набора один тип записи может быть объявлен владельцем набора, остальные типы записи объявляются членами набора. Каждый экземпляр набора должен содержать только один экземпляр записи типа владельца и столько экземпляров записей типа членов набора, сколько их связано с владельцем. Для группового отношения также различают тип и экземпляр.

Групповые отношения удобно изображать с помощью диаграммы Бахмана (названа по имени одного из разработчиков сетевой модели данных). Диаграмма Бахмана представляет собой ориентированный граф, в котором вершины соответствуют группам (типам записей), а дуги – иерархическим групповым отношениям (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Пример диаграммы Бахмана для фрагмента БД «Город»

Здесь запись типа ПОЛИКЛИНИКА является владельцем записей типа ЖИТЕЛЬ и они связаны групповым отношением диспансеризация. Запись типа ОРГАНИЗАЦИЯ также является владельцем записей типа ЖИТЕЛЬ и они связаны групповым отношением работают. Записи типа РЭУ и типа ЖИТЕЛЬ являются владельцами записей типа КВАРТИРА с отношениями соответственно обслуживают и проживают. Таким образом, запись одного и того же типа может быть членом одного отношения и владельцем другого.

База данных – поименованная совокупность экземпляров групп и групповых отношений.

2.1.2. Операции над данными

Модель данных определяет множество действий, которые допустимо производить над некоторой реализацией БД для её перевода из одного состояния в другое. Это множество соотносят с языком манипулирования данными (Data Manipulation Language, DML).

Любая операция над данными включает в себя селекцию данных (select), то есть выделение из всей совокупности именно тех данных, над которыми должна быть выполнена требуемая операция, и действие над выбранными данными, которое определяет характер операции. Условие селекции – это некоторый критерий отбора данных, в котором могут быть использованы логическая позиция элемента данных, его значение и связи между данными.

По типу производимых действий различают следующие операции:

Обработка данных в БД осуществляется с помощью процедур базы данных – транзакций. Транзакция – это последовательность операций над данными, которая является логически неделимой, то есть рассматривается как единая макрооперация. Транзакция либо выполняется полностью, либо не выполняется совсем. Никакая другая процедура или операция не могут обратиться к данным, которые обрабатываются стартовавшей процедурой, до тех пор, пока последняя не закончит свою работу.

2.1.3. Ограничения целостности

Ограничения целостности обеспечивают непротиворечивость данных при переводе системы БД из одного состояния в другое и позволяют адекватно отражать ПО данными, хранимыми в БД. Ограничения делятся на явные и неявные.

Неявные ограничения определяются самой структурой данных. Например, тот факт, что записи типа СОТРУДНИК являются обязательными членами какого-либо экземпляра набора данных ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ, служит, по существу, ограничением целостности, означающим, что каждый сотрудник организации непременно должен быть в штате некоторого подразделения.

Явные ограничения задаются в схеме базы данных с помощью средств языка описания данных (DDL, Data Definition Language). В качестве явных ограничений чаще всего выступают условия, накладываемые на значения данных. Например, заработная плата не может быть отрицательной, а дата приема сотрудника на работу обязательно будет меньше, чем дата его перевода на другую работу. За выполнением этих ограничений следит СУБД в процессе своего функционирования.

Также различают статические и динамические ограничения целостности. Статические ограничения присущи всем состояниям ПО, а динамические определяют возможность перехода ПО из одного состояния в другое. Примерами статических ограничений целостности могут служить требования уникальности номера паспорта или ограничения на дату рождения, которая не может быть больше текущей даты. В качестве примера динамического ограничения целостности можно привести ограничение банковской системы, в соответствии с которым нельзя удалить сведения о клиенте, пока у него не закрыт счёт.

В настоящее время разработано много различных моделей данных. Основные – это сетевая, иерархическая и реляционная модели.

Сетевая модель позволяет организовывать БД, структура которых представляется графом общего вида (пример СМД – на рис. 2.3). Организация данных в сетевой модели соответствует структуризации данных по версии CODASYL. Каждая вершина графа хранит экземпляры сущностей (записи) и сведения о групповых отношениях с сущностями других типов. Каждая запись может хранить произвольное количество значений атрибутов (элементов данных и агрегатов), соответствующих экземпляру сущности.

Групповые отношения характеризуют следующие признаки:

1. Способ упорядочения подчинённых записей.

Поддерживаются три способа упорядочения:

2. Режим включения подчинённых записей.

Режим включения бывает автоматический и ручной.

При автоматическом режиме подчиненная запись связана с записью-владельцем обязательной связью, поэтому она включается в групповое отношение и прикрепляется к записи-владельцу в момент внесения в БД. (Из этого следует, что запись-владелец должна быть внесена в БД до внесения первого экземпляра подчиненной записи.)

При ручном режиме включения подчиненная запись может находиться в БД и не быть прикрепленной к записи-владельцу. Она вручную включается в групповое отношение тогда, когда это отношение (связь) возникает.

3. Режим исключения подчинённых записей.

Режим исключения определяется классом членства. Различают три класса членства: фиксированный, обязательный и необязательный. Записи с фиксированным членством удаляются вместе с записью–владельцем. Записи с обязательным членством должны быть удалены до удаления записи–владельца: владелец, к которому прикреплена хотя бы одна запись с обязательным членством, не может быть удален. Записи с необязательным членством при удалении записи–владельца останутся в БД.

В СМД применяются следующие операции над данными:

Связи между записями в СМД обычно выполнены в виде указателей (т.е. каждая запись хранит ссылки на другие однотипные записи и записи, связанные с ней групповыми отношениями). Подробнее об этом рассказано в разделе 5.5.»Организация связей между хранимыми записями».

В сетевой модели данных предусмотрены специальные способы навигации и манипулирования данными. Аппарат навигации в графовых моделях служит для установления тех объектов данных, к которым будет применяться очередная операция манипулирования данными. Такие объекты называются текущими. В СМД возможны переходы:

Наиболее распространенной и стандартизованной из реализаций СМД является модель CODASYL. В соответствии с ней описание схемы БД осуществляется на языке COBOL, а манипулирование данными – с помощью включающего языка программирования высокого уровня.

Иерархическая модель позволяет строить БД с иерархической древовидной структурой. Структура ИМД описывается в терминах, аналогичных терминам сетевой модели данных.

Дерево – это связный неориентированный граф, который не содержит циклов. Обычно 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 можно определить следующим образом:

Конечные вершины, то есть вершины, из которых не выходит ни одной дуги, называются листьями дерева.

В иерархических моделях данных используется ориентация древовидной структуры от корня к листьям. Графическая диаграмма схемы базы данных называется деревом определения. Пример иерархической базы данных приведён на рис.2.4.

Рис.2.4. Пример иерархической базы данных

Каждая некорневая вершина связана с родительской записью иерархическим групповым отношением. Каждая вершина дерева соответствует сущности ПО, которая характеризуется произвольным количеством атрибутов, связанных с ней отношением 1:1. Атрибуты, связанные с сущностью отношением 1:n, образуют отдельную сущность и переносятся на следующий уровень иерархии. 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 групп – по одному экземпляру каждого типа вершин вышестоящих уровней.

В ИМД также предусмотрены специальные способы навигации. Передвижение по дереву всегда начинается с корневой вершины, от которой можно прейти на конкретный экземпляр записи любой вершины следующего уровня. Эта вершина становится текущей вершиной, а экземпляр – текущим экземпляром (записью). От этой записи можно перейти к другой записи данной вершины, к экземпляру записи родительской вершины или к экземпляру записи подчиненной вершины.

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 (групп). Таким образом, 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). Подробнее об этом рассказано в разделе 5.5.»Организация связей между хранимыми записями».

Основным недостатком ИМД является дублирование данных. Оно вызвано тем, что каждая сущность (атрибут) может подчиняться (принадлежать) только одной родительской сущности. Таким образом, если надо сохранить, например, данные о детях сотрудника, а на предприятии трудится и отец, и мать ребенка, то информацию о детях придётся хранить дважды. Это может вызвать нарушение логической целостности БД при внесении изменений в данные о детях.

Если данные имеют естественную древовидную структуризацию, то использование 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.

Реляционная модель данных была предложена математиком Э.Ф. Коддом (Codd E.F.) в 1970 г. РМД является наиболее широко распространенной моделью данных и единственной из трех основных моделей данных, для которой разработан теоретический базис с использованием теории множеств.

В основе РМД лежит понятие отношения, представляющего собой подмножество декартова произведения доменов. Домен – это множество значений, которое может принимать элемент (например, множество целых чисел, множество комбинаций символов длиной N и т.п.).

Таким образом, декартово произведение позволяет получить все возможные комбинации элементов исходных множеств.

Пример. Для доменов D₁ = (1,2), D₂ = (A,B,C) декартово произведение D будет таким:

Подмножество декартова произведения доменов называется отношением.

Элементы отношения называют кортежами. Элементы кортежа принято называть атрибутами. Количество атрибутов кортежа определяет арность отношения. Отношения арности 1 называют унарными, арности 2 – бинарными, арности n – n-арными.

Отношение содержит информацию о сущностях одного типа. Каждый кортеж отношения соответствует одному экземпляру сущности.

Отношение обладает двумя основными свойствами:

1. в отношении не должно быть одинаковых кортежей, т.к. это множество;

2. порядок кортежей в отношении несущественен.

Отношение удобно представлять как таблицу, где строка является кортежем, столбец соответствует домену (рис. 2.5, отношение СТУДЕНТЫ).

Источник