Карпова Т.С. Базы данных: модели, разработка, реализация

Подождите немного. Документ загружается.

Т.

Карпова

МОДЕЛИ,

РАЗРАБОТКА,

РЕАЛИЗАЦИЯ

Санкт-Петербург

Москва

•

Харьков

•

Минск

2G01

ББК32.973.233-018я7

УДК

681.3.016

(075)

К26

Базы

данных:

модели,

разработка, реализация

/ Т, С.

Карпова.

—

СПб.:

Питер,

2001.

—304

с.;

ил.

ISBN

5-272-00278-4

Настоящее

учебное

пособие

подготовлено

по

материалам

лекционных

курсов,

посвященных

основам

теории

баз

данных,

языку

SQL и

серверам

баз

данных,

которые

читались

автором

течение

последних

десяти

лет

Государственном

Санкт-Петербургском

университете

аэрокос-

мического

приборостроения

и в

Государственном

техническом

университете

(Политехническом

институте),

Учебное

пособие полностью

соответствует

требованиям

стандарта

по

дисциплине «Базы

дан-

ных»

для

всех

вычислительных

специальностей,

также

для

бакалавров

по

направлению

5528

«Информатика

вычислительная

техника».

ББК32.973.233-018Я7

УДК

681.3.016

(075)

ISBN

5-272-00278-4

@т

С.

Карпова,

2001

Издатальский

дом

«Питер»,

2001

Краткое

содержание

Глава

Введение

, 10

Глава

Основные

понятия

определения

Глава

Теоретико-графовые модели данных

Глава

Реляционная модель данных

Глава

Язык SQL, Формирование запросов

базе

данных

Глава

Проектирование реляционных

БД на

основе

принципов нормализации

104

Глава

Мифологическое

моделирование

121

Глава

Принципы

поддержки

целостности

реляционной модели данных

135

Глава

Физические модели

баз

данных

162

Глава

10.

Распределенная обработка данных

198

Глава

11.

Модели транзакций

216

Глава

12.

Встроенный

SQL

. , 248

Глава

13.

Защита информации

базах данных

276

Глава

14.

Обобщенная

архитектура

СУБД,

286

Заключение.

Перспективы развития

БД и

СУБД

. , , . 295

Алфавитный указатель

301

Содержание

От

автора

Глава

Введение

История

развития

баз

данных

•

Файлы

файловые

системы

•

Первый

этап^—базы

данных

на

больших

ЭВМ

Эпоха

персональных

компьютеров

1°

Распределенные

базы данных

•

Перспективы

развития

систем

управления

базами данных

1°

Контрольные

вопросы.

,,,..,.

'°

Глава

Основные понятия

определения

Архитектура

базы данных. Физическая

логическая

независимость

Процесс

прохождения пользовательского запроса

Пользователи

банков данных.

,0сновные

функции группы администратора

БД 25

Классификация

моделей

данных

Глава

Теоретико-графовые модели данных

Иерархическая

модель данных

Язык

описания данных иерархической модели

Язык

манипулирования данными

иерархических базах данных

....

Сетевая

модель данных

, • 40

Язык

описания данных

сетевой модели

•

Язык

манипулирования данными

сетевой модели

Глааа

Реляционная

модель

данных

Основные

определения

Операции

над

отношениями. Реляционная алгебра

Теоретико-множественные

операции реляционной алгебры,

Специальные

операции реляционной алгебры

Задания

для

самостоятельной работы

, ,

....

Глава

Язык

SQL

Формирование

запросов

базе данных

История

развития

SQL

Структура

SQL

, 68

Типы данных

Содержание

Оператор

выбора SELECT

Применение

агрегатных

функций

вложенных

запросов

операторе выбора

Вложенные

запросы

',87

Внешние объединения

;

...

Операторы

манипулирования

данными

, 95

Задания

для

самостоятельной

работы

103

Глава

Проектирование

реляционных

БД на

основе

принципов

нормализации

104

Системный анализ предметной области

, 106

Пример описания предметной области

,107

Даталогическое

проектирование

110

Глава

Мифологическое

моделирование

' 121

Модель

«сущность—связь»

122

Переход

реляционной модели данных

(

129

Глава

Принципы

поддержки целостности

реляционной

модели данных

135

Общие понятия

определения

целостности

.,..,,

136

Операторы

DDL в

языке

SQL с

заданием ограничений

целостности

140

Средства

определения схемы базы данных

149

Средства

изменения описания таблиц

средства удаления

таблиц

151

Понятие

представления

операции

создания

представлений

. . . .

158

Горизонтальное

представление

159

Вертикальное представление

159

Сгруппированные представления

160

Объединенные представления

160

Ограничение

стандарта SQL1

на

обновление представлений

161

Глава

Физические

модели

баз

данных

, 162

Файловые

структуры,

используемые

для

хранения

информации

базах

данных

163

Стратегия разрешения коллизий

областью

переполнения

167

Организация стратегии свободного замещения

, , 168

Вопросы

для

самостоятельной

работы

, 169

Индексные файлы

169

Файлы

плотным

индексом,

или

индексно-прямые

файлы

170

Файлы

неплотным

индексом,

или

индексно-последовательные

файлы

174

Организация индексов

виде

B-tree

(В-деревьев)

176

Моделирование отношений

«один-кр-многим»

на

файловых структурах

178

Инвертированные

списки

182

Модели физической организации данных

при

бесфайловой организации

184

Структура

хранения

данных

для

MS SQL 6.5 188

Структуры

хранения данных

в SQL

Server

7.0 ' 191

Архитектура

разделяемой памяти

, ,

. , 196

Содержание

Глава

10.

Распределенная обработка данных

198

Модели

«клиент—сервер»

технологии

баз

данных

201

Двухуровневые

модели

204

Модель

удаленного

управления

данными.

Модель

файлового сервера

204

Модель

удаленного

доступа

данным

205

Модель

сервера

баз

данных

206

Модель

сервера приложений

209

Модели

серверов

баз

данных

210

Типы

параллелизма

214

Глава

11.

Модели транзакций

216

Свойства

транзакций. Способы завершения транзакций

217

Журнал

транзакций

221

Журнализация

буферизация

225

Индивидуальный откат транзакции

226

Восстановление после мягкого сбоя

227

Физическая

согласованность базы данных

227

Восстановление

после жесткого сбоя

230

Параллельное

выполнение транзакций

231

Уровни изолированности пользователей

241

Гранулированные

синхронизационные захваты

242

Предикатные

синхронизационные

захваты

244

Метод

временных меток

246

Глава

12.

Встроенный

SQL 248

Особенности

встроенного

SQL 250

Операторы, связанные

многострочными запросами

252

Оператор

определения курсора

. 253

Оператор открытия курсора

, 255

Оператор

чтения очередной строки курсора

255

Оператор

закрытия курсора

, 256

Удаление

обновление данных

использованием курсора

257

Хранимые

процедуры

. ,

..,.,,,..

259

Триггеры

, , 271

Динамический

SQL

273

Глава

13.

Защита информации

базах данных

276

Реализация

системы защиты

в MS SQL

Server

282

Проверка

полномочий

284

Глава

14.

Обобщенная архитектура СУБД

286

Методы

синтаксической оптимизации запросов

, .

•

290

Методы семантической оптимизации запросов

293

Заключение.

Перспективы развития

БД и

СУБД

295

Алфавитный

указатель

, , ,

301

От

автора

Теория

баз

данных

—

сравнительно

молодая область знаний. Возраст

ее

состав-

ляет

немногим

более

лет. Однако изменился

ритм

времени,

оно уже не бе-

жит,

летит,

и мы

вынуждены

подчиняться

ему во

всем. Поэтому столь молодая

область знаний является практически обязательной

для

изучения студентами

всех технических специальностей.

соответствии

новыми стандартами учеб-

ная

дисциплина

«Базы

данных»

включена

стандарты

всех

специальностей,

свя-

занных

подготовкой специалистов

ло

вычислительной технике:

это

группа спе-

циальностей

22.01,

22.02,

22,03

22.04.

остальные технические специальности

раздел,

посвященный

базам

данных,

включен

общий курс информатики

и вы-

числительной

техники.

действительно,'

современный

мир

информационных технологий трудно пред-

ставить себе

без

использования

баз

данных. Практически

все

системы

в той или

иной

степени

связаны

функциями

долговременного

хранения

обработки

ин-

формации.

Фактически информация становится

фактором,

определяющим

эф-

фективность

любой сферы

деятельности.

Увеличились

информационные

потоки

повысились требования

скорости обработки данных,

теперь

уже

большин-

ство операций

не

может быть

выполнено

вручную,

они

требуют

применения

наиболее

перспективных

компьютерных

технологий. Любые административные

решения

требуют четкой

точной

оценки

текущей

ситуации

возможных пер-

спектив

ее

изменения.

если раньше

оценке ситуации участвовало несколько

десятков факторов, которые могли быть вычислены вручную,

то

теперь таких

факторов

сотни

cd'nin

тысяч,

ситуация

меняется

не

течение

года,

через

несколько

минут,

обоснованность принимаемых

решений

требуется большая,

потому

что и

реакция

на

неправильные

решения

более

серьезная,

более

быстрая

более мощная,

чем

раньше.

И,

конечно,

обойтись

без

информационной модели

производства,

хранимой

базе

данных,

этом

случае невозможно.

Настоящее

учебное

пособие

подготовлено

по

материалам

лекционных

курсов,

посвященных

основам

теории

баз

данных,

языку

SQL и

серверам

баз

данных,

которые

читались

мною

течение

последних

лет в

Государственном

Санкт-

Петербургском университете

аэрокосмического

приборостроения

студентам днев-

ной

формы

обучения

слушателям курсов

-повышения

квалификации,

также

слушателям второго высшего

образования

данном

университете

и в

Государ-

ственном

техническом

университете

(Политехническом

институте).

него

вклю-

чены

разделы

по

распределенной обработке

данных

использованием

техноло-

гии

«клиент—сервер»,

которые

могут

быть использованы

для

дальнейшего освое-

ния

современной

теории

практики работы

базами данных.

Учебное

пособие

полностью

соответствует

требованиям

стандарта

по

дисципли-

не

«Базы

данных»

для

всех

вычислительных

специальностей,

также

для

бака-

лавров

по

направлению

5528

«Информатика

вычислительная

техника».

8 От

автора

Пособие

состоит

из 14

глав.

Оно

может

быть

использовано

для

самостоятельно-

го

освоения

курса

«Базы

данных»

подготовке

сдаче

экзамена

или как

допол-

нение

лекционным

курсам,

читаемым

высших

учебных

заведениях.

Первая

глава

пособия

посвящена

истории

возникновения

области

знаний,

свя-

занной

базами

данных,

данной

главе

выделены

основные

этапы

развития

тео-

рии

практики

баз

данных,

даются

сравнительные

характеристики

этих

этапов,

Вторая

глава знакомит

нас

непосредственно

базами данных, здесь даются поня-

тия

определения, являющиеся ключевыми

для

данной области

знаний.

Здесь рас-

сматривается

классическая трехуровневая

архитектура,

используемая

системах

баз

данных,

упрощенный

процесс

прохождения запроса

базах данных

и,

наконец,

приводится

классификация

моделей»

используемых,

системах

баз

данных.

Глава

посвящена первым теоретико-графовым моделям, которые использова-

лись

ранних

системах

управления

базами данных.

главе

Начинается

обсуждение современной реляционной модели, которая

является основой

практически

для

всех

коммерческих систем управления база-

ми

данных

(СУБД)

наиболее распространена

настоящий момент.

этой

же

главе

дается описание первого языка манипулирования данными, предложенно-

го

для

данной модели

ее

создателем американским математиком

Е.Ф.

Коддом

—

реляционной

алгебры.

Пятая глава полностью

посвящена

современному

стандартному

языку работы

базами

данных,

языку SQL. Язык

SQL

является

сейчас стандартным базовым

языком

по

работе

базами данных, любое

собеседование,

при

приглашении

вас

на

работу,

связанную

информационными технологиями, включает решение

не-

скольких

запросов

на

языке

SQL.

Мне

кажется,

что

пятая

глава

данного

посо-

бия

может помочь научиться писать правильные запросы

на

языке

SQL

само-

стоятельно.

Мои

студенты учились

на

примерах, которые

приведены

дайной

главе

и те из

них,

кто

успешно

решал

приведенные

примеры»

также

успешно

сдали

собеседования

ведущих зарубежных

отечественных

фирмах, связан-

ных

разработкой информационных систем,

желаю

вам,

мои

читатели,

та-

ких же

успехов.

Глава

посвящена вопросам проектирования

баз

данных,

ней

рассматриваются

базовые понятия

функциональных

многозначных

зависимостей между свой-

ствами

объектов,

которые

моделируются

базе данных.

База

данных

— это

фун-

дамент

Вашей

будущей информационной системы

и от

того,

как он

будет

по-

строен,

зависит

во

многом успех всей информационной системы, которая

будет

строиться

на

данном

фундаменте.

От

корректности

продуманности

структуры

спроектированной

базы данных

зависит

успех решения

не

только текущих

ин-

формационных

задач,

но

перспективы развития

и,

наращивания системы.

Глава

посвящена

семантическим

или

мифологическим

моделям, используемым

современных

программных системах поддержки

проектирования,

называемых

CASE-еистемами

(Computer Aided Software

Engineering),

Глава

посвящена принципам поддержки

Целостности

базах данных.

Понятие

целостности

одно

из

базовых понятий

современных базах данных. Принци-

пы

целостности составляют набор некоторых правил,

которые

выполняются

ав-

томатически

при

работе

дайной

базой

данных.

При

грамотном составлении

этих

правил

мы

избавляем операторов,

которые

работают

базой

данных,

так-

От

автора

же

разработчиков приложений

от

дополнительного контроля

за

правильностью

взаимосвязанностыо

вводимой

базу

данных информации.

Эти

функций

те-

перь выполняет сама СУБД,

она

контролирует вводимые

удаляемые данные,

она

не

допускает ввода некорректной информации.

Глава

посвящена физическим моделям

баз

данных.

этом разделе описыва-

ются

основные

файловые

конструкции,

применяемые

при

создании

баз

данных.

Глава

посвящена

вопросам распределенной обработки

данных,

здесь

рассмат-

риваются модели

клиент-сервер,

применяемые

системах

баз

данных.

Глава

посвящена понятию транзакции, которое является базовым

при

выпол-

нении

параллельных

запросов

базам

данных.

Рассматриваются

две

базовые

модели транзакций: модель ANSI

расширенная

модель транзакций, подробно

рассматриваются проблемы, выполняемые

при

параллельном

выполнении тран-

закций.

главе

рассматриваются

дополнительные

возможности

языка

SQ.L

которые

используются

при

разработке

хранимых

процедур

приложений,

работающих

базами данных,

также принципы

трансляции

операторов языка SQL, порядок

трансляции

выполнения

SQL-sanpocoB.

Глава

посвящена

вопросам защиты

информации

базах

данных.

Понятие

за-

щиты

информации

базах данных чаще всего связано

концепцией

защиты

от

песашсциониррванного

доступа,

данной

главе

обсуждается

общая

концепция

защиты информации, которая

применяется

базах

данных,

вводится понятие

пользователя

рассматриваются вопросы

определения

прав

привилегий поль-

зователей

по

работе

отдельными объектами

базе данных.

Глава

посвящена

рассмотрению

обобщенной

архитектуры

современных

баз

данных,

здесь рассматривается структура системных каталогов, основные функ-

циональные

блоки

современных серверах

баз

дайных

и их

назначение.

эаой

главе

обобщаются

все

сведения

базах

данных,

рассмотренные

предыдущих

разделах.

Заключении кратко характеризуются перспективы развития

современных

сис-

тем баз

данных, дается перечень

тех тем и

вопросов, которые рекомендуется

рассмотреть

для

дальнейшего

более

глубокого

знакомства

теорией

практи-

кой баз

данных.

заключение

мне

бы

хотелось поблагодарить тех,

кто

помог

мне

написать

дан-

ную

книгу.

Прежде

всего,

это мои

многочисленные

студенты,

которые

решали

многие

задачи, задавали

множество

вопросов

постоянно

будоражили

меня,

за-

ставляя придумывать новые

рисунки

способы

объяснения

запутанных

поня-

тий,

упрощать

наиболее

сложные

моменты

изложения,

делая

их

доступными

ясными. Однако переход

от

многолетнего лекционного материала

написанию

на

его

основе

учебного

пЬсббия

оказался весьма непростым

для

меня,

здесь

благодарна

сотрудникам редакции

компьютерной

литературы

издательства

«Питер»,

особенно

Екатерине

Вячеславовне Строгановой

Илье

Александрови-

чу

Кориееву.

Только

их

терпение,

доброжелательность

настойчивость

позво-

лили

мне

завершить

мой

труд.

И,

конечно,

благодарна

моим

домашним:

маме

дочке, которые весь период

написания

книги

терпели

мое

плохое настроение,

недовольство собой

текстом

полное

устранение

от

домашних

дел.

ГЛАВА

Введение

История

развития

баз

данных

истории вычислительной техники можно проследить

развитие

двух

основных

областей

ее

использования.

Первая область

—

применение вычислительной тех-

ники

для

выполнения численных

расчетов,

которые слишком

долго

или

вообще

невозможно

производить вручную.

Развитие

этой области способствовало

ин-

тенсификации методов численного решения сложных математических

задач,

появлению

языков программирования, ориентированных

на

удобную запись

численных

алгоритмов,

становлению

обратной

связи

разработчиками новых

архитектур ЭВМ. Характерной особенностью данной

области

применения

вы-

числительной

техники является наличие

сложных

алгоритмов обработки, кото-

рые

применяются

простым

по

структуре данным, объем которых сравнитель-

но

невелик.

Вторая область, которая непосредственно относится

нашей

теме,

— это

исполь-

зование

средств

вычислительной

техники

автоматических

или

автоматизи-

рованных

информационных

системах. Информационная

система

представляет

собой

программно-аппаратный

комплекс,

обеспечивающий выполнение

следую-

щих

функций:

надежное хранение

информации

памяти компьютера;

выполнение специфических

для

данного

приложения

преобразований

инфор-

мации

вычислений;

Предоставление пользователям удобного

легко

осваиваемого'интерфейса.

Обычно

такие системы имеют

дело

большими объемами информации,

имер-

щей

достаточно сложную структуру. Классическими примерами информационных

систем являются банковские системы,

автоматизированные

системы управле-

ния

предприятиями, системы резервирования

авиационных

или

железнодорож-

ных

билетов, мест

гостиницах

и т. д,

Вторая область использования вычислительной техники

возникла

несколько поз-

же

первой.

Это

связано

тем,

что

па

заре

вычислительной

техники возможно-

сти

компьютеров

по

хранению информации были очень

ограниченными.

Гово-

рить

надежном

долговременном хранении

информации

можно

только

при

наличии

запоминающих

устройств,

сохраняющих

информацию

после

выкшоче-