Структуры баз данных

Рассмотрим вкратце обобщенные логическую и физическую структуры БД.

Логическая структура БД (рис. 5.9) предполагает следующие уровни рассмотрения БД:

• база данных (database) — включает одну или несколько подбаз (файлов, таблиц, массивов), каждая из которых состоит из агрегатов данных (записей, документов) — record. Запись идентифицируется внутренним номером (ISN — internal sequential number, BH3 — внутренний номер записи, SDN — sequential document number и пр.);

• запись (документ) — совокупность разнотипных и разноструктурных данных, описывающих (относящихся к) объект реального мира, элемент предметной области АИС. Запись состоит из полей (field);

• поле — именованный элементарный или составной фрагмент записи (документа), содержащий информацию об определенном аспекте (аспектах) элемента (элементов) предметной области.

• элементарные (имеющие фиксированную или ограниченную длину) и не содержащие входящих в них структур данных;

• составные (групповые) поля, образующиеся как агрегаты элементарных и также имеющие фиксированную и ограниченную длину (реже — переменную или неопределенную, что связано с количеством вхождений элемента в агрегат);

• текстовые — поля переменной (неопределенной) длины и сложной внутренней структуры (обычно это иерархическая последовательность типа раздел – подраздел – предложение - слово);

• бинарные — данные, интерпретируемые как поля, однако обычно физически не входящие в состав записей БД. Необходимо отметить, что поля данного типа (BLOB — Binary Large Object) фактически являются данными, до обработки которых данная СУБД еще «не доросла» и поэтому работа с ними возлагается на пользователя (прикладные программы). В частности, в системах FoxBase и Clipper большие текстовые (так называемые MEMO) поля также не обрабатываются системой и фактически оказываются в статусе BLOB;

• типы данных, определяемые пользователем. Далеко не все современные СУБД поддерживают типы данных, определенные пользователем. Пока только СУБД Ingres включает такой механизм. Эта система предоставляет программисту возможность определять собственные типы данных и операции над ними и использовать их в операторах SQL. Для определения нового типа данных необходимо написать и откомпилировать функции на языке Си, после чего собрать редактором связей некоторые модули Ingres. Отметим, что введение новых типов данных является, по сути, изменением ядра СУБД. Важно также то, что в Ingres типы данных, определяемые пользователем, могут быть параметризованными.

Определение нового типа данных сводится к указанию его имени, размера и идентификатора в глобальной структуре, описывающей типы данных. Чтобы с новым типом данных можно было использовать функции, которые реализуют стандартные операции (сравнение, преобразование в различные форматы, и т. д.), программист должен разработать их самостоятельно (интерфейс функций предопределен). Указатели на эти функции являются элементами глобальной структуры. Как только новый тип данных определен, то все операции выполняются над ним, как над данными стандартного типа. Разрешение пользователю создавать собственные типы данных по сути является одним из шагов развития реляционных СУБД в направлении объектно-реляционных систем.

Поля, указанные в заштрихованных прямоугольниках относятся к фактографическим АИС, остальные — к документальным.

Физическая структура БД в общем случае имеет вид, приведенный на, и включает следующие компоненты:

• файл (файлы) исходных (первичных) данных (текстов, бинарных данных) содержит собственно объекты, подлежащие поиску, обработке и пр.;

• файл (файлы) вторичной (справочной) информации (регистрационные карты, библиографические реестры и пр.) содержит описания исходных элементов (объектов). Важным видом справочных файлов являются классификаторы, кодификаторы, тезаурусы, обеспечивающие полноту и компактность представления информации в БД;

• индекс — файл (файлы), связывающий адрес (номер) объекта с его содержанием (значением атрибута объекта), обычно состоит из инверсного списка и частотного словаря, который облегчает составление запросов на поиск и повышает обозримость БД;

• словарь данных — файл, содержащий составленное с необходимой степенью подробности описание состава БД, документов, записей, агрегатов данных, их имена, типы и структуры, способы интерпретации и обработки.

Изменение содержания БД может осуществляться как в режиме конечного пользователя (диалоговый ввод или коррекция записей/документов по полям) — обычный для СУБД и редкий для АИПС, так и в режиме администратора БД (обычный для АИПС и реже для СУБД), при этом происходит массовый ввод или загрузка записей / документов.

При любом виде добавления документа/записи для каждого поля осуществляется анализ, обработка и согласованное помещение документа и его фрагментов в соответствующие физические файлы БД.

В конкретных случаях возможна менее полная комплектность приведенной физической схемы:

• в фактографических (табличных) БД вторичный файл может являться основным накопителем информации, а текстовые и бинарные данные фигурируют в качестве необязательного приложения;

• в справочно-библиографических БД текстовые данные находятся во вторичном файле, а первичный отсутствует;

• в БД с полнотекстовым поиском может отсутствовать вторичный файл, а индексирование (построение частотных словарей и инверсных списков) проводится по первичному файлу (страницы или абзацы полных текстов);

• может отсутствовать частотный словарь или инверсный список.

Надо отметить также вариативность физической реализации и взаимосвязи лингвистического и информационного обеспечения АИС:

• словарь данных может физически входить в информационные файлы (первичный или вторичный);

• классификаторы, кодификаторы, тезаурусы могут быть оформлены как физическими файлами (файлами ОС), так и входить в состав БД в виде отдельных таблиц (файлов БД, массивов и пр.) на логическом уровне и т. п.

Классы и структуры систем управления базами данных

Проблемы совместного использования данных и периферийных устройств компьютеров и рабочих станций породили модель вычислений, основанную на концепции файлового сервера — сеть создает основу для коллективной обработки, сохраняя простоту использования персонального компьютера, позволяет совместно использовать данные и периферию.

В этом смысле главной отличительной чертой БД является использование централизованной системы управления данными, причем как на уровне файлов, так и на уровне элементов данных. Централизованное хранение совместно используемых данных приводит не только к сокращению затрат на создание и поддержание данных в актуальном состоянии, но и к сокращению избыточности информации, упрощению процедур поддержания непротиворечивости и целостности данных.

СУБД (DBMS — database management system) — комплекс языков и программ, позволяющий создавать БД и управлять ее работой. СУБД обрабатывает поступающие от пользователей и прикладных процессов обращения к БД, а затем выдает необходимые им сведения. СУБД характеризуется используемой моделью и средствами администрирования, разработки прикладных процессов, работы в информационной сети.

Эффективное управление внешней памятью является основной функцией СУБД. Эти, обычно специализированные, средства определяют эффективность системы. Без них она не сможет выполнять некоторые задачи уже потому, что их выполнение будет занимать слишком много времени. При этом ни одна из таких специализированных функций, как построение индексов, буферизация данных, организация доступа и оптимизация запросов, не является видимой для пользователя и обеспечивает независимость между логическим и физическим уровнями системы.

СУБД обеспечивает:

• описание и контроль данных;

• манипулирование данными (запись, поиск, выдачу, изменение содержания);

• физическое размещение (изменение размеров блоков данных, записей, использование занимаемого пространства, сортировку, сжатие, кодирование и пр.);

• защиту от сбоев, поддержку целостности и восстановление;

• работу с транзакциями и файлами;

• безопасность данных.

Существует несколько типов СУБД. Эволюционно они прошли путь от систем, использовавших иерархическую и сетевую модели данных к реляционным и объектно-ориентированным.

В иерархической системе управления базой данных данные в соответствии с ветвящимся деревом их признаков располагаются в двухмерных файлах и образуют деревья признаков. Соответственно этому происходит и поиск необходимых сведений.

В реляционных системах управления базами данных данные представляются в форме таблиц, определяющих взаимосвязь записей. Реляционные СУБД характеризуются простотой, гибкостью и точностью. Каждая из них одновременно работает с данными, размещенными в нескольких таблицах. Поэтому, реляционные БД ориентированы на быстрый доступ к небольшим объемам данных.

Объектно-ориентированные системы управления базами данных основываются на объектно-ориентированной архитектуре. Они позволяют работать со сложными типами данных, хранимых в виде объектов; отличаются высокой производительностью при обработке транзакций (особенно эффективны при обработке изображений). Их возникновение обусловлено потребностями разработки сложных информационных систем, неудовлетворенных технологиями предшествующих БД. В таких СУБД должны быть решены проблемы поддержки иерархии и наследования типов, управления сложными объектами. Решение этих задач сталкивается с ограничениями: отсутствием общепринятой объектно-ориентированной модели данных, декларативного языка запросов и т. п.

Гибридные системы управления базами данных объединяют положительные качества реляционных и объектно-ориентированных систем. Они соединяют средства обработки транзакций реляционных СУБД с поддержкой многочисленных типов данных объектно-ориентированных СУБД.

Кроме этого, системы управления базами данных можно классифицировать:

По используемому языку общения:

• замкнутые, имеющие собственные самостоятельные языки общения пользователей с БД. Они обеспечивают непосредственное общение с системой в режиме диалога, позволяют работать без программистов;

• открытые, в которых для общения с БД используется язык программирования, «расширенный» операторами языка манипулирования данными (ЯМД). В этом случае необходимо участие квалифицированного программиста.

По числу поддерживаемых СУБД уровней моделей данных: одно-, двух-, трехуровневые системы. Теоретически обоснован выбор трехуровневой архитектуры данных, однако на практике СУБД для персональных ЭВМ часто объединяют концептуальный и внутренний уровни представления.

По выполняемым функциям:

• операционные, предполагающие иные виды обработки по получению информации, не хранящейся в явном виде в БД;

• информационные, позволяющие организовать хранение данных, поиск и выдачу нужных данных из БД и поддерживать их целесообразность и актуальность.

По сфере применения:

• универсальные, настраиваемые на любую предметную область путем создания соответствующей БД и прикладных программ;

• проблемно-ориентированные на определенные процедуры обработки данных, присущих конкретной области применения.

В структурном составе СУБД могут быть выделены ядро и среда (рис.3).

Ядро СУБД — программный комплекс (модуль или модули), обеспечивающий непосредственное выполнение физических операций над БД (в ранних системах функции Ядра выполняли программы методов доступа ОС ЭВМ).

Среда — совокупность интерфейсных модулей, обеспечивающих связь пользователей с Ядром и через него с БД. Среда включает в себя пользовательские интерфейсы и утилиты администратора БД (АБД).

Рис. 3. Типичная структура системы управления базами данных

Утилиты АБД образуют библиотеку программ обслуживания БД в привилегированном режиме (работа пользовательских средств параллельно утилитам не разрешена) и выполняют основные функции, к которым относятся:

• физическая подготовка дисковой памяти к размещению БД;

• подготовка справок о составе БД, структуре файлов, количестве данных и занимаемом объеме;

• загрузка файла БД из последовательного набора данных ОС;

• дозагрузка (расширение существующего файла);

• модификация БД: расширение или перемещение физических наборов данных, реорганизация;

• модификация файла (таблицы, группы таблиц): добавление новых полей в структуру записи; инвертирование полей или освобождение (превращение инвертированных полей в сканируемые);

• выгрузка образа БД (файла таблицы) для сохранения в архивном наборе данных;

• создание и ведение словаря данных и др.

Средства пользователя. Стандартными средствами этого типа, предоставляемыми фирмой-разработчиком, являются следующие:

• диалоговые интерфейсы;

• генераторы отчетов;

• система конструирования и поддержки интерактивных технологий в информационных системах (ЯП АИС).

Контрольные вопросы

1. Понятие баз данных

2. Модели данных и структура баз данных

3. Реляционная модель данных и реляционная алгебра

4. Структура баз данных

5. Классы систем управления базами данных

Дата добавления: 2015-04-30