Введение в базы данных

База данных (БД) – это совокупность взаимосвязанных, хранящихся вместе на внешних носителях памяти компьютера данных при наличии такой организации и минимальной избыточности, которая допускает их использование оптимальным образом для одного или нескольких приложений;
данные запоминаются и используются так, чтобы они были независимы от программ, использующих эти данные, а программы были независимы от способа и структуры хранения данных;
для добавления новых или модификации существующих данных, а также для поиска данных в БД применяется общий управляющий способ.

Комплекс программ, реализующих создание БД и поддержание ее в актуальном состоянии, а также обеспечивающих различным пользователям возможность использовать информацию, хранящуюся в БД в своих целях, называется системой управления базой данных (СУБД).

Комплексное использование хранимой информации сложной структуры и значительного объема;
Независимость программ обработки данных от физической структуры БД;
Каждый элемент данных вводится в БД один раз и хранится в ней в единственном экземпляре. При вводе данных осуществляется проверка на дублирование данных;
Структура данных должна позволять включать новые и удалять устаревшие данные, а также вносить изменения в хранящиеся данные. При этом не должна меняться общая схема БД;
Требования к БД:

Способ хранения данных на устройствах памяти должен обеспечивать возможность работы с данными в режиме диалога;
В системе возможно возникновение ошибок в результате неосторожных действий пользователей, несанкционированного доступа, ошибок в программах и сбоев оборудования. Данные должны быть защищены от разрушений и существуют механизмы восстановления искаженных данных;
Требования к БД:

Обеспечение для пользователей авторизованного доступа к данным, использование средств криптографии и ограничений целостности;
Возможность обеспечения разнообразных запросов различных пользователей.
Требования к БД:

Классификация баз данных

Система управления базой данных
СУБД - это программное обеспечение, которое взаимодействует с прикладными программами пользователя и базой данных и обладает следующими возможностями.
позволяет создать базу данных;
позволяет вставлять, обновлять, удалять и извлекать информацию из базы данных;
предоставляет контролируемый доступ к базе данных с помощью перечис­ленных ниже средств:
системы обеспечения защиты, предотвращающей несанкционированный доступ к базе данных со стороны пользователей;

Система управления базой данных
системы поддержки целостности данных, обеспечивающей непротиворе­чивое состояние хранимых данных;
системы управления параллельной работой приложений, контролирую­щей процессы их совместного доступа к базе данных;
системы восстановления, позволяющей восстановить базу данных до предыдущего непротиворечивого состояния, нарушенного в результате сбоя аппаратного или программного обеспечения;
доступного пользователям каталога, содержащего описание хранимой в базе данных информации.

Система управления базой данных
Если прикладная информационная система опирается на некоторую систему управления данными, обладающую свойствами:
поддержание логически согласованного набора файлов;
обеспечение языка манипулирования данными;
восстановление информации после разного рода сбоев;
реально параллельная работа нескольких пользователей;
средства программирования для создания приложений
то эта система управления данными является системой управления базами данных (СУБД).

Основные функции СУБД
Непосредственное управление данными во внешней памяти
Эта функция включает обеспечение необходимых структур внешней памяти как для хранения данных, непосредственно составляющих БД, так и для хранения служебной информации, например, для хранения информации о структуре БД, индексы.

Управление буферами оперативной памяти
СУБД обычно работают с БД значительного размера, по крайней мере, этот размер обычно существенно больше доступного объема оперативной памяти. Понятно, что если при обращении к любому элементу данных каждый раз будет производиться обмен с внешней памятью, то вся система будет работать со скоростью устройства внешней памяти. Практически единственным способом реального увеличения этой скорости является буферизация данных в оперативной памяти.
Некоторые реализации СУБД опираются на возможности операционных систем. В развитых СУБД поддерживается собственный набор буферов оперативной памяти с собственной дисциплиной замены буферов, даже если операционная система производит общесистемную буферизацию.

Управление транзакциями
Транзакция - это, неделимая с точки зрения воздействия на БД, последовательность элементарных операций манипулирования над данными, рассматриваемая СУБД как единое целое, такая, что, либо результаты всех операторов, входящих в транзакцию отображаются в БД, либо воздействие всех этих операторов полностью отсутствует.
Поддержание механизма транзакций является обязательным условием даже однопользовательских СУБД. Но понятие транзакции гораздо более важно в многопользовательских СУБД. То свойство, что каждая транзакция начинается при целостном состоянии БД и оставляет это состояние целостным после своего завершения, делает удобным использование понятия транзакции как единицы активности пользователя по отношению к БД.

Система, поддерживающая процесс транзакции, гарантирует, что если во время выполнения неких обновлений произошла ошибка любой природы, то все эти обновления будут аннулированы. Транзакция или выполняется полностью, или полностью отменяется.

Транзакции обладают четырьмя важными свойствами, известными как ACID: атомарность (Atomicity), согласованность (Consistency), изолированность (Isolation), долговечность (Durability). Традиционные транзакции называют ACID-транзакциями. Рассмотрим свойства ACID.
Свойство атомарности заключается в том, что транзакция должна быть выполнена целиком, либо не выполнена вовсе.
Свойство согласованности гарантирует, что транзакции переводят базу данных из одного согласованного (целостного) состояния в другое без обязательной поддержки согласованности на промежуточных этапах выполнения операторов транзакции.

Свойство изоляции означает, что конкурирующие за доступ к базе данных транзакции физически обрабатываются последовательно, т.е. изолированно друг от друга, но для пользователей это выглядит так, как будто они выполняются параллельно.
Свойство долговечности гарантирует сохранение изменений в БД, произведенных транзакцией, если она успешно завершена. Изменения данных не могут быть потеряны ни при каких обстоятельствах, даже если в следующий момент времени после нормального завершения транзакции произойдет ошибка или системный сбой.

Существует два способа завершения транзакций: фиксация и откат.
Фиксация транзакции — действие, обеспечивающее запись на диск изменений в БД, которые были сделаны в процессе выполнения транзакции. До тех пор пока транзакция не зафиксирована, еще возможно аннулирование изменений и восстановление БД в состояние, предшествующее началу выполнения транзакции. В результате фиксации транзакции все изменения в БД становятся постоянными. Если в процессе выполнения транзакции возникает исключительная ситуация, которая делает невозможным нормальное завершение данной транзакции, база данных должна быть возвращена в исходное состояние.
Откат транзакции — это действие, аннулирующее все изменения данных, которые были выполнены операторами SQL в теле текущей незавершенной транзакции.

Журнализация
Под надежностью хранения понимается то, что СУБД должна быть в состоянии восстановить последнее согласованное состояние БД после любого аппаратного или программного сбоя. Обычно рассматриваются два возможных вида аппаратных сбоев: так называемые мягкие сбои, которые можно трактовать как внезапную остановку работы компьютера (например, аварийное выключение питания), и жесткие сбои, характеризуемые потерей информации на носителях внешней памяти. Примерами программных сбоев могут быть: аварийное завершение работы СУБД (по причине ошибки в программе или в результате некоторого аппаратного сбоя) или аварийное завершение пользовательской программы, в результате чего некоторая транзакция остается незавершенной.

Журнал - это особая часть БД, недоступная пользователям СУБД, в которую поступают записи обо всех изменениях основной части БД.
При работе с журналом придерживаются стратегии "упреждающей" записи в журнал (протокол Write Ahead Log - WAL). Эта стратегия заключается в том, что запись об изменении любого объекта БД должна попасть во внешнюю память журнала раньше, чем измененный объект попадет во внешнюю память основной части БД.

Поддержка языков БД
Для работы с базами данных используются специальные языки, называемые языками баз данных. В ранних СУБД поддерживалось несколько специализированных по своим функциям языков. Чаще всего выделялись два языка - язык определения схемы БД и язык манипулирования данными. В современных СУБД обычно поддерживается единый интегрированный язык, содержащий все необходимые средства для работы с БД, начиная от ее создания, и обеспечивающий базовый пользовательский интерфейс с базами данных - язык SQL (Structured Query Language).

Типовая организация СУБД
Логически в современной СУБД можно выделить наиболее внутреннюю часть – ядро СУБД, компилятор языка БД (обычно язык SQL), подсистему поддержки времени выполнения, набор утилит.

Ядро СУБД отвечает за управление данными во внешней памяти, управление буферами оперативной памяти, управление транзакциями и журнализацию. Ядро СУБД является основной резидентной частью СУБД. При использовании архитектуры «клиент-сервер» ядро является основной составляющей серверной части системы.

Ядро СУБД отвечает за управление данными во внешней памяти, управление буферами оперативной памяти, управление транзакциями и журнализацию. Ядро СУБД является основной резидентной частью СУБД. При использовании архитектуры «клиент-сервер» ядро является основной составляющей серверной части системы.

Основной функцией компилятора языка БД является компиляция операторов языка БД в некоторую выполняемую программу. Результатом компиляции является выполняемая программа, представляемая в некоторых системах в машинных кодах, но более часто в выполняемом внутреннем машинно-независимом коде. В последнем случае реальное выполнение оператора производится с привлечением подсистемы поддержки времени выполнения, представляющей собой, по сути дела, интерпретатор этого внутреннего языка.