Основы БД

База данных — это упорядоченный набор структурированной информации, или данных, которые обычно хранятся в электронном виде в компьютерной системе. База данных обычно управляется системой управления базами данных (СУБД). Данные вместе с СУБД, а также приложения, которые с ними связаны, называются системой баз данных, или, для краткости, просто базой данных.

Данные в наиболее распространенных типах современных баз данных обычно формируются в виде строк и столбцов в ряде таблиц, чтобы обеспечить эффективность обработки и запросов данных. Затем можно легко получать доступ к данным, управлять ими, изменять, обновлять, контролировать и упорядочивать. В большинстве баз данных для записи и запросов данных используется язык структурированных запросов (SQL).

SQL — это язык программирования, используемый в большинстве реляционных баз данных для запроса, обработки и определения данных, а также контроля доступа.

Система управления базами данных (СУБД) – это комплекс программных и языковых средств, необходимых для создания баз данных, поддержания их в актуальном состоянии и организации поиска в них необходимой информации.

Концептуальная модель БД описывает сущности, их свойства и связи между ними; не зависит от конкретной СУБД.

Сущность (entity) – это реальный или представляемый тип объекта, информация о котором должна сохраняться и быть доступна. В диаграммах сущность представляется в виде прямоугольника, содержащего имя сущности. При этом имя сущности – это имя типа, а не некоторого конкретного экземпляра этого типа. Примеры сущностей: ФАКУЛЬТЕТ, ГРУППА, СТУДЕНТ. Каждый экземпляр сущности (объект) должен быть отличим от любого другого экземпляра той же сущности.

Пример экземпляров сущности ФАКУЛЬТЕТ: ПС, ФМ, АТ и т.п., сущности СТУДЕНТ: Иванов А.П., Петрова Н.Н. и т.п.

Связь (relationship) – это графически изображаемая ассоциация, устанавливаемая между двумя сущностями. Связь может существовать между двумя разными сущностями или между сущностью и ей же самой (рекурсивная связь). Возможны связи на основе отношений:

один-ко-многим:

Связь «содержит»: ГРУППА содержит много СТУДЕНТОВ. Каждый СТУДЕНТ входит только в одну ГРУППУ.

многие-ко-многим:

Связь «укушен»: СОБАКА может укусить много ЧЕЛОВЕК, ЧЕЛОВЕК может укусить много СОБАК.

один-к-одному:

Связь "один к одному" встречается редко. Например, у нас есть таблица с информацией о всех сотрудниках и таблица с информацией о всех торговых агентах, которые являются сотрудниками нашего предприятия. Записи в таких таблицах могут быть связаны отношением "один к одному".

Свойства сущностей

Сущности имеют свойства, которые называются атрибутами (attribute).

Например, атрибуты:

сущности ФАКУЛЬТЕТ:
- название;
- год создания;
сущности ГРУППА:
- номер;
сущности СТУДЕНТ:
- фамилия;
- имя;
- отчество;
- номер студенческого билета;
- номер паспорта;
- год рождения;
- месяц рождения;
- день рождения.

Любой атрибут принимает значения из некоторого множества допустимых значений, называемого доменом атрибута.

Например:

домен атрибута «год создания»: целые положительные числа;
домен атрибута «имя»: строка, не содержащая пробелов;
домен атрибута «год рождения»: целые положительные числа;
домен атрибута «месяц рождения»: январь, февраль, март … декабрь;
домен атрибута «день рождения»: целые числа от 1 до 31.

Ключ сущности

Ключ сущности (entity key), первичный ключ – это атрибут (или множество атрибутов) уникальным образом идентифицирующих экземпляр сущности (объект).

Например: ключ сущности СТУДЕНТ – номер студенческого билета, ключ ФАКУЛЬТЕТА – название. Если ключ состоит из одного атрибута, его называют простым ключом. Если ключ сущности состоит из нескольких атрибутов, его называют составным ключом.

Например, для сущности ДОМ с атрибутами «улица», «этажность», «год постройки», «номер дома», первичным ключом будет «улица»+ «номер дома».

Основные функции СУБД

управление данными во внешней памяти;
управление буферами оперативной памяти;
управление транзакциями;

Транзакция – в информатике – совокупность операций над данными, которая, с точки зрения обработки данных, либо выполняется полностью, либо совсем не выполняется. Транзакция – в информационных системах – последовательность логически связанных действий, переводящих информационную систему из одного состояния в другое. Транзакция либо должна завершиться полностью, либо система должна быть возвращена в исходное состояние.

журнализация и восстановление БД после сбоев;
поддержание языков БД.

Виды моделей данных

Организация данных рассматривается с позиций той или иной модели данных. Модель данных является ядром любой базы данных. С помощью модели данных могут быть представлены объекты предметной области и взаимосвязи между ними.

Модель данных – совокупность структур данных, ограничений целостности и операций манипулирования данными. Модели используются для представления данных в информационных системах.

Различают три типа моделей данных, которые имеют множества допустимых информационных конструкций:

иерархическая;
сетевая;
реляционная.

Иерархическая модель данных

Иерархическая структура представляет совокупность элементов, связанных между собой по определенным правилам. Объекты, связанные иерархическими отношениями, образуют ориентированный граф (перевернутое дерево), вид которого представлен на рисунке:

Основные понятия иерархической структуры

Это – узел, уровень и связь.

Узел – это совокупность атрибутов данных, описывающих некоторый объект. На схеме иерархического дерева узлы представляются вершинами графа. Каждый узел на более низком уровне связан только с одним узлом, находящимся на более высоком уровне.

Иерархическое дерево имеет только одну вершину (корень дерева), не подчиненную никакой другой вершине и находящуюся на самом верхнем (первом) уровне. Зависимые (подчиненные) узлы находятся на втором, третьем и т.д. уровнях. К каждой записи базы данных существует только один (иерархический) путь от корневой записи. Например, как видно из рисунке, для записи С4 путь проходит через записи ВЗ к А.

Пример иерархической структуры:

Сетевая модель данных

В сетевой структуре при тех же основных понятиях (уровень, узел, связь) каждый элемент может быть связан с любым другим элементом.

На рисунке изображена сетевая структура базы данных в виде графа.

Пример сетевой структуры:

Примером сложной сетевой структуры может служить структура базы данных, содержащей сведения о студентах, участвующих в научно-исследовательских работах (НИРС). Возможно участие одного студента в нескольких НИРС, а также участие нескольких студентов в разработке одной НИРС. Графическое изображение описанной в примере сетевой структуры состоит только из двух типов записей.

Реляционная модель данных

Понятие реляционный (англ. relation –отношение) связано с разработками известного американского специалиста в области систем баз данных Е.Кодда.

Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Каждая реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:

каждый элемент таблицы – один элемент данных;
все столбцы в таблице однородные, т.е. все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный и т.д.) и длину;
каждый столбец имеет уникальное имя (заголовки столбцов являются названиями полей в записях);
одинаковые строки в таблице отсутствуют;
порядок следования строк и столбцов может быть произвольным.

Отношение – это плоская таблица, содержащая N столбцов, среди которых нет одинаковых. N – это степень отношения, или арностьотношения. Столбец отношения соответствует атрибуту сущности. Кортеж – строка отношения (соответствует записи в таблице).

Пример реляционной модели

Отношения представлены в виде таблиц, строки которых соответствуют кортежам или записям, а столбцы – атрибутам отношений, доменам, полям.

Поле, каждое значение которого однозначно определяет соответствующую запись, называется простым ключом (ключевым полем).

Если записи однозначно определяются значениями нескольких полей, то такая таблица базы данных имеет составной ключ.В примере ключевым полем таблицы является "№ личного дела".