Содержание 

    Введение………………………………………………………….2

    Глава 1. Теоретические аспекты СУБД

1.1 Основные понятия…………………………………………………………….3

1.2 Функциональные возможности СУБД………………………………………4

1.3 Типы СУБД…………………………………………………..………………11

    Глава 2. Разработка базы данных

    2.1  Разработка инфологической модели……………………………………….17

    2.2  Разработка базы данных для хранения и обработки информации………18

   2.3 Разработка программного приложения……………………………………19

    Заключение………………………………………………………..…………….21

    Список литературы……………………………………………………………23

  Приложение……………………………………………..…………….………...24 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                        Введение

          Развитие средств  вычислительной техники обеспечило для создания и широкого использования  систем обработки данных разнообразного назначения. Разрабатываются информационные системы для обслуживания различных систем деятельности, систем управления хозяйственными и техническими объектами, модельные комплексы для научных исследований, системы автоматизации проектирования и производства, всевозможные тренажеры и обучающие системы. Одной из важных предпосылок создания таких систем стала возможность оснащения их «памятью» для накопления, хранения и систематизация больших объемов данных. Другой существенной предпосылкой нужно признать разработку подходов, а также создание программных и технических средств конструирования систем, предназначенных для коллективного пользования. В этой связи потребовалось разработать специальные методы и механизмы управления  такого рода совместно используемыми ресурсами данных, которые стали называться базами данных. Исследования и разработки, связанные с проектированием, созданием и эксплуатации баз данных, а также необходимых для этих целей языковых и программных инструментальных средств привели к появлению самостоятельной ветви информатики, получившей название системы управления данными.

          Такие программные  комплексы выполняют довольно сложный  набор функций, связанный с централизованным управлением данными в базе данных, интерфейсах всей совокупности ее пользователей. По существу, система управления базами данных служит посредником между пользователями и базой данных.

          В настоящее время  разработаны и используются на персональных компьютерах около двадцати систем управления базами данных. Они представляют пользователю удобные средства интерактивного взаимодействия с БД и имеют развитый язык программирования                                 

                 Глава 1. Теоретические аспекты СУБД

1. Основные понятия.

    Развитие компьютерных технологий, связанных с хранением и обработкой данных, привело к появлению в конце 60-х — начале 70-х годов специализированного программного обеспечения, получившего название систем управления базами данных, или СУБД (DataBase Management Systems, DBMS). СУБД позволяют структурировать, систематизировать и организовывать данные для их компьютерного хранения и обработки. Именно системы управления базами данных являются основой практически любой информационной системы.

    СУБД можно определить как некую систему управления данными, обладающую следующими свойствами:

• поддержанием логически согласованного набора файлов;
• предоставлением языка манипулирования данными;
• восстановлением информации после разного рода сбоев;
• обеспечением параллельной работы нескольких пользователей.

    Система управления базой данных представляет собой программное обеспечение, которое управляет доступом к  базе данных. Это происходит следующим образом:

    1. Пользователь выдает запрос на доступ, применяя определенный подъязык данных (обычно SQL).

    2. СУБД перехватывает этот запрос и анализирует его.

    3. Затем СУБД просматривает внешнюю схему для этого пользователя, концептуальную, внутреннюю схему и определяет структуру хранения.

4. На последнем шаге СУБД выполняет необходимые операции над хранимой базой данных. 
 

1.2. Функциональные возможности  СУБД.

      Управляющим компонентом многих СУБД является ядро, выполняющее следующие функции:

• непосредственное управление данными во внешней памяти;
• управление буферами оперативной памяти;
• управление транзакциями;
• протоколирование;
• поддержку языков баз данных.

     Рассмотрим каждую из указанных функций более подробно.

     Непосредственное управление данными во внешней памяти

     Функция непосредственного управления данными во внешней памяти включает предоставление необходимых структур внешней памяти (постоянных запоминающих устройств, как правило, магнитных дисков) как для хранения данных, непосредственно входящих в базу данных, так и для служебных целей, например для ускорения доступа к данным в некоторых случаях (обычно для этого используются индексы). Причем пользователям базы данных в общем случае не нужно знать, применяет ли СУБД файловую систему, а если применяет, как организованы файлы. Обычно СУБД поддерживает собственную систему именования объектов базы данных. В зависимости от способа реализации СУБД может либо использовать возможности существующих файловых систем, либо работать с устройствами внешней памяти на низком уровне.

     Управление буферами оперативной памяти

     Объем информации, хранящейся в базе данных, с которой работает СУБД, обычно достаточно велик и практически всегда превышает доступный объем оперативной памяти. При этом время доступа к данным, хранящимся в оперативной памяти, существенно меньше, чем к данным, хранящимся на устройствах внешней памяти. Очевидно, что если при обращении к любому элементу данных требуется обмен с внешней памятью, то вся система будет работать со скоростью функционирования устройства внешней памяти.

     Повышения скорости обмена данными можно достичь, используя буферизацию данных в оперативной памяти. При этом даже если операционная система выполняет общесистемную буферизацию (как в случае ОС UNIX), этого недостаточно для целей СУБД, у которой гораздо больше информации, позволяющей судить о полезности буферизации той или иной части базы данных. Поэтому в СУБД обычно поддерживается собственный набор буферов оперативной памяти с собственным механизмом замены буферов.

     Следует отметить, что существует направление развития СУБД, ориентированное на постоянное присутствие в оперативной памяти всей информации из базы данных. Это направление основывается на предположении, что в будущем объем оперативной памяти компьютеров будет настолько велик, что буферизация станет лишней. 

     Управление транзакциями

     Транзакцией называется последовательность операций над базой данных, рассматриваемых СУБД как единое целое. Если все операции успешно выполнены, то транзакция также считается успешно выполненной, и СУБД фиксирует (commit) все изменения данных, произведенные этой транзакцией (то есть заносит изменения во внешнюю память). Если же хотя бы одна операция транзакции заканчивается неудачей, то транзакция считается невыполненной, и производится ее откат (rollback) с отменой всех изменений данных, произведенных в ходе выполнения транзакции, и возвращением базы данных к состоянию до начала выполнения транзакции.

     Управление транзакциями необходимо для поддержания логической целостности базы данных.

     Поддержка механизма транзакций является обязательным условием работы даже однопользовательских, а тем более многопользовательских СУБД. Поскольку каждая транзакция начинается при целостном состоянии базы данных и оставляет это состояние целостным после своего завершения, понятие транзакции очень удобно использовать как единицу активности пользователя по отношению к базе данных. При должном управлении параллельно выполняющимися транзакциями со стороны СУБД каждый из пользователей может, в принципе, ощущать себя единственным пользователем СУБД.

     С управлением транзакциями в многопользовательской СУБД связаны важные понятия сериализации и плана сериализации смеси транзакций. Под сериализации понимается параллельное выполнение смеси транзакций, результат которого эквивалентен результату их последовательного выполнения. План сериализации смеси транзакций — это такой план, который приводит к сериализации транзакций. Понятно, что если удается добиться реальной сериализации смеси транзакций, то для каждого пользователя, по инициативе которого начата транзакция, выполнение других транзакций будет незаметным (если не считать некоторого замедления работы по сравнению с однопользовательским режимом). Существует несколько базовых алгоритмов сериализации транзакций. В централизованных СУБД наиболее распространены алгоритмы, основанные на синхронизированных захватах объектов базы данных. При использовании любого алгоритма сериализации возможны конфликты между несколькими транзакциями по доступу к объектам базы данных. В этом случае для поддержания сериализации необходимо выполнить откат одной или нескольких транзакций. Это один из случаев, когда пользователь многопользовательской СУБД может реально (и достаточно неприятно) ощутить присутствие в системе обработки транзакций других пользователей.

     Протоколирование

     Одним из основных требований к СУБД является надежность хранения данных во внешней памяти. Под надежностью хранения понимается то, что СУБД должна быть в состоянии восстановить последнее согласованное состояние БД после любого аппаратного или программного сбоя.

     Аппаратные сбои обычно подразделяются на два вида:

• мягкие сбои связаны с внезапной остановкой компьютера и обычно являются следствием внезапного выключения питания или «зависания» операционной системы;
• жесткие сбои характеризуются потерей информации на носителях внешней памяти.

     Программные сбои обычно возникают вследствие ошибок в программах. Причем эти ошибки могут быть как в самой СУБД, что может привести к аварийному завершению ее работы, так и в пользовательской программе. Первый случай можно рассматривать как разновидность мягкого аппаратного сбоя. Во втором случае незавершенной остается только одна транзакция.

     В любом случае для восстановления информации в базе данных необходимо иметь некоторую дополнительную информацию. Таким образом, для надежного хранения данных требуется их избыточность. Причем та часть информации, которая используется для восстановления, должна храниться особо надежно. Наиболее распространенным методом поддержания такой избыточной информации является ведение журнала изменений базы данных.

     Журнал представляет собой недоступную пользователям и поддерживаемую с особой тщательностью часть базы данных, в которую поступают записи обо всех изменениях основной части базы данных. Иногда используются две копии журнала, располагаемые на разных физических дисках.

     В разных СУБД изменения базы данных протоколируются на разных уровнях: иногда запись в журнале соответствует некоторой логической операции изменения базы данных, иногда — минимальной внутренней операции модификации страницы внешней памяти. Могут также использоваться одновременно оба иод-хода.

     Во всех случаях придерживаются стратегии упреждающей записи в журнал (Write Ahead Log, WAL). Несколько утрируя, можно сказать, что эта стратегия подразумевает внесение в журнал записи об изменении любого объекта базы данных до того, как будет выполнено и зафиксировано изменение этого объекта. Если в СУБД поддерживается протокол WAL, то с помощью журнала можно решить все проблемы восстановления базы данных после любого сбоя.

     Самая простая ситуация восстановления — откат отдельной транзакции. Строго говоря, для этого не требуется общесистемный журнал изменений базы данных. Достаточно для каждой транзакции поддерживать локальный журнал операций модификации базы данных, выполненных в этой транзакции, и производить откат транзакции путем выполнения обратных операций, следуя от конца локального журнала. В некоторых СУБД так и делают, но в большинстве систем локальные журналы не поддерживают, а откат отдельной транзакции выполняют по общесистемному журналу, для чего все записи, относящиеся к одной транзакции, связывают обратным списком (от конца к началу).

     При мягком сбое во внешней памяти основной части базы данных могут находиться объекты, модифицированные транзакциями, не закончившимися к моменту сбоя, и могут отсутствовать объекты, модифицированные транзакциями, которые к моменту сбоя успешно завершились (по причине очистки буферов оперативной памяти при мягком сбое). При соблюдении протокола WAL во внешней памяти журнала должны гарантированно находиться записи, относящиеся к операциям модификации обоих видов объектов. Целью восстановления после мягкого сбоя является приведение внешней памяти основной части базы данных в такое состояние, которое возникло бы при фиксации во внешней памяти изменений всех завершившихся транзакций и не содержало бы никаких следов незаконченных транзакций. Для того чтобы этого добиться, сначала производят откат незавершенных транзакций, а потом повторно воспроизводят те операции завершенных транзакций, результаты которых не сохранились во внешней памяти.

     Для восстановления базы данных после жесткого сбоя используют журнал и архивную копию базы данных. Архивная копия — это полная копия базы данных, полученная к началу заполнения журнала (хотя имеются и другие варианты трактовки этого термина). Естественно, для нормального восстановления базы данных после жесткого сбоя необходимо, чтобы журнал не пропал. Тогда восстановление базы данных состоит в том, что на основе данных архивной копии по журналу повторно выполняются все транзакции, которые закончились к моменту сбоя. В принципе, можно даже воспроизвести работу незавершенных транзакций и продолжить их работу после завершения восстановления. Однако в реальных системах это обычно не делается, поскольку процесс восстановления после жесткого сбоя является достаточно длительным.

     Поддержка языков баз данных

     Для работы с информацией, хранящейся в базе данных, используются специальные языки, носящие общее название языков баз данных. Чаще всего выделяется два языка:

• язык определения схем данных (Schema Definition Language, SDL) служит главным образом для определения логической структуры базы данных;
• язык манипулирования данными (Data Manipulation Language, DML) содержит набор операторов манипулирования данными, то есть операторов, позволяющих заносить данные в базу, а также удалять, модифицировать или выбирать существующие данные.

     Несколько разных специализированных языков баз данных поддерживалось лишь в ранних СУБД. В современных СУБД обычно поддерживается единый интегрированный язык, содержащий все необходимые средства для работы с базой данных, начиная от ее создания, и обеспечивающий базовый пользовательский интерфейс с базами данных. Стандартным языком наиболее распространенных в настоящее время реляционных СУБД является язык SQL (Structured Query Language — язык структурированных запросов). Таким образом, указанные выше языки баз данных на сегодняшний день, фактически, являются подмножествами единого стандартного языка SQL.

     Язык SQL позволяет определять схему реляционной базы данных и манипулировать данными. При этом именование объектов базы данных (для реляционной базы данных — именование таблиц и их полей) поддерживается на языковом уровне в том смысле, что компилятор языка SQL производит преобразование имен объектов в их внутренние идентификаторы на основании специально поддерживаемых служебных таблиц-каталогов.

     Язык SQL содержит специальные средства определения ограничений целостности базы данных. Опять же, ограничения целостности хранятся в специальных таблицах-каталогах, и контроль целостности базы данных производится на языковом уровне — при компиляции операторов модификации базы данных компилятор SQL на основании имеющихся в базе данных ограничений целостности генерирует соответствующий программный код.

     Специальные операторы языка SQL позволяют определять так называемые представления базы данных, фактически являющиеся хранимыми в базе данных запросами (результатом любого запроса к реляционной базе данных является таблица) с именованными столбцами, называемыми полями. Для пользователя представление является такой же таблицей, как любая базовая таблица, хранимая в базе данных, но с помощью представлений можно ограничить или, наоборот, расширить видимость данных для конкретного пользователя. Поддержка представлений производится также на языковом уровне.

     Наконец, авторизация доступа к объектам базы данных тоже производится на основе специального набора SQL-операторов. Идея состоит в том, что для выполнения разных SQL-операторов пользователь должен обладать разными полномочиями. Пользователь, создавший таблицу базы данных, обладает полным набором полномочий для работы с данной таблицей. В число этих полномочий входит полномочие на передачу всех или части полномочий другим пользователям, включая полномочие на передачу полномочий. Полномочия пользователей описываются в специальных таблицах-каталогах, контроль полномочий поддерживается на языковом уровне. 

           1.3 Типы СУБД  

   Системой  управления базами данных называют программную  систему, предназначенную для создания на ЭВМ общей базы данных для множества приложений, поддержания ее актуальном состоянии и обеспечения эффективности доступа пользователей к содержащимся в ней данным в рамках предоставленных им полномочий.  СУБД предназначена, таким образом, для централизованного управления БД как социальным ресурсом в интересах всей совокупностей ее пользователей. Доступ к базе данных отдельных пользователей при этом возможен только через посредство СУБД.

         По степени их универсальности различаются два  вида СУБД – системы общего назначения и специализированные системы. СУБД общего назначения не ориентированны на какую – либо конкретную предметную область или на информационные потребности конкретной группы пользователей. Каждая система такого рода реализуется как программный продукт, способный функционировать на некоторой модели ЭВМ в определенной обстановке, и поставляется многим пользователям как коммерческое изделие. СУБД общего назначения обладают средствами настройки на работу с конкретной БД в условиях конкретного применения.

         Использование СУБД общего назначения в качестве инструментального средства для создания автоматизированных информационных систем, основанных на технологии БД, позволяет существенно  сокращать сроки разработки, экономить трудовые ресурсы. Развитые функциональные возможности таких СУБД, присущая им, как правило, функциональная избыточность позволяют иметь значительный «запас мощности», необходимый для безболезненного эволюционного развития построенных на их основе информационных систем в рамках их жизненного цикла. Вместе с тем средства настройки дают возможность достигнуть приемлемого уровня производительности информационной системы в процессе ее эксплуатации.

         Однако в некоторых  случаях доступные СУБД общего назначения не позволяют добиться требуемых  характеристик производительности и удовлетворить заданные ограничения по объему памяти, предоставляемой для хранения БД. Тогда приходится разрабатывать специализированную СУБД для данного конкретного применения. Решение указанных проблем при этом может оказаться возможным благодаря знанию специфических особенностей данного применения, к которым оказываются нечувствительными средства настройки доступных СУБД общего назначения, либо за счет ущемления каких либо функций системы, не имеющих жизненно важного значения. Как правило, в этой роли оказываются, прежде всего функции, обеспечивающие комфортную работу пользователя.

         Создание специализированной СУБД – весьма трудоемкое дело даже в сравнительно простых случаях, и для того, чтобы избрать этот путь, нужно иметь действительно веские основания и твердую убеждаемость в невозможности или нецелесообразности использования  какой – либо СУБД общего назначения.

         СУБД общего назначения – это сложные программные  комплексы, предназначенные для  выполнения всей совокупности функций, связанных с созданием и эксплуатацией БД информационной системы. Они позволяют определить структуру создаваемой БД, инициализировать ее и произвести начальную загрузку данных. Системные механизмы выполняют также функции управления ресурсами среды хранения, обеспечения логической и физической независимости данных, предоставления доступа пользователям к БД, защиты логической целостности БД, обеспечения ее физической целостности – защиты от разрушений. Другая важная группа функций – управления полномочиями пользователей на доступ к БД, настройка на конкретные условия применения, организация параллельного доступа пользователей к базе данных в социальной пользовательской среде, поддержка деятельности системного персонала, ответственного за эксплуатацию БД.

         Для создания БД разработчик описывает ее логическую структуру, организацию в среде хранения, а также способы ведения базы данных пользователями. При этом используются предоставляемые СУБД языковые средства определения данных, и система настраивается на работу с конкретной БД. Такие описания БД называются соответственно схемой (или логической схемой, или концептуальной схемой) БД, схемой хранения (или внутренней схемой) и внешними схемами.

         Обрабатывая схемы  БД, СУБД создает пустую БД требуемой  структуры – хранилище, которое можно далее наполнить данными о предметной области начать эксплуатировать для удовлетворения информационных потребностей пользователей.

         Принципиально важное свойство СУБД заключается в том, что она позволяет различать  и поддерживать два независимых взгляда на БД – взгляд пользователя, воплощаемой в «логическом»  представлении данных, и «взгляд» системы – «физическое» представление, характеризующее организацию хранимых данных. Пользователя не интересует при его работе с БД байты и биты, представляющие данные в среде хранения, их размещения в памяти, указателя, поддерживающие связи между структурными различными компонентами хранимых данных, выбранные методы доступа. В то же время эти факторы важны для выполнения функций управления данными самой СУБД.

         Обеспечение логической независимости данных – одна из важнейших функций СУБД, предоставляющая определенную степень свободы вариации «логического» представления БД без необходимости соответствующей модификации «физического» представления. Благодаря этому достигается возможность адаптации взгляда пользователя на БД к его реальным потребностям, конструирования различных «логических» взглядов на одну и ту же «физическую» БД, что весьма важно в социальной пользовательской среде.

         Под «физической» независимостью данных понимается способность СУБД предоставлять некоторую свободу модификации способов организации БД в среде хранения, не вызывая необходимости внесения соответствующих изменений в «логическое» представление. Благодаря этому вносить изменения в организацию хранимых данных, производить настройку системы с целью повышения ее эффективности, не затрагивая созданных прикладных программ, использующих базу данных. «Физическая» независимость данных реализуется в СУБД за счет тех же самых трансформационных механизмов архитектуры системы, которые обеспечивают «логическую» независимость данных.

      Поддержка логической целостности (непротиворечивости) базы данных – другая важная функция  СУБД. В развитых системах ограничения  целостности базы данных объявляются  в схеме базы данных, и их проверка осуществляется при каждом обновлении объектов данных или связей между ними, являющихся аргументами таких ограничений.

     Рассмотрим более подробно программные продукты компании Microsoft,служащие программным обеспечением, используемым при создании СУБД, а именно Visual FoxPro 3.0, Visual Basic 4.0, Visual С++, Access 7.0, SQL Server 6.5. Наиболее интересной чертой этих пакетов являются их большие возможности интеграции, совместной работы и использования данных, так как данные пакеты являются продуктами одного производителя, а также используют сходные технологии обмена данными.

  Visual FoxPro отличается высокой скоростью, имеет встроенный объектно-ориентированный язык программирования с использованием xBase и SQL, диалекты которых встроены во многие СУБД. Имеет высокий уровень объектной модели. При использовании в вычислительных сетях обеспечивает как монопольный, так и раздельный доступ пользователей к данным. Применяется для приложений масштаба предприятия для работы на различных платформах: Windows 3.x, Windows 95, Macintosh... Минимальные ресурсы ПК: для Visual FoxPro версии 3.0 – процессор 468DX, Windows 3.1, 95, NT, объем оперативной памяти 8 (12) Мб, занимаемый объем на ЖМД 15-80 Мб, а для Visual FoxPro версии 5.0 (выпущена в 1997 году) – Windows 95 или NT, 486 с тактовой частотой 50 МГц, 10 Мб ОЗУ, от 15 до 240 Мб на ЖМД.