01 Лекция - Файловые системы Понятие СУБД

ЛЕКЦИЯ 1. Файловые системы. Понятие СУБД. Функции

СУБД

1.1Введение. Понятие о данных как о ресурсе

1.2Понятие БД и СУБД

1.3Уровни абстракции в СУБД. Функции абстрактных данных

1.4Представления

1.5Функции СУБД

1.6Экспертные системы и базы знаний

1.1Введение. Понятие о данных как о ресурсе

Очевидно, что в большинстве областей человеческой деятельности, свя-

занных с функционированием любой организации (предприятия, банка, учеб-

ного заведения и т.д.), принятие производственного решения основывается на анализе и использовании имеющихся ресурсов (например, финансовых, мате-

риальных, трудовых). Для того, чтобы использование ресурсов было опти-

мальным, ими нужно уметь эффективно управлять. Управление ресурсами в общем случае(вне зависимости от видов ресурсов) означает способность к вы-

полнению над ними процедур планирования, распределения, поддержки и со-

хранения, экономного расходования, правильного потребления и интеграции

(возможности использования в различных целях). Для успешного решения этих задач необходимо всесторонне изучить свойства ресурсов. Рассмотрим примеры наиболее известных ресурсов.

Финансовые ресурсы. Для реализации управленческих процедур необ-

ходима, по крайней мере, следующая информация о свойствах финансовых потоков:

•какие средства доступны,

•сколько израсходовано,

•откуда поступают,

•куда направляются.

Ответственным управляющим лицом является главный бухгалтер.

Обычный инструмент для принятия решений(информационная среда, инфор-

мационное хранилище) – бухгалтерская книга с информацией о денежных ре-

сурсах и сметы, позволяющие определить, куда направлены средства, откуда они поступили, какое количество было израсходовано, сколько осталось.

Материальные ресурсы. Примером материальных ресурсов является сырье для производства изделий. Ответственный – допустим, коммерческий директор, отвечает за обеспечение производства требуемым количеством сы-

рья нужного вида. Необходимая информация:

•какие материалы имеются в наличии,

•откуда поступают,

•куда направляются,

•сроки реализации заказов.

Примером хранилища информации о материальных ресурсах является инвентарная книга.

Трудовые (кадровые) ресурсы. Ответственный за управление – начальник отдела кадров. Хранилище– картотека личных дел, содержит сле-

дующую информацию:

•общее число сотрудников,

•о каждом сотруднике – его профессия, образование, стаж работы, долж-

ность, местонахождение рабочего места и т.д.

Просматривая картотеку, можно определить прошлые достижения со-

трудников, их ценность для предприятия, возможность продвижения по службе и т.п.

Таким образом, для управления каждым из перечисленных видов ресур-

сов необходимо:

•определить свойства ресурса;

•выделить среду хранения;

•назначить ответственное управляющее лицоадминистратора ресурса;

•реализовать вышеперечисленные процедуры управления.

1.1.1Данные как ресурс.

Очевидно, что информация, необходимая для управления любым из ука-

занных ресурсов, извлекается из собранных, проанализированных и храня-

щихся данных о свойствах искомого ресурса. Возможность моделирования

(представления) в памяти ЭВМ любого хранилища (бухгалтерской и инвен-

тарной книги, картотеки и т.п.) позволяет рассматривать сами данные как один из видов ресурсов.

Очевидно, что использование данных как ресурса предполагает:

•представление самого понятия “данные”;

•умение их собирать и анализировать;

•определение природы и свойств данных, для чего необходимо знать,

как и с какой целью они применяются, где находятся, откуда поступают и т.п.;

таким образом, для управления данными необходимо иметь о них как можно больше сведений;

• наличие среды хранения полученных сведений, которые могут надежно сохраняться только при наличии четких процедур накопления, пла-

нирования и ведения данных;

•возможность после сбора и организации сведений получения доступа

кресурсу данных всюду, где нужна информация, требуемая для управления другими ресурсами, то есть интегрирование данных;

•наличие администратора данных.

Исторически рассмотрение данных как ресурса стало возможным с по-

явлением внешних запоминающих устройств и размещением на них наборов данных, организованных в виде файлов.

1.1.2Файловые системы и базы данных

Численные и информационные прикладные системы

В истории вычислительной техники можно выделить две основных об-

ласти ее использования:

• Применение вычислительной техники для выполнения численных рас-

четов, которые слишком долго или вообще невозможно производить вручную.

Эта область связана, в основном, с развитием методов численного решения сложных математических задач и класса языков программирования, ориенти-

рованных на удобную запись численных алгоритмов.

• Использование средств вычислительной техники в автоматических или автоматизированных информационных системах. В самом широком смысле информационная система представляет собой программно-аппаратный ком-

плекс, функции которого состоят в надежном хранении информации в памяти компьютера, выполнении специфических для данного приложения преобразо-

ваний информации и/или вычислений, предоставлении пользователям удоб-

ного и легко осваиваемого интерфейса. Обычно такие системы имеют дело с большими объемами информации, и эта информация имеет достаточно слож-

ную структуру. Классическими примерами информационных систем являются банковские системы, системы резервирования авиационных или железнодо-

рожных билетов, мест в гостиницах и т. д.

Вторая область использования вычислительной техники возникла не-

сколько позже первой. Это связано с тем, что на заре вычислительной техники возможности компьютеров по хранению информации были очень ограничен-

ными. Говорить о надежном и долговременном хранении информации можно только при наличии запоминающих устройств, сохраняющих информацию по-

сле выключения электрического питания. В первых компьютерах использова-

лись два вида устройств внешней памятимагнитные ленты и барабаны. Ем-

кость магнитных лент достаточно велика, но по своей физической природе они обеспечивают только последовательный доступ к данным. Магнитные же ба-

рабаны дают возможность произвольного доступа к данным, но имеют огра-

ниченный размер.

Эти ограничения не являлись слишком существенными для чисто чис-

ленных расчетов. Даже если программа должна обработать(или произвести)

большой объем информации, при программировании можно продумать распо-

ложение этой информации во внешней памяти (например, на последователь-

ной магнитной ленте), обеспечивающее эффективное выполнение этой про-

граммы.

Но для информационных систем, в которых потребность в текущих дан-

ных определяется конечным пользователем, наличие только магнитных лент и барабанов неудовлетворительно.

Представьте себе покупателя билета, который, стоя у кассы, должен до-

ждаться полной перемотки магнитной ленты. Одним из естественных требо-

ваний к таким системам является удовлетворительная средняя скорость вы-

полнения операций.

С появлением магнитных дисков началась история систем управления данными во внешней памяти, поскольку именно эти устройства, обеспечивая удовлетворительную скорость доступа к данным в режиме произвольной вы-

борки, в настоящее время обладают практически неограниченной памятью.

1.1.3Файловые системы

Известны два подхода к организации информационных массивов: фай-

ловая организация и организация в виде базы данных. С точки зрения приклад-

ной программы, файл – это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные. Система управле-

ния файлами берет на себя распределение внешней памяти, отображение имен файлов в соответствующие адреса во внешней памяти и обеспечение доступа к данным.

Прежде всего, файлы применяются для хранения текстовых данных: до-

кументов, текстов программ и т. д. Такие файлы обычно образуются и моди-

фицируются с помощью различных текстовых и графических редакторов.

Структура текстовых файлов обычно очень проста: это либо последователь-

ность записей, содержащих строки текста, либо последовательность байтов,

среди которых встречаются специальные символы(например, символы конца строки).

Рассмотрим несколько примеров.

Пример 1. Файлы с текстами программ (исходные файлы) являются входными параметрами компиляторов, которые, в свою очередь, формируют файлы, содержащие объектные модули. С точки зрения файловой системы, как исходные, так и объектные файлы обладают абсолютно стандартной структу-

рой - это последовательности байтов. Конечно, система программирования определяет более сложную и специфичную структуру объектного модуля. При этом логическая структура объектного модуля неизвестна файловой системе,

эта структура поддерживается программами системы программирования.

Пример 2. Аналогично обстоит дело с файлами, формируемыми редак-

торами связей (компоновщиками выполняемых программ). На вход редактора связей поступают объектные модули, а на выходе строятся файлы-образы вы-

полняемых программ (загрузочные модули). Логическая структура таких фай-

лов остается известной только компоновщику и программе-загрузчику, явля-

ющимися компонентами операционной системы, и не известна системе управ-

ления файлами.

Пример3. Прикладная программа, обрабатывающая собственные файлы.

Очевидно, что и в этом случае логическая структура файлов известна только этой обрабатывающей программе (как результат умственной деятельности разработчика).

Таким образом, файловая организация предполагает специализацию и хранение информации, ориентированной, как правило, на одну прикладную задачу, и обеспечивается самим программистом.

Достоинства и недостатки файловой организации

Достоинства:

• Файловые системы обычно обеспечивают хранение слабо структури-

рованной информации, оставляя дальнейшую структуризацию обрабатываю-

щим программам. В некоторых случаях использования файлов это даже хо-

рошо, потому что при разработке любой новой прикладной системы, опираясь

на простые, стандартные и сравнительно дешевые средства файловой си-

стемы, можно реализовать те структуры хранения, которые наиболее есте-

ственно соответствуют специфике соответствующей прикладной области.

• Файловая организация позволяет достигнуть высокой скорости обра-

ботки.

Недостатки:

•Узкая специализация как обрабатывающих программ, так и файловых данных, что служит причиной большой избыточности, так как одни и те же элементы данных хранятся в разных программных системах.

•Возможность наличия противоречивости данных, когда для выполне-

ния одних и тех же операций над однотипными данными, хранящихся в раз-

ных файлах, требуются разные программы.

• Частое нарушение целостности данных, когда логически идентичные элементы данных в разных частных файлах имеют разные типы значений

(например, Real и Integer), что может привести к расхождению в отчетах, по-

лученных с помощью ЭВМ.

1.1.4Файлы и информационные системы. Общее понятие о базе данных

Информационные системы главным образом ориентированы на хране-

ние, выбор и модификацию постоянно хранимой информации, как правило,

очень сложной структуры. На начальном этапе использования вычислитель-

ной техники проблемы структуризации данных решались индивидуально в каждой информационной системе путем создания необходимых надстроек

(библиотек программ) над файловыми системами, учитывающими специфику структур файлов для конкретной предметной области, причем эти индивиду-

альные средства управления данными составляли существенную часть инфор-

мационных систем. Однако, несмотря на то, что структуры данных различны в разных информационных системах, между ними часто бывает много общего.

Разумным представлялось выделить общую часть информационных систем,

ответственную за управление сложно структурированными данными, в виде

•доступа к файлу по значению(возможно, и не уникальному) поля Сотр_имя,

•выбора всех записей с общем заданным значением поля Сотр_отд_номер, то есть доступ по неуникальным ключам.

Очевидно, для того, чтобы получить численность отдела или общий размер зар-

платы, информационная система должна будет каждый раз выбирать все записи о со-

трудниках отдела и подсчитывать соответствующие общие значения.

Таким образом, для реализации даже такой простой системы на базе файловой си-

стемы, во-первых, требуется создание достаточно сложной надстройки, обеспечиваю-

щей многоключевой доступ к файлам, и, во-вторых, неизбежны существенная избыточ-

ность хранения (для каждого сотрудника данного отдела повторяется имя руководителя отдела) и выполнение массовой выборки и вычислений для получения сводной информации об отделах.

Кроме того, если в ходе эксплуатации системы возникнет потребность, например,

выдавать списки сотрудников, получающих заданную зарплату, то придется либо полно-

стью просматривать файл, либо реструктуризовывать (менять структуру) его, объявляя ключевым поле Сотр_зарп и упорядочивая записи файла по значениям этого нового ключа.

Возможным путем повышения эффективности работы данной системы была бы поддержка двух многоключевых файлов СОТРУДНИКИ и ОТДЕЛЫ: первый файл должен содержать поля Сотр_имя, Сотр_номер, Сотр_стат, Сотр_зарп и Сотр_отд_номер, а

второй

- Отд_номер, Отд_рук (имя руководителя отдела), Сотр_зарп (общий размер зар-

платы) и Отд_размер (общее число сотрудников в отделе). Тогда большая часть не-

удобств, перечисленных в предыдущем абзаце, будет преодолена. Каждый из файлов бу-

дет содержать только не дублируемую информацию, необходимость в динамических вы-

числениях сводной информации не возникнет.

Однако, теперь система должна знать, что она работает с двумя информационно связанными файлами, ей должны быть известны структура и смысл каждого поля(напри-

мер, что Сотр_отд_номер в файле СОТРУДНИКИ и Отд_номер в файле ОТДЕЛЫ озна-

чают одно и то же), а также понимать, что в ряде случаев изменение информации в од-

ном файле должно вызывать модификацию второго файла, чтобы общее содержимое файлов было согласованным. Например, если на работу принимается новый сотрудник, то необходимо добавить запись в файл СОТРУДНИКИ, а также соответствующим образом изменить поля Отд_зарп и Отд_размер в записи файла ОТДЕЛЫ, описывающей отдел этого сотрудника. Но если информационная система поддерживает согласованное хра-

нение информации в нескольких файлах, можно говорить о том, что она поддерживает

базу данных. Если же некоторая вспомогательная система управления данными позволяет работать с несколькими файлами, обеспечивая их согласованность, можно назвать ее си-

стемой управления базами данных(СУБД). Вообще, согласованность данных является клю-

чевым понятием баз данных.

Заметим, что одно только требование поддержки согласованности дан-

ных в нескольких файлах не позволяет обойтись библиотекой функций: такая система должна обладать некоторыми собственными данными (мета-дан-

ными, данными о данных) и даже знаниями, определяющими целостность дан-

ных.

Таким образом, использование файловых систем для удовлетворения сложных интегрированных запросов, требующих обработки большого коли-

чества разнотипных данных, за приемлемое время практически невозможно.

Возникает необходимость разделить программы и описания обрабатываемых ими данных, определить такую организацию хранения данных с учетом суще-

ствующих связей между ними, которая позволяла бы использовать эти данные одновременно для многих приложений. Понятие база данных(БД) и явилось выражением этого подхода. При такой организации в состав прикладной про-

граммы включаются лишь запросы к базе данных, записанные на соответству-

ющем языке. В запросе специфицируются (описываются) требования как о са-

мих данных, так и о форме их представления. Искомый запрос воспринимается СУБД, которая и осуществляет поиск затребованных данных в базе и преоб-

разование их представления.

Таким образом, БД может быть определена как:

Совокупность предназначенных для машинной обработки интегри-

рованных данных, служащая для удовлетворения нужд многих пользова-

телей.

В связи с концепцией баз данных еще раз подчеркнем два ключевых мо-

мента:

1. Информация уже не скрыта в сочетании “файл-программа”; она хра-

нится явным образом в БД. БД ориентирована на интегрированные запросы, а

не на одну задачу.