Bazy danych. Wprowadzenie. SKiBD

Transkrypt

1 Bazy danych Wprowadzenie SKiBD

2 Motywacja do rozwoju baz danych Posiadanie dużej ilości danych Trudności w przechowywaniu i udostępnianiu danych Konieczność szybkiego dostępu do informacji Potrzeba: Przechowywanie i przetwarzanie informacji o obiektach występujących w rzeczywistości 2

3 Przykład Firma sprzedająca pewne produkty Pracownicy spędzają dużo czasu na wypełnianiu dokumentów w formie papierowej Kierownictwo chce usprawnić działanie firmy Istnieje zapotrzebowanie na informacje analityczne: Które produkty sprzedają się najlepiej? Którzy klienci przynoszą największe zyski? Jaka jest dynamika sprzedaży? Narzędzie Obecnie wykonanie do realizacji takich zasygnalizowanych analiz jest czasochłonne potrzeb: i żmudne System Aktualne informatyczny wyniki analiz zastępujący pozwolą podejmować dotychczasowe decyzje prace: baza prowadzące danych do klientów, wzrostu sprzedaży, zysków firmy magazynu, podsumowania 3

4 Co to jest baza danych Struktura do przechowywania informacji Związek informacji z rzeczywistością Określony format umożliwiający szybki dostęp do danych Przykład złej organizacji informacji Zbiór Kartki informacji ze swobodnym o książkach opisem, w odręcznym: bibliotece: - jednolity brak jednolitego format kart formatu opisujących książki - porządek utrudnienie alfabetyczny dostępu do wg informacji nazwisk autorów - różnorodność informacji 4

5 Wnioski Wprowadzenie określonej struktury (formatu) pozwala na: uporządkowanie informacji szybsze i łatwiejsze operowanie informacją Postulat należy skonstruować strukturę pozwalającą: przechowywać różne dane opracować jednolite reguły przetwarzania takich danych 5

6 Teoria Codd a E. F. Codd 1970 relacyjny model danych (poszukiwana struktura) silne podstawy teoretyczne (teoria mnogości: zbiory, relacje) prostota rozwiązania (struktura tabeli) reprezentacja danych w oderwaniu od fizycznej implementacji uniwersalny przenośny język operowania danymi Autor Tytuł Rok określanie operacji na zbiorach zamiast przetwarzania L.Banachowski Bazy Danych, tworzenie aplikacji pojedynczych elementów Sygnat Mei Kobayashi Wavelets and their applications Ulka Rodgers Oracle, przewodnik projektanta baz danych

7 Systemy baz danych Korzyści z zastosowania systemu bazy danych ukrycie fizycznych aspektów przechowywania danych standardowy język manipulacji danymi (SQL) umożliwienie projektowania na poziomie pojęć odpowiadających obiektom występującym w rzeczywistości System bazy danych SQL Implementacja pojęć i związków Interfejs użytkownika 7

8 Producenci systemów baz danych Oracle IBM (DB2) Microsoft (SQL Server) Informix Sybase Interbase inne (np. MySQL AB) Microsoft Access oprogramowanie umożliwiające realizację prostych jednostanowiskowych baz danych. Zawiera pakiet do graficznego projektowania i realizacji aplikacji 8

9 Definicje pojęć Pole pojedynczy niepodzielny element informacji Nazwa identyfikuje pole Typ zbiór wartości które może przyjąć Wartość informacja zapisana w polu Rekord nieuporządkowany zbiór różnych pól Tabela nieuporządkowany zbiór rekordów tego samego typu 9

10 Reprezentacja graficzna Tabela zbiór obiektów tego samego rodzaju 10

11 Reprezentacja graficzna Każdy wiersz (rekord) opisuje jeden obiekt. 11

12 Reprezentacja graficzna Pole 1 Pole 2 Pole 3 Pole 4 Pole 5 Pole6 Pole pojedynczy atrybut, cecha obiektu Nagłówek tabeli opis pól rekordów 12

13 Reprezentacja graficzna Pole 1 Pole 2 Pole 3 Pole 4 Pole 5 Pole6 Kolumna zbiór pól tego samego rodzaju wszystkich obiektów 13

14 Unikalny identyfikator rekordu Potrzeba jednoznacznej identyfikacji rekordu - nie mogą istnieć dwa takie same rekordy Klucz minimalny zbiór pól, na podstawie których można jednoznacznie identyfikować rekordy Uproszczenie klucza - wprowadzenie dodatkowego pola zawierającego unikalny identyfikator Przykłady unikalnych identyfikatorów w życiu NR indeksu studenta zamiast: PESEL NIP nazwisko, imię, rok urodzenia, imię ojca, matki 14

15 Własności elementów tabeli kolejność pól w rekordzie nie jest ważna kolejność rekordów w tabeli nie jest istotna w tabeli nie może być dwóch identycznych rekordów Operowanie zbiorami zamiast elementami zbiorów - - zbliżenie do języka naturalnego 15

16 Przykład wyrażeń w różnych językach Język naturalny: wybierz nazwiska pracowników, których pensja przekracza 3000zł Język zapytań (SQL): WYBIERZ SELECT nazwisko FROM Z pracownicy WHERE GDZIE pensja > 3000 Język proceduralny (język C): for (i = 1; i<= LiczbaRekordów; i = i+1) { if (rekord[i].pensja > 3000) {... wydrukuj rekord... } } 16

17 Iloczyn kartezjański zbiorów Iloczyn kartezjański dwóch zbiorów A, B jest zbiorem wszystkich możliwych par {a i, b i }, gdzie a i, b i są odpowiednio elementami zbiorów A, B Przykład A = {5, 1} B = {3, 2, 1} A x B = { {5,3} {5,2} {5,1} {1,3} {1,2} {1,1} } 17

18 Relacja Relacją R nazywamy uporządkowaną trójkę zbioru{a, grr, B}, gdzie: A oznacza zbiór argumentów relacji, B oznacza zbiór wartości relacji zaś grr (graf relacji, wykres relacji) jest pewnym podzbiorem iloczynu kartezjańskiego A x B definicja podana na przedmiocie Algebra i Teoria Mnogości 18

19 Przykład relacji (związku) Opisanie związku występującego w rzeczywistości: kto prowadzi jakie zajęcia mgr Kowalski dr Nowak dr Kamiński Teoria pola Elektronika, Algebra nie prowadzi zajęć w tym semestrze (urlop habilit.) Zbiory: A = Pracownicy mgr Kowalski dr Nowak dr Kamiński B = Przedmioty Teoria pola Algebra Elektronika Iloczyn Podzbiór kartezjański iloczynu kartezjańskiego C = A x B C = A x B Wszystkie Tylko te pary możliwe które są pary zgodne (pracownik, z rzeczywistością: przedmiot) każdy z każdym {Kowalski, Teoria pola}, {Nowak, Elektronika}, {Nowak, Algebra} 19

20 Realizacja relacji z użyciem tabel Tabela zawierająca elementy zbioru A ID A (klucz) Tabela zawierająca elementy zbioru B ID B (klucz) Dodatkowa tabela zawierająca zbiór par pozostających w związku ID A ID B Każdy rekord tabeli dodatkowej opisuje pojedynczą parę 20

21 Przykład Tabela zawierająca Pracowników Tabela zawierająca Przedmioty Nazwisko tytuł ID A (klucz) ID B (klucz) Nazwa Kowalski mgr 1 Nowak dr 2 Kamiński dr 3 1 Algebra 2 Elektronika 3 Teoria pola Dodatkowa tabela zawierająca zbiór par Pracownik - Przedmiot ID A ID B Każdy rekord tabeli dodatkowej opisuje pojedynczą parę 21

22 Definicje pojęć (cd.) Baza danych zbiór tabel oraz związków (relacji) Indeks lista określająca porządek rekordów wg. pewnego kryterium Z punktu widzenia teorii indeks nie jest konieczny ale przyspiesza operacje na danych. Przykład Indeks pracowników wg alfabetycznej kolejności nazwisk 22

23 Operacje 1) Operacje wywodzące się z teorii mnogości 2) : Suma A B, suma rekordów Iloczyn A B, część wspólna Różnica A B, rekordy tabeli A nie występujące w tabeli B Iloczyn kartezjański A x B, wszystkie pary rekordów (a, b) Operacje relacyjne: Selekcja Projekcja Złączenie wybór rekordów na podstawie kryterium ukrycie niektórych pól rekordów połączenie rekordów dwóch tabel na podstawie równości ustalonych pól Uwagi 1) Wynikiem każdej operacji jest tabela 2) Format rekordów tabel A i B musi być taki sam 23

24 Przykład sumy Tabela pracownicy1 Instytut Nazwisko Tytuł Tabela pracownicy2 Instytut Nazwisko Tytuł I-14 Kowalski mgr I-14 Nowak dr I-15 Dębski mgr I-16 Wrocławski mgr I-14 Kamiński dr I-13 Karwowski mgr I-12 Czyżewska dr I-12 Dąbrowski mgr 24

25 Przykład sumy Wynik sumy tabel pracownicy1 oraz pracownicy2 Instytut Nazwisko Tytuł I-14 Kowalski mgr I-14 Nowak dr I-15 Dębski mgr I-16 Wrocławski mgr I-14 Kamiński dr I-13 Karwowski mgr I-12 Czyżewska dr I-12 Dąbrowski mgr 25

26 Przykład iloczynu (część wspólna) Tabela pracownicy1 Instytut Nazwisko Tytuł Tabela pracownicy2 Instytut Nazwisko Tytuł I-14 Kowalski mgr I-14 Nowak dr I-15 Dębski mgr I-16 Wrocławski mgr I-14 Kamiński dr I-13 Karwowski mgr I-14 Nowak dr I-14 Kamiński dr 26

27 Przykład iloczynu (część wspólna) Tabela pracownicy1 Instytut Nazwisko Tytuł Tabela pracownicy2 Instytut Nazwisko Tytuł I-14 Kowalski mgr I-14 Nowak dr I-15 Dębski mgr I-16 Wrocławski mgr I-14 Kamiński dr I-13 Karwowski mgr I-14 Nowak dr I-14 Kamiński dr 27

28 Przykład iloczynu (część wspólna) Wynik iloczynu tabel pracownicy1 i pracownicy 2 Instytut Nazwisko Tytuł I-14 Nowak dr I-14 Kamiński dr 28

29 Przykład różnicy Tabela pracownicy1 Instytut Nazwisko Tytuł Tabela pracownicy2 Instytut Nazwisko Tytuł I-14 Kowalski mgr I-14 Nowak dr I-15 Dębski mgr I-16 Wrocławski mgr I-14 Kamiński dr I-13 Karwowski mgr I-14 Nowak dr I-14 Kamiński dr 29

30 Przykład różnicy Tabela pracownicy1 Instytut Nazwisko Tytuł Tabela pracownicy2 Instytut Nazwisko Tytuł I-14 Kowalski mgr I-14 Nowak dr I-15 Dębski mgr I-16 Wrocławski mgr I-14 Kamiński dr I-13 Karwowski mgr I-14 Nowak dr I-14 Kamiński dr 30

31 Przykład różnicy Wynik różnicy: pracownicy1 minus pracownicy2 Instytut Nazwisko Tytuł I-14 Kowalski mgr I-15 Dębski mgr I-16 Wrocławski mgr 31

32 Przykład iloczynu kartezjańskiego Tabela pracownicy ID A Nazwisko Tytuł 1 Kowalski mgr 2 Nowak dr 3 Dębski mgr Tabela projekty ID Nazwa 14 Red Runner 125 Wostok 32

33 Przykład iloczynu kartezjańskiego Iloczyn kartezjański tabel pracownicy oraz projekty ID A Nazwisko Tytuł ID Nazwa 1 Kowalski mgr 14 Red Runner 1 Kowalski mgr 125 Wostok 2 Nowak dr 14 Red Runner 2 Nowak dr 125 Wostok 3 Dębski mgr 14 Red Runner 3 Dębski mgr 125 Wostok 33

34 Przykład selekcji Tabela pracownicy ID A (klucz) Nazwisko Tytuł Instytut 1 Kowalski mgr I-16 2 Nowak dr I-16 3 Dębski mgr I-15 4 Wrocławski mgr I-14 5 Kamiński dr I-14 34

35 Przykład selekcji Wybierz pracowników z tytułem doktora ID A (klucz) Nazwisko Tytuł Instytut 1 Kowalski mgr I-16 2 Nowak dr I-16 3 Dębski mgr I-15 4 Wrocławski mgr I-14 5 Kamiński dr I-14 35

36 Przykład selekcji Wynik selekcji: Wybierz pracowników z tytułem doktora ID A (klucz) Nazwisko Tytuł Instytut 2 Nowak dr I-16 5 Kamiński dr I-14 36

37 Przykład projekcji Tabela pracownicy ID A (klucz) Nazwisko Tytuł Instytut 1 Kowalski mgr I-16 2 Nowak dr I-16 3 Dębski mgr I-15 4 Wrocławski mgr I-14 5 Kamiński dr I-14 37

38 Przykład projekcji Wybierz nazwiska i tytuły pracowników ID A (klucz) Nazwisko Tytuł Instytut 1 Kowalski mgr I-16 2 Nowak dr I-16 3 Dębski mgr I-15 4 Wrocławski mgr I-14 5 Kamiński dr I-14 38

39 Przykład projekcji Wynik projekcji: Wybierz nazwiska i tytuły pracowników Nazwisko Kowalski Nowak Dębski Wrocławski Kamiński Tytuł mgr dr mgr mgr dr 39

40 Przykład złączenia Tabela pracownicy ID A Nazwisko Tytuł Inst. 1 Kowalski mgr I-16 2 Nowak dr I-16 3 Dębski mgr I-15 4 Wrocławski mgr I-14 5 Kamiński dr I-14 Tabela instytuty ID I Nazwa I-14 Instytut Metrologii I-15 Instytut Elektrotechniki I-16 Instytut Elektroniki 40

41 Przykład złączenia Wynik złączenia tabel Instytuty i Pracownicy ID A Nazwisko Tytuł Inst. ID I Nazwa 1 Kowalski mgr I-16 I-16 Instytut Elektroniki 2 Nowak dr I-16 I-16 Instytut Elektroniki 3 Dębski mgr I-15 I-15 Instytut Elektrotechniki 4 Wrocławski mgr I-14 I-14 Instytut Metrologii 5 Kamiński dr I-14 I-14 Instytut Metrologii Uwagi 1) Przy określaniu złączenia można użyć innej relacji niż równość (np. mniejszość) 2) Złączenie będzie używane do otrzymania informacji o związkach 41

42 Inne zagadnienia baz danych Jednoczesny dostęp wielu użytkowników Zasilanie bazy danych w informacje (kto, jak, kiedy?) Aktualność danych Zgodność z rzeczywistością (opis obiektów, zależności, reguły) Trwałość danych (przechowywanie przez określony czas) Ochrona danych (utrata, przekłamania) archiwizacja Wartość informacji zawartych w bazie danych 42

43 Język SQL Instrukcje języka SQL Operatory w języku SQL Definiowanie zapytań w SQL u 43

44 Konwencja zapisu SELECT słowo kluczowe parametr nazwa parametru { } wyrażenie opcjonalne [element1 element2] jeden ze zbioru... analogiczna kontynuacja Przykład INSERT INTO tabela { (pole1 {, pole_2 {,...} } ) } VALUES (wartość1 {,wartość2{,...}} ) 44

45 Język SQL DDL [ang. Data Definition Language] - instrukcje definiowania struktury danych DML [ang. Data Manipulation Language] - instrukcje manipulacji na danych: wstawianie, kasowanie, modyfikowanie, wybieranie. Operatory używane w wyrażeniach 45

46 Instrukcje DDL CREATE TABLE - utworzenie nowej tabeli CREATE INDEX - utworzenie indeksu CREATE VIEW - utworzenie perspektywy (nazwanego zapytania) ALTER TABLE - zmiana formatu tabeli (dodanie, usunięcie, zmiana pól tabeli) DROP TABLE - usuniecie tabeli z bazy danych DROP INDEX - usuniecie indeksu z bazy danych DROP VIEW - usuniecie perspektywy 46

47 Instrukcje DML SELECT - wybieranie danych (zapytanie) SELECT INTO - zapisanie wyników zapytania do tablicy INSERT INTO - dodawanie rekordów do tablicy UPDATE - modyfikowanie danych DELETE - usunięcie danych UNION - suma tabel INTERSECT - część wspólna tabel (iloczyn, przecięcie) MINUS - różnica tabel 47

48 Inne elementy SQL Związki LEFT, RIGHT, INNER, OUTER JOIN - określanie związków pomiędzy tabelami PARAMETERS - definiowanie parametrów zapytania Operatory w wyrażeniach Logiczne: AND, OR, NOT Arytmetyczne: + - / * Relacyjne: = < > <= > = < >, BETWEEN... AND, Inne: {NOT} IN, LIKE, IS {NOT} NULL 48

49 Instrukcja SELECT SELECT {predykat} [ * tabela.* {tabela.}pole1 {AS alias1}{,{tabela.}pole2 {AS alias2} {,...}}] FROM wyrażenie_tabelowe {,...} {IN zewnętrzna_baza_danych} {WHERE... } {GROUP BY... } {HAVING... } {ORDER BY... } 49

50 Instrukcja SELECT SELECT które_pola FROM z_której_tabeli {WHERE... } jakie kryterium selekcji {GROUP BY... }- grupowanie {HAVING... }- ograniczenie wybranych rekordów w grupowaniu {ORDER BY... }- porządkowanie klauzule dodatkowe określenie jak wykonać zapytanie Uwaga Istotna kolejność słów kluczowych 50

51 Przykłady instrukcji SELECT 1) SELECT FROM Pracownicy; 2) SELECT Nazwisko, Imię FROM Pracownicy; 3) SELECT Nazwisko, Imię FROM Pracownicy WHERE Pensja > 3000; 4) SELECT Nazwisko, Imię, Pensja FROM Pracownicy WHERE Pensja > 3000 ORDER BY Nazwisko, Imię; 51

52 Zastępcza nazwa - ALIAS ALIAS (synonim) Zastąpienie nazwy pola Zastąpienie nazwy tabeli Skrót upraszczający opis wyrażeń SELECT Nazwisko, Imię, Pensja AS Pobory FROM Pracownicy WHERE Pobory > 3000; SELECT Nazwisko FROM Pracownicy AS Pr WHERE Pr.Pensja > 3000 AND Pr.Data< ; 52

53 Agregacja i grupowanie Agregacja - wyznaczenie pojedynczej wartości dla całej grupy: Sumy, Średniej, wartości maksymalnej, minimalnej Miesiąc Wpływ Razem za cały mc Styczeń 1000 Styczeń Styczeń 4000 Luty SELECT LutyMiesiąc, SUM(Wpływ) 1300 FROM Operacje Marzec GROUP BY Miesiąc; Marzec 2300 Marzec

54 Funkcje agregujące SUM Suma COUNT Liczba elementów w grupie AVG Średnia MAX Wartości maksymalna MIN Wartość minimalnej FIRST Pierwszy z grupy LAST Ostatni z grupy Uwaga Funkcje wyznaczają pojedynczą wartość dla zbioru wartości. 54

55 Zapytania zagnieżdzone Wykorzystanie wyniku jednego zapytania jako parametru drugiego zapytania Tabela Zapytanie1 Tabela2 Wynik1 Zapytanie2 parametr Wynik SELECT Miesiąc, Wpływ FROM Operacje WHERE Wpływ IN (SELECT MAX(Wpływ) FROM Operacje); 55

56 Perspektywy [ang. VIEW] Zapamiętanie zapytania pod określoną nazwą (synonim zapytania) Ukrycie złożonego zapytania ułatwienie dla użytkownika Wspomagają realizację łańcucha zapytań Zapytanie1 Zapytanie2 Tabela Wynik pośredni Wynik CREATE VIEW WpływyMies AS SELECT Miesiąc, SUM(Wpływ) AS SumaW FROM Operacje GROUP BY Miesiąc; SELECT * FROM WpływyMies WHERE Miesiąc<12; 56

57 Zapytania z wielu tabel Zapytania z wielu tabel dają możliwość realizacji: - iloczynu kartezjańskiego - złączeń (naturalnych, theta) SELECT * FROM Pracownik, Prezent; SELECT * FROM Pracownik, Instytut WHERE Pracownik.Inst=Instytut.ID; - iloczyn kartezjański - złączenie naturalne SELECT * FROM Pracownik INNER JOIN Instytut ON Pracownik.Inst=Instytut.ID; - złączenie naturalne 57

58 Złączenia opcjonalne Wartość NULL oznaczenie że rekord nie jest związany Wykorzystanie słów kluczowych RIGHT, LEFT JOIN SELECT * FROM Pracownik, Instytut WHERE (Pracownik.Inst = Instytut.ID) OR (Pracownik.Inst IS NULL); - złączenie opcjonalne SELECT * FROM Pracownik LEFT JOIN Instytut ON Instytut.ID = Pracownik.Inst; - złączenie opcjonalne 58

59 Dopełnienie zapytania Słowa kluczowe: NOT IN SELECT Pola FROM Tabela WHERE PoleKluczowe NOT IN (Zapytanie1); Wybranie wpływów, które nie są maksymalne SELECT * FROM Wpływy WHERE Kwota NOT IN (SELECT MAX(Kwota) FROM Wpływy); 59

60 Samo-złączenie tabeli Zastosowanie przy związkach rekurencyjnych Polega na utworzenie synonimu tabeli: SELECT Pola FROM Tabela, Tabela AS SynonimTabeli... Pracownik ( ID, Nazwisko, Imie, IDKierownika) związek rekurencyjny przez pola ID = IDKierownika SELECT Nazwisko, Kierownik.Nazwisko FROM Pracownik, Pracownik AS Kierownik WHERE Pracownik.IDKierownika = Kierownik.ID; 60

61 Zapytanie krzyżowe Postać graficzna zapytania grupującego Zaimplementowana w MS Access ie TRANSFORM... PIVOT... forma tradycyjna NRklienta Miesiąc Kwota , , , , , , ,65 forma krzyżowa Miesiąc NRklienta ,56 40, ,45 100,32 120, ,87 70,65 61

62 Operacje relacyjne a SELECT Operacje relacyjne: Selekcja Projekcja Złączenie wybór rekordów na podstawie kryterium ukrycie niektórych pól rekordów połączenie rekordów dwóch tabel na podstawie równości ustalonych pól SELECT które pola wybrać FROM WHERE z których tabel wybrać dane jakie kryterium selekcji projekcja selekcja lub złączenie określenie argumentów operacji -tabel; złączenie 62

63 Problem z wyrażeniem rekurencji Struktura drzewa... Wyrażenie pojedynczego poziomu rekurencji (1) Wyrażenie ustalonej liczby poziomów (przez łańcuch zapytań typu (1) ) Brak własności SQL a pozwalających na wyrażenie całego drzewa 63

64 Problemy łączenia SQL z innymi językami Różnice pomiędzy modelami danych SQL C, Pascal C++, Delphi model danych relacyjny strukturalny 1) obiektowy typy danych zbiór typy podstawowe: całkowity, struktury macierze rzeczywisty, znakowy, jak 1) oraz nowe typy obiektowe Potrzebny jest interfejs pośredniczący. 64