Коротко о важном.

Нормализация БД

Первая нормальная форма (1НФ)

• отсутствуют повторяющиеся группы данных
• гарантируется элементарности(atomicity) данных (все данные являются автономными и независимыми).

На верхнем уровне это достигается созданием первичного ключа, затем осуществляется перенос повторяющихся групп данных в новые таблицы, создание первичных ключей для этих таблиц и так далее. Кроме того, необходимо разбить все записи, столбцы которых содержат составную информацию, на отдельные строки для каждого фрагмента данных столбца.

Вторая нормальная форма (2НФ)

• таблица удовлетворяет условиям 1НФ
• каждый столбец зависит от всего ключа, а не от его части.

Третья нормальная форма (3НФ)

• таблица удовлетворяет условиям 2НФ
• ни один столбец не зависит от столбца, который не является частью первичного ключа
• не содержит производных данных

Другие нормальные формы, не имеющие особой практической ценности:

Нормальная форма Бойса-Кодда(Boyce-Codd)

Вариант 3НФ. Предназначена для решения ситуации с наличием множества перекрывающихся ключей-кандидатов. По сути, не находит логического обоснования за пределами академического сообщества.

Четвертая нормальная форма

Предназначена для решения вопроса с многозначными зависимостями. Такие ситуации возникают, если в приведенной к 3НФ таблице один столбец составного первичного ключа зависит от другого столбца первичного ключа.

Пятая нормальная форма

Применяется при работе с декомпозицией отношений с потерями и без потерь. Возникает в ситуации, когда можно разбить одно отношение на несколько различных отношений, но после этого мы уже не сможем логически вернуть его к первоначальному виду.

Шестая нормальная форма (нормальная форма доменного ключа)

Гарантирует отсутствие аномалий модификации в базе данных. В реальных условиях практически не достижима.

Отношения.

Однажды я услышал от женщин, что мужчины
немедленно стараются покинуть помещение, в котором
прозвучало слово "отношения". <...> ключом к успеху
отношений является осведомленность каждого о своей роли
в данном отношении, а также о правилах и ограничениях,
налагаемых данным отношением.
(С)Robert Viera, “Professional SQL Server 2000 Programming”

Типы отношений

• Одного–к–одному (иммет смысл, когда в разных базах нужно хранить совпадающие данные или когда происходит превышение максимального размера данных строки)
• Нуля– или одного–к–одному
• Одного–ко–многим
• Одного к –нулю, –одному или –многим
• Многих–ко–многим (развязочные таблицы)

Объединения

INNER JOIN

Исключающее объединение (exclusive join). В результат выборки попадают только те записи таблиц, у которых есть соответствия в парной таблице по заданному условию.

LEFT|RIGHT JOIN

Включающее объединение (inclusive join). В результат выборки попадают записи из таблицы, стоящей слева/справа от JOIN соответственно. При этом данные из недостающей «парной» записи будут заполнены NULL .
FROM left_table LEFT JOIN right_table – включены все записи из левой таблицы left_table
FROM left_table RIGHT JOIN right_table – включены все записи из правой таблицы right_table

FULL JOIN

Включающее объединение (inclusive join). В результат выборки попадают не только записи, которые имеют соответствие в другой таблице, но и записи из обоих таблиц, для которых в соответствие в другой таблице не найдено. При этом данные из недостающей «парной» записи будут заполнены NULL.

CROSS JOIN

Перекрестное объединение (декартово произведение). Каждая запись из одной таблицы ставится в соответствие каждой записи из другой таблицы. Количество результирующих записей равно произведению количества записей в обоих таблицах.

Принципы упорядочивания нескольких JOIN ’ов

В случае, если необходимо произвести объединение нескольких таблиц, нужно помнить о двух принципах:

1. Все объединения левее JOIN воспринимаются как одиночная таблица для включения или исключения из запроса.
2. Все объединения ПРАВЕЕ JOIN ТАКЖЕ воспринимаются как одиночная таблица для включения или исключения из запроса.

Следствием из этих принципов является следующая рекомендация для формирования сложных объединений:

• Везде, где только можно, следует использовать INNER JOIN.
• Если возникает необходимость использования OUTER JOIN – их нужно ставить последними, а в начале объединения размещаются INNER JOIN.

P.S. Все вышеизложенное является общими "постулатами" теории реляционных баз данных, не привязанными к особенностям определенных СУБД.

База данных (БД) – это организованный набор данных. Организация данных обычно призвана отражать реальную взаимосвязь хранимых данных таким образом, чтобы облегчить обработку этой информации.

СУБД – системы управления базами данных – это специализированное ПО, призванное, ожидаемо, управлять базами данных. Достигается это взаимодействием с пользователем с одной стороны и собственно с базой данных с другой.

СУБД общего назначения должна позволять определение, создание, изменение, администрирование и произведение запросов к БД.

В качестве примеров СУБД можно назвать такие широко известные пакеты, как

• MySQL
• PostgreSQL
• Microsoft SQL Server
• Oracle
• IBM DB2
• Microsoft Access
• SQLite

Базы данных обычно не являются переносимыми между различными СУБД, однако возможно взаимодействие между СУБД (и с пользовательским ПО) с использованием различных стандартов, таких, как SQL, ODBC или JDBC.

СУБД часто классифицируются по поддерживаемой ими модели данных. С 1980х годов, практически все популярные СУБД поддерживают реляционную модель данных, представленную стандартом языка запросов SQL (хотя последние годы набирает популярность NoSQL).

Итак, основные задачи, выполняемые СУБД включают

Определение схемы данных Создание, изменение и удаление структур, которые определяют организацию всех остальных данных в БД Изменение данных Добавление, изменение и удаление самих данных Получение данных Предоставление информации в форме, пригодной к непосредственному использованию другими приложениями. Администрирование БД Регистрация и управление пользователями, обеспечение безопасности данных, поддержание целостности, восстановление информации, управление одновременным доступом, слежение за производительностью и т.п.

СУБД широко используются в банковском деле, транспортных компаниях, учебных заведениях, телекоммуникациях, для управления финансовой информацией и человеческими ресурсами. Ну и не стоит забывать, что большинство бэкэндов Web использует ту или иную СУБД.

Одной из основных особенностей разработки БД является факт отсутствия готовых решений и алгоритмов. Каждая БД специфична к задаче, для которой она проектируется. Это отличает разработку БД от разработки типовых приложений, для которых алгоритмы и шаблоны проектирования разработаны уже давно и придумывать особо ничего не приходится. Хотя, безусловно, приемы проектирования БД общие для всех применений.

Модели БД

Как уже говорилось ранее, наиболее широко распространенной моделью данных является реляционная модель. Однако появлению реляционной модели предшествовали другие, в частности

• Иерархическая, или навигационная модель
• Сетевая модель

Иерархическая модель широко использовалась в СУБД, поставляемых компанией IBM в 1960х. Основная идея заключается в том, что запись в такой БД может иметь несколько “дочерних” и одну “родительскую”. В целом, это подозрительно похоже на иерархическую файловую систему. Чтобы получить запись в такой БД, часто необходим проход по всему дереву.

Сетевая модель – более гибкая версия того же подхода. Она позволяет иметь записи несколько “родительских”. Эта модель, появившись в начале 1970х, не получила широкого распространения, и вскоре была вытеснена реляционной моделью.

В 1970х Эдгаром Коддом (сотрудник IBM) была предложена реляционная модель, которая значительно облегчила задачу поиска информации в БД. О реляционной модели можно думать как о “таблицах”, в которых “строки” – это записи в БД. Записи в реляционной БД так же называются кортежами (tuples), а группы записей (“таблицы”) – отношениями (relations). Реляционная модель способна выразить связи иерархической и сетевой моделей, и добавляла собственные связи, соответствующие табличной модели.

На основе предложений Кодда к середине 1970х была разработана СУБД System R, а к концу в ней появилась поддержка стандартизованного языка запросов SQL.

В 1980х, с появлением объектно-ориентированного программирования, все чаще возникали сложности в трансляции объектов на реляционную модель. В конце концов это привело к появлению подходов NoSQL и NewSQL, которые на текущий момент только развиваются. Примерами реализации NoSQL подхода могут быть т.н. документо-ориентированные БД, построенные на основе XML. Основное преимущество NoSQL – высокая горизонтальная масштабируемость, т.е. возможность увеличивать производительность за счет добавления серверов. С появлением облачных технологий, NoSQL стал особенно востребован.

Тем не менее, реляционная модель пока остается самой распространенной, поэтому более подробно остановимся именно на ней.

Реляционная модель

Реляционная модель оперирует понятиями записей, атрибутов и отношений. Отношение можно представить себе в виде двумерной таблицы, тогда атрибуты – это столбцы таблицы (точнее, названия столбцов), а записи – строки таблицы.

Реляционная модель требует строгого определения структуры данных, хранимых в БД, то есть отношения и атрибуты для данной БД фиксированы.

Введем некоторые определения.

Домен Множество, содержащее полный набор всех возможных значений некоторой переменной. Домены часто так же называют типом данных . Атрибут Упорядоченная пара названия атрибута и домена \(D_j\) . Кортеж Конечное упорядоченное множество \((d_1, d_2, \ldots, d_n)\) Заголовок (схема) отношения Кортеж \((A_1, A_2, \ldots, A_n)\) , где \(A_j\) – атрибуты. Значение атрибута Конкретное значение, принадлежащее домену атрибута. Тело отношения Множество кортежей , где \(d^i_j \in D_j\) , \(D_j\) – домены. Запись Кортеж \((d^i_1, d^i_2, \ldots, d^i_n)\) при фиксированном \(i\) . Отношение Совокупность заголовка отношения и тела отношения. Схема базы данных Множество схем всех отношений, входящих в БД.

Можно представить отношение в виде таблицы. Тогда тело отношения – это тело таблицы, заголовок отношения – заголовок таблицы, атрибуты – названия столбцов, записи – строки, а значения атрибутов находятся в ячейках:

\(A_1\)	\(A_2\)	\(\ldots\)	\(A_n\)	← Заголовок
\(d^1_1\)	\(d^1_2\)	\(\ldots\)	\(d^1_n\)	← Запись
\(d^2_1\)	\(d^2_2\)	\(\ldots\)	\(d^2_n\)	← Запись
\(\ldots\)	\(\ldots\)	\(\ldots\)	\(\ldots\)	← Запись
\(d^m_1\)	\(d^m_2\)	\(\ldots\)	\(d^m_n\)	← Запись

Реляционная модель налагает следующие дополнительные требования на отношения:

Ясно, что атрибуты (точнее, их значения) каким-то образом зависят друг от друга – иначе отношение оказывается просто неструктурированным набором данных. Для определения зависимостей между атрибутами используется понятие функциональной зависимости .

Функциональная зависимость множество атрибутов \(B\) функционально зависит от множества атрибутов \(A\) (записывается \(A\rightarrow B\) ), если для любых двух записей, имеющих одинаковые значения \(A\) , их значения \(B\) совпадают. Иначе, каждому значению \(A\) соответствует единственное значение \(B\) (не обязательно уникальное, именно единственное).

Иными словами, если некоторый набор атрибутов \(A\) однозначно определяет (в рамках данного отношения) значения атрибутов \(B\) , то \(B\) функционально зависит от \(A\) .

В качестве более привычного примера функциональной зависимости, можно привести математическое определение функции. Для функции, каждому значению аргументов соответсвтует единственное значение функции. Обратное в общем случае неверно, например, для функции \(y = sin(x)\) любому значению \(y\) из области определения \(1\geq y \geq -1\) соответствует бесконечное множество значений \(x\) , но для каждого значения \(x\) есть ровно одно значение \(y\) , т.о. \(x \to y\) . Заметим, что понятие функциональной зависимости так же применимо и к функциям многих переменных. Для них, значение функции функционально зависит от всех аргументов одновременно . Скажем, для функции \(z = f(x,y)\) выполняется ФЗ \((x,y)\to z\) , или сокращенно, \(xy\to z\) .

Отношения в данном контексте можно рассматривать как некие табличные или дискретные функции.

Работа с ФЗ

Существуют определенные формальные правила работы с ФЗ отношения.

Формальные правила тесно связаны с понятиями замыкания и неприводимой ФЗ .

Аксиомы Армстронга

Существуют правила вывода новых ФЗ из существующих, называемые аксиомами Армстронга .

Аксиомы Армстронга

1. Правило рефлексивности: если \(B \subset A\) , то \(A\rightarrow B\)
2. Правило дополнения: если \(A\rightarrow B\) , то \(AC\rightarrow BC\)
3. Правило транзитивности: если \(A\rightarrow B\) и \(B\rightarrow C\) , то \(A\rightarrow C\)

Из этих аксиом так же могут быть выведены следующие дополнительные правила:

1. Правило самоопределения: \(A\rightarrow A\)
2. Правило декомпозиции: Если \(A\rightarrow BC\) , то \(A\rightarrow B\) и \(A\rightarrow C\)
3. Правило объединения: Если \(A\rightarrow B\) и \(A\rightarrow C\) , то \(A\rightarrow BC\)
4. Правило композиции: Если \(A\rightarrow B\) и \(C\rightarrow D\) , то \(AC\rightarrow BD\)

Можно заметить, что, вследствие правила рефлексивности, любое множество атрибутов \(A\) подразумевает ФЗ вида \(A\to A\) . Такие ФЗ, а так же следующие из них, не представляют интереса, и называются тривиальными.

Тривиальная функиональная зависимость ФЗ \(A \to B\) , такая, что \(B \subset A\) .

В принципе, этих правил достаточно для того, чтобы найти все ФЗ, следующие из данных. В связи с этим вводится понятие замыкания множества ФЗ.

Замыкание множества ФЗ Замыканием множества ФЗ называется такое множество ФЗ, которое включает все ФЗ исходного множества, а так же все подразумеваемые ими. Другими словами, для отношения \(R\) , обладающего функциональными зависимостями \(S\) , замыканием \(S^+\) называется множество всех ФЗ, возможных для \(R\) , исходя из \(S\) .

Как правило, требуется установить, будет ли некая ФЗ \(X\rightarrow Y\) следовать из данного множества ФЗ \(S\) . Оказывается, это возможно тогда и только тогда, когда множество атрибутов \(Y\) является подмножеством замыкания атрибутов \(X^+\) в \(S\) .

Замыкание атрибутов Замыканием \(X^+\) атрибутов \(X\) по множеству ФЗ \(S\) называется множество всех атрибутов, которые функционально зависят от какого-либо подмножества \(X\) .

Для вычисления замыкания множества атрибутов \(X^+\) по множеству ФЗ \(S\) существует следующее правило: для каждой ФЗ \(A\rightarrow B\) в \(S\) , если \(A \subset X^+\) , то и \(B \subset X^+\) , причем достаточно начать с предположения, что \(X^+ = X\) .

Следует заметить, что для любого замыкания \(X^+\) , существуют ФЗ вида \(X \to B\) , где \(B \subset X^+\) , таким образом, замыкания всех атрибутов отношения по его ФЗ описывают замыкание ФЗ этого отношения.

Это правило используется для вычисления неприводимого множества ФЗ, эквивалентного данному (в смысле эквивалентности их замыканий). Уменьшение количества ФЗ при сохранении замыкания (и, следовательно, внутренней логики, описываемой ФЗ) является важным шагом в проектировании БД.

Множество ФЗ называется неприводимым, если:

1. Правая часть каждой ФЗ содержит только один элемент
2. Ни один атрибут ни одной левой части ФЗ множества не может быть удален без изменения замыкания
3. Ни одна ФЗ множества не может быть удалена без изменения замыкания.

Для любого множества ФЗ существует хотя бы одно эквивалентное неприводимое множество. Такое множество называется минимальным покрытием .

Жизненный цикл информационных систем

Анализ ситуации (сложность разработки ИС, не эффективное использование ИС), проведенный учеными, показал, что такое положение было вызвано тем, что при разработке программного обеспечения не соблюдались очень важными требования:

· Отсутствие полной спецификации всех требований;

· Отсутствие приемлемой методологии (системы методов) разработки ИС;

· Отсутствие разделения общего глобального проекта на отдельные компоненты, поддающиеся эффективному контролю и управлению.

Жизненный цикл (ЖЦ) информационных систем – это структурный подход к разработке программного обеспечения.

(некая схема) за 26.09.12

1. Планирование разработки ИС. Подготовительные действия, позволяющие с максимальной эффективностью реализовывать этапы ЖЦ ИС. Три основных компонента: оценка объема работ; оценка необходимых ресурсов; оценка общей стоимости проекта.

2. Определение требований к системе. Определение диапазона действий и границ приложения базы данных, функций, состава его пользователей и областей применения.

3. Сбор и анализ требований пользователей. Сбор и анализ информации о той части организации, работа которой будет поддерживаться с помощью создаваемой ИС, определение требований пользователей к системе. Источники: опрос и анкетирование; наблюдение; изучение документов; предыдущий опыт.

4. Проектирование базы данных. Создание проекта базы данных. Два основных подхода к проектированию систем баз данных: «нисходящий » и «восходящий ».

5. Выбор целевой СУБД. Выбор СУБД подходящего типа, предназначенной для поддержки создаваемого приложения базы данных.

6. Разработка приложений. Проектирование интерфейса пользователя и прикладных программ, предназначенных для работы с базой данных.

7. Создание прототипа. Создание рабочей модели приложения баз данных.

8. Реализация. Физическая реализация базы данных и разработанных приложений.

9. Конвертирование и загрузка данных. Перенос существующих данных в новую базу данных, загрузка и модификация существующих приложений с целью организации совместной работы с новой БД.

10. Тестирование. Процесс выполнения прикладных программ с целью поиска ошибок. Стратегии тестирования: нисходящее тестирование; восходящее тестирование; тестирование потоков; интенсивное тестирование.

11. Эксплуатация и сопровождение. Наблюдение за системой и поддержка её нормального функционирования: контроль производительности; сопровождение и модернизация приложений.

Реляционная теория баз данных

Терминология

В 1970 г. Реляционная модель впервые была предложена Э.Ф. Коддом.

В реляционной СУБД предполагается, что пользователь воспринимает БД как набор таблиц (и не как иначе).

Математические отношения.

Теория реляционных БД основана на математической теории отношений.

Пусть D1, D2, … Dn некоторые множества.

Декартовым произведение D1 D2 … Dn = {(X1,X2,…,Xn) | X1 D1, X2 D2, … Xn Dn}

Отношение – подмножество R D1*D2*…*Dn

Например, n=2, D1={2,4} и D2={1,3,5}, D1 * D2 = {(2,1),(2,3),(2,5),(4,1),(4,3),(4,5)}, R={(2,1),(4,1)}

Подмножество м. б. задано условием, например:

R={(x1,x2) |x1 D1, x2 D2, X2=1}, A1, A2, … An – имена атрибутов с доменами D1, D2, … Втб тогда отношение будем записывать в виде:

R(A1:D1,A2:D2,…An:Dn)

Свойства отношений:

· Отношение имеет уникальное имя;

· Каждый атрибут имеет уникальное имя (в отношении);

· Каждая ячейка отношения содержит только атомарное значение и нет повторяющихся групп (отношение нормализовано);

D1 – студенты
D2 – дисциплины: Математика, Информатика

· Порядок следования атрибутов не имеет никакого значения;

· Порядок следования кортежей произвольный;

· Каждый кортеж является уникальным.

Реляционные ключи

Реляционные ключи служат для уникальной идентификации кортежа описания связей между отношениями.

Реляционная целостность.

Реляционная алгебра

Результат операции, может использоваться в качестве операнда для другой операции, что позволяет создавать вложенные выражения (замкнутость РА).

Реляционная алгебра является языком, в котором все кортежи обрабатываются одной командой.

Пять основных операций:

· Выборка,

· Проекция,

· Декартово произведение,

· Объединение,

· Разность.

На основе этих операций могут быть получены другие:

· Соединения,

· Пересечения,

· Деления.

В предикате могут использоваться знаки логических операций ^(And), v(Or), ~(not).

Пример. Получить список всех сотрудником с окладом свыше 300.

Проекция.

Определяет отношение, атрибутами которого являются атр1, …, атрn и содержит только уникальные кортежи.

Декартово произведение

Декартово произведение используется редко, к результату применяют выборку.

Объединение

Разность

Операции соединения.

Тета-соединение

Естественное соединение

Внешнее соединение

То при левом внешнем соединении сохраняется вся исходная информация из отношения R. Аналогично также можно определить правое внешнее соединение.

Полусоединение

Операцию полусоединения можно определить с помощью операторов проекции и соединения.

Пересечение

Представления

Назначение представлений:

· Предоставляет гибкий механизм защиты БД за счет сокрытия некоторой её части от определенных пользователей;

· Позволяет организовать доступ пользователей к данным наиболее удобным для них способом;

· Позволяет упрощать сложные операции с базовыми отношениями.

Правила, которые должны удовлетворить
реляционные СУБД

Для определения того, является ли СУБО реляционной Кодд (1985 г.) предложил 13 правил, которым они должны удовлетворять.

№		Правило
		Фундаментальное правило. Реляционная СУБД должна быть способна управлять базами данных исключительно с помощь её реляционных функций
		Представление информации. Вся информация в реляционной БД представляется в явном виде на логическом уровне только одним способом – в виде значений в таблицах. В том числе, метаданные.
		Гарантированный доступ. Для каждого элемента данных реляционной БД должен быть гарантирован логический доступ на основе комбинации имени таблицы, значения первичного ключа и имени столбца.
		Поддержка неопределенных значений. СУБД поддерживает неопределенные значения (Null).
		Реляционный системный каталог. Описание БД должно представляться на логическом уровне таким образом, как и обычные данные, что позволяет пользователям использовать для обращения к ним тот же реляционный язык.
		Исчерпывающий подъязык данных. реляционная СУБД может поддерживать несколько языков. Однако должен существовать по крайней мерее один язык, операторы которого позволяли бы выполнить следующие функции: 1. Определение данных; 2. Определение представлений; 3. Команды манипулирования данными; 4. Ограничения целостности; 5. Авторизации пользователей; 6. Организации транзакций
		Высокоуровневые операции извлечения, вставки, удаления, обновления. Способность СУБД выполнять операции извлечения данных команд вставки, удаления и обновления как единой операции.
		Физическая независимость от данных. От способа хранения
		Логическая независимость от данных. Независимость приложений от изменения базовых таблиц.
		Независимость ограничений целостности. Ограничения целостности должны определяться на подъязыке реляционных данных и храниться в системном каталоге, а не в прикладных программах.
		Независимость от распределения данных.
		Правило запрета обходных путей. Если СУБД имеет низкоуровневый язык (с последовательной построчной обработкой), он не должен позволять обходить правила и ограничения целостности, описанных на реляционном языке высокого уровня.

Моделирование данных на основе процесса нормализации

Цель нормализации.

Процесс нормализации был предложен в 1972 году Э. Ф. Коддом – три нормальные формы (НФ): первая (1НФ), вторая (2НФ) и третья (3НФ).

Более строгое определение третьей НФ (Р. Бойс и Э. Ф. Кодд, 1974) – нормальная форма Бойса-Кодда (НФБК).

Избыточность данных и аномалии обработки.

Отсутствие нормализации приводит:

· Избыточность данных

· Аномалии вставки (невозможно добавлять записи)

· Аномалии удаления (при удалении информации теряется другая информация)

· Аномалии обновления (требуется обновление многих записей)

· Свойства сохранения без потерь и сохранения зависимости.

Функциональные зависимости

База данных - совокупность связанных данных, организованных по определенным правилам, предусматривающим общие принципы описания, хранения и манипулирования, независимая от прикладных программ. Реляционная база данных - это база данных, в которой информация представлена в виде двумерных таблиц, сохраняемых в файлах. Таблица состоит из строк, называемых записями, записи состоят из столбцов, называемых полями.

Система управления базами данных (СУБД) - это совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями. Пользователей СУБД можно разделить на три большие группы:

• разработчики базы данных отвечают за написание прикладных программ, использующих базу данных;
• конечные пользователи работают с базой данных либо через некоторую информационную систему, либо пользовательский интерфейс системы управления базами данных;
• администраторы базы данных обеспечивают поддержание работоспособности базы данных, сохранность и безопасность данных, настройку работы базы данных.

Базовой архитектурой СУБД является трехуровневая модель, в рамках которой СУБД представляется состоящей из внешнего, концептуального и внутреннего уровня. На внешнем уровне содержимое СУБД представляется так, как его видит отдельный пользователь. На концептуальном уровне данные СУБД описываются в обобщенной модели предметной области, для которой создается информационная система. Внутренний уровень - это собственно данные, расположенные в файлах. В ведении СУБД также находится словарь данных, содержащий сведения обо всем, что хранится в базе данных (имена всех таблиц и представлений, хранимых процедур и триггеров, учетные записи пользователей СУБД и т.п.). Сведения такого рода принято называть метаданными.

Реляционная модель данных основывается на математических принципах теории множеств и математической логике. Эти принципы были впервые использованы для моделирования данных в 60-х годах прошлого века Коддом. Реляционная модель определяет, каким образом данные могут быть представлены (структура данных), каким образом данные могут быть защищены от некорректных изменений (целостность данных) и какие операции могут быть выполнены с данными (операции с данными). Основные понятия реляционной модели:

• все данные концептуально представляются как упорядоченное набор строк и столбцов, называемых отношением;
• все данные являются скалярными;
• строка данных называется кортежем, количество кортежей называется кардинальным числом;
• каждый столбец в кортеже называется атрибутом, количество атрибутов называется степенью отношения;
• отсутствие информации описывается значением NULL;
• потенциальный ключ K для отношения R - это подмножество множества атрибутов R, всегда обладающее свойством уникальности (т.е. нет двух кортежей в отношении R с одинаковым значение K) и свойством не избыточности (т.е. никакое из подмножеств K не обладает свойством уникальности). Потенциальный ключ, состоящий из более чем одного атрибута, называется составным, а из одного - простым. Первичный ключ - это потенциальный ключ, по которому физически упорядочены кортежи в отношении.
• внешний ключ определяется следующим образом. Пусть R2 - некоторое отношение. Тогда внешний ключ FK в отношении R2 - это такое подмножество множества атрибутов R2, что существует отношение R1 с потенциальным ключом K и значение FK в любом кортеже R2 всегда совпадает со значением K некоторого кортежа в R1. Ограничение, по которому значения внешнего ключа должны быть адекватны значениям соответствующего потенциального ключа, называют ссылочным ограничением. Соответственно, под ссылочной целостностью понимают требование того, чтобы в базе данных не было нарушений ссылочных ограничений.

Следующие операции допустимыми над данными в реляционной модели:

• выборка возвращает отношение, содержащие все кортежи заданного отношения, удовлетворяющие определенным условиям;
• проекция возвращает отношение, содержащие все кортежи заданного отношения после исключения из него некоторых атрибутов;
• произведение возвращает отношение, содержащие кортежи, которые являются всеми возможными сочетаниями кортежей, принадлежащих двум исходным отношениям;
• объединение возвращает отношение, содержащие все кортежи, принадлежащие двум исходным отношениям;
• соединение возвращает отношение, кортежи которого являются соединением двух кортежей, принадлежащих исходным отношениям и имеющим общее значение для одного или более атрибутов исходных отношений; при этом общее значение атрибутов встречается в результирующем кортеже только один раз.

ПРОГРАММИРОВАНИЕ В СРЕДЕ DELPHI 6

Базы данных. Создание отчета с помощью Word.

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве лабораторного практикума

Воронеж 2004

УДК 681.3

Воробьёв Э.И., Короткевич Д.Э.. Программирование в среде Delphi 6: Лабораторный практикум: Ч. 2: Базы данных. Создание отчета с помощью Word. Потоки. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2004. 107 с.

Во второй части лабораторного практикума рассматриваются теоретические и практические сведения для написания программ в среде Delphi 6 на тему: «Проектирование баз данных, создание отчетов в программе Word и использование потоков при создании высокопроизводительных приложений».

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 230100 «Информатика и вычислительная техника», специальности 230104 «Системы автоматизированного проектирования», дисциплине «Программирование на языках высокого уровня».

Табл. 3. Ил. 19. Библиогр.: 7 назв.

Научный редактор: д-р техн. наук, проф. Я.Е. Львович

Рецензенты: кафедра вычислительной техники Воронеж- ской лесотехнической академии (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.Е. Межов);

д-р техн. наук, проф. О.Ю.Макаров

© Воробьёв Э.И., Короткевич Д.Э., 2004

© Оформление. Воронежский государственный

технический университет, 2004

Введение

Концепция баз данных

Базы данных считаются основным преимуществом Delphi. Даже специализированные языки для работы с базами данных (такие, как MS Visual FoxPro) явно уступают по простоте и мощи программирования этого типа приложений. Delphi скрывает все сложности и в то же время даёт величайшую мощь. Ещё не было такой задачи, которую не смогли бы реализовать на Delphi за короткий промежуток времени. А главное, что всё это реализовано очень удобно и легко для понимания. В Delphi можно создавать простые приложения, даже со сложными базами, без единой строчки кода. В данном учебном пособии рассмотрены лабораторные задания для освоения приемов работы с локальными базами данных.

Теория реляционных баз данных

Ещё десять лет назад программирование баз данных было очень сложным занятием. Сейчас уже такое трудно себе представить, потому что благодаря Delphi процесс написания программ упростился, а количество разновидностей баз данных уже исчисляется десятками.

Базы данных делятся на локальные (установленные на компьютере клиента, там же где и работает программа) и удалённые (установленные на сервере, удалённом компьютере). Серверные базы данных располагаются на удалённом компьютере и работают под управлением серверного программного обеспечения. К их главным преимуществам можно отнести возможность работы с одной базой данных одновременно несколькими пользователями, и при этом осуществляется минимальная нагрузка на сеть. Есть ещё сетевые базы данных, которые создают слишком большую нагрузку на сеть и неудобны в работе как для программиста, так и для конечного пользователя. Когда программа присоединяется к сетевой базе данных, то она выкачивает с сервера практически полную его копию. Если Вы внесли изменения, то Ваша копия полностью закачивается обратно. Это очень неудобно, потому что создаётся большая нагрузка на сеть из-за излишней перекачки данных. При клиент-серверной технологии программа клиент посылает простой текстовый запрос на сервер на получение каких-либо данных. Сервер обрабатывает его и возвращает только необходимую порцию данных. Когда нужно изменить какие-то данные опять посылается запрос к серверу на их изменение, и сервер изменяет данные в своей базе. Таким образом, по сети происходит перекачка в основном только текстовых запросов, которые в основном занимают меньше килобайта. Все данные обрабатывает сервер, а значит, машина клиента загружается намного меньше и не так сильно требовательна к ресурсам. Сервер отсылает клиенту только самые необходимые данные, а значит, отсутствует излишняя перекачка копии всей базы. Благодаря всему этому сетевые базы данных уже устарели и практически не используются. Их практически полностью вытесняет технология клиент-сервер. А вот локальные базы данных будут жить всегда. Может измениться формат их хранения или добавиться какие-то новые функции, но сами базы данных будут существовать. Для дальнейшего рассмотрения нам надо определить новое понятие – таблица . Пока что говорились только общие принципы, поэтому использовалось общее понятие баз данных . Таблица базы данных – это как двухмерный массив, в котором в столбец выстроены данные (яркий пример таблицы – Excel). База данных – грубо говоря, это всего лишь файл, в котором может храниться от одной до нескольких таблиц. Большинство локальных баз данных могут хранить только одну таблицу (dBase, Paradox, XML). Но есть представители локальных баз, где в одном файле заключено несколько таблиц (например Access).

Локальные базы данных

Из локальных баз данных рассмотрим реляционные как самые распространённые. Что такое реляционная база данных? Это таблица, в которой в качестве столбцов выступают имена хранимых в ней данных, а каждая строка хранит сами данные. Таблица базы данных похожа на электронную таблицу Excel (если быть точнее, то Excel хранит свои данные в виде собственного формата, построенного на основе технологии баз данных). Локальные таблицы баз данных могут храниться на локальном жёстком диске или централизовано сохраняться на сетевой диск файлового сервера. Эти файлы можно копировать с помощью стандартных средств как любой другой файл, потому что сами таблицы базы данных не привязаны к определённому месту расположения. Главное, чтобы программа могла найти таблицу. В каждой таблице должно быть одно уникальное поле, которое однозначно будет идентифицировать строку. Это поле называется ключевым. Эти поля очень часто используются для связывания нескольких таблиц между собой. Но даже если таблица не связана, ключевое поле всё равно обязательно. В качестве ключа желательно использовать численный тип и если позволяет база данных, то будет лучше если он будет типа "autoincrement" (автоматически увеличивающееся/уменьшающееся число или счётчик). Имена столбцов в таблице базе данных также должны быть уникальными, но в этом случае не обязательно числовыми. Их можно называть как угодно, лишь бы было уникально и понятно. Каждый столбец (поле базы данных) обязательно должен иметь определённый тип. Количество типов и их разновидности зависят от типа базы данных, например формат dBASE (файлы с расширением DBF) поддерживает только 6 типов, а Paradox уже до 15. База данных может храниться в одном файле (Access) или в нескольких (Paradox, dBase). Точнее сказать, данные таблицы всегда хранятся в одном файле, а вот дополнительная информация может располагаться в отдельных файлах. В качестве дополнительной информации могут быть индексы, ограничения или список значений по умолчанию для конкретных полей. Если хотя бы один из файлов запортится или будет удалён, то данные могут стать недоступными для редактирования.

Что такое индексы ? Очень часто данные из таблиц подвергаются каким-то изменениям, поэтому прежде чем произвести редактирование над какой-либо строкой, необходимо её найти. Даже статические таблицы, использующиеся в качестве справочников, тоже подвергаются операциям поиска перед выводом запрашиваемых данных. Поиск достаточно трудоёмкая операция, особенно если таблица содержит очень много строк. Индексы направлены на ускорение этой процедуры, а так же могут использоваться в качестве отправной точки при сортировке. На данном этапе достаточно знать, что не проиндексированное поле невозможно упорядочить.

Если надо, чтобы какая-то таблица была упорядочена по полю «Фамилия », то это поле надо сначала проиндексировать. Затем нужно только указать, что таблица должна работать сейчас с таким-то индексом, и она сортируется автоматически.

В хорошо спроектированной базе данных избыточность данных исключается, и вероятность сохранения противоречивых данных минимизируется. Таким образом, создание баз данных преследует две основные цели: понизить избыточность данных и повысить их надежность.

Жизненный цикл любого программного продукта, в том числе и системы управления базой данных, состоит (по-крупному) из стадий проектирования, реализации и эксплуатации.

Естественно, наиболее значительным фактором в жизненном цикле приложения, работающего с базой данных, является стадия проектирования. От того, насколько тщательно продумана структура базы, насколько четко определены связи между ее элементами, зависит производительность системы и ее информационная насыщенность, а значит - и время ее жизни.

Требования к базам данных

Итак, хорошо спроектированная база данных:

1. Удовлетворяет всем требованиям пользователей к содержимому базы данных. Перед проектированием базы необходимо провести обширные исследования требований пользователей к функционированию базы данных.

2. Гарантирует непротиворечивость и целостность данных. При проектировании таблиц нужно определить их атрибуты и некоторые правила, ограничивающие возможность ввода пользователем неверных значений. Для верификации данных перед непосредственной записью их в таблицу база данных должна осуществлять вызов правил модели данных и тем самым гарантировать сохранение целостности информации.

3. Обеспечивает естественное, легкое для восприятия структурирование информации. Качественное построение базы позволяет делать запросы к базе более “прозрачными” и легкими для понимания; следовательно, снижается вероятность внесения некорректных данных и улучшается качество сопровождения базы.

4. Удовлетворяет требованиям пользователей к производительности базы данных. При больших объемах информации вопросы сохранения производительности

начинают играть главную роль, сразу “высвечивая” все недочеты этапа проектирования.

Следующие пункты представляют основные шаги проектирования базы данных:

1. Определить информационные потребности базы данных.

2. Проанализировать объекты реального мира, которые необходимо смоделировать в базе данных. Сформировать из этих объектов сущности и характеристики этих сущностей (например, для сущности “деталь” характеристиками могут быть “название”, “цвет”, “вес” и т.п.) и сформировать их список.

3. Поставить в соответствие сущностям и характеристикам - таблицы и столбцы (поля) в нотации выбранной Вами СУБД (Paradox, dBase, FoxPro, Access, Clipper, InterBase, Sybase, Informix, Oracle и т.д.).

4. Определить атрибуты, которые уникальным образом идентифицируют каждый объект.

5. Выработать правила, которые будут устанавливать и поддерживать целостность данных.

6. Установить связи между объектами (таблицами и столбцами), провести нормализацию таблиц.

7. Спланировать вопросы надежности данных и, при необходимости, сохранения секретности информации.

Похожая информация.