Relacyjne bazy danych
W roku 1970 dr Edgar Ted Codd z firmy IBM zaprezentował relacyjny model danych. W modelu tym dane miały być
przechowywane w prostych plikach liniowych, które to pliki nazywane są "relacjami" bądź "tabelami". Jedną z największych zalet modelu relacyjnego w stosunku do poprzedników jest jego prostota. Zamiast konieczności poznawania mnóstwa komend języka DML, model relacyjny wprowadził język SQL w celu ułatwienia dostępu do danych i ich modyfikacji.
Tabele są dwuwymiarowymi tablicami składającymi się z
wierszy i kolumn. Wiersze nazywane są czasami krotkami (ang.
tuples), natomiast kolumny atrybutami. Rekord jest wierszem tabeli, a pole jest kolumną w wierszu tabeli. Tabela posiada zawsze pole lub kilka pól, tworzące dla niej klucz główny (ang.
primary key). W relacyjnych bazach danych tabele są
niezależne, w przeciwieństwie do modeli hierarchicznego i sieciowego, gdzie występują połączenia wskaźnikowe. Tabele relacyjne mogą zawierać tylko jeden typ rekordu, natomiast każdy rekord posiada stałą liczbę wyraźnie nazwanych pól.
Klucz główny jednoznacznie identyfikuje wiersz w tabeli.
Klucz ten może zostać stworzony na podstawie jednego lub
Relacyjne bazy danych wprowadziły następujące
ulepszenia w stosunku do hierarchicznych i sieciowych baz danych:
- Prostota.
Podejście bazujące na tabelach z wierszami i kolumnami jest niezwykle proste i łatwe do zrozumienia. Końcowi użytkownicy mają prosty model danych. Złożone diagramy, wykorzystywane w przypadku hierarchicznych i sieciowych baz danych, nie
występują w przypadku relacyjnych baz danych.
- Niezależność danych.
Niezależność danych pozwala na modyfikowanie struktury danych bez wpływu na istniejące programy. Jest to możliwe głównie dlatego, że tabele nie są ze sobą połączone na sztywno.
Do tabel mogą być dodawane kolumny, tabele mogą być
dołączane do bazy danych, a nowe relacje mogą być tworzone bez konieczności wprowadzania istotnych zmian do tabel.
Relacyjne bazy danych dostarczają dużo wyższy poziom
niezależności danych, niż hierarchiczne i sieciowe bazy danych.
- Deklaratywny język dostępu do danych.
Dzięki wykorzystaniu języka SQL, użytkownik określa jedynie
warunki odnośnie poszukiwanych danych, system natomiast
zajmuje się pobraniem danych spełniających żądanie. Nawigacja
w bazie danych jest ukryta przed użytkownikiem końcowym, w
odróżnieniu od języka DML w systemie CODASYL, gdzie
użytkownik musi znać wszelkie szczegóły określające ścieżkę
dostępu do danych.
Obiektowe bazy danych
Technologia obiektowa rozwija się i rozprzestrzenia w bardzo szybkim tempie. W ostatnich latach również w technologii baz danych wyraźnie obserwuje się ogólny trend w kierunku koncepcji obiektowej.
Architektura
Istnieje kilka koncepcji odnośnie architektury obiektowego systemu zarządzania bazą danych. Najbardziej abstrakcyjną jest architektura zaproponowana przez komitet ANSI/SPARC. Wyróżnia ona trzy poziomy:
• poziom pojęciowy systemu, wspólny dla wszystkich jego użytkowników,
• poziom zewnętrzny, specyficzny dla konkretnego użytkownika,
• poziom fizyczny, który odnosi się do implementacji bazy danych.
Kolejnym rodzajem jest architektura klient-serwer, gdzie występuje podział na dwie części: serwer bazy danych, wykonujący przykładowo wyrażenia SQL wysyłane przez klientów oraz druga część, którą stanowi jeden lub kilku klientów wysyłających żądania do serwera.
Bardziej zaawansowane są architektury trzywarstwowa oraz wielowarstwowa. Jak sama nazwa wskazuje, architektura
trzywarstwowa charakteryzuje się podziałem na trzy warstwy: interfejs użytkownika, logikę przetwarzania oraz bazę danych. Warstwy te są zaprojektowane i istnieją niezależnie, co ma duże znaczenie dla
RYSUNEK . PRZYKŁADOWA ARCHITEKTURA OBIEKTOWEGO SYSTEMU ZARZĄDZANIA BAZĄ DANYCH (OSZBD).
Bazy danych -anatomia
Baza danych - zbiór wzajemnie powiązanych informacji przechowywanych w pamięci zewnętrznej komputera.
System zarządzania bazą danych (SZBD) - oprogramowanie umożliwiające korzystanie z informacji znajdujących się w bazie danych.
Funkcje SZBD:
• opis struktury danych przechowywanych w bazie – jakie dane są przechowywane, jak są ze sobą powiązane,
• korzystanie z bazy – wyszukiwanie danych, modyfikacja, dopisywanie, kasowanie,
• tworzenie aplikacji bazodanowych – korzystających z danych przechowywanych w bazie,
• zapewnienie poprawności danych przechowywanych w bazie – poprzez definiowanie warunków, które muszą być zawsze spełnione w bazie danych;
• zapewnienie poufności danych – ochrona danych przed użytkownikami nie mającymi uprawnień do korzystania z bazy,
• współbieżność dostępu – mechanizmy umożliwiające wielu użytkownikom korzystanie w tym samym czasie z danych zgromadzonych w bazie,
• niezawodność – mechanizmy umożliwiające przywrócenie poprawnego stanu bazy danych po awarii systemu komputerowego.
Kartotekowe bazy danych
Kartotekową bazę danych stanowi szereg rekordów umieszczonych w pliku dyskowym.
Przykład – baza dotycząca towarów
Nazwa Cena Symbol Opak_jedn Gatunek Ilość_opak
Mąka 1,32 TOW-112 1 1 1500
Makaron- nitki
3,50 TOW-450 0,40 1 250
Rodzynki 0,98 TOW-443 0,1 2 120
Cukier 1,75 TOW-765 1 2 680
Ryż 2,05 TOW-665 0,5 1 700
• Każdy rekord składa się z pól;
• Pola mogą być różnego typu;
• Pojedynczy rekord opisuje jeden obiekt rzeczywisty;
• Podstawowe operacje – dopisanie, modyfikacja, usunięcie rekordu;
przeglądanie zawartości bazy
Wyszukiwanie i porządkowanie danych ułatwiają indeksy.
Przykład – indeks umożliwiający wyszukiwanie i porządkowanie towarów ze względu na nazwę
Nazwa Pozycja Cukier 4
Makaron- nitki
2
Mąka 1
Rodzynki 3
Ryż 5
Relacyjne bazy danych
Relacyjna baza danych - zbiór nieuporządkowanych tabel, którymi można manipulować używając operacji zwracającej jako wynik całe tabele.
Przykładowa baza danych utworzona w systemie MS Access.
A1. Opis struktury danych. Definiowanie Tabel.
Tabela Uczniowie
• Każda tabela ma swoją nazwę.
• Wiersze tabeli = rekordy = krotki.
• Kolumny tabeli = cechy = pola = atrybuty.
• W tabeli nie mogą wystąpić dwa identyczne wiersze – unikalność wiersza zapewnia się poprzez zdefiniowanie klucza podstawowego.
• Klucz podstawowy – jedno lub więcej pól, których wartość jednoznacznie identyfikuje każdy rekord w tablicy. Zawiera unikalne wartości (np. numer PESEL lub numer dowodu osobistego, numer albumu studenta).
Tabela Przedmioty
Tabela Oceny
A2. Opis struktury danych. Powiązania (relacje) pomiędzy tabelami W bazie danych definiuje się związki pomiędzy danymi znajdującymi się w różnych tablicach (związki =relacje).
Definicja relacji polega na wskazaniu pól pochodzących z różnych tabel i zawierających powiązane ze sobą dane. Zwykle powiązane ze sobą pola mają identyczne nazwy.
Przy definiowaniu relacji wykorzystuje się:
• w jednej tabeli – klucz podstawowy,
• w drugiej tabeli – klucz obcy.
Klucz podstawowy – pole, którego wartość jednoznacznie identyfikuje każdy rekord w tabeli.
Klucz obcy – pole, które odwołuje się do klucza podstawowego w innej tabeli.
Powiązanie Uczniowie – Oceny:
• Uczniowie.NumerUcznia –klucz podstawowy
• Oceny.NumerUcznia – klucz obcy.
Powiązanie Przedmioty – Oceny:
• Przedmioty.KodPrzedmiotu – klucz podstawowy
• Oceny.KodPrzedmiotu – klucz obcy.
Powiązanie Uczniowie - Oceny
Tabela Oceny – NumerUcznia jest kluczem obcym. W bieżącym rekordzie wartość klucza obcego wynosi 4.
Tabela Uczniowie – NumerUcznia jest kluczem podstawowym.
Rekordem bieżącym staje się ten rekord, w którym wartość klucza podstawowego jest równa wartości klucza obcego w powiązanej tabeli.
Zastosowanie odwołania do rekordu z powiązanej tabeli – zamiast numeru ucznia wyświetlane jest nazwisko pobrane z powiązanego rekordu.
Typy związków zachodzących pomiędzy tablicami
• 1 – 1 (powiązanie typu jeden do jednego) – każdy rekord w tablicy A może mieć tylko jeden dopasowany rekord z tablicy B, i tak samo każdy rekord w tablicy B może mieć tylko jeden dopasowany rekord z tablicy A.
• 1 – N (powiązanie typu jeden do wielu) – rekord w tablicy A może mieć wiele dopasowanych do niego rekordów z tablicy B, ale rekord w tablicy B ma tylko jeden dopasowany rekord w tablicy A.
• M – N (powiązanie typu wiele do wielu) – rekord w tablicy A może mieć wiele dopasowanych do niego rekordów z tablicy B i tak samo rekord w tablicy B może mieć wiele dopasowanych do niego rekordów z tablicy A.
Inne rozumienie pojęcia „relacyjna baza danych”
Tabele nazywane są relacjami (stąd nazwa relacyjna baza danych).
Pojęcie iloczynu kartezjańskiego zbiorów A = {Jacek, Wojtek, Krzysiek}
B = {Marta, Krysia}
Iloczyn kartezjański zbiorów A i B jest zbiorem wszystkich par elementów (a, b), gdzie a należy do zbioru A, zaś b należy do zbioru B.
A × B = {(Jacek, Marta), (Jacek, Krysia), (Wojtek, Marta), (Wojtek, Krysia), (Krzysiek, Marta), (Krzysiek, Krysia)}
Podzbiór iloczynu kartezjańskiego nazywany jest relacją.
Obiekty:
• opisywane są przez atrybutu (cechy) – w tablicy atrybutom odpowiadają kolumny,
obiektem jest opis przedmiotu,
cechy charakteryzujące obiekt: KodPrzdmiotu, NawaPrzedmiotu, Prowadzący
• każdy atrybut ma określoną dziedzinę (zbiór dopuszczalnych wartości),
dziedzina cechy KodPrzedmiotu: zbiór liczb całkowitych dodatnich
dziedzina cechy NazwaPrzedmiotu: Historia, Geografia, Plastyka, Język Polski, Fizyka, Matematyka
dziedzina cechy Prowadzący: Igrekowski1, Igrekowski2, Igrekowski3, Igrekowski4, Igrekowski5, Igrekowski6.
• iloczyn kartezjański dziedzin atrybutów – zbiór wszystkich możliwych kombinacji wartości atrybutów,
zbiór wszystkich możliwych trójek:
[wartość cechy KodPrzedmiotu, wartość cechy NazwaPrzedmiotu, wartość cechy Prowadzący]
[1, Historia, Igrekowski1]
[1, Historia, Igrekowski2]
[1, Historia, Igrekowski3]
...
• zawartość tabeli jest zwykle podzbiorem zbioru wszystkich możliwych kombinacji wartości atrybutów – czyli jest podzbiorem iloczynu kartezjańskiego zbiorów dziedzin kolejnych atrybutów – czyli jest relacją.
• Tabela = relacja
• Wiersz tabeli = krotka – opisuje pojedynczy obiekt świata rzeczywistego;
• Kolumna tabeli = atrybut – cecha opisująca obiekt.
Stosując terminologię właściwą dla kartotekowych baz danych można powiedzieć:
• Tablica = plik,
• Wiersz tablicy = rekord;
• Kolumna tablicy = pole rekordu.
B. Korzystanie z bazy
Podstawowe sposoby korzystania z danych to:
• wyszukiwanie danych (definiowanie zapytań kierowanych do bazy;
wynikiem realizacji zapytania są informacje pochodzące z bazy),
• modyfikacja danych (zmiana zawartości bazy danych: aktualizacja, dopisywanie, usuwanie).
Sposoby realizacji operacji wyszukiwania i modyfikacji danych:
• przy pomocy narzędzi komunikujących się przy pomocy interfejsu graficznego
• przy pomocy języków operowania danymi.
Operowanie na danych przy pomocy interfejsu graficznego
Operowanie przy pomocy języka operowania danymi
Najpopularniejszym językiem operowania danymi jest język SQL (Structured Query Language - strukturalny język zapytań), zaprojektowany pod koniec lat siedemdziesiątych w firmie IBM. Jest on światowym standardem służącym do operowania relacyjnymi bazami danych, jest on częścią składową większości systemów obsługi relacyjnych baz danych.
B1. Wyszukiwanie danych
Wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje zapytań służących do wyszukiwania danych (są to tzw. kwerendy wybierajace):
• projekcja (wybór tylko niektórych pól /atrybutów, cech, kolumn/),
• selekcja (wybór rekordów /wierszy/ spełniających określony warunek),
• łączenie (scalania danych pochodzących z różnych tabel).
Projekcja
Z tabeli Uczniowie
chcemy wybrać informacje przechowywanych w polach: Imię, Nazwisko
Definicja projekcji:
Wynik projekcji:
Definicja projekcji przy pomocy języka SQL:
Operacja selekcji
Wynik selekcji:
SELECT lista_pól FROM nazwa_tablicy WHERE warunek ORDER BY sposób_sortowania
SELECT Oceny.* FROM Oceny WHERE Oceny.Ocena>3 ORDER BY Oceny.Ocena DESC;
Łączenie danych z różnych tablic
Wynik zapytania:
ę,
B2. Modyfikacja danych
Aktualizacja wartości przechowywanych w tabeli
Kwerenda aktualizująca – narzędzie do modyfikacji danych Podwyższenie ocen niższych od 3.0 o jeden stopień
Kwerenda aktualizująca w języku SQL:
UPDATE Oceny SET Oceny.Ocena = Oceny.Ocena + 1 WHERE (Oceny.Ocena<3);
Kasowanie danych
Narzędziem do usuwania danych są kwerendy usuwające
Usunięcie ocen ucznia, któremu przyporządkowany jest numer równy 1.
Kwerenda usuwająca w języku SQL:
DELETE Oceny.* FROM Oceny WHERE Oceny.NumerUcznia=1;
C. Tworzenie aplikacji bazodanowych Formularze
Raporty
Programy
D. Zapewnienie poprawności danych przechowywanych w bazie 1. Definiowanie warunków poprawności dla danych przechowywanych
w bazie – dotyczą one danych wprowadzanych do pól w tabelach lub w formularzach.
Reguła poprawności dla pola Ocena w tablicy Oceny
2. Zapewnienie poprawności powiązań danych znajdujących się w różnych tabelach
Integralność referencyjna (spójność referencyjna) – poprawność powiązań danych pochodzących z różnych tabel. Warunkiem zapewnienia integralności referencyjnej jest spełnienie następujących reguł:
Warunki zapewniające integralność referencyjną:
a) W polu klucza obcego w tabeli sprzężonej nie można wprowadzać wartości nie istniejących w polu klucza podstawowego tabeli podstawowej.
b) W tabeli podstawowej nie można usunąć rekordu, jeśli istnieją powiązane z nim rekordy w tabeli sprzężonej.
c) W tabeli podstawowej nie można zmienić wartości klucza podstawowego, jeśli istnieją powiązane z nim rekordy.
E. Zapewnienie poufności danych Zabezpieczanie danych poprzez hasło
Ochrona tylko w chwili otwierania bazy Zabezpieczanie na poziomie użytkownika
Dla każdego użytkownika bazy definiuje się zakres jego uprawnień.
F. Współbieżność dostępu
Baza danych może być użytkowana:
• przez jednego użytkownika,
• przez wielu użytkowników.
Wielu użytkowników może korzystać w tym samym czasie z tej samej bazy danych.
Problemem może być próba jednoczesnej modyfikacji tego samego rekordu przez dwóch użytkowników. Mechanizmem zabezpieczającym przed powstawaniem konfliktów tego typu jest blokowanie.
Blokowanie – udostępnianie rekordu wyłącznie jednemu użytkownikowi.
Rozproszone bazy danych
Dane przechowywane są i przetwarzane w różnych punktach, które są zwykle znacznie od siebie oddalone i połączone liniami telekomunikacyjnymi.
• użytkownicy wykorzystują kopie (repliki) bazy danych – ułatwiony dostęp, krótszy czas dostępu, redukcja kosztów transmisji danych, zwiększona niezawodność.
• rodzaje replik: całościowe i częściowe (kopia zawierająca pewien podzbiór bazy danych).
• Zalety replik częściowych: zawierają wyłącznie dane potrzebne w danym węźle, zajmują mniej miejsca na dysku, ograniczają dostęp do danych, czas transmisji jest krótszy.
• Synchronizacja replik – przesyłanie pomiędzy replikami informacji o wprowadzonych zmianach.
