- •Учреждение «Университет «Туран»
- •Лекционный комплекс-контент (тезисы лекций, иллюстративный и раздаточный материал, список рекомендуемой литературы) «базы данных в информационных системах»
- •Тема 1. Введение. Базы данных и файловые системы Лекция 1. Файловые системы. Структуры файлов. Именование файлов.
- •Файловые системы
- •Структуры файлов
- •Именование файлов
- •Тема 1. Введение. Базы данных и файловые системы Лекция 2. Защита файлов. Режим многопользовательского доступа. Области применения файлов. Защита файлов
- •Режим многопользовательского доступа
- •Области применения файлов
- •Потребности информационных систем
- •Тема 2. Функции субд. Типовая организация субд. Примеры Лекция 3. Функции субд. Типовая организация субд. Примеры
- •Основные функции субд
- •Непосредственное управление данными во внешней памяти
- •Управление буферами оперативной памяти
- •Управление транзакциями
- •Журнализация
- •Поддержка языков бд
- •Типовая организация современной субд
- •Пример: System r
- •Основные особенности систем, основанных на инвертированных списках
- •Структуры данных
- •Манипулирование данными
- •Ограничения целостности
- •Манипулирование данными
- •Ограничения целостности
- •Сетевые системы
- •Сетевые структуры данных
- •Манипулирование данными
- •Общие понятия реляционного подхода к организации бд. Основные концепции и термины
- •Базовые понятия реляционных баз данных
- •Тип данных
- •Кортеж, отношение
- •Фундаментальные свойства отношений
- •Отсутствие кортежей-дубликатов
- •Отсутствие упорядоченности кортежей
- •Отсутствие упорядоченности атрибутов
- •Атомарность значений атрибутов
- •Тема 4. Общие понятия реляционного подхода к организации бд. Основные концепции и термины Лекция 7. Реляционная модель данных
- •Общая характеристика
- •Целостность сущности и ссылок
- •Тема 5. Базисные средства манипулирования реляционными данными Лекция 8. Реляционная алгебра. Специальные реляционные операции. Реляционное исчисление.
- •Реляционная алгебра
- •Общая интерпретация реляционных операций
- •Замкнутость реляционной алгебры и операция переименования
- •Особенности теоретико-множественных операций реляционной алгебры
- •Специальные реляционные операции
- •Реляционное исчисление
- •Кортежные переменные и правильно построенные формулы
- •Целевые списки и выражения реляционного исчисления
- •Реляционное исчисление доменов
- •Тема 6. Проектирование реляционных бд. Лекция 9. Проектирование реляционных баз данных с использованием нормализации. Семантическое моделирование данных, er-диаграммы.
- •Проектирование реляционных баз данных с использованием нормализации
- •Вторая нормальная форма
- •Третья нормальная форма
- •Нормальная форма Бойса-Кодда
- •Четвертая нормальная форма
- •Пятая нормальная форма
- •Семантическое моделирование данных, er-диаграммы
- •Семантические модели данных
- •Основные понятия модели Entity-Relationship (Сущность-Связи)
- •Нормальные формы er-схем
- •Более сложные элементы er-модели
- •Получение реляционной схемы из er-схемы
- •Используемая терминология
- •Основные цели System r и их связь с архитектурой системы
- •Тема 7. Две классические экспериментальные системы. Лекция 11. Организация внешней памяти в базах данных System r. Интерфейс rss. Синхронизация в System r. Журнализация и восстановление в System r.
- •Интерфейс rss
- •Синхронизация в System r
- •Журнализация и восстановление в System r
- •Ingres как unix-ориентированная субд. Динамическая структура системы: набор процессов
- •Структуры данных, методы доступа, интерфейсы доступа к данным
- •Общая характеристика языка quel. Язык программирования equel
- •Общий подход к организации представлений, ограничениям целостности и контролю доступа
- •Тема 9. Внутренняя организация реляционных субд Лекция 13. Структуры внешней памяти, методы организации индексов. Хранение отношений. Индексы. Журнальная информация. Служебная информация.
- •Хранение отношений
- •Индексы
- •B-деревья
- •Хэширование
- •Журнальная информация
- •Служебная информация
- •Тема 10. Управление транзакциями, сериализация транзакций
- •Транзакции и целостность баз данных
- •Изолированность пользователей
- •Сериализация транзакций
- •Методы сериализации транзакций
- •Синхронизационные захваты
- •Гранулированные синхронизационные захваты
- •Предикатные синхронизационные захваты
- •Тупики, распознавание и разрушение
- •Метод временных меток
- •Журнализация и буферизация
- •Индивидуальный откат транзакции
- •Восстановление после мягкого сбоя
- •Физическая согласованность базы данных
- •Восстановление после жесткого сбоя
Общий подход к организации представлений, ограничениям целостности и контролю доступа
Мы объединили эти три кажущиеся не очень близкими темы, потому что в Ingres для решения соответствующих проблем применяется единый подход, основанный на модификации операторов SQL. Начнем с представлений. Как и в System R (точнее, в языке SQL), представление базы данных - это некоторый именованный запрос с именованными полями результирующего отношения.
Например, оператор
DEFINE VIEW GROUP310
(STUD_NUMBER = S.STUD_NUMBER,
STUD_NAME = S.STUD_NAME,
STUD_STATUS = S.STUD_STATUS)
WHERE (S.GROUP_NUMBER = 310)
определяет представляемое отношение, включающее номера студенческих билетов и имена студентов из группы 310.
Предположим, что мы хотим теперь найти неуспевающих студентов в отношении GROUP310:
RANGE OF G310 IS GROUP310
RETRIEVE (G310.STUD_NAME)
WHERE (G310.STUD_STATUS = "NO")
Тогда после модификации этот запрос будет выглядеть следующим образом:
RETRIEVE (STUD_NUMBER = S.STUD_NUMBER, STUD_NAME =
S.STUD_NAME, STUD_STATUS = S.STUD_STATUS)
WHERE (S.GROUP_NUMBER = 310 AND
S.STUD_STATUS = "NO")
На тех же самых принципах построен контроль доступа к данным и контроль целостности баз данных. Например, ограничение доступа к отношению СТУДЕНТЫ может быть определено следующим образом:
DEFINE PERMIT RETRIEVE, REPLACE
ON S
TO PETROV
AT TTA5
FROM 9:00 TO 17:50
ON MON TO FRI
WHERE (S.GROUP_NUMBER = 310)
Это означает, что Петрову разрешается читать и модифицировать отношение СТУДЕНТЫ с терминала TTA5 во время от 9 до 17:50 в рабочие дни недели, причем только те кортежи, которые удовлетворяют сформулированному условию. При компиляции любого оператора QUEL над отношением СТУДЕНТЫ этот оператор будет модифицироваться таким образом, чтобы он был выполнен при выполнении условий хотя бы одного из ограничений доступа.
Аналогично, если для отношения СТУДЕНТЫ определено ограничение целостности
DEFINE INTEGRITY
ON S
WHERE (S.STUD_STIP < 150,000)
то к условию любого оператора изменения кортежей отношения СТУДЕНТЫ будет через AND добавляться условия всех ограничений целостности, определенных для этого отношения.
В заключение этой лекции заметим, что конечно, в Ingres поддерживается механизм параллельных транзакций с соответствующей синхронизаций доступа и журнализация изменений баз данных. Однако нам не известны какие-либо особенности применяемых механизмов. На особенностях оптимизации операторов QUEL мы остановимся в лекции, посвященной оптимизациям в языках баз данных.
Тема 9. Внутренняя организация реляционных субд Лекция 13. Структуры внешней памяти, методы организации индексов. Хранение отношений. Индексы. Журнальная информация. Служебная информация.
Реляционные СУБД обладают рядом особенностей, влияющих на организацию внешней памяти. К наиболее важным особенностям можно отнести следующие:
Наличие двух уровней системы: уровня непосредственного управления данными во внешней памяти (а также обычно управления буферами оперативной памяти, управления транзакциями и журнализацией изменений БД) и языкового уровня (например, уровня, реализующего язык SQL). При такой организации подсистема нижнего уровня должна поддерживать во внешней памяти набор базовых структур, конкретная интерпретация которых входит в число функций подсистемы верхнего уровня.
Поддержание отношений-каталогов. Информация, связанная с именованием объектов базы данных и их конкретными свойствами (например, структура ключа индекса), поддерживается подсистемой языкового уровня. С точки зрения структур внешней памяти отношение-каталог ничем не отличается от обычного отношения базы данных.
Регулярность структур данных. Поскольку основным объектом реляционной модели данных является плоская таблица, главный набор объектов внешней памяти может иметь очень простую регулярную структуру.
При этом необходимо обеспечить возможность эффективного выполнения операторов языкового уровня как над одним отношением (простые селекция и проекция), так и над несколькими отношениями (наиболее распространено и трудоемко соединение нескольких отношений). Для этого во внешней памяти должны поддерживаться дополнительные "управляющие" структуры - индексы.
Наконец, для выполнения требования надежного хранения баз данных необходимо поддерживать избыточность хранения данных, что обычно реализуется в виде журнала изменений базы данных.
Соответственно возникают следующие разновидности объектов во внешней памяти базы данных:
строки отношений - основная часть базы данных, большей частью непосредственно видимая пользователям;
управляющие структуры - индексы, создаваемые по инициативе пользователя (администратора) или верхнего уровня системы из соображений повышения эффективности выполнения запросов и обычно автоматически поддерживаемые нижним уровнем системы;
журнальная информация, поддерживаемая для удовлетворения потребности в надежном хранении данных;
служебная информация, поддерживаемая для удовлетворения внутренних потребностей нижнего уровня системы (например, информация о свободной памяти).
Мы рассматривали на примерах System R и Ingres два альтернативных подхода к организации реляционной СУБД с точки разделения функций между различными компонентами. Напомним, что в СУБД System R существовала интегрированная подсистема управления данными, транзакциями и журнализацией, в то время как в Ingres управление данными, было отделено от управления транзакциями и журнализацией.
У обоих этих подходов имеются свои преимущества и недостатки. Подход System R позволяет использовать более эффективные методы за счет совместного решения проблем физической и логической синхронизации, использовании общих протоколов при управлении буферами и журнализации и т.д. Но при этом в некотором смысле подсистема нижнего уровня становится монолитом; при самой удачной ее структуризации компоненты остаются связанными общими протоколами взаимодействия. Непродуманные локальные изменения одного компонента могут привести к фатальным последствиям для всей системы. Подход Ingres позволяет упростить структуру системы и сделать ее более гибкой, но это возможно только за счет огрубления алгоритмов: применения более грубых методов управления транзакциями; жестких протоколов журнализации и т.д.
В конечном счете, любая конкретная система основывается на конкретном комплексном решении. Мы рассматриваем здесь фрагменты таких решений (эскизы).