Реферат: Развитие теории и практики баз данных

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.

Рис 2. Фрагмент БД с объектом-целью

Основным достоинством объектно-ориентированной модели данных в сравнении с реляционной является возможность отображения информации о сложных взаимосвязях 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.

4. Нормализация отношений

Важным критерием качества разрабатываемой схемы БД является скорость выполнения операций обновления данных (вставки, модификации, удаления записей).

Выбор схемы БД определяет возникновение в процессе ее эксплуатации тех или иных аномалий обновления.

Аномалия обновления - появление в базе данных несогласованности данных при выполнении операций вставки, удаления, модификации записей.

Аномалии модификации - возникновение несогласованности записей в

таблице при изменении данных в одной записи.

Для отношения "Студент" (ФИО, Группа, Староста), где в столбце "Группа" хранится полное название группы, а столбец "Староста" содержит ФИО старосты группы, изменение значения "Староста" (например, для устранения ошибки) может привести к существованию более одного старосты одной и той же группы.

Аномалии удаления - удаление лишней информации при удалении записи.

Для отношения "Студент" (ФИО, Группа, Староста), удаление студента может привести к удалению из БД и ФИО старосты группы (в том случае, если для данной группы запись - единственная).

Аномалии вставки - добавление лишней информации или возникновение противоречащих значений в некоторых столбцах при вставке новой записи

Для отношения "Студент" (ФИО, Группа, Староста), где в столбце "Группа" хранится полное название группы, а столбец "Староста" содержит ФИО старосты группы, добавление названия новой группы повлечет обязательное определение ФИО студента и старосты, в то время как эти данные могут быть пока не известны. В то же время, при добавлении нового студента значение поля "Староста" в новой записи может не совпадать со значением данного поля для другого студента этой же группы.

Для сохранения корректности БД необходимо устранять данные аномалии, выполняя дополнительные операции по просмотру и модификации данных.

Потери в производительности, вызванные выполнением действий по устранению аномалий, могут быть весьма существенными, при этом данные потери, в большинстве случаев, не являются неизбежными, а определяются неудачным выбором схемы БД.

Указанные аномалии связаны с избыточностью (дублированием) данных в БД.

Определить дублирование данных в БД, а значит и предсказать возможность возникновения аномалий обновления можно на этапе проектирования структуры базы данных.

Одним из наиболее алгоритмически и понятийно простых методов устранения избыточности хранения данных является метод нормальных форм, который основан на анализе функциональных зависимостей (ФЗ) атрибутов отношений.

Если даны два атрибута X и Y некоторого отношения, то говорят, что Y функционально зависит от X, если в любой момент времени каждому значению X соответствует ровно одно значение Y. Функциональная зависимость обозначается X◊Y.

Обратимый пошаговый процесс замены данной совокупности отношений другой схемой с устранением избыточных функциональных зависимостей называется нормализацией.

Процесс проектирования БД с использованием метода нормальных форм (нормализация) заключается в последовательном переводе отношений из первой нормальной формы в нормальные формы более высокого порядка по определенным правилам. Каждая следующая нормальная форма ограничивает определенный тип функциональных зависимостей, устраняет соответствующие аномалии при выполнении операций над отношениями БД и сохраняет свойства предшествующих нормальных форм.

Процесс формального построения нормализованных отношений проектируемой базы данных может быть начат с формирования одной таблицы, содержащей все атрибуты всех сущностей предметной области.

Рассмотрим предметную область - распределение учебной нагрузки по

преподавателям одной кафедры. Предположим, что у каждой группы каждый

предмет ведет только один преподаватель. Помимо личных данных преподавателя необходимо хранить данные по группе (Наименование, Староста) и для пары (Преподаватель, Группа) необходимо хранить список предметов, которые данный преподаватель преподает в данной группе.

В качестве исходной таблицы возьмем:

А	В	С
Личные данные преподавателя: ФИО, Должность, Оклад	Данные группы: Наименование, Староста	Предметы

В качестве первичного ключа таблицы возьмем столбцы "Личные данные Преподавателя" и "Данные группы", поскольку существует только одна ФЗ: AB◊C.

Отношение находится в первой нормальной форме (1НФ), если значения всех его атрибутов атомарны.

Выполним преобразование для таблицы примера:

1. Столбец личных данных преобразуем в четыре столбца:

"Преподаватель" (ФИО), "Табельный №", "Должность", "Оклад". Теперь ключ - "Табельный №" и "Данные группы".

2. Столбец "Данные группы" преобразуем в два столбца: "Группа" (Наименование), "Староста". Теперь ключ - "Табельный №" и "Группа".

3. Столбец "Предметы" преобразуем в столбец "Предмет". Как альтернатива, можно создать новую таблицу "Предметы", которая будет содержать первичный ключ исходного отношения ("Табельный №", "Группа") и столбец "Предмет".

В результате получено отношение А В С D E F

Преподаватель Должность Оклад Группа Староста Предмет

Выявленные функциональные зависимости:

А◊В, С; В◊С; D◊Е; DF◊А.

Первичный ключ: DF, так как от DF зависят остальные атрибуты.

Вторая нормальная форма позволяет устранить избыточность данных, связанную с хранением информации различного типа в одном отношении.

Отношение находится во второй нормальной форме (2НФ), если оно находится в 1НФ и каждый неключевой атрибут функционально полно зависит от ключа.

Другими словами отношение во второй нормальной форме - отношение без атрибутов, находящихся в частичной функциональной зависимости от ключевых атрибутов.

Отношения, не во 2НФ допускают аномалии обновления, заключающиеся в необходимости обновлений (удалений, модификаций, вставки) строк со значением атрибута, функционально неполно зависящего от ключа, во всех строках, где он встречается с соответствующим значением части ключа, потребуется выполнить контроль соответствия нового сочетания (часть ключа - атрибут) и уже существующих, а при удалении строк может теряться и нужная информации о имеющем место факте вида "часть ключа - атрибут".

Для атрибутов, функционально полно зависящих от ключа, каждое изменение затрагивает только одну строку - строку с изменяемым значением. Приведение отношения ко 2НФ позволяет исключить данный тип аномалий обновления.

Пример:

Отношение

А В С D E F

Преподаватель Должность Оклад Группа Староста Предмет

находится в 1НФ.

При этом отношение допускает следующие аномалии обновления:

а) аномалия вставки - при изменении старосты группы необходимо будет изменить соответствующее значение во всех строках с таким же значением группы;

б) аномалия удаления - при удалении информации о предмете, читаемом преподавателем в некоторой группе, может потеряться и другая информация - о старосте группы;

в) аномалия модификации - при изменении старосты в группе следует обновить все записи с таким же значением "Группы".

Преобразуем отношение из примера из 1НФ во 2НФ:

В зависимости D◊E атрибут E функционально зависит от части ключа DF.

Таким образом формируем:

а) новое отношение без частичной зависимости:

ПК: DF, ФЗ: А◊B,C; B◊C; DF◊A.

б) новое отношение для бывшей частичной зависимости

D E

Руководство Группы (Группа, Староста)

ПК: D, ФЗ: D◊E.

Теперь в обоих отношениях отсутствуют частичные зависимости от ключа.

Благодаря данной декомпозиции мы предотвратили аномалии обновления, возникающие из-за дублирования значений "Староста" в исходной таблице.

Важным моментом является возможность восстановления исходной схемы естественным соединением полученных отношений (по атрибуту "Группа")

Отношение находится в третьей нормальной форме (3НФ), если оно находится во 2НФ и каждый неключевой атрибут нетранзитивно зависит от первичного ключа.

Транзитивная зависимость наблюдается в том случае, если один из двух описательных реквизитов зависит от ключа, а другой описательный реквизит зависит от первого описательного реквизита.

Пример:

Отношение

A B C D F

(Преподаватель, Должность, Оклад, Группа, Предмет)

ПК: DF, ФЗ: DF◊А◊B◊C.

находится во второй нормальной форме.

При этом оно допускает следующие аномалии обновления:

а) аномалия модификации - при изменении значения должности преподавателя, необходимо будет выполнить изменение значения должности

для всех строк с данным преподавателем и изменение значение оклада в соответствии с новой должностью;

б) аномалия удаления - заключается в потере информации об окладе преподавателя в некоторой должности при удалении единственного преподавателя, занимающего данную должность;

в) аномалия добавления - заключается в необходимости назначения хотя бы одного сотрудника на новую должность добавлении в БД оклада по должности.

Преобразуем данное отношение из примера из 2НФ в 3НФ:

A B C D F

(Преподаватель, Должность, Оклад, Группа, Предмет)

ПК: DF, ФЗ: DF◊А◊В◊C.

I. Cпроецируем отношение на атрибуты A, B, C

A B C

(Преподаватель, Должность, Оклад)

ПК: A, ФЗ: А◊B◊C.

II. Заметим, что полученное отношение вновь содержит транзитивную зависимость, снова декомпозируем его на два отношения:

B C

Зарплата (Должность, Оклад)

ПК: B, ФЗ: B◊C.

A B

Обязанность (Преподаватель, Должность,)

ПК: A, ФЗ: A◊B.

б) спроецируем отношение на атрибуты, кроме B, C

A D F

План (Преподаватель, Группа, Предмет)

ПК: DF, ФЗ: DF◊A.

К исходной схеме без потери кортежей и функциональных зависимостей можно вернуться естественным соединением отношений "Зарплата" и "Обязанность", затем - естественным соединением полученного отношения и отношения "План".

5. Языки запросов SQL и QBE

Хранимые в базе данные можно обрабатывать вручную, последовательно просматривая и редактируя данные в таблицах с помощью имеющихся в СУБД средств. Для повышения эффективности обработки данных применяют запросы, позволяющие производить множественную обработку данных, т, е. одновременно вводить, редактировать и удалять множество записей, а также выбирать данные из таблиц.

Запрос представляет собой специальным образом описанное требование, определяющее состав производимых над БД операций по выборке, удалению или модификации хранимых данных.

Для подготовки запросов с помощью различных СУБД чаще всего используются два основных языка описания запросов:

QBE (Query By Example) - язык запросов по образцу;

SQL (Structured Query Language) - структурированный язык запросов.

Мир баз данных становится все более и более единым, что привело к необходимости создания стандартного языка, который мог бы использоваться, чтобы функционировать в большом количестве различных видов компьютерных сред. Стандартный язык позволит пользователям, знающим один набор команд, использовать их, чтобы создавать, отыскивать, изменять и передавать информацию, независимо от того, работают ли они на персональном компьютере, сетевой рабочей станции, или на универсальной ЭВМ.

SQL - это язык, который дает возможность создавать и работать в реляционных базах данных, которые являются наборами связанной информации, сохраняемой в таблицах. Он устраняет много работы, которую вы должны были бы сделать если бы вы использовали универсальный язык программирования.

Стандарт SQL определяется ANSI (American National Standard Institute - Американским Национальным Институтом Стандартов.

Имеются два SQL: Интерактивный (Interactive) и Встроенный (Embedded). Большей частью, обе формы работают одинаково, но используются различно.

Интерактивный SQL используется для функционирования непосредственно в базе данных, чтобы производить вывод для использования его заказчиком. В этой форме SQL, когда вы введете команду, она сейчас же выполнится, и вы сможете увидеть вывод (если он вообще получится) - немедленно.

Встроенный SQL состоит из команд SQL, помещенных внутри программ, которые обычно написаны на некотором другом языке. Это делает эти программы более мощными и эффективным.

И в интерактивной, и во встроенной формах SQL, имеются многочисленные части, или подразделы. Они являются составными частями SQL в ANSI. Это не различные языки, а разделы команд SQL, сгруппированных по их функциям

DDL (Data Definition Language - Язык Определения Данных) - так называемый Язык Описания Схемы в ANSI, состоит из команд, которые создают объекты (таблицы, индексы, просмотры, и так далее) в базе данных.

DML (Data Manipulation Language - Язык Манипулирования Данными) - это набор команд, которые определяют, какие значения представлены в таблицах в любой момент времени.

DCL (Data Control Language - Язык Управления Данными) состоит из средств, которые определяют, разрешить ли пользователю выполнять определенные действия или нет.

Теоретической основой языка QBE является реляционное исчисление с

переменными-доменами (однако в языке присутствуют и элементы исчисления кортежей).

Язык QBE позволяет задавать сложные запросы к БД путем заполнения предлагаемой СУБД запросной формы (иногда также используют термин QBЕ - запрос по форме).

Такой способ задания запросов обеспечивает высокую наглядность и не требует указания алгоритма выполнения операции - достаточно описать образец ожидаемого результата.

В каждой из современных реляционных СУБД имеется свой вариант языка QBE.

На языке QBE можно задавать однотабличные и многотабличные (выбирающие или обрабатывающие данные из нескольких связанных таблиц) запросы.

С помощью запросов на языке QBE можно выполнять следующие основные операции:

выборку данных;

вычисление над данными;

вставку новых записей;

удаление записей;

модификацию (изменение) данных.

Результатом выполнения запроса является новая таблица, называемая ответной (первые две операции), или обновленная исходная таблица (остальные операции). В реальных приложениях баз данных QBE используется в основном для выборки данных.

Выборка, вставка, удаление и модификация могут производиться безусловно или в соответствии с условиями, задаваемыми с помощью логических выражений. Вычисления над данными задаются с помощью арифметических выражений и порождают в ответных таблицах новые поля, называемые вычисляемыми.

Запросная форма обычно имеет вид таблицы, имя и названия полей которой совпадают с именем и названиями полей соответствующей исходной

таблицы. Чтобы узнать имена доступных таблиц БД, в языке QBE предусмотрен запрос на выборку имен таблиц. Названия полей исходной таблицы могут вводиться в шаблон вручную или автоматически. Во втором случае используется запрос на выборку заголовков столбцов.

В современных СУБД, например, в Access и Visual FoxPro, многие действия по подготовке запросов с помощью языка QBE выполняются визуально с помощью мыши. В частности, визуальное связывание таблиц при подготовке запроса выполняется не элементами примеров, а просто "протаскиванием" мышью поля одной таблицы к полю другой.

По возможностям манипулирования данными при описании запросов указанные языки практически эквивалентны. Более того, на практике запрос, составленный на QBE, обычно транслируется в SQL - запрос и лишь затем выполняется.

Главное отличие между данными языками заключается в способе формирования запросов: язык QBE предполагает ручное или визуальное формирование запроса, в то время как использование SQL означает программирование запроса.