Любицкий Ю.В. Базы данных

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Хабаровская государственная академия экономики и права»

Кафедра информационных технологий

Ю. В. Любицкий

Базы данных

Учебное пособие

Хабаровск 2005

ББК 3

Л 93

Любицкий Ю. В. Базы данных : учебное пособие. – Хабаровск:

РИЦ ХГАЭП, 2005. – 80 с.

Рецензенты: кафедра прикладной математики и

информатики ТОГУ, зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук,

профессор А. Г. Зарубин;

зав. кафедрой прикладной математики ДВ ГУПС,

д-р техн. наук, профессор А. И. Кондратьев

В пособии рассматриваются фундаментальные теоретические принципы

построения и эксплуатации баз данных (БД): понятия банка данных и его

компонентов, модели данных, используемые для построения БД, проблемы

поддержания целостности и защиты баз данных, восстановления их после сбоев,

организация внутреннего уровня СУБД, многопользовательская

(распределенная) обработка данных. Приводятся основы проектирования

реляционных баз данных, наиболее распространенных в настоящее время.

Предназначено для студентов 2 – 4 курсов всех специальностей и форм

обучения, изучающих дисциплину «Информационные системы в экономике».

Утверждено ИБС академии в

качестве учебного пособия для

студентов 2 – 4 курсов всех

специальностей и форм обучения

Редактор Г. С. Одинцова

Подписано к печати Формат 60х84/16.

Бумага писчая. Офсетная печать. Усл. п. л. 4,7. Уч.-изд. л. 3,3.

Тираж 250 экз. Заказ №

680042, г. Хабаровск, ул. Тихокеанская, 134, ХГАЭП, РИЦ

Содержание

Предисловие.................................................................................................................4

Введение.......................................................................................................................5

1. Основные понятия баз данных...............................................................................6

1.1. Банк данных и его компоненты........................................................................6

1.2. Модели данных................................................................................................10

2. Целостность баз данных........................................................................................19

3. Внутренняя организация СУБД............................................................................24

3.1. Общие положения............................................................................................24

3.2. Линейный список.............................................................................................26

3.3. Инвертированный список...............................................................................27

3.4. Индексы............................................................................................................28

3.5. Хеширование....................................................................................................32

3.6. Кластеризация..................................................................................................37

4. Распределенная обработка данных.......................................................................38

4.1. Режимы работы с базой данных.....................................................................38

4.2. Архитектура «клиент-сервер»........................................................................39

4.3. Модели «клиент-сервер».................................................................................44

4.4. Управление распределенными данными.......................................................48

5. Восстановление баз данных..................................................................................51

5.1. Транзакции.......................................................................................................51

5.2. Журнал транзакций..........................................................................................52

5.3. Выполнение транзакций в многопользовательских системах......................53

6. Защита баз данных.................................................................................................57

7. Основы проектирования реляционных баз данных............................................59

7.1. Этапы проектирования....................................................................................59

7.2. Построение концептуальной модели предметной области..........................60

7.3. Логическое проектирование базы данных.....................................................65

7.4. Нормализация отношений...............................................................................69

7.5. Автоматизированные технологии проектирования баз данных..................74

Заключение................................................................................................................. 76

Библиографический список......................................................................................80

Предисловие

Для принятия оптимальных, научно обоснованных решений в сферах

экономики и управления необходимы детальный анализ и систематизация

больших объемов различной информации. Эти задачи можно решить только с

применением современных компьютерных технологий, основывающихся на

использовании баз данных (БД). В настоящее время системы управления базами

данных (СУБД) успешно эксплуатируются как в небольших фирмах, так и в

крупных организациях и корпорациях, обеспечивая высокую эффективность их

работы.

Создание, функционирование и защиту банков данных, структурным

элементом которых являются базы данных, в основном, обеспечивают

администраторы банков данных, являющиеся специалистами в области

информационных технологий. Тем не менее участие в процессах

проектирования схемы базы данных, выбора инструментальных средств

построения базы данных, планирования и оптимизации запросов к базе данных

требуют от специалиста, занимающегося экономическими или управленческими

проблемами, знания и понимания фундаментальных теоретических принципов

построения и эксплуатации баз данных.

В учебном пособии рассматриваются понятия банка данных и его

компонентов, модели данных, используемые для построения БД, проблемы

поддержания целостности и защиты баз данных, восстановления их после сбоев,

организация внутреннего уровня СУБД, многопользовательская

(распределенная) обработка данных. Значительная часть пособия посвящена

основам проектирования реляционных баз данных, наиболее распространенных

в настоящее время.

Пособие ориентировано на студентов общеэкономических специальностей,

поэтому перечисленные вопросы рассмотрены на начальном, понятийном

уровне. Для получения более подробной и детальной информации следует

обратиться к специальным книгам, сведения о некоторых из которых приводятся

в библиографическом списке [ 1, 2, 4 – 6, 10 – 12, 14].

Целью пособия является ознакомление студентов с общетеоретическими

основами построения, проектирования и функционирования баз данных.

Поэтому в нем практически не рассматриваются технологии работы с

конкретной СУБД. Только по мере необходимости отдельные теоретические

положения иллюстрируются на примере СУБД MS Access, используемой в

ХГАЭП в рамках лабораторного практикума по дисциплине «Информационные

системы в экономике».

Учебное пособие соответствует требованиям государственного стандарта

для студентов экономических специальностей, изучающих дисциплину

«Информационные системы в экономике».

Автор считает своим долгом выразить признательность преподавателям

кафедры информационных технологий ХГАЭП Комовой О.С. и Сандалову В.С.

за критические замечания и полезные советы, сделанные в ходе обсуждения

данного пособия.

Введение

Деятельность специалистов, работающих в различных сферах экономики,

неразрывно связана со сбором, хранением и обработкой больших объемов

информации. Потребности общества, появление компьютерной техники,

разработка и совершенствование методов и технологий решения перечисленных

задач привели к созданию и быстрому развитию автоматизированных

информационных систем (АИС), основной целью которых является

информационное обеспечение основной деятельности пользователей.

Автоматизированные информационные системы обеспечивают

формирование, хранение и обновление больших массивов информации,

оперативный поиск в них необходимых пользователю сведений с возможным их

дальнейшим обобщением и анализом.

В развитии АИС можно выделить два поколения.

Автоматизированные информационные системы первого поколения

представляют собой наборы автономных файлов и управляющих ими

прикладных программ. Недостатками этих АИС являются сложность

эксплуатации системы, проблемы в обеспечении согласованности информации,

высокая степень дублирования хранимых данных, зависимость прикладных

программ от данных (при изменении структуры данных требуется переделывать

все программы).

АИС второго поколения – банки данных. Это системы с высокой степенью

интеграции данных и централизованным управлением ими, ориентированные на

коллективное пользование. Под интеграцией данных понимается их

объединение в единый информационный массив (базу данных), созданный по

унифицированным правилам. Централизация управления предполагает передачу

всех функций управления данными единому программному комплексу –

системе управления базой данных (СУБД). Такая организация системы

позволяет значительно облегчить работу пользователей с информацией,

уменьшить избыточность данных, поддерживать эффективные технологии

обеспечения согласованности и защиты данных.

Происхождение терминов «база данных» и «управление базами данных»

окончательно не установлено. Возможно, впервые понятие базы данных было

введено в июне 1963 г., когда по инициативе военно-воздушных сил и службы

аэрокосмической разведки США в г. Санта-Моника был организован симпозиум

по теме «Разработка и использование машиноуправляемых баз данных» [ 9 ].

В программу симпозиума входили четыре рабочих заседания, названия

которых вполне подходят для рабочих секций сегодняшних конференций [ 9 ]:

1. Факторы, определяющие требования к содержимому баз данных.

2. Критерии, влияющие на структуру и проектирование баз данных.

3. Методика сбора данных и поддержание баз данных.

4. Экономические аспекты управления базами данных.

В течение нескольких десятилетий, прошедших со времени проведения

симпозиума, банки и базы данных, системы управления базами данных

интенсивно развивались и совершенствовались. В настоящее время они активно

используются для обеспечения основной деятельности практически всех

организаций, учреждений и фирм. Правда, при этом характер функционирования

применяемых средств и технологий, их структура и специфика обычно скрыты

от пользователя (менеджера, бухгалтера, оператора), работающего на

компьютере.

1. Основные понятия баз данных

1.1. Банк данных и его компоненты

Существует множество определений банка данных.

Например, в «Толковом словаре по вычислительным системам» [ 13 ] дается

следующее определение:

Банк данных – это система, предоставляющая услуги по хранению и

поиску данных определенной группе пользователей и по определенной

тематике (например, биологические виды, статистика торговли, цены на

товары).

Определение банка данных, опубликованное в отраслевых руководящих

материалах по созданию банков данных Государственного комитета по науке и

технике (ГКНТ) [ 13 ]:

Банк данных – это система специальным образом организованных

данных (баз данных), программных, технических, языковых, организационно-

методических средств, предназначенных для обеспечения

централизованного накопления и коллективного многоцелевого

использования данных.

Приводимые определения в какой-то мере дополняют друг друга, так как

характеризуют понятие банка данных под разными углами зрения.

Основными функциями банка данных (БнД) являются:

1. Хранение информации, ее защита и восстановление после сбоев в работе.

2. Периодическое изменение хранимых данных.

3. Поиск и отбор необходимых данных по запросам пользователей и

прикладных программ.

4. Обработка найденных данных и вывод результатов в заданной форме.

Основными особенностями банков данных являются многократное

использование одной и той же информации для решения различных задач,

независимость данных от прикладных программ.

Структуру банка данных можно представить в виде рис. 1:

Рис. 1. Схема банка данных

Следовательно, банк данных состоит из следующих компонентов:

Пользователи

Прикладные

программы

СУБД

База данных

Словарь базы

данных

Банк данных

1. Базы данных – именованной совокупности данных, организованных по

определенным правилам, предусматривающим общие принципы описания,

хранения и манипулирования данными.

2. Системы управления базами данных (СУБД) – комплекса программных

и языковых средств, предназначенных для создания, ведения и использования

баз данных.

3. Словаря (справочника) базы данных – информации о базе данных,

используемой СУБД для доступа к хранимой в ней информации.

База данных обычно содержит информацию о некоторой конкретной части

окружающего нас мира (обычно ее называют предметной областью). Физически

база данных представляет собой один или несколько специальным образом

организованных файлов, хранящихся во внешней памяти (например, на

магнитных или оптических дисках). По возможности при создании и обновлении

базы данных следует исключать дублирование хранящейся в ней информации.

Пользователи не работают с базой данных непосредственно. Процесс

взаимодействия между ними реализуется через систему управления базами

данных (см. рис. 1). При этом возможны два варианта организации этого

процесса: пользователь работает с СУБД в интерактивном режиме, используя

систему меню; взаимодействие осуществляется с помощью прикладных

программ, называемых приложениями. С одной базой данных могут работать

(часто параллельно) и большое количество пользователей, и множество

различных приложений. При этом СУБД должна поддерживать независимость

работы пользователей и приложений, обеспечивая корректность изменений,

вносимых ими в базу данных.

СУБД должна также обеспечивать безопасность и согласованность

информации в базе данных. Пользователям предоставляется возможность

защиты их данных от несанкционированного доступа. При аппаратных или

программных сбоях СУБД должна самостоятельно восстанавливать исходное

согласованное состояние базы данных.

СУБД полностью отстраняет пользователей от проблем организации

хранения данных на физическом уровне.

Система управления базами данных включает:

 ядро СУБД, обеспечивающее организацию ввода, обработки и хранения

данных;

 компоненты, обеспечивающие настройку системы;

 средства тестирования;

 сервисные программы, обеспечивающие восстановление базы данных, ее

защиту и т. д.;

 трансляторы для используемых языковых средств.

В качестве примеров СУБД можно привести MS Access, Paradox, FoxPro,

Clarion, Clipper, MS SQL Server, Oracle, Informix и т. д.

При обращении к базе данных СУБД использует информацию, хранящуюся

в ее словаре:

 логическую схему БД, описания структур хранения данных;

 сведения о допустимых значениях и форматах представления данных;

 сведения о полномочиях пользователей при работе с данными;

 характеристики физического размещения данных.

Словарь базы данных может храниться в отдельном файле или

непосредственно в файле базы данных (MS Access).

Пользователей банков данных можно разделить на три большие группы.

1. Конечные пользователи. Это наиболее многочисленная группа

пользователей, для обслуживания профессиональных задач которых создается

конкретная база данных (менеджеры, торговые работники, финансисты и т. д.).

Важно, чтобы СУБД предоставляла этой категории пользователей достаточно

удобные, простые и эффективные средства работы с базой данных, не

требующие от пользователей образования в области информационных

технологий или длительного этапа специальных подготовки и обучения.

2. Прикладные программисты. В обязанности этой группы пользователей

входит написание, отладка и внедрение прикладных программ (приложений),

использующих информацию из базы данных. В основном для этого

используются универсальные языки программирования: С++, Pasсal, Delphi и др.

3. Администраторы банка данных (АБД). Пользователи этой группы

реализуют сложные задачи проектирования, создания, организации и поддержки

работы банков данных. Администратор банка данных должен быть

профессиональным специалистом в области информационных технологий и

обеспечивать выполнение следующих функций [ 2, 4 ]:

 анализа предметной области, для которой создается банк данных;

 проектирования логической структуры БД;

 определения правил поддержания данных в согласованном состоянии;

 первоначальной загрузки и ведения БД;

 защиты данных;

 восстановления БД после сбоев;

 анализа функционирования БД с возможной ее модернизацией для

увеличения производительности системы;

 взаимодействия с конечными пользователями;

 подготовки и поддержания системных средств.

При работе с настольной СУБД (например MS Access) функции конечного

пользователя, прикладного программиста и администратора банка данных может

осуществлять один человек. Если создается банк данных, предназначенный для

информационного обслуживания деятельности крупной организации или

фирмы, может потребоваться объединение усилий большого количества

высококвалифицированных специалистов: системных аналитиков,

проектировщиков структур данных и технологических процессов обработки

информации, системных и прикладных программистов, инженеров по

обслуживанию технических средств [ 4 ].

1.2. Модели данных

Данные, хранящиеся в БД, должны быть организованы по определенным

правилам.

Организация данных и способы доступа к ним, обеспечиваемые

конкретной СУБД, называются моделью данных.

Существующие базы данных разработаны на основе иерархической, сетевой,

реляционной, объектно-ориентированной моделей данных или их подмножеств.

Иерархическая модель данных

Иерархическая модель данных (ИМД) представляет собой древовидную

(иерархическую) структуру. В вершинах дерева находятся совокупности

свойств данных, описывающих некоторый объект. В терминологии ИМД эти

совокупности называются сегментами. Сегмент, у которого нет вышележащего

уровня иерархии, называется корневым.

Рассмотрим структуру иерархической базы данных торгового предприятия,

имеющего филиалы в нескольких городах, в каждом из которых есть несколько

магазинов, имеющих склады для хранения товаров (рис. 2).

Любой блок, изображенный на схеме, представляет собой сегмент,

состоящий из нескольких полей, каждое из которых характеризует собой

некоторое свойство сегмента. Например, для сегмента Филиал такими

свойствами могут быть название города, где находится филиал торгового

предприятия, его почтовый и юридический адреса, факс и т. д. Свойствами