Базы данных. Модели данных

База данных (БД) – это совокупность взаимосвязанных, характеризующаяся возможностью использования для большого количества приложений, возможностью быстрого получения и модификации необходимой информации, минимальной избыточностью информации, независимостью прикладных программ, общим управляемым способом поиска

Возможность применения баз данных для многих прикладных программ пользователя упрощает реализацию комплексных запро­сов, снижает избыточность хранимых данных и повышает эффектив­ность использования информационной технологии. Основное свойство баз данных — независимость данных и использующих их программ. Независимость данных подразумевает, что изменение дан­ных не приводит к изменению прикладных программ и наоборот.

Ядром любой базы данных является модель данных. Модель данных – это совокупность структур данных и операций их обработки.

Модели баз данных базируются на современном подходе к об­работке информации, состоящем в том, что структуры данных об­ладают относительной устойчивостью. Структура информационной базы, отображающая в структурированном виде информационную мо­дель предметной области, позволяет сформировать логические за­писи, их элементы и взаимосвязи между ними. Взаимосвязи могут быть типизированы по следующим основным видам:

- "один к одному", когда одна запись может быть связана
только с одной записью;

- "один ко многим", когда одна запись взаимосвязана со многими другими;

- "многие ко многим", когда одна и та же запись может входить в отношения со многими другими записями в различных вариантах.

Применение того или иного вида взаимосвязей определило три основные модели баз данных: иерархическую, сетевую и ре­ляционную.

Для пояснения логической структуры основных моделей баз
данных рассмотрим такую простую задачу: необходимо разработать логическую структуру БД для хранения данных о трех
поставщиках: П₁, П₂, П₃, которые могут поставлять товары Т₁,
Т₂, Т₃ в следующих комбинациях: поставщик П₁ — все три вида
товаров, поставщик П₂ — товары Т₁ и Т₃, поставщик П₃ — товары Т₂ и Т₃.

Иерархическая модель представляется в виде древовидного
графа, в котором объекты выделяются по уровням соподчиненности (иерархии) объектов (рис. 5.1.)

Рис. 5.1. Иерархическая модель БД

На верхнем, первом уровне находится информация об объекте "поставщики" (П), на втором — о конкретных поставщиках П₁, П₂, П₃, на нижнем, третьем, уровне — о товарах, которые могут поставлять конкретные поставщики. В иерархической модели дол­жно соблюдаться правило: каждый порожденный узел не может иметь больше одного порождающего узла (только одна входящая стрелка); в структуре может быть только один непорожденный узел (без входящей стрелки) — корень. Узлы, не имеющие входных стре­лок, носят название листьев. Узел интегрируется как запись. Для поиска необходимой записи нужно двигаться от корня к листьям, т.е. сверху вниз, что значительно упрощает доступ.

Достоинство иерархической модели данных состоит в том, что она позволяет описать их структуру, как на логическом, так и на физическом уровне. Недостатками данной модели являются жесткая фиксированность взаимосвязей между элемен­тами данных, вследствие чего любые изменения связей требуют изменения структуры, а также жесткая зависимость физической и логической организации данных. Быстрота доступа в иерархи­ческой модели достигнута за счет потери информационной гиб­кости (за один проход по дереву невозможно получить информа­цию о том, какие поставщики поставляют, например, товар Ti).

В иерархической модели используется вид связи между элемен­тами данных "один ко многим". Если применяется взаимосвязь вида "многие ко многим", то приходят к сетевой модели данных.

Сетевая модель базы данных для поставленной задачи пред­ставлена в виде диаграммы связей (рис. 5.2.). На диаграмме указа­ны независимые (основные) типы данных П₁, П₂, П₃, т.е. ин­формация о поставщиках, и зависимые — информация о товарах T₁, T₂, и Т₃. В сетевой модели допустимы любые виды связей меж­ду записями и отсутствует ограничение на число обратных свя­зей. Но должно соблюдаться одно правило: связь включает ос­новную и зависимую записи

Рис. 5.2. Сетевая модель базы данных

Достоинство сетевой модели БД — большая информаци­онная гибкость по сравнению с иерархической моделью. Однако сохраняется общий для обеих моделей недостаток — доста­точно жесткая структура, что препятствует развитию информа­ционной базы системы управления. При необходимости частой реорганизации информационной базы (например, при исполь­зовании настраиваемых базовых информационных технологий) применяют наиболее совершенную модель БД — реляционную, в которой отсутствуют различия между объектами и взаимосвязями.

В реляционной модели базы данных взаимосвязи между элемен­тами данных представляются в виде двумерных таблиц, называе­мых отношениями. Отношения обладают следующими свойства­ми: каждый элемент таблицы представляет собой один элемент данных (повторяющиеся группы отсутствуют); элементы столб ца имеют одинаковую природу, и столбцам однозначно присво­ены имена; в таблице нет двух одинаковых строк; строки и стол­бцы могут просматриваться в любом порядке вне зависимости от их информационного содержания.

Преимуществами реляционной модели БД являются про­стота логической модели (таблицы привычны для представления информации); гибкость системы защиты (для каждого отноше­ния может быть задана правомерность доступа); независимость данных; возможность построения простого языка манипулиро­вания данными с помощью математически строгой теории реля­ционной алгебры (алгебры отношений).

Для приведенной выше задачи о поставщиках и товарах логи­ческая структура реляционной БД будет содержать три таблицы (отношения): R₁, R₂, R₃, состоящие соответственно из записей о поставках, о товарах и о поставках товаров поставщиками (рис. 5.3.)

Рис. 5.3. Реляционная модель БД

СУБД и ее функции

Системой управления базами данных (СУБД) называют программную систему, предназначенную для создания на ЭВМ общей базы данных, используемой для решения множества задач. Подобные системы служат для поддержания базы данных в актуальном состоянии и обеспечи­вают эффективный доступ пользователей к содержащимся в ней данным в рамках
предоставленных пользователям полномочий.

СУБД предназначена для централизованного управления базой данных в интересах всех работающих в этой системе.

По степени универсальности различают два класса СУБД:

- системы общего назначения;

- специализированные системы.

СУБД общего назначения не ориентированы на какую-либо предметную область или на информационные потребности какой-либо группы пользователей. Каждая система тако­го рода реализуется как программный продукт, способный функционировать на некоторой модели ЭВМ в определенной операционной системе и поставляется многим пользователям как коммерческое изделие. Такие СУБД обладают средствами настройки на работу с кон­кретной базой данных. Использование СУБД общего назначения в качестве инструменталь­ного средства для создания автоматизированных информационных систем, основанных на технологии баз данных, позволяет существенно сокращать сроки разработки, экономить трудовые ресурсы. Этим СУБД присущи развитые функциональные возможности.

Специализированные СУБД создаются в редких случаях при невозможности или не­целесообразности использования СУБД общего назначения.

СУБД общего назначения — это сложные программные комплексы, предназначенные для выполнения всей совокупности функций, связанных с созданием и эксплуатацией базы данных информационной системы.

Используемые в настоящее время СУБД обладают средствами обеспечения целостнос­ти данных и надежной безопасности, что дает возможность разработчикам гарантировать большую безопасность данных при меньших затратах сил на низкоуровневое программирование. Продукты, функционирующие в среде WINDOWS, выгодно отличаются удобством пользовательского интерфейса и встроенными средствами повышения производительности.

Производительность СУБД оценивается:

- временем выполнения запросов;

- скоростью поиска информации в неиндексированных полях;

- временем выполнения операций импортирования базы данных из других форматов;

- скоростью создания индексов и выполнения таких массовых операций, как обновле­ние, вставка, удаление данных;

- максимальным числом параллельных обращений к данным в многопользовательском режиме;

- временем генерации отчета.
На производительность СУБД оказывают влияние два фактора:

- СУБД, которые следят за соблюдением целостности данных, несут дополнительную нагрузку, которую не испытывают другие программы;

- производительность собственных прикладных программ сильно зависит от правильного проектирования и построения базы данных.