Система управления баз данных

СУБД (система  управления баз данных) — программный  комплекс, предназначенная для создания, введения и использования баз  данных.

Классификация СУБД:

• иерархические
• сетевые
• реляционные
• объектно-ориентированные

1. Иерархические  БД

Могут быть представлены как дерево, состоящее из объектов различных уровней. Верхний уровень занимает один объект, второй — объекты второго уровня и т. д. Между объектами существуют связи, каждый объект может включать в себя несколько объектов более низкого уровня. Такие объекты находятся в отношении предка (объект более близкий к корню) к потомку (объект более низкого уровня), при этом возможна ситуация, когда объект-предок не имеет потомков или имеет их несколько, тогда как у объекта-потомка обязательно только один предок. Объекты, имеющие общего предка, называются близнецами.

Основными информационными единицами в  иерархической модели данных являются сегмент и поле. Поле данных определяется как наименьшая неделимая единица  данных, доступная пользователю. Для  сегмента определяются тип сегмента и экземпляр сегмента. Экземпляр сегмента образуется из конкретных значений полей данных. Тип сегмента — это поименованная совокупность входящих в него типов полей данных. Как и сетевая, иерархическая модель данных базируется на графовой форме построения данных, и на концептуальном уровне она является просто частным случаем сетевой модели данных. В иерархической модели данных вершине графа соответствует тип сегмента или просто сегмент, а дугам — типы связей предок — потомок. В иерархических структуpax сегмент — потомок должен иметь в точности одного предка. Иерархическая модель представляет собой связный неориентированный гpaф древовидной структуры, объединяющий сегменты. Иерархическая БД состоит из упорядоченного набора деревьев.

В рамках иерархической модели выделяют языковые средства описания данных (ЯОД) и средства манипулирования данными (ЯМД). Каждая физическая база описывается набором операторов, обусловливающих как ее логическую структуру, так и структуру хранения БД. При этом способ доступа устанавливает способ организации взаимосвязи физических записей.

Определены  следующие способы доступа:

• иерархически последовательный;
• иерархически индексно-последовательный;
• иерархически прямой;
• иерархически индексно-прямой;
• индексный.

Помимо  задания имени БД и способа доступа описания должны содержать определения типов сегментов, составляющих БД, в соответствии с иерархией, начиная с корневого сегмента. Каждая физическая БД содержит только один корневой сегмент, но в системе может быть несколько физических БД.

Среди операторов манипулирования данными  можно выделить операторы поиска данных, операторы поиска данных с  возможностью модификации, операторы  модификации данных. Набор операций манипулирования данными в иерархической  БД невелик, но вполне достаточен.

Иерархической базой данных является Каталог папок Windows, с которым можно работать, запустив Проводник. Верхний уровень занимает папка Рабочий стол. На втором уровне находятся папки Мой компьютер, Мои документы, Сетевое окружение и Корзина, которые являются потомками папки Рабочий стол, а между собой является близнецами. В свою очередь, папка Мой компьютер является предком по отношению к папкам третьего уровня -папкам дисков (Диск 3,5(А:), (С:), (D:), (Е:), (F:)) и системным папкам (Принтеры, Панель управления и др.)

Иерархической базой данных является Реестр Windows, в котором хранится вся информация, необходимая для нормального функционирования компьютерной системы (данные о конфигурации компьютера и установленных драйверах, сведения об установленных программах, настройки графического интерфейса и др.).

Содержание  реестра автоматически обновляется  при установке нового оборудования, инсталляции программ и т. п. Для  просмотра и редактирования реестра Windows в ручном режиме можно использовать специальную программу rege-dit.exe, которая хранится в папке Windows. Однако редактирование реестра можно проводить только в случае крайней необходимости и при условии понимания выполняемых действий. Неквалифицированное редактирование реестра может привести компьютер в неработоспособное состояние.

Еще одним  примером иерархической базы данных является база данных Доменная система имен подключенных к Интернету компьютеров. На верхнем уровне находится табличная база данных, содержащая перечень доменов верхнего уровня (всего 264 домена), из которых 7 - административные, а остальные 257 - географические. Наиболее крупным доменом (данные на январь 2002 года) является домен net (около 48 миллионов серверов), а в некоторых доменах (например, в домене zr) до сих пор не зарегистрировано ни одного сервера.

На втором уровне находятся табличные базы данных, содержащие перечень доменов  второго уровня для каждого домена первого уровня.

На третьем  уровне могут находиться табличные  базы данных, содержащие перечень доменов  третьего уровня для каждого домена второго уровня, и таблицы, содержащие IP-адреса компьютеров, находящихся в домене второго уровня.

База  данных Доменная система имен должна содержать записи обо всех компьютерах, подключенных к Интернету, то есть более 150 миллионов записей. Размещение такой огромной базы данных на одном компьютере сделало бы поиск информации очень медленным и неэффективным. Решение этой проблемы было найдено путем размещения отдельных составных частей базы данных на различных DNS-серверах. Таким образом, иерархическая база данных Доменная система имен является распределенной базой данных.

Поиск информации в такой иерархической  распределенной базе данных ведется  следующим образом. Например, мы хотим  ознакомиться с содержанием WWW-сервера  фирмы Microsoft.

Сначала наш запрос, содержащий доменное имя  сервера www.microsoft..com, будет оправлен на DNS-сервер нашего провайдера, который  переадресует его на DNS-сервер самого верхнего уровня базы данных. В таблице  первого уровня будет найден интересующий нас домен com и запрос будет адресован на DNS-сервер второго уровня, который содержит перечень доменов второго уровня, зарегистрированных в домене com.

В таблице  второго уровня будет найден домен microsoft и запрос будет переадресован  на DNS-сервер третьего уровня. В таблице третьего уровня будет найдена запись, соответствующая доменному имени, содержавшемуся в запросе. Поиск информации в базе данных Доменная система имен будет завершен и начнется поиск компьютера в сети по его IP-адресу. 

2. Сетевые  БД

Сетевая СУБД - система управления базами данных, поддерживающая сетевую организацию: любая запись, называемая записью старшего уровня, может содержать данные, которые относятся к набору других записей, называемых записями подчиненного уровня.

Типичным представителем является Integrated Database Management System появилась в 70-х годах. Сетевой подход к организации данных является расширением иерархического. Сетевая БД состоит из набора записей и набора связей между этими записями. На формирование связи особых ограничений не накладывается. В иерархических структурах запись-потомок должна иметь в точности одного предка; в сетевой структуре данных потомок может иметь любое число предков. Достоинством сетевой модели данных является возможность эффективной реализации по показателям затрат памяти и оперативности. В сравнении с иерархической моделью сетевая модель предоставляет большие возможности в смысле допустимости образования произвольных связей. В рамках сетевых СУБД легко реализуются и иерархические даталогические модели. Сетевые СУБД поддерживают сложные соотношения между типами данных, что делает их пригодными во многих различных приложениях. Однако пользователи таких СУБД ограничены связями, определенными для них разработчиками БД-приложений. Более того, подобно иерархическим сетевые СУБД предполагают разработку БД приложений опытными программистами и системными аналитиками.

Недостатком сетевой модели данных является высокая сложность и жесткость схемы БД, построенной на ее основе, а также сложность для понимания и выполнения обработки информации в БД обычным пользователем. Кроме того, в сетевой модели данных ослаблен контроль целостности связей вследствие допустимости установления произвольных связей между записями.

Просматривая, к примеру, в сетевой СУБД записи объекта «Лицо» и выбрав запись «Иванов» (т. е. поместив табличный курсор на соответствующую запись), можно через активизацию поля «Работает» вызвать на экран поля связанной записи в объекте «Организация» и просмотреть соответствующие данные, а далее, при необходимости, через активизацию поля «Адрес» в записи по объекту «Организация» вызвать и просмотреть данные по дислокации места работы сотрудника «Иванов» и т. д.

Данный пример показывает, что навигационные возможности сетевых СУБД позволяют пользователю реализовывать свои информационные потребности («беседовать» с базой данных) более естественным интерактивным способом, шаг за шагом уточняя свои потребности, и тем самым более глубоко и наглядно анализировать (изучать) данные.

3. Реляционные  БД

К.Дейт в своей классической книге "Введение в системы баз данных" дает следующее определение реляционной  системы управления базами данных:

1. Данные воспринимаются пользователем как таблицы (и никак иначе).
2. В распоряжении пользователя имеются операторы, которые генерируют новые таблицы из старых.

Одна  из непосредственных задач СУБД (здесь  и далее речь идет о реляционных  СУБД, поэтому слово "реляционный" опускается) - осуществлять контроль целостности данных. Под целостностью данных подразумевается логическая непротиворечивость данных. Различают три понятия целостности:

1. Целостность в отношении конкретной базы - такие данные, как возраст, рост, вес не могут быть отрицательными. IP-адрес имеет строго заданный формат - это четыре числа в диапазоне от 0 до 255, разделенных точкой, плюс дополнительные ограничения на использование 0, 255 и спецадресов. Большинство СУБД не предоставляют механизмов, в полной мере позволяющих контролировать данный тип целостности.
2. Целостность сущностей - в таблице, где хранятся записи об объектах, не может быть двух одинаковых объектов, а также не может быть неопределенных объектов, т.е. записей с неопределенным значением (NULL-значением) первичного ключа. СУБД не должна допускать записей с повторяющимися значениями первичного ключа или NULL-значением одного из компонентов первичного ключа. Данный тип целостности поддерживают все СУБД. Более подробно мы поговорим об этом понятии целостности ниже, при описании первичных ключей.
3. Ссылочная целостность - одной записи в таблице гостевых книг может соответствовать несколько записей в таблице сообщений. Таблицы могут находиться во взаимосвязях один к одному, один ко многим и многие ко многим. Связи между таблицами осуществляются на основании внешних ключей. В таблице сообщений не может быть сообщения, принадлежащего к несуществующей гостевой книге, иначе говоря, любой записи в таблице сообщений должна найтись запись в таблице гостевых книг. СУБД должна предоставлять механизмы для контроля операций и соблюдения ссылочной целостности при выполнении операций INSERT, UPDATE и DELETE. К сожалению, не все СУБД имеют такие механизмы.

Помимо невысокой эффективности, к недостаткам традиционных реляционных СУБД можно отнести факт того, что в качестве основного и, часто, единственного механизма, обеспечивающего быстрый поиск и выборку отдельных строк таблице (или в связанных через внешние ключи таблицах), обычно используются различные модификации индексов, основанных на B-деревьях. Такое решение оказывается эффективным только при обработке небольших групп записей и высокой интенсивности модификации данных в базах данных.

Рассмотрим  более детально все три понятия целостности данных по порядку. К первому типу целостности относятся такие механизмы СУБД, как ограничение на диапазон допустимых значений, триггеры и транзакции. К сожалению, пока ни один из этих механизмов не поддерживается СУБД MySQL, поэтому, если ваши сайты будут базироваться на данной СУБД, то вам придется обождать до появления данных возможностей. Ограничения на значения должны появится уже в четвертой версии MySQL. При помощи ограничений на значения можно задать ограничение на формат адреса электронной почты.

 email varchar(32) CHECK (email LIKE '%@%'),               

Тем самым, запретив значения, которые не содержат знака '@'. Большинство же информационных систем применительно к веб-сайтам, будь то конференции, чаты, списки рассылки, имеют довольно простую структуру базы данных, обычно не превышающую 5-7 таблиц. В таких системах целостность данных не имеет критического значения. В случае ввода неправильного адреса электронной почты ничего катастрофического не произойдет, поэтому контроль за целостностью данных можно переложить на приложения, т.е. CGI-программы. 
Механизм триггеров позволяет СУБД контролировать операции INSERT, UPDATE и DELETE на предмет допустимости этих операций. Например, таким образом, вы можете ограничить число публикуемых сообщений в день от одного пользователя или запретить вводить сообщения, длиной более 255 символов, лицам, незаполнившим поля email и http.  
И наконец, последний механизм транзакций, о котором вам необходимо иметь представление, позволяет контролировать выполнение блоков SQL-запросов. Транзакция представляет собой набор SQL-запросов, и СУБД гарантирует, что либо все эти запросы будут выполнены, либо же ни один из них не будет выполнен. Транзакции могут применятся при вставке, изменении и удалении данных в нескольких таблицах. Например, вам необходимо в системе гостевых книг объединить две гостевые книги в одну. Для этого необходимо изменить идентификатор гостевой книги gb_id в таблице сообщений, удалить одну запись из таблицы гостевых книг и, возможно, модифицировать запись о первой гостевой книге. И мы должны быть полностью уверены в том, что либо эти операции пройдут успешно, либо же не будет выполнена ни одна из них.  
 
Далее мы рассмотрим целостность сущностей. Как уже было сказано выше, целостность сущностей базируется на первичном ключе. Мы дадим определение первичного ключа и рассмотрим ряд примеров таблицы и методов выбора первичных ключей.  
 
Первичный ключ - это столбец или группа столбцов в одной таблице таких, что не может существовать двух записей с одинаковым значением этого столбца или группы столбцов, причем для случая группы столбцов никакое подмножество столбцов не является уникальным. 
 
Можно выделить принципиально различающиеся три случая: