А. В. Могилев 

Л. В. Листрова 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

«БХВ-Петербург» 2012

УДК 681.3.06(075.3)

ББК    32.973.26-018.2я721

             М74

 

                   Могилев, А. В.

                         М74             Технологии поиска и хранения информации. Технологии автоматизации управления / А. В. Могилев, Л. В. Листрова. — СПб.: БХВ-Петербург, 2012. —  320 с.: ил. — (ИиИКТ)

ISBN 978-5-9775-0469-0

Книга является частью комплекта учебников по курсу информатики и информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) в старших классах общеобразовательной школы на профильном уровне. Она охватывает 9-й и 10-й модули курса и завершает серию пособий "Информация и информационные процессы. Социальная информатика", "Средства информатизации. Телекоммуникационные техно- логии", "Методы программирования. Компьютерные вычисления", "Технологии обработки текстовой информации" и "Технологии обработки графической и мультимедийной информации".

Рассматриваются понятие, основные принципы построения и классификация информационных систем; базы данных как основной компонент информационной системы; основы SQL; Microsoft Access. Разобраны понятия и модели теории управления, также технологии управления, планирования и организации деятельности человека. Представлены материалы по автоматизированным информационным системам в различных сферах человеческой деятельности.

По каждой рассматриваемой теме предлагаются контрольные вопросы, темы для рефератов и докладов, вопросы для обсуждения, задачи и упражнения, лабораторные работы.

Для учащихся старших классов физико-математического, информационно-технологического и других профилей

УДК 681.3.06(075.3) ББК 32.973.26-018.2я721

 

Группа подготовки издания:

 

Главный редактор	Екатерина Кондукова
Зам. главного редактора	Людмила Еремеевская
Зав. редакцией	Григорий Добин
Редактор	Екатерина Капалыгина
Компьютерная верстка	Ольги Сергиенко
Корректор	Зинаида Дмитриева
Дизайн серии	Инны Тачиной
Оформление обложки	Марины Дамбиевой
Зав. производством	Николай Тверских

 

 

Подписано в печать 29.02.12. Формат 70100¹/₁₆.  Печать офсетная. Усл. печ. л. 25,8.

Тираж 1000 экз. Заказ №        

"БХВ-Петербург", 190005, Санкт-Петербург, Измайловский пр., 29.

Отпечатано с готовых диапозитивов  в ГУП "Типография "Наука"

199034, Санкт-Петербург, 9 линия, 12

 

 

ISBN 978-5-9775-0469-0                                                               © Могилев А. В., Листрова Л. В., 2012

© Оформление, издательство "БХВ-Петербург", 2012

 

 

                                                

 

 

 

 

 

Оглавление

 

Предисловие ..................................................................................................................... 9

МОДУЛЬ 9. ТЕХНОЛОГИИ ПОИСКА И ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ...... 11

РАЗДЕЛ 9.1. Понятие, основные принципы построения 

и классификация информационных систем ............................................................ 13

Учебный материал ........................................................................................................................ 15

Понятие информационной системы (ИС) ........................................................................... 15

Функции информационных систем ..................................................................................... 16

Требования, предъявляемые к информационным системам ............................................. 20

Ресурсы информационных систем....................................................................................... 20

Классификация информационных систем .......................................................................... 22

Контрольные вопросы .................................................................................................................. 25

Темы для рефератов...................................................................................................................... 26

Вопросы для обсуждения ............................................................................................................. 27

Задачи и упражнения .................................................................................................................... 27

Лабораторные работы ................................................................................................................... 28

РАЗДЕЛ 9.2. Базы данных как основной компонент 

информационной системы .......................................................................................... 31

Учебный материал ........................................................................................................................ 33 Данные и их свойства ........................................................................................................... 33

Понятие базы данных ........................................................................................................... 34

Основные требования к организации базы данных ........................................................... 36

Классификация баз данных .................................................................................................. 38

Контрольные вопросы .................................................................................................................. 42

Темы для рефератов...................................................................................................................... 43

Вопросы для обсуждения ............................................................................................................. 43

Задачи и упражнения .................................................................................................................... 43

Лабораторные работы ................................................................................................................... 44

РАЗДЕЛ 9.3. Управление данными в информационных системах (БД) ............ 45

Учебный материал ........................................................................................................................ 47 Понятие системы управления базами данных .................................................................... 47

Основные функции СУБД .................................................................................................... 49 Управление буферами оперативной памяти .............................................................. 49

Управление транзакциями ........................................................................................... 49

Журнализация ............................................................................................................... 50

Поддержка языков БД ................................................................................................. 50

Непосредственное управление данными во внешней памяти .................................. 51

Архитектура современной СУБД ........................................................................................ 52

Классификация СУБД ........................................................................................................... 54 Контрольные вопросы .................................................................................................................. 56

Темы для рефератов...................................................................................................................... 57

Вопросы для обсуждения ............................................................................................................. 57

Задачи и упражнения .................................................................................................................... 58

Лабораторные работы ................................................................................................................... 58

Тестовые задания .......................................................................................................................... 59

РАЗДЕЛ 9.4. Нормальные формы базы данных и нормализация ...................... 63

Учебный материал ........................................................................................................................ 65

Контрольные вопросы .................................................................................................................. 74

Темы для рефератов...................................................................................................................... 75

Вопросы для обсуждения ............................................................................................................. 75

Задачи и упражнения .................................................................................................................... 75

Лабораторная работа .................................................................................................................... 75

РАЗДЕЛ 9.5. Основы SQL ........................................................................................... 77

Учебный материал ........................................................................................................................ 79

Операторы SQL ..................................................................................................................... 81

Примеры использования операторов манипулирования данными .......................... 82

Примеры использования оператора SELECT ............................................................ 83

Формальное описание синтаксиса оператора выборки данных (SELECT)

с помощью BNF-нотации ............................................................................................ 97

Порядок выполнения оператора SELECT ................................................................ 104

Контрольные вопросы ................................................................................................................ 105

Темы для рефератов.................................................................................................................... 105

Вопросы для обсуждения ........................................................................................................... 105

Задачи и упражнения .................................................................................................................. 106

РАЗДЕЛ 9.6. Жизненный цикл информационной системы ............................... 109

Учебный материал ...................................................................................................................... 111

Понятие и структура жизненного цикла ИС ..................................................................... 111

Стадии жизненного цикла ИС ............................................................................................ 111

Процессы жизненного цикла ИС ....................................................................................... 112

Модели жизненного цикла ИС ........................................................................................... 115

Преимущества и недостатки моделей жизненного цикла ИС ......................................... 117

Контрольные вопросы ................................................................................................................ 119

Темы для рефератов.................................................................................................................... 119

Вопросы для обсуждения ........................................................................................................... 120

Задачи и упражнения .................................................................................................................. 120

Лабораторная работа .................................................................................................................. 121

Оглавление                                                                                                                                                       5

РАЗДЕЛ 9.7. Система управления базами данных Microsoft Access ................ 123

Учебный материал ...................................................................................................................... 125 Возможности СУБД MS Access......................................................................................... 125

Работа с таблицами ............................................................................................................. 126

Работа с запросами ............................................................................................................. 131

Создание форм .................................................................................................................... 132

Формирование отчетов ....................................................................................................... 133

Работа с макросами, модулями и функциями ................................................................... 134

Создание базы данных ........................................................................................................ 138

Дополнительные режимы работы с базой данных ........................................................... 138

Контрольные вопросы ................................................................................................................ 139

Темы для рефератов.................................................................................................................... 140

Вопросы для обсуждения ........................................................................................................... 141

Задачи и упражнения .................................................................................................................. 141

Лабораторная работа .................................................................................................................. 142

РАЗДЕЛ 9.8. Создание, ведение и использование баз данных 

при решении учебных и практических задач ........................................................ 145

Учебный материал ...................................................................................................................... 147

Возможности MS Excel для работы с базами данных ..................................................... 147

Этапы решения практических задач с использованием MS Access ................................ 149

Создание в СУБД MS Access базы данных "Телефонный справочник" ........................ 151

Разработка информационной системы "Супермаркет" в среде MS Access ................... 155

Контрольные вопросы ................................................................................................................ 159

Темы для рефератов.................................................................................................................... 159

Вопросы для обсуждения ........................................................................................................... 159

Задачи и упражнения .................................................................................................................. 159

Лабораторные работы ................................................................................................................. 161

МОДУЛЬ 10. ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ............. 163

РАЗДЕЛ 10.1. Понятия и модели теории управления ......................................... 165

Учебный материал ...................................................................................................................... 167

Применение теории игр при принятии решений .............................................................. 169

Контрольные вопросы ................................................................................................................ 173

Темы для рефератов.................................................................................................................... 174

Вопросы для обсуждения ........................................................................................................... 174

Задачи и упражнения .................................................................................................................. 174

РАЗДЕЛ 10.2. Основные понятия АСУ, АСУТП, АСНИ, САПР ...................... 177

10.2.1. Автоматизированные системы управления и их разновидности ......... 179

Учебный материал ...................................................................................................................... 179

Этапы развития и состав автоматизированных систем управления (АСУ) ................... 179

Классы АСУ......................................................................................................................... 182

Автоматизированные системы управления предприятием (АСУП) ............................... 184

Автоматизированные системы управления технологическими процессами

(АСУ ТП) ............................................................................................................................. 190

Автоматизированные системы для научных исследований (АСНИ) ............................. 191 Системы автоматизированного проектирования (САПР) ............................................... 193 Интеграция автоматизированных систем управления. 

Корпоративные информационные системы (КИС) .......................................................... 197

Контрольные вопросы ................................................................................................................ 200

Темы для рефератов.................................................................................................................... 201

Вопросы для обсуждения ........................................................................................................... 202

Задачи и упражнения .................................................................................................................. 202

Лабораторные работы ................................................................................................................. 206

 

10.2.2. Автоматизированное рабочее место специалиста .................................... 207

Учебный материал ...................................................................................................................... 207

Понятие и принципы организации АРМ ........................................................................... 207

Структура АРМ ................................................................................................................... 209

Классификация АРМ .......................................................................................................... 211

Перспективные направления развития АРМ .................................................................... 213

Контрольные вопросы ................................................................................................................ 213

Темы для рефератов.................................................................................................................... 214

Вопросы для обсуждения ........................................................................................................... 214

Задачи и упражнения .................................................................................................................. 215

Лабораторные работы ................................................................................................................. 215

 

РАЗДЕЛ 10.3. Электронный документооборот ..................................................... 217

10.3.1. Информационные технологии как средство повышения

эффективности делопроизводства ........................................................................... 219

Учебный материал ...................................................................................................................... 219

Понятие документа и делопроизводства ........................................................................... 219

Виды документов и правила их оформления .................................................................... 222

Основные операции делопроизводства ............................................................................. 228

Отличие делопроизводства от деловых процедур ............................................................ 230

Средства автоматизации делопроизводства и деловых процедур .................................. 231

Контрольные вопросы ................................................................................................................ 232

Темы для рефератов.................................................................................................................... 233

Вопросы для обсуждения ........................................................................................................... 233

Задачи и упражнения .................................................................................................................. 234

Лабораторные работы ................................................................................................................. 234

 

10.3.2. Системы управления электронным документооборотом ....................... 236

Учебный материал ...................................................................................................................... 236 Понятие электронного документооборота ........................................................................ 236

Разработка модели организации документооборота ........................................................ 239

Состав и функции систем управления электронным документооборотом .................... 241

Этапы обработки документов в СУЭД .............................................................................. 243

Основные требования к СУЭД и перспективы их развития ............................................ 245

Контрольные вопросы ................................................................................................................ 246

Темы для рефератов.................................................................................................................... 247

Вопросы для обсуждения ........................................................................................................... 248

Задачи и упражнения .................................................................................................................. 248

Лабораторные работы ................................................................................................................. 249

Оглавление                                                                                                                                                       7

РАЗДЕЛ 10.4. Автоматизированные информационные системы

в экономике .................................................................................................................. 251

Учебный материал ...................................................................................................................... 253

Информационные системы автоматизации планирования .............................................. 253

Информационные системы автоматизации бухгалтерского учета ................................. 260

Контрольные вопросы ................................................................................................................ 269

Темы для рефератов.................................................................................................................... 269

Вопросы для обсуждения ........................................................................................................... 269

Лабораторные работы ................................................................................................................. 270

РАЗДЕЛ 10.5. Информационные системы управления в образовании ........... 271

Учебный материал ...................................................................................................................... 273

Автоматизированные системы обучения (АСО) .............................................................. 273

Интеллектуальные обучающие системы (ИОС) ............................................................... 275

Контрольные вопросы ................................................................................................................ 282

Темы для рефератов.................................................................................................................... 283

Вопросы для обсуждения ........................................................................................................... 284

Задачи и упражнения .................................................................................................................. 284

Лабораторные работы ................................................................................................................. 285

РАЗДЕЛ 10.6. Экспертные системы в управлении .............................................. 287 10.6.1. Системы автоматического тестирования и контроля знаний.

Использование тестирующих систем в учебной деятельности ......................... 289

Учебный материал ...................................................................................................................... 289 Понятие и виды компьютерного тестирования ................................................................ 289

Состав и принципы функционирования ИС диагностики знаний .................................. 290

Типы компьютерных тестов и тестовых заданий ............................................................. 292

Основные требования к заданиям компьютерных тестов ............................................... 293

Преимущества компьютерной тестовой технологии контроля ....................................... 295

Контрольные вопросы ................................................................................................................ 296

Темы для рефератов.................................................................................................................... 296

Вопросы для обсуждения ........................................................................................................... 297

Задачи и упражнения .................................................................................................................. 297

Лабораторные работы ................................................................................................................. 297

10.6.2. Инструменты создания простых тестов 

и учета результатов тестирования .......................................................................... 299

Учебный материал ...................................................................................................................... 299

Алгоритм создания теста с использованием формы Поле со списком ........................... 299

Алгоритм создания теста с использованием формы Переключатель ............................ 304

Контрольные вопросы ................................................................................................................ 305

Темы для рефератов.................................................................................................................... 306

Вопросы для обсуждения ........................................................................................................... 306

Задачи и упражнения .................................................................................................................. 306

Лабораторные работы ................................................................................................................. 307

РАЗДЕЛ 10.7. Вместо эпилога. 

Развитие систем с искусственным интеллектом .................................................. 309

Учебный материал ...................................................................................................................... 311 Контрольные вопросы ................................................................................................................ 314

Темы для рефератов.................................................................................................................... 314

Вопросы для обсуждения ........................................................................................................... 314

 

Литература ................................................................................................................... 315

Предметный указатель .............................................................................................. 316

 

 

 

 

 

 

Предисловие

 

 

 

Несмотря на значительные усилия, направленные на становление профильного образования, изменения в российской школе еще далеки от ожиданий. Одна из причин связана с недостаточностью учебно-методического обеспечения обучения на профильном уровне во многих образовательных областях, к которым относятся также информатика и информационные технологии.

Данный цикл пособий призван хотя бы отчасти снизить остроту этой проблемы и ликвидировать пробел в учебной литературе, предназначенной для обучения старшеклассников по профилям, включающим курс информатики и информационнокоммуникационных технологий профильного уровня: информационно-технологическом, физико-математическом и др.

Мы предлагаем модульный вариант как самого курса информатики и информационно-коммуникационных технологий, так и его учебного обеспечения. Значительный объем всего профильного курса (280 часов), разнородность его содержательных компонентов (как с точки зрения соотношения теоретических и практических вопросов, так и сложности и трудоемкости деятельности учащихся), быстрое и неоднородное их развитие диктуют именно модульное построение данного курса, позволяющее выбирать, использовать и развивать модули учебного пособия независимо друг от друга. Кроме того, модульная структура курса обеспечивает большую гибкость и эффективность в достижении качества обучения, поскольку оно гарантируется качеством освоения каждого из модулей в отдельности.

Согласно авторской учебной программе данный профильный учебный курс состоит из следующих 10 модулей:

1.        Информация и информационные процессы.

2.        Социальная информатика.

3.        Средства информатизации.

4.        Телекоммуникационные технологии.

5.        Методы программирования.

6.        Компьютерные вычисления.

7.        Технологии обработки текстовой информации.

8.        Технологии обработки графической и мультимедийной информации.

                                                                                                                                                          Предисловие

9.        Технологии поиска и хранения информации.

10.    Технологии автоматизации управления.

Настоящее пособие охватывает последние 9-й и 10-й модули курса и является продолжением пособий "Технологии обработки текстовой информации. Технологии обработки графической и мультимедийной информации" тех же авторов.

Данная книга посвящена технологиям баз данных и информационных систем, а также прикладным информационным системам. Эти технологии представляют прикладной аспект информатики и вместе с тем конечную цель ее развития. Появление и развитие баз данных и информационных систем обусловили широкое применение информационных технологий в управлении предприятиями и организациями, в области государственного управления, дали толчок широкому применению информационных систем в различных сферах нашей жизни, а также огромной популярности и доступности самих компьютеров. 

Мы рассмотрим базы данных и информационные системы, реализованные преимущественно на платформе IBM-совместимых персональных компьютеров и операционной системы MS Windows.

Описание подходов к проектированию баз данных и архитектуры информационных систем сопровождается обзором реализующих эти базы данных и информационные системы программных средств. О программных средствах приводятся краткие сведения и примеры, чтобы сложилась общая картина и стало возможным дальнейшее самостоятельное углубленное изучение технологий баз данных и информационных систем на основе специальной литературы, интернет-источников и электронных обучающих средств.

Пособия содержат учебный материал и различного рода задания и вопросы: тексты для чтения и изучения, контрольные вопросы, темы рефератов, вопросы для обдумывания и обсуждения, задания и упражнения, а также описание лабораторных работ. Это позволяет организовать занятия различного типа и реализовывать различные методы обучения: от лекций и семинарских занятий до учебных проектов.

Для того чтобы облегчить ориентацию в пособии и придать ему структуру, мы используем следующие обозначения: r   — Учебный материал;

r      — Контрольные вопросы;

r      — Темы для рефератов;

r      — Вопросы для обсуждения;

r      — Задачи и упражнения;

r      — Лабораторные работы.

 

 

 

 

 

 

 

МОДУЛЬ 9

 

Технологии поиска  и хранения информации

 

РАЗДЕЛ 9.1. Понятие, основные принципы построения и классификация информационных систем

РАЗДЕЛ 9.2. Базы данных как основной компонент  информационной системы

РАЗДЕЛ 9.3. Управление данными в информационных системах (БД)

РАЗДЕЛ 9.4. Нормальные формы базы данных  и нормализация

РАЗДЕЛ 9.5. Основы SQL

РАЗДЕЛ 9.6. Жизненный цикл информационной системы

РАЗДЕЛ 9.7. Система управления базами данных  Microsoft Access

РАЗДЕЛ 9.8. Создание, ведение и использование  баз данных при решении учебных  и практических задач

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

модуль 9

РАЗДЕЛ 9.1

 

Понятие, 

основные принципы построения 

и классификация  информационных систем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учебный материал

 

Понятие информационной системы (ИС)

Под информационной системой понимают взаимосвязанную совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.

Информационные системы уже многие десятки и даже сотни лет существуют и  используются на практике в форме различного рода картотек и/или коллекций  бумажных документов. Однако в таких системах отсутствует какая-либо автоматизация обработки данных. Они позволяют лишь регистрировать и поддерживать в систематизированной форме на бумажных носителях результаты проведенных натурных измерений или другие данные.

С возникновением электронно-вычислительных машин, в особенности персональных компьютеров, появилась возможность автоматизации обработки данных во многих сферах человеческой деятельности. Без современных систем обработки данных сегодня трудно представить передовые производственные технологии, управление экономикой на всех ее уровнях, научные исследования, образование, издательское дело и др. Одним из наиболее распространенных классов систем автоматизированной обработки данных в настоящее время являются информационные системы.

Автоматизированная информационная система (АИС) — это комплекс, включающий вычислительное и коммуникационное оборудование, программное обеспечение, лингвистические средства и информационные ресурсы, а также системный персонал, обеспечивающий поддержку динамической информационной модели некоторой предметной области для удовлетворения информационных потребностей пользователей.

Под динамической моделью здесь понимается модель, в которой отображаются изменения, происходящие в предметной области с течением времени. Такая система должна обладать памятью, позволяющей ей сохранять не только сведения о теку-

щем состоянии предметной области, но и в некоторых случаях предысторию. П скольку модель предметной области, поддерживаемая информационной системой, материализуется в форме организованных необходимым образом информационных ресурсов, она является ее информационной моделью. Процессы, обеспечивающие работу информационной системы любого назначения, условно можно представить в виде схемы (рис. 9.1), состоящей из блоков:

r ввод информации из внешних или внутренних источников;

r обработка входной информации и представление ее в удобном виде;

r вывод информации для представления потребителям или передачи в другую систему;

r обратная связь — это информация, переработанная людьми для коррекции входной информации.

 

Рис. 9.1. Основные процессы в информационной системе

Автоматизированная информационная система не всегда функционирует самостоятельно. Она может входить в качестве компонента (подсистемы) в более сложную систему, такую, например, как система управления предприятием, система автоматизированного проектирования, система управления производством и т. п.

Автоматизированная информационная система представляет собой последующую ступень в развитии информационно-поисковых систем, которые обеспечивают только одну функцию — поиск информации. В отличие от последних, АИС характеризуется многофункциональностью.

Функции информационных систем

Для решения задач, связанных с поддержкой динамической информационной модели предметной области и с удовлетворением информационных потребностей пользователей, информационные системы должны осуществлять функции сбора, регистрации, хранения информационных ресурсов, их актуализацию и предоставление пользователям.

Функции сбора и регистрации информационных ресурсов обеспечивают формир вание и поддержку модели предметной области ИС. Способы реализации этих функций зависят от характера используемых источников информации, в качестве которых могут выступать: объекты и процессы предметной области системы, различного рода автоматизированные/автоматические технические устройства, другие информационные системы, всевозможные данные на бумажных или электронных носителях и т. п. Функции сбора и регистрации информационных ресурсов могут совмещаться во времени или выполняться последовательно. Возможны различные варианты их осуществления, например:

r путем измерений (наблюдений) фактов в реальном мире и ввода данных в систему вручную с помощью клавиатуры и/или каких-либо манипуляторов;

r полуавтоматически, путем ввода в компьютер с некоторых носителей и в случае необходимости их оцифровки (например, при использовании документов на бумажных носителях, аналоговых аудиозаписей и др.);

r автоматически, с помощью различного рода датчиков или обмена данными с другими автоматизированными системами.

В ряде случаев функции сбора и регистрации информационных ресурсов предполагают необходимость решения ряда сопутствующих задач, таких как очистка, верификация, сжатие данных, конвертирование их из одного формата в другой и т. д.

Функция хранение информационных ресурсов ИС связана с необходимостью управления двумя видами ресурсов — ресурсами хранимых данных и ресурсами памяти.

Требования к этим функциям различаются в разных классах информационных  систем.

Так, в системах текстового поиска каждый документ хранится обычно в отдельном файле. Доступ к документам осуществляется с помощью структур данных, называемых индексами. Индексы в системах текстового поиска позволяют определять адрес размещения нужного файла по так называемым индексирующим свойствам хранящегося в нем документа (по значениям каких-либо атрибутов, ассоциированных с документом; по содержащимся в нем словам или словосочетаниям и т. п.). При этом единицей доступа является полный документ. Управление памятью осуществляется в таких системах средствами компонента операционной системы компьютера, называемого файловой системой или системой управления файлами. Индексы документов в системах текстового поиска организуются в виде инвертированных списков. Для каждого значения индексирующего свойства документов  в таких индексах поддерживаются адреса или идентификаторы файлов, их содержащих.

Файловая организация хранения информационных ресурсов используется также  в интернет-системе WWW, основанной на технологиях HTML, где каждая HTMLстраница представлена в общем случае в виде совокупности файлов. Доступ к  Web-страницам осуществляется непосредственно по их уникальным адресам, называемым URL (Universal Resource Locator), либо с использованием навигации по  гиперссылкам. Функции управления ресурсами памяти, служащими для хранения Web-страниц, возлагаются на операционные системы тех компьютеров сети, кот рые содержат эти страницы.

Нужно заметить, что в связи с интенсивным ростом объемов информационных ресурсов Web для более эффективного доступа к ним стали создаваться приложения, называемые поисковыми машинами. Поисковая машина с некоторой периодич- ностью просматривает страницы закрепленной за ней группы Web-сайтов и строит либо актуализирует полнотекстовые индексы для этих страниц. На этой основе осуществляется обработка пользовательских запросов так, как это делается в системах текстового поиска.

Более тонкую организацию имеют механизмы управления хранением данных и пространством памяти в информационных системах, основанных на технологиях баз данных. Управление хранимыми данными в системах баз данных включает поддержку структуры хранимых данных, их размещение в пространстве памяти, поддержку физической целостности и обеспечение эффективного доступа к ним. Чаще всего используются прямой и последовательный доступ к единицам информационных ресурсов в каком-либо определенном порядке.

Прямой доступ осуществляется по известным значениям некоторых свойств (ключей) единиц информационных ресурсов. Для этой цели используются вспомогательные хранимые структуры данных, обеспечивающие отображение ключей в адреса размещения соответствующих единиц информационных ресурсов, например, строк таблиц в реляционных базах данных.

Последовательный доступ к хранимым единицам информационных ресурсов осуществляется в порядке их физического размещения либо по значениям некоторых содержащихся в них или ассоциированных с ними идентификаторов (ключей).  В последнем случае для поддержки необходимой упорядоченности обычно используют индексы по заданным ключам.

Управление ресурсами памяти в СУБД включает такие операции, как учет свободного пространства памяти, выделение пространства для размещения новых вводимых в систему информационных ресурсов, "сборка мусора" (возвращение освободившегося пространства памяти в пул свободного пространства для повторного его использования), реорганизация среды хранения базы данных (изменение размещения хранимых данных в пространстве памяти системы таким образом, чтобы стало возможным более эффективное использование ресурсов свободной памяти, а также чтобы сократить время доступа к часто используемым хранимым данным и т. п.).

Актуализация информационных ресурсов системы заключается в приведении их в соответствие текущему состоянию предметной области системы. В информационных системах, основанных на реляционных базах данных, актуализация информационных ресурсов заключается в изменении схемы БД — добавлении или удалении столбцов таблиц, имеющихся в базе данных, создании новых и/или удалении существующих таблиц и т. д.

В системах текстового поиска эта функция чаще всего осуществляется путем ввода в систему новых или (реже) удаления существующих документов.

При актуализации Web-сайта в состав его ресурсов включаются новые или удаляются существующие страницы, модифицируются гиперссылки, связывающие страницы данного сайта и, возможно, страницы других сайтов, редактируется содержание существующих страниц.

Актуализация информационных ресурсов в информационных системах производится дискретно, через определенные интервалы времени. Величина интервала может изменяться для разных систем в довольно широком диапазоне времени и зависит от назначения системы и особенностей ее предметной области. Так, в информационных системах, входящих в состав систем управления сложными техническими объектами, например в системе управления космическими полетами, временной интервал измеряется в миллисекундах. В корпоративных информационных системах он может составлять минуты и часы. В некоторых информационно-справочных системах возможны интервалы, составляющие дни, месяцы, кварталы и годы. Предоставление информационных ресурсов пользователям информационной системы может осуществляться с помощью pull-технологий и/или push-технологий.  В первом случае предполагается, что инициатором предоставления информационных ресурсов является пользователь, а во втором — сама система в соответствии с определенным регламентом и для определенного круга пользователей.

Для предоставления информационных ресурсов по инициативе пользователя в информационной системе предусматриваются пользовательские интерфейсы (средства взаимодействия пользователей с системой), характер и функции которых зависят от категории пользователей системы. Доступ пользователей к ресурсам системы возможен только в пределах предоставленных им полномочий, которые обычно проверяются системными механизмами при попытках доступа. Некоторые системы предоставляют свободный доступ к определенным ресурсам (например, WWW). Push-технология широко применяется для распространения различного рода информации среди пользователей сети Интернет. С этой целью стандартное сообщение рассылается по списку рассылки всем пользователям, зарегистрированным в системе. По такому принципу функционируют многочисленные телеконференции, таким же образом организовано информирование пользователей некоторых электронных библиотек о поступлении новых документов и т. д.

Рассмотренные основные функции информационных систем, разумеется, не исчерпывают всех существенных их функций. Некоторые из них возлагаются на персонал системы и на ее программное обеспечение. К ним, в частности, относятся:

r управление распределенными информационными ресурсами;

r защита физической целостности информационных ресурсов и их восстановление при разрушениях;

r обеспечение информационной безопасности в системе;

r администрирование данными;

r управление метаданными;

r обеспечение адаптации системы к изменениям требований к ней и к изменениям в предметной области и др.

Требования, предъявляемые  к информационным системам

Для выполнения своих основных функций информационная система должна соответствовать требованиям гибкости, надежности, эффективности и безопасности.

Гибкость (способность к адаптации и дальнейшему развитию) подразумевает возможность приспособления информационной системы к новым условиям, новым потребностям пользователей. Выполнение этого требования возможно, если на этапе разработки ИС использовались общепринятые средства и методы документирования, благодаря чему по прошествии определенного времени сохраняется возможность разобраться в структуре системы и внести в нее соответствующие изменения (даже в случае отсутствия авторов разработки).

Надежность информационной системы подразумевает ее функционирование без искажения информации, потери данных по "техническим причинам". Требование надежности обеспечивается созданием резервных копий хранимой информации, выполнением операций протоколирования, поддержанием качества каналов связи и физических носителей информации, использованием современных программных  и аппаратных средств. Сюда же следует отнести защиту от случайных потерь/ искажения информации в силу недостаточной квалификации персонала.

Система является эффективной, если с учетом выделенных ей ресурсов она позволяет решать возложенные на нее задачи в минимальные сроки. Эффективность  информационной системы обеспечивается оптимизацией данных и методов их обработки, а также применением оригинальных разработок и методов проектирования ИС.

Под безопасностью подразумевается, прежде всего, свойство системы, в силу которого к ее информационным ресурсам имеют доступ только те пользователи, для которых предназначена ИС. Защита информации от несанкционированного доступа обеспечивается управлением доступом к ресурсам системы с использованием современных программных и других средств защиты информации. Требование безопасности информационных систем обеспечивается надежными средствами их разработки, современной аппаратурой, применением паролей и протоколирования, постоянным мониторингом состояния безопасности операционных систем и средств их защиты.

Ресурсы информационных систем

К основным ресурсам информационных систем относятся: аппаратное и программное обеспечение, лингвистические, информационные и человеческие ресурсы.

ИС могут базироваться на различных аппаратных платформах — персональных компьютерах, мэйнфреймах, суперкомпьютерах и других вычислительных системах. Они могут использовать как отдельные компьютеры, так и компьютерные системы, реализуемые на сетях различного масштаба. В информационных системах наряду с универсальными могут также использоваться и специализированные компьютеры, например серверы баз данных.

К числу коммуникационных ресурсов ИС, обеспечивающих взаимодействие компонентов распределенных систем, относятся выделенные или коммутируемые проводные и беспроводные каналы связи, различное сетевое оборудование, а также устройства приема-передачи информации.

Системное программное обеспечение включает операционные системы для используемых аппаратных платформ, различные операционные оболочки, повышающие уровень пользовательского интерфейса, системы программирования, разнообразные системные тесты, служебные программы для поддержки деятельности системного администратора и для других целей, сетевое программное обеспечение.

Информационные системы используют также разнообразное прикладное программное обеспечение: типовое и специализированное. Типовое прикладное программное обеспечение ориентировано на определенные классы задач. К нему относятся: СУБД общего назначения, системы текстового поиска (информационнопоисковые системы), системы управления документами, текстовые процессоры, конвертеры данных, программы распознавания текста и речи, системы электронных таблиц, генераторы отчетов для систем баз данных и др.

Специализированное прикладное программное обеспечение создается для конкретной информационной системы или для класса систем, имеющих некоторое узкое назначение. Например, в корпоративной информационной системе это могут быть программы, предназначенные для поддержки каких-либо конкретных бизнеспроцессов.

Лингвистические ресурсы информационных систем служат для:

r представления информационных ресурсов в системе;

r описания их свойств и свойств окружающей среды, позволяющего системе  адекватно интерпретировать поддерживаемые информационные ресурсы; r обеспечения взаимодействия пользователей с системой.

В общем случае к числу лингвистических ресурсов относятся те или иные естественные или искусственные языки, а также средства их лингвистической поддержки — словари лексики естественных языков, тезаурусы предметной области, переводные словари и др. Важно заметить, что тезаурусы в информационных системах играют двоякую роль. С одной стороны, это средство лингвистической поддержки используемого в системе естественного языка, поэтому он должен быть отнесен к категориям лингвистических ресурсов. Вместе с тем тезаурус используется как контекст для интерпретации семантики поддерживаемых в системе документов, представленных на естественном языке. В связи с этим тезаурус также правомерно считать информационным ресурсом системы.

Информационные ресурсы системы составляют главный компонент модели предметной области, которую система поддерживает. Вместе с тем они являются "сырьем" и "конечным продуктом" работы информационной системы. В любой ИС поддерживается две категории информационных ресурсов. Ресурсы первой категории непосредственно используются конечными пользователями системы. Ресурсы второй категории (метаресурсы) описывают свойства ресурсов первой категории, п

зволяя системе корректно оперировать ими. Следует заметить, что ресурсы первой категории независимо от их вида (изображения, текстовые документы, аудиозаписи и др.) называют данными, а метаресурсы — метаданными. Используя эту терминологию, можно сказать, что метаданные — это данные о данных. Однако фактически метаданные могут описывать свойства не только собственно данных, но и информационной системы в целом: отдельных ее механизмов и их функций, других ее ресурсов, поддерживаемых технологий, пользователей и т. д. Учитывая, что данные в информационной системе представляют собой некоторую абстрактную модель реальности, можно сказать, что метаданные — это данные более высокого уровня абстракции по отношению к описываемым ими данным.

В зависимости от назначения и специфики, ИС оперируют различными классами информационных ресурсов. Так, в системах, основанных на технологиях баз данных, поддерживаются структурированные данные, организованные в виде таблиц или каких-либо иных структур данных. К информационным ресурсам систем баз данных относятся также и схемы баз данных. В таких системах они относятся к категории метаданных.

В текстовых системах информационные ресурсы включают коллекции документов, представленных на естественных языках. Это информационные ресурсы для конечных пользователей. Кроме того, поддерживаются метаданные — тезаурусы, спецификации и т. п., которые являются информационными ресурсами, используемыми самой системой.

Пользовательские информационные ресурсы в WWW — это страницы Web-сайтов, ресурсы "скрытого" Web — базы данных, а также различные доступные пользователям Web-документы, представленные в форматах, отличных от HTML. К информационным Web-ресурсам нового поколения, кроме того, относятся также различные метаданные, описывающие схемы XML-документов, их семантику и др.

 

Классификация информационных систем

Существует множество классификаций информационных систем по различным признакам. Рассмотрим наиболее часто используемые способы классификации.

По масштабу:

r одиночные информационные системы, реализующиеся, как правило, на автономном персональном компьютере (сеть не используется). Такая система может содержать несколько простых приложений, связанных общим информационным фондом, и рассчитана на работу одного пользователя или группы пользователей, разделяющих по времени одно рабочее место. Подобные приложения создаются с помощью так называемых настольных, или локальных систем управления базами данных (СУБД). Среди локальных СУБД наиболее распространена

Microsoft Access;

r групповые информационные системы, предназначенные для коллективного использования информации членами некоторой рабочей группы, чаще всего п строенные на базе локальной компьютерной сети. При разработке таких приложений используются серверы баз данных (SQL-серверы) для рабочих групп. Существует довольно большое количество различных SQL-серверов, как коммерческих, так и свободно распространяемых. Среди них наиболее известны такие серверы баз данных, как Oracle, Microsoft SQL Server, InterBase, Sybase, Informix;

r корпоративные информационные системы, ориентированные на крупные компании, могут поддерживать территориально разнесенные узлы или сети. В основном они имеют иерархическую структуру, состоящую из нескольких уровней, и создаются на основе клиент-серверной архитектуры со специализацией серверов или на основе многоуровневой архитектуры. При разработке таких ИС могут использоваться те же серверы баз данных, что и при разработке групповых систем, однако в крупных информационных системах наибольшее распространение получили серверы Oracle и Microsoft SQL Server.

По сфере применения:

r системы обработки транзакций, которые в свою очередь по оперативности обработки данных разделяются на пакетные и оперативные. Так, в информационных системах организационного управления преобладает режим оперативной обработки транзакций (OnLine Transaction Processing, OLTP) для отражения актуального состояния предметной области в любой момент времени, а пакетная обработка занимает весьма ограниченную часть. Для систем OLTP характерен регулярный (возможно, интенсивный) поток довольно простых транзакций,  играющих роль заказов, платежей, запросов и т. п. Важными требованиями для таких систем являются высокая производительность обработки транзакций и гарантированная доставка информации при удаленном доступе к БД по телекоммуникациям;

r системы поддержки принятия решений (Decision Support System, DSS), служащие для отбора и анализа больших объемов данных в различных разрезах (временных, географических, по другим показателям) с целью выработки оптимального решения. К DSS относятся, например, системы оперативной аналитической обработки и экспертные системы;

r информационно-справочные системы, предназначенные для сбора, хранения, поиска и выдачи в требуемом виде потребителям информации справочного характера. Основой этих систем являются гипертекстовые документы и мультимедиа. Наибольшее развитие такие информационные системы получили в Интернете. Примерами информационно-справочных систем могут служить системы электронной документации и географические информационные системы;

r офисные информационные системы, предназначенные для перевода бумажных документов в электронный вид, автоматизации делопроизводства и управления документооборотом.

Следует заметить, что приведенная классификация ИС по сфере применения в достаточной степени условна, поскольку крупные информационные системы очень часто обладают признаками всех перечисленных ранее классов. Кроме того, корп ративные ИС масштаба предприятия обычно состоят из ряда подсистем, относящихся к различным сферам применения.

По типу решаемых задач:

r интерпретирующие, под интерпретацией понимается процесс определения смысла данных, результаты которого должны быть согласованными и корректными. Обычно в таких системах предусматривается многовариантный анализ данных;

r диагностирующие, осуществляющие процесс соотношения объекта с некоторым классом объектов и/или обнаружение неисправности (отклонение от нормы) в некоторой системе (технической, биологической и др.);

r ИС мониторинга, основная задача которых — непрерывная интерпретация данных в режиме реального времени и сигнализация о выходе тех или иных параметров за допустимые пределы;

r ИС проектирования, предназначенные для подготовки спецификаций (чертежей, пояснительных записок и т. д.) на разработку объектов с заранее определенными свойствами;

r прогнозирующие, позволяющие предсказывать последствия некоторых событий или явлений на основании анализа имеющихся данных;

r ИС, осуществляющие функции планирования. Под планированием здесь понимается выработка алгоритмов работы объектов, способных выполнять некоторые функции. В таких ИС используются модели поведения реальных объектов  с целью получения логических выводов последствий планируемой деятельности;

r обучающие ИС используются в образовательном процессе для реализации функций обучения, отработки определенных навыков (тренажеры), диагностики и контроля усвоения учебной информации;

r управляющие, осуществляющие управление поведением сложных систем в соответствии с заданными спецификациями.

По типу хранимых данных:

r фактографические системы (аналог картотек), предназначенные для хранения и обработки структурированных данных о какой-либо предметной области, представленных в виде чисел и текстов;

r документографические системы (аналогах архивов), где хранятся всевозможные документы, причем это могут быть не только текстовые документы, но и графика, видео и звук (мультимедиа). Каждому документу присваивается индивидуальный код, составляющий его поисковый образ. Поиск в таких системах осуществляется не по самим документам, а по их поисковым образам. Именно так ищут книги в больших библиотеках. Сначала отыскивают карточку в каталоге, а затем по номеру, указанному на ней, отыскивается и сама книга.

По степени распределенности:

r настольные (desktop), или локальные ИС, в которых все компоненты (БД, СУБД, клиентские приложения) работают на одном компьютере;

r распределенные (distributed) ИС, в которых компоненты распределены по нескольким компьютерам. Распределенные ИС также подразделяются на:

  файл-серверные ИС, в которых база данных находится на файловом сервере, а СУБД и клиентские приложения — на рабочих станциях;

  клиент-серверные ИС, в которых база данных и СУБД находятся на сервере, а на рабочих станциях находятся клиентские приложения. Клиент-серверные ИС подразделяются на:

ú  двухзвенные ИС, где всего два типа звеньев: сервер баз данных, на котором находятся БД и СУБД, и рабочие станции с размещенными на них клиентскими приложениями. Клиентские приложения обращаются к СУБД напрямую;

ú  многозвенные ИС, где пользовательские клиентские приложения взаимодействуют с СУБД через промежуточные звенья — серверы приложений.

 

 

Контрольные вопросы

 

1.        Что представляет собой информационная система?

2.        Для каких целей создаются информационные системы, в чем заключается их главное назначение?

3.        Какой класс систем обработки данных называется автоматизированной информационной системой?

4.        Прокомментируйте последовательность реализации основных процессов, обеспечивающих работу информационной системы.

5.        С помощью каких функций ИС выполняют свое назначение?

6.        Какие задачи решаются в информационной системе при выполнении функции сбора и регистрации информационных ресурсов? Какими способами может осуществляться эта функция?

7.        Какие задачи решаются в ИС различных структур при выполнении функций управления хранимыми данными и ресурсами памяти?

8.        В каких видах ИС используется файловая организация хранения информационных ресурсов?

9.        Как производится доступ к информационным ресурсам в системах текстового поиска?

10.    Как организована среда хранения данных в системах баз данных?

11.    Что является информационными ресурсами в Web? Какие способы доступа к ним обеспечиваются в этой системе?

12.    Для чего необходима актуализация информационных ресурсов в информационных системах? Какие процедуры осуществляются для реализации этой функции в ИС разных классов?

13.    Охарактеризуйте технологии предоставления информационных ресурсов пользователям информационных систем.

14.    Какие функции ИС возлагаются на персонал системы и на ее программное

обеспечение?

15.    Охарактеризуйте основные требования, предъявляемые к информационным системам.

16.    Какие аппаратные ресурсы используют информационные системы?

17.    Что включает в себя системное программное обеспечение ИС?

18.    Какие виды прикладного программного обеспечения используются в ИС?

19.    Какую роль в функционировании информационной системы играют ее лингвистические ресурсы? Какие средства к ним относятся?

20.    На какие категории можно разделить информационные ресурсы информационных систем? В чем их отличие?

21.    Какие информационные ресурсы поддерживаются в информационных системах различных классов?

22.    Приведите классификацию информационных систем по масштабу.

23.    Как можно разделить ИС в зависимости от сферы применения?

24.    Какие выделяют классы ИС с учетом типа решаемых ими задач?

25.    Какие существуют ИС в зависимости от типа хранимых в них данных?

26.    Как классифицируются информационные системы по степени распределенности? Какие выделяют типы распределенных ИС?

 

Темы для рефератов

 

1.        Эволюция развития информационных систем.

2.        Информационно-поисковые системы.

3.        Информационные архивные системы.

4.        Правовые информационные системы.

5.        Корпоративные информационные системы.

6.        Экономические информационные системы.

7.        Информационная система как средство создания единого информационного пространства.

8.        World Wide Web как информационная система Интернет.

9.        Поисковые системы Интернет.

10.    Методы и средства защиты информации в информационных системах.

11.    Принципы организации защиты информации в корпоративных ИС.

12.    Стандарты информационной безопасности информационных систем.

 

Вопросы для обсуждения

 

1.    Какие преимущества автоматизированные информационные системы обеспечивают пользователям? В чем их "слабые" места?

2.    Каковы причины существования большого многообразия информационных систем?

3.    Как, по вашему мнению, специфика конкретной предметной области влияет на требования к информационной системе?

4.    Как вы думаете, какие области можно выделить, где ИС реформируют традиционные правовые и моральные нормы?

5.    Назовите факторы, влияющие на качество жизни, связанные с использованием компьютеров и информационных систем.

6.    Каковы основные достоинства и недостатки World Wide Web как информационной системы?

 

Задачи и упражнения

 

1. Изучите основные возможности программы Консультант+ на основе ее демоверсии. Подготовьте отчет в виде таблицы, содержащей графические изображения основных инструментов программы и поясняющие их назначение тексты. 2. Выйдя в Интернет по адресу www.informika.ru, изучите структуру сервера  Государственного научно-исследовательского института информационных технологий и телекоммуникаций "Информика".

Ответьте на следующие вопросы:

 Какие виды информационных систем представлены на данном сервере?

 Какими средствами осуществляется поиск необходимой информации?

3.    Используя поисковую систему Google (www.google.ru), найдите в архивах новостей дополнительную информацию по изучаемым темам ваших школьных дисциплин (2—3 статьи) и сохраните их в формате MS Word в своей рабочей папке.

4.    Изучите структуру информационно-справочной системы TUTU.RU (www.tutu.ru). Из каких основных разделов она состоит? В каких случаях можно воспользоваться каждым из них? Пользуясь подсистемой построения железнодорожного маршрута рассматриваемой системы, составьте наиболее удобный маршрут путешествия из вашего населенного пункта в другой населенный пункт, до которого нет "прямого" железнодорожного транспорта.

5.    Ознакомьтесь с каталогом образовательных ресурсов портала www.edu.ru. Составьте аннотированный перечень имеющихся в каталоге ресурсов по одному из школьных предметов.

6.    Найдите в Интернете и изучите структуру информационно-справочного портала вашего города/региона (в случае отсутствия такового — соседнего с вашим региона). Осуществите поиск информации на этом портале, согласовав перечень объектов поиска с учителем.

 

Лабораторные работы

 

1. Выполните в программе Консультант+ приведенные далее задания.  В разделе "Законодательство" найдите какой-либо закон (например, закон Воронежской области "О налоге на имущество организаций").

 В найденном законе выберите некоторый пункт (для приведенного ранее примера пункт "Налоговые льготы").

 Поставьте закладку на этот пункт. Закладку сохраните в папке со своей фамилией.

 Выйдите из документа, войдите в него снова и с помощью закладки найдите требуемый пункт.

 Создайте в программе Консультант+ папку с именем "Мои законы".

 В разделе "Законодательство" найдите какой-нибудь другой закон (например, закон Воронежской области "О введении в действие транспортного налога на территории Воронежской области") и внесите найденный документ в папку "Мои законы".

  Вернитесь в карточку пользователя, найдите требуемый документ в папке "Мои законы" и поставьте его на контроль.

  В Навигаторе выберите какой-либо раздел (например, "Малое предпринимательство"), найдите документы, связанные с налогообложением, и сохраните их в папке "Мои законы".

2. Найдите на сервере Министерства образования и науки РФ информацию по одной из перечисленных далее тем.

 Документы по истории образования в России.

 Статьи Гражданского кодекса, относящиеся к сфере образования.

 Примерный Устав среднего общеобразовательного учреждения.

 Процедура организации ЕГЭ.

 Перечень ВУЗов, в которых готовят специалистов по интересующей вас специальности.

 Условия поступления в российские ВУЗы.

 Условия получения дистанционного образования.

 Условия получения образования за рубежом.

 Стандарт среднего (полного) общего образования по информатике и ИКТ (базовый уровень).

  Стандарт среднего (полного) общего образования по информатике и ИКТ (профильный уровень).

  Стандарт среднего (полного) общего образования по математике (базовый уровень).

  Стандарт среднего (полного) общего образования по математике (профильный уровень).

Подготовьте отчет о поиске в виде текстового файла.

3. Пользуясь электронными каталогами Российской государственной библиотеки (www.rsl.ru), Государственной публичной научно-технической библиотеки (www.gpntb.ru) и др., подготовьте аннотированный список литературы (не менее 5 изданий) по одной из указанных далее тем.

 Информационные системы.

 Автоматизированные информационные системы.

 Банки данных.

 Системы управления базами данных (СУБД).

 Информационно-справочные системы.

 Информационные системы в экономике.

 Информационные системы в юриспруденции.

 Экспертные системы.

 Базы знаний.

 Искусственный интеллект.

 Автоматизированные системы управления (АСУ).

 Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП).

 Автоматизированные системы научных исследований (АСНИ).

 Системы автоматизированного проектирования (САПР).

 Автоматизированная система управления предприятием (АСУП).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

модуль 9

РАЗДЕЛ 9.2

 

Базы данных 

как основной компонент

информационной системы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учебный материал

 

В зависимости от конкретной области применения, автоматизированные информационные системы очень сильно различаются по своим функциям, архитектуре, реализации, но есть у них и общие свойства. Любая АИС предназначена для сбора, хранения и обработки информации, поэтому в основе всех АИС лежит среда хранения и доступа к данным. Такую среду образуют базы данных (БД) и соответствующие им системы управления базами данных (СУБД).

Данные и их свойства

Основой любой информационной системы являются определенным образом организованные данные. Структура данных должна обеспечивать адекватное отображение непрерывно меняющегося реального мира и эффективно удовлетворять информационные нужды пользователей конкретной ИС. В соответствии с общепринятой терминологией, данные представляют собой некоторый факт, на котором основан определенный вывод или любая интеллектуальная система.

С точки зрения разработчика автоматизированных информационных систем данные являются информацией, фиксированной в определенной форме, пригодной для последующей обработки, хранения и выдачи в удобном для пользователя виде. Первичными компонентами данных являются цифры и символы естественного языка или их кодированное представление в виде строки двоичных битов.

Наименьшей семантически значимой поименованной единицей данных является элемент данных. Поименованная совокупность элементов данных, рассматриваемая в программе обработки данных как единое целое, называется агрегатом данных. Примерами агрегатов данных могут служить дата, фамилия-имя-отчество, адрес, номер телефона и т. п.

Упорядоченная совокупность значений взаимосвязанных элементов данных называется логической записью.

В качестве логических записей можно рассматривать, например, общие сведения о некотором ученике школы, информацию о книге, хранящейся в библиотеке, параметры метеорологических наблюдений за один день и др.

Данные в своей совокупности характеризуют определенную предметную область, т. е. являются информационной моделью некоторой части реального мира. Объекты предметной области, в роли которых могут выступать люди, события, предметы и т. д., характеризуются конечным набором качественных и количественных параметров, которые представляются элементами данных.

Элементы данных обладают двумя важнейшими свойствами: избыточностью и полнотой. Первое свойство заключается в том, что один и тот же элемент данных может входить в разные записи. Свойство полноты состоит в том, что любой элемент данных может полностью или частично характеризовать предмет, явление, событие. Благодаря рассмотренным свойствам элементов данных появилось понятие некоторого единообразного хранилища информации, названное впоследствии базой данных.

 

Понятие базы данных

Крис Дейт, один из главных экспертов в области баз данных, в начале своего учебного курса дает такое нестрогое определение БД: "Базу данных можно рассматривать как подобие электронной картотеки, т. е. хранилище для некоторого набора занесенных в компьютер файлов данных". Пользователю этой системы предоставляется возможность выполнять множество различных операций над такими файлами, например добавлять новые файлы в БД, вносить новые данные в существующие файлы и т. д.

В современной трактовке база данных может быть определена как совокупность предназначенных для машинной обработки структурированных данных, которая служит для удовлетворения нужд многих пользователей в рамках одной или нескольких организаций.

С точки зрения структуры АИС база данных — это реализованная с помощью компьютера информационная структура (модель), отражающая состояние объектов и их отношения.

Если подойти к понятию "база данных" с чисто пользовательской точки зрения, то возникает другое определение: база данных — совокупность хранимых операционных данных некоторого предприятия.

В отличие от математики, где все определения понятий строги и однозначны, понятия в информатике трактуются в зависимости от доминирующего при их рассмотрении аспекта. Несмотря на различия представленных определений базы данных, нужно отметить следующие ключевые моменты. Во-первых, база данных предназначена для использования всеми членами организации, которым необходима содержащаяся в ней информация. Во-вторых, в отличие от частных файлов данных, ориентированных на одну конкретную программу, реализация базы данных предполагает использование интегрированного программного обеспечения. Отсюда требования к совокупности данных, хранящихся в базе данных:

r интегрированность, направленная на решение как общих, так и частных задач организации;

r структурированность, отражающая некоторую часть реального мира;

r взаимосвязанность;

r достоверность и непротиворечивость;

r полная доступность для использования;

r независимость описания данных от реализующих базу данных прикладных программ.

Большинство людей думают, что база данных — это просто огромный набор данных, однако файл тоже может содержать довольно большое количество данных, но не быть при этом базой данных. Важным свойством БД является то, что она может себя описать. Наряду с обычными данными (данными пользователей, используемыми ими в практической деятельности) база данных содержит также и мета- данные.

Метаданные — это данные о данных или схема базы данных, которая описывает структуру обычных данных и дает о них фундаментальную информацию: сведения о пользователях, форматы отображения, статистику обращения к данным и др.

Примерами метаданных служат имена таблиц, имена столбцов таблиц, которым они принадлежат, а также свойства таблиц и столбцов и т. д. Схема базы данных хранится в словаре БД и невидима пользователю. Заметим, однако, что сами метаданные также содержатся в таблицах, а это означает, что осведомленный персонал может использовать язык для запросов к метаданным так же, как и к пользовательским данным.

В современных базах данных хранятся не только данные, но и информация. Поясним это утверждение на примере базы данных крупного банка. В ней хранятся все необходимые сведения о клиентах, об их адресах, кредитных историях, состоянии расчетных счетов, финансовых операциях и т. д. Доступ к этой базе данных имеется у достаточно большого количества сотрудников банка, 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.

Жизненный цикл базы данных можно условно разбить на две фазы: анализа и проектирования; реализации и функционирования.

Фаза анализа и проектирования предусматривает:

1.    Формирование и анализ требований к информации о предметной области. На этом этапе осуществляется сбор требований к содержанию и процессу обработки данных от будущих пользователей БД, обеспечивается согласованность данных.

2.    Концептуальное проектирование, предполагающее построение независимой от конкретной СУБД и технических решений информационной структуры путем объединения требований пользователей.

3.    Проектирование реализации. На этом этапе осуществляется реализация информационной модели в рамках конкретной СУБД. Производится описание структуры данных, разработка программ обработки данных.

На этапе реализации и функционирования БД осуществляются:

1.    Реализация базы данных.

2.    Анализ функционирования и поддержка эксплуатации.

3.    Модификация и адаптация.

Основные требования к организации базы данных

Изучением этого вопроса долгое время занимались различные группы людей в учреждениях, использующих электронно-вычислительную технику, в правительственных комиссиях, на вычислительных центрах коллективного пользования, в коллективах разработчиков программного обеспечения. Накопленный опыт создания и использования баз данных позволяет выделить общий набор требований к их организации.

r Установление многосторонних связей данных. Базы данных, прежде всего, должны удовлетворять актуальным информационным потребностям пользователей. Поскольку разным пользователям требуются разные логические файлы, получаемые из одной и той же совокупности данных, между элементами запоминаемых данных должны существовать многосторонние связи. Метод организации данных должен обеспечивать возможность удобного представления этих взаимосвязей и быстрого согласования вносимых в них изменений.

r Обеспечение необходимой производительности. Вычислительная техника позволяет осуществлять оперативный доступ к информации, хранящейся в базе данных. При этом важным и очевидным свойством БД является ее производительность. Так, в системах, рассчитанных на небольшой поток запросов, пропускная способность накладывает незначительные ограничения на структуру базы данных. В системах с большим потоком запросов (например, в системах резервирования авиабилетов) пропускная способность оказывает решающее влияние на выбор организации физического хранения данных. В системах, предназначенных только для пакетной обработки, где время ответа не так важно, метод физической организации может выбираться из условий обеспечения эффективной пакетной обработки.

r Минимизация затрат. Для уменьшения затрат на создание и эксплуатацию БД выбираются такие методы организации данных, которые минимизируют требования к внешней памяти. При использовании этих методов физическое представление данных в памяти может сильно отличаться от того представления, которое используют разработчики прикладной программы, реализующей управление базой данных. Преобразование одного представления в другое может осуществлять либо программное обеспечение, либо, если это возможно, аппаратные или микропрограммные средства. В таких ситуациях приходится выбирать между затратами на алгоритм преобразования представления данных и экономией памяти.

r Минимизация избыточности. В системах обработки данных, существовавших до использования систем управления базами данных, информационные фонды обладали очень высоким уровнем избыточности. Избыточные данные дороги  в том смысле, что они занимают больше памяти, чем это необходимо, и требуют более одной операции обновления. В результате использования баз данных уменьшилось дублирование данных, появилась возможность упорядочения процедур их обновления, что привело к согласованности данных.

r Обеспечение возможности поиска. Важным свойством, способствующим широкому применению баз данных, является обеспечение возможности получать ответы на те вопросы, которые ранее оставались без ответа. Пользователь базы данных может обращаться к ней с самыми различными запросами по поводу хранимых данных. В большинстве современных коммерческих приложений типы запросов предопределены, и физическая организация данных разрабатывается для их обработки с требуемой скоростью. Возросшие требования к системам заключаются в обеспечении обработки таких запросов или формирования таких ответов, которые заранее не запланированы.

r Целостность. Для пользователей информационной системы недостаточно, чтобы база данных просто отражала объекты реального мира. Необходимо, чтобы такое отражение было однозначным и непротиворечивым. В этом случае говорят, что база данных удовлетворяет условию целостности. Если база данных содержит данные, используемые многими пользователями, очень важно, чтобы элементы данных и связи между ними не разрушались. Необходимо также учитывать возможность возникновения ошибок и различного рода случайных сбоев. Хранение данных, их обновление, процедуры включения данных должны быть такими, чтобы система в случае возникновения сбоев могла восстанавливать данные без потерь, т. е. гарантировала как логическую, так и физическую целостность хранимых в ней данных.

r Актуальность. Любая база данных является точной и полной, если она постоянно обновляется. Очень важно, чтобы база данных в каждый момент времени полностью соответствовала состоянию отображаемого ею объекта.

r Безопасность и секретность. Данные в базах данных должны храниться в тайне и сохранности. Запоминаемая информация иногда очень важна для использующего ее учреждения, поэтому она не должна быть утеряна или похищена. Для увеличения жизнестойкости информации в базе данных важно защищать ее от аппаратных или программных сбоев, от катастрофических и криминальных ситуаций, от некомпетентного или злонамеренного использования лицами, которые могут ее неправильно употребить.

Под безопасностью данных понимают их защиту от случайного или преднамеренного доступа к ним лиц, не имеющих на это права, от неавторизованной модификации данных или уничтожения.

Секретность определяют как право отдельных лиц или организаций устанавливать когда, как и какое количество соответствующей информации может быть передано другим лицам или организациям. Требование секретности обеспечивается, как правило, разграничением доступа к отдельным разделам базы данных.

r Связь с прошлым. Организации, которые в течение какого-то времени эксплуатируют базы данных, затрачивают значительные средства на написание (приобретение) соответствующих программ, а также обеспечение хранения данных.  В том случае, когда фирма начинает использовать новое программное обеспечение управления базами данных, очень важно, чтобы при этом она могла работать с уже существующими программами, а обрабатываемые данные можно  было бы соответствующим образом преобразовывать. Такое условие требует наличия программной и информационной совместимости, поэтому ее отсутствие может стать основным сдерживающим фактором при переходе к новым системам управления базами данных. Важно, однако, чтобы проблема связи с прошлым не сдерживала развитие СУБД.

r Связь с будущим. Особенно важной представляется перспектива развития базы данных, т. е. ее связь с будущим. Любой объект со временем претерпевает изменения, что неизбежно приводит к изменению отражающих его данных и среды их хранения. Огромные затраты, которые требуются для реализации самых простых изменений базы данных, сильно тормозят развитие систем их обработки. Поэтому одной из самых важных задач проектирования базы данных является разработка такой структуры данных, которая должна предусматривать возможность реорганизации и расширения при изменении предметной области. Кроме того, БД должна быть универсальной в плане изменения аппаратной и программной сред, т. е. она должна обеспечивать независимость приложений от  организации данных.

r Простота и удобство использования. Средства, которые используются для представления общего логического описания данных, должны быть простыми и понятными. База данных должна быть удобной в использовании и иметь развитые методы доступа к любой части информации. Интерфейс программного обеспечения должен быть ориентирован на конечного пользователя и учитывать возможность того, что пользователь не имеет необходимой базы знаний по теории баз данных.

Классификация баз данных

Существует множество признаков, по которым можно классифицировать базы данных. Так, по характеру хранимой информации БД могут подразделяться на фактографические (различные картотеки), документальные (всевозможные архивы, коллекции графических, звуковых и других объектов), полнотекстовые и т. п.

Примерами классификации баз данных по содержимому могут служить: географические, исторические, научные, мультимедийные и другие БД. Классификация БД по технологии хранения данных выглядит следующим образом: БД во вторичной памяти (традиционные); БД в оперативной памяти (in-memory databases); БД в третичной памяти (tertiary databases).

По степени распределенности различают централизованные (сосредоточенные на одном компьютере) и распределенные БД. Отдельное место в теории и практике занимают пространственные (англ. spatial), временные, или темпоральные (temporal), и пространственно-временные (spatial-temporal) базы данных.

Одним из важнейших признаков классификации баз данных является их логическая организация.

Логическая модель базы данных (БД) — это ее концептуальная схема, которая не зависит от физической среды: типа ЭВМ, операционной системы и СУБД.

В настоящее время выделяют три основных логических модели БД: иерархическую, сетевую и реляционную, получившую наиболее широкое распространение.

Иерархическая модель организует данные в виде древовидной структуры. В основании дерева находится единственный узел, называемый корневым (или корнем). Все остальные узлы называются порожденными. При этом каждый из узлов связан только с одним узлом вышележащего уровня иерархии.

В качестве примера иерархической модели организации данных рассмотрим базу данных "Медицинские карты детей в поликлинике". Информация в этой БД структурирована следующим образом. Все медицинские карты детей делятся на участки по месту жительства. Внутри каждого участка они подразделяются по году рождения ребенка, а затем распределяются в алфавитном порядке (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Модель организации данных базы данных 

"Медицинские карты детей в поликлинике"

Сетевая модель данных представляется в виде графов, вершинами которых являются объекты, а ребрами — связи между ними. Каждый объект может иметь как неограниченное число потомков, так и неограниченное количество предков. Примером сетевой модели организации данных может служить база данных клиентской сети банковской системы (рис. 9.3).

 

Рис. 9.3. Модель организации данных клиентской сети банковской системы

 

Реляционная модель строится на использовании табличных методов и средств представления данных и манипулирования ими. Табличный способ структурирования данных является одной из простейших форм организации информации в базах данных. В форме таблиц могут записываться различные списки, перечни, сводки и многие другие документы. Реляционная база данных представляет собой набор взаимосвязанных таблиц (табл. 9.1 и 9.2).

Название "реляционная" (в переводе с английского relation — отношение) связано  с тем, что каждая запись в таблице содержит информацию, относящуюся только к одному конкретному объекту.

 

Таблица 9.1. Музыкальные альбомы групп

Код  альбома	Код  группы	Название  альбома	Год  выпуска	Тип альбома	Фирма
25 36 35 34	1 2 2 3	Help! Led Zeppelin 4 Led Zeppelin 4 Flash Gordon	1965 1971 1970 1980	Lp (English) Lp Lp Soundtrack	Parlophone Atlantic Atlantic EMI

 

Таблица 9.2. Рок группы

Код  группы	Название группы	Страна	Дата создания	Дата распада
1 2 3	The Beatles Led Zeppelin 4 Flash Gordon	Англия Англия Англия	1963 1989 1991	1970 — —

Содержащаяся в табл. 9.1 информация представляет собой информационную модель, объектами которой являются музыкальные альбомы групп. Свойства же этих объектов находятся в столбцах таблицы ("Название альбома", "Год выпуска", "Тип альбома", "Фирма"), их называют атрибутами объектов. Таким образом, каждая строка таблицы — это совокупность атрибутов объекта. Такую строку называют записью, а элемент записи, соответствующий атрибуту, — полем.

Помимо сведений, указанных в атрибутах, табличная организация данных позволяет получить дополнительную информацию. К примеру, нетрудно узнать (в предположении, что табл. 9.1 заполнена данными):

r какая группа выпустила больше альбомов за определенный период;

r число альбомов данной группы;

r сколько имеется альбомов типа Soundtrack (музыка к фильму);

r какая фирма выпустила наибольшее число альбомов данной группы.

Приведенные в качестве примера табл. 9.1 и 9.2 связаны между собой общим полем "Код группы". Поле "Код альбома" в табл. 9.1 создается для того, чтобы отличать альбомы друг от друга. Это очень важно, т. к. в таблице могут находиться альбомы с одинаковыми названиями. Необходимость использования больше одной таблицы станет заметной, если объединить эти таблицы в одну (табл. 9.3).

 

 

Таблица 9.3. Объединение таблиц 9.1 и 9.2

Название  группы	Страна	Дата создания	Дата  распада	Название  альбома	Год  выпуска	Тип  альбома	Фирма
The Beatles	Англия	1963	1970	With the Beatles	1963	Lp	Parlophone
The Beatles	Англия	1963	1970	Please, please me	1963	Lp	Parlophone
The Beatles	Англия	1963	1970	Rubber soul	1963	Lp	Parlophone

 

Из табл. 9.3 видно, что при внесении в нее данных об альбомах определенной группы каждый раз придется дублировать информацию первых четырех полей таблицы. Многократное сохранение в БД одних и тех же данных (название группы, страна, дата создания, дата распада) приведет к неэффективному использованию памяти,  к тому же существенно возрастет вероятность ошибок при вводе данных. Разбив же данные по таблицам, можно в значительной степени избежать этих трудностей.

Через связь, определенную между этими таблицами, можно узнать:

r сколько альбомов выпустила группа;

r выпускались ли альбомы у фирмы EMI;

r в каком году было выпущено максимальное количество альбомов и т. п.

Реляционные базы данных удобны еще и тем, что для получения ответов на различные запросы существует разработанный математический аппарат, который называется исчислением отношений или реляционной алгеброй. Ответы на запросы к реляционным базам данных получаются путем "разрезания" и "склеивания" таблиц по строкам и столбцам. При этом очевидно, что ответы также будут иметь форму таблиц.

По проблематике систем управления в настоящее время выделяют следующие уровни баз данных:

r реляционные базы данных (1970—1990 гг.);

r объектно-ориентированные базы данных (1980—1990 гг.);

r интеллектуальные базы данных (1985—1990 гг.);

r распределенные базы данных (начало 1990 гг.);

r базы данных мультимедиа и виртуальной реальности настоящего времени.

 

 

 

Контрольные вопросы

 

1.        Какова сущность понятия "данные"?

2.        Что подразумевается под данными с точки зрения разработчика АИС?

3.        Что такое агрегат данных? Приведите примеры.

4.        Дайте определение понятия "логическая запись". Приведите примеры.

5.        Каковы основные свойства элементов данных? Поясните их суть.

6.        Какие существуют определения базы данных? С чем связано их многообразие?

7.        Перечислите требования к совокупности данных, хранящихся в БД.

8.        Что относится к метаданным базы данных?

9.        Прокомментируйте фазы жизненного цикла БД.

10.    Охарактеризуйте основные требования к организации базы данных.

11.    По каким признакам можно классифицировать базы данных?

12.    На какие типы подразделяются базы данных в зависимости от их логической организации?

13.    Из каких компонентов состоит реляционная база данных?

14.    Какие уровни баз данных выделяют в соответствии с проблематикой систем управления?

Темы для рефератов 

 

1.        Модели данных в управлении базами данных.

2.        Информационные хранилища.

3.        Многоуровневое представление данных.

4.        Сверхбольшие базы данных.

5.        Системы мобильных баз данных.

6.        XML-ориентированные базы данных.

7.        Пространственные, временные и пространственно-временные БД.

8.        Проблемы проектирования БД.

9.        Модели безопасности баз данных.

10.    Методы построения банков данных.

 

 

Вопросы для обсуждения

 

1.    Зачем нужно структурировать данные?

2.    В чем, по вашему мнению, преимущества и недостатки многообразия определений базы данных?

 

 

Задачи и упражнения

 

1.    Проанализируйте способы организации данных в имеющихся у вас источниках информации (энциклопедии, телефонный справочник, справочники по отдельным отраслям, кулинарные книги и др.).

2.    Проанализируйте с точки зрения базы данных информационной системы школьный журнал, ответив на следующие вопросы:

 О каком объекте представлена информация в журнале?

 Что является записью рассматриваемой БД?

 Какие названия имеют поля?

 Что обозначают значения полей в записи?

3.    Запишите в тетрадь сравнительный анализ реляционной и иерархической моделей БД.

4.    Сравните табличные структуры данных в БД с аналогичными структурами данных, хранящимися в электронных таблицах. Отчет представьте в виде таблицы.

 

 

Лабораторные работы

 

1.    Разработайте структуру одной из следующих баз данных:

 моя записная книжка;  мои учебники;  картотека любимых аудиозаписей (фильмов, книг и т. п.).

2.    Изучите ваше школьное расписание и на основе полученной информации, а также сведений об учащихся школы спроектируйте базу данных, позволяющую выдавать информацию по следующим запросам:

 Какие учителя преподают в старших классах?

 Какие учителя преподают в 10-х классах?

 В каких классах преподает данный учитель?

 Какие учителя преподают данный предмет?

 Какие учителя обучают данного ученика?

 Какие предметы изучают в данном классе?

 

 

 

 

 

 

 

модуль 9

РАЗДЕЛ 9.3

 

Управление данными  в информационных системах (БД)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учебный материал

 

Понятие системы управления 

базами данных

Резкий рост объемов перерабатываемой информации и накопленный опыт использования электронно-вычислительной техники в различных областях человеческой деятельности приводят к необходимости пересматривать такую традиционную область обработки информации, как управление данными.

Управление данными — процесс, связанный с накоплением, организацией, запоминанием, обновлением, хранением данных и поиском информации.

Поскольку традиционные возможности систем управления файлами не обеспечивают решения таких важных задач информационных систем, как поддержка логически согласованных наборов данных, реализация языка манипулирования данными, восстановление информации после разного рода сбоев, реально параллельная работа нескольких пользователей, то на их основе оказывается невозможным построение даже простых ИС. До появления баз данных, являющихся основным компонентом информационных систем, было чрезвычайно трудно изменить способ организации данных для удобного их использования.

При создании БД особое внимание уделяется тому, чтобы данные можно было широко использовать в различного рода приложениях, имея при этом возможность легкого и быстрого изменения способов их использования в случае необходимости. Для обеспечения гибкости работы с данными необходимо учитывать два аспекта разработки БД:

r во-первых, данные должны быть независимы от программ (чтобы их можно было добавлять или перестраивать без изменения программ);

r во-вторых, должна быть обеспечена возможность запрашивать и находить нужную информацию в БД без трудоемкого написания программ на обычном языке программирования.

Решению всех этих задач способствовало появление в конце 60-х — начале  70-х годов прошлого века специализированного программного обеспечения — систем управления базами данных.

Система управления базами данных (СУБД) — это совокупность программ и  языковых средств, предназначенных для создания, ведения и использования баз данных.

Основная проблема централизованного управления данными — обеспечение независимости прикладных программ от данных. Именно СУБД обеспечивают независимость данных, а прикладные программы поддерживают логику каждой конкретной задачи. Изменения физической организации воспринимаются СУБД и не влияют на прикладную программу. Изменение логики прикладной программы не требует реорганизации и изменения механизма доступа к физическим данным.  Таким образом, введение СУБД отделяет логическую структуру данных от их физической структуры в памяти компьютера. Заметим, что не всякая управляющая программа работы с БД является СУБД. Система управления базами данных — это пакет программ, обеспечивающий:

r пользователей (прикладные программы) языковыми средствами описания и манипулирования данными;

r поддержку логических моделей данных, т. к. модель данных определяет логическое представление физических данных;

r операции создания и манипулирования логическими данными (выбор, вставка, обновление, удаление и т. п.) и одновременное выполнение этих операций над физическими данными;

r защиту и согласованность данных в случае многопользовательского режима работы, предусматривающего использование общих физических данных.

Первые СУБД были разработаны для больших и мини-ЭВМ. СУБД персональных компьютеров удовлетворяют всем требованиям теории БД, но отличаются более простой архитектурой, существенно проще для освоения и использования, снабжены "дружественным" интерфейсом, встроенной подсистемой интерактивной помощи и пр.

Идеологическая ценность СУБД объясняется тем, что в основе программ такого рода лежит концепция модели данных, т. е. некоторой абстракции представления данных. В большинстве случаев предполагается, что данные представлены в виде файлов, состоящих из записей. Структура всех записей в файлах одинакова, а количество записей в файле является переменным. Элементы данных, из которых состоит каждая запись, называются полями. Поскольку во всех записях имеются одни и те же поля (с разными значениями), полям удобно давать уникальные имена.

Многие практически значимые случаи организации данных хорошо укладываются в такую схему их представления. Например, в отделе кадров предприятия информация о сотрудниках хранится в листах по учету кадров. Сотрудников принимают на работу и увольняют, но форма личного листа остается неизменной для любого сотрудника. Другой пример — инвентарная карточка для учета товарно-материальных ценностей на складе, форма которой также остается неизменной вне зависимости от "прихода" или "ухода" товара.

Из этих и других примеров, которые без труда можно привести, становится понятным, что СУБД является адекватным средством во всех случаях, когда исходную информацию можно представить в виде таблицы постоянной структуры, но неопределенной длины или в виде картотеки, содержащей неопределенное количество карточек постоянной структуры.

Основные функции СУБД

Система управления базами данных поддерживает наполнение и манипулирование данными, представляющими интерес для пользователей при решении прикладных задач. Иными словами, СУБД является интерфейсом между базой данных и прикладными задачами. Рассмотрим основные функции СУБД.

Управление буферами оперативной памяти

СУБД обычно работают с базами данных, размер которых существенно больше доступного объема оперативной памяти компьютера. 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. Поэтому в развитых СУБД поддерживается собственный набор буферов оперативной памяти.

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. Если транзакция выполнена успешно, то СУБД фиксирует изменения БД, произведенные этой транзакцией, во внешней памяти. В противном случае ни одно из выполняемых изменений никак не отражается на состоянии БД. Механизм транзакции необходим для обеспечения логической целостности базы данных, поэтому его поддержка является обязательным условием даже для однопользовательских СУБД, но гораздо важнее он для многопользовательских

систем.

То свойство, что каждая транзакция начинается при целостном состоянии базы данных 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, кто работает с базой данных, может, в принципе, ощущать себя единственным ее пользователем.

Журнализация

Одним из основных требований к СУБД является надежность хранения данных во внешней памяти. Под надежностью хранения понимается то, что СУБД должна располагать средствами восстановления последнего согласованного со всеми пользователями состояния 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 второй требуется ликвидировать последствия только одной (последней) 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 журнализируются 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.

В любом из этих случаев придерживаются стратегии "упреждающей" записи в журнал (поддержка так называемого протокола Write Ahead Log — WAL), заключающейся 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.

Поддержка языков БД

Для работы с базами данных используются специальные языки, называемые языками баз данных. В ранних СУБД поддерживалось несколько специализированных по своим функциям языков. Чаще всего выделялись два языка — язык определения схемы БД (SDL — Schema Definition Language) и язык манипулирования данными (DML — Data Manipulation Language). SDL служил, главным образом, для определения логической структуры БД, т. е. той структуры БД, какой она представляется пользователям. DML содержал набор операторов манипулирования данными, т. е. операторов, позволяющих заносить данные в БД, удалять, модифицировать или выбирать существующие данные.

В современных СУБД обычно поддерживается единый интегрированный язык, содержащий все необходимые средства для работы с БД (начиная от ее создания) и обеспечивающий базовый пользовательский интерфейс. Стандартным языком наиболее распространенных в настоящее время реляционных СУБД является язык SQL (Structured Query Language).

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 ускорения доступа к данным в некоторых случаях (обычно для этого используются индексы). В СУБД предусмотрены три уровня управления: файлами, записями и полями записей. Входящие в состав современных СУБД средства совместно выполняют следующие функции по управлению данными:

r описание данных, их структуры (обычно описание данных и их структуры происходит при инициировании новой базы данных или добавлении к существующей базе новых разделов (отношений); описание данных необходимо для контроля корректности использования данных, для поддержания целостности БД);

r первичный ввод, пополнение информации в базе данных;

r удаление устаревшей информации из БД;

r корректировку данных для поддержания их актуальности;

r упорядочение (сортировку) данных по некоторым признакам;

r поиск информации по некоторым признакам (для описания запросов имеется специальный язык запросов, который обеспечивает также интерфейс между базой данных и прикладными программами пользователей, позволяет этим программам использовать БД);

r подготовку и генерацию отчетов (средства подготовки отчетов позволяют создавать и распечатывать сводки по заданным формам на основе информации базы данных);

r защиту информации и разграничение доступа пользователей к ней (некоторые разделы базы данных могут быть закрыты для пользователя вообще, некоторые — могут быть открыты только для чтения, а некоторые — могут быть доступны, в том числе и для изменения; при многопользовательском режиме работы с БД очень важно соблюдать корректность вносимых в нее изменений;  сохранение целостности данных обеспечивает механизм транзакций, позволяющий выполнять манипуляции с данными небольшими пакетами, результаты  каждого из которых в случае возникновения некорректности операций "откатываются", и данные возвращаются к исходному состоянию);

r резервное сохранение и восстановление базы данных, которое позволяет восстановить утраченную при сбоях и авариях аппаратуры информацию, а также накопить статистику работы пользователей с БД;

r поддержку интерфейса с пользователями, который обеспечивается средствами ведения диалога (по мере развития и совершенствования СУБД этот интерфейс становится все более дружественным; дружественность существующих средств интерфейса предполагает:

  наличие развитой системы помощи (подсказок), к которой пользователь мо-

жет обратиться в любой момент, не прерывая сеанса работы с компьютером и базой данных;

  защиту от необдуманных действий, предупреждающую пользователя и пре-

дотвращающую потерю информации в случае поспешных или ошибочных команд;

  наличие нескольких вариантов выполнения одних и тех же действий, из 

которых пользователь может выбрать наиболее удобные для себя в соответствии с его подготовкой, квалификацией, привычками;

  тщательно продуманную систему ведения человеко-машинного диалога, отображение информации на мониторе, использование "горячих" клавиш клавиатуры).

Архитектура современной СУБД

Как известно, организация и состав элементов любой системы определяются ее функциональным назначением. Все функции СУБД можно разделить на три группы: управление базами данных; разработка, отладка и выполнение прикладных программ; выполнение вспомогательных операций (сервис). Рассмотрим типовую организацию системы управления базами данных на примере реляционной (наиболее распространенной в настоящее время) СУБД.

Архитектурно реляционная 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.

Средствами этого языка описывается структура БД, форматы записей, а также пароли, защищающие данные. Исходные тексты описания данных на ЯОД после трансляции отображаются в управляющие таблицы, задающие размещение рассматриваемых данных в памяти компьютера и связи между ними. 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 компьютера, куда их требуется поместить, преобразует к заданному виду и устанавливает между ними необходимые связи.

Язык манипулирования данными (ЯМД) — язык для выполнения операций над данными, позволяющий менять их строение.

ЯМД, называемый еще языком запросов, представляет собой систему команд, например, следующего типа:

r произвести выборку данного, значение которого удовлетворяет заданным условиям;

r произвести выборку всех данных определенного типа, значения которых удовлетворяют заданным условиям;

r найти в базе позицию данного и поместить туда новое значение (или удалить данное) и т. д.

В зависимости от способа реализации ЯМД системы управления базами данных подразделяют на СУБД с включающим языком и СУБД с базовым языком. В СУБД с базовым языком разрабатывается собственный алгоритмический язык, позволяющий кроме манипулирования данными выполнять арифметические операции, операции ввода/вывода на терминалы и т. д.

Для разных СУБД реализация описанных языков может быть различной. В одних случаях ЯОД и ЯМД требуют составления пользователем программы полностью "вручную", в других (что отражает современную тенденцию) СУБД присутствуют средства визуальной (зримой, наглядной) разработки программ. Для этого в современных СУБД имеются редакторы экранных форм, отчетов. Инструментами таких редакторов являются поля различных видов (поля ввода, поля вывода, вычисляемые поля) и разные типы процедур обработки данных (формы ввода, таблицы, отчеты, запросы). На основе создаваемых пользователем объектов программыгенераторы формируют программный код на языке конкретной машины или на промежуточном языке.

К языкам программирования, используемым в СУБД, кроме традиционных, стандартных требований предъявляется требование полноты языка, т. е. язык должен иметь набор средств, необходимый и достаточный для работы с базами данных и обработки найденной информации.

Кроме перечисленного во многих СУБД имеются специальные средства обеспечения защиты данных от некомпетентного их использования и сбоев технических средств, средства контроля достоверности данных, средства автоматического накопления статистики использования тех или иных данных различными категориями пользователей.

Таким образом, основными средствами современных СУБД являются:

r средства задания структуры данных;

r средства конструирования экранных форм, предназначенных для ввода данных, просмотра и обработки в диалоговом режиме;

r средства создания запросов для выборки данных при заданных условиях, а также выполнения операций по их обработке;

r средства создания отчетов из базы данных для вывода на печать результатов обработки в удобном для пользователя виде;

r языковые средства — макросы, встроенный алгоритмический язык, язык запросов и т. п., которые используются для реализации нестандартных алгоритмов обработки данных, а также процедур обработки событий в задачах пользователя;

r средства создания приложений пользователя, позволяющие объединять различные операции работы с базой данных в единый технологический процесс.

Классификация СУБД

Существует несколько разновидностей СУБД.

r Настольные, целью которых является работа в автономном (локальном) режиме. Примером такой системы является MS Access.

r Серверные, предназначенные для работы в системах типа "клиент-сервер". Наиболее распространенные СУБД этого типа — Oracle, Informix, DB2, Sybase, Microsoft SQL Server.

r Системы управления распределенными базами данных, обеспечивающие организацию доступа пользователей к распределенным базам данных.

r Интегрированные, являющиеся функциональными подсистемами интегрированных информационных систем.

Кроме того, системы управления базами данных можно классифицировать по определенным признакам.

По языкам общения СУБД делятся на открытые, замкнутые и смешанные. Открытые СУБД — это системы, в которых для обращения к БД используются универсальные языки программирования. Замкнутые системы имеют собственные языки общения с пользователями БД.

По числу уровней в архитектуре различают одноуровневые, двухуровневые и трехуровневые системы. Возможно и большее количество уровней. Под архитектурным уровнем СУБД понимают функциональный компонент, механизмы которого служат для поддержки некоторого уровня абстракции данных (логический и физический уровни, а также "взгляд" пользователя — внешний уровень).

По выполняемым функциям СУБД делятся на информационные и операционные. Информационные СУБД позволяют организовать хранение информации и доступ  к ней. Для выполнения более сложной обработки необходима разработка специальных программ. С помощью операционных СУБД выполняется достаточно сложная обработка данных. Они позволяют автоматически получать агрегированные показатели, не хранящиеся непосредственно в БД.

По сфере возможного применения различают универсальные и специализированные (обычно проблемно-ориентированные) СУБД.

СУБД поддерживают разные типы данных, различаются и наборы данных в разных системах. Некоторые СУБД позволяют разработчику добавлять новые типы данных и новые операции для их обработки. Такие системы называются расширяемыми. Дальнейшим развитием концепции расширяемых СУБД являются объектноориентированные системы.

По мощности СУБД делятся на настольные и корпоративные. Для настольных СУБД характерны невысокие требования к техническим средствам, ориентация на конечного пользователя, низкая стоимость. Корпоративные системы обеспечивают работу в распределенной среде, высокую производительность, поддержку коллективной работы, имеют развитые средства администрирования и более широкие возможности поддержания целостности данных.

По ориентации на преобладающую категорию пользователей можно выделить СУБД для разработчиков и для конечных пользователей. Системы первого класса должны иметь качественные компиляторы и позволять "отчуждать" создаваемые продукты, обладать развитыми средствами отладки и др. Основными требованиями, предъявляемыми к системам для конечного пользователя, являются: удобство интерфейса, высокий уровень языковых средств, наличие интеллектуальных модулей подсказок, повышенная защита от непреднамеренных ошибок и т. п.

Сравнительно новым направлением в технологиях баз данных являются системы управления потоками данных (Data Stream Management System, DSMS) общего назначения.

Традиционные системы баз данных имеют дело с данными, накапливаемыми и поддерживаемыми в среде хранения данных. Запросы пользователей обращаются  к данным, свойства которых уже известны СУБД и которые уже полностью имеются в ее распоряжении. Вместе с тем в настоящее время появляется все больше приложений с интенсивной обработкой данных, где имеет место иная ситуация. Приходится иметь дело не с заранее подготовленными данными, хранимыми в базе данных, а с одним или несколькими непрерывными транзитными потоками данных, например с сетевым трафиком, потоками финансовой информации, потоками данных, порождаемых различными сенсорами или другими техническими датчиками,  с данными некоторых Web-приложений, с потоками сообщений электронной почты или телеконференций и т. п. Такие данные нельзя запомнить в базе данных и затем заниматься их обработкой. Их необходимо обрабатывать "на проходе", т. е. в процессе поступления. Другим, осложняющим обработку поточных данных, обстоятельством является их неоднородность.

Система управления базой данных (СУБД) является неотъемлемой частью любой информационной системы. Тип используемой СУБД обычно определяется масштабом информационной системы — малые информационные системы могут использовать локальные СУБД, в корпоративных же информационных системах потребуется мощная клиент-серверная СУБД, поддерживающая многопользовательскую работу.

В настоящее время наиболее широко распространены реляционные СУБД. Несмотря на очевидную привлекательность и растущую популярность объектно-ориентированных СУБД (ObjectStore, Objectivity, O2, Jasmin), пока все же преобладают реляционные базы данных, которые хорошо отлажены, развиты и к тому же поддерживают стандарт SQL-92 (к таким системам относятся, например, Oracle, Informix, Sybase, DB2, MS SQL Server).

Обычно с базами данных работают две категории пользователей. Первая категория — проектировщики. Их задача состоит в разработке структуры таблиц базы данных и согласовании ее с заказчиком. Вторая категория исполнителей, работающих с базами данных, — пользователи. Они получают исходную базу данных от проектировщиков и занимаются ее наполнением и обслуживанием. Соответственно СУБД имеет два режима работы: проектировочный и пользовательский. Первый режим предназначен для создания или изменения структуры базы и ее объектов. Во втором режиме происходит использование ранее подготовленных объектов для наполнения базы или получения данных из нее.

Выбор СУБД для практического использования определяется многими факторами, к которым относятся:

r имеющееся техническое и базовое программное обеспечение, их конфигурация, объем оперативной и дисковой памяти;

r потребности разрабатываемых пользователями приложений;

r тип поддерживаемой модели данных, специфика предметной области и т. п.;

r требования к производительности при обработке данных;

r наличие в СУБД необходимых функциональных средств;

r уровень квалификации пользователей и наличие в СУБД диалоговых средств разработки и работы с базой данных и др.

 

 

 

Контрольные вопросы

 

1.        Что понимается под управлением данными?

2.        С какой целью создаются системы управления базами данных?

3.        Чем обусловлена идеологическая ценность СУБД?

4.        Для чего в СУБД требуется управление буферами оперативной памяти?

5.        Какие задачи решаются с помощью функции управления транзакциями?

6.        Какова роль функции журнализации?

7.        Какие функции по управлению данными реализованы в современных СУБД?

8.        Какой интерфейс СУБД можно считать дружественным?

9.        Какие компоненты можно выделить в составе СУБД?

10.    В чем заключаются функции языков описания и манипулирования данными?

11.    Какими способами могут быть реализованы ЯОД и ЯМД?

12.    Перечислите основные средства, которыми располагают современные СУБД.

13.    Перечислите основные разновидности систем управления базами данных.

14.    По каким признакам можно классифицировать СУБД?

15.    С какой целью создаются системы управления потоками данных?

16.    Чем определяется выбор СУБД для практического использования?

 

Темы для рефератов 

 

1.        Эволюция концепций обработки данных.

2.        Этапы обработки данных в автоматизированных ИС.

3.        Интерактивная обработка данных.

4.        Пакетная обработка данных.

5.        Современные технологии управления данными.

6.        Технологии идентификации и верификации в информационных системах.

7.        Бесконтактная идентификация в информационных системах.

8.        Методы журнализации, используемые в БД.

9.        Технологии управления потоками данных.

10.    Технологии публикации БД в Интернете.

11.    Методы доступа к данным.

12.    Сценарии доступа к БД через Интернет.

13.    Роль Java при доступе к БД.

14.    Технология ASP (Active Server Pages).

 

Вопросы для обсуждения

 

1.    Каковы принципиальные различия СУБД, предназначенных для больших и мини-ЭВМ, и СУБД для ПК? Чем, по вашему мнению, это обусловлено?

2.    В чем вы видите "плюсы" и "минусы" расширяемых СУБД?

3.    Каковы, на ваш взгляд, преимущества и недостатки локальных СУБД перед централизованными многопользовательскими серверными системами?

Задачи и упражнения

 

1.    Запишите 2—3 примера, подтверждающих адекватность использования СУБД  в качестве средства хранения и обработки данных. Для каждого примера опишите структуру таблицы (таблиц).

2.    Познакомьтесь с информационной системой, имеющейся в вашей школьной (городской) библиотеке. Какие функции по управлению данными доступны:

 работникам библиотеки;  системному администратору?

Лабораторные работы

 

1.    Создайте в MS Excel однотабличную базу данных "Аптеки", содержащую сведения о некотором лекарственном препарате. Заполните ее информацией из табл. 9.4.

Таблица 9.4

№	Название	Телефон	Ближайшая  остановка	Фасовка	Цена	Данные от
1	Здоровый город	252-38-41	Театральная	10	23,45	06.05.11
52	Власта Фарма	324-45-90	Центральная	10	23,20	18.04.11
114	Целитель	118-30-00	Кольцовская	30	72,59	06.05.11
78	Клиническая	253-47-52	Манежная	10	23,70	18.04.11
25	Верофарм	923-48-76	Театральная	10	23,65	18.04.11
216	Семейная	807-23-34	Студенческая	60	145,39	28.04.11
48	36,6	216-11-39	Адмиралтейская	10	23,40	06.05.11
5	Бионика	329-90-01	Никитинская	30	72,80	04.05.11
301	Фармакон	908-14-35	Студенческая	10	23,55	04.05.11
46	Народная	128-46-18	Донбасская	10	23,99	28.04.11
11	Фитоаптека	905-56-56	Лесная	10	23,39	06.05.11
217	Медисана	346-00-14	Театральная	30	72,89	28.04.11

Выполните над созданной БД следующие операции по управлению данными:  отсортируйте данные по возрастанию номеров аптек;  отсортируйте данные по названиям аптек (по возрастанию);

 отсортируйте данные по датам поступления информации в справочную систему  (по убыванию);

  отсортируйте данные таким образом, чтобы названия ближайших остановок располагались по алфавиту, а даты — по убыванию;

  представьте данные таким образом, чтобы сведения о лекарственном препарате располагались в порядке возрастания фасовки; при совпадении этого реквизита учитывать алфавитный порядок ближайшей остановки; если совпадает и этот реквизит — записи сортировать по убыванию цены;

  выберите все аптеки, расположенные вблизи остановок "Театральная" и

"Студенческая";  выберите все аптеки, в которых информация о лекарственном препарате поступила не ранее 4 мая;

  выберите все аптеки, в которых цена на препарат с фасовкой 10 больше 23,00, но не превышает 23,40;

  выберите все аптеки, названия которых начинаются с букв, стоящих в алфавите после буквы "Т";

  выберите все аптеки, номера телефонов которых начинаются на цифры "2" или "9".

2.    Создайте однотабличную базу данных о репертуаре некоторого кинотеатра на 1 месяц, воспользовавшись примерным образцом ее структуры из табл. 9.5.

Таблица 9.5

№	Название фильма	Дата выхода	Жанр	Длительность	Средняя  цена билета
1	Кандагар	4 февраля	Экшн	2:05	130

 

Сформулируйте и выполните над созданной БД операции по управлению данными, аналогичные предложенным в задании 1.

 

Тестовые задания

 

1.        Что такое база данных?

а) любой текстовый файл;

б) организованная структура для хранения информации;

в) любая информация, представленная в табличной форме;

г) любая электронная таблица.

2.        Какое из перечисленных свойств не является свойством реляционной базы данных?

а) несколько узлов уровня связаны с узлом одного уровня;

б) порядок следования строк в таблице произвольный;

в) каждый столбец имеет уникальное имя;

г) для каждой таблицы можно определить первичный ключ.

3.        Что такое SQL?

а) язык разметки базы данных;

б) структурированный язык запросов;

в) язык программирования низкого уровня;

г) язык программирования высокого уровня.

4.        Какая база данных строится на основе таблиц и только таблиц? а) сетевая;

б) иерархическая;

в) реляционная.

5.        Какой из ниже перечисленных элементов не является объектом MS Access?

а) таблица;

б) книга;

в) запрос;

г) макрос;

д) отчет.

6.        В какой модели баз данных существуют горизонтальные и вертикальные связи между элементами? а) сетевой;

б) иерархической;

в) реляционной;

г) объектно-ориентированной.

7.        Какой из ниже перечисленных запросов нельзя построить?

а) простой;

б) перекрестный;

в) на создание таблицы;

г) параллельный;

д) записи без подчиненных.

8.        Что такое поле?

а) столбец в таблице;

б) окно конструктора;

в) текст любого размера;

г) строка в таблице.

9.        Что такое запрос?

а) окно конструктора;

б) связанная таблица;

в) главная таблица;

г) средство отбора данных.

10.    В чем заключается функция ключевого поля?

а) однозначно определять таблицу;

б) однозначно определять запись;

в) определять заголовок столбца таблицы;

г) вводить ограничение для проверки правильности ввода данных.

11.    Из чего состоит макрос?

а) из набора тегов;

б) из совокупности операторов Visual Basic;

в) из набора гиперссылок:

г) из набора макрокоманд.

12.    Какого раздела не существует в конструкторе форм?

а) заголовка;

б) верхнего колонтитула;

в) области данных;

г) примечания;

д) итогового.

13.    Атрибут — это:

а) поименованная характеристика сущности;

б) способ хранения данных в СУБД;

в) характеристика ассоциаций.

14.    Используя запросы можно выполнять следующие действия:

а) получить всю информацию в таблице или только ту информацию, которая отвечает поставленным условиям;

б) получить информацию о ваших правах на данную таблицу;

в) отредактировать определенную информацию в таблице.

15.    Что такое агрегат данных?

а) выборка данных из БД при помощи функций агрегирования;

б) поименованная совокупность элементов данных, рассматриваемая в программе обработки данных как единое целое;

в) временный файл, создаваемый СУБД для хранения единой структуры  данных.

16.    Элементам данных присущи следующие пары свойств:

а) избыточности и полноты;

б) полноты и непротиворечивости;

в) целостности и непротиворечивости;

г) избыточности и целостности.

17.    При редактировании представления...

а) данные изменяются в представлении, но изменения не касаются родительской таблицы;

б) никаких изменений не происходит;

в) изменяются данные в родительской таблице.

 

 

 

 

 

 

 

модуль 9

РАЗДЕЛ 9.4

 

Нормальные формы базы данных  и нормализация

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учебный материал

 

Рассмотрим подробнее организацию реляционных баз данных. Как известно, реляционные базы данных состоят из таблиц, представляющих отношения (relations). Каждая таблица по терминологии баз данных состоит из строк — записей, и столбцов — полей или атрибутов. Каждая запись соответствует определенному объекту (можно сказать, является его информационной моделью) и выражает его атрибуты — свойства и характеристики. Эти свойства и характеристики сгруппированы в таблице в едином порядке, однородно.

С точки зрения математики каждая таблица реляционной базы данных является подмножеством декартова произведения множеств значений атрибутов объектов.

Декартово (или прямое) произведение множеств определяется следующим образом. Пусть даны два множества X и Y. Декартово (прямое) произведение X×Y множества X и множества Y есть такое множество X×Y, элементами которого являются упорядоченные пары (x, y) для всевозможных x  X и y  Y.

Теперь n-арным отношением R, или отношением R степени n, называют подмножество декартовa произведения множеств D_i. Исходные множества D₁, D₂, ..., D_n называют доменами. Значения из них образуют упорядоченные наборы значений (кортежи) длины n — строки рассматриваемого отношения-таблицы, или записи базы данных.

Такая таблица в силу определения множества и кортежа обладает рядом свойств:

r в таблице нет двух одинаковых строк;

r таблица имеет столбцы, соответствующие атрибутам отношения;

r каждый атрибут в отношении имеет уникальное имя; r порядок строк в таблице произвольный.

Нам позже потребуется понятие ключа — такого набора атрибутов, который однозначно определяет кортеж, а также понятие первичного ключа — такого набора атрибутов, который однозначно определяет кортеж и минимален (т. е. нельзя убрать

ни один из атрибутов). При добавлении новых записей первичный ключ обязан оставаться первичным ключом (например, неверным будет использование в качестве первичного ключа набора Имя + Отчество + Фамилия ученика, даже если на момент создания таблицы полных тезок среди заносимых в нее людей не было).

Рассмотрим пример.

Допустим, домены определены следующим образом:

r D₁ = {Иванов, Петров, Сидоров}

r D₂ = {Физика, Химия}

r D₃ = {3,4,5}

Тогда полное декартово произведение состоит из 18 троек, где первый элемент тройки — одна из фамилий, второй элемент — учебная дисциплина, а третий — оценка.

Тогда отношение R может моделировать реальную ситуацию и содержать пять строк, которые соответствуют отметкам за год, а также тому, что Петров экзамена по физике не сдал — табл. 9.6.

Таблица 9.6

R
Фамилия	Предмет	Оценка
Иванов	Физика	4
Иванов	Химия	3
Петров	Химия	5
Сидоров	Физика	5
Сидоров	Химия	4

 

Первичным ключом для такого отношения являются поля "Фамилия" и "Предмет".

Математические свойства отношений, заданных как декартовы произведения множеств, и операций над ними изучает реляционная алгебра, а для нас основной интерес представляют требования к таблицам баз данных, которые необходимо учитывать при проектировании баз данных. Эти требования реализуются при проектировании базы, при выборе структуры отношений (таблиц реляционной базы), которые и получили название нормальных форм базы данных.

Нормальная форма — требование, предъявляемое к структуре таблиц реляционных баз данных для устранения из базы избыточных функциональных зависимостей между атрибутами (полями таблиц).

Рассмотрим примеры трудностей, которые могут возникнуть при работе с ненормализованной таблицей.

Предположим, что наша таблица — каталог товаров следующего вида: id, category, product1, product2, product3

Это поля таблицы, в которой хранится каталог неких продуктов. Каждая строка состоит из имени категории и списка продуктов, которые в нее входят.

Итак, первый недостаток. Вполне логично предположить, что этот каталог рано или поздно придется редактировать. Все операции над каталогом будем рассматривать в контексте работы с таблицей базы данных. В таком случае допустимы следующие операции: добавление/удаление/редактирование товара и добавление/удаление/ редактирование категории.

Для того чтобы удалить товар, нам нужно просто очистить ячейку соответствующей строки. При этом придется совершить множество лишних действий. А именно, придется перебрать все ячейки всех строк и найти в одной из них нужное название товара и очистить эту ячейку. Для редактирования товара необходимо будет выполнить такой же объем операций. Добавление товара еще более затруднено. Вопервых, если все ячейки, отведенные под товары в категории, уже заняты (все три), то в таблицу придется добавлять новый столбец. Но проблема возникает уже перед этим — для определения свободных мест для продукта нужно будет просмотреть их все (или проверить занятые, по крайней мере).

Нормализация таблиц — важнейший принцип организации информации в реляционной базе данных. Хотя представление данных в нормализованном виде не является обязательным требованием для правильной работы базы, делать его необходимо. Если данные в базе не нормализованы, ведение базы данных, внесение в нее необходимых с течением времени изменений (редактирование) превращается в крайне сложное и трудоемкое занятие.

Нормализованная база данных отличается от простого набора электронных таблиц. Информация в разных таблицах должна быть взаимосвязана, и база данных предоставляет средства для организации этих взаимосвязей: первичные и внешние ключи и специальный язык SQL, предназначенный для манипулирования данными. Первая нормальная форма (1NF) — любое поле любой записи хранит только  одно значение.

Первая нормальная форма:

r запрещает повторяющиеся столбцы (содержащие одинаковую по смыслу информацию);

r запрещает множественные столбцы (содержащие значения типа списка и т. п.);

r требует определить первичный ключ для таблицы, т. е. тот столбец или комбинацию столбцов, которые однозначно определяют каждую строку.

Например, если в поле хранится список идентификаторов, разделенных запятыми, то это нарушение данного определения, и база не находится в первой нормальной форме.

Основные критерии первой нормальной формы:

r все строки должны быть различными;

r все элементы внутри ячеек должны быть атомарными (не списками). Другими словами, элемент является атомарным, если его нельзя разделить на части, которые могут использовать в таблице независимо друг от друга. Пример ненормализованной таблицы — табл. 9.7.

Таблица 9.7

Категория	Товары
Книги	Война и Мир, Азбука
Игрушки	Юла

 

В этом примере в одной из ячеек содержится список из двух элементов: Война и Мир, Азбука, т. е. он является не атомарным.

Исправить недостаток можно так — табл. 9.8.

Таблица 9.8

Категория	Товары
Книги	Война и Мир
Книги	Азбука
Игрушки	Юла

 

Теперь это таблица в первой нормальной форме.

Методы приведения к первой нормальной форме:

1.    Устраните повторяющиеся группы в отдельных таблицах (одинаковые строки).

2.    Создайте отдельную таблицу для каждого набора связанных данных.

3.    Идентифицируйте каждый набор связанных данных с помощью первичного ключа (добавьте уникальный id для каждой строки).

Вторая нормальная форма (2NF) — БД находится в первой нормальной форме и любое неключевое поле полностью зависит от ключа.

Вторая нормальная форма требует, чтобы неключевые столбцы таблиц зависели от первичного ключа в целом, но не от его части. Если таблица находится в первой нормальной форме и первичный ключ у нее состоит из одного столбца, то она  автоматически находится и во второй нормальной форме. Например, у нас есть  запись с полями (Идентификатор, Название CD, Название группы), где ключом является поле "Идентификатор". При этом, очевидно, что поле "Название группы" зависит не только от "Идентификатора", но и от поля "Название CD". Поэтому такая БД не находится во второй нормальной форме.

Основные критерии второй нормальной формы:

r таблица должна находиться в первой нормальной форме;

r любое ее поле, не входящее в состав первичного ключа, функционально полно зависит от первичного ключа.

Если таблица приведена к первой нормальной форме и у нее установлен уникальный идентификатор (id) для каждой строки, то она находится и во второй нормальной форме.

Значение второго правила можно понять на примере, когда первичный ключ таблицы состоит из нескольких полей. То есть каждой строке соответствует уникальный набор из нескольких значений полей таблицы.

Например, табл. 9.9 находится в первой нормальной форме, но не во второй.

Таблица 9.9

Категория	Дата	Скидка	Товар
Книги	10.10.2008	10%	PHP fordummies
Ноутбуки	11.10.2008	20%	Acer
Книги	10.10.2008	10%	Windows XP

 

В табл. 9.9 первичный ключ составляют первые два столбца ("Категория" и "Дата"). Скидка функционально полно зависит от них обоих, т. к. определяется одновременно категорией и датой. А вот с товаром — проблемы. Он зависит только от категории и не зависит от даты (в любой день будет лежать там, пока не купят). Поэтому говорят, что он зависит функционально не полно от всего первичного ключа и функционально полно от его части (столбца "Категория"). Это нарушает требования второй нормальной формы.

Исправляется это разделением табл. 9.9 на две другие: табл. 9.10 и 9.11.

                                                            Таблица 9.10                                                       Таблица 9.11

Категория	Дата	Скидка		Категория	Товар
Книги	10.10.2008	10%		Книги	PHP fordummies
Ноутбуки	11.10.2008	20%		Ноутбуки	Acer
Книги	10.10.2008	10%		Книги	Windows XP

 

Теперь эти таблицы находятся во второй нормальной форме.

Методы приведения к 2NF:

1.    Создайте отдельные таблицы для наборов значений, относящихся к нескольким записям.

2.    Свяжите эти таблицы с помощью внешнего ключа (в нашем случае — это поле "Категория").

Третья нормальная форма (3NF) — БД находится во второй нормальной форме и нет неключевых полей, зависящих от значения других неключевых полей.

Таблица находится в третьей нормальной форме, когда неключевые столбцы в ней не зависят от других неключевых столбцов, а зависят только от первичного ключа. Самая распространенная ситуация в данном контексте — это расчетные столбцы, значения которых можно получить путем каких-либо манипуляций с другими столбцами таблицы. Для приведения таблицы в третью нормальную форму такие столбцы из таблиц надо удалить.

Например, у нас в записи хранятся код региона и его название. Понятно, что название региона зависит от кода и наоборот — поэтому такая БД не будет находиться в третьей нормальной форме.

Основные критерии 3NF:

r таблица находится во второй нормальной форме;

r любой ее неключевой атрибут функционально зависит только от первичного ключа.

Второе правило требует выносить все неключевые поля, содержимое которых может относиться к нескольким записям таблицы, в отдельные таблицы.

 

Таблица 9.12

Имя шпиона	Государство
Джеймс Бонд	Великобритания
Ким Филби	СССР
Штирлиц	СССР

 

Например, в табл. 9.12 ключом является имя шпиона. А неключевым полем — государство, на которое он работает. Вполне логично предположить, что в этой таблице государства могут быть одинаковыми для нескольких записей. И для того, чтобы эта таблица находилась в третьей нормальной форме, необходимо ее разделить на две: табл. 9.13 и 9.14.

                                                Таблица 9.13                                                   Таблица 9.14

ID	Государство		Имя шпиона	Государство
1	Великобритания		Джеймс Бонд	1
2	СССР		Ким Филби	2
			Штирлиц	2

Благодаря этому правилу, при удалении какого-то государства, имена шпионов не будут утеряны.

Зачастую на практике совершенствовать таблицы заканчивают на этом этапе (приведя их в третью нормальную форму).

Метод приведения к 3NF — удаление полей, не зависящих от ключа.

Нормальная форма Бойса—Кодда (BCNF) — БД находится в третьей нормальной форме и в любой таблице поля составных ключей не зависят друг от друга. Нетрудно догадаться, что эта нормальная форма является своеобразным расширением третьей формы. Только в третьей форме требовалась независимость неключевых полей, в этой форме дополнительно требуется независимость ключевых полей.

Нормальная форма Бойса—Кодда требует, чтобы в таблице был только один потенциальный первичный ключ. Чаще всего у таблиц, находящихся в третьей нормальной форме, так и бывает, но не всегда. Если обнаружился второй столбец (комбинация столбцов), позволяющий однозначно идентифицировать строку, то для приведения к нормальной форме Бойса—Кодда такие данные надо вынести в отдельную таблицу.

Например, у нас есть список записей, в которых, помимо прочих полей, есть поля "Идентификатор фирмы" и "Название фирмы", являющиеся составным ключом. Понятно, что они зависят друг от друга. Поэтому данная зависимость является показателем того, что БД не находится в форме Бойса—Кодда.

Четвертая нормальная форма (4NF) — БД находится в нормальной форме  Бойса—Кодда и ни одна таблица не содержит повторяющихся независимых групп данных.

Например, у нас есть таблица, в которой хранится информация о закупках оборудования — идентификатор записи, название поставщика и название поставляемого оборудования. Поскольку разные поставщики могут поставлять одинаковое оборудование, и наоборот — одно и то же оборудование может поставляться разными поставщиками, то мы имеем две группы независимых данных — поставщики и оборудование. Они повторяющиеся и независимые. Следовательно, такая таблица не находится в четвертой нормальной форме.

Для приведения таблицы, находящейся в нормальной форме Бойса—Кодда, к четвертой нормальной форме необходимо устранить имеющиеся в ней многозначные зависимости. То есть обеспечить, чтобы вставка/удаление любой строки таблицы не требовала бы вставки/удаления/модификации других строк этой же таблицы. Пятая нормальная форма (5NF) — БД находится в четвертой нормальной форме, избыточность данных полностью не устранена, разбивка таблицы, если и возможна, то только на 3 и более частей. Надо заметить, что реальная необходимость в приведении к пятой нормальной форме возникает чрезвычайно редко.

Формальное определение пятой нормальной формы таково: это форма, в которой устранены зависимости соединения. В большинстве случаев практической пользы от нормализации таблиц до пятой нормальной формы не наблюдается.

Главное, чего мы добьемся, проведя нормализацию базы данных, — это устранение (или, по крайней мере, серьезное сокращение) избыточности, дублирования данных. Как следствие, значительно сокращается вероятность появления противоречивых данных, облегчается администрирование базы и обновление информации в ней, сокращается объем дискового пространства.

Однако, в процессе перехода к более высоким нормальным формам исходная сложная таблица разбивается на все большее число простых таблиц, которые выступают при поиске информации в соединенном (сцепленном) виде, что усложняет запросы и делает их выполнение трудоемким. Поэтому, чтобы увеличить скорость выборки данных и упростить программирование запросов, нередко приходится  идти на выборочную денормализацию базы.

В процессе разработки базы данных происходит переход от предметной области к конкретной реализации базы данных средствами конкретной СУБД. При этом можно выделить следующие уровни моделирования:

r сама предметная область;

r модель предметной области;

r логическая модель данных;

r физическая модель данных;

r собственно база данных и приложения.

Предметная область — это часть реального мира, данные о которой мы хотим отразить в базе данных. Например, в качестве предметной области можно выбрать бухгалтерию какого-либо предприятия, отдел кадров, банк, магазин и т. д. Предметная область бесконечна и содержит как очень важные понятия и данные, так и второстепенные или вообще не нужные данные. Например, если в качестве предметной области выбрать учет товаров на складе, то понятия "накладная" и "счетфактура" являются очень важными понятиями, а то, что сотрудница, принимающая накладные, имеет высшее образование — это для учета товаров неважно. Однако с точки зрения отдела кадров данные об образовании являются важными. Таким образом, важность данных зависит от выбора предметной области и круга решаемых задач.

Модель предметной области. Модель предметной области — это наши знания  о предметной области. Знания могут существовать как в виде неформальных знаний специалистов и экспертов, так быть формально представлены при помощи какихлибо средств. В качестве таких средств могут выступать текстовые описания предметной области, наборы должностных инструкций, правила действий и т. п. Очень информативными и полезными являются графические описания предметной области. От того, насколько правильно смоделирована предметная область, зависит  успех дальнейшей разработки приложений.

Логическая модель данных. На следующем, более низком уровне находится логическая модель данных предметной области. Логическая модель описывает понятия предметной области, их взаимосвязь, а также ограничения на данные, налагаемые предметной областью. Примеры понятий — "сотрудник", "отдел", "проект", "зарплата". Примеры взаимосвязей между понятиями — "сотрудник числится только в одном отделе", "сотрудник может выполнять несколько проектов", "над одним проектом может работать несколько сотрудников". Примеры ограничений — "возраст сотрудника не менее 16 и не более 60 лет".

Логическая модель данных является начальным прототипом будущей базы данных. Логическая модель строится в терминах информационных единиц, но без привязки к конкретной СУБД.

При разработке логической модели данных возникают вопросы: хорошо ли спроектированы отношения? Правильно ли они отражают модель предметной области, а следовательно, и саму предметную область? Физическая модель данных. Уровнем ниже находится физическая модель данных. Физическая модель данных описывает данные средствами конкретной СУБД. Отношения, разработанные на стадии формирования логической модели данных, преобразуются в таблицы, атрибуты становятся столбцами таблиц, для ключевых атрибутов создаются уникальные индексы, домены преображаются в типы данных, принятые в конкретной СУБД.

Ограничения, имеющиеся в логической модели данных, реализуются различными средствами СУБД, например, при помощи индексов, декларативных ограничений целостности, триггеров, хранимых процедур. При этом опять-таки решения, принятые на уровне логического моделирования, определяют некоторые границы, в пределах которых можно развивать физическую модель данных. Точно так же, в пределах этих границ можно принимать различные решения. Например, отношения, содержащиеся в логической модели данных, должны быть преобразованы в таблицы, но для каждой таблицы можно дополнительно объявить различные индексы, повышающие скорость обращения к данным. Многое тут зависит от конкретной СУБД.

Собственно база данных и приложения. И, наконец, как результат предыдущих этапов появляется собственно сама база данных. База данных реализована на конкретной программно-аппаратной основе, и выбор этой основы позволяет существенно повысить скорость работы с базой данных. Например, можно выбирать различные типы компьютеров, менять количество процессоров, объем оперативной памяти, дисковые подсистемы и т. п. Очень большое значение имеет также настройка СУБД в пределах выбранной программно-аппаратной платформы.

Ясно, что решения, принятые на каждом этапе моделирования и разработки базы данных, будут сказываться на дальнейших этапах. Поэтому особую роль играет принятие правильных решений на ранних этапах моделирования.

Для того чтобы оценить качество принимаемых решений на уровне логической модели данных, необходимо сформулировать некоторые критерии качества в терминах физической модели и конкретной реализации и посмотреть, как различные решения, принятые в процессе логического моделирования, влияют на качество физической модели и на скорость работы базы данных.

Вот некоторые из таких критериев, которые являются, безусловно, важными:

r адекватность базы данных предметной области;

r легкость разработки и сопровождения базы данных;

r скорость выполнения операций обновления данных (вставка, обновление, удаление кортежей);

r скорость выполнения операций выборки данных.

Первый из критериев — адекватность базы данных предметной области — требует пояснений. База данных должна адекватно отражать предметную область. Это  означает, что должны выполняться следующие условия:

r состояние базы данных в каждый момент времени должно соответствовать состоянию предметной области;

r изменение состояния предметной области должно приводить к соответствующему изменению состояния базы данных.

 

 

 

Контрольные вопросы

 

1.    Что такое декартово или прямое произведение множеств?

2.    Как определяется отношение (таблица) по теоретико-множественному подходу?

3.    Что такое кортеж?

4.    Для чего необходимо нормализовать таблицы баз данных?

5.    Как определяется первая нормальная форма? Каковы ее критерии? Как перейти от произвольной таблицы к этой нормальной форме?

6.    Как определяется вторая нормальная форма? Каковы ее критерии? Как перейти от произвольной таблицы к этой нормальной форме? 7. Как определяется третья нормальная форма? Каковы ее критерии? Как перейти от произвольной таблицы к этой нормальной форме?

8. Как определяется нормальная форма Бойса—Кодда? Каковы ее критерии? Как перейти от произвольной таблицы к этой нормальной форме? 9. Как определяются четвертая и пятая нормальные формы? Каковы их критерии?

Как перейти от произвольной таблицы к этим нормальным формам?

10.    Какая нормальная форма чаще всего используется на практике? Почему?

11.    Какие уровни моделирования предметной области в БД можно выделить?

12.    Каковы критерии, определяющие качество базы данных?

Темы для рефератов

 

1.    Реляционная алгебра и ее значение для теории баз данных.

2.    Математические методы при проектировании баз данных.

3.    База данных как модель предметной области.

 

Вопросы для обсуждения

 

1.    Какая форма таблиц базы данных является идеальной?

2.    Какова взаимосвязь математики и информатики как наук?

3.    Как мы применяем моделирование?

 

Задачи и упражнения

 

1. Данные о билетах на автобус в городе N хранятся в таблице по следующей форме — табл. 9.15.

Приведите эту таблицу к нормальным формам — 1-й, 2-й и т. д. Как увеличивается число таблиц при переходе к более высоким нормальным формам?

Таблица 9.15

День недели

Исходный пункт — конечный пункт

Время  прибытия на авто- вокзал N

Время отправления

Количество мест/  свободных мест

Стоимость взрослого/ детского  билета

Марка автобуса

 

Лабораторная работа

 

Разработайте схему таблиц баз данных во всех нормальных формах для представления данных:

r классного журнала (учащиеся, их родители, предметы, задания, отметки); r библиотеки (читатели, книги, какому читателю какая книга выдана).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

модуль 9

РАЗДЕЛ 9.5

 

Основы SQL

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учебный материал

 

Рассмотрим элементы языка SQL (Structured Query Language), который является стандартом языков манипулирования данными, используется практически во всех СУБД реляционного типа и представляет собой пример непроцедурного языка программирования.

История этого языка вкратце такова. В начале 1970-х годов в одной из исследовательских лабораторий компании IBM была разработана экспериментальная реляционная СУБД IBM System R, для которой затем был создан специальный язык SEQUEL, позволявший относительно просто управлять данными в этой СУБД. Аббревиатура SEQUEL расшифровывалась как Structured English QUEry Language — "структурированный английский язык запросов". Позже по юридическим соображениям язык SEQUEL был переименован в SQL. В 1986 году первый стандарт языка SQL был принят ANSI (American National Standards Institute) и официальным произношением названия языка стало [,es kju:' el] — эс-кью-эл. Затем стандарты языка обновлялись в 1989, 1992, 1999, 2003, 2006 и 2008 годах. С 1992 года ведет отсчет второе поколение языка, а с 1999-го — третье. Нужно заметить, что в настоящее время ни одна система не реализует стандарт SQL в полном объеме. Кроме того, во всех диалектах языка имеются возможности, не являющиеся стандартными. Таким образом, можно сказать, что каждый диалект — это надмножество некоторого подмножества стандарта SQL. Это затрудняет переносимость приложений, разработанных для одних СУБД в другие СУБД. Мы дадим только некоторые понятия языка.

SQL является, прежде всего, информационно-логическим языком, предназначенным для описания, изменения и извлечения данных, хранимых в реляционных  базах данных. SQL нельзя назвать языком программирования в полном смысле этого слова.

SQL был задуман как инструмент работы пользователя с базой данных и позволял выполнять следующий набор операций: r создание в базе данных новой таблицы;

r добавление в таблицу новых записей;

r изменение записей;

r удаление записей;

r выборка записей из одной или нескольких таблиц (в соответствии с заданным условием);

r изменение структур таблиц.

Со временем SQL усложнился — обогатился новыми конструкциями, обеспечил возможность описания и управления новыми хранимыми объектами (например, индексы, представления, триггеры и хранимые процедуры) — и стал приобретать черты, свойственные языкам программирования.

При всех своих изменениях SQL остается единственным механизмом связи между прикладным программным обеспечением и базой данных. В то же время современные СУБД, а также информационные системы, использующие СУБД, предоставляют пользователю развитые средства визуального построения запросов.

Язык SQL оперирует терминами, несколько отличающимися от терминов реляционной теории, например, вместо "отношений" используются "таблицы", вместо "кортежей" — "строки", вместо "атрибутов" — "колонки" или "столбцы".

Стандарт языка SQL хотя и основан на реляционной теории, но во многих местах отходит он нее. Например, отношение в реляционной модели данных не допускает наличия одинаковых кортежей, а таблицы в терминологии SQL могут иметь одинаковые строки. Имеются и другие отличия.

Каждое предложение SQL — это запрос или обращение к базе данных, которое приводит к изменению в базе данных. В соответствии с тем, какие изменения происходят в базе данных, различают следующие типы запросов:

r запросы на создание или изменение в базе данных новых или существующих объектов (при этом в запросе описывается тип и структура создаваемого или изменяемого объекта);

r запросы на получение данных;

r запросы на добавление новых данных (записей); r запросы на удаление данных; r обращения к СУБД.

Основным объектом хранения реляционной базы данных является таблица, поэтому все SQL-запросы — это операции над таблицами. В соответствии с этим, запросы делятся на:

r запросы, оперирующие самими таблицами (создание и изменение таблиц); r запросы, оперирующие отдельными записями (или строками таблиц) или наборами записей.

Каждая таблица описывается в виде перечисления своих полей (столбцов таблицы) с указанием:

r типа хранимых в каждом поле значений;

r связей между таблицами (задание первичных и вторичных ключей); r информации, необходимой для построения индексов.

Запросы первого типа, в свою очередь, делятся на запросы, предназначенные для создания в базе данных новых таблиц, и на запросы, предназначенные для изменения уже существующих таблиц. Запросы второго типа оперируют со строками, и их можно разделить на запросы следующего вида:

r вставка новой строки;

r изменение значений полей строки или набора строк; r удаление строки или набора строк.

Самый главный вид запроса — это запрос, возвращающий (пользователю) некоторый набор строк, с которым можно осуществить одну из трех операций:

r просмотреть полученный набор; r изменить все записи набора; r удалить все записи набора.

Таким образом, использование SQL сводится, по сути, к формированию всевозможных выборок строк и совершению операций над всеми записями, входящими в набор.

Язык SQL представляет собой совокупность операторов, инструкций и вычисляемых функций. Согласно общепринятому стилю программирования, операторы (и другие зарезервированные слова) в SQL всегда следует писать прописными буквами.

Операторы SQL

Основу языка SQL составляют операторы, условно разбитые не несколько групп по выполняемым функциям. Можно выделить следующие группы операторов (перечислены не все операторы SQL).

r Операторы DDL (Data Definition Language) — операторы определения объектов базы данных:

 _{CREATE SCHEMA} — создать схему базы данных;

 _{DROP SHEMA} — удалить схему базы данных;

 _{CREATE TABLE} — создать таблицу;

 _{ALTER TABLE} — изменить таблицу;

 _{DROP TABLE} — удалить таблицу;

 _{CREATE DOMAIN} — создать домен;

 _{ALTER DOMAIN} — изменить домен;

 _{DROP DOMAIN} — удалить домен;

 _{CREATE COLLATION} — создать последовательность;

 _{DROP COLLATION} — удалить последовательность;  _{CREATE VIEW} — создать представление;  _{DROP VIEW} — удалить представление.

r Операторы DML (Data Manipulation Language) — операторы манипулирования данными:

 _SELECT — отобрать строки из таблиц;

 _INSERT — добавить строки в таблицу;

 _UPDATE — изменить строки в таблице;

 _DELETE — удалить строки в таблице;

 _COMMIT — зафиксировать внесенные изменения;  _ROLLBACK — откатить внесенные изменения.

r Операторы защиты и управления данными:

 CREATE ASSERTION — создать ограничение;

 DROP ASSERTION — удалить ограничение;

 _GRANT — предоставить привилегии пользователю или приложению на манипулирование объектами;

 _REVOKE — отменить привилегии пользователя или приложения.

Кроме того, есть группы операторов установки параметров сеанса, получения информации о базе данных, операторы статического SQL, операторы динамического SQL.

Наиболее важными для пользователя являются операторы манипулирования данными (DML).

 

Примеры использования  операторов манипулирования данными

_INSERT — вставка строк в таблицу.

 

Пример 1. Вставка одной строки в таблицу:

INSERT INTO

P (PNUM, PNAME)

VALUES (4, "Иванов");

 

Пример 2. Вставка в таблицу нескольких строк, выбранных из другой таблицы (в таблицу _{TMP_TABLE} вставляются данные о поставщиках из таблицы P, имеющие номера, большие 2):

INSERT INTO

TMP_TABLE (PNUM, PNAME)

SELECT PNUM, PNAME

 FROM P

 WHERE P.PNUM>2;

_UPDATE — обновление строк в таблице.

 

Пример 3. Обновление нескольких строк в таблице:

UPDATE P

SET PNAME = "Пушников"

WHERE P.PNUM = 1;

 

DE_LETE — удаление строк в таблице.

 

Пример 4. Удаление нескольких строк в таблице:

DELETE FROM P

WHERE P.PNUM = 1;

 

Пример 5. Удаление всех строк в таблице:

DELETE FROM P;

 

 

Примеры использования оператора SELECT

Оператор _SELECT является фактически самым важным для пользователя и самым сложным оператором SQL. Он предназначен для выборки данных из таблиц, т. е. он, собственно, и реализует одно из основных назначений базы данных — предоставлять информацию пользователю.

Оператор SELECT всегда выполняется над некоторыми таблицами, входящими в базу данных.

 

ЗАМЕЧАНИЕ

На самом деле в базах данных могут быть не только постоянно хранимые таблицы, а также временные таблицы и так называемые представления. Представления — это просто хранящиеся в базе данные _SELECT-выражения. С точки зрения пользователей представления — это таблица, которая не хранится постоянно в базе данных, а "возникает" в момент обращения к ней. С точки зрения оператора _SELECT и постоянно хранимые таблицы, и временные таблицы, и представления выглядят совершенно одинаково. Конечно, при реальном выполнении оператора _SELECT системой учитываются различия между хранимыми таблицами и представлениями, но эти различия скрыты от пользователя.

 

Результатом выполнения оператора SELEC_T всегда является таблица. Таким образом, по результатам действий оператор _SELECT похож на операторы реляционной алгебры. Любой оператор реляционной алгебры может быть выражен подходящим образом сформулированным оператором SELECT. Сложность оператора SELECT определяется тем, что он содержит в себе все возможности реляционной алгебры, а также дополнительные возможности, которых в реляционной алгебре нет.

Отбор данных из одной таблицы

Пример 6. Выбрать все данные из таблицы поставщиков (ключевые слова

SELECT... FROM...):

SELECT *

FROM P;

ЗАМЕЧАНИЕ

В результате получим новую таблицу, содержащую полную копию данных из исходной таблицы _P.

 

Пример 7. Выбрать все строки из таблицы поставщиков, удовлетворяющих некоторому условию (ключевое слово WHERE...):

SELECT *

FROM P

WHERE P.PNUM > 2;

ЗАМЕЧАНИЕ

В качестве условия в разделе _WHERE можно применять сложные логические выражения, использующие поля таблиц, константы, сравнения (_>, _<, ₌ и т. д.), скобки, союзы AND и OR, отрицание NOT.

 

Пример 8. Выбрать некоторые колонки из исходной таблицы (указание списка отбираемых колонок):

SELECT P.NAME

FROM P;

ЗАМЕЧАНИЕ

В результате получим таблицу с одной колонкой, содержащую все наименования поставщиков.

Если в исходной таблице присутствовало несколько поставщиков с разными номерами, но одинаковыми наименованиями, то в результирующей таблице будут строки с повторениями — дубликаты строк автоматически не отбрасываются.

 

Пример 9. Выбрать некоторые колонки из исходной таблицы, удалив из результата повторяющиеся строки (ключевое слово _DISTINCT):

SELECT DISTINCT P.NAME

FROM P;

ЗАМЕЧАНИЕ

Использование ключевого слова _DISTINCT приводит к тому, что в результирующей таблице будут удалены все повторяющиеся строки.

Пример 10. Использование скалярных выражений и переименований колонок в запросах (ключевое слово AS...):

SELECT

 TOVAR.TNAME,

 TOVAR.KOL,

 TOVAR.PRICE,

 "=" AS EQU,

 TOVAR.KOL*TOVAR.PRICE AS SUMMA

FROM TOVAR;

В результате получим таблицу с колонками, которых не было в исходной таблице TOVAR (табл. 9.16).

Таблица 9.16

TNAME	KOL	PRICE	EQU	SUMMA
Болт	10	100	=	1000
Гайка	20	200	=	4000
Винт	30	300	=	9000

 

 

PNUM	DNUM	VOLUME
1	1	100
2	1	150
3	1	1000
1	2	200
2	2	250
1	3	300

Пример 11. Упорядочение результатов запроса (ключевое ^{Таблица 9.17}  слово ORDER BY...):

SELECT

 PD.PNUM,

 PD.DNUM,

 PD.VOLUME

FROM PD

ORDER BY DNUM;

В результате получим таблицу, упорядоченную по полю

DNUM (табл. 9.17).

 

 

Пример 12. Упорядочение результатов запроса по нескольким полям с возрастанием или убыванием (ключевые слова _ASC, _DESC):

SELECT

 PD.PNUM,

 PD.DNUM,

 PD.VOLUME

FROM PD

ORDER BY

DNUM ASC,

 VOLUME DESC;

В результате получим таблицу, в которой строки идут в                          Таблица 9.18

PNUM	DNUM	VOLUME
3	1	1000
2	1	150
1	1	100
2	2	250
1	2	200
1	3	300

порядке возрастания значения поля DNUM, а строки с одинаковым значением _DNUM идут в порядке убывания значения поля _VOLUME (табл. 9.18).

ЗАМЕЧАНИЕ

Если явно не указаны ключевые слова ASC или DESC, то по умолчанию принимается упорядочение по возрастанию

(_ASC).

 

             

 

Отбор данных из нескольких таблиц

Пример 13. Естественное соединение таблиц (способ 1 — явное указание условий соединения):

SELECT

 P.PNUM,

 P.PNAME,

 PD.DNUM,

 PD.VOLUME

FROM P, PD

WHERE P.PNUM = PD.PNUM;

В результате получим новую таблицу, в которой строки с данными о поставщиках соединены со строками с данными о поставках деталей (табл. 9.19).

Таблица 9.19

PNUM	PNAME	DNUM	VOLUME
1	Иванов	1	100
1	Иванов	2	200
1	Иванов	3	300
2	Петров	1	150
2	Петров	2	250
3	Сидоров	1	1000

 

ЗАМЕЧАНИЕ

Соединяемые таблицы перечислены в разделе _FROM оператора, условие соединения приведено в разделе WHERE. Раздел WHERE, помимо условия соединения таблиц, может также содержать и условия отбора строк.

Пример 14. Естественное соединение таблиц (способ 2 — ключевые слова JOIN...

USING...):

SELECT

 P.PNUM,

 P.PNAME,

 PD.DNUM,

 PD.VOLUME

FROM P JOIN PD USING PNUM;

ЗАМЕЧАНИЕ

Ключевое слово US_ING позволяет явно указать, по каким из общих колонок таблиц будет производиться соединение.

 

Пример 15. Естественное соединение таблиц (способ 3 — ключевое слово NATURAL JOIN):

SELECT

 P.PNUM,

 P.PNAME,

 PD.DNUM,

 PD.VOLUME

FROM P NATURAL JOIN PD;

ЗАМЕЧАНИЕ

В разделе FROM не указано, по каким полям производится соединение. NATURAL JOIN автоматически соединяет по всем одинаковым полям в таблицах.

 

Пример 16. Естественное соединение трех таблиц:                                 _{Таблица 9.20}

PNAME	DNAME	VOLUME
Иванов	Болт	100
Иванов	Гайка	200
Иванов	Винт	300
Петров	Болт	150
Петров	Гайка	250
Сидоров	Болт	1000

SELECT

 P.PNAME,

 D.DNAME,

 PD.VOLUME

FROM

 P NATURAL JOIN PD NATURAL JOIN D;

В         результате       получим          следующую    таблицу — табл. 9.20.

 

Пример 17. Прямое произведение таблиц:                           

SELECT

 P.PNUM,

 P.PNAME,

 D.DNUM,

 D.DNAME

FROM P, D;

В результате получим следующую таблицу — табл. 9.21.

ЗАМЕЧАНИЕ

Так как не указано условие соединения таблиц, то каждая строка первой таблицы соединится с каждой строкой второй таблицы.

 

                                       Таблица 9.21                                  Таблица 9.22. Отношение _P (Поставщики)

 

PNUM	PNAME	DNUM	DNAME
1	Иванов	1	Болт
1	Иванов	2	Гайка
1	Иванов	3	Винт
2	Петров	1	Болт
2	Петров	2	Гайка
2	Петров	3	Винт
3	Сидоров	1	Болт
3	Сидоров	2	Гайка
3	Сидоров	3	Винт

PNUM	PNAME	PSTATUS
1	Иванов	4
2	Петров	1
3	Сидоров	2

DNUM	DNAME	DSTATUS
1	Болт	3
2	Гайка	2
3	Винт	1

Таблица 9.23. Отношение _D (Детали)

             

 

Пример 18. Соединение таблиц по произвольному условию. Рассмотрим таблицы поставщиков и деталей, которым присвоен некоторый статус, — табл. 9.22 и 9.23.

Ответ на вопрос "Какие поставщики имеют право поставлять какие детали?" дает следующий запрос:

SELECT

 P.PNUM,

 P.PNAME,

 P.PSTATUS,

 D.DNUM,

 D.DNAME,

 D.DSTATUS

FROM P, D

WHERE P.PSTATUS >= D.DSTATUS;

В результате получим следующую таблицу — табл. 9.24.

Таблица 9.24

PNUM	PNAME	PSTATUS	DNUM	DNAME	DSTATUS
1	Иванов	4	1	Болт	3
1	Иванов	4	2	Гайка	2
1	Иванов	4	3	Винт	1
2	Петров	1	3	Винт	1
3	Сидоров	2	2	Гайка	2
3	Сидоров	2	3	Винт	1

 

Использование имен корреляции (алиасов, псевдонимов)

Иногда приходится выполнять запросы, в которых таблица соединяется сама с собой или одна таблица соединяется дважды с другой таблицей. При этом используются имена корреляции (алиасы, псевдонимы), которые позволяют различать соединяемые копии таблиц. Имена корреляции вводятся в разделе _FROM и идут через пробел после имени таблицы. Имена корреляции должны использоваться в качестве префикса перед именем столбца и отделяться от имени столбца точкой. Если  в запросе указываются одни и те же поля из разных экземпляров одной таблицы, они должны быть переименованы для устранения неоднозначности в именованиях колонок результирующей таблицы. Определение имени корреляции действует только во время выполнения запроса.

 

Пример 19. Отобрать все пары поставщиков таким образом, чтобы первый поставщик в паре имел статус, больший статуса второго поставщика:

SELECT

 P1.PNAME AS PNAME1,

 P1.PSTATUS AS PSTATUS1,

 P2.PNAME AS PNAME2,

 P2.PSTATUS AS PSTATUS2

FROM

 P P1, P P2

WHERE P1.PSTATUS1 > P2.PSTATUS2;

В результате получим следующую таблицу — табл. 9.25.

Таблица 9.25

PNAME1	PSTATUS1	PNAME2	PSTATUS2
Иванов	4	Петров	1
Иванов	4	Сидоров	2
Сидоров	2	Петров	1

Пример 20. Рассмотрим ситуацию, когда некоторые поставщики (назовем их контрагенты) могут выступать как в качестве поставщиков деталей, так и в качестве получателей. Таблицы, хранящие данные, могут иметь следующий вид — табл. 9.26—9.28.

 

         Таблица 9.26. Отношение CONTRAGENTS    Таблица 9.27. Отношение _DETAILS (Детали) 

Номер  контрагента NUM	Наименование  контрагента NAME		Номер  детали DNUM	Наименование  детали DNAME
1	Иванов		1	Болт
2	Петров		2	Гайка
3	Сидоров		3	Винт

 

Таблица 9.28. Отношение _CD (Поставки) 

Номер поставщика PNUM	Номер получателя CNUM	Номер детали DNUM	Поставляемое количество VOLUME
1	2	1	100
1	3	2	200
1	3	3	300
2	3	1	150
2	3	2	250
3	1	1	1000

 

 

В таблице _CD (Поставки) поля _PNUM и _CNUM являются внешними ключами, ссылающимися на потенциальный ключ _NUM в таблице _CONTRAGENTS.

Ответ на вопрос "Кто кому что в каком количестве поставляет?" дается следующим запросом:

SELECT

 P.NAME AS PNAME,

 C.NAME AS CNAME,

 DETAILS.DNAME,

 CD.VOLUME

FROM

 CONTRAGENTS P,

 CONTRAGENTS C,

 DETAILS,

 CD

WHERE

 P.NUM = CD.PNUM AND

 C.NUM = CD.CNUM AND

 D.DNUM = CD.DNUM;

В результате получим следующую таблицу — табл. 9.29.

Таблица 9.29

Наименование поставщика PNAME	Наименование получателя CNAME	Наименование детали  DNAME	Поставляемое количество VOLUME
Иванов	Петров	Болт	100
Иванов	Сидоров	Гайка	200
Иванов	Сидоров	Винт	300
Петров	Сидоров	Болт	150
Петров	Сидоров	Гайка	250
Сидоров	Иванов	Болт	1000

 

ЗАМЕЧАНИЕ

Этот же запрос может быть выражен очень большим количеством способов, например, так:

SELECT

 P.NAME AS PNAME,

 C.NAME AS CNAME,

 DETAILS.DNAME,

 CD.VOLUME

FROM

 CONTRAGENTS P,

 CONTRAGENTS C,

 DETAILS NATURAL JOIN CD

WHERE

 P.NUM = CD.PNUM AND

C.NUM = CD.CNUM;

Использование агрегатных функций в запросах

Пример 21. Получить общее количество поставщиков (ключевое

слово _COUNT):                                                                                             Таблица 9.30

N

3

SELECT COUNT(*) AS N

FROM P;

В результате получим таблицу с одним столбцом и одной строкой,  содержащей количество строк из таблицы _P (табл. 9.30).

Пример 22. Получить общее, максимальное, минимальное и среднее количества поставляемых деталей (ключевые слова SUM, MAX, MIN, AVG):

SELECT

SUM(PD.VOLUME) AS SM,

MAX(PD.VOLUME) AS MX,

MIN(PD.VOLUME) AS MN,

AVG(PD.VOLUME) AS AV

FROM PD;

В результате получим таблицу с одной строкой (табл. 9.31). Таблица 9.31

SM	MX	MN	AV
2000	1000	100	333.33333333

 

Использование агрегатных функций с группировками

Пример 23. Для каждой детали получить суммарное поставляемое количество (ключевое слово GROUP BY_...):

Таблица 9.32

DNUM	SM
1	1250
2	450
3	300

SELECT

 PD.DNUM,

SUM(PD.VOLUME) AS SM

GROUP BY PD.DNUM;

Этот запрос будет выполняться следующим образом. Сначала строки исходной таблицы будут сгруппированы так, чтобы в каж-

 дую группу попали строки с одинаковыми значениями DNUM. Потом внутри каждой группы будет просуммировано поле VOLUME. От   каждой группы в результирующую таблицу будет включена одна строка (табл. 9.32).

ЗАМЕЧАНИЕ

В списке отбираемых полей оператора SELECT, содержащего раздел _{GROUP BY}, можно включать только агрегатные функции и поля, которые входят в условие группировки. Следующий запрос выдаст синтаксическую ошибку:

SELECT

 PD.PNUM,

 PD.DNUM,

SUM(PD.VOLUME) AS SM GROUP BY PD.DNUM;

Причина ошибки в том, что в список отбираемых полей включено поле PNUM, которое не входит в раздел GROUP BY. И действительно, в каждую полученную группу строк может входить несколько строк с различными значениями поля PNUM. Из каждой группы строк будет сформировано по одной итоговой строке. При этом нет однозначного ответа на вопрос, какое значение выбрать для поля _PNUM в итоговой строке.

Некоторые диалекты SQL не считают это за ошибку. Запрос будет выполнен, но предсказать, какие значения будут внесены в поле _PNUM в результирующей таблице, невозможно.

 

Пример 24. Получить номера деталей, суммарное поставляемое количество которых превосходит 400 (ключевое слово HAVING...).

ЗАМЕЧАНИЕ

Условие, что суммарное поставляемое количество должно быть больше 400, не может быть сформулировано в разделе _WHERE, т. к. в этом разделе нельзя использовать агрегатные функции. Условия, использующие агрегатные функции, должны быть размещены в специальном разделе _HAVING.

SELECT                                                           Таблица 9.33

DNUM	SM
1	1250
2	450

 PD.DNUM,

SUM(PD.VOLUME) AS SM

GROUP BY PD.DNUM

HAVING SUM(PD.VOLUME) > 400;

В результате получим следующую таблицу — табл. 9.33.                        

ЗАМЕЧАНИЕ

В одном запросе могут встретиться как условия отбора строк в разделе WHERE, так и условия отбора групп в разделе HAVING. Условия отбора групп нельзя перенести из раздела _HAVING в раздел WHERE. Аналогично и условия отбора строк нельзя перенести из раздела WHERE в раздел HAVING, за исключением условий, включающих поля из списка группировки _{GROUP BY}.

Использование подзапросов

Очень удобным средством, позволяющим формулировать запросы более понятным образом, является возможность использования подзапросов, вложенных в основной запрос.

 

Пример 25. Получить список поставщиков, статус которых меньше максимального статуса в таблице поставщиков (сравнение с подзапросом):

SELECT *

FROM P

WHERE P.STATYS <

 (SELECT MAX(P.STATUS)    FROM P);

ЗАМЕЧАНИЕ

Так как поле _P.STATUS сравнивается с результатом подзапроса, то подзапрос должен быть сформулирован так, чтобы возвращать таблицу, состоящую ровно из одной строки и одной колонки.

Результат выполнения запроса будет эквивалентен результату следующей последовательности действий:

1.  Выполнить один раз вложенный подзапрос и получить максимальное значение статуса.

2.  Просканировать таблицу поставщиков P, каждый раз сравнивая значение статуса поставщика с результатом подзапроса, и отобрать только те строки, в которых статус меньше максимального.

 

Пример 26. Использование предиката IN. Получить список поставщиков, поставляющих деталь номер 2:

SELECT *

FROM P

WHERE P.PNUM IN

 (SELECT DISTINCT PD.PNUM

   FROM PD

WHERE PD.DNUM = 2);

ЗАМЕЧАНИЕ

В данном случае вложенный подзапрос может возвращать таблицу, содержащую несколько строк.

Результат выполнения запроса будет эквивалентен результату следующей последовательности действий:

1.  Выполнить один раз вложенный подзапрос и получить список номеров поставщиков, поставляющих деталь номер 2.

2.  Просканировать таблицу поставщиков P, каждый раз проверяя, содержится ли номер поставщика в результате подзапроса.

 

Пример 27. Использование предиката EXIST. Получить список поставщиков, поставляющих деталь номер 2:

SELECT *

FROM P

WHERE EXIST

 (SELECT *

   FROM PD

   WHERE

     PD.PNUM = P.PNUM AND PD.DNUM = 2);

ЗАМЕЧАНИЕ

Результат выполнения запроса будет эквивалентен результату следующей последовательности действий:

1.  Просканировать таблицу поставщиков _P, каждый раз выполняя подзапрос с новым значением номера поставщика, взятым из таблицы _P.

2.  В результат запроса включить только те строки из таблицы поставщиков, для которых вложенный подзапрос вернул непустое множество строк.

ЗАМЕЧАНИЕ

В отличие от двух предыдущих примеров, вложенный подзапрос содержит параметр

(внешнюю ссылку), передаваемый из основного запроса — номер поставщика P.PNUM. Такие подзапросы называются коррелируемыми (correlated). Внешняя ссылка может принимать различные значения для каждой строки-кандидата, оцениваемого  с помощью подзапроса, поэтому подзапрос должен выполняться заново для каждой строки, отбираемой в основном запросе. Такие подзапросы характерны для предиката EXIST, но могут быть использованы и в других подзапросах.

ЗАМЕЧАНИЕ

Может показаться, что запросы, содержащие коррелируемые подзапросы, будут выполняться медленнее, чем запросы с некоррелируемыми подзапросами. На самом деле это не так, т. к. то, как пользователь сформулировал запрос, не определяет, как этот запрос будет выполняться. Язык SQL является не процедурным, а декларативным. Это значит, что пользователь, формулирующий запрос, просто описывает, каким должен быть результат запроса, а как этот результат будет получен — за это отвечает сама СУБД.

 

Пример 28. Использование предиката NOT EXIST. Получить список поставщиков, не поставляющих деталь номер 2:

SELECT *

FROM P

WHERE NOT EXIST

 (SELECT *

   FROM PD

   WHERE

     PD.PNUM = P.PNUM AND PD.DNUM = 2);

ЗАМЕЧАНИЕ

Так же как и в предыдущем примере, здесь используется коррелируемый подзапрос. Отличие в том, что в основном запросе будут отобраны те строки из таблицы поставщиков, для которых вложенный подзапрос не выдаст ни одной строки.

 

Пример 29. Получить имена поставщиков, поставляющих все детали:

SELECT DISTINCT PNAME

FROM P

WHERE NOT EXIST

 (SELECT *

   FROM D

   WHERE NOT EXIST

    (SELECT *

      FROM PD

      WHERE

        PD.DNUM = D.DNUM AND

        PD.PNUM = P.PNUM));

ЗАМЕЧАНИЕ

Данный запрос содержит два вложенных подзапроса и реализует реляционную операцию деления отношений.

Самый внутренний подзапрос параметризован двумя параметрами (D.DNUM, P.PNUM) и имеет следующий смысл: отобрать все строки, содержащие данные о поставках поставщика с номером PNUM детали с номером DNUM. Отрицание NOT EXIST говорит  о том, что данный поставщик не поставляет данную деталь. Внешний к нему подзапрос, сам являющийся вложенным и параметризованным параметром P.PNUM, имеет смысл: отобрать список деталей, которые не поставляются поставщиком PNUM. Отрицание _{NOT EXIST} говорит о том, что для поставщика с номером _PNUM не должно быть деталей, которые не поставлялись бы этим поставщиком. Это в точности означает, что во внешнем запросе отбираются только поставщики, поставляющие все детали.

Использование объединения, пересечения и разности

Пример 30. Получить имена поставщиков, имеющих статус, больший 3, или поставляющих хотя бы одну деталь номер 2 (объединение двух подзапросов — ключевое слово _UNION):

SELECT P.PNAME

FROM P

WHERE P.STATUS > 3

UNION

SELECT P.PNAME

 FROM P, PD

 WHERE P.PNUM = PD.PNUM AND PD.DNUM = 2;

ЗАМЕЧАНИЕ

Результирующие таблицы объединяемых запросов должны быть совместимы, т. е. иметь одинаковое количество столбцов и одинаковые типы столбцов в порядке их перечисления. Не требуется, чтобы объединяемые таблицы имели бы одинаковые имена колонок. Это отличает операцию объединения запросов в SQL от операции объединения в реляционной алгебре. Наименования колонок в результирующем запросе будут автоматически взяты из результата первого запроса в объединении.

 

Пример 31. Получить имена поставщиков, имеющих статус, больший 3, и одновременно поставляющих хотя бы одну деталь номер 2 (пересечение двух подзапросов — ключевое слово _INTERSECT):

SELECT P.PNAME

FROM P

WHERE P.STATUS > 3

INTERSECT

SELECT P.PNAME

 FROM P, PD

 WHERE P.PNUM = PD.PNUM AND

PD.DNUM = 2;

 

Пример 32. Получить имена поставщиков, имеющих статус, больший 3, за исключением тех, кто поставляет хотя бы одну деталь номер 2 (разность двух подзапросов — ключевое слово _EXCEPT):

SELECT P.PNAME

FROM P

WHERE P.STATUS > 3

EXCEPT

SELECT P.PNAME

 FROM P, PD

 WHERE P.PNUM = PD.PNUM AND

PD.DNUM = 2;

 

Формальное описание синтаксиса  оператора выборки данных (SELECT)  с помощью BNF-нотации

Опишем синтаксис оператора выборки данных (оператора SELECT) более точно. При описании синтаксиса операторов обычно используются условные обозначения, известные как стандартные формы Бэкуса—Наура (BNF).

В BNF-обозначениях используются перечисленные далее элементы.

r Символ "::=" означает равенство по определению. Слева от знака стоит определяемое понятие, справа — собственно определение понятия.

r Ключевые слова записываются прописными буквами. Они зарезервированы и составляют часть оператора.

r Метки-заполнители конкретных значений элементов и переменных записываются курсивом.

r Необязательные элементы оператора заключены в квадратные скобки _[].

r Вертикальная черта _| указывает на то, что все предшествующие ей элементы списка являются необязательными и могут быть заменены любым другим элементом списка после этой черты.

r Фигурные скобки _{} указывают на то, что все находящееся внутри них является единым целым.

r Троеточие "..." означает, что предшествующая часть оператора может быть повторена любое количество раз.

r Многоточие, внутри которого находится запятая "_.,..", указывает, что предшествующая часть оператора, состоящая из нескольких элементов, разделенных запятыми, может иметь произвольное число повторений. Запятую нельзя ставить после последнего элемента.

ЗАМЕЧАНИЕ

Данное соглашение не входит в стандарт BNF, но позволяет более точно описать синтаксис операторов SQL.

r Круглые скобки являются элементом оператора.

Синтаксис оператора выборки

В довольно сильно упрощенном виде оператор выборки данных имеет следующий синтаксис (для некоторых элементов мы дадим не BNF-определения, а словесное описание):

Оператор выборки::=

Табличное выражение

[ORDER BY

{{Имя столбца-результата [ASC | DESC]} | {Положительное целое [ASC | DESC]}}.,..];

 

Табличное выражение::=

Select-выражение

[

{UNION | INTERSECT | EXCEPT} [ALL]

{Select-выражение | TABLE Имя таблицы | Конструктор значений таблицы}

]

 

Select-выражение ::=

SELECT [ALL | DISTINCT]

{{{Скалярное выражение | Функция агрегирования | Select-выражение} 

[AS Имя столбца]}.,..}

| {{Имя таблицы|Имя корреляции}.*}

| *

FROM {

{Имя таблицы [AS] [Имя корреляции] [(Имя столбца.,..)]}

| {Select-выражение [AS] Имя корреляции [(Имя столбца.,..)]}

| Соединенная таблица }.,..

[WHERE Условное выражение]

[GROUP BY {[{Имя таблицы|Имя корреляции}.]Имя столбца}.,..]

[HAVING Условное выражение]

ЗАМЕЧАНИЕ

Select-выражение в разделе SELECT, используемое в качестве значения для отбираемого столбца, должно возвращать таблицу, состоящую из одной строки и одного столбца, т. е. скалярное выражение.

Условное выражение в разделе _WHERE должно вычисляться для каждой строки,  являющейся кандидатом в результирующее множество строк. В этом условном выражении можно использовать подзапросы. Синтаксис условных выражений, допустимых в разделе _WHERE, рассматривается далее.

Раздел _HAVING содержит условное выражение, вычисляемое для каждой группы,  определяемой списком группировки в разделе GROUP BY. Это условное выражение может содержать функции агрегирования, вычисляемые для каждой группы. Условное выражение, сформулированное в разделе WHERE, может быть перенесено в раздел HAVING. Перенос условий из раздела HAVING в раздел WHERE невозможен, если условное выражение содержит агрегатные функции. Перенос условий из раздела _WHERE  в раздел _HAVING является плохим стилем программирования — эти разделы предназначены для различных по смыслу условий (условия для строк и условия для групп строк).

Если в разделе _SELECT присутствуют агрегатные функции, то они вычисляются поразному в зависимости от наличия раздела GROUP BY. Если раздел _{GROUP BY} отсутствует, то результат запроса возвращает не более одной строки. Агрегатные функции вычисляются по всем строкам, удовлетворяющим условному выражению в разделе WHERE. Если раздел GROUP BY присутствует, то агрегатные функции вычисляются по отдельности для каждой группы, определенной в разделе _{GROUP BY}.

Скалярное выражение — в качестве скалярных выражений в разделе _SELECT могут выступать либо имена столбцов таблиц, входящих в раздел FROM, либо простые функции, возвращающие скалярные значения.

Функция агрегирования ::=

COUNT (*) |

{

{COUNT | MAX | MIN | SUM | AVG} ([ALL | DISTINCT] Скалярное выражение)

}

 

Конструктор значений таблицы ::=

VALUES Конструктор значений строки.,..

 

Конструктор значений строки ::=

Элемент конструктора | (Элемент конструктора.,..) | Select-выражение

ЗАМЕЧАНИЕ

Select-выражение, используемое в конструкторе значений строки, обязано возвращать ровно одну строку.

Элемент конструктора ::=

Выражение для вычисления значения | NULL | DEFAULT

Синтаксис соединенных таблиц

В разделе _FROM оператора _SELECT можно использовать соединенные таблицы. Пусть в результате некоторых операций мы получаем таблицы _A и B. Такими операциями могут быть, например, оператор _SELECT или другая соединенная таблица. Тогда синтаксис соединенной таблицы имеет следующий вид:

Соединенная таблица ::=

Перекрестное соединение

| Естественное соединение

| Соединение посредством предиката

| Соединение посредством имен столбцов

| Соединение объединения

Тип соединения ::=

INNER

| LEFT [OUTER]

| RIGTH [OUTER]

| FULL [OUTER]

 

Перекрестное соединение ::=

Таблица А CROSS JOIN Таблица В

 

Естественное соединение ::=

Таблица А [NATURAL] [Тип соединения] JOIN Таблица В

 

Соединение посредством предиката ::=

Таблица А [Тип соединения] JOIN Таблица В ON Предикат

 

Соединение посредством имен столбцов ::=

Таблица А [Тип соединения] JOIN Таблица В USING (Имя столбца.,..)

 

Соединение объединения ::=

Таблица А UNION JOIN Таблица В

 

Опишем используемые термины.

_{CROSS JOIN} — перекрестное соединение возвращает просто декартово произведение таблиц. Такое соединение в разделе _FROM может быть заменено списком таблиц через запятую.

NATURAL JOIN — естественное соединение производится по всем столбцам таблиц А и В, имеющим одинаковые имена. В результирующую таблицу одинаковые столбцы вставляются только один раз.

JOIN ... ON — соединение посредством предиката объединяет строки таблиц А и В посредством указанного предиката.

JOIN ... USING — соединение посредством имен столбцов объединяет отношения подобно естественному соединению по тем общим столбцам таблиц _А и Б, которые указаны в списке _USING.

_OUTER — ключевое слово _OUTER (внешний) не является обязательным, оно не используется ни в каких операциях с данными.

_INNER — тип соединения "внутреннее". Внутренний тип соединения используется по умолчанию, когда тип явно не задан. В таблицах _А и _В соединяются только те строки, для которых найдено совпадение.

_LEFT (_OUTER) — тип соединения "левое (внешнее)". Левое соединение таблиц _А и _В включает в себя все строки из левой таблицы А и те строки из правой таблицы В, для которых обнаружено совпадение. Для строк из таблицы А, для которых не найдено соответствия в таблице В, в столбцы, извлекаемые из таблицы В, заносятся значения _NULL.

_RIGHT (_OUTER) — тип соединения "правое (внешнее)". Правое соединение таблиц _А и В включает в себя все строки из правой таблицы В и те строки из левой таблицы А, для которых обнаружено совпадение. Для строк из таблицы В, для которых не найдено соответствия в таблице А, в столбцы, извлекаемые из таблицы _А заносятся значения _NULL.

_FULL (_OUTER) — тип соединения "полное (внешнее)". Это комбинация левого и правого соединений. В полное соединение включаются все строки из обеих таблиц. Для совпадающих строк поля заполняются реальными значениями, для несовпадающих строк поля заполняются в соответствии с правилами левого и правого со-

единений.

_{UNION JOIN} — соединение объединения является обратным по отношению к внутреннему соединению. Оно включает только те строки из таблиц А и В, для которых не найдено совпадений. В них используются значения _NULL для столбцов, полученных из другой таблицы. Если взять полное внешнее соединение и удалить из него строки, полученные в результате внутреннего соединения, то получится соединение объединения.

Использование соединенных таблиц часто облегчает восприятие оператора _SELECT, особенно когда применяется естественное соединение. Если не использовать соединенные таблицы, то при выборе данных из нескольких таблиц необходимо явно указывать условия соединения в разделе WHERE. Если при этом пользователь указывает сложные критерии отбора строк, то в разделе _WHERE смешиваются семантически различные понятия — как условия связи таблиц, так и условия отбора строк (см. примеры 13—15 данной главы).

Синтаксис условных выражений раздела WHERE

Условное выражение, используемое в разделе _WHERE оператора _SELECT, должно вычисляться для каждой строки-кандидата, отбираемой оператором SELECT. Условное выражение может возвращать одно из трех значений истинности: TRUE, FALSE или UNKNOUN. Строка-кандидат отбирается в результирующее множество строк только в том случае, если для нее условное выражение вернуло значение _TRUE.

Условные выражения имеют следующий синтаксис (в целях упрощения изложения приведены не все возможные предикаты):

Условное выражение ::=

[ ( ] [NOT]

{Предикат сравнения

| Предикат between

| Предикат in

| Предикат like

| Предикат null

| Предикат количественного сравнения

| Предикат exist

| Предикат unique

| Предикат match

| Предикат overlaps}

[{AND | OR} Условное выражение] [ ) ]

[IS [NOT] {TRUE | FALSE | UNKNOWN}]

 

Предикат сравнения ::=

Конструктор значений строки {= | < | > | <= | >= | <>} Конструктор значений строки

 

Пример 33. Сравнение поля таблицы и скалярного значения:

POSTAV.VOLUME > 100

 

Пример 34. Сравнение двух сконструированных строк:

(PD.PNUM, PD.DNUM) = (1, 25)

Этот пример эквивалентен условному выражению:

PD.PNUM = 1 AND PD.DNUM = 25

 

Предикат between ::=

Конструктор значений строки [NOT] BETWEEN

Конструктор значений строки AND Конструктор значений строки

 

Пример 35. PD.VOLUME BETWEEN 10 AND 100

 

Предикат in ::=

Конструктор значений строки [NOT] IN

{(Select-выражение) | (Выражение для вычисления значения.,..)}

 

Пример 36. P.PNUM IN (SELECT PD.PNUM FROM PD WHERE PD.DNUM=2)

 

Пример 37. P.PNUM IN (1, 2, 3, 5)

 

Предикат like ::=

Выражение для вычисления значения строки-поиска [NOT] LIKE

Выражение для вычисления значения строки-шаблона [ESCAPE Символ]

ЗАМЕЧАНИЕ

Предикат _LIKE производит поиск строки-поиска в строке-шаблоне. В строке-шаблоне разрешается использовать два трафаретных символа:

1.  Символ подчеркивания "_" может использоваться вместо любого единичного символа в строке-поиска.

2.  Символ процента "%" может заменять набор любых символов в строке-поиска (число символов в наборе может быть от 0 и более).

Предикат null ::=

Конструктор значений строки IS [NOT] NULL

ЗАМЕЧАНИЕ

Предикат _NULL применяется специально для проверки, не равно ли проверяемое выражение null-значению.

Предикат количественного сравнения ::=

Конструктор значений строки {= | < | > | <= | >= | <>}

{ANY | SOME | ALL} (Select-выражение)

ЗАМЕЧАНИЕ

Кванторы _ANY и _SOME являются синонимами и полностью взаимозаменяемы.

Если указан один из кванторов ANY и SOME, то предикат количественного сравнения возвращает TRUE, если сравниваемое значение совпадает хотя бы с одним значением, возвращаемом в подзапросе (select-выражении).

Если указан квантор ALL, то предикат количественного сравнения возвращает TRUE, если сравниваемое значение совпадает с каждым значением, возвращаемом в подзапросе (select-выражении).

 

Пример 38. P.PNUM = SOME (SELECT PD.PNUM FROM PD WHERE PD.DNUM=2)

 

Предикат exist ::=

EXIST (Select-выражение)

ЗАМЕЧАНИЕ

Предикат _EXIST возвращает значение TRUE, если результат подзапроса (selectвыражения) не пуст.

Предикат unique ::=

UNIQUE (Select-выражение)

ЗАМЕЧАНИЕ

Предикат _UNIQUE возвращает TRUE, если в результате подзапроса (select-выражения) нет совпадающих строк.

Предикат match ::=

Конструктор значений строки MATCH [UNIQUE]

[PARTIAL | FULL] (Select-выражение)

ЗАМЕЧАНИЕ

Предикат _MATCH проверяет, будет ли значение, определенное в конструкторе строки, совпадать со значением любой строки, полученной в результате подзапроса.

Предикат overlaps ::=

Конструктор значений строки OVERLAPS Конструктор значений строки

ЗАМЕЧАНИЕ

Предикат OVERLAPS, является специализированным предикатом, позволяющем определить, будет ли указанный период времени перекрывать другой период времени.

Порядок выполнения оператора SELECT

Для того чтобы понять, как получается результат выполнения оператора _SELECT, рассмотрим концептуальную схему его выполнения. Эта схема является именно концептуальной, т. к. гарантируется, что результат будет таким, как если бы он выполнялся шаг за шагом в соответствии с этой схемой. На самом деле, реально результат получается более изощренными алгоритмами, которыми "владеет" конкретная СУБД.

Стадия 1. Выполнение одиночного оператора SELECT

Если в операторе присутствуют ключевые слова UNION, EXCEPT и INTERSECT, то запрос разбивается на несколько независимых запросов, каждый из которых выполняется отдельно.

Шаг 1 (FROM). Вычисляется прямое декартово произведение всех таблиц, указанных в обязательном разделе FROM. В результате шага 1 получаем таблицу _A.

Шаг 2 (WHERE). Если в операторе _SELECT присутствует раздел WHERE, то сканируется таблица A, полученная при выполнении шага 1. При этом для каждой строки из таблицы _A вычисляется условное выражение, приведенное в разделе WHERE. В результат включаются только те строки, для которых условное выражение возвращает значение TRUE. Если раздел _WHERE опущен, то сразу переходим к шагу 3. Если  в условном выражении участвуют вложенные подзапросы, то они вычисляются  в соответствии с данной концептуальной схемой. В результате шага 2 получаем таблицу _B.

Шаг 3 (GROUP BY). Если в операторе _SELECT присутствует раздел GROUP BY, то строки таблицы B, полученной на втором шаге, группируются в соответствии со списком группировки, приведенным в разделе GROUP BY. Если раздел _{GROUP BY} опущен, то сразу переходим к шагу 4. В результате шага 3 получаем таблицу _С.

Шаг 4 (HAVING). Если в операторе _SELECT присутствует раздел HAVING, то группы, не удовлетворяющие условному выражению, приведенному в разделе HAVING, исключаются. Если раздел _HAVING опущен, то сразу переходим к шагу 5. В результате шага 4 получаем таблицу _D.

Шаг 5 (SELECT). Каждая группа, полученная на шаге 4, генерирует одну строку результата следующим образом. Вычисляются все скалярные выражения, указанные в разделе SELECT. По правилам использования раздела _{GROUP BY} такие скалярные выражения должны быть одинаковыми для всех строк внутри каждой группы. Для каждой группы вычисляются значения агрегатных функций, приведенных в разделе SELECT. Если раздел GROUP BY отсутствовал, но в разделе SELECT есть агрегатные функции, то считается, что имеется всего одна группа. Если нет ни раздела

GROUP BY, ни агрегатных функций, то считается, что имеется столько групп, сколько строк отобрано к данному моменту. В результате шага 5 получаем таблицу E, содержащую столько колонок, сколько элементов приведено в разделе SELECT, и столько строк, сколько отобрано групп.

Стадия 2. Выполнение операций UNION, EXCEPT, INTERSECT

Если в операторе SELECT присутствовали ключевые слова UNION, EXCEPT и INTERSECT, то таблицы, полученные в результате выполнения 1-й стадии, объединяются, вычитаются или пересекаются.

Стадия 3. Упорядочение результата

Если в операторе SELECT присутствует раздел ORDER BY, то строки полученной на предыдущих шагах таблицы упорядочиваются в соответствии со списком упорядочения, приведенном в разделе _{ORDER BY}.

 

 

Контрольные вопросы

 

1.    Какова история и версии языка SQL?

2.    Охарактеризуйте SQL.

3.    Какие действия выполняют операторы SQL над базой данных.

4.    Перечислите операторы SQL. Приведите их написание.

5.    Какой оператор SQL можно считать основным?

6.    Приведите примеры использования операторов SQL.

 

Темы для рефератов

 

1.    История развития языков манипулирования данными.

2.    Особенности реализации SQL в различных СУБД.

3.    Машинная реализация оптимизации и выполнения операторов SQL.

 

Вопросы для обсуждения

 

1. Что общего и различного у SQL и известных вам языков программирования?

Задачи и упражнения

 

Выполняя задания, в рабочей тетради необходимо предварительно записать соответствующие операторы SQL, а также вид создаваемых и модифицируемых таблиц. 1. Создать таблицу для хранения данных о школьниках с полями: идентификатор (индивидуальный номер), фамилия, имя, отчество, адрес, места работы родителей, телефоны, профиль обучения, обозначение класса.

 Ввести следующие ограничения:

ú  уникальность для идентификатора;

ú  отсутствие пустых значений (NULL) для фамилии и адреса.

 Задать первичный ключ (Primary Key) для таблицы учащихся.

2.        Заполнить данными созданную таблицу (не менее 10 записей), при вводе попытаться добавить записи с дублирующимися идентификаторами, однофамильцами, без фамилии, без профиля, без адреса. Привести в тетради окончательный вид созданной таблицы.

3.        Получить список фамилий и имен авторов с названиями написанных ими книг, отсортированный по авторам.

4.        Получить список названий и авторов книг с указанием их темы, отсортировать по названию книги.

5.        Получить список номеров ISBN для книг в бумажном переплете (тип р) с указанием издательств, выпустивших книгу; список отсортировать по издательствам.

6.        Изменить предыдущий запрос так, чтобы выводить еще и название книги.

7.        Составить список покупателей с названиями купленных ими книг. Отсортировать по покупателям.

8.        Вывести количество книг, которые приобрел каждый покупатель. Отсортировать по покупателю.

9.        Модифицировать предыдущий запрос таким образом, чтобы в списке присутствовали и те покупатели, которые не купили ни одной книги.

10.    Вывести список покупателей, не покупавших книг. Отсортировать по покупателю.

11.    Определить общее количество книг на складе (_stock).

12.    Определить количество книг с розничной ценой выше 30.

13.    Определить выручку магазина при реализации всех книг.

14.    Определить прибыль магазина при реализации всех книг.

15.    Найти даты наиболее ранней и наиболее поздней публикаций (таблица editions).

16.    Получить информацию о книге с наиболее ранним сроком публикации.

17.    Найти среднюю цену (cost) для имеющихся книг на складе (stock). Получить список книг, цена которых выше средней.

18.    Подсчитать количество покупателей (customers) с различными фамилиями.

19.    Подсчитать количество книг, выпущенных в твердой (Hard) и мягкой (_Paper)    обложке.

20.    Для каждого покупателя (его кода) получить количество купленных им когдалибо книг. Список выдать в порядке уменьшения количества купленных книг.

21.    Для каждого не единожды купившего книгу покупателя (его кода) получить количество купленных им книг.

22.    Вывести список покупателей-однофамильцев с подсчетом их количества.

23.    Получить все сведения об авторах (_authors).

24.    Получить список (имя и фамилия) всех авторов.

25.    Получить список (имя и фамилия) всех авторов, отсортированный по фами- лиям.

26.    Получить всю информацию о переиздании книг (т. е. не первое издание, а второе и выше), так чтобы вначале списка шли книги, выдержавшие наибольшее количество переизданий (_editions).

27.    Получить всю информацию об издании книг с типом _h в порядке их публикации.

28.    Получить информацию об изданиях книг до XXI века.

29.    Получить информацию об имеющихся книгах на складе (stock). Отсортировать по убыванию количества, отсутствующие книги не выводить.

30.    Для каждого кода книги вывести ее стоимость, отпускную цену, количество на складе, расходы магазина на покупку книги (с учетом количества), доходы от их реализации и прибыль магазина. Отсортировать по ISBN.

31.    Получить список неповторяющихся кодов тем книг, имеющихся в наличии.

32.    Получить 10 книг, в наибольшем количестве имеющихся на складе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

модуль 9

РАЗДЕЛ 9.6

 

Жизненный цикл  информационной системы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учебный материал

 

Понятие и структура жизненного цикла ИС

Индустрия разработки автоматизированных информационных систем зародилась  в 50—60-х годах XX века и к началу нового столетия приобрела вполне законченные формы, выразившиеся в формировании соответствующего методологического аппарата. Одним из базовых понятий методологии проектирования информационных систем является понятие жизненного цикла.

Жизненный цикл (ЖЦ) информационной системы — период времени, который начинается с момента принятия решения о необходимости создания информационной системы и заканчивается в момент ее полного изъятия из эксплуатации.

Методология проектирования информационных систем описывает жизненный цикл ИС в виде совокупности этапов и выполняемых на них процессов. При этом для каждого этапа определяются состав и последовательность выполняемых работ, получаемые результаты, методы и средства, необходимые для выполнения работ, роли и ответственность участников и т. д. Такое формальное описание жизненного цикла информационной системы позволяет спланировать и организовать процесс ее коллективной разработки и обеспечить управление этим процессом.

Полный жизненный цикл информационной системы включает в себя, как правило, стратегическое планирование, анализ, проектирование, реализацию, внедрение и эксплуатацию. В общем случае жизненный цикл можно в свою очередь разбить на ряд стадий.

Стадии жизненного цикла ИС

Стадия — часть процесса создания информационной системы, ограниченная определенными временными рамками и заканчивающаяся выпуском конкретного продукта (моделей, программных компонентов, документации), определяемого заданными для данной стадии требованиями.

Соотношение между процессами, выполняемыми на каждой стадии, определяется используемой моделью жизненного цикла ИС.

Согласно методологии, предлагаемой Rational Software, жизненный цикл информационной системы подразделяется на четыре стадии: начальная стадия, стадия уточнения, стадия конструирования, стадия передачи в эксплуатацию. Границы каждой стадии определены моментами времени, в которые необходимо принимать определенные критические решения и, следовательно, достигать определенных ключевых целей.

Так, на начальной стадии устанавливается область применения системы и определяются граничные условия. Для этого необходимо идентифицировать все внешние объекты, с которыми должна взаимодействовать разрабатываемая система, и определить характер этого взаимодействия на высоком уровне. На начальной стадии идентифицируются все функциональные возможности системы и производится описание наиболее существенных из них.

На стадии уточнения проводится анализ прикладной области и разрабатывается архитектурная основа информационной системы. В конце стадии уточнения проводится анализ архитектурных решений и способов устранения главных факторов риска в проекте.

На стадии конструирования разрабатывается законченное изделие, готовое к передаче пользователю. По окончании этой стадии определяется работоспособность разработанного программного обеспечения.

На стадии передачи в эксплуатацию разработанное программное обеспечение  передается пользователям. При эксплуатации разработанной системы в реальных условиях часто возникают различного рода проблемы, которые требуют дополнительных работ по внесению корректив в разработанный продукт.

Процессы жизненного цикла ИС

Под процессом жизненного цикла ИС понимается совокупность взаимосвязанных действий, преобразующих входные данные в выходные.

Описание каждого процесса включает в себя перечень решаемых задач, исходных данных и результатов. В соответствии с базовым международным стандартом ISO/IEC 12207 все процессы жизненного цикла информационной системы делятся на три группы: основные, вспомогательные и организационные.

Основные процессы жизненного цикла:

r приобретение (действия и задачи заказчика, приобретающего ИС);

r поставка (действия и задачи поставщика, который снабжает заказчика программным продуктом или услугой);

r разработка (действия и задачи, выполняемые разработчиком: создание ИС, оформление проектной и эксплуатационной документации, подготовка тестовых и учебных материалов и т. д.);

r эксплуатация (действия и задачи оператора — организации, эксплуатирующей

систему);

r сопровождение (действия и задачи, выполняемые сопровождающей организацией: внесений изменений в ИС в целях исправления ошибок, повышения производительности или адаптации к изменившимся условиям работы или требова-

ниям).

Среди основных процессов жизненного цикла наибольшую важность имеют: разработка, эксплуатация и сопровождение. Каждый процесс характеризуется определенными задачами и методами их решения, исходными данными, полученными на предыдущем этапе, и результатами.

Разработка информационной системы включает в себя все работы по созданию информационного программного обеспечения и его компонентов в соответствии  с заданными требованиями, а также оформление проектной и эксплуатационной документации; подготовку материалов, необходимых для тестирования разработанных программных продуктов; разработку материалов, необходимых для обучения персонала. Разработка является одним из важнейших процессов жизненного цикла информационной системы и, как правило, включает в себя стратегическое планирование, анализ, проектирование и реализацию (программирование).

Эксплуатационные работы можно подразделить на подготовительные и основные. К подготовительным относятся: конфигурирование базы данных и рабочих мест пользователей; обеспечение пользователей эксплуатационной документацией; обучение персонала. Основные эксплуатационные работы включают: непосредственно эксплуатацию; локализацию проблем и устранение причин их возникновения; модификацию программного обеспечения; подготовку предложений по совершенствованию системы; развитие и модернизацию ИС.

Процесс сопровождения играет весьма заметную роль в жизни любой информационной системы. Наличие квалифицированного технического обслуживания на этапе эксплуатации ИС является необходимым условием решения поставленных перед ней задач, т. к. ошибки обслуживающего персонала могут приводить к явным или скрытым финансовым потерям, сопоставимым со стоимостью самой информационной системы.

Основными предварительными действиями при подготовке к организации технического обслуживания информационной системы являются:

r выделение наиболее ответственных узлов системы и определение для них критичности простоя (это позволяет выделить наиболее критичные составляющие информационной системы и оптимизировать распределение ресурсов для технического обслуживания);

r определение задач технического обслуживания и их разделение на внутренние (решаемые силами обслуживающего подразделения) и внешние (решаемые специализированными сервисными организациями), что позволяет четко определить круг исполняемых функций и разделить ответственность;

r проведение анализа имеющихся внутренних и внешних ресурсов, необходимых для организации технического обслуживания в рамках описанных задач и разделения компетенции (основные критерии для анализа: наличие гарантии на оборудование, состояние ремонтного фонда, квалификация персонала);

r подготовка плана организации технического обслуживания, в котором определяются этапы выполняемых действий, сроки их исполнения, затраты на каждом из этапов, ответственность исполнителей.

Вспомогательные процессы жизненного цикла:

r документирование (формализованное описание информации, созданной в течение жизненного цикла ИС);

r управление конфигурацией (применение административных и технических процедур на всем протяжении ЖЦ ИС для определения состояния компонентов ИС и управления ее модификациями);

r обеспечение качества (обеспечение гарантий того, что информационная система и процессы ее жизненного цикла соответствуют заданным требованиям и  утвержденным планам);

r верификация (определение соответствия текущего состояния разработки ИС, достигнутого на конкретном этапе, требованиям этого этапа);

r аттестация (определение полноты соответствия заданных требований и созданной системы их конкретному функциональному назначению);

r совместная оценка (оценка состояния работ по проекту: контроль планирования и управления ресурсами, персоналом, аппаратурой, инструментальными средствами);

r аудит (определение соответствия требованиям, планам и условиям договора);

r разрешение проблем (анализ и решение проблем независимо от их происхождения или источника, которые обнаружены в ходе разработки, эксплуатации, сопровождения или других процессов).

Среди вспомогательных процессов одно из главных мест занимает управление конфигурацией, т. к. именно этот процесс поддерживает основные процессы жизненного цикла информационной системы, прежде всего, процессы разработки и

сопровождения.

При разработке проектов сложных информационных систем, состоящих из многих компонентов, каждый из которых может разрабатываться независимо и, следовательно, иметь несколько вариантов реализации и/или несколько версий одной реализации, возникает проблема учета их связей и функций, создания единой структуры и обеспечения развития всей системы. Управление конфигурацией позволяет организовывать, систематически учитывать и контролировать внесение изменений в различные компоненты информационной системы на всех стадиях ее жизненного

цикла.

Организационные процессы:

r управление (действия и задачи, которые могут выполняться любой стороной, управляющей своими процессами);

r создание инфраструктуры (выбор и сопровождение технологии, стандартов и инструментальных средств; выбор и установка аппаратных и программных средств, используемых для разработки, эксплуатации или сопровождения ИС);

r усовершенствование (оценка, измерение, контроль и усовершенствование процессов жизненного цикла ИС);

r обучение (первоначальное обучение и последующее постоянное повышение квалификации эксплуатирующего и обслуживающего персонала).

Управление проектом связано с вопросами планирования и организации работ, создания коллективов разработчиков и контроля за сроками и качеством выполняемых работ. Техническое и организационное обеспечение проекта включает: r выбор методов и инструментальных средств для реализации проекта;

r определение методов описания промежуточных состояний разработки;

r разработку методов и средств испытаний созданного программного обеспе- чения;

r обучение персонала.

Каждый из рассмотренных процессов жизненного цикла информационной системы включает ряд действий. Например, процесс приобретения ИС включает такие действия, как инициирование приобретения, подготовку заявочных предложений, разработку и корректировку договора, надзор за деятельностью поставщика, приемку и завершение работ.

Каждое действие, в свою очередь, предполагает решение ряда задач. Например, подготовка заявочных предложений должна предусматривать: формулирование требований к системе, формирование списка программных продуктов, установление условий и соглашений, описание технических ограничений (среда функционирования системы и т. д.) и др.

Модели жизненного цикла ИС

Модель жизненного цикла ИС — структура, определяющая последовательность выполнения и взаимосвязи процессов, действий и задач на протяжении жизненного цикла.

Модель ЖЦ зависит от специфики, масштаба и сложности проекта, а также от специфики условий, в которых система создается и функционирует. Модель жизненного цикла информационной системы включает в себя: стадии, результаты выполнения работ на каждой стадии, ключевые события (точки завершения работ и принятия решений).

Модель жизненного цикла отражает различные состояния системы, начиная с момента возникновения необходимости в данной ИС и заканчивая моментом ее полного вывода из эксплуатации. Рассмотрим основные модели жизненного цикла информационных систем, используемые до настоящего времени.

Каскадная модель (рис. 9.4) предусматривает последовательное выполнение всех этапов проекта в строго фиксированном порядке. Переход на следующий этап возможен только в случае полного завершения работ на предыдущем этапе. Требования, определенные на стадии формирования целей и задач, строго документируются в виде технического задания и контролируются на протяжении всего времени разработки проекта. Каждая стадия завершается выпуском полного комплекта  документации, достаточной для того, чтобы разработка могла быть продолжена другой командой разработчиков.

Рис. 9.4. Каскадная модель ЖЦ ИС

Итерационная модель (рис. 9.5) похожа на каскадную. Основное ее отличие от каскадной модели заключается в том, что разработка информационной системы ведется итерациями с циклами обратной связи между этапами. Межэтапные корректи-

 

 

 

Рис. 9.5. Итерационная модель ЖЦ ИС

ровки, с одной стороны, позволяют учитывать реально существующее взаимовлияние результатов разработки на различных этапах, а с другой — время жизни каждого из этапов растягивается на весь период разработки.

Спиральная модель (рис. 9.6). На каждом витке спирали выполняется создание очередной версии продукта, уточняются требования проекта, определяется его качество и планируются работы следующего витка. Особое внимание уделяется начальным этапам разработки — анализу и проектированию, где реализуемость тех или иных технических решений проверяется и обосновывается посредством создания прототипов (макетирования). Таким образом углубляются и последовательно конкретизируются детали проекта и в результате выбирается обоснованный вариант, который доводится до реализации.

 

Рис. 9.6. Спиральная модель ЖЦ ИС

Преимущества и недостатки  моделей жизненного цикла ИС

При разработке достаточно простых информационных систем каждое приложение представляет собой единый, функционально и информационно независимый блок. Для создания такого типа приложений эффективным является каскадный способ, каждый этап которого завершается после полного выполнения и документального оформления всех предусмотренных на нем работ. К положительным сторонам применения каскадного подхода можно отнести следующие:

r на каждом этапе формируется законченный набор проектной документации, отвечающий критериям полноты и согласованности;

r выполняемые в логической последовательности этапы работ позволяют планировать сроки завершения всех работ и соответствующие затраты.

Каскадный подход хорошо зарекомендовал себя при построении таких ИС, когда  в самом начале разработки можно достаточно точно и полно сформулировать все требования к системе. Основным недостатком этого подхода является то, что  реальный процесс создания системы никогда полностью не укладывается в такую жесткую схему, постоянно возникает потребность в возврате к предыдущим этапам и уточнении или пересмотре ранее принятых решений. В результате реальный процесс создания ИС оказывается соответствующим итерационной модели.  

Спиральная модель ЖЦ была предложена для преодоления перечисленных проблем каскадного метода. На этапах анализа и проектирования реализуемость технических решений и степень удовлетворения потребностей заказчика проверяется путем создания прототипов. Каждый виток спирали соответствует созданию работоспособного фрагмента или версии системы, что позволяет уточнить требования, цели и характеристики проекта, определить качество разработки, спланировать работы следующего витка спирали.

Основная проблема спирального цикла — определение момента перехода на следующий этап. Для ее решения вводятся временные ограничения на каждый из этапов жизненного цикла, и переход осуществляется в соответствии с планом, даже если не вся запланированная работа закончена. Планирование производится на основе статистических данных, полученных в предыдущих проектах, и личного опыта разработчиков.

Несмотря на настойчивые рекомендации экспертов в области проектирования и разработки ИС, многие компании продолжают использовать каскадную модель вместо какого-либо варианта итерационной модели. Перечислим основные причины, по которым каскадная модель сохраняет свою популярность.

r Привычка. Многие ИТ-специалисты получали образование в то время, когда изучалась только каскадная модель, поэтому она используется ими и в настоящее время.

r Иллюзия снижения рисков участников проекта (заказчика и исполнителя). Каскадная модель предполагает разработку законченных продуктов на каждом этапе: технического задания, технического проекта, программного продукта и пользовательской документации. Разработанная документация позволяет не только определить требования к продукту следующего этапа, но и определить обязанности сторон, объем работ и сроки (при этом окончательная оценка сроков и стоимости проекта производится на начальных этапах, после завершения обследования). Очевидно, что если требования к информационной системе меняются в ходе реализации проекта, а качество документов оказывается невысоким (требования неполны и/или противоречивы), то в действительности использование каскадной модели создает иллюзию определенности и на деле увеличивает риски, уменьшая лишь ответственность участников проекта.

r Проблемы внедрения при использовании итерационной модели. В некоторых  областях спиральная модель не может применяться, поскольку невозможно  использование/тестирование продукта, обладающего неполной функциональ- ностью (например, космические и военные разработки, атомная энергетика и т. д.). Поэтапное итерационное внедрение информационной системы для бизнеса возможно, но сопряжено с организационными сложностями (перенос данных, интеграция систем, изменение бизнес-процессов, учетной политики, обучение пользователей). Трудозатраты при поэтапном итерационном внедрении оказываются значительно выше, а управление проектом требует настоящего искусства. Предвидя указанные сложности, заказчики выбирают каскадную модель, чтобы "внедрять систему один раз".

 

 

Контрольные вопросы

 

1.    Что понимается под жизненным циклом информационной системы?

2.    Охарактеризуйте основные стадии жизненного цикла ИС.

3.    На какие группы делятся процессы жизненного цикла ИС?

4.    Какие задачи решают основные процессы жизненного цикла ИС?

5.    Какова роль в жизненном цикле ИС вспомогательных процессов?

6.    Какие функции в обеспечении жизненного цикла информационной системы выполняют организационные процессы?

7.    Что называется моделью жизненного цикла ИС?

8.    Охарактеризуйте основные модели жизненного цикла ИС.

9.    В чем вы видите преимущества и недостатки рассмотренных моделей жизненного цикла ИС?

 

Темы для рефератов

 

1.    Методы проектирования информационных систем.

2.    Современные подходы к построению информационных систем.

3.    Стандарты в области построения информационных систем.

4.    Универсальный язык моделирования (UML) как средство описания информационных систем.

5.    Методология быстрой разработки информационных систем RAD.

6.    Основные стратегии внедрения информационных систем.

7.    Направления развития информационных систем.

 

Вопросы для обсуждения

 

1.    Какие факторы можно назвать в пользу собственной разработки ИС?

2.    Какие факторы можно назвать в пользу покупки ИС?

3.    Какое влияние на свойства системы оказывают поддерживаемые в ней стандарты информационных технологий?

4.    Почему разработки крупных информационных систем должны базироваться на стандартах открытых систем?

5.    Какова, по вашему мнению, роль конечного пользователя в постановке задач по созданию автоматизированных информационных систем?

 

Задачи и упражнения

 

1.    Приведите примеры ситуаций, в которых целесообразно использовать ту или иную модель жизненного цикла информационной системы.

2.    Сравните этапы ЖЦ информационной системы с этапами решения задач с помощью компьютера. Проведите аналогию между различными моделями жизненного цикла ИС и способами "компьютерного" решения задач.

3.    Заполните таблицу по образцу — табл. 9.34.

Таблица 9.34. Этапы проектирования АИС и их характеристики

№	Наименование этапа	Основные характеристики	Результат
1	Анализ	Определение основных задач АИС, определение функций с помощью которых решаются эти задачи	1. Модель АИС, состоящая из описания предметной области, ресурсов и потоков данных, перечень требований и ограничений к технической реализации АИС. 2. Аппаратно-технический состав создаваемой АИС

Лабораторная работа

 

1. Разбившись на творческие группы (3—5 человек), разработайте структуру  информационно-справочной системы для подготовки к итоговой аттестации по одному из школьных предметов. Реализуйте разработанную модель одним из способов:

 в виде электронного учебника в одном из HTML-редакторов;  в виде мультимедийной презентации;  в виде базы данных;  другим способом.

Предусмотрите удобный интерфейс, позволяющий быстро находить необходимую информацию.