В.В. Кириллов. Основы проектирования реляционных баз данных.
Учебное пособие
Санкт-Петербургский Гос.институт точной механики и оптики (техн.ун-т)
, Кафедра вычислительной техники
/database/dbguide/index.shtml
Глава 1. Что такое базы данных и СУБД 3
1.1. Данные и ЭВМ 3
1.2. Концепция баз данных 5
1.3. Архитектура СУБД 6
1.4. Модели данных 8
Глава 2. Инфологическая модель данных "Сущность-связь" 9
2.1. Основные понятия 9
2.2. Характеристика связей и язык моделирования 10
2.3. Классификация сущностей 14
Три класса сущностей 14
Стержневая сущность (стержень) 14
Ассоциативная сущность (ассоциация) 14
Характеристическая сущность (характеристика) 15
Обозначающая сущность или обозначение 15
Пример 15
2.4. О первичных и внешних ключах 18
2.5. Ограничения целостности 20
Понятие целостности данных 20
Виды целостности 20
2.6. О построении инфологической модели 21
Введение 21
Требования к БД со стороны администратора и прикладного программиста 21
Глава 3. Реляционный подход 22
3.1. Реляционная структура данных 22
Введение 22
Основные понятия 22
Понятие ключа 24
3.2. Реляционная база данных 24
Свойства Таблицы данных 25
3.3. Манипулирование реляционными данными 26
Глава 4. Введение в проектирование реляционных баз данных 27
4.1. Цели проектирования 27
Введение 27
Прикладные и предметные БД 27
Порядок проектирования БД 27
Цель проектирования БД 28
4.2. Универсальное отношение 29
Проект БД «Питание» 29
4.3. Почему проект БД может быть плохим? 30
4.4. О нормализации, функциональных и многозначных зависимостях 33
Понятие нормализации 33
Нормальные формы 33
Функциональная и многозначная зависимости 34
4.5. Нормальные формы 34
Первая нормальная форма (1НФ) 34
Вторая нормальная форма 2НФ 35
Третья нормальная форма 3НФ 36
Нормальная форма Бойса-Кодда НФБК 36
Понятие полной декомпозиции 4НФ и 5НФ 36
Четвертая нормальная форма 4НФ 37
4.6. Процедура нормализации 37
О понятии нормализации 37
Пример 4.1. Нормализация универсального отношения "Питание" 38
Шаг 1. Определение первичного ключа таблицы. 38
Шаг 2. Выявление полей, функционально зависящих от части состваного ключа. 38
Шаг 3. Формирование новых таблиц. 39
Шаг 4. Корректировка исходной таблицы. 39
Пример 4.2. Улучшение проекта 39
4.7. Процедура проектирования 39
Введение 39
Шаги процедуры проектирования даталогической модели 39
Векторы 42
Неопределенные значения. 42
Глава 5. Пример проектирования базы данных "Библиотека" 42
5.1. Назначение и предметная область 42
5.2. Построение инфологической модели 45
5.3. Проектирование базы данных 47
ЛИТЕРАТУРА 50
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ 51
Глава 1. Что такое базы данных и СУБД
1.1. Данные и ЭВМ
Восприятие реального мира можно соотнести с последовательностью разных, хотя иногда и взаимосвязанных, явлений. С давних времен люди пытались описать эти явления (даже тогда, когда не могли их понять). Такое описание называют данными .
Традиционно фиксация данных осуществляется с помощью конкретного средства общения (например, с помощью естественного языка или изображений) на конкретном носителе (например, камне или бумаге). Обычно данные (факты, явления, события, идеи или предметы) и их интерпретация (семантика) фиксируются совместно, так как естественный язык достаточно гибок для представления того и другого. Примером может служить утверждение "Стоимость авиабилета 128". Здесь "128" – данное, а "Стоимость авиабилета" – его семантика.
Нередко данные и интерпретация разделены. Например, "Расписание движения самолетов" может быть представлено в виде таблицы (рис. 1.1), в верхней части которой (отдельно от данных) приводится их интерпретация. Такое разделение затрудняет работу с данными (попробуйте быстро получить сведения из нижней части таблицы).
Интерпретация |
|||||||
Номер рейса | Дни недели | Пункт отправления | Время вылета | Пункт назначения | Время прибытия | Тип самолета | Стоимость билета |
Данные |
|||||||
Рис. 1.1. К разделению данных и их интерпретации
Применение ЭВМ для ведения * и обработки данных обычно приводит к еще большему разделению данных и интерпретации. ЭВМ имеет дело главным образом с данными как таковыми. Большая часть интерпретирующей информации вообще не фиксируется в явной форме (ЭВМ не "знает", является ли "21.50" стоимостью авиабилета или временем вылета). Почему же это произошло?
Существует по крайней мере две исторические причины, по которым применение ЭВМ привело к отделению данных от интерпретации. Во-первых, ЭВМ не обладали достаточными возможностями для обработки текстов на естественном языке – основном языке интерпретации данных. Во-вторых, стоимость памяти ЭВМ была первоначально весьма велика. Память использовалась для хранения самих данных, а интерпретация традиционно возлагалась на пользователя. Пользователь закладывал интерпретацию данных в свою программу, которая "знала", например, что шестое вводимое значение связано с временем прибытия самолета, а четвертое – с временем его вылета. Это существенно повышало роль программы, так как вне интерпретации данные представляют собой не более чем совокупность битов на запоминающем устройстве.
Жесткая зависимость между данными и использующими их программами создает серьезные проблемы в ведении данных и делает использования их менее гибкими.
Нередки случаи, когда пользователи одной и той же ЭВМ создают и используют в своих программах разные наборы данных, содержащие сходную информацию. Иногда это связано с тем, что пользователь не знает (либо не захотел узнать), что в соседней комнате или за соседним столом сидит сотрудник, который уже давно ввел в ЭВМ нужные данные. Чаще потому, что при совместном использовании одних и тех же данных возникает масса проблем.
Разработчики прикладных программ (написанных, например, на Бейсике, Паскале или Си) размещают нужные им данные в файлах, организуя их наиболее удобным для себя образом. При этом одни и те же данные могут иметь в разных приложениях совершенно разную организацию (разную последовательность размещения в записи, разные форматы одних и тех же полей и т.п.). Обобществить такие данные чрезвычайно трудно: например, любое изменение структуры записи файла, производимое одним из разработчиков, приводит к необходимости изменения другими разработчиками тех программ, которые используют записи этого файла.
Для иллюстрации обратимся к примеру, приведенному в книге: У.Девис, Операционные системы, М., Мир, 1980:
"Несколько лет назад почтовое ведомство (из лучших побуждений) пришло к решению, что все адреса должны обязательно включать почтовый индекс. Во многих вычислительных центрах это, казалось бы, незначительное изменение привело к ужасным последствиям. Добавление к адресу нового поля, содержащего шесть символов, означало необходимость внесения изменений в каждую программу, использующую данные этой задачи в соответствии с изменившейся суммарной длиной полей. Тот факт, что какой-то программе для выполнения ее функций не требуется знания почтового индекса, во внимание не принимался: если в некоторой программе содержалось обращение к новой, более длинной записи, то в такую программу вносились изменения, обеспечивающие дополнительное место в памяти.
В условиях автоматизированного управления централизованной базой данных все такие изменения связаны с функциями управляющей программы базы данных. Программы, не использующие значения почтового индекса, не нуждаются в модификации - в них, как и прежде, в соответствии с запросами посылаются те же элементы данных. В таких случаях внесенное изменение неощутимо. Модифицировать необходимо только те программы, которые пользуются новым элементом данных.".
* Ведение (сопровождение, поддержка) данных – термин объединяющий действия по добавлению, удалению или изменению храни-мых данных.
1.2. Концепция баз данных
Активная деятельность по отысканию приемлемых способов обобществления непрерывно растущего объема информации привела к созданию в начале 60-х годов специальных программных комплексов, называемых "Системы управления базами данных " (СУБД).
Основная особенность СУБД – это наличие процедур для ввода и хранения не только самих данных, но и описаний их структуры. Файлы, снабженные описанием хранимых в них данных и находящиеся под управлением СУБД, стали называть банки данных, а затем "Базы данных " (БД).
Пусть, например, требуется хранить расписание движения самолетов (рис. 1.1 ) и ряд других данных, связанных с организацией работы аэропорта (БД "Аэропорт"). Используя для этого одну из современных "русифицированных" СУБД, можно подготовить следующее описание расписания:
СОЗДАТЬ ТАБЛИЦУ Расписание
(Номер_рейса Целое
Дни_недели Текст (8)
Пункт_отправления Текст (24)
Время_вылета Время
Пункт_назначения Текст (24)
Время_прибытия Время
Тип_самолета Текст (8)
Стоимость_билета Валюта);
и ввести его вместе с данными в БД "Аэропорт".
Язык запросов СУБД позволяет обращаться за данными как из программ, так и с терминалов (рис. 1.2). Сформировав запрос
ВЫБРАТЬ Номер_рейса, Дни_недели, Время_вылета
ИЗ ТАБЛИЦЫ Расписание
И Пункт_назначения = "Киев"
И Время_вылета > 17;
получим расписание "Москва-Киев" на вечернее время, а по запросу
ВЫБРАТЬ КОЛИЧЕСТВО(Номер_рейса)
ИЗ ТАБЛИЦЫ Расписание
ГДЕ Пункт_отправления = "Москва"
И Пункт_назначения = "Минск";
получим количество рейсов "Москва-Минск".
Рис. 1.2. Связь программ и данных при использовании СУБД
Эти запросы не потеряют актуальности и при расширении таблицы:
ДОБАВИТЬ В ТАБЛИЦУ Расписание
Длительность_полета Целое;
как это было с программами обработки почтовых адресов при введении почтового индекса (см. п. 1.1 ).
Однако, за все надо расплачиваться: на обмен данными через СУБД требуется большее время, чем на обмен аналогичными данными прямо из файлов, специально созданных для того или иного приложения.
[Назад ] [Содержание ] [Вперед ]
1.3. Архитектура СУБД
СУБД должна предоставлять доступ к данным любым пользователям, включая и тех, которые практически не имеют и (или) не хотят иметь представления о:
физическом размещении в памяти данных и их описаний;
механизмах поиска запрашиваемых данных;
проблемах, возникающих при одновременном запросе одних и тех же данных многими пользователями (прикладными программами);
способах обеспечения защиты данных от некорректных обновлений и (или) несанкционированного доступа;
поддержании баз данных в актуальном состоянии
и множестве других функций СУБД.
При выполнении основных из этих функций СУБД должна использовать различные описания данных. А как создавать эти описания?
Естественно, что проект базы данных надо начинать с анализа предметной области и выявления требований к ней отдельных пользователей (сотрудников организации, для которых создается база данных). Подробнее этот процесс будет рассмотрен ниже, а здесь отметим, что проектирование обычно поручается человеку (группе лиц) – администратору базы данных (АБД). Им может быть как специально выделенный сотрудник организации, так и будущий пользователь базы данных, достаточно хорошо знакомый с машинной обработкой данных.
Объединяя частные представления о содержимом базы данных, полученные в результате опроса пользователей, и свои представления о данных, которые могут потребоваться в будущих приложениях, АБД сначала создает обобщенное неформальное описание создаваемой базы данных. Это описание, выполненное с использованием естественного языка, математических формул, таблиц, графиков и других средств, понятных всем людям, работающих над проектированием базы данных, называют инфологической моделью данных (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Уровни моделей данных
Такая человеко-ориентированная модель полностью независима от физических параметров среды хранения данных. В конце концов этой средой может быть память человека, а не ЭВМ. Поэтому инфологическая модель не должна изменяться до тех пор, пока какие-то изменения в реальном мире не потребуют изменения в ней некоторого определения, чтобы эта модель продолжала отражать предметную область.
Остальные модели, показанные на рис. 1.3, являются компьютеро-ориентированными. С их помощью СУБД дает возможность программам и пользователям осуществлять доступ к хранимым данным лишь по их именам, не заботясь о физическом расположении этих данных. Нужные данные отыскиваются СУБД на внешних запоминающих устройствах по физической модели данных .
Так как указанный доступ осуществляется с помощью конкретной СУБД, то модели должны быть описаны на языке описания данных этой СУБД. Такое описание, создаваемое АБД по инфологической модели данных, называют даталогической моделью данных .
Трехуровневая архитектура (инфологический, даталогический и физический уровни) позволяет обеспечить независимость хранимых данных от использующих их программ. АБД может при необходимости переписать хранимые данные на другие носители информации и (или) реорганизовать их физическую структуру, изменив лишь физическую модель данных. АБД может подключить к системе любое число новых пользователей (новых приложений), дополнив, если надо, даталогическую модель. Указанные изменения физической и даталогической моделей не будут замечены существующими пользователями системы (окажутся "прозрачными" для них), так же как не будут замечены и новые пользователи. Следовательно, независимость данных обеспечивает возможность развития системы баз данных без разрушения существующих приложений.
1.4. Модели данных
Как отмечалось в п. 1.3 , инфологическая модель отображает реальный мир в некоторые понятные человеку концепции, полностью независимые от параметров среды хранения данных. Существует множество подходов к построению таких моделей: графовые модели, семантические сети, модель "сущность-связь" и т.д. [11 ]. Наиболее популярной из них оказалась модель "сущность-связь", которая будет рассмотрена в главе 2.
Инфологическая модель должна быть отображена в компьютеро-ориентированную даталогическую модель, "понятную" СУБД. В процессе развития теории и практического использования баз данных, а также средств вычислительной техники создавались СУБД, поддерживающие различные даталогические модели [1 , 2 , 8 , 11 ].
Сначала стали использовать иерархические даталогические модели. Простота организации, наличие заранее заданных связей между сущностями, сходство с физическими моделями данных позволяли добиваться приемлемой производительности иерархических СУБД на медленных ЭВМ с весьма ограниченными объемами памяти. Но, если данные не имели древовидной структуры, то возникала масса сложностей при построении иерархической модели и желании добиться нужной производительности.
Сетевые модели также создавались для мало ресурсных ЭВМ. Это достаточно сложные структуры, состоящие из "наборов" – поименованных двухуровневых деревьев. "Наборы" соединяются с помощью "записей-связок", образуя цепочки и т.д. При разработке сетевых моделей было выдумано множество "маленьких хитростей", позволяющих увеличить производительность СУБД, но существенно усложнивших последние. Прикладной программист должен знать массу терминов, изучить несколько внутренних языков СУБД, детально представлять логическую структуру базы данных для осуществления навигации среди различных экземпляров, наборов, записей и т.п. Один из разработчиков операционной системы UNIX сказал "Сетевая база – это самый верный способ потерять данные".
Сложность практического использования иерархических и и сетевых СУБД заставляла искать иные способы представления данных. В конце 60-х годов появились СУБД на основе инвертированных файлов, отличающиеся простотой организации и наличием весьма удобных языков манипулирования данными. Однако такие СУБД обладают рядом ограничений на количество файлов для хранения данных, количество связей между ними, длину записи и количество ее полей.
данных , рассматривается реляционная модель данных и проектирование реляционных баз данных ...
Базы данных (7)
Учебно-методический комплекс... Основы проектирования приложений баз данных : учеб. пособие / И.Ю. Баженова. - М.: ИНТУИТ. ру; БИНОМ. ЛЗ, 2006. - 324 с Базы данных : проектирование ... темами: Проектирование реляционных баз данных , Создание новой базы данных , Создание таблиц...
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
АМУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
(ГОУВПО «АмГУ»)
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине «Информационные системы в экономике»
на тему: «Принципы построения и этапы проектирования баз данных»
Исполнитель
студент группы С – 81 Н.А. Вохмянина
Руководитель
доцент, к. т. н. Д. Г. Шевко
Благовещенск 2010
Введение
1. Принципы построения баз данных
2. Концепции построения баз данных
3. Этапы проектирования баз данных
Библиографический список
ВВЕДЕНИЕ
Восприятие реального мира можно соотнести с последовательностью разных, хотя иногда и взаимосвязанных, явлений. С давних времен люди пытались описать эти явления (даже тогда, когда не могли их понять). Такое описание называют данными.
Традиционно фиксация данных осуществляется с помощью конкретного средства общения, например, с помощью естественного языка на конкретном носителе.
В настоящее время успешное функционирование различных фирм, организаций и предприятий просто не возможно без развитой информационной системы, которая позволяет автоматизировать сбор и обработку данных. Обычно для хранения и доступа к данным, содержащим сведения о некоторой предметной области, создается база данных.
База данных (БД) - именованная совокупность данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области.
Под предметной областью принято понимать некоторую область человеческой деятельности или область реального мира, подлежащих изучению для организации управления и автоматизации, например, предприятие, вуз и.т.д.
Система управления базами данных (СУБД) - совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, наполнения, обновления и удаления баз данных.
Программы, с помощью которых пользователи работают с БД, называются приложениями.
1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ БАЗ ДАННЫХ
К современным базам данных, а, следовательно, и к СУБД, на которых они строятся, предъявляются следующие основные требования.
1. Высокое быстродействие (малое время отклика на запрос).
Время отклика - промежуток времени от момента запроса к БД до фактического получения данных. Похожим является термин время доступа - промежуток времени между выдачей команды записи (считывания) и фактическим получением данных. Под доступом понимается операция поиска, чтения данных или записи их. Часто операции записи, удаления и модификации данных называют операцией обновления.
2. Простота обновления данных.
3. Независимость данных.
4. Совместное использование данных многими пользователями.
5. Безопасность данных - защита данных от преднамеренного или непреднамеренного нарушения секретности, искажения или разрушения.
6. Стандартизация построения и эксплуатации БД (фактически СУБД).
8. Дружелюбный интерфейс пользователя.
Важнейшими являются первые два противоречивых требования: повышение быстродействия требует упрощения структуры БД, что, в свою очередь, затрудняет процедуру обновления данных , увеличивает их избыточность.
Независимость данных - возможность изменения логической и физической структуры БД без изменения представлений пользователей.
Независимость данных предполагает инвариантность к характеру хранения данных, программному обеспечению и техническим средствам. Она обеспечивает минимальные изменения структуры БД при изменениях стратегии доступа к данным и структуры самих исходных данных. Это достигается «смещением» всех изменений на этапы концептуального и логического проектирования с минимальными изменениями на этапе физического проектирования.
Безопасность данных включает их целостность и защиту.
Целостность данных - устойчивость хранимых данных к разрушению и уничтожению, связанных с неисправностями технических средств, системными ошибками и ошибочными действиями пользователей.
Она предполагает:
1. отсутствие неточно введенных данных или двух одинаковых записей об одном и том же факте;
2. защиту от ошибок при обновлении БД;
3. невозможность удаления (или каскадное удаление) связанных данных разных таблиц;
4. неискажение данных при работе в многопользовательском режиме и в распределенных базах данных;
5. сохранность данных при сбоях техники (восстановление данных).
Целостность обеспечивается триггерами целостности – специальными приложениями-программами, работающими при определенных условиях. Защита данных от несанкционированного доступа предполагает ограничение доступа к конфиденциальным данным и может достигаться:
1. введением системы паролей;
2. получением разрешений от администратора базы данных (АБД);
4. формирование видов - таблиц, производных от исходных и предназначенных конкретным пользователям.
Три последние процедуры легко выполняются в рамках языка структуризованных запросов Structured Query Language - SQL, часто называемого SQL2.
Стандартизация обеспечивает преемственность поколений СУБД, упрощает взаимодействие БД одного поколения СУБД с одинаковыми и различными моделями данных. Стандартизация (ANSI/SPARC) осуществлена в значительной степени в части интерфейса пользователя СУБД и языка SQL. Это позволило успешно решить задачу взаимодействия различных реляционных СУБД как с помощью языка SQL, так и с применением приложения Open DataBase Connection (ODBC). При этом может быть осуществлен как локальный, так и удаленный доступ к данным (технология клиент/сервер или сетевой вариант).
2. КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ БАЗЫ ДАННЫХ
Существует два подхода к построению БД, базирующихся на двух подходах к созданию автоматизированной системы управления (АСУ).
Первый из них, широко использовавшийся в 80-е годы и потому получивший название классического (традиционного), связан с автоматизацией документооборота (совокупность документов, движущихся в процессе работы предприятия). Исходными и выходными координатами являлись документы, как это видно из примера1.
Использовался следующий тезис. Данные менее подвижны, чем алгоритмы, поэтому следует создать универсальную БД, которую затем можно использовать для любого алгоритма. Однако вскоре выяснилось, что создание универсальной БД проблематично. Господствовавшая до недавнего времени концепция интеграции данных при резком увеличении их объема оказалась несостоятельной. Более того, стали появляться приложения (например, текстовые, графические редакторы), базирующиеся на широко используемых стандартных алгоритмах.
К 90-м годам сформировался второй, современный подход , связанный с автоматизацией управления. Он предполагает первоначальное выявление стандартных алгоритмов приложений (алгоритмов бизнеса в зарубежной терминологии), под которые определяются данные, а стало быть, и база данных. Объектно-ориентированное программирование только усилило значимость этого подхода.
В работе БД возможен одно- и многопользовательский (несколько пользователей подключаются к одному компьютеру через разные порты) режимы.
Используют восходящее и нисходящее проектирование БД. Первое применяют в распределенных БД при интеграции спроектированных локальных баз данных, которые могут быть выполнены с использованием различных моделей данных. Более характерным для централизованных БД является нисходящее проектирование.
3. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БАЗ ДАННЫХ
Проектирование баз данных происходит в четыре этапа.
На этапе формулирования и анализа требований устанавливаются цели организации, определяются требования к БД. Они состоят из общих требований, определенных в разделе 1, и специфических требований. Для формирования специфических требований обычно используется методика интервьюирования персонала различных уровней управления. Все требования документируются в форме, доступной конечному пользователю и проектировщику БД.
Этап концептуального проектирования заключается в описании и синтезе информационных требований пользователей в первоначальный проект БД. Исходными данными могут быть совокупность документов пользователя при классическом подходе или алгоритмы приложений (алгоритмы бизнеса) при современном подходе. Результатом этого этапа является высокоуровневое представление (в виде системы таблиц БД) информационных требований пользователей на основе различных подходов.
Сначала выбирается модель БД. Затем создается структура БД, которая заполняется данными с помощью систем меню, экранных форм или в режиме просмотра таблиц БД. Здесь же обеспечивается защита и целостность (в том числе ссылочная) данных с помощью СУБД или путем построения триггеров.
В процессе логического проектирования высокоуровневое представление данных преобразуется в структуру используемой СУБД. Основной целью этапа является устранение избыточности данных с использованием специальных правил нормализации. Цель нормализации – минимизировать повторения данных и возможные структурные изменения БД при процедурах обновления. Это достигается разделением (декомпозицией) одной таблицы в две или несколько с последующим использованием при запросах операции навигации. Заметим, что навигационный поиск снижает быстродействие БД, т.е. увеличивает время отклика на запрос. Полученная логическая структура БД может быть оценена количественно с помощью различных характеристик (число обращений к логическим записям, объем данных в каждом приложении, общий объем данных). На основе этих оценок логическая структура может быть усовершенствована с целью достижения большей эффективности.
Основные понятия баз данных.
База данных – это совокупность структурированных и взаимосвязанных данных, организованная по определенным правилам, которые предусматривают общие принципы описания, хранения и обработки данных.
Существуют 4 основные модели данных – списки (плоские таблицы), реляционные базы данных, иерархические и сетевые структуры.
В течение многих лет преимущественно использовались плоские таблицы (плоские БД) типа списков в Excel. В настоящее время наибольшее распространение при разработке БД получили реляционные модели данных. Реляционная модель данных является совокупностью простейших двумерных таблиц – отношений (англ. relation), т.е. простейшая двумерная таблица определяется как отношение (множество однотипных записей объединенных одной темой).
От термина relation (отношение) происходит название реляционная модель данных. В реляционных БД используется несколько двумерных таблиц, в которых строки называются записями , а столбцы полями , между записями которых устанавливаются связи. Этот способ организации данных позволяет данные (записи) в одной таблице связывать с данными (записями) в других таблицах через уникальные идентификаторы (ключи) или ключевые поля.
Основные понятия реляционных БД: нормализация, связи и ключи
1. Принципы нормализации:
В каждой таблице БД не должно быть повторяющихся полей;
В каждой таблице должен быть уникальный идентификатор (первичный ключ);
Каждому значению первичного ключа должна соответствовать достаточная информация о типе сущности или об объекте таблицы (например, информация об успеваемости, о группе или студентах);
Изменение значений в полях таблицы не должно влиять на информацию в других полях (кроме изменений в полях ключа).
2. Виды логической связи.
Связь устанавливается между двумя общими полями (столбцами) двух таблиц. Существуют связи с отношением «один-к-одному», «один-ко-многим» и «многие-ко-многим».
один - к - одному – каждой записи из одной таблицы соответствует одна запись в другой таблице;
один - ко - многим – каждой записи из одной таблицы соответствует несколько записей другой таблице;
многие - к - одному – множеству записей из одной таблице соответствует одна запись в другой таблице;
многие - ко - многим – множеству записей из одной таблицы соответствует несколько записей в другой таблице.
Тип отношения в создаваемой связи зависит от способа определения связываемых полей:
Отношение «один-ко-многим» создается в том случае, когда только одно из полей является полем первичного ключа или уникального индекса.
Отношение «один-к-одному» создается в том случае, когда оба связываемых поля являются ключевыми или имеют уникальные индексы.
Отношение «многие-ко-многим» фактически является двумя отношениями «один-ко-многим» с третьей таблицей, первичный ключ которой состоит из полей внешнего ключа двух других таблиц
3. Ключи . Ключ – это столбец (может быть несколько столбцов), добавляемый к таблице и позволяющий установить связь с записями в другой таблице. Существуют ключи двух типов: первичные и вторичные (внешние).
Первичный ключ – это одно или несколько полей (столбцов), комбинация значений которых однозначно определяет каждую запись в таблице. Первичный ключ не допускает значений Null и всегда должен иметь уникальный индекс. Первичный ключ используется для связывания таблицы с внешними ключами в других таблицах.
Внешний (вторичный) ключ - это одно или несколько полей (столбцов) в таблице, содержащих ссылку на поле или поля первичного ключа в другой таблице. Внешний ключ определяет способ объединения таблиц.
Из двух логически связанных таблиц одну называют таблицей первичного ключа или главной таблицей, а другую таблицей вторичного (внешнего) ключа или подчиненной таблицей. СУБД позволяют сопоставить родственные записи из обеих таблиц и совместно вывести их в форме, отчете или запросе.
Существует три типа первичных ключей: ключевые поля счетчика (счетчик), простой ключ и составной ключ.
Поле счетчика (Тип данных «Счетчик»). Тип данных поля в базе данных, в котором для каждой добавляемой в таблицу записи в поле автоматически заносится уникальное числовое значение.
Простой ключ . Если поле содержит уникальные значения, такие как коды или инвентарные номера, то это поле можно определить как первичный ключ. В качестве ключа можно определить любое поле, содержащее данные, если это поле не содержит повторяющиеся значения или значения Null.
Составной ключ . В случаях, когда невозможно гарантировать уникальность значений каждого поля, существует возможность создать ключ, состоящий из нескольких полей. Чаще всего такая ситуация возникает для таблицы, используемой для связывания двух таблиц многие - ко - многим.
Необходимо еще раз отметить, что в поле первичного ключа должны быть только уникальные значения в каждой строке таблицы, т.е. совпадение не допускается , а в поле вторичного или внешнего ключа совпадение значений в строках таблицы допускается .
Если возникают затруднения с выбором подходящего типа первичного ключа, то в качестве ключа целесообразно выбрать поле счетчика.
Программы, которые предназначены для структурирования информации, размещения ее в таблицах и манипулирования данными называются системами управления базами данных (СУБД): MS SQL Server, Oracle, Informix, Sybase, DB2, MS Access и т. д.
Основы проектирования баз данных.
Создание БД начинается с проектирования.
Этапы проектирования БД:
· Исследование предметной области;
· Анализ данных (сущностей и их атрибутов);
· Определение отношений между сущностями и определение первичных и вторичных (внешних) ключей.
В процессе проектирования определяется структура реляционной БД (состав таблиц, их структура и логические связи). Структура таблицы определяется составом столбцов, типом данных и размерами столбцов, ключами таблицы.
К базовым понятиями модели БД «сущность – связь» относятся: сущности, связи между ними и их атрибуты (свойства).
Сущность – любой конкретный или абстрактный объект в рассматриваемой предметной области. Сущности – это базовые типы информации, которые хранятся в БД (в реляционной БД каждой сущности назначается таблица). К сущностям могут относиться: студенты, клиенты, подразделения и т.д. Экземпляр сущности и тип сущности - это разные понятия. Понятие тип сущности относится к набору однородных личностей, предметов или событий, выступающих как целое (например, студент, клиент и т.д.). Экземпляр сущности относится, например, к конкретной личности в наборе. Типом сущности может быть студент, а экземпляром – Петров, Сидоров и т. д.
Атрибут – это свойство сущности в предметной области. Его наименование должно быть уникальным для конкретного типа сущности. Например, для сущности студент могут быть использованы следующие атрибуты: фамилия, имя, отчество, дата и место рождения, паспортные данные и т.д. В реляционной БД атрибуты хранятся в полях таблиц.
Связь – взаимосвязь между сущностями в предметной области. Связи представляют собой соединения между частями БД (в реляционной БД – это соединение между записями таблиц).
Сущности – это данные, которые классифицируются по типу, а связи показывают, как эти типы данных соотносятся один с другим. Если описать некоторую предметную область в терминах сущности – связь, то получим модель сущность - связь для этой БД.
Рассмотрим предметную область: Деканат (Успеваемость студентов)
В БД «Деканат» должны храниться данные о студентах, группах студентов, об оценках студентов по различным дисциплинам, о преподавателях, о стипендиях и т.д. Ограничимся данными о студентах, группах студентов и об оценках студентов по различным дисциплинам. Определим сущности, атрибуты сущностей и основные требования к функциям БД с ограниченными данными.
Основными предметно-значимыми сущностями БД «Деканат» являются: Студенты, Группы студентов, Дисциплины, Успеваемость.
Основные предметно-значимые атрибуты сущностей:
· студенты – фамилия, имя, отчество, пол, дата и место рождения, группа студентов;
· группы студентов – название, курс, семестр;
· дисциплины – название, количество часов
· успеваемость – оценка, вид контроля.
Основные требования к функциям БД:
· выбрать успеваемость студента по дисциплинам с указанием общего количества часов и вида контроля;
· выбрать успеваемость студентов по группам и дисциплинам;
· выбрать дисциплины, изучаемые группой студентов на определенном курсе или определенном семестре.
Из анализа данных предметной области следует, что каждой сущности необходимо назначить простейшую двумерную таблицу (отношения). Далее необходимо установить логические связи между таблицами. Между таблицами Студенты и Успеваемость необходимо установить такую связь, чтобы каждой записи из таблицы Студенты соответствовало несколько записей в таблице Успеваемость, т.е. один – ко – многим, так как у каждого студента может быть несколько оценок.
Логическая связь между сущностями Группы – Студенты определена как один – ко – многим исходя из того, что в группе имеется много студентов, а каждый студент входит в состав одной группы. Логическая связь между сущностями Дисциплины – Успеваемость определена как один – ко – многим, потому что по каждой дисциплине может быть поставлено несколько оценок различным студентам.
à стрелка является условным обозначением связи: один – ко – многим.
- Перевод
Базы данных используются повсюду, включая большую часть проектов в мире веб-разработки. Всё, начиная от простейших блогов и каталогов, до серьезных социальных веб-проектов. Независимо от сложности сайта и соответствующей базы данных, каждый из них требует тщательного проектирования, чтобы работать эффективно, а также надежно.
В этой статье мы рассмотрим основы разработки хорошего плана базы данных, независимо от ее окончательного предназначения. Для всех вариантов структуры баз данных есть набор стандартных правил и лучших практик, которыми следует пользоваться. Они будут способствовать базе данных оставаться организованной и сделает ее взаимодействие с сайтом более разумным и эффективным способом.
Какой функционал требуется от базы данных
Первый метод, используемый при планировании, это обычный мозговой штурм, делая записи на бумаге или как-то еще, в зависимости от того, что требуется хранить в базе данных, и что будет требоваться сайту. Старайтесь не думать об конкретных полях, таблицах, которые будут использоваться в конкретном случае - все специфичные моменты будут рассмотрены вами позже. Ваша цель на данном этапе состоит в том, чтобы получить общую и полную картину структуры базы данных, которую потом будете уточнять и делать более подробной. Зачастую в дальнейшем может быть более трудным добавить какие-то элементы в ваш план, нежели на первоначальном этапе.Фото: binaryape
Отстранитесь от базы данных. Попытайтесь подумать, что будет требоваться от сайта? Например, если требуется сделать сайт, объединяющий людей, вы, возможно, сразу начнете думать о данных, которые будут хранить пользователи. Забудьте, отложите это на потом. Лучше запишите, что пользователи и информация о них должна храниться в базе данных. А что еще? Что пользователи будут делать на вашем сайте? Будут ли они публиковать записи, загружать файлы, фотографии, писать друг другу сообщения? Следовательно, база данных должна хранить всю эту информацию: записи, файлы, фотографии, сообщения и т. д.Как будут взаимодействовать пользователи с вашим сайтом? Будет ли у них необходимость в поиске, например, их любимых рецептов, иметь доступ к записям, доступным конкретному сообществу, искать продукты или смотреть список недавно просмотренных и купленных продуктов? В базе данных должна быть предусмотрена возможность хранить рецепты, «закрытые» записи, доступные определенному кругу пользователей, информацию о продуктах, а также возможность связи определенного продукта и пользователя.
Определение необходимых таблиц и полей
Следующий этап заключается в том, чтобы определить, какие именно таблицы и поля потребуются в базе данных. Это ядро разработки и самая сложная её часть. Использование правильных методов связки таблиц, определение структуры данных в каждой таблице, выявление необходимости разброса этих данных по разным таблицам, - все эти проблемы всплывают при непосредственном проектировании базы данных. Теперь вам необходимо определить список очевидно необходимых таблиц и полей, будьте как можно более конкретным. В ходе этого процесса, какие-то элементы могут быть перестроены либо реорганизованы в целях повышения эффективности и безопасности базы данных.Используйте инструмент моделирования данных
Теперь, когда вы знаете, что сайт должен будет делать, самое время определить, какую конкретно информацию нужно будет хранить. Очень уместным здесь окажется инструмент для проектирования баз данных, особенно имеющий возможность создавать визуальные модели базы данных, например, MySQL Workbench либо . Gliffy является отличным бесплатным он-лайн инструментом для создания различных блок-схем и моделей баз данных.Есть также более известный, качественный, на мой взгляд, инструмент - Microsoft Visio (только под Windows, цена $249.99). Но не пугайтесь, есть более дешевые альтернативы, многие из которых являются open-source проектами, в том числе два, упомянутых выше.
Ознакомьтесь с общими графическими обозначениями и стандартными визуальными элементами, необходимым для создания модели базы данных, и начните предварительное планирование с помощью блок-схем и диаграмм. Это позволит избежать логических ошибок, прежде чем будет создана уже какая-нибудь конкретная база данных.
Группировка и разделение данных
Что касается полей, также важно знать, когда группировать определенную часть данных, а когда нет. Хороший способ определить, какая информация должна быть в одном поле или наоборот, подумать, будет ли необходимость изменять какую-либо её часть? Например, нужно ли хранить адрес, разбив его на составляющие: 1) улица, 2) город, 3) штат, 4) почтовый код, 5) страна?Это неотъемлемая часть функционала сайта (возможно, пользователи или администраторы захотят искать других пользователей по адресу или штату), или просто увеличение места, занимаемого базой данных на диске? Если это не столь важно, зачем тогда нагружать базу данных на изменение 5 полей, когда можно обновить всего лишь одно строковое поле. Более удобным может быть вариант получения этих данных из HTML-формы, где поля разделены, а уже перед добавлением адреса в базу данных объединять значения из соответствующих полей в одну строку.
Это только один пример, но всегда имейте представление о наиболее эффективные способы организации полей таблицы, когда объединять их, когда содержать отдельно, ради поддержания функциональности сайта.
Нормализация базы данных
Нормализация представляет набор руководящих принципов, созданных для организации более эффективного хранения информации. Мы уже упоминали о некоторых важных основных практиках, которые входят в наиболее популярные нормальные формы. Есть пять нормальных форм. Было бы полезным ознакомиться с этими нормальными формами и разрабатывать базы данных в соответствии с их требованиями.Нормализация базы данных большая тема, но уже понимание ее основ может вам чрезвычайно помочь. Чтобы иметь общее представление о каждой нормальной форме и нормализации в целом, не забудьте взглянуть на
Суть проектирования баз данных (БД), как и любого другого процесса проектирования, в создании описания новой, прежде не существовавшей в таком виде системы, которая при её реализации способна предполагаемо функционировать в соответствующих условиях. Из этого следует, что этапы проектирования базы данных должны последовательно и логически связано отражать суть этого процесса.
Содержание проектирования баз данных и этапность
Замысел проектирования основывается на какой-либо сформулированной общественной потребности. У этой потребности есть среда её возникновения и целевая аудитория потребителей, которые будут пользоваться результатом проектирования. Следовательно, процесс проектирования баз данных начинается с изучения данной потребности с точки зрения потребителей и функциональной среды её предполагаемого размещения. То есть, первым этапом становится сбор информации и определение модели предметной области системы, а также – взгляда на неё с точки зрения целевой аудитории. В целом, для определения требований к системе производится определение диапазона действий, а также границ приложений БД.
Далее проектировщик, уже имеющий определённые представления о том, что ему нужно создать, уточняет предположительно решаемые приложением задачи, формирует их список (особенно, если в проектной разработке большая и сложная БД), уточняет последовательность решения задач и производит анализ данных. Такой процесс – тоже этапная проектная работа, но обычно в структуре проектирования эти шаги поглощаются этапом концептуального проектирования – этапом выделения объектов, атрибутов, связей.
Создание концептуальной (информационной модели) предполагает предварительное формирование концептуальных требований пользователей, включая требования в отношении приложений, которые могут и не быть сразу реализованным, но учёт которых позволит в будущем повысить функциональность системы. Имея дело с представлениями объектов-абстракций множества (без указания способов физического хранения) и их взаимосвязями, концептуальная модель содержательно соответствует модели предметной области. Поэтому в литературе первый этап проектирования БД называется инфологическим проектированием.
Далее отдельным этапом (либо дополнением к предыдущему) следует этап формирования требований к операционной обстановке, где оцениваются требования к вычислительным ресурсам, способным обеспечить функционирование системы. Соответственно, чем больше объем проектируемой БД, чем выше пользовательская активность и интенсивность обращений, тем выше требования предъявляются к ресурсам: к конфигурации компьютера к типу и версии операционной системы. Например, многопользовательский режим работы будущей базы данных требует сетевого подключения с использованием операционной системы, соответствующей многозадачности.
Следующим этапом проектировщик должен выбрать систему управления базой данных (СУБД), а также инструментальные средства программного характера. После этого концептуальную модель необходимо перенести в совместимую с выбранной системой управления модель данных. Но нередко это сопряжено с внесением поправок и изменений в концептуальную модель, поскольку не всегда взаимосвязи объектов между собой, отражённые концептуальной моделью, могут быть реализованы средствами данной СУБД.
Это обстоятельство определяет возникновение следующего этапа – появления обеспеченной средствами конкретной СУБД концептуальной модели. Данный шаг соответствует этапу логического проектирования (создания логической модели).
Наконец, финальным этапом проектирования БД становится физическое проектирование – этап увязки логической структуры и физической среды хранения.
Таким образом, основные этапы проектирования в детализированном виде представлены этапами:
- инфологического проектирования,
- формирования требований к операционной обстановке
- выбора системы управления и программных средств БД,
- логического проектирования,
- физического проектирования
Ключевые из них ниже будут рассмотрены подробнее.
Инфологическое проектирование
Идентификация сущностей составляет смысловую основу инфологического проектирования. Сущность здесь – это такой объект (абстрактный или конкретный), информация о котором будет накапливаться в системе. В инфологической модели предметной области в понятных пользователю терминах, которые не зависят от конкретной реализации БД, описывается структура и динамические свойства предметной области. Но термины, при этом берутся в типовых масштабах. То есть, описание выражается не через отдельные объекты предметной области и их взаимосвязи, а через:
- описание типов объектов,
- ограничения целостности, связанные с описанным типом,
- процессы, приводящие к эволюции предметной области – переходу её в другое состояние.
Инфологическую модель можно создавать с помощью нескольких методов и подходов:
- Функциональный подход отталкивается от поставленных задач. Функциональным он называется, потому что применяется, если известны функции и задачи лиц, которые с помощью проектируемой базы данных будут обслуживать свои информационные потребности.
- Предметный подход во главу угла ставит сведения об информации, которая будет содержаться в базе данных, при том, что структура запросов может не быть определена. В этом случае в исследованиях предметной области ориентируются на её максимально адекватное отображение в базе данных в контексте полного спектра предполагаемых информационных запросов.
- Комплексный подход по методу «сущность-связь» объединяет достоинства двух предыдущих. Метод сводится к разделению всей предметной области на локальные части, которые моделируются по отдельности, а затем вновь объединяются в цельную область.
Поскольку использование метода «сущность-связь» является комбинированным способом проектирования на данном этапе, он чаще других становится приоритетным.
Локальные представления при методическом разделении должны, по возможности, включать в себя информацию, которой бы хватило для решения обособленной задачи или для обеспечения запросов какой-то группы потенциальных пользователей. Каждая из этих областей содержит порядка 6-7 сущностей и соответствует какому-либо отдельному внешнему приложению.
Зависимость сущностей отражается в разделении их на сильные (базовые, родительские) и слабые (дочерние). Сильная сущность (например, читатель в библиотеке) может существовать в БД сама по себе, а слабая сущность (например, абонемент этого читателя) «привязывается» к сильной и отдельно не существует.
Следует разделять понятия «экземпляр сущности» (объект, характеризующийся конкретными значениями свойств) и понятие «тип сущности» – объект, для которого характерно общее имя и список свойств.
Для каждой отдельной сущности выбираются атрибуты (набор свойств), которые в зависимости от критерия могут быть:
- идентифицирующими (с уникальным значением для сущностей этого типа, что делает их потенциальными ключами) или описательными;
- однозначными или многозначными (с соответствующим количеством значений для экземпляра сущности);
- основными (независимыми от остальных атрибутов) или производными (вычисляемыми, исходя из значений иных атрибутов);
- простыми (неделимыми однокомпонентными) или составными (скомбинированными из нескольких компонентов).
После этого производится спецификация атрибута, спецификация связей в локальном представлении (с разделением на факультативные и обязательные) и объединение локальных представлений.При числе локальных областей до 4-5 их можно объединить за один шаг. В случае увеличения числа, бинарное объединение областей происходит в несколько этапов.
В ходе этого и других промежуточных этапов находит своё отражение итерационная природа проектирования, выражающаяся здесь в том, что для устранения противоречий необходимо возвращаться на этап моделирования локальных представлений для уточнения и изменения (например, для изменения одинаковых названий семантически разных объектов или для согласования атрибутов целостности на одинаковые атрибуты в разных приложениях).
Выбор системы управления и программных средств БД
От выбора системы управления БД зависит практическая реализация информационной системы. Наиболее значимыми критериями в процессе выбора становятся параметры:
- типа модели данных и её соответствие потребностям предметной области,
- запас возможностей в случае расширения информационной системы,
- характеристики производительности выбранной системы,
- эксплуатационная надёжность и удобство СУБД,
- инструментальная оснащённость, ориентированная на персонал администрирования данных,
- стоимость самой СУБД и дополнительного софта.
Ошибки в выборе СУБД практически наверняка впоследствии спровоцируют необходимость корректировать концептуальную и логическую модели.
Логическое проектирование БД
Логическая структура БД должна соответствовать логической модели предметной области и учитывать связь модели данных с поддерживаемой СУБД. Поэтому этап начинается с выбора модели данных, где важно учесть её простоту и наглядность.
Предпочтительнее, когда естественная структура данных совпадает с представляющей её моделью. Так, например, если в данные представлены в виде иерархической структуры, то и модель лучше выбирать иерархическую. Однако на практике такой выбор чаще определяется системой управления БД, а не моделью данных. Поэтому концептуальная модель фактически транслируется в такую модель данных, которая совместима с выбранной системой управления БД.
Здесь тоже находит отражение природа проектирования, которая допускает возможность (или необходимость) вернуться к концептуальной модели для её изменения в случае, если отражённые там взаимосвязи между объектами (или атрибуты объектов) не удастся реализовать средствами выбранной СУБД.
По завершению этапа должны быть сформированы схемы баз данных обоих уровней архитектуры (концептуального и внешнего), созданные на языке определения данных, поддерживаемых выбранной СУБД.
Схемы базы данных формируются с помощью одного из двух разнонаправленных подходов:
- либо с помощью восходящего подхода, когда работа идёт с нижних уровней определения атрибутов, сгруппированных в отношения, представляющие объекты, на основе существующих между атрибутами связей;
- либо с помощью обратного, нисходящего, подхода, применяемого при значительном (до сотен и тысяч) увеличении числа атрибутов.
Второй подход предполагает определение ряда высокоуровневых сущностей и их взаимосвязей с последующей детализацией до нужного уровня, что и отражает, например, модель, созданная на основе метода «сущность-связь». Но на практике оба подхода, как правило, комбинируются.
Физическое проектирование БД
На следующем этапе физического проектирования БД логическая структура отображается в виде структуры хранения БД, то есть увязывается с такой физической средой хранения, где данные будут размещены максимально эффективно. Здесь детально расписывается схема данных с указанием всех типов, полей, размеров и ограничений. Помимо разработки индексов и таблиц, производится определение основных запросов.
Построение физической модели сопряжено с решением во многом противоречивых задач:
- задачи минимизации места хранения данных,
- задачи достижения целостности, безопасности и максимальной производительности.
Вторая задача вступает в конфликт с первой, поскольку, например:
- для эффективного функционирования транзакций нужно резервировать дисковое место под временные объекты,
- для увеличения скорости поиска нужно создавать индексы, число которых определяется числом всех возможных комбинаций участвующих в поиске полей,
- для восстановления данных будут создаваться резервные копии базы данных и вестись журнал всех изменений.
Всё это увеличивает размер базы данных, поэтому проектировщик ищет разумный баланс, при котором задачи решаются оптимально путём грамотного размещения данных в пространстве памяти, но не за счёт средств защиты базы дынных, куда входит как защита от несанкционированного доступа, так и защита от сбоев.
Для завершения создания физической модели проводят оценку её эксплуатационных характеристик (скорость поиска, эффективность выполнения запросов и расхода ресурсов, правильность операций). Иногда этот этап, как и этапы реализации базы данных, тестирования и оптимизации, а также сопровождения и эксплуатации, выносят за пределы непосредственного проектирования БД.
