Базы Данных

Базы данных
§ 13. Введение

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)

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:

Задача
Выполните нормализацию:

Базы данных
§ 16. Работа с таблицей

Базы данных в OpenOffice.org Base
Файлы *.odb
таблицы с данными
формы – диалоговые окна, с помощью которых пользователь вводит и изменяет данные
запросы – команды по управлению данными
отчеты – шаблоны документов для вывода на печать
«Форк» (ответвление): LibreOffice (www.libreoffice.org)

Базы данных OO Base
2×ЛКМ
новая запись
переходы по записям
общее количество
выделено
текущая запись

Поиск и сортировка
Ctrl+F
сортировка по текущему столбцу
несколько уровней

Задача
Какой по счету будет запись с фамилией Белочкина, если отсортировать таблицу по полю:
а) Фамилия (по алфавиту)
б) Математика (по убыванию)
в) Русский язык (по убыванию)
г) Химия (по возрастанию)
д) Информатика (по возрастанию)
е) Биология (по убыванию)

Фильтрация
Фильтр – это условие для отбора записей.
быстрый фильтр (фильтр по выделенному)
применить/отменить фильтр

Фильтрация
удалить фильтр
редактировать текущий фильтр
с таблицей хранится только один фильтр
не все условия можно записать
какие нельзя?
ANDOR

Задача
В чём разница между фильтрами:
а) Предмет = 'Математика' AND Класс = 2 OR Год издания > 2009
б) Предмет = 'Математика' OR Класс = 2
AND Год издания > 2009
в) Предмет = 'Математика' OR Год издания > 2009 AND Класс = 2
г) Предмет = 'Математика' AND Год издания > 2009 OR Класс = 2

Задача
Сколько записей будет отобрано:
а)Пол = 'ж' AND Химия > Биология
б)Пол = 'ж' OR Химия > Биология
в)Пол = 'м' AND Математика > Информатика
г)Пол = 'м' OR Математика > Информатика
д)Пол = 'ж' AND Русский язык > 70 OR Информатика > 80
е)Пол = 'ж' OR Русский язык > 70 AND Информатика > 80
ж)Пол = 'м' AND Информатика > 80 OR Русский язык > 60
з)Пол = 'м' OR Информатика > 80 AND Русский язык > 60

Однотабличная БД

Создание базы данных
ключ
текущее поле
свойства текущего поля

Типы полей
Текст [VARCHAR]
Памятка [LONGVARCHAR]
Целое [INTEGER]
Десятичное [DECIMAL] (денежная сумма)
Вещественное [REAL]
Картинка [LONGVARBINARY]
Логическое [BOOLEAN]
Дата [DATE];
Время [TIME];
Дата/Время [TIMESTAMP].

Свойства полей
максимальный размер для текста
количество знаков в дробной части
значение по умолчанию
автозначение (да/нет)
обязательное (да/нет)

Индексы
ЛКМ
создать
удалить
переименовать

Операции с таблицами

Многотабличная БД
N
1
N
1
Пример:

Создание таблиц
INTEGER
DECIMAL

Установка связей между таблицами
Сервис – Связи

Заполнение таблиц

Базы данных
§ 17. Запросы

Что такое запрос?
Запрос – это обращение к СУБД для отбора записей или выполнения других операций с данными.
SQL (англ. Structured Query Language – язык структурных запросов).
выборка данных
создание таблиц
редактирование таблиц и записей
изменение записей
удаление записей
удаление таблиц

Конструктор запросов
ЛКМ

Конструктор запросов
выполнить (F5)
перетащить ЛКМ
все поля

Режим SQL
ЛКМ
выбрать
из таблицы

Сортировка

Запуск запроса
2×ЛКМ

Изменение запроса
ЛКМ
ПКМ – Изменить
ПКМ – Редактировать в режиме SQL

Форматирование столбцов
ПКМ – Формат столбца

Условия отбора
Условие отбора

Сложные условия

Сложные условия

Шаблоны
условие с шаблоном

Запросы с параметрами
Параметры – это данные, которые пользователь вводит при выполнении запроса.

Вычисляемые поля
Очки = Ничьи + 3*Победы
ПКМ – Формат столбца

Другие типы запросов
ЛКМ

Запрос данных из нескольких таблиц
добавить все

Запрос данных из нескольких таблиц
перетащить нужные поля
названия при выводе

Запрос данных из нескольких таблиц
ПКМ – Редактировать в режиме SQL
псевдоним

Запрос данных из нескольких таблиц
ПКМ – Формат столбца

Итоговый запрос
Название столбцов при выводе

Итоговый запрос

Базы данных
§ 18. Формы

Зачем нужны формы?
SQL
формы
Форма – это диалоговое окно, с помощью которого пользователь
просматривает
изменяет
добавляет
удаляет
данные из базы.

Создание формы

Создание форм

Редактирование формы
ПКМ - Изменить
ЛКМ

Редактирование формы

Изменение фона
ПКМ – Страница

Настройка элементов
Выделение элемента:
Выделяется поле и связанная надпись

Свойства элемента
Свойства

Навигатор форм
Навигатор форм

Оформление
Элементы управления:
Вставка рисунка:
меню Вставка – Изображение – Из файла
Векторная графика:
Дополнительные элементы управления:
дополнительные
метка
поле

Форма с подчинённой (субформой)
Таблица Заказы
ЗапросЗаказы
ЗапросКОплате

Форма с подчинённой (субформой)

ПКМ – Изменить
Форма с подчинённой
Удалить столбец Заказ

Добавление третьей формы
Навигатор форм

Добавление третьей формы
ПКМ

Добавление элементов на форму
нарисовать область
метка на форме
ПКМ – Свойства

Добавление элементов на форму

Добавление элементов на форму
нарисовать область
Поле валюты на форме

Добавление элементов на форму
ПКМ – Свойства
ЛКМ

Кнопочные формы
2×ЛКМ

Макросы
Макрос (макрокоманда) – это подпрограмма для автоматизации действий пользователя.
OpenOffice: OpenOffice Basic (+Python, Java, Javascript)
Microsoft Office: Visual Basic for Applications (VBA)
Сервис – Макросы – Управление макросами – OpenOffice Basic
ЛКМ
ЛКМ
Без русских букв и пробелов

Ввод макроса
Sub OpenMeal
ThisDataBaseDocument.FormDocuments.getbyname("Заказы").close
ThisDataBaseDocument.FormDocuments.getbyname("Блюда").open
End Sub
начало макроса
имя макроса
конец макроса
активный документ
формы документа
найти по имени
закрыть
открыть

Связывание макроса с кнопкой
2×ЛКМ
ЛКМ
ЛКМ
макрос – обработчик события

Базы данных
§ 19. Отчёты

Что такое отчёт?
Отчет – это документ, предназначенный для вывода данных на печать.

Как создать отчёт?

Редактирование отчёта

Использование Oracle Report Builder
http://extensions.openoffice.org/en/project/oracle-report-builder
Свойства (F4)

Отчёт с группировкой

Отчёт с группировкой

Редактирование отчёта

Сумма заказа

Использование Oracle Report Builder
http://extensions.openoffice.org/en/project/oracle-report-builder

Использование Oracle Report Builder
Метка
Поле

Использование Oracle Report Builder
ПКМ – Новая функция

Использование Oracle Report Builder
ЛКМ

Базы данных
§ 20. Нереляционные базы данных

Проблемы реляционных БД
данные нужно разбить на множество таблиц
человек мыслит не таблицами, а объектами
данные об одном объекте разбросаны по нескольким таблицами ⇒ замедление запросов
структура хранимых объектов строго определена и не может меняться
как хранить объекты с разными свойствами?
как распределить нагрузку между серверами в Интернете? (реляционные БД плохо масштабируются)

Базы данных NoSQL
NoSQL = Not Only SQL
базы данных «ключ-значение»
большие разреженные таблицы
документоориентированные БД
графовые БД

БД «ключ-значение»
добавление записи
поиск по ключу
удаление записи по ключу
изменение записи по ключу
data(12345) = "Вася"
номер сервера:
12345 mod 100 = 45
Масштабируемость – возможность распределить нагрузку на несколько серверов.
Redis
DynamoDB
MemcacheMemcacheDB

БД «ключ-значение»
близость к человеческому восприятию
масштабируемость
ключи
не поддерживаются связи между объектами
нет стандарта на язык управления данными
запросы – только поиск по ключу (сортировка?)

Большие разреженные таблицы
два ключа – номера строки и столбца
не все ячейки заполнены

Документо-ориентированные БД
{ ключ: 1231239786234762394769237,
автор: "solaris",
название: "Новая ОС",
дата: "15.12.2016",
текст: "Начал писать операционку...",
комментарии: [
{ автор: "linus",
дата: "16.12.2016",
текст: "Отлично! Держи в курсе."
}
]
}
хэш-код
набор полей произвольный
документы в одной базе могут иметь разный набор полей

Базы данных на основе графов
объекты в базе – данные об узлах и связях
NeoNeo4Neo4j

Базы данных
§ 21. Экспертные системы

Что такое экспертная система?
Экспертная система – это компьютерная программа, задача которой – заменить человека-эксперта при выработке рекомендаций для принятия решений в сложной ситуации.
искусственный интеллект
Эксперт
обладает глубокими знаниями
имеет опыт работы в своей области
может ответить на вопросы, на которые нельзя найти ответы в Интернете
может предложить решение плохо поставленных задач
может примерно оценить вероятность своей версии

Состав экспертной системы
база знаний
блок получения решения («решатель»)
интерфейс с пользователем
База знаний
Факты
у окуня есть жабры
Иван – отец Марьи
Волга впадает в Каспийское море
Правила
если x – животное и x дышит жабрами, то x – рыба;
если x – отец y, и y – отец z, то x – дед z;
если x состоит из атомов углерода и обладает высокой твердостью, то x – алмаз.
эксперт
инженер по знаниям

Экспертная система: пример
есть перья ⇒ птица
дышит жабрами ⇒ рыба
кормит детенышей молоком ⇒ млекопитающее
млекопитающее и ест мясо ⇒ хищник
кормит детей молоком?
ест мясо?

Экспертные системы: итоги
ЭС применяется в достаточно узкой области
использует базу знаний, которая может расширяться
может применяться при неточных и противоречивых данных
выдает ответ в виде рекомендации
может показать, как получено решение
опыт и интуицию экспертов сложно свести к правилам
отладка и проверка ЭС очень сложна, трудно гарантировать правильность выводов
ЭС неспособны самообучаться, необходима работа инженера по знаниям

Конец фильма
ПОЛЯКОВ Константин Юрьевич
д.т.н., учитель информатики
ГБОУ СОШ № 163, г. Санкт-Петербург
[email protected]
ЕРЕМИН Евгений Александрович
к.ф.-м.н., доцент кафедры мультимедийной дидактики и ИТО ПГГПУ, г. Пермь
[email protected]