База данных - унифицированная совокупность хранимых и воспроизводимых данных, используемых в рамках организации.

Несколько дополнительных определений базы данных:

- База данных есть совокупность взаимосвязанных данных, совместно используемых несколькими приложениями и хранящимися с (минимальной) регулируемой избыточностью.

- База данных состоит из всех экземпляров записей, экземпляров наборов записей и областей, которые контролируются конкретной схемой.

Концепция БД:

• данные ИС размещаются в файлах несущей ОС.
• физическая структура фалов фиксируется, а логическая структура данных представляется на ее основе
• обработка запроса к данным реализуется через специальный интерфейс манипулирования данными
• программы разрабатываются на основе единой точки зрения на процедуры обработки данных

Концепция БД предполагает наличие:

• языка определения данных (служит для описания логической структуры (схемы) БД и способов хранения и доступа к данным).
• языка манипулирования данными (предоставляет алгоритмические средства построения приложений для обработки сохраняемых в БД элементов данных).
• правил построения интерфейсов программ (приложений) с БД и пользователем.

 

СУБД являются сложными программными системами, работающими на различных операционных платформах.

Именно СУБД должна предоставить средства определения и манипулирования данными, сделав данные независимыми от прикладных программ, их использующих.

В последнее время набирает обороты концепция машин баз данных, которая предполагает аппаратную реализацию некоторых процедур обработки данных.

Системой управления базами данных называется совокупность программных средств, необходимых для использования базы данных и предоставляющих разработчикам и пользователям множество различных представлений данных.

 

Модели данных

Модель данных – указание множества допустимых информационных конструкций, операций над данными и множества ограничений для хранимых значений данных.

Наиболее распространёнными являются модели данных: реляционная, сетевая, иерархическая.

Основное различие между моделями состоит в способах представления взаимосвязей между объектами, описываемыми этими моделями.

Реляционная модель данных является совокупностью отношений, из которых в результате выполнения запросов пользователей образуются новые производные отношения.

● Основа реляционной модели - отношение. Оно удобно представляется двумерной таблицей при соблюдении определенных ограничивающих условий. Таблица понятна, обозрима и привычна для человека.

● Набор отношений (таблиц) может быть использован для хранения данных об объектах реального мира и моделирования связей между ними.

Модель данных. Иерархическая

● Структура данных называется иерархической, если ее схема представлена в виде дерева. Узлами дерева-схемы являются записи, дугами - иерархические связи между записями.

● Иерархические связи задают отношения между исходными и порожденными записями типа 1: М. Наивысший узел в иерархической модели называется корнем.

● Допустимыми конструкциями иерархической модели являются:

 Отношение;

 Веерное отношение - пара отношений, включающая одно основное R и одно зависимое S и связь между ними, при условии, что каждое значение зависимого отношения связано с единственным значение основного отношения;

 Иерархическая база данных.

 

● Иерархической базой данных называется множество отношений и веерных отношений, для которых выполняются ограничения:

1) Существует единственное отношение, называемое корневым, которое не является зависимым ни в одном веерном отношении.

2) Все остальные отношения являются зависимыми отношениями только в одном веерном отношении.

● Записью иерархической базы данных называется множество значений, содержащих одно значение корневого отношения и все вееры, доступные для него в соответствии со структурой иерархической базы данных.

 

Модель данных. Сетевая

● Основными компонентами стандартной сетевой модели являются записи и наборы данных.

● Тип записи – это структура, в которую помещаются конкретные значения данных. Каждый тип записи состоит из некоторого числа элементов данных, характеризующих свойства описываемого объекта, значения которых размещаются в экземплярах записи данного типа. В качестве связей между типами записей используются наборы данных.

● Тип набора – это поименованное отношение между типами записей. Каждому типу набора присваивается имя, что позволяет одной и той же паре типов объектов, участвовать в нескольких наборах данных. Сетевая модель данных представляется как множество отношений и веерных отношений.

● Сетевые базы данных разделяются на двухуровневые и многоуровневые сети.

● Ограничения двухуровневых сетей – каждое отношение может существовать в одной из следующих ролей:

- Вне каких-либо веерных отношений;

- В качестве основного отношения в любом числе веерных отношений;

● Запрещается существования в одном контексте в качестве зависимого и одновременно в качестве основного в другом контексте.

● В сетевой модели взаимосвязь M:N не может быть реализована непосредственно. Для этого используется дополнительный тип записи, с помощью которой образуется два набора данных.

● Существенное различие между сетевой и иерархической моделями данных состоит в том, что в сетевой модели каждая запись может участвовать в любом числе наборов и играть роль как владельца так и члена набора.

 

Диаграммы «сущность-связь»

Типичной формой документирования информационной модели предметной области являются диа граммы "сущность-связь" (ER-диаграммы).

ER-диаграмма позволяет графически представить все элементы информационной модели согласно простым, интуитивно понятным, но строго определенным правилам - нотациям.

Сущность на ER-диаграмме представляется прямоугольником с именем в верхней части.

Домены назначаются аналитиками и фиксируются в специальном документе - словаре данных.

На стадиях разработки логической и физической моделей реляционной базы данных домены уточняются в сущностях на ER-диаграмме.

Проектировщик базы данных должен тщательным образом изучить домены каждого атрибута с точки зрения их реализуемости в СУБД, с участием аналитиков внести в них изменения, если условие реализуемости не выполняется.

При определении доменов проектировщик руководствуется следующим:

- для реализации реляционной базы данных требуется использовать реляционную СУБД, например Oracle;

- в большинстве реляционных СУБД в качестве языка манипулирования и описания данных используется диалект SQL, поддерживающий определенные стандарты, например ANSI SQL-92.

Отношение (связь) сущностей на ER-диаграмме изображается линией, соединяющей эти сущности.

Степень связи изображается с помощью символа *, указывающего на то, что в связи участвует много (N) экземпляров сущности, и одинарной горизонтальной чертой, указывающей на то, что в связи участвует один экземпляр сущности.

Необязательный класс принадлежности изображается с помощью кружочка на линии отношения рядом с сущностью, обязательный класс принадлежности - с помощью вертикальной черты на линии отношения рядом с сущностью.

Как правило, отношения на ER-диаграммах именуются с обеих сторон.

Супертипы и подтипы, так же как и сущности, обозначаются на ER-диаграмме с помощью прямоугольников. Отношения между ними изображаются с помощью "вилки", имеющей в точке ветвления полукруг.

Подтипы содержат только атрибуты, характерные для выделенных категорий.

Реляционные операции

Классическая реляционная модель данных предусматривает использование восьми реляционных операций: объединение, пересечение, разность, декартово произведение, деление, проекция, соединение и выбор.

Важно: Операции выполняются над отношением в целом, а не над отдельным кортежем отношения!

Степень отношения - число входящих в него атрибутов или мощность схемы отношения.

Мощность отношения есть число входящих кортежей или кардинальное число отношения.

Два отношения называются совместными, если они имеют совместные схемы (совпадают схемы отношений и домены соответствующих атрибутов).

Объединение отношений

Пусть Qa, Qb, Qc - множество кортежей отношений А, B, С соответственно.

Операция объединения выполняется над двумя совместными отношениями A и B. Результатом операции объединения является отношение C, которое включает в себя все кортежи отношения А и кортежи отношения B, отличные от кортежей отношения A.

Таким образом, объединение отношений можно представить с помощью теоретико-множественной операции объединения:

Пересечение отношений

Операция пересечения выполняется над двумя совместными отношениями А и В.

Результатом операции пересечения является отношение С, которое включает в себя кортежи отношения А, полностью совпадающие с кортежами отношения В.

Таким образом, пересечение отношений можно представить с помощью теоретико-множественной операции пересечения:

Разность отношений

Операция разности выполняется над двумя совместными отношениями А и В.

Результатом операции разности является отношение С, которое включает в себя кортежи отношения А, отличные от кортежей отношения В.

Таким образом, разность отношений можно представить с помощью теоретико-множественной операции разности:

Декартово произведение отношений

Операция декартова произведения выполняется над двумя произвольными отношениями А и В.

Результатом операции декартова произведения является отношение С, степень которого равна сумме степеней исходных отношений, а мощность - произведению мощностей исходных отношений.

Таким образом, декартово произведение отношений можно представить с помощью декартова произведения множеств:

Проекция отношения

Операция проекции выполняется над одним отношением А.

Результатом выполнения операции проекции над отношением А является отношение С, которое включает в себя все кортежи отношения А, но только с теми атрибутами, на которые выполняется проекция.

Операцию проекции отношения можно представить следующим образом:

Деление отношений

Операция деления выполняется над двумя отношениями А и В, где А - отношение-делимое, а B - отношение-делитель.

При этом атрибуты B должны являться подмножеством атрибутов A.

Результатом выполнения операции деления является отношение С, которое включает в себя атрибуты отношения А, отличные от атрибутов отношения В, и только те кортежи, декартовы произведения которых с отношением В дают отношение А:

Выбор из отношения

Операция выбора (селекции) выполняется над одним отношением А.

Результатом выполнения операции выбора является отношение С, которое включает в себя кортежи отношения А, удовлетворяющие заданному условию (критерию выбора).

Операция выбора из отношения может быть представлена следующим образом:

где σ - обозначает операцию выбора, F - критерий выбора на множестве атрибутов в форме логического выражения, образованного с помощью определенных операндов (константы, имена атрибутов, арифметические операции сравнения, логические операции).

Соединение отношений

Операция q- соединения выполняется над двумя отношениями А и В.

Результатом выполнения операции -соединения является отношение С, которое включает в себя все кортежи со всеми атрибутами исходных отношений А и В, удовлетворяющими заданному условию.

В каждом отношении выделяется атрибут, по которому выполняется соединение.

Операция соединения отношений может быть представлена следующим образом:

где n - степень отношения Q_a; ѳ - арифметический оператор сравнения; i, j - номера атрибутов в Q_a и Q_b соответственно, по которым выполняется соединение.