Организация баз данных

кафедра компьютерных и информационных технологий

курс лекций

В настоящем курсе рассматриваются вопросы организации баз данных и знаний. Это важная тема, без основательного знакомства с которой, в наше время, невозможно стать квалифицированным специалистом в сфере информационных технологий.

Основное назначение данного курса - систематическое введение в идеи и методы, используемые в современных системах управления базами данных. В курсе не рассматривается какая-либо одна популярная СУБД; излагаемый материал в равной степени относится к любой современной системе. Как показывает опыт, без знания основ теории баз данных трудно на серьезном уровне работать с конкретными системами, как бы хорошо они не были документированы.

253

Содержание

• ЛЕКЦИЯ 1. Понятие СУБД. Функции СУБД 7
• 1.1 Введение 7
• 1.2 Понятие БД и СУБД 7
• 1.3 Уровни абстракции в СУБД. Функции абстрактных данных 9
• 1.4 Представления 10
• 1.5 Функции СУБД 11
• 1.6 Экспертные системы и базы знаний 11
• ЛЕКЦИЯ 2. Модели БД 13
• 2.1 Обзор ранних (дореляционных) СУБД 13
• 2.2 Системы, основанные на инвертированных списках 13
• 2.3 Иерархическая модель 14
• 2.4 Сетевая модель 16
• 2.5 Основные достоинства и недостатки ранних СУБД 17
• ЛЕКЦИЯ 3. Реляционная модель и ее характеристики. Целостность в реляционной модели 18
• 3.1 Представление информации в реляционных БД 18
• 3.2 Домены 19
• 3.3 Отношения. Свойства и виды отношений 20
• 3.4 Целостность реляционных данных 21
• 3.5 Потенциальные и первичные ключи 22
• 3.6 Внешние ключи 22
• 3.7 Ссылочная целостность 23
• 3.8 Значения NULL и поддержка ссылочной целостности 24
• ЛЕКЦИЯ 4. Реляционная алгебра 25
• 4.1 Понятие реляционной алгебры 25
• 4.2 Замкнутость в реляционной алгебре 25
• 4.3 Традиционные операции над множествами 25
• 4.4 Свойства основных операций реляционной алгебры 27
• 4.5 Специальные реляционные операции 28
• ЛЕКЦИЯ 5. Вопросы проектирования БД 34
• 5.1 Понятие проектирования БД 34
• 5.2 Функциональные зависимости 35
• 5.3 Тривиальные и нетривиальные зависимости 36
• 5.4 Замыкание множества зависимостей и правила вывода Армстронга 36
• 5.5 Неприводимое множество зависимостей 38
• 5.6 Нормальные формы - основные понятия 38
• 5.7 Декомпозиция без потерь и функциональные зависимости 39
• 5.8 Диаграммы функциональных зависимостей 40
• ЛЕКЦИЯ 6. Проектирование БД. Нормальные формы отношений 42
• 6.1 Первая нормальная форма. Возможные недостатки отношения в 1НФ 42
• 6.2 Вторая нормальная форма. Возможные недостатки отношения во 2НФ 44
• 6.3 Третья нормальная форма. Возможные недостатки отношения в 3НФ 45
• 6.4 Нормальная форма Бойса-Кодда 46
• ЛЕКЦИЯ 7. Проектирование БД. Нормальные формы отношений (продолжение) 49
• 7.1 Многозначные зависимости 49
• 7.2 Четвертая нормальная форма 51
• 7.3 Зависимости соединения 51
• 7.4 Пятая нормальная форма 53
• 7.5 Итоговая схема процедуры нормализации 53
• ЛЕКЦИЯ 8. Проектирование БД методом сущность-связь. ER-диаграммы 55
• 8.1 Возникновение семантического моделирования 55
• 8.2 Основные понятия метода 55
• 8.3 Диаграммы ER-экземпляров и ER-типа 56
• 8.4 Правила формирования отношений 59
• 8.5 Методология IDEF1 (самостоятельное изучение) 62
• ЛЕКЦИЯ 9. Язык SQL 66
• 9.1 История создания и развития SQL 66
• 9.2 Основные понятия SQL 66
• 9.3 Запросы на чтение данных. Оператор SELECT 71
• 9.4 Многотабличные запросы на чтение (объединения). 75
• ЛЕКЦИЯ 10. Язык SQL (продолжение) 77
• 10.1 Объединения и стандарт SQL2 77
• 10.2 Итоговые запросы на чтение. Агрегатные функции 80
• 10.3 Запросы с группировкой (предложение GROUP BY) 80
• 10.4 Вложенные запросы 82
• ЛЕКЦИЯ 11. Язык SQL. (продолжение) 86
• 11.1 Внесение изменений в базу данных. 86
• 11.2 Удаление существующих данных (Оператор DELETE) 87
• 11.3 Обновление существующих данных (Оператор UPDATE) 87
• 11.4 Определение структуры данных в SQL 88
• 11.5 Понятие представления. 91
• 11.6 Представления в SQL. 92
• 11.7 Системный каталог (самостоятельное изучение) 93
• ЛЕКЦИЯ 12. Обеспечение безопасности БД 99
• 12.1 Общие положения 99
• 12.2 Методы обеспечения безопасности 100
• 12.3 Избирательное управление доступом 101
• 12.4 Обязательное управление доступом 102
• 12.5 Шифрование данных 102
• 12.6 Контрольный след выполняемых операций 102
• 12.7 Поддержка мер обеспечения безопасности в языке SQL 103
• 12.8 Директивы GRANT и REVOKE 103
• 12.9 Представления и безопасность 105
• ЛЕКЦИЯ 13. Физическая организация БД: структуры хранения и методы доступа 106
• 13.1 Доступ к базе данных 106
• 13.2 Кластеризация 108
• 13.3 Индексирование 108
• 13.4 Структуры типа Б-дерева 111
• 13.5 Хеширование 114
• ЛЕКЦИЯ 14. Оптимизация запросов 116
• 14.1 Оптимизация в реляционных СУБД. 116
• 14.2 Пример оптимизации реляционного выражения 116
• 14.3 Обзор процесса оптимизации 117
• 14.4 Преобразование выражений 119
• ЛЕКЦИЯ 15. Восстановление после сбоев 123
• 15.1 Понятие восстановления системы 123
• 15.2 Транзакции 123
• 15.3 Алгоритм восстановления после сбоя системы 125
• 15.4 Параллелизм. Проблемы параллелизма 127
• 15.5 Понятие блокировки 129
• 15.6 Решение проблем параллелизма 130
• 15.7 Тупиковые ситуации 132
• 15.8 Способность к упорядочению 133
• 15.9 Уровни изоляции транзакции 134
• 15.10 Поддержка в языке SQL 135
• ЛЕКЦИЯ 16. Технологии СУБД 136
• 16.1 Распределенные базы данных 136
• 16.2 Принципы функционирования распределенной БД 136
• 16.3 Системы типа клиент/сервер 139
• 16.4 Серверы баз данных 139
• ЛЕКЦИЯ 17. Современные постреляционные модели БД 141
• 17.1 Системы управления базами данных следующего поколения 141
• 17.2 Ориентация на расширенную реляционную модель 141
• 17.3 Объектно-ориентированные СУБД 143

• 1.1 Введение
• 1.2 Понятие БД и СУБД
• 1.3 Уровни абстракции в СУБД. Функции абстрактных данных
• 1.4 Представления
• 1.5 Функции СУБД
• 1.6 Экспертные системы и базы знаний

Исторически сложившееся развитие вычислительных систем обусловило необходимость хранения в электронном (машиночитаемом) виде все большего количества информации. Одновременно с совершенствованием и дальнейшим развитием вычислительных систем росли объемы информации, подлежащей обработке и хранению. Сложности, возникшие при решении на практике задач структурированного хранения и эффективной обработки возрастающих объемов информации, стимулировали исследования в соответствующих областях. Задачи хранения и обработки данных были формализованы. Была создана теоретическая база для решения задач такого класса, результатом реализации на практике которой стали системы, предназначенные для организации обработки, хранения и предоставления доступа к информации. Позже такие системы стали называть системами баз данных.

Одновременно с развитием систем баз данных, происходило интенсивное развитие средств вычислительной техники, используемой для работы с большими объемами информации. Вычислительная мощность и, особенно, объемы запоминающих устройств первых вычислительных систем были недостаточны для хранения и обработки информации в объемах, необходимых на практике.

По мере развития систем баз данных, менялись принципы организации данных в них: первоначально данные представлялись на основе иерархической, а в последствии сетевой модели. В конце 1970-х - начале 1980-х годов начали появляться первые реляционные продукты. В настоящее время системы баз данных на основе реляционной модели занимают лидирующее положение, несмотря на заявления многих исследователей о скором переходе к объектно-ориентированным системам. В настоящее время объектно-ориентированные системы, тем не менее, развиваются, хотя темпы их развития и сдерживаются медленным принятием соответствующих стандартов. Кроме того, многие коммерческие реляционные системы приобретают объектно-ориентированные черты. На основании этого, можно предположить, что в будущем объектно-ориентированные системы будут постепенно вытеснять реляционные.

В настоящее время ведутся исследования в следующих направлениях:

1. дедуктивные системы;

2. экспертные системы;

3. расширяемые системы;

4. объектно-ориентированные системы.

Система баз данных - это компьютеризированная система основная задача которой - хранение информации и предоставление доступа к ней по требованию.

Система баз данных включает в себя (рис. 1.1):

1. данные, непосредственно сохраняемые в базе данных;

2. аппаратное обеспечение;

3. программное обеспечение;

4. пользователей:

4.1. прикладные программисты;

4.2. конечные пользователи;

4.3. администраторы баз данных.

рис. 1.1 Система баз данных.

К аппаратному обеспечению системы относятся накопители для хранения информации, вместе с устройствами ввода-вывода, контролерами устройств и т.д.; вычислительная техника, используемая для поддержки работы ПО системы.

Программное обеспечение является промежуточным слоем между собственно физической базой данных и пользователями системы и называется диспетчером базы данных или системой управления базами данных, СУБД (DBMS). Все запросы пользователей обрабатываются СУБД.

Таким образом, СУБД - это специализированное программное обеспечение, предоставляющее пользователю базы данных возможность работать с ней, не вникая в детали хранения информации на уровне программного обеспечения.

Прикладные программисты - отвечают за написание прикладных программ, использующих базу данных.

Конечные пользователи - работают с базой данных непосредственно, через рабочую станцию или терминал. Конечный пользователь может получить доступ к базе данных используя соответствующее прикладное ПО.

Администраторы базы данных - технические специалисты, осуществляющие создание БД, технический контроль работы СУБД и др. операции. Администраторы базы данных отвечают за реализацию решений администратора данных. Администратор данных решает, какие данные необходимо хранить в БД, обеспечивает поддержание порядка при обслуживании и использовании хранимых в БД данных.

Функции администратора базы данных:

1. определение концептуальной схемы. Администратор БД определяет какие именно данные необходимо сохранять в БД. Этот процесс обычно называют логическим (или концептуальным) проектированием БД. После определения содержимого БД на абстрактном уровне, администратор БД создает соответствующую концептуальную схему, с помощью концептуального ЯОД.

2. Определение внутренней схемы. Администратор БД решает, как данные должны быть представлены в хранимой БД. Этот процесс называют физическим проектированием. После завершения физического проектирования администратор БД с помощью внутреннего ЯОД должен создать соответствующую структуру хранения, а также определить отображение между внутренней и концептуальной схемой.

3. Взаимодействие с пользователями. Администратор БД обеспечивает пользователей необходимыми им данными. Для этого администратор БД должен написать (или оказать пользователям помощь в написании) необходимых внешних схем. Кроме этого необходимо определить отображение между внешней и концептуальной схемами.

4. Определение правил безопасности и целостности.

5. Определение процедур резервного копирования и восстановления.

6. Управление производительностью и реагирование на изменяющиеся требования.

База данных состоит из некоторого набора постоянных данных, которые используются прикладными системами какого-либо предприятия. Под словом "постоянные" подразумеваются данные, которые отличаются от других, более изменчивых данных, таких, как промежуточные данные и вообще все транзитные данные. "Постоянные" данные на самом деле могут недолго оставаться таковыми, поскольку данные в БД должны отражать об изменчивых объектах реального мира и отношениях между ними.

Страницы: 1, 2, 3, 4