Базы данных и информационные системы

1. Введение в базы данных Рассматриваются базы данных и информационные системы. Описываются основные понятия баз данных и систем управления базами данных. Дается характеристика вариантов организации информационной системы по архитектуре клиент-сервер. Приводится классификация СУБД, и описываются основные их функции. Рассматриваются варианты создания приложений и организации взаимодействия пользователей с информационными системами. 1.1. Базы данных и информационные системы В основе решения многих задач лежит обработка информации. Для облегчения обработки информации создаются информационные системы (ИС). Автоматизированными называют ИС, в которых применяют технические средства, в частности ЭВМ. Большинство существующих ИС являются автоматизированными, поэтому для краткости просто будем называть их ИС. В широком понимании под определение ИС подпадает любая система обработки информации. По области применения ИС можно разделить на системы, используемые в производстве, образовании, здравоохранении, науке, военном деле, социальной сфере, торговле и других отраслях. По целевой функции ИС можно условно разделить на следующие основные категории: управляющие, информационно-справочные, поддержки принятия решений. Заметим, что иногда используется более узкая трактовка понятия ИС как совокупности аппаратно-программных средств, задействованных для решения некоторой прикладной задачи. В организации, например, могут существовать информационные системы, на которых соответственно возложены следующие задачи: учет кадров и материально-технических средств, расчет с поставщиками и заказчиками, бухгалтерский учет и т. п. Банк данных является разновидностью ИС, в которой реализованы функции централизованного хранения и накопления обрабатываемой информации, организованной в одну или несколько баз данных. Банк данных (БнД) в общем случае состоит из следующих компонентов: базы (нескольких баз) данных, системы управления базами данных, словаря данных, администратора, вычислительной системы и обслуживающего персонала. Вкратце рассмотрим названные компоненты и некоторые связанные с ними важные понятия. База данных (БД) представляет собой совокупность специальным образом организованных данных, хранимых в памяти вычислительной системы и отображающих состояние объектов и их взаимосвязей в рассматриваемой предметной области. Логическую структуру хранимых в базе данных называют моделью представления данных. К основным моделям представления данных (моделям данных) относятся следующие: иерархическая, сетевая, реляционная, постреляционная, многомерная и объектно-ориентированная (см. раздел 2). Система управления базами данных (СУБД) - это комплекс языковых и программных средств, предназначенный для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями. Обычно СУБД различают по используемой модели данных. Так, СУБД, основанные на использовании реляционной модели данных, называют реляционными СУБД. Одними из первых СУБД являются следующие системы: IMS (IBM, 1968 г.), IDMS (Cullinet, 1971 г.), ADABAS (Software AG, 1969 г.) и ИНЭС (ВНИИСИ АН СССР, 1976 г.). Количество современных систем управления базами данных исчисляется тысячами. Приложение представляет собой программу или комплекс программ, обеспечивающих автоматизацию обработки информации для прикладной задачи. Нами рассматриваются приложения, использующие БД. Приложения могут создаваться в среде или вне среды СУБД - с помощью системы программирования, использующей средства доступа к БД, к примеру, Delphi или C++ Builder. Приложения, разработанные в среде СУБД, часто называют приложениями СУБД, а приложения, разработанные вне СУБД, - внешними приложениями. Для работы с базой данных зачастую достаточно средств СУБД и не нужно использовать приложения, создание которых требует программирования. Приложения разрабатывают главным образом в случаях, когда требуется обеспечить удобство работы с БД неквалифицированным пользователям или интерфейс СУБД не устраивает пользователей. Словарь данных (СД) представляет собой подсистему БнД, предназначенную для централизованного хранения информации о структурах данных, взаимосвязях файлов БД друг с другом, типах данных и форматах их представления, принадлежности данных пользователям, кодах защиты и разграничения доступа и т.п. Функционально СД присутствует во всех БнД, но не всегда выполняющий эти функции компонент имеет именно такое название. Чаще всего функции СД выполняются СУБД и вызываются из основного меню системы или реализуются с помощью ее утилит. Администратор базы данных (АБД) есть лицо или группа лиц, отвечающих за выработку требований к БД, ее проектирование, создание, эффективное использование и сопровождение. В процессе эксплуатации АБД обычно следит за функционированием информационной системы, обеспечивает защиту от несанкционированного доступа, контролирует избыточность, непротиворечивость, сохранность и достоверность хранимой в БД информации. Для однопользовательских информационных систем функции АБД обычно возлагаются на лиц, непосредственно работающих с приложением БД. В вычислительной сети АБД, как правило, взаимодействует с администратором сети. В обязанности последнего входят контроль за функционированием аппаратно-программных средств сети, реконфигурация сети, восстановление программного обеспечения после сбоев и отказов оборудования, профилактические мероприятия и обеспечение разграничения доступа. Вычислительная система (ВС) представляет собой совокупность взаимосвязанных и согласованно действующих ЭВМ или процессоров и других устройств, обеспечивающих автоматизацию процессов приема, обработки и выдачи информации потребителям. Поскольку основными функциями БнД являются хранение и обработка данных, то используемая ВС, наряду с приемлемой мощностью центральных процессоров (ЦП) должна иметь достаточный объем оперативной и внешней памяти прямого доступа. Обслуживающий персонал выполняет функции поддержания технических и программных средств в работоспособном состоянии. Он проводит профилактические, регламентные, восстановительные и другие работы по планам, а также по мере необходимости. 1.2. Архитектура информационной системы Эффективность функционирования информационной системы (ИС) во многом зависит от ее архитектуры. В настоящее время перспективной является архитектура клиент-сервер. В достаточно распространенном варианте она предполагает наличие компьютерной сети и распределенной базы данных, включающей корпоративную базу данных (КБД) и персональные базы данных (ПБД). КБД размещается на компьютере-сервере, ПБД размещаются на компьютерах сотрудников подразделений, являющихся клиентами корпоративной БД. Сервером определенного ресурса в компьютерной сети называется компьютер (программа), управляющий этим ресурсом, клиентом - компьютер (программа), использующий этот ресурс. В качестве ресурса компьютерной сети могут выступать, к примеру, базы данных, файловые системы, службы печати, почтовые службы. Тип сервера определяется видом ресурса, которым он управляет. Например, если управляемым ресурсом является база данных, то соответствующий сервер называется сервером базы данных. Достоинством организации информационной системы по архитектуре клиент-сервер является удачное сочетание централизованного хранения, обслуживания и коллективного доступа к общей корпоративной информации с индивидуальной работой пользователей над персональной информацией. Архитектура клиент-сервер допускает различные варианты реализации. Исторически первыми появились распределенные ИС с применением файл-сервера (рис. 1.1). В таких ИС по запросам пользователей файлы базы данных передаются на персональные компьютеры (ПК), где и производится их обработка. Недостатком такого варианта архитектуры является высокая интенсивность передачи обрабатываемых данных. Причем, зачастую передаются избыточные данные: вне зависимости от того, сколько записей из базы данных требуется пользователю, файлы базы данных передаются целиком. Структура распределенной ИС, построенной по архитектуре клиент-сервер с использованием сервера баз данных, показана на рис. 1.2. При такой архитектуре сервер базы данных обеспечивает выполнение основного объема обработки данных. Формируемые пользователем или приложением запросы поступают к серверу БД в виде инструкций языка SQL. Сервер базы данных выполняет поиск и извлечение нужных данных, которые затем передаются на компьютер пользователя. Достоинством такого подхода в сравнении предыдущим является заметно меньший объем передаваемых данных. Основные варианты построения распределенных БД по архитектуре клиент-сервер рассматриваются в разделе 4. Для создания и управления персональными БД и приложений, работающих с ними, используются СУБД, такие как Access и Visual FoxPro фирмы Microsoft, Paradox фирмы Borland. Корпоративная БД создается, поддерживается и функционирует под управлением сервера БД, например, Microsoft SQL Server или Oracle Server. В зависимости от размеров организации и особенностей решаемых задач информационная система может иметь одну из следующих конфигураций: компьютер-сервер, содержащий корпоративную и персональные базы; компьютер-сервер и персональные компьютеры с ПБД; несколько компьютеров-серверов и персональных компьютеров с ПБД. Использование архитектуры клиент-сервер дает возможность постепенного наращивания информационной системы предприятия, во-первых, по мере развития предприятия; во-вторых, по мере развития самой информационной системы. Разделение общей БД на корпоративную БД и персональные БД позволяет уменьшить сложность проектирования БД по сравнению с централизованным вариантом, а значит снизить вероятность ошибок при проектировании и стоимость проектирования. Важнейшим достоинством применения БД в информационных системах является обеспечение независимости данных от прикладных программ. Это дает возможность пользователям не заниматься проблемами представления данных на физическом уровне: размещения данных в памяти, методов доступа к ним и т. д. Такая независимость достигается поддерживаемым СУБД многоуровневым представлением данных в БД на логическом (пользовательском) и физическом уровнях. Благодаря СУБД и наличию логического уровня представления данных обеспечивается отделение концептуальной (понятийной) модели БД от ее физического представления в памяти ЭВМ. 1.3. Системы управления базами данных В этом подразделе приводится классификация СУБД, и рассматриваются основные их функции. В качестве основных классификационных признаков можно использовать следующие: вид программы, характер использования, модель данных. Названные признаки существенно влияют на целевой выбор СУБД и эффективность использования разрабатываемой информационной системы. Классификация СУБД. В общем случае под СУБД можно понимать любой программный продукт, поддерживающий процессы создания, ведения и использования БД. Рассмотрим какие из имеющихся на рынке программ имеют отношение к БД и в какой мере они связаны с базами данных. К СУБД относятся следующие основные виды программ: полнофункциональные СУБД; серверы БД; клиенты БД; средства разработки программ работы с БД. Полнофункциональные СУБД (ПФСУБД) представляют собой традиционные СУБД, которые сначала появились для больших машин, затем для мини-машин и для ПЭВМ. Из числа всех СУБД современные ПФСУБД являются наиболее многочисленными и мощными по своим возможностям. К ПФСУБД относятся, например, такие пакеты как: Clarion Database Developer, DataBase, Dataplex, dBase IV, Microsoft Access, Microsoft FoxPro и Paradox R: BASE. Обычно ПФСУБД имеют развитый интерфейс, позволяющий с помощью команд меню выполнять основные действия с БД: создавать и модифицировать структуры таблиц, вводить данные, формировать запросы, разрабатывать отчеты, выводить их на печать и т. п. Для создания запросов и отчетов не обязательно программирование, а удобно пользоваться языком QBE (Query By Example - формулировки запросов по образцу, см. подраздел 3.8). Многие ПФСУБД включают средства программирования для профессиональных разработчиков. Некоторые системы имеют в качестве вспомогательных и дополнительные средства проектирования схем БД или CASE-подсистемы. Для обеспечения доступа к другим БД или к данным SQL-серверов полнофункциональные СУБД имеют факультативные модули. Серверы БД предназначены для организации центров обработки данных в сетях ЭВМ. Эта группа БД в настоящее время менее многочисленна, но их количество постепенно растет. Серверы БД реализуют функции управления базами данных, запрашиваемые другими (клиентскими) программами обычно с помощью операторов SQL. Примерами серверов БД являются следующие программы: NetWare SQL (Novell), MS SQL Server (Microsoft), InterBase (Borland), SQLBase Server (Gupta), Intelligent Database (Ingress). В роли клиентских программ для серверов БД в общем случае могут использоваться различные программы: ПФСУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры, программы электронной почты и т. д. При этом элементы пары "клиент - сервер" могут принадлежать одному или разным производителям программного обеспечения. В случае, когда клиентская и серверная части выполнены одной фирмой, естественно ожидать, что распределение функций между ними выполнено рационально. В остальных случаях обычно преследуется цель обеспечения доступа к данным "любой ценой". Примером такого соединения является случай, когда одна из полнофункциональных СУБД играет роль сервера, а вторая СУБД (другого производителя) - роль клиента. Так, для сервера БД SQL Server (Microsoft) в роли клиентских (фронтальных) программ могут выступать многие СУБД, такие как: dBASE IV, Biyth Software, Paradox, DataEase, Focus, 1-2-3, MDBS III, Revelation и другие. Средства разработки программ работы с БД могут использоваться для создания разновидностей следующих программ: клиентских программ; серверов БД и их отдельных компонентов; пользовательских приложений. Программы первого и второго вида довольно малочисленны, так как предназначены, главным образом, для системных программистов. Пакетов третьего вида гораздо больше, но меньше, чем полнофункциональных СУБД. К средствам разработки пользовательских приложений относятся системы программирования, например Clipper, разнообразные библиотеки программ для различных языков программирования, а также пакеты автоматизации разработок (в том числе систем типа клиент-сервер). В числе наиболее распространенных можно назвать следующие инструментальные системы: Delphi и Power Builder (Borland), Visual Basic (Microsoft), SILVERRUN (Computer Advisers Inc.), S-Designor (SDP и Powersoft) и ERwin (LogicWorks). Кроме перечисленных средств, для управления данными и организации обслуживания БД используются различные дополнительные средства, к примеру, мониторы транзакций (см. подраздел 4.2). По характеру использования СУБД делят на персональные и многопользовательские. Персональные СУ БД обычно обеспечивают возможность создания персональных БД и недорогих приложений, работающих с ними. Персональные СУБД или разработанные с их помощью приложения зачастую могут выступать в роли клиентской части многопользовательской СУБД. К персональным СУБД, например, относятся Visual FoxPro, Paradox, Clipper, dBase, Access и др. Многопользовательские СУБД включают в себя сервер БД и клиентскую часть и, как правило, могут работать в неоднородной вычислительной среде (с разными типами ЭВМ и операционными системами). К многопользовательским СУБД относятся, например, СУБД Oracle и Informix. По используемой модели данных СУБД (как и БД), разделяют на иерархические, сетевые, реляционные, объектно-ориентированные и другие типы. Некоторые СУБД могут одновременно поддерживать несколько моделей данных. С точки зрения пользователя, СУБД реализует функции хранения, изменения (пополнения, редактирования и удаления) и обработки информации, а также разработки и получения различных выходных документов. Для работы с хранящейся в базе данных информацией СУБД предоставляет программам и пользователям следующие два типа языков: язык описания данных - высокоуровневый непроцедурный язык декларативного типа, предназначенный для описания логической структуры данных; язык манипулирования данными - совокупность конструкций, обеспечивающих выполнение основных операций по работе с данными: ввод, модификацию и выборку данных по запросам. Названные языки в различных СУБД могут иметь отличия. Наибольшее распространение получили два стандартизованных языка: QBE (Query By Example) - язык запросов по образцу и SQL (Structured Query Language) - структурированный язык запросов. QBE в основном обладает свойствами языка манипулирования данными, SQL сочетает в себе свойства языков обоих типов - описания и манипулирования данными. Перечисленные выше функции СУБД, в свою очередь, используют следующие основные функции более низкого уровня, которые назовем низкоуровневыми: управление данными во внешней памяти; управление буферами оперативной памяти; управление транзакциями; ведение журнала изменений в БД; обеспечение целостности и безопасности БД. Дадим краткую характеристику необходимости и особенностям реализации перечисленных функций в современных СУБД. Реализация функции управления данными во внешней памяти в разных системах может различаться и на уровне управления ресурсами (используя файловые системы ОС или непосредственное управление устройствами ПЭВМ), и по логике самих алгоритмов управления данными. В основном методы и алгоритмы управления данными являются "внутренним делом" СУБД и прямого отношения к пользователю не имеют. Качество реализации этой функции наиболее сильно влияет на эффективность работы специфических ИС, например, с огромными БД, со сложными запросами, большим объемом обработки данных. Необходимость буферизации данных и как следствие реализации функции управления буферами оперативной памяти обусловлено тем, что объем оперативной памяти меньше объема внешней памяти. Буферы представляют собой области оперативной памяти, предназначенные для ускорения обмена между внешней и оперативной памятью. В буферах временно хранятся фрагменты БД, данные из которых предполагается использовать при обращении к СУБД или планируется записать в базу после обработки. Механизм транзакций используется в СУБД для поддержания целостности данных в базе. Транзакцией называется некоторая неделимая последовательность операций над данными БД, которая отслеживается СУБД от начала и до завершения. Если по каким-либо причинам (сбои и отказы оборудования, ошибки в программ- / ном обеспечении, включая приложение) транзакция остается незавершенной, то она отменяется. Говорят, что транзакции присущи три основных свойства: атомарность (выполняются все входящие в транзакцию операции или ни одна); сериализуемость (отсутствует взаимное влияние выполняемых в одно и то же время транзакций); долговечность (даже крах системы не приводит к утрате результатов зафиксированной транзакции). Примером транзакции является операция перевода денег с одного счета на другой в банковской системе. Здесь необходим, по крайней мере, двухшаговый процесс. Сначала снимают деньги с одного счета, затем добавляют их к другому счету. Если хотя бы одно из действий не выполнится успешно, результат операции окажется неверным и будет нарушен баланс между счетами. Контроль транзакций важен в однопользовательских и в многопользовательских СУБД, где транзакции могут быть запущены параллельно. В последнем случае говорят о сериализуемости транзакций. Под сериализацией параллельно выполняемых транзакций понимается составление такого плана их выполнения (сериального плана), при котором суммарный эффект реализации транзакций эквивалентен эффекту их последовательного выполнения. При параллельном выполнении смеси транзакций возможно возникновение конфликтов (блокировок), разрешение которых является функцией СУБД. При обнаружении таких случаев обычно производится "откат" путем отмены изменений, произведенных одной или несколькими транзакциями. Ведение журнала изменений в БД (журнализация изменений) выполняется СУБД для обеспечения надежности хранения данных в базе при наличии аппаратных сбоев и отказов, а также ошибок в программном обеспечении. Журнал СУБД - это особая БД или часть основной БД, непосредственно недоступная пользователю к используемая для записи информации обо всех изменениях базы данных. В различных СУБД в журнал могут заноситься записи, соответствующие изменениям в СУБД на разных уровнях: от минимальной внутренней операции модификации страницы внешней памяти до логической операции модификации БД (например, вставки записи, удаления столбца, изменения значения в поле) и даже транзакции. Для эффективной реализации функции ведения журнала изменений в БД необходимо обеспечить повышенную надежность хранения и поддержания в рабочем состоянии самого журнала. Иногда для этого в системе хранят несколько копий журнала. Обеспечение целостности БД составляет необходимое условие успешного функционирования БД, особенно для случая использования БД в сетях. Целостность БД, есть свойство базы данных, означающее, что в ней содержится полная, непротиворечивая и адекватно отражающая предметную область информация. Поддержание целостности БД включает проверку целостности и ее восстановление в случае обнаружения противоречий в базе данных. Целостное состояние БД описывается с помощью ограничений целостности в виде условий, которым должны удовлетворять хранимые в базе данные. Примером таких условий может служить ограничение диапазонов возможных значений атрибутов объектов, сведения о которых хранятся в БД, или отсутствие повторяющихся записей в таблицах реляционных БД. Обеспечение безопасности достигается в СУБД шифрованием прикладных программ, данных, защиты паролем, поддержкой уровней доступа к базе данных и к отдельным ее элементам (таблицам, формам, отчетам и т. д.). 1.4. Локальные информационные системы Функциональные части информационной системы могут размещаться на одном или на нескольких компьютерах. Рассмотрим варианты организации И С на одном ПК. Соответствующую ИС обычно называют локальной или однопользовательской (хотя последнее не совсем строго, поскольку на одном компьютере поочередно могут работать несколько пользователей). Более сложные варианты организации ИС рассматриваются в разделе 4. Организация функционирования локальной ИС на одном компьютере в среде некоторой операционной системы (ОС) возможна с помощью следующих вариантов использования программных средств: "полной" СУБД; приложения и "усеченной" (ядра) СУБД; независимого приложения. Первый способ обычно применяется в случаях, когда в дисковой памяти компьютера помещается вся СУБД, и она часто используется для доработки приложения (рис. 1.3). Взаимодействие пользователя с СУБД происходит напрямую через пользовательский (терминальный) интерфейс СУБД, либо с помощью приложения. Приложение выполняется в режиме интерпретации (см. подраздел 1.5). Основное достоинство схемы - простота разработки и сопровождения БД и приложений при наличии развитых соответствующих средств разработки и сервисных средств. Недостатком этой схемы являются затраты дисковой памяти на хранение программы СУБД. Приложение с ядром СУБД (рис. 1.4) используют для достижения следующих целей: уменьшения объема занимаемого СУБД пространства жесткого диска и оперативной памяти; повышения скорости работы приложения; защиты приложения от модификации со стороны пользователя (обычно ядро не содержит средств разработки приложений). Примером такого подхода является использование модуля FoxRun системы FoxBase+. Из современных СУБД отметим Microsoft Access, включающую дополнительный пакет Microsoft Access Developer's Toolkit. С его помощью можно создавать переносимую на дискетах "укороченную" (run-time) версию Microsoft Access, не содержащую инструментов разработки. Достоинствами использования ядра СУБД по сравнению с использованием полной версии СУБД являются: меньшее потребление ресурсов памяти компьютера, ускорение работы приложения и возможность защиты приложения от модификации. К основным недостаткам можно отнести все еще значительный объем дисковой памяти, необходимой для хранения ядра СУБД, и недостаточно высокое быстродействие работы приложений (выполнение приложения по-прежнему происходит путем интерпретации). При третьем способе организации ИС исходная программа предварительно компилируется - преобразуется в последовательность исполняемых машинных команд. В результате получается готовая к выполнению независимая программа, не требующая для своей работы ни всей СУБД, ни ее ядра (рис. 1.5). Заметим, что с точки зрения выполнения основных функций хранения и обработки данных такая программа мало отличается от приложения, работающего под управлением СУБД или ее ядра. Основными достоинствами этого варианта по сравнению с двумя предыдущими является экономия внешней и оперативной памяти компьютера, ускорение выполнения приложения и полная защита приложения от модификации (случай дизассемблирования и вставки своего кода и ему подобные в расчет не берутся). К недостаткам можно отнести трудоемкость доработки приложений и отсутствие возможности использовать стандартные средства СУБД по обслуживанию БД. 1.5. Способы разработки и выполнения приложений Современные СУБД позволяют решать широкий круг задач по работе с базами данных без разработки приложения. Тем не менее, есть случаи, когда целесообразно разработать приложение. Например, если требуется автоматизация манипуляций с данными, терминальный интерфейс СУБД недостаточно развит, либо имеющиеся в СУБД стандартные функции по обработке информации не устраивают пользователя. Для разработки приложений СУБД должна иметь программный интерфейс, основу которого составляют функции и/или процедуры соответствующего языка программирования. Существующие СУБД поддерживают следующие технологии (и их комбинации) разработки приложений: ручное кодирование программ (Clipper, FoxPro, Paradox); создание текстов приложений с помощью генераторов (FoxApp в FoxPro, Personal Programmer в Paradox); автоматическая генерация готового приложения методами визуального программирования (Delphi, Access, Paradox tor Windows). При ручном кодировании программисты вручную набирают текст программ приложений, после чего выполняют их отладку. Использование генераторов упрощает разработку приложений, поскольку при этом можно получать программный код без ручного набора. Генераторы приложений облегчают разработку основных элементов приложений (меню, экранных форм, запросов и т. д.), но зачастую не могут полностью исключить ручное кодирование. Средства визуального программирования приложений являются дальнейшим развитием идеи использования генераторов приложений. Приложение при этом строится из готовых "строительных блоков" с помощью удобной интегрированной среды. При необходимости разработчик легко может вставить в приложение свой код. Интегрированная среда, как правило, предоставляет мощные средства создания, отладки и модификации приложений. Использование средств визуального программирования позволяет в кратчайшие сроки создавать более надежные, привлекательные и эффективные приложения по сравнению с приложениями, полученными первыми двумя способами. Разработанное приложение обычно состоит из одного или нескольких файлов операционной системы. Если основным файлом приложения является исполняемый файл (например, ехе-файл), то это приложение, скорее всего, является независимым приложением, которое выполняется автономно от среды СУБД. Получение независимого приложения на практике осуществляется путем компиляции исходных текстов программ, полученных различными способами: путем набора текста вручную, а также полученных с помощью генератора приложения или среды визуального программирования. Независимые приложения позволяют получать, например, СУБД FoxPro и система визуального программирования Delphi. Отметим, что с помощью средств Delphi обычно независимые приложения не разрабатывают, так как это достаточно трудоемкий процесс, а привлекают процессор баз данных BDE (Borland DataBase Engine), играющий роль ядра СУБД. Одним из первых средств разработки приложений для персональных ЭВМ является система Clipper, представляющая собой "чистый компилятор". Во многих случаях приложение не может исполняться без среды СУБД. Выполнение приложения состоит в том, что СУБД анализирует содержимое файлов приложения (в частном случае - это текст исходной программы) и автоматически строит необходимые исполняемые машинные команды. Другими словами, приложение выполняется методом интерпретации. Режим интерпретации реализован во многих современных СУБД, например, Access, Visual FoxPro и Paradox, а также в СУБД недавнего прошлого, к примеру, FoxBase и FoxPro. Кроме этого, существуют системы, использующие промежуточный вариант между компиляцией и интерпретацией - так называемую псевдокомпиляцию. В таких системах исходная программа путем компиляции преобразуется в промежуточный код (псевдокод) и записывается на диск. В этом виде ее в некоторых системах разрешается даже редактировать, но главная цель псевдокомпиляции - преобразовать программу к виду, ускоряющему процесс ее интерпретации. Такой прием широко применялся в СУБД, работающих под управлением DOS, например, Foxbase+ и Paradox 4.0/4.5 for DOS. В СУБД, работающих под управлением Windows, псевдокод чаще используют для того, чтобы запретить модифицировать приложение. Это полезно для защиты от случайной или преднамеренной порчи работающей программы. Например, такой прием применен в СУБД Paradox for Windows, где допускается разработанные экранные формы и отчеты преобразовывать в соответствующие объекты, не поддающиеся редактированию. Некоторые СУБД предоставляют пользователю возможность выбора варианта разработки приложения: как интерпретируемого СУБД программного кода или как независимой программы. Достоинством применения независимых приложений является то, что время выполнения машинной программы обычно меньше, чем при интерпретации. Такие приложения целесообразно использовать на слабых машинах и в случае установки систем "под ключ", когда необходимо закрыть приложение от доработок со стороны пользователей. Важным достоинством применения интерпретируемых приложений является легкость их модификации. Если готовая программа подвергается частым изменениям, то для их внесения нужна инструментальная система, т. е. СУБД или аналогичная среда. Для интерпретируемых приложений такой инструмент всегда под рукой, что очень удобно. Другим серьезным достоинством систем с интерпретацией является то, что хорошие СУБД обычно имеют мощные средства контроля целостности данных и защиты от несанкционированного доступа, чего не скажешь о системах компилирующего типа. В последних упомянутые функции приходится программировать вручную, либо оставлять на совести администраторов. При выборе средств для разработки приложения следует учитывать три основных фактора: ресурсы компьютера, особенности приложения (потребность в модификации функций программы, время на разработку, необходимость контроля доступа и поддержание целостности информации) и цель разработки (отчуждаемый программный продукт или система автоматизации своей повседневной деятельности). Для пользователя, имеющего современный компьютер и планирующего создать несложное приложение, по всей видимости, больше подойдет СУБД интерпретирующего типа. Напомним, что такие системы достаточно мощны, имеют высокоуровневые средства, удобны для разработки и отладки, позволяют быстро выполнить разработку и обеспечивают удобное сопровождение и модификацию приложения. При использовании компьютера со слабыми характеристиками лучше остановить свой выбор на системе со средствами разработки независимых приложений. При этом следует иметь ввиду, что малейшее изменение в приложении влечет за собой циклическое повторение этапов программирования, компиляции и отладки программы. Разница в выполнении независимого приложения и выполнения приложения в режиме интерпретации колеблется в пределах миллисекунд в пользу независимого приложения. В то же время разница во времени подготовки приложения к его использованию обычно составляет величины порядка минуты - часы в пользу систем с интерпретацией. 1.6. Схема обмена данными при работе с БД Пользователю любой категории (администратору БД, разработчику приложения, обычному пользователю) для грамотного решения задач полезно представлять вычислительный процесс, происходящий в ОС при работе с БД. Раскроем внутренние механизмы этого процесса на примере наиболее общего случая организации ИС, функционирующей на одном ПК, - когда пользователь работает с "полной" версией программы СУБД (рис. 1.3). Варианты, представленные на рис. 1.4 и рис. 1.5, можно считать частными случаями. При работе пользователя с базой данных над ее содержимым выполняются следующие основные операции: выбор, добавление, модификация (замена) и удаление данных. Рассмотрим как происходит обмен данными между отдельным пользователем и персональной СУБД при выполнении наиболее часто используемой операции выбора данных. Обмен данными между пользователем и БД для других операций отличается несущественно. Схематично обмен данными при работе пользователя с БД можно представить так, как показано на рис. 1.6, где обычными стрелками обозначены связи по управлению, утолщенными - связи по информации. Цикл взаимодействия пользователя с БД с помощью приложения можно разделить на следующие основные этапы: 1. Пользователь терминала (1) в процессе диалога с приложением формулирует запрос (2) на некоторые данные из БД. 2. Приложение (3) на программном уровне средствами языка манипулирования данными формулирует запрос (4), с которым обращается к СУБД. 3. Используя свои системные управляющие блоки и таблицы, СУБД с помощью словаря данных определяет местоположение требуемых данных и обращается (5) за ними к ОС. 4. Программы методов доступа файловой системы ОС считывают (6) из внешней памяти искомые данные и помещают их в системные буферы СУБД. 5. Преобразуя полученные данные к требуемому формату, СУБД пересылает их (7) в соответствующую область программы и сигнализирует (8) о завершении операции каким-либо образом (например, кодом возврата). 6. Результаты выбора данных из базы приложение (3) отображает (9) на терминале пользователя (1). В случае работы пользователя в диалоговом режиме с СУБД (без приложения) цикл взаимодействия пользователя с БД упрощается. Его можно представить следующими этапами. 1. Пользователь терминала (10) формулирует на языке запросов СУБД, например QBE, по связи (11) требование на выборку некоторых данных из базы. 2. СУБД определяет местоположение требуемых данных и обращается (5) за ними к ОС, которая считывает (6) из внешней памяти искомые данные и помещает их в системные буферы СУБД. 3. Информация из системных буферов преобразуется (12) к требуемому формату, после чего отображается (13) на терминале пользователя (10). Напомним, что описанная схема поясняет как функционирует СУБД с одним пользователем на отдельной ПЭВМ. Если компьютер и ОС поддерживают многопользовательский режим работы, то в такой вычислительной системе может функционировать многопользовательская СУБД. Последняя, в общем случае, позволяет одновременно обслуживать несколько пользователей, работающих непосредственно с СУБД или с приложениями (каждое из которых может поддерживать работу с одним или несколькими пользователями). Иногда к вычислительной системе подключается так называемый "удаленный пользователь", находящийся на некотором удалении от ЭВМ и соединенный с ней при помощи какой-либо передающей среды (интерфейс ЭВМ, телефонный канал связи, радиоканал, оптико-волоконная линия и т. д.). Чаще всего такой пользователь программным способом эмулируется под обычного локального пользователя. СУБД, как правило, этой подмены "не замечает" и работает по обслуживанию запросов обычным образом. В многопользовательских СУБД при выполнении различных операций параллельно проистекают процессы, подобные описанным выше и показанным на рис. 1.6. При обслуживании нескольких параллельных источников запросов (от пользователей и приложений) СУБД так планирует использование своих ресурсов и ресурсов ЭВМ, чтобы обеспечить независимое или почти независимое выполнение операций, порождаемых запросами. Многопользовательские СУБД часто применяются на больших и средних ЭВМ, где основным режимом использования ресурсов является коллективный доступ. На персональных ЭВМ пользователь обычно работает один, но с различными программами, в том числе и одновременно (точнее, попеременно). Иногда такими программами оказываются СУБД: различные программы или разные копии одной и той же СУБД. Последняя ситуация возникает, например, при работе с различными базами данных с помощью СУБД Access. Технология одновременной работы пользователя с несколькими программами неплохо реализована в Windows. Здесь каждая выполняемая программа имеет свое окно взаимодействия с пользователем, и имеются удобные средства переключения между программами. При работе в Windows СУБД избавлена от необходимости поддержания нескольких сеансов работы с пользователями. 2. Модели и типы данных Одними из основополагающих в концепции баз данных являются обобщенные категории «данные» и «модель данных». Понятие «данные» в концепции баз данных - это набор конкретных значений, параметров, характеризующих объект, условие, ситуацию или любые другие факторы. Примеры данных: Петров Николай Степанович, $30 и т. д. Данные не обладают определенной структурой, данные становятся информацией тогда, когда пользователь задает им определенную структуру, то есть, осознает их смысловое содержание. Поэтому центральным понятием в области баз данных является понятие модели. Не существует однозначного определения этого термина, у разных авторов эта абстракция определяется с некоторыми различиями, но, тем не менее, можно выделить нечто общее в этих определениях- Модель данных - это некоторая абстракция, которая, будучи приложима к конкретным данным, позволяет пользователям и разработчикам трактовать их уже как информацию, то есть сведения, содержащие не только данные, но и взаимосвязь между ними. На рис. 2 представлена классификация моделей данных. Рис. 2. Классификация моделей данных В соответствии с рассмотренной ранее трехуровневой архитектурой мы сталкиваемся с понятием модели данных по отношению к каждому уровню. И действительно, физическая модель данных оперирует категориями, касающимися организации внешней памяти и структур хранения, используемых в данной операционной среде. В настоящий момент в качестве физических моделей используются различные методы размещения данных, основанные на файловых структурах: это организация файлов прямого и последовательного доступа, индексных файлов и инвертированных файлов, файлов, использующих различные методы хеширования, взаимосвязанных файлов. Кроме того, современные СУБД широко используют страничную организацию данных. Физические модели данных, основанные на страничной организации, являются наиболее перспективными. Наибольший интерес вызывают модели данных, используемые на концептуальном уровне. По отношению к ним внешние модели называются подсхемами и используют те же абстрактные категории, что и концептуальные модели данных. Кроме трех рассмотренных уровней абстракции при проектировании БД существует еще один уровень, предшествующий им. Модель этого уровня должна выражать информацию о предметной области в виде, независимом от используемой СУБД. Эти модели называются инфологическими, или семантическими, и отражают в естественной и удобной для разработчиков и других пользователей форме информационно-логический уровень абстрагирования, связанный с фиксацией и описанием объектов предметной области, их свойств и их взаимосвязей. Инфологические модели данных используются на ранних стадиях проектирования для описания структур данных в процессе разработки приложения, а даталогические модели уже поддерживаются конкретной СУБД. Документальные модели данных соответствуют представлению о слабоструктурированной информации, ориентированной в основном на свободные форматы документов, текстов на естественном языке. Модели, основанные на языках разметки документов, связаны, прежде всего, со стандартным общим языком разметки - SGML (Standard Generalized Markup Language), который был утвержден ISO в качестве стандарта еще в 80-х годах. Этот язык предназначен для создания других языков разметки, он определяет допустимый набор тегов (ссылок), их атрибуты и внутреннюю структуру документа. Контроль за правильностью использования тегов осуществляется при помощи специального набора правил, называемых DTD-описаниями. которые используются программой клиента при разборе документа. Для каждого класса документов определяется свой набор правил, описывающих грамматику соответствующего языка разметки. С помощью SGML можно описывать структурированные данные, организовывать информацию, содержащуюся в документах, представлять эту информацию в некотором стандартизованном формате. Но ввиду некоторой своей сложности SGML использовался в основном для описания синтаксиса других языков (наиболее известным из которых является HTML), и немногие приложения работали с SGML-документами напрямую. Гораздо более простой и удобный, чем SGML, язык HTML позволяет определять оформление элементов документа и имеет некий ограниченный набор инструкций - тегов, при помощи которых осуществляется процесс разметки. Инструкции HTML в первую очередь предназначены для управления процессом вывода содержимого документа на экране программы-клиента и определяют этим самым способ представления документа, но не его структуру. В качестве элемента гипертекстовой базы данных, описываемой HTML. используется текстовый файл, который может легко передаваться по сети с использованием протокола HTTP. Эта особенность, а также то, что HTML является открытым стандартом, и огромное количество пользователей имеет возможность применять возможности этого языка для оформления своих документов, безусловно, повлияли на рост популярности HTML и сделали его сегодня главным механизмом представления информации в Internet. Однако HTML сегодня уже не удовлетворяет в полной мере требованиям, предъявляемым современными разработчиками к языкам подобного рода. И ему на смену был предложен новый язык гипертекстовой разметки, мощный, гибкий и, одновременно с этим, удобный язык XML. В чем же заключаются его достоинства? XML (Extensible Markup Language) - это язык разметки, описывающий целый класс объектов данных, называемых XML-докумснтами. Он используется в качестве средства для описания грамматики других языков и контроля за правильностью составления документов. То есть сам по себе XML не содержит никаких тегов, предназначенных для разметки, он просто определяет порядок их создания. Тезаурусные модели основаны на принципе организации словарей, содержат определенные языковые конструкции и принципы их взаимодействия в заданной грамматике. Эти модели эффективно используются в системах-переводчиках, особенно многоязыковых переводчиках. Принцип хранения информации в этих системах и подчиняется тезаурусным моделям. Дескрипторные модели - самые простые из документальных моделей, они широко использовались на ранних стадиях использования документальных баз данных. В этих моделях каждому документу соответствовал дескриптор - описатель. Этот дескриптор имел жесткую структуру и описывал документ в соответствии с теми характеристиками, которые требуются для работы с документами в разрабатываемой документальной БД. Например, для БД, содержащей описание патентов, дескриптор содержал название области, к которой относился патент, номер патента, дату выдачи патента и еще ряд ключевых параметров, которые заполнялись для каждого патента. Обработка информации в таких базах данных велась исключительно по дескрипторам, то есть по тем параметрам, которые характеризовали патент, а не по самому тексту патента. Хранимые в базе данные имеют определенную логическую структуру - иными словами, описываются некоторой моделью представления данных (моделью данных), поддерживаемой СУБД. К числу классических относятся следующие модели данных: иерархическая, сетевая, реляционная. Кроме того, в последние годы появились и стали более активно внедряться на практике следующие модели данных: постреляционная, многомерная, объектно-ориентированная. Разрабатываются также всевозможные системы, основанные на других моделях данных, расширяющих известные модели. В их числе можно назвать объектно-реляционные, дедуктивно-объектно-ориентированные, семантические, концептуальные и ориентированные модели. Некоторые из этих моделей служат для интеграции баз данных, баз знаний и языков программирования. В некоторых СУБД поддерживается одновременно несколько моделей данных. Например, в системе ИНТЕРБАЗА для приложений применяется сетевой язык манипулирования данными, а в пользовательском интерфейсе реализованы языки SQL и QBE. 2.1. Иерархическая модель В иерархической модели связи между данными можно описать с помощью упорядоченного графа (или дерева). Упрощенно представление связей между данными в иерархической модели показано на рис. 2.1. Рис. 2.1. Представление связей в иерархической модели Для описания структуры (схемы) иерархической БД на некотором языке программирования используется тип данных "дерево". Тип "дерево" схож с типами данных "структура" языков программирования ПЛ/1 и Си и "запись" языка Паскаль. В них допускается вложенность типов, каждый из которых находится на некотором уровне. Тип "дерево" является составным. Он включает в себя подтипы ("поддеревья"), каждый из которых, в свою очередь, является типом "дерево". Каждый из типов "дерево" состоит из одного "корневого" типа и упорядоченного набора (возможно пустого) подчиненных типов. Каждый из элементарных типов, включенных в тип "дерево", является простым или составным типом "запись". Простая "запись" состоит из одного типа, например, числового, а составная - объединяет некоторую совокупность типов, например, целое, строку символов и указатель (ссылку). Пример типа "дерево" как совокупности типов показан на рис. 2.2. Корневым называется тип, который имеет подчиненные типы и сам не является подтипом. Подчиненный тип (подтип) является потомком по отношению к типу, который выступает для него в роли предка (родителя). Потомки одного и того же типа являются близнецами по отношению друг к другу. В целом тип "дерево" представляет собой иерархически организованный набор типов "запись". Иерархическая БД представляет собой упорядоченную совокупность экземпляров данных типа "дерево" (деревьев), содержащих экземпляры типа "запись" (записи). Часто отношения родства между типами переносят на отношения между самими записями. Поля записей хранят собственно числовые или символьные значения, составляющие основное содержание БД. Обход всех элементов иерархической БД обычно производится сверху вниз и слева направо. В иерархических СУБД может использоваться терминология, отличающаяся от приведенной. Так, в системе IMS понятию "запись" соответствует термин "сегмент", а под "записью БД" понимается вся совокупность записей, относящаяся к одному экземпляру типа "дерево". Данные в базе с приведенной схемой (рис. 2.2) могут выглядеть, например, как показано на рис. 2.3. Для организации физического размещения иерархических данных в памяти ЭВМ могут использоваться следующие группы методов: представление линейным списком с последовательным распределением памяти (адресная арифметика, левосписковые структуры); представление связными линейными списками (методы, использующие указатели и справочники). К основным операциям манипулирования иерархически организованными данными относятся следующие: поиск указанного экземпляра БД (например, дерева со значением 10 в поле Отд_номер); переход от одного дерева к другому; переход от одной записи к другой внутри дерева (например, к следующей записи типа Сотрудники); вставка новой записи в указанную позицию; удаление текущей записи и т. д. В соответствии с определением типа "дерево", можно заключить, что между предками и потомками автоматически поддерживается контроль целостности связей. Основное правило контроля целостности формулируется следующим образом: потомок не может существовать без родителя, а у некоторых родителей может не быть потомков. Механизмы поддержания целостности связей между записями различных деревьев отсутствуют. К достоинствам иерархической модели данных относятся эффективное использование памяти ЭВМ и неплохие показатели времени выполнения основных операций над данными. Иерархическая модель данных удобна для работы с иерархически упорядоченной информацией. Недостатком иерархической модели является ее громоздкость для обработки информации с достаточно сложными логическими связями, а также сложность понимания для обычного пользователя. На иерархической модели данных основано сравнительно ограниченное количество СУБД, в числе которых можно назвать зарубежные системы IMS, PC/Focus, Team-Up и Data Edge, а также отечественные системы Ока, ИНЭС и МИРИС. 2.2. Сетевая модель Сетевая модель данных позволяет отображать разнообразные взаимосвязи элементов данных в виде произвольного графа, обобщая тем самым иерархическую модель данных (рис. 2.4). Наиболее полно концепция сетевых БД впервые была изложена в Предложениях группы КОДАСИЛ (KODASYL). Рис. 2.4. Представление связей в сетевой модели Для описания схемы сетевой БД используется две группы типов: "запись" и "связь". Тип "связь" определяется для двух типов "запись": предка и потомка. Переменные типа "связь" являются экземплярами связей. Сетевая БД состоит из набора записей и набора соответствующих связей. На формирование связи особых ограничений не накладывается. Если в иерархических структурах запись-потомок могла иметь только одну запись-предка, то в сетевой модели данных запись-потомок может иметь произвольное число записей-предков (сводных родителей). Пример схемы сетевой БДВ различных СУБД сетевого типа для обозначения одинаковых по сути понятий зачастую используются различные термины. Например, такие, как элементы и агрегаты данных, записи, наборы, области и т. д. Физическое размещение данных в базах сетевого типа может быть организовано практически теми же методами, что и в иерархических базах данных. К числу важнейших операций манипулирования данными баз сетевого типа можно отнести следующие: поиск записи в БД; переход от предка к первому потомку; переход от потомка к предку; создание новой записи; удаление текущей записи; обновление текущей записи; включение записи в связь; исключение записи из связи; изменение связей и т. д. Достоинством сетевой модели данных является возможность эффективной реализации по показателям затрат памяти и оперативности. В сравнении с иерархической моделью сетевая модель предоставляет большие возможности в смысле допустимости образования произвольных связей. Недостатком сетевой модели данных является высокая сложность и жесткость схемы БД, построенной на ее основе, а также сложность для понимания и выполнения обработки информации в БД обычным пользователем. Кроме того, в сетевой модели данных ослаблен контроль целостности связей вследствие допустимости установления произвольных связей между записями. Системы на основе сетевой модели не получили широкого распространения на практике. Наиболее известными сетевыми СУБД являются следующие: IDMS, db VistaIII, СЕТЬ, СЕТОР и КОМПАС. 2.3. Реляционная модель Реляционная модель данных предложена сотрудником фирмы IBM Эдгаром Коддом и основывается на понятии отношение (relation). Отношение представляет собой множество элементов, называемых кортежами. Подробно теоретическая основа реляционной модели данных рассматривается в следующем разделе. Наглядной формой представления отношения является привычная для человеческого восприятия двумерная таблица. Таблица имеет строки (записи) и столбцы (колонки). Каждая строка таблицы имеет одинаковую структуру и состоит из полей. Строкам таблицы соответствуют кортежи, а столбцам - атрибуты отношения. С помощью одной таблицы удобно описывать простейший вид связей между данными, а именно: деление одного объекта (явления, сущности, системы и проч.), информация о котором хранится в таблице, на множество подобъектов, каждому из которых соответствует строка или запись таблицы. При этом каждый из подобъектов имеет одинаковую структуру или свойства, описываемые соответствующими значениями полей записей. Например, таблица может содержать сведения о группе обучаемых, о каждом из которых известны следующие характеристики: фамилия, имя и отчество, пол, возраст и образование. Поскольку в рамках одной таблицы не удается описать более сложные логические структуры данных из предметной области, применяют связывание таблиц. Физическое размещение данных в реляционных базах на внешних носителях легко осуществляется с помощью обычных файлов. Достоинство реляционной модели данных заключается в простоте, понятности и удобстве физической реализации на ЭВМ. Именно простота и понятность для пользователя явились основной причиной их широкого использования. Проблемы же эффективности обработки данных этого типа оказались технически вполне разрешимыми. Основными недостатками реляционной модели являются следующие: отсутствие стандартных средств идентификации отдельных записей и сложность описания иерархических и сетевых связей. Примерами зарубежных реляционных СУБД для ПЭВМ являются следующие: dBaseIII Plus и dBase IY (фирма Ashton-Tate) DB2 (IBM) R:BASE (Microrim) FoxPro раннихверсийи FoxBase (Fox Software) Paradox и dBASE for Windows (Borland) FoxPro болеепозднихверсий Visual FoxPro и Access (Microsoft) Clarion (Clarion Software) Ingres (ASK Computer Systems) Oracle (Oracle). К отечественным СУБД реляционного типа относятся системы: ПАЛЬМА (ИК АН УССР), а также система HyTech (МИФИ). Заметим, что последние версии реляционных СУБД имеют некоторые свойства объектно-ориентированных систем. Такие СУБД часто называют объектно-реляционными. Примером такой системы можно считать продукты Oracle 8.x. Системы предыдущих версий вплоть до Oracle 7.x считаются "чисто" реляционными. 2.4. Постреляционная модель Классическая реляционная модель предполагает неделимость данных, хранящихся в полях записей таблиц. Это означает, что информация в таблице представляется в первой нормальной форме (подраздел 5.2). Существует ряд случаев, когда это ограничение мешает эффективной реализации приложений. Постреляционная модель данных представляет собой расширенную реляционную модель, снимающую ограничение неделимости данных, хранящихся в записях таблиц. Постреляционная модель данных допускает многозначные поля - поля, значения которых состоят из подзначений. Набор значений многозначных полей считается самостоятельной таблицей, встроенной в основную таблицу. В таблице 2.6 на примере информации о накладных и товарах для сравнения приведено представление одних и тех же данных с помощью реляционной (а) и постреляционной (б) моделей. Таблица INVOICES (накладные) содержит данные о номерах накладных (INVNO) и номерах покупателей (CUSTNO). В таблице INVOICE.ITEMS (накладные-товары) содержатся данные о каждой из накладных: номер накладной (INVNO), название товара (GOODS) и количество товара (QTY). Таблица INVOICES связана с таблицей INVOICE.ITEMS по полю INVNO. Таблица 2.6. Структуры данных реляционной и постреляционной моделей а) INVOICES INVOICE.ITEMS б) INVOICES INVNO CUSTNO 0373 8723 8374 8232 7364 8723 INVNO GOODS QTY 0373 Сыр 3 0373 Рыба 2 8374 Лимонад 1 8374 Сок 6 8374 Печенье 2 7364 Йогурт 1 INVNO CUSTNO GOODS QTY 0373 8723 Сыр 3 0373 Рыба 2 8374 8232 Лимонад 1 8374 Сок 6 8374 Печенье 2 7364 8723 Йогурт 1 Как видно из таблицы, по сравнению с реляционной моделью в постреляционной модели данные хранятся более эффективно, а при обработке не требуется выполнять операцию соединения данных из двух таблиц. Это можно увидеть на примере операторов выбора данных всех полей базы для реляционной и постреляционной моделей: А) SELECT INVOICES.INVNO, CUSTNO, GOODS, QTY FROM INVOICES, INVOICE.ITEMS WHERE INVOICES.INVNO=INVOICE.1TEMS.INVNO Б) SELECT INVNO, CUSTNO, GOODS, QTY FROM INVOICES Помимо обеспечения вложенности полей постреляционная модель поддерживает ассоциированные многозначные поля (множественные группы). Совокупность ассоциированных полей называется ассоциацией. При этом в строке первое значение одного столбца ассоциации соответствует первым значениям всех других столбцов ассоциации. Аналогичным образом связаны все вторые значения столбцов и т. д. На длину полей и количество полей в записях таблицы не накладывается требование постоянства. Это означает, что структура данных и таблиц имеют большую гибкость. Поскольку постреляционная модель допускает хранение в таблицах ненормализованных данных, возникает проблема обеспечения целостности и непротиворечивости данных. Эта проблема решается включением в СУБД механизмов, подобных хранимым процедурам в клиент-серверных системах. Для описания функций контроля значений в полях имеется возможность создавать процедуры (коды конверсии и коды корреляции), автоматически вызываемые до или после обращения к данным. Коды корреляции выполняются сразу после чтения данных, перед их обработкой. Коды конверсии, наоборот, выполняются после обработки данных. Достоинством постреляционной модели является возможность представления совокупности связанных реляционных таблиц одной постреляционной таблицей. Это обеспечивает высокую наглядность представления информации и повышение эффективности ее обработки. Недостатком постреляционной модели является сложность решения проблемы обеспечения целостности и непротиворечивости хранимых данных. Рассмотренная нами постреляционная модель данных поддерживается СУБД uniVers. К числу других СУБД, основанных на постреляционной модели данных, относятся также системы Bubba и Dasdb. 2.5. Многомерная модель Многомерный подход к представлению данных в базе появился практически одновременно с реляционным, но реально работающих многомерных СУБД (МСУБД) до настоящего времени было очень мало. С середины 90-х годов интерес к ним стал приобретать массовый характер. Толчком послужила в 1993 году программная статья одного из основоположников реляционного подхода Э. Кодда. В ней сформулированы 12 основных требований к системам класса OLAP (Online Analytical Processing - оперативная аналитическая обработка), важнейшие из которых связаны с возможностями концептуального представления и обработки многомерных данных. Многомерные системы позволяют оперативно обрабатывать информацию для проведения анализа и принятия решения. В развитии концепций ИС можно выделить следующие два направления: системы оперативной (транзакционной) обработки; системы аналитической обработки (системы поддержки принятия решений). Реляционные СУБД предназначались для информационных систем оперативной обработки информации и в этой области были весьма эффективны. В системах аналитической обработки они показали себя несколько неповоротливыми и недостаточно гибкими. Более эффективными здесь оказываются многомерные СУБД (МСУБД). Многомерные СУБД являются узкоспециализированными СУБД, предназначенными для интерактивной аналитической обработки информации. Раскроем основные понятия, используемые в этих СУБД: агрегируемость, историчность и прогнозируемость данных. Агрегируемостъ данных означает рассмотрение информации на различных уровнях ее обобщения. В информационных системах степень детальности представления информации для пользователя зависит от его уровня: аналитик, пользователь-оператор, управляющий, руководитель. Историчность данных предполагает обеспечение высокого уровня статичности (неизменности) собственно данных и их взаимосвязей, а также обязательность привязки данных ко времени. Статичность данных позволяет использовать при их обработке специализированные методы загрузки, хранения, индексации и выборки. Временная привязка данных необходима для частого выполнения запросов, имеющих значения времени и даты в составе выборки. Необходимость упорядочения данных по времени в процессе обработки и представления данных пользователю накладывает требования на механизмы хранения и доступа к информации. Так, для уменьшения времени обработки запросов желательно, чтобы данные всегда были отсортированы в том порядке, в котором они наиболее часто запрашиваются. Прогнозируемость данных подразумевает задание функций прогнозирования и применение их к различным временным интервалам. Многомерность модели данных означает не многомерность визуализации цифровых данных, а многомерное логическое представление структуры информации при описании и в операциях манипулирования данными. По сравнению с реляционной моделью многомерная организация данных обладает более высокой наглядностью и информативностью. Для иллюстрации в таблице 2.8 приведены реляционное (а) и многомерное (б) представления одних и тех же данных об объемах продаж автомобилей. Таблица 2.8. Реляционное (а) и многомерное (б) представление данных А) Модель Месяц Объем "Жигули" июнь 12 "Жигули" июль 24 "Жигули" август 5 "Москвич" июнь 2 "Москвич" июль 18 "Волга" июль 19 Б) Модель Июнь Июль Август "Жигули" 12 24 5 "Москвич" 2 18 N "Волга" N 19 N Если речь идет о многомерной модели с мерностью больше двух, то не обязательно визуально информация представляется в виде многомерных объектов (трех-, четырех- и более мерных гиперкубов). Пользователю и в этих случаях более удобно иметь дело с двухмерными таблицами или графиками. Данные при этом представляют собой "вырезки" (точнее, "срезы") из многомерного хранилища данных, выполненные с разной степенью детализации. Рассмотрим основные понятия многомерных моделей данных, к числу которых относятся измерение и ячейка. Измерение (Dimension) - это множество однотипных данных, образующих одну из граней гиперкуба. Примерами наиболее часто используемых временных измерений являются Дни, Месяцы, Кварталы и Годы. В качестве географических измерений широко употребляются Города, Районы, Регионы и Страны. В многомерной модели данных измерения играют роль индексов, служащих для идентификации конкретных значений в ячейках гиперкуба. Ячейка (Cell) или показатель - это поле, значение которого однозначно определяется фиксированным набором измерений. Тип поля чаще всего определен как цифровой. В зависимости от того, как формируются значения некоторой ячейки, обычно она может быть переменной (значения изменяются и могут быть загружены из внешнего источника данных или сформированы программно) либо формулой (значения, подобно формульным ячейкам электронных таблиц, вычисляются по заранее заданным формулам). В примере таблицы 2.8(б) каждое значение ячейки Объем продаж однозначно определяется комбинацией временного измерения Месяц продаж и Модель автомобиля. На практике зачастую требуется большее количество измерений. В существующих МСУБД используются два основных варианта (схемы) организации данных: гиперкубическая и поликубическая. В поликубической схеме предполагается, что в БД может быть определено несколько гиперкубов с различной размерностью и с различными измерениями в качестве граней. Примером системы, поддерживающей поликубический вариант БД, является сервер Oracle Express Server. В случае гиперкубической схемы предполагается, что все показатели определяются одним и тем же набором измерений. Это означает, что при наличии нескольких гиперкубов БД все они имеют одинаковую размерность и совпадающие измерения. Очевидно, в некоторых случаях информация в БД может быть избыточной (если требовать обязательное заполнение ячеек). В случае многомерной модели данных применяется ряд специальных операций, к которым относятся: формирование "среза", "вращение", агрегация и детализация. "Срез" (Slice) представляет собой подмножество гиперкуба, полученное в результате фиксации одного или нескольких измерений. Формирование "срезов" выполняется для ограничения используемых пользователем значений, так как все значения гиперкуба практически никогда одновременно не используются. Например, если ограничить значения измерения Модель автомобиля в гиперкубе маркой "Жигули", то получится двухмерная таблица продаж этой марки автомобиля различными менеджерами по годам. Операция "вращение" (Rotate) применяется при двухмерном представлении данных. Суть ее заключается в изменении порядка измерений при визуальном представлении данных. Так, "вращение" двумерной таблицы, показанной в табл. 2.8(б), приведет к изменению ее вида таким образом, что по оси Х будет марка автомобиля, а по оси Y - время. Операцию "вращение" можно обобщить и на многомерный случай, если под ней понимать процедуру изменения порядка следования измерений. В простейшем случае, например, это может быть взаимная перестановка двух произвольных измерений. Операции "агрегация" (Drill Up) и "детализация" (Drill Down) означают соответственно переход к более общему и к более детальному представлению информации пользователю из гиперкуба. Основным достоинством многомерной модели данных является удобство и эффективность аналитической обработки больших объемов данных, связанных со временем. При организации обработки аналогичных данных на основе реляционной модели происходит нелинейный рост трудоемкости операций в зависимости от размерности БД и существенное увеличение затрат оперативной памяти на индексацию. Недостатком многомерной модели данных является ее громоздкость для простейших задач обычной оперативной обработки информации. Примерами систем, поддерживающими многомерные модели данных, являются Essbase (Arbor Software), Media Multi-matrix (Speedware), Oracle Express Server (Oracle) и Cache (InterSystems). Некоторые программные продукты, например Media/ MR (Speedware), позволяют одновременно работать с многомерными и с реляционными БД. В СУБД Cache, в которой внутренней моделью данных является многомерная модель, реализованы три способа доступа к данным: прямой (на уровне узлов многомерных массивов), объектный и реляционный. 2.6. Объектно-ориентированная модель В объектно-ориентированной модели при представлении данных имеется возможность идентифицировать отдельные записи базы. Между записями базы данных и функциями их обработки устанавливаются взаимосвязи с помощью механизмов, подобных соответствующим средствам в объектно-ориентированных языках программирования. Стандартизованная объектно-ориентированной модель описана в рекомендациях стандарта ODMG-93 (Object Database Management Group - группа управления объектно-ориентированными базами данных). Реализовать в полном объеме рекомендации ODMG-93 пока не удается. Для иллюстрации ключевых идей рассмотрим несколько упрощенную модель объектно-ориентированной БД. Структура объектно-ориентированной БД графически представима в виде дерева, узлами которого являются объекты. Свойства объектов описываются некоторым стандартным типом (например, строковым - string) или типом, конструируемым пользователем (определяется как class). Значением свойства типа string является строка символов. Значение свойства типа class есть объект, являющийся экземпляром соответствующего класса. Каждый объект-экземпляр класса считается потомком объекта, в котором он определен как свойство. Объект-экземпляр класса принадлежит своему классу и имеет одного родителя. Родовые отношения в БД образуют связную иерархию объектов. Пример логической структуры объектно-ориентированной БД библиотечного дела приведен на рис. 2.10. Здесь объект типа- БИБЛИОТЕКА является родительским для объектов-экземпляров классов АБОНЕНТ, КАТАЛОГ и ВЫДАЧА. Различные объекты типа КНИГА могут иметь одного или разных родителей. Объекты типа КНИГА, имеющие одного и того же родителя, должны различаться по крайней мере инвентарным номером (уникален для каждого экземпляра книги), но имеют одинаковые значения свойств isbn, удк, название и автор. Логическая структура объектно-ориентированной БД внешне похожа на структуру иерархической БД. Основное отличие между ними состоит в методах манипулирования данными. Для выполнения действий над данными в рассматриваемой модели БД применяются логические операции, усиленные объектно-ориентированными механизмами инкапсуляции, наследования и полиморфизма. Ограниченно могут применяться операции, подобные командам SQL (например, для создания БД). Создание и модификация БД сопровождается автоматическим формированием и последующей корректировкой индексов (индексных таблиц), содержащих информацию для быстрого поиска данных. Рассмотрим кратко понятия инкапсуляции, наследования и полиморфизма применительно к объектно-ориентированной модели БД. Инкапсуляция ограничивает область видимости имени свойства пределами того объекта, в котором оно определено. Так, если в объект типа КАТАЛОГ добавить свойство, задающее телефон автора книги и имеющее название телефон, то мы получим 2 Зак.925. одноименные свойства у объектов АБОНЕНТ и КАТАЛОГ. Смысл такого свойства будет определяться тем объектом, в который оно инкапсулировано. Наследование, наоборот, распространяет область видимости свойства на всех потомков объекта. Так, всем объектам типа КНИГА, являющимся потомками объекта типа КАТАЛОГ, можно приписать свойства объекта-родителя: isbn, удк, название и автор. Если необходимо расширить действие механизма наследования на объекты, не являющиеся непосредственными родственниками (например, между двумя потомками одного родителя), то в их общем предке определяется абстрактное свойство типа abs. Так, определение абстрактных свойств билет и номер в объекте БИБЛИОТЕКА приводит к наследованию этих свойств всеми дочерними объектами АБОНЕНТ, КНИГА и ВЫДАЧА. Не случайно поэтому значения свойства билет классов АБОНЕНТ и ВЫДАЧА, показанных на рисунке, будут одинаковыми - 00015. Полиморфизм в объектно-ориентированных языках программирования означает способность одного и того же программного кода работать с разнотипными данными. Другими словами, он означает допустимость в объектах разных типов иметь методы (процедуры или функции) с одинаковыми именами, Во время выполнения объектной программы одни и те же методы оперируют с разными объектами в зависимости от типа аргумента. Применительно к нашей объектно-ориентированной БД полиморфизм означает, что объекты класса КНИГА, имеющие разных родителей из класса КАТАЛОГ, могут иметь разный набор свойств. Следовательно, программы работы с объектами класса КНИГА могут содержать полиморфный код. Поиск в объектно-ориентированной БД состоит в выяснении сходства между объектом, задаваемым пользователем, и объектами, хранящимися в БД. Определяемый пользователем объект, называемый объектом-целью (свойство объекта имеет тип goal), в общем случае может представлять собой подмножество всей хранимой в БД иерархии объектов. Объект-цель, а также результат выполнения запроса могут храниться в самой базе. Пример запроса о номерах читательских билетов и именах абонентов, получавших в библиотеке хотя бы одну книгу, показан на рис. 2.11. Основным достоинством объектно-ориентированной модели данных в сравнении с реляционной является возможность отображения информации о сложныхсвязях объектов. Объектно-ориентированная модель данных позволяет идентифицировать отдельную запись базы данных и определять функции их обработки. Недостатками объектно-ориентированной модели являются высокая понятийная сложность, неудобство обработки данных и низкая скорость выполнения запросов. В 90-е годы существовали экспериментальные прототипы объектно-ориентированных систем управления базами данных. В настоящее время такие системы получили широкое распространение, в частности, к ним относятся следующие СУБД: РОЕТ (РОЕТ Software), Jasmine (Computer Associates), Versant (Versant Technologies), 02 (Ardent Software), ODB-Jupiter (научно-производственный центр "Интелтек Плюс"), а также Iris, Orion и Postgres. 2.7. Типы данных Первоначально СУБД применялись преимущественно для решения финансово-экономических задач. При этом, независимо от модели представления, в базах данных использовались следующие основные типы данных: числовые. Примеры значений данных: 0.43, 328, 2Е+5; символьные (алфавитно-цифровые). Примеры значений данных: "пятница", "строка", "программист"; даты, задаваемые с помощью специального типа "Дата" или как обычные символьные данные. Примеры значений данных: 1.12.97, 23/2/1999. В разных СУБД эти типы могли несущественно отличаться друг от друга по названию, диапазону значений и виду представления. Впоследствии в новых областях применения стали появляться специализированные системы обработки данных, например, геоинформационные, обработки видеоизображений и т. д. В связи с этим разработчики стали вводить в традиционные СУБД новые типы данных. К числу сравнительно новых типов данных можно отнести следующие: временные и дата-временные, предназначенные для хранения информации о времени и/или дате. Примеры значений данных: 31.01.85 (дата), 9:10:03 (время), 6.03.1960 12:00 (дата и время); символьные переменной длины, предназначенные для хранения текстовой информации большой длины, например, документа; двоичные, предназначенные для хранения графических объектов, аудио- и видеоинформации, пространственной, хронологической и другой специальной информации. Например, в MS Access таким типом является тип данных "Поле объекта OLE", который позволяет хранить в БД графические данные в формате BMP (Bitmap) и автоматически их отображать при работе с БД; гиперссылки (hyperlinks), предназначенные для хранения ссылок на различные ресурсы (узлы, файлы, документы и т. д.), находящиеся вне базы данных, например, в сети Internet, корпоративной сети intranet или на жестком диске компьютера. Примеры значений данных: http:\\www.chat.ru, ftp:\\chance4u.teens.com. В современных СУБД с различными моделями данных могут использоваться все перечисленные типы данных.