База данных. Система управления базами данных. Компоненты системы баз данных.

База данных - это поименованная совокупность структурированных данных, относящихся к определенной предметной области.

Обрабатывает структурированные данные централизованный программный механизм, который называется системой управления базами данных.

Система управления базами данных (СУБД) - это программный механизм, предназначенный для записи, поиска, сортировки, обработки (анализа) и печати информации, содержащейся в базе данных.

В компьютерной базе данных информация представляется в виде таблицы, очень похожей на электронную таблицу. Названия столбцов, представляющих «шапку» таблицы, называют именами полей или реквизитами, а самистолбцы - полями. Данные в полях называют значениями реквизитов или значениями полей. Для описания поля, кроме его имени используются следующие характеристики и свойства полей:

Тип поля. Подобно электронной таблице, работающей с тремя типами полей: текстовый, числовой и формула, в таблицах используется несколько большее количество типов полей.

Длина поля – максимально возможное количество символов.

Точность (для числовых типов полей) – количество знаков после запятой.

Маска ввода – форма средства автоматизации ввода, в которой вводятся данные в поле. Например, одно и то же значение имеют поля даты: 03.03.95 или 03.03.1995, или 03-март-1995, но отличаются по формату.

Сообщение об ошибке – текстовое сообщение, которое выдается в поле при попытке ввода ошибочных данных.

Условие на значение – ограничение, используемое для проверки правильности ввода данных.

Пустое и обязательное поле – свойство поля, определяющее обязательность заполнения поля при наполнении базы данных.

Индексированное поле – дополнительное имя поля, позволяющее ускорить операции поиска и сортировки записей.

Строки данных таблицы называются записями (рис.3).

Таким образом:

Поле - это элементарная единица логической организации данных.

Запись - совокупность логически связанных полей, представленных одной строкой таблицы.

Файл (таблица) – совокупность экземпляров записей одной структуры.

Основные функции системы управления базами данных:

1. Определение структуры создаваемой базы данных, ее инициализация и проведение начальной загрузки.

Как правило, создание структуры базы данных происходит в режиме диалога. СУБД последовательно запрашивает у пользователя необходимые данные. В большинстве современных СУБД база данных представляется в виде совокупности таблиц. Рассматриваемая функция позволяет описать и создать в памяти структуру таблицы, провести начальную загрузку данных в таблицы.

2. Предоставление пользователям возможности манипулирования данными (выборка необходимых данных, выполнение вычислений, разработка интерфейса ввода/вывода, визуализация).

Такие возможности в СУБД представляются либо на основе использования специального языка программирования, входящего в состав СУБД, либо с помощью графического интерфейса.

3. Обеспечение независимости прикладных программ и данных

(логической и физической независимости).Важнейшим свойством СУБД является возможность поддерживать два независимых взгляда на базу данных – "взгляд пользователя", воплощаемый в логическом представлении данных, и его отражения в прикладных программах; и "взгляд системы" – физическое представление данных в памяти ЭВМ. Обеспечение логической независимости данных предоставляет возможность изменения (в определенных пределах) логического представления базы данных без необходимости изменения физических структур хранения данных.

4. Защита логической целостности базы данных.

Основной целью реализации этой функции является повышение достоверности данных в базе данных. Достоверность данных может быть нарушена при их вводе в БД или при неправомерных действиях процедур обработки данных, получающих и заносящих в БД неправильные данные. Для повышения достоверности данных в системе объявляются так называемые ограничения целостности, которые в определенных случаях "отлавливают" неверные данные. Так, во всех современных СУБД проверяется соответствие вводимых данных их типу, описанному при создании структуры. Система не позволит ввести символ в поле числового типа, не позволит ввести недопустимую дату и т.п.

5. Защита физической целостности.

При работе ЭВМ возможны сбои в работе (например, из-за отключения электропитания), повреждение машинных носителей данных. При этом могут быть нарушены связи между данными, что приводит к невозможности дальнейшей работы. Развитые СУБД имеют средства восстановления базы данных. Важнейшим используемым понятием является понятие "транзакции". Транзакция – это единица действий, производимых с базой данных.

6. Управление полномочиями пользователей на доступ к базе данных.

Разные пользователи могут иметь разные полномочия по работе с данными (некоторые данные должны быть недоступны; определенным пользователям не разрешается обновлять данные и т.п.). В СУБД предусматриваются механизмы разграничения полномочий доступа, основанные либо на принципах паролей, либо на описании полномочий.

7. Синхронизация работы нескольких пользователей.

Достаточно часто может иметь место ситуация, когда несколько пользователей одновременно выполняют операцию обновления одних и тех же данных. Такие коллизии могут привести к нарушению логической целостности данных, поэтому система должна предусматривать меры, не допускающие обновление данных другим пользователям, пока работающий с этими данными пользователь полностью не закончит с ними работать. Основным используемым здесь понятием является понятие "блокировка". Блокировки необходимы для того, чтобы запретить различным пользователям возможность одновременно работать с базой данных, поскольку это может привести к ошибкам.

Для реализации этого запрета СУБД устанавливает блокировку на объекты, которые использует транзакция. Существуют разные типы блокировок – табличные, страничные, строчные и другие, которые отличаются друг от друга количеством заблокированных записей. Чаще других используется строчная блокировка – при обращении транзакции к одной строке блокируется только эта строка, остальные строки остаются доступными для изменения.

8. Управление ресурсами среды хранения.

БД располагается во внешней памяти ЭВМ. При работе в БД заносятся новые данные (занимается память) и удаляются данные (освобождается память). СУБД выделяет ресурсы памяти для новых данных, перераспределяет освободившуюся память, организует ведение очереди запросов к внешней памяти и т.п.

9. Поддержка деятельности системного персонала.

При эксплуатации базы данных может возникать необходимость изменения параметров СУБД, выбора новых методов доступа, изменения (в определенных пределах) структуры хранимых данных, а также выполнения ряда других общесистемных действий. СУБД предоставляет возможность выполнения этих и других действий для поддержки деятельности БД обслуживающему БД системному персоналу, называемому администратором БД.

 

 

Технология Клиент/сервер

Одна из моделей взаимодействия компьютеров в сети получила название «клиент-сервер» (Рис. 1.). Каждый из составляющих эту архитектуру элементов играет свою роль: сервер владеет и распоряжается информационными ресурсами системы, клиент имеет возможность воспользоваться ими.

 

 

Сервер базы данных представляет собой мультипользовательскую версию СУБД, параллельно обрабатывающую запросы, поступившие со всех рабочих станций. В его задачу входит реализация логики обработки транзакций с применением необходимой техники синхронизации - поддержки протоколов блокирования ресурсов, обеспечение, предотвращение и/или устранения тупиковых ситуаций.В ответ на пользовательский запрос рабочая станция получит не «сырье» для последующей обработки, а готовые результаты. Программное обеспечение рабочей станции при такой архитектуре играет роль только внешнего интерфейса (Front - end) централизованной системы управления данными. Это позволяет существенно уменьшить сетевой трафик, сократить время на ожидание блокированных ресурсов данных в мультипользовательском режиме, разгрузить рабочие станции и при достаточно мощной центральной машине использовать для них более дешевое оборудование.

Как правило, клиент и сервер территориально отделены друг от друга, и в этом случае они входят в состав или образуют систему распределенной обработки данных.

Для современных СУБД архитектура «клиент-сервер» стала фактически стандартом. Если предполагается, что проектируемая информация будет иметь архитектуру «клиент-сервер», то это означает, что прикладные программы, реализованные в ее рамках, будут иметь распределенный характер, т. е. часть функций приложений будет реализована в программе-клиенте, другая - в программе-сервере. Основной принцип технологии «клиент-сервер» заключается в разделении функций стандартного интерактивного приложения на четыре группы:

· функции ввода и отображения данных;

· прикладные функции, характерные для предметной области;

· фундаментальные функции хранения и управления ресурсами (базами данных);

· служебные функции.

Исходя из этого деления любое приложение может состоять из следующих компонентов:

· компонент представления (функции 1-й группы);

· прикладной компонент (функции 2-й группы);

· компонент доступа к информационным ресурсам (функции 3-ей группы и протокол их взаимодействия).

Различия определяются четырьмя факторами:

· какие виды программного обеспечения в логических компонентах;

· какие механизмы программного обеспечения используются для реализации функций трех групп;

· как логические компоненты распределяются компьютерами в сети;

· какие механизмы используются для связи компонент между собой.

 

Недостатки файловых систем

Файловая система – Набор программ, которые выполняют для пользователей некоторые операции, например создание отчетов. Каждая программа определяет свои собственные данные и управляет ими. В этом случае каждая функция автоматизируемой организации может быть реализована одной или несколькими программами, и каждая функция имеет свои собственные данные. Для доступа к каждому файлу необходимо создавать свои –программы.

Недостатки файловых систем

1 Дублирование данных.

Из-за децентрализованной работы с данными, проводимой в каждом подразделении независимо от других, в файловой системе фактически поощряется бесконтрольное дублирование данных. Такое дублирование нежелательно по двум причинам.

А) Дублирование данных сопровождается неэкономным расходованием ресурсов, поскольку на ввод избыточных данных требуется затрачивать дополнительное время, денежные ресурсы и дисковое пространство.

Б) Дублирование данных может привести к нарушению целостности системы. Например, человека могут повысить в должности, что отразится в файле отдела кадров, но не в файле бухгалтерии, что приведет к начислению ему заработной платы по старой должности. /*Произведен товар, что зафиксировано в файле отдела производства, но эта информация не попала в файл отдела реализации, следовательно, товар не продается. */

2 Зависимость от данных.

Физическая структура и способ хранения информации жестко зафиксирован в коде программ. Это значит, что изменить существующую структуру. Например, изменение типа длины строки с 40 на 41 повлечет следующие действия. Пишется программа, которая создает временный файл с новой структурой, перекачивает данные в новый файл, удаляет старый файл, создает новый файл с новой структурой, но со старым именем, перекачивает данные, разрушает временный файл. Кроме этого, необходимо переписать все приложения, обрабатывающие этот файл.

3 Несовместимость форматов файлов.

Поскольку структура файлов определяется кодом приложений, она также зависит от языка программирования этого приложения. Таким образом, обратиться к файлу, созданному приложением, написанном на другом языке, может быть затруднительно. /*как минимум могут отсутствовать нужные типы данных */

4 Фиксированные запросы.

Файловые системы очень зависимы от программиста, потому что все требуемые запросы создаются именно им. Это происходит из-за того, что в файловых системах отсутствуют инструменты для создания произвольных запросов к данным, а также получения информации о структурах файлов.

Все перечисленные недостатки файловых систем являются следствием двух факторов:

1 Определение данных содержится внутри приложений, а не храниться отдельно и независимо от них.

2 Помимо приложений не существует никаких других инструментов доступа к данным.