Файл: Базы данных - уч. пособие.pdf

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями основных обра-

зовательных программ Федеральных государственных образовательных стандар-
тов подготовки бакалавров по направлениям «Программная инженерия», «Бизнес-
информатика», «Государственное и муниципальное управление» по дисциплине
«Базы данных».

Изучение материала, изложенного в данном пособии, должно не только помочь

в освоении новых знаний будущим специалистам в области разработки информа-
ционных технологий, но и сформировать общий базис по организации баз данных
(БД) квалифицированным специалистам в различных областях деятельности, свя-
занных с использованием прикладных программных продуктов.

Целью изучения данного курса является овладение способами организации

и методами проектирования баз данных, а также технологией их использования
в системах обработки информации и управления.

Учебное пособие содержит следующие основные разделы дисциплины:

• положения концепции баз данных, теория структуризации данных, прин-

ципы построения баз данных и методы доступа к ним;

• современные системы управления базами данных и их место в системах

обработки информации;

• современные методики проектирования баз данных.

Для эффективного освоения материала, изложенного в учебном пособии, сту-

дентам целесообразно знать: основы информатики, общие представления о разра-
ботке информационных технологий, подходы к обработке данных, основы теории
множеств и применения теоретико-множественных операций.

В результате изучения дисциплин с использованием данного пособия студент

приобретает знания, необходимые для эффективного проектирования сложно струк-
турированных баз данных для любых предметных областей с использованием ме-
тодов нормализации и моделирования данных. В ходе изучения практической со-
ставляющей пособия студенты получают возможность создания баз данных и про-
стых информационных технологий в среде современных систем управления база-
ми данных.

Знание организации БД позволит на профессиональном уровне овладеть навы-

ками работы в конкретных прикладных системах по ведению и обработке инфор-
мации.

Соглашения, принятые в книге

7

Соглашения, принятые в книге

Для улучшения восприятия материала в данной книге используются пикто-

граммы и специальное выделение важной информации.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Этот блок означает определение или новое понятие.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Этот блок означает внимание. Здесь выделена важная информа-
ция, требующая акцента на ней. Автор здесь может поделиться
с читателем опытом, чтобы помочь избежать некоторых ошибок.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Эта пиктограмма означает совет. В данном блоке можно указать
более простые или иные способы выполнения определенной за-
дачи. Совет может касаться практического применения только что
изученного или содержать указания на то, как немного повысить
эффективность и значительно упростить выполнение некоторых
задач.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Этот блок означает теорему.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Пример

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Этот блок означает пример. В данном блоке автор может привести практиче-

ский пример для пояснения и разбора основных моментов, отраженных в теорети-
ческом материале.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Контрольные вопросы по главе

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Глава 1

ОБОСНОВАНИЕ КОНЦЕПЦИИ БАЗ

ДАННЫХ

1.1 История и направления развития
вычислительной техники

История развития технических средств, способных облегчить умственный труд

человека, насчитывает несколько сотен лет. Так, одним из первых устройств для
выполнения арифметических вычислений принято считать счетную доску абак,
которую использовали еще в Древнем Вавилоне в третьем тысячелетии до нашей
эры. В России абак или более известные деревянные русские счеты появились
намного позже, в XV веке нашей эры. В XVII веке немецкий ученый Вильгельм
Шиккард разработал первый механический калькулятор «Считающие часы», с по-
мощью которого можно было выполнить четыре основных арифметических дей-
ствия. Немного позднее были изобретены счетные машины Блеза Паскаля и Готф-
рида Вильгельма Лейбница.

Первый серийный арифмометр был создан Шарлем Ксавье Томасом де Коль-

маром в 1820 году. Подобные механические калькуляторы применялись вплоть до
70-х годов XX века. В начале XIX века Жозеф Мари Жаккар разработал работаю-
щей с использованием перфокарт ткацкий станок. Для того чтобы изменить узор на
ткани, необходимо было просто заменить набор перфокарт. Подобная технология
в дальнейшем использовалась в разработке аналитических машинах Чарльза Бэб-
биджа. Вычислительные устройства, созданные на основе применения перфокарт,
а позднее и перфолент, использовались повсеместно до 80-х годов прошлого века.

В 1904 году в Российской империи русским инженером Алексеем Николаеви-

чем Крыловым была изобретена вычислительная машина, способная решать диф-
ференциальные уравнения. В первой половине XX века уже стало обыденным ис-
пользование механических вычислителей в труде математиков, бухгалтеров и фи-
нансовых работников. Так, в Советском Союзе был создан арифмометр «Феликс»,
выпускавшийся с 1929 по 1978 годы, фактически это был первый отечественный
механический калькулятор.

1.1 История и направления развития вычислительной техники

9

С началом эпохи электричества начинался новый виток в развитии вычисли-

тельных машин. В 1890 году Германом Холлеритом была создана электромеха-
ническая машина, способная выполнять различные математические расчеты, опе-
рируя информацией, зафиксированной на перфокартах, обеспечивая вывод дан-
ных на бумажные носители. Такая машина, получившая название «табулятор»,
использовалась в обработке переписи населения США в 1890 году. Холлеритом
была организована фирма, основной задачей которой являлось производство табу-
ляторов для различных сфер деятельности (партия таких машин была закуплена
правительством Российской империи). Фирма Холлерита динамично развивалась,
а с 1924 года получила широко известное название IBM.

В 1935 году в СССР на Первом Государственном заводе счетных и счетно-

аналитических машин была создана первая в нашей стране электродинамическая
счетно-аналитическая машина «Табулятор Т1». В 1941 году немецким инженером
Конрадом Цузе была спроектирована и воплощена в жизнь Z3 — первая полно-
ценная вычислительная машина, созданная на основе обыкновенных телефонных
реле. Для этой разработки были характерны основные свойства современных ком-
пьютеров — существовали возможности по программному управлению и програм-
мированию в двоичном коде с плавающей запятой.

В середине XX века в процессе развития и совершенствования вычислитель-

ной техники сформировалось два основных направления ее использования. Первое
направление (40-е–50-е годы) характеризовалось широкомасштабным применени-
ем электронно-вычислительной техники для выполнения сложных математических
расчетов, которые трудоемко или вообще невозможно производить вручную.

Так, в 1943 году в США была создана первая за океаном вычислительная ма-

шина Марк I, основное назначение которой заключалось в возможности прове-
дения баллистических расчетов для Министерства обороны США. Становление
этого направления способствовало интенсификации методов численного решения
сложных математических задач; развитию класса языков программирования, пред-
назначенных для записи в программном коде численных алгоритмов; возникнове-
нию обратной связи с разработчиками новых архитектур ЭВМ. При этом объем
исходных данных был соизмерим с объемом оперативной памяти. Одним из недо-
статков первого направления являлась невозможность повторного использования
исходных данных.

Дополнительным толчком в развитии вычислительной техники явилось изоб-

ретение в 1960 году интегральной схемы. Для этого периода характерно второе
направление (60-е годы), непосредственно касающееся темы нашего курса, — это
использование средств вычислительной техники для разработки и функциониро-
вания автоматизированных информационных систем.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Информационная система представляет собой программный
комплекс, функции которого состоят в обеспечении надежного
хранения информации в памяти компьютера, выполнении опера-
ций по обработке информации для данного приложения, предо-
ставлении пользователям удобного и легко осваиваемого интер-
фейса.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

Глава 1. Обоснование концепции баз данных

Обычно объемы информации, с которыми приходится иметь дело таким си-

стемам, достаточно велики, а сама информация может иметь сложную структуру.
Примерами информационных систем являются библиотечные системы, системы
бухгалтерского и финансового учета, банковские системы, системы резервирова-
ния авиационных или железнодорожных билетов, системы складского учета и т. д.

Естественно, что второе направление возникло несколько позже первого. Это

связано с тем, что на начальном этапе развития вычислительной техники ком-
пьютеры обладали ограниченными возможностями в области памяти. Говорить
о надежном и долговременном хранении информации можно только при нали-
чии энергонезависимых запоминающих устройств, т. е. сохраняющих информацию
после выключения электрического питания. Оперативная память этим свойством
обычно не обладает.

Для первоначального периода создания средств вычислительной техники ха-

рактерно использование нескольких типов носителей информации во внешней па-
мяти: магнитных лент, перфолент, перфокарт и барабанов. При этом перфоленты
и перфокарты были способны обеспечить только хранение информации без воз-
можности ее перезаписи, емкость магнитных лент была достаточно велика, но
по своей физической природе они обеспечивали лишь последовательный доступ
к данным. Магнитные же барабаны, отдаленно напоминающие современные маг-
нитные диски, давали возможность произвольного доступа к данным, но были
ограниченного размера.

Легко заметить, что указанные ограничения не существенны для чисто числен-

ных расчетов. Даже если программа должна обработать (или произвести) большой
объем информации, при программировании можно продумать расположение этой
информации во внешней памяти таким образом, чтобы программа работала как
можно быстрее и сохраняла данные после окончательных вычислений на любом
из вышеперечисленных носителей. Однако для информационных систем, в кото-
рых потребность в текущих данных определяется пользователем, наличия только
магнитных лент и барабанов и, тем более, перфокарт и перфолент недостаточно.
Одним из естественных требований к таким системам является средняя скорость
выполнения операций.

Требования к вычислительной технике со стороны нечисленных приложений

вызвали появление съемных магнитных дисков с подвижными (плавающими) го-
ловками, что явилось революцией в истории ее развития. Эти устройства внеш-
ней памяти обладали существенно большей емкостью, чем магнитные барабаны,
обеспечивая удовлетворительную скорость доступа к данным в режиме произ-
вольной выборки, а возможность смены дискового пакета на устройстве позволя-
ла иметь практически неограниченный архив данных, перфокарты и перфоленты
ушли в прошлое.

С изобретением магнитных дисков началось развитие систем управления дан-

ными во внешней памяти. До этого каждая прикладная программа, которой тре-
бовалось сохранение данных во внешней памяти, сама определяла расположение
каждой порции данных на магнитной ленте или барабане и выполняла обме-
ны между оперативной и внешней памятью с помощью программно-аппаратных
средств низкого уровня, машинных команд и вызовов соответствующих программ
операционной системы. Такой режим работы затруднял поддержание на одном
внешнем носителе нескольких архивов долговременно хранимой информации.