Relacyjne bazy danych W roku 1970 dr Edgar Ted Codd z firmy IBM zaprezentował relacyjny model danych. W modelu tym dane miały być przechowywane w prostych plikach liniowych, które to pliki nazywane są "relacjami" bądź "tabelami". Jedną z największych zalet modelu relacyjnego w stosunku do poprzedników jest jego prostota. Zamiast konieczności poznawania mnóstwa komend języka DML, model relacyjny wprowadził język SQL w celu ułatwienia dostępu do danych i ich modyfikacji. Tabele są dwuwymiarowymi tablicami składającymi się z wierszy i kolumn. Wiersze nazywane są czasami krotkami (ang. tuples), natomiast kolumny atrybutami. Rekord jest wierszem tabeli, a pole jest kolumną w wierszu tabeli. Tabela posiada zawsze pole lub kilka pól, tworzące dla niej klucz główny (ang. primary key). W relacyjnych bazach danych tabele są niezależne, w przeciwieństwie do modeli hierarchicznego i sieciowego, gdzie występują połączenia wskaźnikowe. Tabele relacyjne mogą zawierać tylko jeden typ rekordu, natomiast każdy rekord posiada stałą liczbę wyraźnie nazwanych pól. Klucz główny jednoznacznie identyfikuje wiersz w tabeli. Klucz ten może zostać stworzony na podstawie jednego lub kilku pól. Klucz obcy (ang. foreign key), którego wartością jest wartość pewnego klucza głównego, pozwala na łączenie tabel między sobą. 1
Relacyjne bazy danych wprowadziły następujące ulepszenia w stosunku do hierarchicznych i sieciowych baz danych: - Prostota. Podejście bazujące na tabelach z wierszami i kolumnami jest niezwykle proste i łatwe do zrozumienia. Końcowi użytkownicy mają prosty model danych. Złożone diagramy, wykorzystywane w przypadku hierarchicznych i sieciowych baz danych, nie występują w przypadku relacyjnych baz danych. - Niezależność danych. Niezależność danych pozwala na modyfikowanie struktury danych bez wpływu na istniejące programy. Jest to możliwe głównie dlatego, że tabele nie są ze sobą połączone na sztywno. Do tabel mogą być dodawane kolumny, tabele mogą być dołączane do bazy danych, a nowe relacje mogą być tworzone bez konieczności wprowadzania istotnych zmian do tabel. Relacyjne bazy danych dostarczają dużo wyższy poziom niezależności danych, niż hierarchiczne i sieciowe bazy danych. - Deklaratywny język dostępu do danych. Dzięki wykorzystaniu języka SQL, użytkownik określa jedynie warunki odnośnie poszukiwanych danych, system natomiast zajmuje się pobraniem danych spełniających żądanie. Nawigacja w bazie danych jest ukryta przed użytkownikiem końcowym, w odróżnieniu od języka DML w systemie CODASYL, gdzie użytkownik musi znać wszelkie szczegóły określające ścieżkę dostępu do danych. 2
Obiektowe bazy danych Technologia obiektowa rozwija się i rozprzestrzenia w bardzo szybkim tempie. W ostatnich latach również w technologii baz danych wyraźnie obserwuje się ogólny trend w kierunku koncepcji obiektowej. Architektura Istnieje kilka koncepcji odnośnie architektury obiektowego systemu zarządzania bazą danych. Najbardziej abstrakcyjną jest architektura zaproponowana przez komitet ANSI/SPARC. Wyróżnia ona trzy poziomy: poziom pojęciowy systemu, wspólny dla wszystkich jego użytkowników, poziom zewnętrzny, specyficzny dla konkretnego użytkownika, poziom fizyczny, który odnosi się do implementacji bazy danych. Kolejnym rodzajem jest architektura klient-serwer, gdzie występuje podział na dwie części: serwer bazy danych, wykonujący przykładowo wyrażenia SQL wysyłane przez klientów oraz druga część, którą stanowi jeden lub kilku klientów wysyłających żądania do serwera. Bardziej zaawansowane są architektury trzywarstwowa oraz wielowarstwowa. Jak sama nazwa wskazuje, architektura trzywarstwowa charakteryzuje się podziałem na trzy warstwy: interfejs użytkownika, logikę przetwarzania oraz bazę danych. Warstwy te są zaprojektowane i istnieją niezależnie, co ma duże znaczenie dla utrzymania całego systemu ze względu na możliwość zmian w dowolnej warstwie bez konieczności interwencji w pozostałych warstwach. Warstwa środkowa może być złożona z kilku warstw i mamy wówczas do czynienia z architekturą wielowarstwową. Poniższy rysunek pokazuje typową architekturę obiektowego systemu zarządzania bazą danych ujętą z funkcjonalnego punktu widzenia 3
RYSUNEK. PRZYKŁADOWA ARCHITEKTURA OBIEKTOWEGO SYSTEMU ZARZĄDZANIA BAZĄ DANYCH (OSZBD). 4
Bazy danych -anatomia Baza danych - zbiór wzajemnie powiązanych informacji przechowywanych w pamięci zewnętrznej komputera. System zarządzania bazą danych (SZBD) - oprogramowanie umożliwiające korzystanie z informacji znajdujących się w bazie danych. Funkcje SZBD: opis struktury danych przechowywanych w bazie jakie dane są przechowywane, jak są ze sobą powiązane, korzystanie z bazy wyszukiwanie danych, modyfikacja, dopisywanie, kasowanie, tworzenie aplikacji bazodanowych korzystających z danych przechowywanych w bazie, zapewnienie poprawności danych przechowywanych w bazie poprzez definiowanie warunków, które muszą być zawsze spełnione w bazie danych; zapewnienie poufności danych ochrona danych przed użytkownikami nie mającymi uprawnień do korzystania z bazy, współbieżność dostępu mechanizmy umożliwiające wielu użytkownikom korzystanie w tym samym czasie z danych zgromadzonych w bazie, niezawodność mechanizmy umożliwiające przywrócenie poprawnego stanu bazy danych po awarii systemu komputerowego. 5
Kartotekowe bazy danych Kartotekową bazę danych stanowi szereg rekordów umieszczonych w pliku dyskowym. Każdy rekord składa się z pól; Pola mogą być różnego typu; Pojedynczy rekord opisuje jeden obiekt rzeczywisty; Podstawowe operacje dopisanie, modyfikacja, usunięcie rekordu; przeglądanie zawartości bazy Wyszukiwanie i porządkowanie danych ułatwiają indeksy. Przykład indeks umożliwiający wyszukiwanie i porządkowanie towarów ze względu na nazwę Przykład baza dotycząca towarów Nazwa Cena Symbol Opak_jedn Gatunek Ilość_opak Mąka 1,32 TOW-112 1 1 1500 Makaronnitki 3,50 TOW-450 0,40 1 250 Rodzynki 0,98 TOW-443 0,1 2 120 Cukier 1,75 TOW-765 1 2 680 Ryż 2,05 TOW-665 0,5 1 700 Nazwa Pozycja Cukier 4 Makaronnitki 2 Mąka 1 Rodzynki 3 Ryż 5 6
Relacyjne bazy danych Relacyjna baza danych - zbiór nieuporządkowanych tabel, którymi można manipulować używając operacji zwracającej jako wynik całe tabele. Przykładowa baza danych utworzona w systemie MS Access. 7
A1. Opis struktury danych. Definiowanie Tabel. Tabela Uczniowie Każda tabela ma swoją nazwę. Wiersze tabeli = rekordy = krotki. Kolumny tabeli = cechy = pola = atrybuty. W tabeli nie mogą wystąpić dwa identyczne wiersze unikalność wiersza zapewnia się poprzez zdefiniowanie klucza podstawowego. Klucz podstawowy jedno lub więcej pól, których wartość jednoznacznie identyfikuje każdy rekord w tablicy. Zawiera unikalne wartości (np. numer PESEL lub numer dowodu osobistego, numer albumu studenta). 8
Tabela Przedmioty Tabela Oceny 9
A2. Opis struktury danych. Powiązania (relacje) pomiędzy tabelami W bazie danych definiuje się związki pomiędzy danymi znajdującymi się w różnych tablicach (związki =relacje). Definicja relacji polega na wskazaniu pól pochodzących z różnych tabel i zawierających powiązane ze sobą dane. Zwykle powiązane ze sobą pola mają identyczne nazwy. Przy definiowaniu relacji wykorzystuje się: w jednej tabeli klucz podstawowy, w drugiej tabeli klucz obcy. Klucz podstawowy pole, którego wartość jednoznacznie identyfikuje każdy rekord w tabeli. Klucz obcy pole, które odwołuje się do klucza podstawowego w innej tabeli. Powiązanie Uczniowie Oceny: Uczniowie.NumerUcznia klucz podstawowy Oceny.NumerUcznia klucz obcy. Powiązanie Przedmioty Oceny: Przedmioty.KodPrzedmiotu klucz podstawowy Oceny.KodPrzedmiotu klucz obcy. 10
Powiązanie Uczniowie - Oceny Tabela Oceny NumerUcznia jest kluczem obcym. W bieżącym rekordzie wartość klucza obcego wynosi 4. Tabela Uczniowie NumerUcznia jest kluczem podstawowym. Rekordem bieżącym staje się ten rekord, w którym wartość klucza podstawowego jest równa wartości klucza obcego w powiązanej tabeli. Zastosowanie odwołania do rekordu z powiązanej tabeli zamiast numeru ucznia wyświetlane jest nazwisko pobrane z powiązanego rekordu. 11
Typy związków zachodzących pomiędzy tablicami 1 1 (powiązanie typu jeden do jednego) każdy rekord w tablicy A może mieć tylko jeden dopasowany rekord z tablicy B, i tak samo każdy rekord w tablicy B może mieć tylko jeden dopasowany rekord z tablicy A. 1 N (powiązanie typu jeden do wielu) rekord w tablicy A może mieć wiele dopasowanych do niego rekordów z tablicy B, ale rekord w tablicy B ma tylko jeden dopasowany rekord w tablicy A. 12
M N (powiązanie typu wiele do wielu) rekord w tablicy A może mieć wiele dopasowanych do niego rekordów z tablicy B i tak samo rekord w tablicy B może mieć wiele dopasowanych do niego rekordów z tablicy A. 13
Inne rozumienie pojęcia relacyjna baza danych Tabele nazywane są relacjami (stąd nazwa relacyjna baza danych). Pojęcie iloczynu kartezjańskiego zbiorów A = {Jacek, Wojtek, Krzysiek} B = {Marta, Krysia} Iloczyn kartezjański zbiorów A i B jest zbiorem wszystkich par elementów (a, b), gdzie a należy do zbioru A, zaś b należy do zbioru B. A B = {(Jacek, Marta), (Jacek, Krysia), (Wojtek, Marta), (Wojtek, Krysia), (Krzysiek, Marta), (Krzysiek, Krysia)} Podzbiór iloczynu kartezjańskiego nazywany jest relacją. Obiekty: opisywane są przez atrybutu (cechy) w tablicy atrybutom odpowiadają kolumny, obiektem jest opis przedmiotu, cechy charakteryzujące obiekt: KodPrzdmiotu, NawaPrzedmiotu, Prowadzący 14
każdy atrybut ma określoną dziedzinę (zbiór dopuszczalnych wartości), dziedzina cechy KodPrzedmiotu: zbiór liczb całkowitych dodatnich dziedzina cechy NazwaPrzedmiotu: Historia, Geografia, Plastyka, Język Polski, Fizyka, Matematyka dziedzina cechy Prowadzący: Igrekowski1, Igrekowski2, Igrekowski3, Igrekowski4, Igrekowski5, Igrekowski6. iloczyn kartezjański dziedzin atrybutów zbiór wszystkich możliwych kombinacji wartości atrybutów, zbiór wszystkich możliwych trójek: [wartość cechy KodPrzedmiotu, wartość cechy NazwaPrzedmiotu, wartość cechy Prowadzący] [1, Historia, Igrekowski1] [1, Historia, Igrekowski2] [1, Historia, Igrekowski3]... zawartość tabeli jest zwykle podzbiorem zbioru wszystkich możliwych kombinacji wartości atrybutów czyli jest podzbiorem iloczynu kartezjańskiego zbiorów dziedzin kolejnych atrybutów czyli jest relacją. 15
Tabela = relacja Wiersz tabeli = krotka opisuje pojedynczy obiekt świata rzeczywistego; Kolumna tabeli = atrybut cecha opisująca obiekt. Stosując terminologię właściwą dla kartotekowych baz danych można powiedzieć: Tablica = plik, Wiersz tablicy = rekord; Kolumna tablicy = pole rekordu. B. Korzystanie z bazy Podstawowe sposoby korzystania z danych to: wyszukiwanie danych (definiowanie zapytań kierowanych do bazy; wynikiem realizacji zapytania są informacje pochodzące z bazy), modyfikacja danych (zmiana zawartości bazy danych: aktualizacja, dopisywanie, usuwanie). Sposoby realizacji operacji wyszukiwania i modyfikacji danych: przy pomocy narzędzi komunikujących się przy pomocy interfejsu graficznego przy pomocy języków operowania danymi. 16
Operowanie na danych przy pomocy interfejsu graficznego Operowanie przy pomocy języka operowania danymi Najpopularniejszym językiem operowania danymi jest język SQL (Structured Query Language - strukturalny język zapytań), zaprojektowany pod koniec lat siedemdziesiątych w firmie IBM. Jest on światowym standardem służącym do operowania relacyjnymi bazami danych, jest on częścią składową większości systemów obsługi relacyjnych baz danych. 17
B1. Wyszukiwanie danych Wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje zapytań służących do wyszukiwania danych (są to tzw. kwerendy wybierajace): projekcja (wybór tylko niektórych pól /atrybutów, cech, kolumn/), selekcja (wybór rekordów /wierszy/ spełniających określony warunek), łączenie (scalania danych pochodzących z różnych tabel). Projekcja Z tabeli Uczniowie chcemy wybrać informacje przechowywanych w polach: Imię, Nazwisko 18
Definicja projekcji: Wynik projekcji: Definicja projekcji przy pomocy języka SQL: SELECT lista_pól FROM nazwa_tablicy SELECT Uczniowie.Imię, Uczniowie.Nazwisko FROM Uczniowie; SELECT * FROM Uczniowie; 19
Operacja selekcji Wynik selekcji: SELECT lista_pól FROM nazwa_tablicy WHERE warunek ORDER BY sposób_sortowania SELECT Oceny.* FROM Oceny WHERE Oceny.Ocena>3 ORDER BY Oceny.Ocena DESC; 20
Łączenie danych z różnych tablic Wynik zapytania: SELECT Uczniowie.Imię, Uczniowie.Nazwisko, Oceny.Ocena FROM Uczniowie, Oceny WHERE (Oceny.Ocena>3) AND (Uczniowie.NumerUcznia=Oceny.NumerUcznia) ORDER BY Oceny.Ocena DESC; 21
B2. Modyfikacja danych Aktualizacja wartości przechowywanych w tabeli Kwerenda aktualizująca narzędzie do modyfikacji danych Podwyższenie ocen niższych od 3.0 o jeden stopień Kwerenda aktualizująca w języku SQL: UPDATE Oceny SET Oceny.Ocena = Oceny.Ocena + 1 WHERE (Oceny.Ocena<3); 22
Kasowanie danych Narzędziem do usuwania danych są kwerendy usuwające Usunięcie ocen ucznia, któremu przyporządkowany jest numer równy 1. Kwerenda usuwająca w języku SQL: DELETE Oceny.* FROM Oceny WHERE Oceny.NumerUcznia=1; C. Tworzenie aplikacji bazodanowych Formularze 23
Raporty Programy 24
D. Zapewnienie poprawności danych przechowywanych w bazie 1. Definiowanie warunków poprawności dla danych przechowywanych w bazie dotyczą one danych wprowadzanych do pól w tabelach lub w formularzach. Reguła poprawności dla pola Ocena w tablicy Oceny 2. Zapewnienie poprawności powiązań danych znajdujących się w różnych tabelach Integralność referencyjna (spójność referencyjna) poprawność powiązań danych pochodzących z różnych tabel. Warunkiem zapewnienia integralności referencyjnej jest spełnienie następujących reguł: 25
Warunki zapewniające integralność referencyjną: a) W polu klucza obcego w tabeli sprzężonej nie można wprowadzać wartości nie istniejących w polu klucza podstawowego tabeli podstawowej. b) W tabeli podstawowej nie można usunąć rekordu, jeśli istnieją powiązane z nim rekordy w tabeli sprzężonej. c) W tabeli podstawowej nie można zmienić wartości klucza podstawowego, jeśli istnieją powiązane z nim rekordy. 26
E. Zapewnienie poufności danych Zabezpieczanie danych poprzez hasło Ochrona tylko w chwili otwierania bazy Zabezpieczanie na poziomie użytkownika Dla każdego użytkownika bazy definiuje się zakres jego uprawnień. 27
F. Współbieżność dostępu Baza danych może być użytkowana: przez jednego użytkownika, przez wielu użytkowników. Wielu użytkowników może korzystać w tym samym czasie z tej samej bazy danych. Problemem może być próba jednoczesnej modyfikacji tego samego rekordu przez dwóch użytkowników. Mechanizmem zabezpieczającym przed powstawaniem konfliktów tego typu jest blokowanie. Blokowanie udostępnianie rekordu wyłącznie jednemu użytkownikowi. 28
Rozproszone bazy danych Dane przechowywane są i przetwarzane w różnych punktach, które są zwykle znacznie od siebie oddalone i połączone liniami telekomunikacyjnymi. użytkownicy wykorzystują kopie (repliki) bazy danych ułatwiony dostęp, krótszy czas dostępu, redukcja kosztów transmisji danych, zwiększona niezawodność. rodzaje replik: całościowe i częściowe (kopia zawierająca pewien podzbiór bazy danych). Zalety replik częściowych: zawierają wyłącznie dane potrzebne w danym węźle, zajmują mniej miejsca na dysku, ograniczają dostęp do danych, czas transmisji jest krótszy. Synchronizacja replik przesyłanie pomiędzy replikami informacji o wprowadzonych zmianach. G. Niezawodność bazy danych mechanizmy do naprawy bazy danych naprawa indeksów, połączeń. transakcje seria zmian wykonanych na danych. Operacje składające się na transakcję mogą zostać zatwierdzone lub wycofane. archiwizacja danych. 29