Основы проектирования базы данных информационных систем (на примере супермаркета «ЭЛЬДОРАДО»)

Обобщая вышеизложенные цели, можно сказать, что основная цель проектирования БД – это сокращение избыточности хранимых данных, а следовательно, экономия объема используемой памяти, уменьшение затрат на многократные операции обновления избыточных копий и устранение возможности возникновения противоречий из-за хранения в разных местах сведений об одном и том же объекте. Так называемый, "чистый" проект БД ("Каждый факт в одном месте") можно создать, используя методологию нормализации отношений. И хотя нормализация должна использоваться на завершающей проверочной стадии проектирования БД, мы начнем обсуждение вопросов проектирования с рассмотрения причин, которые заставили Кодда создать основы теории нормализации.

3. Состав и функции систем управления базами данных.

В состав любой современной СУБД включаются средства описания структур баз данных информационного фонда, создаваемой ИС и средства манипулирования данными.

   В реляционных СУБД признаки, описывающие объект предметной области называются полями, а полное описание одного конкретного объекта совокупностью полей называется записью. Описание структуры реляционной базы данных представляет собой перечень всех полей данных с указанием уникального имени поля, типа хранимых данных, максимальной длины поля (если поле числовое, то указывается число позиций дробной части).

   Средства манипулирования  данными позволяют выполнять  операции по вводу, изменению  и удалению данных, а так же  реализации ЗАПРОСОВ. Запрос - вывод  данных, удовлетворяющих определенным  критериям, задаваемым пользователем. 

Существуют три вида общих запросов:

1. Проекция - вывод всех записей базы данных для указанных пользователем полей.
2. Выборка - вывод записей удовлетворяющих определенному пользователю условием по всем полям базы данных.
3. Смешанный запрос - вывод записей удовлетворяющих определенному пользователю условии по полям указанным пользователем.

Для ускорения процедур поиска записей  в базах данных создаются специальные  индексные файлы - файлы указывающие  порядок обработки записей (вывод, поиск, модификация).  Индексные файлы  содержат упорядоченные значения основных (ключевых) полей базы данных (или  комбинации значений полей), связанные с внутренним физическим номером соответствующих записей. Индексные файлы  используются при реализации отношений 1:N.

 В состав СУБД включают собственные языковые средства для реализации функций обработки данных (VFoxPro) или используют стандартные (VBasic). Это позволяет разработчику создавать наиболее эффективные приложения.

   Кроме перечисленных средств, в состав СУБД включены средства автоматизации программирования, называемые генераторами. Эти средства автоматически формируют тексты программ, реализующие в рамках СУБД те или иные фрагменты создаваемой пользователем конкретной ИС.

База данных предполагает наличие  комплекса программных средств, обслуживающих эту базу данных и  позволяющих использовать содержащуюся в ней информацию. Такие комплексы  программ называют СУБД. СУБД - это программная  система, поддерживающая наполнение и  манипулирование данными, представляющими  интерес для пользователей при  решении прикладных задач. Иными  словами, СУБД является интерфейсом  между базой данных и прикладными  задачами.

СУБД представляет собой оболочку, с помощью которой при организации  структуры таблиц и заполнения их данными получается та или иная база данных. В связи с этим полезно  поговорить о системе программно-технических, организационных и «человеческих» составляющих в «Таблице 1.3».

     Таблица 1.3 Система управления базами данных

 Программные средства включают  систему управления, обеспечивающую  ввод-вывод, обработку и хранение  информации, создание, модификацию  и тестирование БД, трансляторы.  Базовыми внутренними языками  программирования являются языки  четвертого поколения. В качестве  базовых языков могут использоваться C, C++, Pascal, Object Pascal.

Основные функции СУБД

Более точно, к числу функций  СУБД принято относить следующие:

 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 убыстрения 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.

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.

Управление транзакциями

Транзакция - это последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД как единое целое. Либо транзакция успешно выполняется, и СУБД фиксирует (COMMIT) 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. Если вспомнить наш пример информационной системы с файлами СОТРУДНИКИ и ОТДЕЛЫ, то 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).

С управлением транзакциями в многопользовательской  СУБД связаны важные понятия сериализации транзакций и сериального плана выполнения смеси транзакций. Под сериализаций параллельно выполняющихся транзакций понимается такой порядок планирования их работы, при котором суммарный эффект смеси транзакций эквивалентен эффекту их некоторого последовательного выполнения. Сериальный план выполнения смеси транзакций - это такой план, который приводит к сериализации транзакций. Понятно, что если удается добиться действительно сериального выполнения смеси транзакций, то для каждого пользователя, по инициативе которого образована транзакция, присутствие других транзакций будет незаметно (если не считать некоторого замедления работы по сравнению с однопользовательским режимом).

Существует несколько базовых  алгоритмов сериализации транзакций. В централизованных СУБД наиболее распространены алгоритмы, основанные на синхронизационных захватах объектов БД. При использовании любого алгоритма сериализации возможны ситуации конфликтов между двумя или более транзакциями по доступу к объектам БД. В этом случае для поддержания сериализации необходимо выполнить откат (ликвидировать все изменения, произведенные в БД) одной или более транзакций. Это один из случаев, когда пользователь многопользовательской СУБД может реально (и достаточно неприятно) ощутить присутствие в системе транзакций других пользователей.

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).

При мягком сбое во внешней памяти основной части БД могут находиться объекты, модифицированные транзакциями, не закончившимися к моменту сбоя, и могут отсутствовать объекты, модифицированные транзакциями, которые  к моменту сбоя успешно завершились (по причине использования буферов  оперативной памяти, содержимое которых  при мягком сбое пропадает). При соблюдении протокола WAL во внешней памяти журнала должны гарантированно находиться записи, относящиеся к операциям модификации обоих видов объектов. Целью процесса восстановления после мягкого сбоя является состояние внешней памяти основной части БД, которое возникло бы при фиксации во внешней памяти изменений всех завершившихся транзакций и которое не содержало бы никаких следов незаконченных транзакций. Для того, чтобы этого добиться, сначала производят откат незавершенных транзакций (undo), а потом повторно воспроизводят (redo) те операции завершенных транзакций, результаты которых не отображены во внешней памяти. Этот процесс содержит много тонкостей, связанных с общей организацией управления буферами и журналом. Более подробно мы рассмотрим это в соответствующей лекции.

Для восстановления БД после жесткого сбоя используют журнал и архивную копию БД. Грубо говоря, архивная копия - это полная копия БД к моменту  начала заполнения журнала (имеется  много вариантов более гибкой трактовки смысла архивной копии). Конечно, для нормального восстановления БД после жесткого сбоя необходимо, чтобы журнал не пропал. Как уже  отмечалось, к сохранности журнала  во внешней памяти в СУБД предъявляются  особо повышенные требования. Тогда  восстановление БД состоит в том, что исходя из архивной копии по журналу воспроизводится работа всех транзакций, которые закончились к моменту сбоя. В принципе, можно даже воспроизвести работу незавершенных транзакций и продолжить их работу после завершения восстановления. Однако в реальных системах это обычно не делается, поскольку процесс восстановления после жесткого сбоя является достаточно длительным.