Язык организации данных субд предназначен для описания. Языковые средства субд: яод и ямд. Функциональные возможности субд

СУБД – спец. пакет программ, с помощью которого реализуется централизованное управление БД и обеспечивается доступ к данным. В состав СУБД входят трансляторы или интерпретаторы с языков описания или манипулирования данными.

ЯОД – язык описания данных, предназначен для описания схемы БД, описание типов данных подлежащих хранению или выборке, их структур и связей.

ЯМД – система команд навигации и манипулирования данными, имеет следующие команды: редактировать, добавить, удалить, выбрать. Обоснование необходимости использования СУБД:

1. организация файлов БД как на логическом, так и на физическом уровне, является не стандартной для обычных языков программирования;
2. доступ к данным БД основан на спец. методах и требует знания алгоритмов;
3. обработка реляционных БД основана на операциях реляционной алгебры, которой нет ни в одном языке программирования;
4. специальная обработка БД – поддержка целостности, непротиворечивости и не избыточности, совместное использование данных. Частично или полностью м.б. реализовано в СУБД и практически нереально в стандартных языках.

Функции СУБД:

1. управление БД;
2. разработка, отладка и выполнение прикладных программ;
3. выполнение вспомогательных функций.

Этапы управления доступом с использованием СУБД:

1. пользователь формирует запрос к БД на языке описания данных;
2. СУБД воспринимает запрос и интерпретирует его;
3. СУБД анализирует по очереди все схемы и отображения от внешней до внутренней, используя язык манипулирования;
4. СУБД выполняет необходимые операции над хранимыми данными (с помощью ЯМД) и формирует внешнюю запись в направлении снизу вверх, которая в общем случае и выдается пользователю на ЯОД.

Существует несколько классификационных групп для СУБД.
Классификация СУБД:

1. По степени открытости:

Открытые (можно дописывать собственные приложения);
- закрытые (система запросов). СУБД позволяет использовать только непроцедурный язык запросов.

2. По степени процедурности:

Процедурные. Можно использовать языки высокого уровня, либо в составе своих программ, либо в качестве отдельных модулей;
- декларативные. Только уровень запроса.

3. По используемому математическому аппарату:

Использующие реляционную алгебру;
- использующие исчисление на картежах;
- использующие исчисление на доменах.

4. По используемым языкам:

С базовым языком. Язык не поддается развитию, свой, внутренний язык. Хар-ся тем, что не содержит в своем составе традиционных языков программирования, а имеет только непроцедурный язык запросов;

С включающими языками. В качестве языка используют один из традиционных языков программирования, на котором пишется прикладная программа, которая может имитировать команды ЯМД одним из следующих способов: 1) путем вызова спец. подпрограмм СУБД; 2)путем использования спец. операторов, включающих операторы алгоритмического языка;

Комбинированные. Реализуют достоинства систем перечисленных выше типов;

Унифицированные. В таких системах язык запросов может использоваться неявно или в составе включающего языка.

5. По используемой модели данных:

Сетевая;
- иерархическая;
- реляционная.

СУБД - это совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями. Функции СУБД - это описание данных, манипулирование данными, их использование. Данные функции реализуются благодаря наличию у СУБД языка описания данных (ЯОД), языка манипулирования данными (ЯМД) и языка запросов.

ЯОД включает язык логического описания данных и язык описания физических данных. Язык логического описания данных предусматривает идентификацию файлов БД, объектов БД, полей БД и их типов; определяет длину записей, полей, порядок полей в записи, диапазоны допустимых значений полей и др. Используя этот язык, пользователь формирует свой взгляд на БД – создается логическая БД. Язык описания физических данных определяет способы размещения данных на машинных носителях, способы их адресации и поиска. Посредством этого языка формируется взгляд системы на БД – создается физическая БД.

ЯМД дает возможность реорганизации данных в базе (добавления новых, удаления ненужных, обновления существующих).

Язык запросов обеспечивает доступ к данным и извлечение их по запросам пользователей.

Языковые средства могут быть реализованы различными способами: синтаксическими конструкциями (командами), меню, диалоговыми сценариями, таблицами.

У многих СУБД возможности описания, манипулирования и чтения данных объединены в единых синтаксических рамках - рамках языка SQL, широко используемого как языка баз данных.

Часто пользователю требуется более сложная аналитическая обработка данных базы, не достигаемая через систему меню СУБД. В этом случае приходится разрабатывать прикладные программы. Для их создания СУБД имеют встроенный язык программирования .

Благодаря языковым средствам обеспечивается доступ пользователей к БД в абстрактных терминах, не связанных со способами хранения данных в компьютере.

Программные средства СУБД обеспечивают работу с физической БД и выполнение всех ее функций, реализуют функции хранения, изменения и обработки данных. Программные компоненты: – менеджер данных; – менеджер буферов; – менеджер транзакций и т.д.

Благодаря своим развитым функциональным возможностям СУБД используются в качестве мощного инструментального средства для создания и ведения информационной БД автоматизированных информационных систем (АИС), позволяющие сокращать сроки их разработки, экономить трудовые, материальные и финансовые ресурсы.

16. Архитектура субд. Средства проектирования, подсистема обработки, ядро субд.

Функции СУБД: 1) определение данных (определение структуры данных, их типа, связей между данными и другие вопросы); 2) обработки данных (сортировка, фильтрация, вычисления, группировка и т.д.); 3) управления данными (организация защиты, восстановление в случае повреждения, обеспечение целостности данных.).

1.Аппаратное обеспечение. Для работы СУБД обычно требуется некоторый минимум оперативной и дисковой памяти, но такой минимальной конфигурации может оказаться совершенно недостаточно для достижения приемлемой производительности системы.

2.Программное обеспечение. Этот компонент включает операционную систему, программное обеспечение самой СУБД, прикладные программы, включая и сетевое программное обеспечение, если СУБД используется в сети.

3.Данные – наиболее важный компонент с точки зрения конечных пользователей. База данных содержит как рабочие данные, так и метаданные, т.е. "данные о данных".

4.Процедуры, к которым относят регистрацию в СУБД; использование отдельного инструмента СУБД или приложения; запуск и останов СУБД; создание резервных копий СУБД; обработка сбоев аппаратного и программного обеспечения.

5.Пользователи: клиенты БД, администратор БД, прикладные программисты.

Современные СУБД различаются по своим характеристикам и выполняемым ими функциям. Однако практически во всех из них можно выделить три компонента: 1) подсистема средств проектирования; 2) подсистема средств обработки; 3) ядро СУБД.

Подсистема средств проектирования представляет собой набор инструментов, обеспечивающих проектирование и реализацию баз данных и их приложений. Обычно включает в себя средства для создания таблиц, форм, запросов и отчетов.

Подсистема обработки обеспечивает работу с компонентами, созданными с помощью средств проектирования. Это – процессор форм, процессор запросов, генератор отчетов, средства обработки, основанные на процедурных языках.

Ядро системы выполняет функцию посредника между подсистемами проектирования и обработки и данными. Ядро СУБД получает запросы от двух других компонентов и преобразует их в команды операционной системы, выполняющие запись и чтение данных с физического устройства. Ядро является основной резидентной частью СУБД. Оно обладает собственным интерфейсом, не доступным непосредственно пользователям.

Современная СУБД содержит в своем составе программные средства создания баз данных, средства работы с данными и дополнительные сервисные средства (рис. 3.10).

Рис. 3.10.

Для работы с базами данных используются специальные языки. В ранних СУБД поддерживалось несколько специализированных по своим функциям языков. Чаще всего выделялись два языка: ЯОД (язык описания данных, или язык определения схемы БД) и ЯМД (язык манипулирования данными). ЯОД служил главным образом для определения логической структуры БД, т.е. той структуры БД, какой она представляется пользователям. ЯМД содержал набор операторов манипулирования данными, т.е. операторов, позволяющих заносить данные в БД, удалять, модифицировать или выбирать существующие данные.

Таким образом, с помощью средств создания БД проектировщик, используя ЯОД, переводит логическую модель БД в физическую структуру, а на ЯМД разрабатывает программы, реализующие основные операции с данными (в реляционных БД это реляционные операции). При проектировании привлекаются визуальные средства, т.е. объекты и программа-отладчик, с помощью которых соединяются и тестируются отдельные блоки разработанной программы управления конкретной БД.

Средства работы с данными предназначены для пользователя. Они позволяют установить удобный, как правило, графический многооконный интерфейс с пользователем, создать необходимую функциональную конфигурацию экранного представления выводимой и вводимой информации (цвет, размер и количество окон, пиктограммы и т.д.), производить операции с данными, манипулируя текстовыми и графическими объектами.

Сервисные средства позволяют при проектировании и использовании БД привлечь другие системы, например воспользоваться текстом из редактора Word, таблицей из табличного процессора Excel или обратиться к сетевому серверу.

В современных СУБД обычно поддерживается единый интегрированный язык, содержащий все необходимые средства для работы с БД, начиная от ее создания, и обеспечивающий базовый пользовательский интерфейс с базами данных. Стандартным языком наиболее распространенных в настоящее время реляционных СУБД является язык SQL. Язык SQL сочетает средства ЯОД и ЯМД, т.е. позволяет определять схему реляционной БД и манипулировать данными . С примерами, поясняющими основные операторы (инструкции) языка и «диалекта» SQL, разработанного компанией Microsoft, можно ознакомиться в учебных пособиях .

Наименование объектов БД (для реляционной БД - наименование таблиц и полей) поддерживается на языковом уровне таким образом, что компилятор языка SQL производит преобразование имен объектов в их внутренние идентификаторы на основании специально поддерживаемых служебных таблиц каталогов. Внутренняя часть СУБД (ядро) вообще не работает с именами таблиц и полей.

Язык SQL содержит специальные средства определения ограничений целостности БД. Ограничения целостности также хранятся в специальных таблицах-каталогах. Обеспечение контроля целостности БД производится на языковом уровне, т.е. при компиляции операторов модификации БД (вставке, удалении, обновлении записи) компилятор SQL на основании имеющихся в БД ограничений целостности генерирует соответствующий программный код.

Специальные операторы языка SQL позволяют определять гак называемые представления БД, фактически являющиеся хранимыми в БД запросами (результатом любого запроса к реляционной БД является таблица) с поименованными столбцами.

Наконец, авторизация доступа к объектам БД производится также на основе специального набора операторов SQL. Для выполнения операторов SQL разного вида пользователь должен обладать различными полномочиями. Пользователь, создавший таблицу БД, обладает полным набором полномочий для работы с этой таблицей. Полномочия пользователей описываются в специальных таблицах-каталогах, и контроль полномочий поддерживается на языковом уровне.

Диапазон в запросах, помимо значения ALL (по умолчанию), может принимать значение:

• для отдельной таблицы - DISTINCT - указывает на исключения из результирующего запроса, содержащего не все поля, повторяющиеся записи;
• DISTINCTROW - используется, как правило, для связанных таблиц в запросах, содержащих не все поля таблиц, опускает целиком повторяющиеся записи;
• ТОР п - используется, как правило, при наличии сортировки: ORDER BY... - выводит п первых отсортированных записей; ORDER BY... WHERE . Если не использовать ORDER BY, то система возвратит п произвольных записей.

• SQL.ru. URL: http://www.sql.ru.

Для работы с базами данных используются специальные языки, в целом называемые языками баз данных . В ранних СУБД поддерживалось несколько специализированных по своим функциям языков. Чаще всего выделялись два языка - язык определения схемы БД (SDL - Schema Definition Language) и язык манипулирования данными (DML - Data Manipulation Language). SDL служил главным образом для определения логической структуры БД, т.е. той структуры БД, какой она представляется пользователям. DML содержал набор операторов манипулирования данными, т.е. операторов, позволяющих заносить данные в БД, удалять, модифицировать или выбирать существующие данные. Мы рассмотрим более подробно языки ранних СУБД в следующей лекции.

В современных СУБД обычно поддерживается единый интегрированный язык, содержащий все необходимые средства для работы с БД, начиная от ее создания, и обеспечивающий базовый пользовательский интерфейс с базами данных. Стандартным языком наиболее распространенных в настоящее время реляционных СУБД является язык SQL (Structured Query Language). В нескольких лекциях этого курса язык SQL будет рассматриваться достаточно подробно, а пока мы перечислим основные функции реляционной СУБД, поддерживаемые на "языковом" уровне (т.е. функции, поддерживаемые при реализации интерфейса SQL).

Прежде всего, язык SQL сочетает средства SDL и DML, т.е. позволяет определять схему реляционной БД и манипулировать данными. При этом именование объектов БД (для реляционной БД - именование таблиц и их столбцов) поддерживается на языковом уровне в том смысле, что компилятор языка SQL производит преобразование имен объектов в их внутренние идентификаторы на основании специально поддерживаемых служебных таблиц-каталогов. Внутренняя часть СУБД (ядро) вообще не работает с именами таблиц и их столбцов.

Язык SQL содержит специальные средства определения ограничений целостности БД. Опять же, ограничения целостности хранятся в специальных таблицах-каталогах, и обеспечение контроля целостности БД производится на языковом уровне, т.е. при компиляции операторов модификации БД компилятор SQL на основании имеющихся в БД ограничений целостности генерирует соответствующий программный код.

Специальные операторы языка SQL позволяют определять так называемые представления БД, фактически являющиеся хранимыми в БД запросами (результатом любого запроса к реляционной БД является таблица) с именованными столбцами. Для пользователя представление является такой же таблицей, как любая базовая таблица, хранимая в БД, но с помощью представлений можно ограничить или наоборот расширить видимость БД для конкретного пользователя. Поддержание представлений производится также на языковом уровне.

Наконец, авторизация доступа к объектам БД производится также на основе специального набора операторов SQL. Идея состоит в том, что для выполнения операторов SQL разного вида пользователь должен обладать различными полномочиями. Пользователь, создавший таблицу БД, обладает полным набором полномочий для работы с этой таблицей. В число этих полномочий входит полномочие на передачу всех или части полномочий другим пользователям, включая полномочие на передачу полномочий. Полномочия пользователей описываются в специальных таблицах-каталогах, контроль полномочий поддерживается на языковом уровне.

Более точно, к числу функций СУБД принято относить следующие:

1. Непосредственное управление данными во внешней памяти

Эта функция включает обеспечение необходимых структур внешней памяти как для хранения данных, непосредственно входящих в БД, так и для служебных целей, например, для ускорения доступа к данным в некоторых случаях (обычно для этого используются индексы). В некоторых реализациях СУБД активно используются возможности существующих файловых систем, в других работа производится вплоть до уровня устройств внешней памяти . Но подчеркнем, что в развитых СУБД пользователи в любом случае не обязаны знать, использует ли СУБД файловую систему, и если использует, то как организованы файлы. В частности, СУБД поддерживает собственную систему именования объектов БД .

2. Управление буферами оперативной памяти

СУБД обычно работают с БД значительного размера; по крайней мере, этот размер обычно существенно больше доступного объема оперативной памяти. Понятно, что если при обращении к любому элементу данных будет производиться обмен с внешней памятью, то вся система будет работать со скоростью устройства внешней памяти . Практически единственным способом реального увеличения этой скорости является буферизация данных в оперативной памяти. При этом, даже если операционная система производит общесистемную буферизацию (как в случае ОС UNIX ), этого недостаточно для целей СУБД , которая располагает гораздо большей информацией о полезности буферизации той или иной части БД . Поэтому в развитых СУБД поддерживается собственный набор буферов оперативной памяти с собственной дисциплиной замены буферов.

Заметим, что существует отдельное направление СУБД , которое ориентировано на постоянное присутствие в оперативной памяти всей БД . Это направление основывается на предположении, что в будущем объем оперативной памяти компьютеров будет настолько велик, что позволит не беспокоиться о буферизации. Пока эти работы находятся в стадии исследований.

3. Управление транзакциями

Транзакция - это последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД как единое целое.

Либо транзакция успешно выполняется, и СУБД фиксирует изменения БД , произведенные этой транзакцией, во внешней памяти, либо ни одно из этих изменений никак не отражается на состоянии БД .

Понятие транзакции необходимо для поддержания логической целостности БД . Приведем пример информационной системы с файлами СОТРУДНИКИ и ОТДЕЛЫ, единственным способом не нарушить целостность БД при выполнении операции приема на работу нового сотрудника является объединение элементарных операций над файлами СОТРУДНИКИ и ОТДЕЛЫ в одну транзакцию. Таким образом, поддержание механизма транзакций является обязательным условием даже однопользовательских СУБД (если, конечно, такая система заслуживает названия СУБД ). Но понятие транзакции гораздо более важно в многопользовательских СУБД .

То свойство, что каждая транзакция начинается при целостном состоянии БД и оставляет это состояние целостным после своего завершения, делает очень удобным использование понятия транзакции как единицы активности пользователя по отношению к БД . При соответствующем управлении параллельно выполняющимися транзакциями со стороны СУБД каждый из пользователей может в принципе ощущать себя единственным пользователем СУБД (на самом деле, это несколько идеализированное представление , поскольку в некоторых случаях пользователи многопользовательских СУБД могут ощутить присутствие своих коллег).

4. Журнализация

Одним из основных требований к СУБД является надежность хранения данных во внешней памяти. Под надежностью хранения понимается то, что СУБД должна быть в состоянии восстановить последнее согласованное состояние БД после любого аппаратного или программного сбоя. Обычно рассматриваются два возможных вида аппаратных сбоев: так называемые мягкие сбои, которые можно трактовать как внезапную остановку работы компьютера (например, аварийное выключение питания), и жесткие сбои, характеризуемые потерей информации на носителях внешней памяти. Примерами программных сбоев могут быть: аварийное завершение работы СУБД ( по причине ошибки в программе или в результате некоторого аппаратного сбоя) или аварийное завершение пользовательской программы, в результате чего некоторая транзакция остается незавершенной. Первую ситуацию можно рассматривать как особый вид мягкого аппаратного сбоя; при возникновении последней требуется ликвидировать последствия только одной транзакции.

Понятно, что в любом случае для восстановления БД нужно располагать некоторой дополнительной информацией. Другими словами, поддержание надежности хранения данных в БД требует избыточности хранения данных, причем та часть данных, которая используется для восстановления, должна храниться особо надежно. Наиболее распространенным методом поддержания такой избыточной информации является ведение журнала изменений БД .

Журнал - это особая часть БД, недоступная пользователям СУБД и поддерживаемая с особой тщательностью (иногда поддерживаются две копии журнала, располагаемые на разных физических дисках), в которую поступают записи обо всех изменениях основной части БД. В разных СУБД изменения БД журнализуются на разных уровнях: иногда запись в журнале соответствует некоторой логической операции изменения БД (например, операции удаления строки из таблицы реляционной БД ), иногда - минимальной внутренней операции модификации страницы внешней памяти; в некоторых системах одновременно используются оба подхода.

Во всех случаях придерживаются стратегии "упреждающей" записи в журнал (так называемого протокола Write Ahead Log - WAL). Грубо говоря, эта стратегия заключается в том, что запись об изменении любого объекта БД должна попасть во внешнюю память журнала раньше, чем измененный объект попадет во внешнюю память основной части БД . Известно, что если в СУБД корректно соблюдается протокол WAL, то с помощью журнала можно решить все проблемы восстановления БД после любого сбоя.

Самая простая ситуация восстановления - индивидуальный откат транзакции. Строго говоря, для этого не требуется общесистемный журнал изменений БД . Достаточно для каждой транзакции поддерживать локальный журнал операций модификации БД , выполненных в этой транзакции, и производить откат транзакции, путем выполнения обратных операций, следуя от конца локального журнала. В некоторых СУБД так и делают, но в большинстве систем локальные журналы не поддерживают, а индивидуальный откат транзакции выполняют по общесистемному журналу, для чего все записи от одной транзакции связывают обратным списком (от конца к началу).

5. Поддержка языков БД

Для работы с базами данных используются специальные языки, в целом называемые языками баз данных. В ранних СУБД поддерживалось несколько специализированных по своим функциям языков. Чаще всего выделялись два языка

• язык определения схемы БД (SDL - Schema Definition Language) и
• язык манипулирования данными ( DML - Data Manipulation Language ).

SDL служил главным образом для определения логической структуры БД , т.е. той структуры БД , какой она представляется пользователям. DML содержал набор операторов манипулирования данными, т.е. операторов, позволяющих заносить данные в БД , удалять, модифицировать или выбирать существующие данные.

В современных СУБД обычно поддерживается единый интегрированный язык, содержащий все необходимые средства для работы с БД , начиная от ее создания, и обеспечивающий базовый пользовательский интерфейс с базами данных. Стандартным языком наиболее распространенных в настоящее время реляционных СУБД является язык запросов SQL (Structured Query Language ).

Язык SQL содержит специальные средства определения ограничений целостности БД . Опять же, ограничения целостности хранятся в специальных таблицах-каталогах, и обеспечение контроля целостности БД производится на языковом уровне, т.е. при компиляции операторов модификации БД компилятор SQL на основании имеющихся в БД ограничений целостности генерирует соответствующий программный код.

Специальные операторы языка SQL позволяют определять так называемые представления БД , фактически являющиеся хранимыми в БД запросами (результатом любого запроса к реляционной БД является таблица ) с именованными столбцами. Для пользователя представление является такой же таблицей, как любая базовая таблица , хранимая в БД , но с помощью представлений можно ограничить или наоборот расширить видимость БД для конкретного пользователя. Поддержание представлений производится также на языковом уровне.

Наконец, авторизация доступа к объектам БД производится также на основе специального набора операторов SQL . Идея состоит в том, что для выполнения операторов SQL разного вида пользователь должен обладать различными полномочиями. Пользователь , создавший таблицу БД , обладает полным набором полномочий для работы с этой таблицей. В число этих полномочий входит полномочие на передачу всех или части полномочий другим пользователям, включая полномочие на передачу полномочий. Полномочия пользователей описываются в специальных таблицах-каталогах, контроль полномочий поддерживается на языковом уровне.

Функциональные возможности СУБД

По степени универсальности различают два класса СУБД :

• системы общего назначения - реализованные как программный продукт, способный функционировать на ЭВМ в определённой операционной системе и поставляемый пользователям как коммерческое изделие;
• специализированные системы - создаваемые в случаях невозможности или не целесообразности использования СУБД общего назначения.

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

Рынок программного обеспечения ПК располагает большим числом разнообразных по своим функциональным возможностям коммерческих систем СУБД общего назначения.

СУБД - лидеры на рынке программ:

• dBASE IV, компании Borland International;
• Microsoft Access 2007;
• Microsoft FoxPro 2.6 for DOS;
• Microsoft FoxPro for Windows, Microsoft Corp:
• Paradox for DOS 4.5:
• Paradox for Windows, версия 4.5 Borland.

Производительность СУБД оценивается:

• временем выполнения запросов;
• скоростью поиска информации;
• временем выполнения операций импортирования данных из других форматов;
• скоростью выполнения таких операций как обновления, вставка, удаление данных;
• максимальным числом параллельных обращений к данным в многопользовательском режиме;
• временем генерации отчёта.

На производительность СУБД оказывают влияния 2 фактора:

• правильное проектирование
• построения БД.