Системы управления базами данных

§ 13. Системы управления базами данных

Информатика. 11 класса. Босова Л.Л. Оглавление

13.1. Этапы разработки базы данных

Процесс разработки БД состоит из нескольких этапов.

1. Постановка задачи. На этом этапе определяется цель создания БД, уточняется предметная область, перечисляются виды работ, которые предполагается осуществлять в этой БД (отбор, изменение данных, печать отчёта и т. д.), определяются потенциальные пользователи. К постановке задачи привлекаются не только специалисты по БД, но и специалисты из той предметной области, для которой она создаётся. Чем полнее будут представления специалиста-предметника о принципах создания БД, тем конструктивнее будет его взаимодействие со специалистом в области информационных технологий и тем качественнее будет конечный результат.

2. Проектирование БД. На этом этапе определяется, из каких сущностей (информационных объектов) должна состоять БД, какими атрибутами будет описываться каждая сущность. Затем определяется структура реляционных таблиц с указанием свойств полей и связей между таблицами, а именно:

1) составляется общий список полей, отражающий атрибуты таблиц БД;
2) поля общего списка распределяются по базовым таблицам;
3) в соответствии со свойствами данных определяются свойства каждого поля;
4) в каждой таблице выделяется ключевое поле;
5) определяются связи между таблицами.

3. Создание БД с использованием одного из языков программирования или специального программного обеспечения — систем управления базами данных (СУБД). Первый способ применяется для создания уникальных БД и требует высокой квалификации от программиста. Для работы с СУБД достаточно базовых пользовательских навыков и понимания основ разработки БД, которые мы рассмотрели в предыдущем параграфе. Далее мы будем говорить только об этом способе. Создание БД в СУБД предполагает:

1) запуск СУБД и создание нового файла БД;
2) создание таблиц и установление связей между ними;
3) тестирование БД и её коррекцию;
4) разработку различных элементов управления данными (экранных форм для ввода, редактирования и просмотра данных в таблицах; запросов для сортировки, поиска и отбора данных; отчётов для вывода данных на печать), а также установку средств защиты БД, например разграничение прав доступа для различных пользователей с помощью паролей;
5) заполнение таблиц данными (как правило, непосредственно разработчик БД вводит в неё только тестовые данные, необходимые для проверки правильности структур таблиц, связей между таблицами и т. д.; в готовую БД информацию может вводить кто-то из пользователей БД).

4. Эксплуатация созданной БД, в том числе:

• сортировка, фильтрация и поиск записей в таблицах;
• отбор данных из таблиц в соответствии с заданными критериями отбора;
• выполнение обработки данных (удаление, добавление, изменение данных, выполнение вычислений);
• подготовка отчётов.

В ходе эксплуатации БД, как правило, данные регулярно обновляются, могут изменяться связи между сущностями и т. п.

При проектировании БД, больших по объёму и ориентированных на разные группы пользователей, выделяют концептуальный, внешний и внутренний уровни представления данных.

Модель «сущность-связь» следует рассматривать как концептуальный уровень представления данных.

Внешний (пользовательский) уровень предусматривает представление данных в виде, требуемом конкретному пользователю БД.

Внутренний (физический) уровень представления данных определяет особенности хранения данных, методов доступа к ним и т. д.

В каждой школе нашей страны используется БД «Электронный журнал».

Схему уровней представления данных для этой БД вы видите на рисунке 3.30.

Рис. 3.30. Уровни представления данных БД «Электронный журнал»

13.2. СУБД и их классификация

Программное обеспечение для создания БД, хранения и поиска в них необходимой информации называется СУБД (системой управления базами данных).

Именно наличие СУБД превращает огромный объём хранимых в компьютерной памяти сведений в мощную информационную систему, способную быстро производить поиск и отбор необходимой нам информации.

В настоящее время существует множество СУБД. Они могут быть классифицированы по моделям данных, по размещению или по способу доступа к БД (рис. 3.31).

Рис. 3.31. Классификация СУБД

В зависимости от модели данных, которая используется в СУБД, их разделяют на иерархические, сетевые, реляционные и другие. С помощью дополнительных источников информации выясните, какие модели данных скрываются под словом «другие».

СУБД считается локальной, если все её части, обеспечивающие хранение и обработку данных, размещаются на одном компьютере. В распределённых СУБД данные могут храниться и обрабатываться на разных компьютерах в локальной или глобальной сети.

В файл-серверных СУБД файлы с данными размещаются централизованно на сервере. На каждом клиентском компьютере устанавливается полная версия СУБД, а доступ СУБД к данным осуществляется через локальную сеть. Одним из вариантов использования файл-серверных СУБД является размещение и СУБД, и данных на одном клиентском компьютере. Примерами файл-серверных СУБД являются Microsoft Access и dBase. В настоящее время файл-серверная технология в крупных информационных системах не используется.

В клиент-серверных СУБД на сервере, обладающем высокими техническими характеристиками, устанавливается серверная версия СУБД и БД. На клиентских компьютерах устанавливаются небольшие по объёму клиентские версии СУБД, позволяющие формировать запросы на обработку данных и выводить результаты обработки, полученные с сервера, а все операции с данными осуществляются на сервере. Примерами клиент-серверных СУБД являются Oracle, MySQL.

Встраиваемые СУБД используются в качестве составляющих других программных продуктов, например электронных энциклопедий, словарей, поисковых систем и т. п.

В школе зачастую ученики работают с реляционной СУБД Microsoft Access. Эта файл-серверная СУБД предусматривает работу с небольшими по объёму БД для личных нужд и для небольших организаций. В качестве альтернативы СУБД Microsoft Access может рассматриваться СУБД Base, входящая в состав свободного пакета офисных приложений Apache OpenOffice.

13.3. Работа в программной среде СУБД

Работа в программной среде СУБД начинается с того, что создаётся файл новой БД. Далее, на основе ранее разработанной модели «сущность-связь», необходимо создать структуру БД, определяемую:

1) количеством таблиц БД и их структурой;
2) типами связей между таблицами, если используется несколько таблиц;
3) видами и количеством других объектов БД: форм, запросов, отчётов.

В свою очередь, структура таблицы определяется набором и свойствами полей (столбцов таблицы), перечнем её ключевых полей.

Основными свойствами полей являются:

• Имя поля — определяет, как следует обращаться к данным этого поля при операциях с БД (должно быть уникальным в рамках таблицы);
• Тип поля — определяет тип данных, которые могут содержаться в данном поле;
• Размер поля — определяет предельную длину данных, которые могут размещаться в данном поле;
• Формат поля — определяет способ форматирования данных в ячейках таблицы, принадлежащих полю;
• Подпись — определяет заголовок столбца таблицы для данного поля (если подпись не указана, то в качестве заголовка столбца используется Имя поля);
• Значение по умолчанию — значение, которое вводится в ячейки поля автоматически при формировании очередной записи таблицы;
• Условие на значение — ограничение, используемое для проверки правильности ввода данных.

При создании структуры таблицы указываются типы данных, которые будут храниться в таблице. Для хранения данных определённого типа в памяти компьютера используется разная длина двоичного кода. Чем меньше объём данных, тем быстрее происходит их обработка. Основные типы данных для СУБД Microsoft Access представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Основные типы данных СУБД Microsoft Access

После того как таблицы созданы, между ними устанавливаются связи. Важно убедиться, что поля таблиц и связи описаны правильно; для этого в БД необходимо ввести несколько тестовых записей.

СУБД обеспечивает автоматический контроль ввода данных. Система не допустит, чтобы поля, по которым таблицы связаны между собой, имели разные значения. Режим каскадной замены, установленный для связанных таблиц, при изменении значения поля в главной таблице обеспечивает автоматическое изменение соответствующих значений в подчинённой таблице. Аналогично действует режим каскадного удаления: достаточно удалить запись из главной таблицы, чтобы связанные записи исчезли из всех подчинённых таблиц. Всё это обеспечивает целостность данных — одно из важнейших свойств БД.

На всех этапах работы таблицы можно редактировать:

• изменять их структуру, добавляя и удаляя поля;
• изменять типы и свойства полей;
• исправлять неточные данные;
• добавлять записи.

На этом процесс создания структуры БД завершается. Теперь в созданные таблицы можно заносить данные.

Данные можно заносить непосредственно в таблицы, хотя это и не очень удобно, например из-за того, что текст в ячейке таблицы располагается в одну, иногда достаточно длинную, строку. Более удобным средством ввода и просмотра данных являются формы.

Формы — это вспомогательные объекты БД, обеспечивающие удобный для пользователя интерфейс при вводе, просмотре или редактировании данных в БД.

Формы создаются на основе одной или нескольких таблиц и содержат поля, выбранные пользователем из этих таблиц. Простая форма включает в себя поля одной таблицы. Составная форма включает в себя поля из нескольких таблиц, связанных отношением «один ко многим». Кроме полей в форму могут быть включены рисунки, текстовые надписи, диаграммы, различные элементы управления (кнопки, флажки, переключатели и т. п.). Данные, введённые пользователем в поля формы, сохраняются в тех таблицах, на основе которых эта форма была создана. Кроме того, в формах можно создавать поля для вычислений и вывода на экран новых значений на основе имеющихся значений других полей.

Дизайн (структура и оформление) формы выбирается в зависимости от того, с какой целью она создаётся.

В СУБД имеются специальные инструменты для создания форм. В Microsoft Access для этого предназначены такие инструменты, как:

• Автоформа — автоматизированное средство для создания форм трёх стандартных типов (в столбец, ленточная, табличная); при этом в форму вставляются все поля источника данных;
• Мастер форм — инструмент, позволяющий создавать структуру одного из трёх стандартных типов формы в режиме диалога с разработчиком формы; при этом в форму вставляются только поля, выбранные пользователем из источника данных;
• Конструктор форм — инструмент, с помощью которого пользователь конструирует форму в окне конструктора форм.

Проектирование и разработка базы данных (1)

Действия, выполняемые над данными, хранящимися в БД, называются манипулированием данных.

Над данными, хранящимися в БД, могут выполняться следующие действия:

• сортировка данных;
• обновление, удаление и добавление данных;
• выборка данных по некоторым условиям.

Выполнение этих действий производится с помощью инструментов сортировки, фильтров и запросов.

Сортировка данных. Как и в электронных таблицах, в таблицах БД данные можно сортировать.

По умолчанию в Microsoft Access 2010 при открытии таблицы данные сортируются по возрастанию значений ключевого поля. Для изменения порядка сортировки следует:

1) открыть таблицу БД, данные в которой нужно отсортировать;
2) установить курсор в пределах поля, по данным которого будет выполнена сортировка записей;
3) выполнить команду Главная ? Сортировка и фильтр ? По возрастанию (По убыванию).

Для сортировки по данным нескольких полей с одинаковыми значениями параметров сортировки следует выделить эти поля (выделить можно лишь соседние поля) и выполнить команду Главная ? Сортировка и фильтр ? По возрастанию (По убыванию). При этом в первую очередь сортировка происходит по данным полей, размещённых слева.

Таблица «Крупнейшие озёра» (рис. 3.27)

Таблица «Крупнейшие озёра» (см. рис. 3.27), отсортированная по возрастанию значений полей «Материк» и «Макс. глубина», приведена на рисунке 3.32.

Рис. 3.32. Результат сортировки по данным двух полей

Для того чтобы выполнить сортировку по данным нескольких полей, не являющихся соседними, достаточно последовательно выполнить сортировку для каждого из них. При этом можно использовать разные значения параметров сортировки. Например, сначала отсортировать по убыванию поле «Площадь», а затем — по возрастанию поле «Материк».

Поиск и замена данных в БД осуществляются так же, как в электронных таблицах.

Фильтрация данных. Для отбора записей, данные в которых соответствуют определённым условиям, используют фильтры.

Фильтр — это условие, по которому производится поиск и отбор записей.

Фильтр «пропускает» записи, соответствующие заданным условиям, и «задерживает» (скрывает) записи, не соответствующие им.

Запросы являются одним из основных инструментов обработки данных в БД. Они могут обеспечивать не только поиск данных, соответствующих определённым критериям, подобно тому как это осуществляется во время фильтрации, но и одновременное выполнение операций над данными, и сохранение результатов.

К числу основных операций, которые могут быть осуществлены с использованием запросов, относятся:

• создание новых таблиц на основе анализа данных уже существующих таблиц БД;
• проведение вычислений — вычисление обобщённых данных (суммы, максимального или минимального значения и т. п.) для заданных полей и нахождение значений новых свойств, используя данные из разных таблиц или запросов;
• внесение изменений в уже существующие таблицы (обновление данных, вставка и удаление записей и т. п.).

В структуре запроса можно выделить:

1) поля, выводимые по запросу; они могут совпадать с полями имеющихся таблиц или вычисляться по формулам;
2) условие выбора записей, представляющее собой логическое выражение, которому удовлетворяют отбираемые записи;
3) подлежащее сортировке поле (последовательность полей) и порядок сортировки.

Так, можно создать запрос к БД «Крупнейшие озёра» на вывод названий озёр и соответствующих им материков, для которых выполняется условие:

((Площадь > 30) ИЛИ (Глубина > 300)) И (Материк <> «Африка»)

Если отсортировать выводимые поля по возрастанию значений поля «Название», то получим:

Отчёт. Одним из достоинств БД является возможность создания различных форм представления выходной информации — так называемых отчётов.

Отчёт — это готовый к печати электронный документ. Отчёты можно использовать для заполнения бланков документов, например счетов на покупку товаров, сертификатов об участии в конкурсе или олимпиаде, графика посещения фитнес-центра и т. д.

Отчёт может содержать данные из разных таблиц и запросов. При создании отчёта имеется возможность применить средства обобщения, сортировки и группировки данных, выполнить расчёты с использованием встроенных функций и данных из разных полей. Также в отчёт допускается включать надписи, поясняющие данные, диаграммы и графики, рисунки и т. п.

САМОЕ ГЛАВНОЕ

Процесс разработки БД является примером решения задачи с использованием компьютера и предусматривает такие этапы, как:

1) постановка задачи;
2) проектирование БД;
3) создание БД;
4) эксплуатация созданной БД. Последние два этапа реализуются с помощью специального программного обеспечения — систем управления базами данных (СУБД).

В настоящее время существует множество СУБД. Они могут быть классифицированы по моделям данных (иерархические, сетевые, реляционные и др.), по размещению (локальные, распределённые) или по способу доступа к БД (файл-серверные, клиент- серверные, встраиваемые).

Работа в программной среде СУБД начинается с того, что создаётся файл новой БД. Далее, на основе модели «сущность- связь», создаётся структура БД, определяемая:

1) количеством таблиц БД и их структурой;
2) типами связей между объектами таблиц, если используется несколько таблиц;
3) видами и количеством других объектов БД (форм, запросов, отчётов).

Структура таблицы определяется набором и свойствами полей (столбцов таблицы), перечнем её ключевых полей.

Связь между таблицами осуществляется через общие поля. Связь «один к одному» — через общий первичный ключ; связь «один ко многим» — через первичный ключ в одной таблице и соответствующее поле, называемое внешним ключом, в другой таблице.

СУБД обеспечивает автоматический контроль согласованности взаимосвязанных данных в разных таблицах, что гарантирует целостность данных — одно из важнейших свойств БД.

Действия, выполняемые над данными, хранящимися в БД, называются манипулированием данных. К ним относятся такие действия, как: сортировка данных; обновление, удаление и добавление данных; выборка данных по некоторым условиям. Выполнение этих действий производится с помощью инструментов сортировки, фильтров и запросов. Фильтр — это условие, по которому производится поиск и отбор записей. Фильтр «пропускает» записи, соответствующие заданным условиям, и «задерживает» (скрывает) записи, не соответствующие им.

Запросы являются одним из основных инструментов обработки данных в БД. Они могут обеспечивать не только поиск данных, соответствующих определённым критериям подобно тому, как это осуществляется во время фильтрации, но и одновременное выполнение операций над данными, и сохранение результатов.

Отчёты предназначены для вывода данных на экран или на принтер. В них предусмотрены специальные элементы оформления, характерные для печатных документов, а также средства обобщения, сортировки и группировки данных, выполнения расчётов.