Bazy danych Wprowadzenie Wykład dla IV i V roku matematyki

Transkrypt

1 Bazy danych Wprowadzenie Wykład dla IV i V roku matematyki 28 lutego 2016

2 Literatura Podstawowy wykład z systemów baz danych, J.D.Ullman, J.Widom, wyd. WNT Systemy baz danych. Pełny wykład, H.Garcia-Molina, J.D.Ullman, J.Widom, wyd. WNT

3 Systemy informacyjne Komputery obecnie służa przede wszystkim do przechowywania informacji i zarzadzania nia, a nie do szybkich obliczeń numerycznych. Duże projekty informatyczne używajace baz danych to często najbardziej złożone przedsięwzięcia podejmowane przez firmy. Przykład: systemy informowania kierownictwa (MIS) moga obejmować: dane finansowe firmy; wyniki badań rynku, materiały marketingowe; informacje o aktualnych i potencjalnych klientach.

4 Zastosowania baz danych Tradycyjne zastosowania: Obsługa wpłat i wypłat w banku. Rezerwacja biletów lotniczych. Przegladanie katalogu bibliotek UW w internecie. Zakupy w supermarkecie. Kartoteki pracowników (kadry i płace). Księgowość

5 Zastosowania baz danych Obecnie coraz więcej innych zastosowań z zupełnie nowymi problemami: Multimedialne bazy danych: obrazy, muzyka, filmy. Geograficzne systemy informacyjne (Geographic Information Systems GIS). Systemy analizy danych (Online Analytical Processing OLAP) wykorzystujace hurtownie danych. Poszukiwanie prawidłowości w danych (Data mining). Naukowe i medyczne bazy danych Wyszukiwarki informacji: Google, Amazon itp.

6 Zastosowania baz danych Bazy danych charakteryzuja się przy tym pewna specyfika: Ograniczone języki programowania (jedyna dziedzina, gdzie używa się w praktyce języków programowania o mocy słabszej niż maszyna Turinga) Ale za to specyficzne problemy zwiazane z optymalizacja wykonania zapytań dla wielkich zbiorów danych; synchronizacja wielu transakcji wykonywanych równocześnie

7 Model danych Matematyczne reprezentacja danych pozwalajaca opisywać ich własności w sposób ścisły, przykłady: relacje (odpowiadajace tabelom) w modelu relacyjnym drzewa lub grafy w modelach semistrukturalnych Operacje na danych Ograniczenia (więzy) zapewniajace poprawność

8 Przykład relacji (tabeli) Narty model producent Cool Minx Atomic Jewel Cristal Salomon

9 Schemat Schemat relacji = nazwa relacji i lista atrybutów Dodatkowo można podać typy atrybutów Przykłady: Narty(model, producent) Narty(model:string, producent:string) Schemat bazy danych = schematy wszystkich relacji zawartych w bazie danych Baza danych = kolekcja relacji

10 Zalety relacji Bardzo prosty model Często intuicyjnie (zwłaszcza wśród biurokratów ;-) pasuje do danych Znane własności matematyczne Stanowi podstawę języka SQL

11 Większy przykład Narty(model, producent) Wypożyczalnie(nazwa, adres, telefon) Narciarze(nazwisko, adres, telefon) Lubi(narciarz, narty) Wypożycza(wypożyczalnia, narty, cena) Korzysta(narciarz, wypożyczalnia) Podkreśleniem zaznaczamy klucz: atrybut(y) taki, że w żadnych dwóch krotkach tabeli nie może mieć takiej samej wartości Klucz to przykład ograniczenia (więzów).

12 Realizacja: pliki System plików Unixa czy Macintosha to bardzo prymitywny rodzaj bazy danych Dane przechowuje się w nazwanych kawałkach (plikach), nie posiadajacych żadnej wewnętrznej struktury. Zalety: prostota zarzadzania (po prostu jest fragmentem systemu operacyjnego), wystarczy od czasu do czasu zachować kopię archiwalna na CD.

13 Wady plików Załóżmy, że tabelę Narciarze zapisaliśmy w osobnym pliku, każdy wiersz w osobnej linii, rozdzielajac pola na przykład znakiem pionowej kreski ( ). Pierwszy kłopot to modyfikacje Jeśli próbujemy zmienić adres jednego z narciarzy, a nowy adres jest dłuższy niż stary, to zamażemy (być może częściowo) jego telefon. A jeżeli jest dużo dłuższy, to może i następny wiersz. Wniosek: trzeba zapamiętać cała resztę pliku i zapisać na nowo. Jeśli nowy adres będzie krótszy niż stary, to z kolei powstanie dziura.

14 Wady plików Co się jednak stanie, gdy dwie osoby równocześnie spróbuja wykonać taka operację? Każda z nich zapamięta dotychczasowa resztę pliku, a następnie obie zaczna wpisywać nowa wartość. Być może obie zmiany wykonaja się poprawnie. A być może jedna z nich zostanie utracona. Najgorzej będzie, gdy wpisywane zmiany zostana przemieszane tak, że żadna z nich nie będzie poprawna.

15 Wady plików Potrzebujemy więc jakiegoś mechanizmu synchronizacji. Najprościej byłoby użyć blokad: Ten kto pierwszy zaczał modyfikować rezerwuje cały plik tylko dla siebie. Pozostali musza czekać aż skończy. Jest to świetne rozwiazanie, gdy współbieżność jest niewielka (a najlepiej, gdy wcale jej nie ma ;-) Słabo sprawdza się jednak w przypadku systemu rezerwacji biletów lotniczych, gdy kilkadziesiat żadań napływa równocześnie.

16 Zalety realizacji w bazie danych Skorzystanie ze specjalizowanego systemu zarzadzania bazami danych (ang. DBMS od Data Base Management System) ma szereg zalet: Abstrakcja od szczegółów fizycznej implementacji, niezależność programów od danych, zwłaszcza od sposobu ich przechowywania. Komunikacja na poziomie modelu danych relacji, z użyciem specjalizowanego języka dostępu do danych: najczęściej SQL. Opis struktury bazy danych (schemat) także przechowywany w bazie: relacje katalogowe słownik bazy danych Zawarte w katalogu informacje opisujace strukturę bazy danych nazywa się metadanymi

17 System zarzadzania bazami danych Dlatego potrzebujemy wyspecjalizowanego narzędzia: systemu zarzadzania bazami danych (DBMS, od Data Base Management System). W takim systemie baza danych zorganizowana jest inaczej, tak aby ułatwić modyfikacje i współbieżna pracę. Do przyśpieszenia wyszukiwania można tworzyć indeksy. Do synchronizacji zadań wielu użytkowników używa się mechanizmu transakcji.

18 SQL Specjalizowany język programowania z konstrukcjami zarówno do definiowania schematu danych, jak i do operowania na zawartości bazy. Definiowanie tabeli CREATE TABLE Narty ( model VARCHAR(20) PRIMARY KEY, producent VARCHAR(20) ); Usuwanie definicji tabeli DROP TABLE Narty;

19 Transakcje ACID Operacje na bazie danych powinny być wykonywane wewnatrz transakcji o następujacych własnościach: Atomicity czyli niepodzielność: transakcja ma być wykonana w całości albo wcale. Consistency czyli spójność: transakcja przeprowadza bazę danych z legalnego stanu w (być może inny) legalny stan. Isolation czyli izolacja: gdy dwie transakcje sa przeprowadzane jednocześnie, ich działania nie moga na siebie wpływać. Durabilityczyli trwałość: jeśli transakcja zakończy się pomyślnie, to jej wyniki nie moga zostać utracone z powodu awarii systemu.

20 Role (aktorzy) Administratorzy baz danych (DataBase Administrators DBA) Projektanci baz danych Użytkownicy doraźni zaawansowani Programiści Analitycy systemów (często nazywani administratorami danych).

21 Korzyści Niezależność danych, kontrola nadmiarowości ( redundancji ) Wydajny dostęp do danych Poufność, ograniczanie niepowołanego dostępu Współbieżny dostęp Trwała pamięć dla obiektów i struktur danych programów Wdrażanie więzów integralności Archiwizacja i odtwarzanie po awariach Automatyczne uruchamianie akcji wywoływane zmiana zawartości bazy

22 NoSQL = Not only SQL NoSQL = Not only SQL czyli Nie samym SQLem... RBD i SQL to nie magiczne różdżki rozwiazuj ace każdy problem to tylko narzędzia, które nie zawsze pasuja do rozwiazywanego problemu. Relacyjny model danych przewidziano od obsługi danych strukturalnych, o predefiniowanym, kompletnym schemacie (w postaci tabel wierszy). Wiele z danych używanych obecnie nie pasuje (z różnych powodów) do przyjętych założeń, zwłaszcza ze względu na brak sztywnej struktury. Swoja popularność relacyjne bazy danych zawdzięczaja uniwersalności. Zapytania sa elastyczne nie trzeba szczegółowo planować specjalnej struktury bazy danych zależnie od konkretnej aplikacji.

23 NoSQL Model kolumnowy: Każda kolumnę tabeli przechowujemy osobno. Bazy danych z tej rodzina obsługuja olbrzymie ilości danych. Przykłady: Google Big Table, Apache Cassandra, HBase.

24 NoSQL Pamięci klucz-wartość: Dane przechowywane sa w postaci odzworowań reprezentowanych parami klucz-wartość. Taka forma bazy danych bardzo dobrze pasuje do aplikacji z szybko zmieniajacymi się danymi, jak notowania giełdowe. Przykłady: Amazon Dynamo, Riak, Redis.

25 NoSQL Bazy dokumentów: Termin o szerokim znaczeniu. Baza dokumentów zawiera kolekcje par klucz-wartość umieszczone wewnatrz dokumentów. Jak wskazuje nazwa, dobra do gromadzenia i udostępniania dokumentów, brak nacisku na transakcje i trwałość podczas modyfikacji. Przykłady: MongoDB, CouchDB.

26 NoSQL Grafowe bazy danych: Zawieraja wierzchołki i powiazania między wierzchołkami. Wierzchołki moga dodatkowo zawierać własności klucz-wartość. Zwykle brak schematu, budowana ad-hoc, dobra do danych o zmiennej postaci. Dostęp do informacji przez przechodzenie grafu. Zapytanie ma postać opisu przejścia nawigacji od wierzchołków poczatkowych poprzez powiazane wierzchołki zgodnie z odpowiednim algorithmem. Przykłady: Neo4j, AllegroGraph.