Базы данных. § 12. Информационные системы

Что такое информационная система?
Информационная система (ИС) в широком смысле — это аппаратные и программные средства, предназначенные для того, чтобы своевременно обеспечить пользователей нужной информацией.
Задачи:
хранение данных
доступ к данным

БД и СУБД
База данных (БД) — это специальным образом организованная совокупность данных о некоторой предметной области, хранящаяся во внешней памяти компьютера.
Система управления базой данных (СУБД) — это программные средства, которые позволяют выполнять все необходимые операции с базой данных.
БД + СУБД = информационная система

БД и СУБД
поиск данных
редактирование данных
выполнение несложных расчетов
обеспечение целостности (корректности, непротиворечивости) данных
восстановление данных после сбоев
Задачи СУБД:
БД
СУБД
прикладная программа

Классификация ИС
ИС
локальные
удалённые
БД и СУБД на компьютере
пользователя
БД на удалённом компьютере
(в сети)
автономность
нужно обновлять БД на каждом компьютере
как учесть изменения, внесённые пользователями
все работают с одной БД
зависимость от сети

Как хранить данные?
Текстовый формат:
Собственный формат программы:
Универсальный формат:
БД:
«данные о данных»
Иванов;Иван;Петрович;1968;«Audi»;20 000 р.
Петров;Пётр;Иванович;1975;«Лада»;30 000 р.
Сидоров;Семён;Иванович;1975;«Нива»;15 000 р.
нет переносимости (БД можно использовать только с этой программой)
Переносимость – это возможность использовать БД в других информационных системах.

Файл-серверные СУБД
рабочие станции должны быть мощными
высокая нагрузка на сеть
слабая защита данных
ненадежность при большом количестве пользователей

Клиент-серверные СУБД
Задачи клиента:
Задачи сервера:
отправить серверу запрос на языке SQL
принять ответ сервера
вывести результаты
при получении запроса поставить его в очередь
выполнить запрос
отправить ответ клиенту
SQL = Structured Query Language – язык структурных запросов для управления данными

Клиент-серверные СУБД
обработка данных на сервере
рабочие станции могут быть маломощными
проще модернизация
надежная защита данных (на сервере)
снижается нагрузка на сеть
надежная работа при большом количестве пользователей
нужен мощный сервер
высокая стоимость коммерческих СУБД
MS SQL Server
бесплатно!

Транзакции
Транзакция – это группа операций, которая представляет собой одно законченное действие. Транзакция должна быть выполнена целиком или не выполнена вообще.
Задача: перевести 100 000 рублей со счета 12345 на счет 54321.
прочитать сумму на счету 12345
уменьшить ее на 100 000 рублей
прочитать сумму на счету 54321
увеличить ее на 100 000 рублей
журналирование
создание новых записей (помечаются как действительные после завершения транзакции)

Базы данных
§ 13. Таблицы

Таблицы
Примеры:
записная книжка
каталог в библиотеке

Ключ
Ключ – это поле или комбинация полей, однозначно определяющие запись.
Могут ли эти данные быть ключом?
фамилия
имя
номер паспорта
номер дома
регистрационный номер автомобиля
город проживания
адрес электронной почты
дата выполнения работы
марка стиральной машины
?

Ключ
Первичный ключ – это ключ, выбранный в качестве основного.
Простой ключ – состоит из одного поля.
Составной ключ – состоит из нескольких полей.
Составной ключ ← Дата + Время
Свойства ключа:
уникальность
несократимость (Дата + Время + Влажность)

Суррогатный ключ
Суррогатный ключ – это дополнительное поле, которое служит первичным ключом.
операции с числами выполняются быстрее
уникальность поддерживается СУБД (поле-счётчик)

Поиск в БД
Линейный поиск – это перебор всех записей до тех пор, пока не будет найдена нужная.
Иванов?
1024 сравнения!
данные не надо предварительно готовить
низкая скорость поиска

Двоичный поиск
Разделить область поиска на две равные части.
Определить, в какой половине находится нужный объект.
Перейти к шагу 1 для этой половины.
Повторять шаги 1-3 пока объект не будет «пойман».

Двоичный поиск в БД
требует предварительной сортировки.
Иванов?
записи надо отсортировать по нужному полю
можно использовать только для одного поля
быстрый поиск
11 сравнений!

Индексный поиск в БД
Индекс – это вспомогательная таблица, которая служит для ускорения поиска в основной таблице.
отсортированы!
индексы занимают место на диске
при изменении таблицы надо перестраивать все индексы (в СУБД – автоматически)
двоичный поиск по всем столбцам, для которых построены индексы

Целостность БД
Целостность базы данных означает, что она содержит полную и непротиворечивую информацию и удовлетворяет всем заданным ограничениям.
Физическая целостность – сохранность данных в случае отказа оборудования:
транзакции
резервное копирование
RAID-массивы жёстких дисков (дублирование)
Логическая целостность – непротиворечивость:
типы полей
обязательные поля
уникальные индексы
ограничения на значения
шаблоны ввода (###) ###-##-##
условия на несколько полей (увольнение позже приёма)

Задача
Постройте индексы по всем полям:

Базы данных
§ 14. Многотабличные базы данных

Однотабличная БД
дублирование данных
при изменении каких-то данных, возможно, придется менять несколько записей
нет защиты от ошибок ввода (опечаток)

Многотабличная БД

Многотабличная БД
Внешний ключ – это неключевое поле таблицы, связанное с первичным ключом другой таблицы.
усложнение структуры (> 40-50 таблиц – много!)
при поиске нужно «собирать» данные разных таблиц
убрано дублирование
изменения нужно делать в одном месте
некоторая защита от опечаток (выбор из списка)

Ссылочная целостность
запретить удаление записи
выполнить каскадное удаление (удалить все связанные с ней записи в других таблицах)
разрешить внести изменения
нарушится ссылочная целостность!
СУБД:

Типы связей между таблицами
1
N
Связь 1:N – с одной записью в первой таблице могут быть связаны сколько угодно записей во второй таблице.
ключ
не ключ

Типы связей между таблицами
Связь 1:1 – с одной записью в первой таблице связана ровно одна запись во второй таблице.
ключ
1
1
ключ

Типы связей между таблицами
N
N
Связь N:N – с одной записью в первой таблице могут быть связаны сколько угодно записей во второй таблице, и наоборот.
в СУБД не поддерживаются

Типы связей между таблицами
N
1
Связь N:N
N
1
Пример:

Задачи
Сколько заказчиков располагаются в Перми?

Задачи
Определите:
какие товары отправлены в каждый из городов;
сколько бумаги отправлено в каждый из городов;
общую стоимость товаров, отправленных в каждый из городов.

Задачи
Определить фамилию и инициалы
а) бабушки А.И.Ивановой
б) родного брата И.А. Черненко
в) прадеда Т.М. Иванова
г) внука И.Т. Пановко

Задачи
Определить фамилию и инициалы
а) племянника Н.И. Симоняка
б) всех родных братьев и сестёр Н.И. Симоняка
в) бабушки А.Т. Малых
г) дедушки А.Т. Сидорова

Задачи
Определить фамилию и инициалы
а) всех внуков и внучек И.А. Левитина;
б) родной сестры П.А. Кузнецова;
в) родного брата С.А. Муриной;
г) бабушки Р.Б. Левитиной.

Базы данных
§ 15. Реляционная модель данных

Математическое описание БД
Требуется:
описание БД, независимое от способа хранения данных
методы управления этими данными
Реляционная модель данных (Э. Кодд, 1970):
все данные – свойства некоторых объектов
объекты делятся на классы (сущности)
данные об объекте – набор свойств (атрибутов):
(Название: «Кино», Лидер: «В. Цой»)
порядок свойств не определён
отношение (relation) – множество кортежей, описывающих объекты одного класса
в отношении нет одинаковых кортежей
порядок кортежей в отношении не определен
кортеж

Реляционные БД
Реляционная БД – это БД, которая основана на реляционной модели, то есть представляет собой набор отношений.
Удобно хранить в виде таблицы:
отношение
атрибуты
сущность
кортеж

Реляционные БД
Реляционная БД – это база данных, которая представлена в виде набора таблиц и управляется с помощью языка SQL.
SQL: обращение к данным по названиям таблиц (отношений) и полей (атрибутов).
Основные операции:
создание и удаление таблиц
добавление, изменение и удаление записей
выборка данных
На языке таблиц:
каждая таблица описывает один класс объектов
порядок расположения полей в таблице не имеет значения
все значения одного поля относятся к одному и тому же типу данных
в таблице нет двух одинаковых записей
порядок записей в таблице не определён

Нормализация
Нормализация – это изменение структуры базы данных, которое устраняет избыточность и предотвращает возможные нарушения целостности.

Нормализация на примерах
1. Любое поле должно быть неделимым:

Нормализация на примерах
2. Любое неключевое поле должно зависеть от ключа:

Нормализация на примерах
3. Не должно быть одинаковых по смыслу полей:
N
1

Нормализация на примерах
4. Не нужно хранить то, что может быть вычислено:
прибыль вычисляется через запрос!

Нормализация: «за» и «против»
усложнение структуры (> 40-50 таблиц – много!)
замедляется поиск (нужно «собирать» данные из разных таблиц)
устранено дублирование
все изменения делаются в одном месте
некоторая защита от опечаток (выбор из списка)
СУБД поддерживает ссылочную целостность

Задача
Выполните нормализацию:

Задача
Выполните нормализацию:

Задача
Выполните нормализацию: