Wykład 1

Relacyjna baza danych i system zarządzania bazą danych

Streszczenie

Wykład wyjaśnia podstawowe pojęcia dziedziny baz danych. W szczególności jest omówiony relacyjny model danych, na którym jest oparta budowa współczesnych, komercyjnych baz danych. Załączona jest także informacja o architekturze klient-serwer używanej w aplikacjach baz danych oraz o historii rozwoju baz danych.

Wykład ten nie wymaga ćwiczeń używających oprogramowania.
 

Baza danych

Podstawowe fakty:

• Dane są takim samym zasobem firmy jak każdy inny (np. pracownicy, materiały, urządzenia) i wymagającym, tak samo jak one, zarządzania.
• Informacja to dane razem z ich semantyką - znaczeniem dla firmy.
• Zarządzanie danymi jest realizowane poprzez system informacyjny obsługujący zapotrzebowania na informacje dla pewnego fragmentu rzeczywistości w firmie.
• Baza danych stała się standardową metodą wprowadzenia struktury do procesu zarządzania danymi.
• Baza danych jest częścią systemu informacyjnego firmy.
  

podkreślające jego implementacyjny charakter:

• aplikacja baz danych, gdy chcemy zwrócić uwagę na charakter programistyczny i szczególne miejsce bazy danych w całej aplikacji;
• system informatyczny, gdy chcemy zwrócić uwagę na ogólne środki informatyczne a więc także na używane oprogramowanie i sprzęt.
  

• Wszechobecność informacji:
  • od serwisów działających na przeglądarkach internetowych,
  • po aplikacje naukowe.
• Zbiory danych o coraz większej różnorodności i wielkości:
  • biblioteki elektroniczne, multimedialne bazy danych, interaktywne video, projekty badania genomu człowieka, projekt obserwacji Ziemi (NASA).
• Przy konstrukcji systemów baz danych wykorzystuje się większość działów informatyki: 
  • systemy operacyjne, teorię informatyki, sztuczną inteligencję, logikę, języki programowania, multimedia, inżynierię oprogramowania.
• Obszar systemów baz danych reprezentuje jeden z największych i najbardziej aktywnych segmentów rynku.

Relacyjny model danych

Relacyjny model danych pojawił się po raz pierwszy w artykule naukowym Edgara Codda w 1970 roku.
W terminologii matematycznej - baza danych jest zbiorem relacji.  Stąd historycznie pochodzi nazwa relacyjny model danych i relacyjna baza danych. W matematyce definiuje się relację jako podzbiór iloczynu kartezjańskiego zbiorów wartości. Reprezentacją relacji jest dwuwymiarowa tabela złożona z kolumn i wierszy. Założenia:

• Liczba kolumn jest z góry ustalona.
• Z każdą kolumną jest związana jej nazwa oraz dziedzina, określająca zbiór wartości, jakie mogą wystąpić w kolumnie.
• Na przecięciu wiersza i kolumny znajduje się pojedyncza (atomowa) wartość należąca do dziedziny kolumny.
• Wiersz reprezentuje jeden rekord informacji np. osobę.
• W modelu relacyjnym abstrahujemy od kolejności wierszy (rekordów) i kolumn (pól w rekordzie).

Tabela wykładowców

Tabela przedmiotów

Klucz główny i jednoznaczny

• Dla każdej tabeli musi być określony jednoznaczny identyfikator nazywany kluczem głównym - jedna lub więcej kolumn, w których wartości jednoznacznie identyfikują cały wiersz.
• Klucz jednoznaczny (nazywany też kluczem alternatywnym lub w skrócie kluczem) ma tę samą własność co klucz główny przy czym klucz główny jest tylko jeden, kluczy jednoznacznych w tabeli może być więcej niż jeden.
  

Ile kluczy głównych może mieć tabela?

Klucz obcy

• Klucz obcy jest to jedna lub więcej kolumn, których wartości występują jako wartości ustalonego klucza głównego lub jednoznacznego w tej lub innej tabeli i są interpretowane jako wskaźniki do wierszy w tej drugiej tabeli.

Teraz pytanie:

Ile kluczy obcych może mieć tabela?

NULL – "brak wartości"

• Dziedziny kolumn są rozszerzane o specjalny obiekt Null - oznaczający brak wartości – 

  • chwilowy, bądź
  • wynikający z istoty rzeczy (coś innego niż napis pusty czy zero). 
• Wszystkie porównania i operacje na danych, w których argumentem jest Null dają w wyniku Null (również Null=Null). 
• Jest to więc w efekcie trzecia wartość logiczna obok True i False. 

Operator alternatywy OR

Operator koniunkcji AND

Operator negacji NOT

Czas na krótkie pytanie: 

Predykaty Is Null oraz Is Not Null

• Pozwalają stwierdzić, czy dana wartość jest Null czy nie:
  • "X Is Null" = True gdy, X jest Null
  • "X Is Null" = False gdy, X nie jest Null
    
• "X=Null" = Null dla wszystkich X
  

Teraz krótkie pytanie:

Jaka jest wartość wyrażenia "(Null=Null) Is Null"?

Więzy spójności danych

• Dla pojedynczych wartości w wierszu np. 0<Wiek<140
• Dla kilku wartości w wierszu np.
  • Data_urodzenia<Data_zatrudnienia
• Więzy klucza głównego, więzy klucza jednoznacznego.
• Więzy NOT NULL.
• Więzy referencyjne (więzy spójności referencyjnej): wartość klucza obcego może być albo Null albo musi występować jako wartość powiązanego z nim klucza głównego (lub jednoznacznego).
• Bardziej skomplikowane reguły wymagające zastosowania bardziej skomplikowanego języka np. 
        Suma wszystkich zarobków pracowników działu X = Fundusz płac działu X

Czas na krótkie pytanie:

Wskaż popularny model danych, w którym nie zawsze są przestrzegane więzy spójności referencyjnej?

Perspektywa (view)

Przedmioty-Wykładowcy:

Zawartość zwykłej perspektywy jest na życzenie wyliczana przez system ze źródłowych tabel. Nie jest na stałe zapisywana w bazie danych. W pewnych sytuacjach wygodniej jest zapisać zawartość perspektywy w bazie danych a następnie korzystać z jej „materializacji”. Taki specjalny rodzaj perspektywy nosi nazwę perspektywy zmaterializowanej.

Indeks 

jest to dodatkowa struktura danych umożliwiająca szybki dostęp do wierszy tabeli na podstawie wartości w określonej kolumnie lub kolumnach np. indeks zbudowany na kolumnie Nazwisko umożliwia szybkie wyszukiwanie danych wykładowcy w oparciu o jego nazwisko. Przypomina indeks (skorowidz) w książce.

Poziomy relacyjnej bazy danych

• Poziom użytkowy – widoki na dane i programy, którymi posługuje się użytkownik.
• Poziom logiczny (koncepcyjny) – zbiór tabel, perspektyw i indeksów.
• Poziom fizyczny – zbiór plików z danymi i z indeksami.

Przy czym perspektywy  definiuje się na poziomie logicznym a używa się na poziomie użytkowym; indeksy definiuje się na poziomie logicznym a używa się na poziomie fizycznym. Jeśli chodzi o tabele to definiuje się na poziomie logicznym a używa się zarówno na poziomie użytkowym jak i fizycznym.

Z poziomu użytkowego korzystają głównie końcowi użytkownicy systemu. Z poziomu logicznego korzysta głównie administrator danych systemu. Natomiast z poziomu fizycznego korzysta głównie administrator bazy danych – nazywany w skrócie dba. Oczywiście projektant bazy danych definiuje i zajmuje się wszystkimi trzema poziomami.

Korzystanie z poszczególnych poziomów odbywa się do pewnego stopnia w sposób niezależny. Na przykład, można zmieniać położenie danych na dysku i ich zapis bez potrzeby zmiany struktury logicznej tabel; można zmieniać tabele bez konieczności zmiany programów aplikacyjnych - o ile programy aplikacyjne są oparte na perspektywach a nie tabelach. W pierwszym przypadku mamy do czynienia z tak zwaną niezależnością fizyczną danych, w drugim z niezależnością logiczną danych.

W naszej przykładowej bazie danych aplikacja może polegać na wyświetlaniu informacji, kto prowadzi dany wykład czyli zawartości perspektywy Przedmioty-Wykładowcy. W pewnym momencie może się okazać, że jeden wykład jest prowadzony przez dwóch lub więcej wykładowców. Schemat bazy danych oparty na dwóch tabelach: Wykładowcy i Przedmioty jest już niewystarczający i wymaga dodania nowej tabeli łączącej wykładowców z przedmiotami oraz zmiany definicji perspektywy Przedmioty-Wykładowcy. Są to zmiany realizowane na poziomie logicznym bazy danych. Natomiast sam program aplikacyjny oparty na perspektywie Przedmioty-Wykładowcy nie wymaga zmiany. Jest to przykład zastosowania zasady niezależności logicznej danych.

Z zastosowaniem zasady niezależności fizycznej danych mamy do czynienia w sytuacji, gdy dotychczas używany dysk zapełni się i zajdzie potrzeba dodania nowego dysku. Nowe wiersze wprowadzane do tabel będą teraz zapisywane na nowym dysku. Natomiast ani schematy tabel ani programy aplikacyjne nie wymagają żadnej zmiany.
 

Katalog (słownik danych), metadane

Istotne jest użycie relacyjnego modelu danych w tym celu. Zatem metadane są zapisywane i przetwarzane w taki sam sposób jak zwykłe dane.
 

Architektura klient-serwer

Aplikacje bazodanowe składają się zwykle z co najmniej dwóch części:

• strony klienta - na stacji roboczej użytkownika,
• strony serwera – na komputerze zawierającym serwer bazy danych czyli bazę danych wraz z jej systemem zarządzania (SZBD).

Funkcje aplikacji po stronie serwera bazy danych

• Przechowywanie i organizacja dostępu do danych.
• Wykonywanie instrukcji języka baz danych (jest to język o nazwie SQL omawiany w wykładzie 9).
• Sprawowanie kontroli nad spójnością danych.
• Zarządzanie zasobami bazy danych w tym kontami użytkowników.
  

Funkcje aplikacji po stronie klienta

• Kontakt z użytkownikiem (interfejs użytkownika).
• Wyjaśnianie użytkownikowi stanu obliczeń w tym błędów i sytuacji wyjątkowych.
• Przyjmowanie od niego zleceń na operacje, wykonywanie tych zleceń lub przesyłanie ich w postaci instrukcji języka SQL do serwera bazy danych.
  

Historia baz danych

• 1951 - Firma Univac wprowadziła taśmę magnetyczną do przechowywania danych (oprócz dotychczasowych dziurkowanych kart).

• 1956 - Firma IBM wprowadziła stacje twardych dysków magnetycznych do przechowywania danych.
• 1961– Integrated Data Store IDS (Charles Bachman, General Electric) - pierwszy SZBD, początek sieciowego modelu danych.
• 1965-70 – Information Management System IMS (IBM) – hierarchiczny model danych.
• 1970 – Edgar Codd (1924-2003), IBM – relacyjny model danych.

• 1971 – CODASYL, standard sieciowego modelu danych.
• 1976 – Peter Chen – model związków encji (ERD, ERM), brak standardu do tej pory.
• Początek lat siedemdziesiątych - w laboratorium badawczym IBM w San Jose powstał prototyp języka SQL o nazwie Sequel.
• 1973 - pierwszy system zarządzania relacyjną bazą danych (System R w firmie IBM).
• 1979 - firma Relational Software (później Oracle) wprowadziła na rynek pierwszą komercyjną wersję systemu zarządzania relacyjną bazą danych.
• 1987 pierwszy standard języka SQL (ISO),
  • kolejne wersje standardu ANSI/ISO: 1989, 1992 SQL2, 1999 SQL:1999 – model obiektowo-relacyjny, trwają prace nad następnymi standardami SQL3 i SQL4.
• Lata osiemdziesiąte – badania nad dedukcyjnymi i obiektowymi bazami danych.
• 1997 - Standard obiektowych baz danych ODMG 2.0.
• Lata dziewięćdziesiąte do dzisiaj – rozszerzenie baz danych o nowe aspekty: architektury wielowarstwowe, rozproszenie, integrację, równoległość, Internet, hurtownie danych, OLAP, multimedia, bazy dokumentów w tym XML, GIS (Geographical Information Systems), ERP (Enterprise Resource Planning) oraz MRP (Management Resource Planning) - pakiety takie jak SAP, Baan, Oracle, PeopleSoft, Siebel, CRM (Customer  Relationship Management).
  

Podsumowanie

W wykładzie tym zostały wyjaśnione podstawowe pojęcia związane z bazami danych oraz znaczenie baz danych w aplikacjach informatycznych. W szczególności został przedstawiony główny model danych współczesnych baz danych mianowicie relacyjny model danych a w jego ramach takie pojęcia jak: tabela, klucz, klucz główny, klucz obcy, perspektywa, pseudo-wartość NULL, więzy spójności w tym spójności referencyjnej.

Słownik pojęć

tabela - dwuwymiarowa struktura danych złożona z kolumn i wierszy. Na przecięciu wiersza i kolumny znajduje się elementarna dana. W wierszu jest zapisywany rekord danych opisujący obiekt (np. rekord danych opisujący osobę lub firmę) lub pewien związek między obiektami. Każda kolumna zawiera zbiór elementarnych danych opisujących jeden atrybut obiektu np. nazwę firmy lub nazwisko osoby.

klucz - zbiór kolumn (często jednoelementowy), których wartości jednoznacznie określają wiersz (obiekt).

klucz główny - wyróżniony klucz, którego używa się jako identyfikatora obiektu.

klucz jednoznaczny - to samo co klucz.

klucz obcy - zbiór kolumn (często jednoelementowy), których wartości występują jako wartości ustalonego klucza głównego lub jednoznacznego w tej lub innej tabeli i są interpretowane jako wskaźniki do wierszy w tej drugiej tabeli.

NULL - konstrukcja określająca brak wartości (danych).

perspektywa - wirtualna tabela, którą posługują się użytkownicy - definiowana na poziomie logicznym, używana na poziomie użytkowym. Gdy jej zawartość zostanie zapisana w postaci tabeli, nosi nawę perspektywy zmaterializowanej.

więzy spójności danych - warunki poprawności danych w tabelach relacyjnej bazy danych

---   referencyjne - warunek poprawności danych mówiący, że wartości klucza obcego mogą być albo Null albo muszą występować jako wartości powiązanego z nim klucza głównego (lub jednoznacznego).

Zadania

1. Podaj przykład dwóch tabel połączonych związkiem klucz obcy – klucz główny. Określ ich klucze główne. Czy posiadają one klucze alternatywne (jednoznaczne)? Określ jeden (lub więcej) kluczy obcych. Narysuj dwie tabele na kartce papieru i wprowadź do nich po kilka wierszy z zachowaniem więzów spójności referencyjnej.

2. Zastanów się nad znaczeniem danych i informacji w twoim życiu. Czy korzystasz z systemów do przechowywania danych? Czy można je nazwać bazą danych?