- •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
Изолированность пользователей
В многопользовательских системах с одной базой данных одновременно могут работать несколько пользователей или прикладных программ. Предельной задачей системы является обеспечение изолированности пользователей, т.е. создание достоверной и надежной иллюзии того, что каждый из пользователей работает с БД в одиночку.
В связи со свойством сохранения целостности БД транзакции являются подходящими единицами изолированности пользователей. Действительно, если с каждым сеансом работы с базой данных ассоциируется транзакция, то каждый пользователь начинает работу с согласованным состоянием базы данных, т.е. с таким состоянием, в котором база данных могла бы находиться, даже если бы пользователь работал с ней в одиночку.
При соблюдении обязательного требования поддержания целостности базы данных возможны следующие уровни изолированности транзакций:
Первый уровень - отсутствие потерянных изменений. Рассмотрим следующий сценарий совместного выполнения двух транзакций. Транзакция 1 изменяет объект базы данных A. До завершения транзакции 1 транзакция 2 также изменяет объект A. Транзакция 2 завершается оператором ROLLBACK (например, по причине нарушения ограничений целостности). Тогда при повторном чтении объекта A транзакция 1 не видит изменений этого объекта, произведенных ранее. Такая ситуация называется ситуацией потерянных изменений. Естественно, она противоречит требованию изолированности пользователей. Чтобы избежать такой ситуации в транзакции 1 требуется, чтобы до завершения транзакции 1 никакая другая транзакция не могла изменять объект A. Отсутствие потерянных изменений является минимальным требованием к СУБД по части синхронизации параллельно выполняемых транзакций.
Второй уровень - отсутствие чтения "грязных данных". Рассмотрим следующий сценарий совместного выполнения транзакций 1 и 2. Транзакция 1 изменяет объект базы данных A. Параллельно с этим транзакция 2 читает объект A. Поскольку операция изменения еще не завершена, транзакция 2 видит несогласованные "грязные" данные (в частности, операция транзакции 1 может быть отвернута при проверке немедленно проверяемого ограничения целостности). Это тоже не соответствует требованию изолированности пользователей (каждый пользователь начинает свою транзакцию при согласованном состоянии базы данных и в праве ожидать видеть согласованные данные). Чтобы избежать ситуации чтения "грязных" данных, до завершения транзакции 1, изменившей объект A, никакая другая транзакция не должна читать объект A (минимальным требованием является блокировка чтения объекта A до завершения операции его изменения в транзакции 1).
Третий уровень - отсутствие неповторяющихся чтений. Рассмотрим следующий сценарий. Транзакция 1 читает объект базы данных A. До завершения транзакции 1 транзакция 2 изменяет объект A и успешно завершается оператором COMMIT. Транзакция 1 повторно читает объект A и видит его измененное состояние. Чтобы избежать неповторяющихся чтений, до завершения транзакции 1 никакая другая транзакция не должна изменять объект A. В большинстве систем это является максимальным требованием к синхронизации транзакций, хотя, как мы увидим немного позже, отсутствие неповторяющихся чтений еще не гарантирует реальной изолированности пользователей.
Заметим, что существует возможность обеспечения разных уровней изолированности для разных транзакций, выполняющихся в одной системе баз данных (в частности, соответствующие операторы предусмотрены в стандарте SQL 2). Как мы уже отмечали, для поддержания целостности достаточен первый уровень. Существует ряд приложений, для которых первого уровня достаточно (например, прикладные или системные статистические утилиты, для которых некорректность индивидуальных данных несущественна). При этом удается существенно сократить накладные расходы СУБД и повысить общую эффективность.
К более тонким проблемам изолированности транзакций относится так называемая проблема кортежей-"фантомов", вызывающая ситуации, которые также противоречат изолированности пользователей. Рассмотрим следующий сценарий. Транзакция 1 выполняет оператор A выборки кортежей отношения R с условием выборки S (т.е. выбирается часть кортежей отношения R, удовлетворяющих условию S). До завершения транзакции 1 транзакция 2 вставляет в отношение R новый кортеж r, удовлетворяющий условию S, и успешно завершается. Транзакция 1 повторно выполняет оператор A, и в результате появляется кортеж, который отсутствовал при первом выполнении оператора. Конечно, такая ситуация противоречит идее изолированности транзакций и может возникнуть даже на третьем уровне изолированности транзакций. Чтобы избежать появления кортежей-фантомов, требуется более высокий "логический" уровень синхронизации транзакций. Идеи такой синхронизации (предикатные синхронизационные захваты) известны давно, но в большинстве систем не реализованы.