База данных

стр. 2 из 15

Содержание

Введение

Что такое базы данных? (Слайд №1)

Первые модели данных

Системы управления файлами. (Слайд №2)

Иерархические СУБД (Слайд №3)

Сетевые базы данных (Слайд №5)

Реляционная модель данных

Элементы теории множеств

Множества (Слайд №11)

Операции над множествами (Слайд №13)

Декартово произведение множеств (Слайд №14)

Отношение (Слайд №16)

Примеры отношений

Бинарные отношения (отношения степени 2)

Отношение эквивалентности (Слайд №17)

Отношения порядка

Функциональное отношение

Еще пример бинарного отношения(Слайд №18)

n-арные отношения (отношения степени n) (Слайд №21)

Транзитивное замыкание отношений (Слайд №22)

Выводы

Введение

Что такое базы данных? (Слайд №1)

В самом общем смысле база данных - это набор записей и файлов, организованных специальным образом. В компьютере, например, можно хранить фамилии и адреса друзей или клиентов. Один из типов баз данных - это документы, набранные с помощью текстовых редакторов и сгруппированные по темам. Другой тип - файлы электронных таблиц, объединяемые в группы по характеру их использования.

Первые модели данных

С ростом популярности СУБД в 70-80-х годах появилось множество различных моделей данных. У каждой из них имелись свои достоинства и недостатки, которые сыграли ключевую роль в развитии реляционной модели данных, появившейся во многом благодаря стремлению упростить и упорядочить первые модели данных.

Системы управления файлами. (Слайд №2)

До появления СУБД все данные, которые содержались в компьютерной системе постоянно, хранились в виде отдельных файлов. Система управления файлами, которая обычно является частью операционной системы компьютера, следила за именами файлов и местами их расположения. В системах управления файлами модели данных, как правило, не использовались; эти системы ничего не знали о внутреннем содержимом файлов. Для такой системы файл, содержащий документ текстового процессора, ничем не отличается от файла, содержащего данные о начисленной зарплате. Знание о содержимом файла - какие данные в нём хранятся и какова их структура - было уделом прикладных программ, использующих этот файл. В приложении для начисления зарплаты каждая из программ, обрабатывающих файл с информацией о служащих, содержит в себе описание структуры данных (ОСД), хранящихся в этом файле. Когда структура данных изменялась - например, в случае добавления нового элемента данных для каждого служащего, - необходимо было модифицировать каждую из программ, обращавшихся к файлу. Со временем количество файлов и программ росло, и на сопровождение существующих приложений приходилось затрачивать всё больше и больше усилий, что замедляло разработку новых приложений.

Проблемы сопровождения больших систем, основанных на файлах, привели в конце 60-х годов к появлению СУБД. В основе СУБД лежала простая идея: изъять из программ определение структуры содержимого файла и хранить её вместе с данными в базе данных.

Иерархические СУБД (Слайд №3)

Одной из наиболее важных сфер применения первых СУБД было планирование производства для компаний, занимающихся выпуском продукции. Например, если автомобильная компания хотела выпустить 10000 машин одной модели и 5000 машин другой модели, ей необходимо было знать, сколько деталей следует заказать у своих поставщиков. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо определить, из каких деталей состоят эти части и т.д. Например, машина состоит из двигателя, корпуса и ходовой части; двигатель состоит из клапанов, цилиндров, свеч и т.д. Работа со списками составных частей была как будто специально предназначена для компьютеров.

Список составных частей изделия по своей природе является иерархической структурой. Для хранения данных, имеющих такую структуру, была разработана иерархическая модель данных.

В этой модели каждая запись базы данных представляла конкретную деталь. Между записями существовали отношения предок/потомок, связывающие каждую часть с деталями, входящими в неё.

Чтобы получить доступ к данным, содержащимся в базе данных, программа могла:

найти конкретную деталь (правую дверь) по её номеру;

перейти "вниз" к первому потомку (ручка двери);

перейти "вверх" к предку (корпус);

перейти "в сторону" к другому потомку (правая дверь).

Таким образом, для чтения данных из иерархической базы данных требовалось перемещаться по записям, за один раз переходя на одну запись вверх, вниз или в сторону.

(Слайд №4)

Одной из наиболее популярных иерархических СУБД была Information Management System (IMS) компании IBM, появившаяся в 1968 году. Ниже перечислены преимущества IMS и реализованной в ней иерархической модели.

Простота модели. Принцип построения IMS был легок для понимания. Иерархия базы данных напоминала структуру компании или генеалогическое дерево.

Использование отношений предок/потомок. СУБД IMS позволяла легко представлять отношения предок/потомок, например: "А является частью В" или "А владеет В".

Быстродействие. В СУБД IMS отношения предок/потомок были реализованы в виде физических указателей из одной записи на другую, вследствие чего перемещение по базе данных происходило быстро. Поскольку структура данных в этой СУБД отличалась простотой, IMS могла размещать записи предков и потомков на диске рядом друг с другом, что позволяло свести к минимуму количество операций записи-чтения.

СУБД IMS все ещё является одной из наиболее распространённых СУБД для больших ЭВМ компании IBM. Доля мэйнфреймов этой компании, на которых используется данная СУБД, превышает 25%.

Сетевые базы данных (Слайд №5)

Если структура данных оказывалась сложнее, чем обычная иерархия, простота структуры иерархической базы данных становилась её недостатком. Например, в базе данных для хранения заказов один заказ мог участвовать в трёх различных отношениях предок/потомок, связывающих заказ с клиентом, разместившим его, со служащим, принявшим его, и с заказанным товаром. Такие структуры данных не соответствовали строгой иерархии IMS.

В связи с этим для таких приложений, как обработка заказов, была разработана новая сетевая модель данных. Она являлась улучшенной иерархической моделью, в которой одна запись могла участвовать в нескольких отношениях предок/потомок. В сетевой модели такие отношения назывались множествами. В 1971 году на конференции по языкам систем данных был опубликован официальный стандарт сетевых баз данных, который известен как модель CODASYL. Компания IBM не стала разрабатывать собственную сетевую СУБД и вместо этого продолжала наращивать возможность IMS. Но в 70-х годах независимые производители программного обеспечения реализовали сетевую модель в таких продуктах, как IDMS компании Cullinet, Total компании Cincom и СУБД Adabas, которые приобрели большую популярность.

(Слайд №6)

Сетевые базы данных обладали рядом преимуществ:

Гибкость. Множественные отношения предок/потомок позволяли сетевой базе данных хранить данные, структура которых была сложнее простой иерархии.

Стандартизация. Появление стандарта CODASYL популярность сетевой модели, а такие поставщики мини-компьютеров, как Digital Equipment Corporation и Data General, реализовали сетевые СУБД.

Быстродействие. Вопреки своей большой сложности, сетевые базы данных достигали быстродействия, сравнимого с быстродействием иерархических баз данных. Множества были представлены указателями на физические записи данных, и в некоторых системах администратор мог задать кластеризацию данных на основе множества отношений.

Конечно, у сетевых баз данных были недостатки. Как и иерархические базы данных, сетевые базе данных были очень жесткими. Наборы отношений и структуру записей приходилось задавать наперёд. Изменение структуры базы данных обычно означало перестройку всей базы данных.

Как иерархическая, так и сетевая база данных были инструментами программистов. Чтобы получить ответ на вопрос типа "Какой товар наиболее часто заказывает компания Acme Manufacturing?", программисту приходилось писать программу для навигации по базе данных. Реализация пользовательских запросов часто затягивалась на недели и месяцы, и к моменту появления программы информация, которую она предоставляла, часто оказывалась бесполезной.

Реляционная модель данных

Недостатки иерархической и сетевой моделей привели к появлению новой, реляционной модели данных, созданной Коддом в 1970 году и вызвавшей всеобщий интерес. Реляционная модель была попыткой упростить структуру базы данных. В ней отсутствовали явные указатели на предков и потомков, а все данные были представлены в виде простых таблиц, разбитых на строки и столбцы.

К сожалению, практическое определение понятия "реляционная база данных" оказалось гораздо более расплывчатым, чем точное математическое определение, данное этому термину Коддом в 1970 году. В первых реляционных СУБД не были реализованы некоторые из ключевых частей модели Кодда, и этот пробел был восполнен только впоследствии. По мере роста популярности реляционной концепции реляционными стали называться многие базы данных, которые на деле таковыми не являлись.

В ответ на неправильное использование термина "реляционный" Кодд в 1985 году написал статью, где сформулировал 12 правил, которым должна удовлетворять любая база данных, претендующая на звание реляционной. С тех пор двенадцать правил Кодда считаются определением реляционной СУБД. Однако можно сформулировать и более простое определение:

Реляционной называется база данных, в которой все данные, доступные пользователю, организованны в виде таблиц, а все операции над данными сводятся к операциям над этими таблицами.

Приведенное определение не оставляет места встроенным указателям, имеющимся в иерархических и сетевых СУБД. Несмотря на это, реляционная СУБД также способна реализовать отношения предок/потомок, однако эти отношения представлены исключительно значениями данных, содержащихся в таблицах.

Реляционная модель описывает, какие данные могут храниться в реляционных базах данных, а также способы манипулирования такими данными. В упрощенном виде основная идея реляционной модели состоит в том, что данные должны храниться в таблицах и только в таблицах. Эта, кажущаяся тривиальной, идея оказывается вовсе не простой при рассмотрении вопроса, а что, собственно, представляет собой таблица? В данный момент существуем много различных систем обработки данных, оперирующих понятием "таблица", например, всем известные, электронные таблицы, таблицы текстового редактора MS Word, и т.п. Ячейки электронной таблицы могут хранить разнотипные данные, например, числа, строки текста, формулы, ссылающиеся на другие ячейки. Собственно, на одном листе электронной таблицы можно разместить несколько совершенно независимых таблиц, если под таблицей понимать прямоугольную область, расчерченную на клеточки и заполненную данными. Таблицы текстовых редакторов вообще могут иметь совершенно произвольную структуру, например, как на рисунке: (слайд №8)

Таблица 1 Таблица произвольной формы

Конечно, и электронные таблицы, и текстовые редакторы позволяют хранить и обрабатывать данные очень гибко, но как быть, если требуется хранить информацию обо всех сотрудниках большого предприятия и периодически выдавать ответы на запросы типа "представить список всех сотрудников, принятых на работу не позднее трех лет назад, имеющих по крайней мере одного ребенка, не имеющих взысканий и с зарплатой не выше 1000 р.". Для получения ответов на подобные запросы и предназначены Системы Управления Базами Данных (СУБД).

Классическая реляционная модель данных требует, чтобы данные хранились в так называемых плоских таблицах. Более точно, пользователи и приложения, обращающиеся к данным, должны работать с данными так, как если бы они размещались в таких таблицах. В упрощенном виде плоская таблица - это таблица, каждая ячейка которой может быть однозначно идентифицирована указанием строки и столбца таблицы. Кроме того, в одном столбце все ячейки должны содержать данные одного простого типа. Точное определение понятия "плоская таблица" дается в реляционной модели данных.

Реляционная модель основана на теории множеств и математической логике. Такой фундамент обеспечивает математическую строгость реляционной модели данных.

В свою очередь, на основе реляционной модели были разработаны различные языки для доступа к реляционным данным, такие как SEQUEL, SQL, QUEL и другие. Фактическим промышленным стандартом в настоящее время стал язык SQL (Structured Query Language - язык структурированных запросов).

Различные фирмы, производители СУБД, предлагают свои реализации языка SQL. Эти реализации отличаются как друг от друга, так и от стандартизованного языка SQL. Это и хорошо и плохо. Хорошо это тем, что конкретная реализация языка, может включать в себя более широкие возможности по сравнению со стандартизованными SQL, например, больше типов данных, большее количество команд, больше дополнительных опций имеющихся команд. Такие возможности делают работу с конкретной СУБД более эффективной. Кроме того, такие нестандартные возможности языка проходят практическую апробацию и со временем могут быть включены в стандарт. Плохо же это тем, что различия в синтаксисе реализаций SQL затрудняют перенос приложений из одной системы в другую. Например, если приложение было написано для базы данных MS SQL Server с использованием своего диалекта SQL - языка Transact-SQL, то при переносе системы в базу данных ORACLE, не все конструкции языка будут понятны соответствующему диалекту SQL - языку PL/SQL.

Взаимосвязь реляционной модели данных, стандарта языка SQL и различных его реализаций можно условно изобразить в виде следующей пирамиды: (слайд №10)

Каждый более высокий уровень основывается на понятиях, определенных на более низком уровне.