Лекция "Алгоритмизация"

Семестр 1. Лекция 8. Основные понятия баз данных 1. Базы данных и системы управления базами данных.....................................................................1 Структура простейшей базы данных..................................................................................................................2 Свойства полей базы данных...............................................................................................................................2 Типы данных..........................................................................................................................................................3 Безопасность баз данных......................................................................................................................................4 2. Формирование баз данных.....................................................................................................................5 Режимы работы с базами данных.......................................................................................................................5 Объекты базы данных...........................................................................................................................................5 Проектирование базы данных.............................................................................................................................9 Разработка схемы данных.......................................................................................................................................................10 1. Базы данных и системы управления базами данных База данных  – это организованная структура, предназначенная для хранения информации.  В   современных   базах   данных   хранятся   не   только   данные,   но информация. Это   утверждение   легко   пояснить,   если,   например,   рассмотреть   базу   данных библиотеки. В ней есть все необходимые сведения об авторах, книгах, читателях и т.д. Доступ к этой базе могут иметь как работники библиотеки, так и читатели, которым необходимо найти какое­либо издание. Но среди них вряд ли найдется такое лицо, которое   имеет   доступ   ко   всей   базе   полностью   и   при   этом   способно   единолично вносить   в   нее   произвольные   изменения.   Кроме   данных,   база   содержит   методы   и средства, позволяющие каждому из сотрудников оперировать только с теми данными, которые   входят   в   его   компетенцию.   В   результате   взаимодействия   данных, содержащихся в базе, с методами, доступными конкретным сотрудникам, образуется информация,   которую   они   потребляют   и   на   основании   которой   в   пределах собственной компетенции производят ввод и редактирование данных. С   понятием   базы   данных   тесно   связано   понятие  системы   управления   базой данных.  Это   комплекс   программных   средств,   предназначенных   для   создания структуры новой базы, наполнение ее содержимым, редактирование содержимого и визуализации информации. Под  визуализацией информации  базы понимается отбор отображаемых   данных   в   соответствии   с   заданным   критерием,   их   упорядочение, оформление и последующая выдача на устройства вывода или передачи по каналам связи. В мире существует множество систем управления базами данных. Несмотря на то, что   они   могут   по­разному   работать   с   разными   объектами   и   предоставляют пользователю   различные   функции   и   средства,   большинство   СУБД   опираются   на единый   устоявшийся   комплекс   основных   понятий.   Это   дает   нам   возможность рассмотреть одну систему и обобщить ее понятия, приемы и методы на весь класс СУБД.   В   качестве   такого   учебного   объекта   мы   выберем   СУБД   Microsoft   Access, входящую в пакет Microsoft Office. Структура простейшей базы данных Сразу поясним, что если в базе нет никаких данных  (пустая база),  то это все равно   полноценная   база   данных.   Этот   факт   имеет   методическое   значение.   Хотя данных в базе и нет, но информация в ней все­таки есть — это структура базы. Она определяет   методы   занесения   данных   и   хранения   их   в   базе.   Простейший «некомпьютерный»   вариант   базы   данных   —   деловой   ежедневник,   в   котором каждому календарному дню выделено по странице. Даже если в нем не записано ни строки,   он   не  перестает   быть   ежедневником,   поскольку   имеет   структуру,   четко отличающую его  от записных книжек, рабочих тетрадей и прочей писчебумажной продукции. Базы   данных   могут   содержать   различные   объекты,   но   основными   объектами любой базы данных являются ее таблицы. Простейшая база данных имеет хотя бы одну   таблицу.  Соответственно,   структура   простейшей   базы  данных   тождественно равна структуре ее таблицы. Структуру двумерной таблицы образуют столбцы и строки. Их аналогами в  простейшей базе данных являются поля и записи. Если записей в таблице пока нет,  значит, ее структура образована только набором полей. Изменив состав полей базовой  таблицы (или их свойства), мы изменяем структуру базы данных и, соответственно,  получаем новую базу данных. Рис.1. Простейшая таблица базы данных Свойства полей базы данных Поля базы данных не просто определяют структуру базы — они еще определяют групповые   свойства   данных,  записываемых   в  ячейки,  принадлежащие   каждому   из полей. Перечислим основные свойства полей таблиц баз данных на примере  СУБД Microsoft Access. • Имя   поля   —   определяет,   как   следует   обращаться   к   данным   этого   поля   при автоматических   операциях   с   базой   (по   умолчанию   имена   полей   используются   в качестве заголовков столбцов таблиц). • Тип поля — определяет тип данных, которые могут содержаться в данном поле. • Размер поля — определяет предельную длину (в символах) данных, которые  могут размещаться в данном поле. • Формат поля — определяет способ форматирования данных в ячейках, принадлежащих полю. • Маска ввода — определяет форму, в которой вводятся данные в поле (средств  автоматизации ввода данных). • Подпись — определяет заголовок столбца таблицы для данного поля (если  подпись не указана, то в качестве заголовка столбца используется свойство Имя  поля). • Значение по умолчанию — то значение, которое вводится в ячейки поля  автоматически (средство автоматизации ввода данных). • Условие на значение — ограничение, используемое для проверки правильности   ввода данных (средство автоматизации ввода, которое используется, как правило,  для данных, имеющих числовой тип, денежный тип или тип даты). • Сообщение об ошибке — текстовое сообщение, которое выдается автоматически  при попытке ввода в поле ошибочных данных (проверка ошибочности выполняется  автоматически, если задано свойство Условие на значение). • Обязательное поле — свойство, определяющее обязательность заполнения  данного поля при наполнении базы; • Пустые строки — свойство, разрешающее ввод пустых строковых данных (от  свойства Обязательное поле отличается тем, что относится не ко всем типам данных,  а лишь к некоторым, например к текстовым). • Индексированное поле — если поле обладает этим свойством, все операции,  связанные с поиском или сортировкой записей по значению, хранящемуся в данном  поле, существенно ускоряются. Кроме того, для индексированных полей можно  сделать так, что значения в записях будут проверяться по этому полю на наличие  повторов, что позволяет автоматически исключить дублирование данных. Поскольку в разных полях могут содержаться данные разного типа, то и свойства у полей могут различаться в зависимости от типа данных. Так, например, список  вышеуказанных свойств полей относится в основном к полям текстового типа. Поля  других типов могут иметь или не иметь эти свойства, но могут добавлять к ним и  свои. Например, для данных, представляющих действительные числа, важным  свойством является количество знаков после десятичной запятой. С другой стороны,  для полей, используемых для хранения рисунков, звукозаписей, видео клипов и  других объектов OLE, большинство вышеуказанных свойств не имеют смысла. Типы данных Таблицы   баз   данных,   как   правило,   допускают   работу   с   гораздо   большим количеством   разных   типов   данных.   Так,   например,   базы   данных   Microsoft   Access работают со следующими типами данных. (рис. 2). Рис. 2. Таблица с полями некоторых типов • Текстовый — тип данных, используемый для хранения обычного  неформатированного текста ограниченного размера (до 255 символов). • Поле Мемо — специальный тип данных для хранения больших объемов текста  (до 65 535 символов). Физически текст не хранится в поле. Он хранится в другом  месте базы данных, а в поле хранится указатель на него, но для пользователя такое  разделение заметно не всегда. • Числовой — тип данных для хранения действительных чисел. • Дата/время — тип данных для хранения календарных дат и текущего времени. • Денежный — тип данных для хранения денежных сумм. Теоретически, для их  записи можно было бы пользоваться и полями числового типа, но для денежных сумм есть некоторые особенности (например, связанные с правилами округления),  которые делают более удобным использование специального типа данных, а не  настройку числового типа. • Счетчик — специальный тип данных для уникальных (не повторяющихся в  поле) натуральных чисел с автоматическим наращиванием. Естественное использование — для порядковой нумерации записей. • Логический — тип для хранения логических данных (могут принимать только  два значения, например Да или Нет). • Поле объекта OLE — специальный тип данных, предназначенный для хранения  объектов OLE, например мультимедийных. Реально, конечно, такие объекты в  таблице не хранятся. Как и в случае полей MEMO, они хранятся в другом месте  внутренней структуры файла базы данных, а в таблице хранятся только указатели на  них (иначе работа с таблицами была бы чрезвычайно замедленной). • Гиперссылка — специальное поле для хранения адресов URL для Шей­объектов  Интернета. При щелчке на ссылке автоматически происходит запуск браузера и  воспроизведение объекта в его окне. • Мастер подстановок — это не специальный тип данных. Это объект, настройкой  которого можно автоматизировать ввод данных в поле так, чтобы не вводить их  вручную, а выбирать из раскрывающегося списка. Безопасность баз данных Базы   данных   —   это   тоже   файлы,   но   работа   с   ними   отличается   от   работы   с файлами  других типов, создаваемых прочими приложениями. Раньше мы видели, что всю  работу по обслуживанию файловой структуры берет на себя операционная система.  Для   баз   данных   предъявляются   особые   требования   с   точки   зрения безопасности, поэтому в них реализован другой подход к сохранению данных. Базы данных — это особые структуры. Информация, которая в них содержится, очень часто имеет общественную ценность. Нередко с одной и той же базой (например, с базой регистрации автомобилей в ГИБДД) работают тысячи людей по всей стране. От   информации,   которая   содержится   в   некоторых   базах,   может   зависеть благополучие множества людей. Поэтому целостность содержимого базы не может и не   должна   зависеть   ни   от   конкретных   действий   некоего   пользователя,   забывшего сохранить файл перед выключением компьютера, ни от перебоев в электросети. Проблема безопасности баз данных решается тем, что в СУБД для сохранения  информации используется двойной подход. В части операций, как обычно, участвует  операционная система компьютера, но некоторые операции сохранения происходят в обход операционной системы. Все изменения, вносимые в таблицы  базы, сохраняются на диске без нашего ведома, поэтому попытка закрыть базу «без сохранения» ничего не даст, так как все уже сохранено. Таким образом, редактируя таблицы баз данных, создавая новые записи и удаляя старые, мы как бы работаем с жестким диском напрямую, минуя операционную систему. 2. Формирование баз данных Режимы работы с базами данных Обычно с базами данных работают две категории исполнителей. Первая категория — проектировщики.  Их   задача   состоит   в   разработке   структуры   таблиц   базы   данных   и согласовании ее с заказчиком. Кроме таблиц проектировщики разрабатывают и  другие объекты базы данных, предназначенные, с одной стороны, для автоматизации работы с базой, а с другой стороны — для ограничения функциональных возможностей работы с базой (если это необходимо из соображений безопасности). Проектировщики не наполняют базу   конкретными   данными   (заказчик   может   считать   их   конфиденциальными   и   не предоставлять посторонним лицам). Исключение составляет экспериментальное наполнение модельными данными на этапе отладки объектов базы. Вторая категория исполнителей, работающих с базами данных, — пользователи. Они получают исходную базу данных от проектировщиков и занимаются ее наполнением и обслуживанием. В общем случае пользователи не имеют средств доступа  к управлению структурой базы — только к данным, да и то не ко всем, а к тем, работа с которыми предусмотрена на конкретном рабочем месте. Соответственно,   система   управления   базами   данных   имеет   два   режима   работы: проектировочный  и  пользовательский.  Первый режим предназначен для создания или изменения   структуры   базы   и   создания   ее   объектов.   Во   втором   режиме   происходит использование   ранее   подготовленных   объектов   для   наполнения   базы   или   получения данных из нее. Объекты базы данных Мы уже упомянули о том, что кроме таблиц база данных может содержать и другие типы объектов.   Привести   полную   классификацию   возможных   объектов   баз   данных затруднительно,   поскольку   каждая   система   управления   базами   данных   может реализовать   свои   типы   объектов.   Однако   основные   типы   объектов   мы   можем рассмотреть на примере СУБД Microsoft Access. Таблицы. Как мы уже говорили, это основные объекты любой базы данных. Во­первых, в таблицах хранятся все данные, имеющиеся в базе, а во­вторых, таблицы хранят и структуру базы (поля, их типы и свойства). Запросы. Эти объекты служат для извлечения данных из таблиц и предоставления их пользователю в удобном виде. С помощью запросов выполняют такие операции, как отбор данных,   их   сортировку   и   фильтрацию.   С   помощью   запросов   можно   выполнять преобразование данных по заданному алгоритму, создавать новые таблицы,  выполнять автоматическое наполнение таблиц данными, импортированными из  других источников, выполнять простейшие вычисления в таблицах и многое другое. Начинающие пользователи не сразу понимают роль запросов, поскольку все те же операции можно делать и с таблицами. Да, действительно, это так, но есть соображения удобства (в первую очередь быстродействия) и соображения безопасности. Из   соображений   безопасности,   чем   меньше   доступа   к   базовым   таблицам   имеют конечные  пользователи,   тем   лучше.  Во­первых,   снижается   риск  того,  что   неумелыми действиями   они   повредят   данные   в   таблицах.   Во­вторых,   предоставив   разным пользователям разные запросы, можно эффективно разграничить их доступ к  данным в строгом соответствии с кругом персональных обязанностей.  Особенность запросов состоит в том, что они черпают данные из базовых таблиц и создают на их основе временную результирующую таблицу. Если хотят подчеркнуть факт «временности» этой таблицы, то ее еще называют  моментальным снимком.  Когда мы работаем с основными таблицами базы, мы физически имеем дело с жестким диском, то есть   с   очень   медленным   устройством   (напомним,   что   это   связано   с   особенностью сохранения   данных,   описанной   выше).   Когда   же   на   основании  запроса   мы   получаем результирующую таблицу, то имеем дело с электронной таблицей, не имеющей аналога на жестком диске, — это только  образ  отобранных полей  и записей. Разумеется, работа с «образом» происходит гораздо быстрее и эффективнее — это еще одно основание для того, чтобы широко использовать запросы. Недостатком упорядоченных табличных структур является сложность их обновления, поскольку   при   внесении   новых   записей   нарушается   упорядоченность   —   приходится переделывать всю таблицу. В системах управления базами данных и эта проблема решается благодаря запросам Основной принцип состоит в том, что от базовых таблиц никакой упорядоченности не требуется. Все записи в основные таблицы вносятся только в естественном порядке по мере их поступления, то есть в неупорядоченном виде. Если же пользователю надо видеть данные, отсортированные или отфильтрованные по тому или иному принципу, он просто использует соответствующий запрос (рис. 3). Если нужного запроса нет, он обращается к проектировщику и просит его такой запрос сделать и предоставить. Формы.  Если запросы — это специальные  средства для отбора и анализа данных, то формы — это средства для ввода данных. Смысл их тот же — предоставить пользователю средства   для   заполнения   только   тех   полей,   которые   ему   заполнять   положено. Одновременно  с   этим   в   форме   можно   разместить   специальные  элементы   управления (счетчики, раскрывающиеся списки, переключатели, флажки и прочие) для автоматизации ввода. Преимущества форм раскрываются особенно наглядно, когда происходит ввод данных с заполненных бланков. В этом случае форму делают графическими средствами так, чтобы  она  повторяла   оформление   бланка, —  это   заметно   упрощает   работу  наборщика, снижает   его   утомление   и   предотвращает   появление   печатных   ошибок.  На   рисунке   4а приведен пример простейшей формы для ввода данных. С помощью форм данные можно не только вводить, но и отображать. Запросы тоже отображают данные, но делают это в виде результирующей таблицы, не имеющей почти никаких средств оформления. При выводе данных с помощью форм можно  применять специальные средства оформления (рис. 4б). Рис. 4б. Форма для оформленного вывода данных Отчеты.  По своим свойствам и структуре отчеты во многом похожи на формы, но предназначены   только   для   вывода   данных,   причем   для   вывода   не   на   экран,   а   на печатающее устройство (принтер). В связи с этим отчеты отличаются тем, что в  них приняты   специальные   меры   для   группирования   выводимых   данных   и   для  вывода специальных элементов оформления, характерных для печатных документов (верхний и нижний   колонтитулы,   номера   страниц,   служебная   информация  о   времени   создания отчета и т. п.) (рис. 5). Рис. 5. Пример простейшего отчета Страницы. Это специальные объекты баз данных, реализованные в последних версиях СУБД  Microsoft  Access.  Правда, более корректно их называть  страницами  доступа к данным. Физически это особый объект, выполненный в коде HTML, размещаемый на Мейл­ странице и передаваемый клиенту вместе с ней. Сам по себе  этот объект не является базой данных, но содержит компоненты, через которые осуществляется связь переданной Web­страницы с базой данных, остающейся на  сервере. Пользуясь этими компонентами, посетитель Web­узла может просматривать записи базы в полях страницы доступа (рис. 13.6).   Таким   образом,   страницы  доступа   к   данным   осуществляют   интерфейс   между клиентом,   сервером   и   базой   данных,   размещенной   на   сервере.   Эта   база   данных   не обязательно должна быть  базой данных  Microsoft  Access.  Страницы доступа, созданные средствами  Microsoft  Access,  позволяют работать также с базами данных  Microsoft  SQL Sewer. Макросы и модули.  Эти категории объектов предназначены как для автоматизации повторяющихся операций при работе с системой управления базами данных,  так и для создания новых функций путем программирования. В СУБД Microsoft  Access макросы состоят из последовательности внутренних команд СУБД и являются одним из средств автоматизации   работы   с   базой.  Модули  создаются   средствами  внешнего   языка программирования, в данном случае языка  Visual  Basic  for  Applications.  Это одно из средств,   с   помощью   которых   разработчик   базы   может   заложить   в   нее   нестандартные функциональные   возможности,   удовлетворить   специфические   требования   заказчика, повысить быстродействие системы управления, а также уровень ее защищенности. Проектирование базы данных Методически правильно начинать работу с карандашом и листом бумаги в руках, не используя компьютер. На данном этапе он просто  не нужен. Неоптимальные решения и прямые   ошибки,   заложенные   на   этапе   проектирования,   впоследствии   очень   трудно устраняются, поэтому этот этап является основополагающим. Разработка   технического   задания.  Техническое   задание на  проектирование  базы данных   должен   предоставить   заказчик.   Однако   для   этого   он   должен   владеть соответствующей терминологией и знать, хотя бы в общих чертах, технические возможности основных систем управления базами данных. К сожалению, на практике такое положение встречается не всегда. Поэтому обычно используют следующие подходы: • демонстрируют заказчику работу аналогичной базы данных, после чего согласовывают  спецификацию отличий; • если аналога нет, выясняют круг задач и потребностей заказчика, после чего  помогают ему подготовить техническое задание. При подготовке технического задания составляют: • список исходных данных, с которыми работает заказчик; • список выходных данных, которые необходимы заказчику для управления  структурой своего предприятия; • список выходных данных, которые не являются необходимыми для заказчика, но  которые он должен предоставлять в другие организации (в вышестоящие структуры, в  органы статистического учета, прочие административные и контролирующие организации). При этом очень важно не ограничиваться взаимодействием с головным подразделением заказчика, а провести обсуждение со всеми службами и подразделениями, которые могут оказаться поставщиками данных в базу или их потребителями. Разработка схемы данных Выяснив основную часть данных, которые заказчик потребляет или поставляет, можно приступать к созданию структуры базы, то есть структуры ее основных таблиц. 1. Работа начинается с составления генерального списка полей — он может насчитывать  десятки и даже сотни позиций. 2. В соответствии с типом данных, размещаемых в каждом поле, определяют наиболее  подходящий тип для каждого поля. 3. Далее распределяют поля генерального списка по базовым таблицам. На первом этапе  распределение производят по функциональному признаку. Цель — обеспечить, чтобы ввод  данных в одну таблицу производился, по возможности, в рамках одного подразделения, а  еще лучше — на одном рабочем месте. Наметив столько таблиц, сколько подразделений охватывает база данных, приступают к дальнейшему   делению   таблиц.   Критерием   необходимости   деления  является   факт множественного повтора данных в соседних записях. На рис. 13.7  показана таблица, у которой в поле Адрес наблюдается повтор данных. Это явное свидетельство того, что таблицу надо поделить на две взаимосвязанных таблицы. 4. В каждой из таблиц намечают ключевое поле. В качестве такового выбирают поле, данные в котором повторяться не могут. Например, для таблицы данных  о студентах таким полем может служить индивидуальный шифр студента. Для  таблицы, в которой содержатся расписания занятий, такого поля можно и не  найти, но его можно создать искусственным комбинированием полей «Время  занятия» и «Номер аудитории». Эта комбинация неповторима, так как в одной аудитории в одно и то же время не принято проводить два различных занятия. Если в таблице вообще нет никаких полей, которые можно было бы использовать как ключевые, всегда можно ввести дополнительное поле типа Счетчик —  оно не может содержать повторяющихся данных по определению. 5. С помощью карандаша и бумаги расчерчивают связи между таблицами. На рис. 13.8 показан пример взаимосвязи между группой таблиц, составляющих одну базу  данных. Такой чертеж называется схемой данных. Существует   несколько   типов   возможных   связей   между   таблицами.   Наиболее распространенными являются связи «один ко многим» и «один к одному». Связь между таблицами   организуется   на   основе   общего   поля,   причем   в   одной  из   таблиц   оно обязательно   должно   быть   ключевым,   то   есть   на   стороне   «один»  должно   выступать ключевое поле, содержащее уникальные, неповторяющиеся значения. Значения на стороне «многие» могут повторяться. Рассмотрим таблицу Клиенты (рис. 13.8). Здесь поле Код клиента является клю­ чевым. Это понятно, поскольку у каждого клиента должен быть свой уникальный код, идентифицирующий его однозначно. Если мы рассмотрим таблицу  Заказы, то увидим, что в ней код клиента не может быть уникальным, поскольку каждый клиент мог   сделать   сколь   угодно   много   заказов.   На   схеме   данных   эти  поля   соединены линией связи. С одной стороны эта линия маркирована знаком «1», с другой стороны — значком «бесконечность». Это графический метод  изображения связи «один ко многим». Ключевым   полем   в   таблице   заказов   является   Код   заказа   —   он   однозначно идентифицирует, кто, когда, что заказал и на какую сумму. Здесь же можно узнать, какой   сотрудник   принял   заказ   к   исполнению.   Поскольку   один   сотрудник   может принять множество заказов, поле Код сотрудника в таблице заказов не является  ни уникальным, ни ключевым, зато в таблице Сотрудники это поле уникально. Про подобные таблицы говорят, что они связаны  реляционными отношениями. Соответственно, системы управления, способные работать со связанными таблицами, называют системами управления реляционными базами данных, а схему данных в технической литературе могут называть схемой реляционных отношений. 6.   Разработкой   схемы   данных   заканчивается   «бумажный»   этап   работы   над техническим предложением. Эту схему можно согласовать с заказчиком, после чего приступать к непосредственному созданию базы данных. Следует помнить, что по ходу разработки проекта заказчику непременно будут приходить   в   голову   новые   идеи.   На   всех   этапах   проектирования   он   стремится охватить единой системой все новые и новые подразделения и службы предприятия. Возможность   гибкого   исполнения   его   пожеланий   во   многом   определяется квалификацией   разработчика   базы   данных.   Если   схема   данных   составлена правильно,  подключать   к   базе   новые   таблицы   нетрудно.   Если   структура   базы нерациональна,  разработчик   может   испытать   серьезные   трудности   и   войти   в противоречия с заказчиком. Противоречия   исполнителя   с   заказчиком   всегда   свидетельствуют   о недостаточной квалификации исполнителя. Именно поэтому этап предварительного проектирования базы данных следует считать основным. От его успеха зависит, насколько база данных станет удобной и будут ли с ней работать пользователи. Если отмечается, что пользователи базы «саботируют» ее эксплуатацию и предпочитают работать традиционными методами,  это   говорит  не  о   низкой   квалификации   пользователей,  а  о   недостаточной квалификации разработчика базы. На   этом   этапе   завершается   предварительное   проектирование   базы   данных,   и   на следующем этапе начинается ее непосредственная разработка. С этого момента следует начать работу с СУБД.