17. Фундаментальные понятия теории баз данных и систем управления базами данных

Понятие информационной системы. Виды структур данных. Виды баз данных. Состав и функции систем управления базами данных. Вопросы программирования структуры баз данных.

Информационная система — это взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации. В современных условиях основным техническим средством обработки информации является персональный компьютер. Большинство современных информационных систем преобразуют не информацию, а данные. Поэтому часто их называют системами обработки данных. Цель любой информационной системы — обработка информации конкретной предметной области. Под предметной областью понимается совокупность связанных между собой функций, задач управления в некоторой области деятельности предприятия, с помощью которых достигается выполнение поставленной цели. По степени механизации процедур преобразования информации системы обработки данных делятся на: системы ручной обработки, механизированные, автоматизированные, системы автоматической обработки данных. Важнейшими принципами построения эффективных информационных систем являются следующие. Принцип интеграции, заключающийся в том, что обрабатываемые данные, однажды введенные в систему, многократно используются для решения большого числа задач. Принцип системности, заключающийся в обработке данных в различных аспектах, чтобы получить информацию, необходимую для принятия решений на всех уровнях управления. Принцип комплексности, заключающийся в механизации и автоматизации процедур преобразования данных на всех этапах функционирования информационной системы. Информационные системы также классифицируются: 1) по функциональному назначению: производственные, коммерческие, финансовые, маркетинговые и др.; 2) по объектам управления: информационные системы автоматизированного проектирования, управления технологическими процессами, управления предприятием (офисом, фирмой, корпорацией, организацией) и т.п.; 3) по характеру использования результатной информации: информационно-поисковые (предназначены для сбора, хранения и выдачи информации по запросу пользователя), информационно-советующие (предлагают пользователю определенные рекомендации для принятия решений (системы поддержки принятия решений)), информационно-управляющие (их результатная информация непосредственно участвует в формировании управляющих воздействий). Структуру информационных систем составляет совокупность отдельных ее частей, называемых подсистемами. Функциональные подсистемы реализуют и поддерживают модели, методы и алгоритмы получения управляющей информации. Состав функциональных подсистем весьма разнообразен и зависит от предметной области использования информационной системы, специфики хозяйственной деятельности объекта, управления. В состав обеспечивающих подсистем обычно входят: информационное обеспечение — методы и средства построения информационной базы системы, включающее системы классификации и кодирования информации, унифицированные системы документов, схемы информационных потоков, принципы и методы создания баз данных; техническое обеспечение — комплекс технических средств, задействованных в технологическом процессе преобразования информации в системе. В первую очередь это вычислительные машины, периферийное оборудование, аппаратура и каналы передачи данных; программное обеспечение включает в себя совокупность программ регулярного применения, необходимых для решения функциональных задач, и программ, позволяющих наиболее эффективно использовать вычислительную технику, обеспечивая пользователям наибольшие удобства в работе; математическое обеспечение — совокупность математических методов, моделей и алгоритмов обработки информации, используемых в системе; лингвистическое обеспечение — совокупность языковых средств, используемых в системе с целью повышения качества ее разработки и облегчения общения человека с машиной. Организационные подсистемы по существу относятся также к обеспечивающим подсистемам, но направлены в первую очередь на обеспечение эффективной работы персонала, и поэтому они могут быть выделены отдельно. К ним относятся: кадровое обеспечение — состав специалистов, участвующих в создании и работе системы, штатное расписание и функциональные обязанности; эргономическое обеспечение — совокупность методов и средств, используемых при разработке и функционировании информационной системы, создающих оптимальные условия для деятельности персонала, для быстрейшего освоения системы; правовое обеспечение — совокупность правовых норм, регламентирующих создание и функционирование информационной системы, порядок получения, преобразования и использования информации; организационное обеспечение — комплекс решений, регламентирующих процессы создания и функционирования как системы в целом, так и ее персонала. Виды структур данных. В информатике совокупность взаимосвязанных данных называется информационной структурой, или структурой данных. Свойства же этих объектов находятся в столбцах таблицы, их называют атрибутами объектов. Таким образом, каждая строка таблицы - есть совокупность атрибутов объекта. Такую строку называют записью, а столбец – полем записи. Помимо сведений, указанных в атрибутах, табличная организация данных позволяет получить дополнительную информацию. Табличная организация данных называется также реляционной. Кроме табличной структуры данных существуют другие виды структурной организации данных. Для иерархических структур характерна подчиненность объектов нижнего уровня объектам верхнего уровня. Важно отметить, что в дереве, между верхними и нижними объектами, задано отношение “один ко многим” (т.е. одной группе соответствует много альбомов, одному альбому соответствует много песен). Сетевую структуру данных можно представить в виде схемы. В этом случае есть два уровня взаимосвязанных объектов, но отношение между ними “многие ко многим”. Построение структуры данных происходит в следующем порядке: определяются объекты описания; определяются структуры этих объектов; выбирается тип структуры, отображающий отношения между объектами (табличная, иерархическая, сети); строится конкретная информационная структура. База данных — это информационные структуры, содержащие взаимосвязанные данные о реальных объектах. Особенностями такой совокупности данных являются: достаточно большие объемы информации; максимально возможная компактность хранения данных; возможность извлечения из базы данных разнообразной информации в определенной предметной области; удобные для пользователя вид и форма извлекаемой информации; высокая скорость доступа к данным; надежность хранения информации и возможность предоставления санкционированного доступа к данным для отдельных пользователей; удобство и простота конструирования пользователем запросов, форм и отчетов для выборки данных. Создание базы данных, ее поддержка и обеспечение доступа пользователей к ней осуществляется с помощью специального программного инструмента — системы управления базами данных. Система управления базами данных (СУБД) — это программное обеспечение для создания и редактирования баз данных, просмотра и поиска информации в них. Функции СУБД: 1) Определение данных – определить, какая именно информация будет храниться в базе данных, задать свойства данных, их тип (например, число цифр или символов), а также указать, как эти данные связаны между собой. В некоторых случаях есть возможность задавать форматы и критерии проверки данных. 2) Обработка данных – данные могут обрабатываться самыми различными способами. Можно выбирать любые поля, фильтровать и сортировать данные. Можно объединять данные с другой, связанной с ними, информацией и вычислять итоговые значения. 3) Управление данными – можно указать, кому разрешено знакомиться с данными, корректировать их или добавлять новую информацию. Можно также определять правила коллективного доступа. Состав СУБД. Архитектурно СУБД состоит из двух основных компонентов: языка описания данных (ЯОД), позволяющего создать схему описания данных в базе, и языка манипулирования данными (ЯМД), выполняющего операции с базой данных (наполнение, обновление, удаление, выборку информации). Данные языки могут быть реализованы в виде тренажеров или интерпретаторов. Помимо ЯОД и ЯМД к СУБД следует отнести средства (или языки) подготовки отчетов (СПО), позволяющие подготовить сводки (отчеты) на основе информации, найденной в базе данных, по заданным формам. Язык описания данных (ЯОД) – это язык высокого уровня декларативного (непроцедурного) типа, предназначенный для формализованного описания типов данных, их структур и взаимосвязей. Исходные тексты описания данных на этом языке после трансляции отображаются в управляющие таблицы, задающие размещение в памяти ЭВМ и связи между собой рассматриваемых данных. В соответствии с этими описаниями СУБД находит в базе требуемые данные, правильно преобразует их и передает, например, в прикладную программу пользователя, которой они потребовались. При записи данных в базу СУБД по этим описаниям определяет место в памяти ЭВМ, куда их требуется поместить, преобразует к заданному виду и устанавливает необходимые связи. Язык манипулирования данными (или язык запросов) представляет собой систему команд, например, следующего типа: произвести выборку данного, значение которого удовлетворяет заданным условиям; произвести выборку всех данных определенного типа, значения которых удовлетворяют заданным условиям; найти в базе позицию данного и поместить туда новое значение (или удалить данное) и т.д. По технологии обработки базы данных делятся на централизованные и распределенные. Централизованная база данных хранится в памяти одной машины. Распределенная база данных состоит из нескольких частей, хранимых на нескольких машинах вычислительной сети. Работа с такой базой осуществляется с помощью системы управления распределенной базой данных – СУРБД. Централизованные базы данных по способу доступа делятся на: базы данных с локальным доступом (данные и процедуры их обработки хранятся на одной машине); базы данных с удаленным (сетевым) доступом. СУБД с удаленным доступом могут быть построены с использованием архитектур файл-сервер и клиент-сервер. Архитектура файл-сервер. Принцип организации: одна машина выделена в качестве центральной (сервер файлов), на ней хранится централизованная БД. Остальные машины сети выполняют функции рабочих станций. Файлы базы данных в соответствии с пользовательскими запросами рабочих станций передаются на эти станции и там обрабатываются. Производительность такой системы падает, если требуется интенсивный одновременный доступ к одним и тем же данным. Архитектура клиент-сервер. Принцип организации: центральная машина (сервер базы данных) хранит централизованную БД и процедуры обработки. Клиент посылает запрос, он обрабатывается сервером, и данные, полученные по запросу, передаются клиенту. Основой базы данных является модель данных. Информационно-логическая (инфологическая) модель предметной области отражает предметную область в виде совокупности информационных объектов и их структурных связей. Информационный объект — это описание некоторой сущности (явления, реального объекта, процесса) в виде совокупности логически связанных реквизитов. Например, информационный объект Студент описывает некоторую сущность — студент. Реквизитный состав этого информационного объекта, т. е. его структура, следующий: № группы, ФИО, № зачетной книжки, дата рождения. Информационный объект имеет множество реализаций — экземпляров. Базы данных также могут быть иерархическими, сетевыми и реляционными. Иерархическая (древовидная) модель данных представляет собой иерархию элементов, называемых узлами. Узел — это совокупность атрибутов данных, описывающих информационный объект. На самом верхнем уровне имеется только один узел — корень. Каждый узел кроме корня связан только с одним узлом на более высоком уровне, называемом исходным узлом для данного узла. Каждый узел может быть связан с одним или несколькими узлами более низкого уровня, называемыми порожденными (подчиненными). Узлы, не имеющие порожденных, называются листьями. Количество деревьев в базе данных определяется числом корневых записей. К каждой записи базы данных существует только один путь. Сетевая модель также основывается на понятиях узел, уровень, связь. Сетевая модель данных — это модель, в которой порожденный узел может иметь более одного исходного узла. В сетевой структуре любой элемент любого уровня может быть связан с любым другим элементом. Реляционная модель базы данных состоит из одного или нескольких файлов, каждый из которых соответствует одной таблице. Основная цель проектирования базы данных — 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. При создании баз данных следует придерживаться методологии нормализации отношений. Процесс проектирования информационных систем является достаточно сложной задачей. Он начинается с построения инфологической модели данных, т. е. идентификации сущностей. Затем необходимо выполнить следующие шаги процедуры проектирования даталогической модели, т. е. инфологическая модель должна быть отображена в компьютерориентированную даталогическую модель, «понятную» СУБД. 1) Представить предметную область в виде совокупности отдельных независимых друг от друга объектов, каждый из которых будет описываться своей таблицей. 2) Для каждой таблицы определить ключевые поля; установить связи между таблицами; для каждой связи определить тип. 3) Разработать структуру каждой таблицы: перечень полей, их типы и свойства. 4) Заполнить таблицы данными. 5) Разработать необходимые запросы к БД, входные и выходные формы и отчеты. 6) Предусмотреть возможность автоматизации часто выполняемых действий путем создания макросов и программных модулей.