Файл: Способы представления данных в информационных системах (Общие понятия и определения).pdf

ВВЕДЕНИЕ

С начала развития вычислительной техники образовались два основных направления ее использования. Первый предусматривал применение вычислительной техники для выполнения численных расчетов, которые сложно или вообще невозможно осуществить вручную. Становление этого направления способствовало интенсификации методов численных решений сложных математических задач и развития класса языков программирования, ориентированных на удобную запись алгоритмов.

Второе направление ориентировано на использования средств вычислительной техники для автоматической обработки данных. Обобщенно второе направление стали называть – «ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ» или системы ориентированные на обработку информации. Именно это направление и является объектом исследования данной работы.

В ходе развития второго направления одним из острых вопросов стал вопрос особенностей и способов представления данных в информационных системах. Естественно первые информационные системы оперировали информацией представленной в виде обычных файлов. Но такой подход очень быстро исчерпал свои возможности. Основными проблемами стали большие объемы информации и необходимость более эффективного представления данных с целью уменьшения объема и ускорения процессов обработки, основным из которых является поиск.

В процессе своего развития человечество веками накапливало знания. И только во второй половине ХХ и в начале XXI века чрезвычайную актуальность приобрел вопрос сортировки (как подготовительного этапа для организации поиска) и обработки (поиск и фильтрация по ранее определенным критериям) массива информации. Хранение и обработка информации ‑ важнейшие функции компьютера. Именно в процессе решения конкретных прикладных задач происходит обработка нужных данных по заданному алгоритму. Данные могут быть самыми разнообразными: числа, фамилии, адреса, названия и тому подобное. В течении продолжительного времени для решения отдельной задачи использовалась собственная совокупность данных, в большинстве представляемая набором разрозненных файлов. При этом набор данных был очень индивидуальным с жесткой привязкой к конкретной реализации информационной системы, ее способам обработки и хранения информации. Такие данные не могли быть использованы другой системой или для решения другой задачи. Такой подход представления данных в ИС имеет ряд недостатков, в частности, его недостатками являются отсутствие инфицированности, избыточность и несогласованность данных, для такого способа организации данных невозможно предложить универсальных формализованных методов обработки и технологий взаимодействия.

Точкой отсчета новой информационной эпохи стала именно появление первых баз данных (в дальнейшем - БД). В самом общем случае БД ‑ это файл специального формата, содержащий определенным образом структурированную информацию.

Объектом исследования в работе являются информационные системы – как компьютерные программы взаимодействия и обработки данных.

Предметом исследования являются эффективные современные способы представления данных в виде баз данных и особенности взаимодействия ИС с данными.

Цель работы – рассмотреть понятие БД, как основного способа представления данных в современных ИС.

Для достижения цели исследования в работе поставлены следующие задачи:

‑ определить основные термины и понятия связанные с предметом исследования;

‑ охарактеризовать базы данных как структурированный способ представления данных;

‑ рассмотреть технологии взаимодействия с данными представленными в виде БД;

‑ предложить пример проектирования базы данных для информационной системы в конкретной прикладной области.

1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Одним из направлений применения средств вычислительной техники является их использования автоматизированных информационных системах (ИС). ИС представляет собой программный комплекс, функции которого состоят в поддержке надежного хранения информации, выполнении преобразований информации и/или вычислений, предоставлении пользователям удобного и легко осваиваемого интерфейса. Обычно объемы информации, с которыми приходится иметь дело таким системам, достаточно велики, а сама информация имеет достаточно сложную структуру. Классическими примерами информационных систем являются банковские системы, системы резервирования билетов, мест в гостиницах и т.д.

Первые информационные системы основывались на файловых системах. Файловая система – набор программ, которые выполняют некоторые операции над хранящимися во внешней памяти данными, причем каждая программа определяет свои данные, и управляем ими.

С точки зрения прикладной программы, файл – это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные. Пользователи видят файл как линейную последовательность записей и могут выполнить над ним ряд стандартных операций:

• создать файл (требуемого типа и размера);
• открыть ранее созданный файл;
• прочитать из файла некоторую запись (текущую, следующую, предыдущую, первую, последнюю);
• записать в файл на место текущей записи новую, добавить новую запись в конец файла.

Следующим шагом в развитии информационных систем явился новый подход к управлению информацией, который был реализован в рамках новых программных систем, названных Системами Управления Базами Данных (СУБД), а сами хранилища информации, которые работали под управлением этих систем, стали называть базами данных.

Уже из этого вступления можно сделать вывод о широте темы. Естественно в разрезе темы могут рассматриваться различные классификации, сравнение форматов, структурные особенности данных и многое другое. Объем работы не позволяет смотреть на вопрос исследования так широко. Исходя из этого, в работе был конкретизирован предмет исследования – базы данных, как современный и эффективный способ представления данных в ИС.

Дальнейшие исследования будут касаться исключительно этого аспекта тематики.

В самом общем случае БД ‑ это файл специального формата, содержащий определенным образом структурированную информацию.

В течение продолжительного времени для решения отдельной задачи использовалась собственная совокупность данных (она не могла быть использована в другой задачи). Такой способ использования данных является неудобным. В частности, его недостатками являются избыточность и несогласованность данных (другие недостатки будут рассмотрены далее). Например, для высшего учебного заведения разработана программа подсчета ежегодного нагрузки преподавателей и программу учета использования преподавателями фондов библиотеки. Для обеих программ используются такие общие данные: фамилия, имя, отчество сотрудника, его должность, принадлежность к определенной кафедры. Однако каждая из созданных программ использовала эти одинаковые данные о преподавателях из собственного файла, то есть данные дублируются (избыточность). Понятно, что хранение одних и тех же данных в одном файле, независимо от программы, которые использует эти данные, значительно экономит ресурсы ПК. Несогласованность данных заключается в том, что технологически трудно проследить внесении изменений одновременно во все файлы (например, изменение фамилии преподавателя, его должность и т.п.). Так, изменение фамилии преподавателя временно могла быть отражена только в одном из файлов данных - в том, что используется для расчета нагрузки, а в другом файле, - который обслуживает библиотечную программу, - остаться без изменений (изменения вовремя не внесены по технологическим причинам). Таким образом, возникает несогласованность данных, ведь в обоих случаях речь об одном и том же лице, хоть компьютер будет оперировать двумя разными фамилиями.

Такие недостатки и вызвали в начале 60-х годов появление БД. БД является проявлением современности, поскольку создать аналог БД вне компьютера почти невозможно. Прототипами БД можно считать библиотечные каталоги или телефонные справочники. Однако, сведения в них остаются неизменными до очередного обновления каталога или переиздание справочника. БД ‑ большой благоустроенный комплекс информации, который хранится на компьютерных носителях обычно вместе с программой, позволяющей осуществлять быстрый поиск данных, их обновления и печать. Без собственной БД теперь не обходится ни одно учебное заведение, государственное учреждение, частная фирма или корпорация. Современные технологии БД является результатом развития в течение нескольких последних десятилетий способов обработки данных и управления имеющейся информацией.

Обработка данных развивалась от простых методов 50-х годов до сложных интегрированных систем современности. Первые системы обработки данных выполняли только канцелярскую работу, сокращая тем самым бумажный оборот. Новые системы накапливали информацию и осуществляли управление ею.

В конце 60-х - начале 70-х годов произошел переход от обработки данных к обработке информации. Это было признанием того, что информация не является простой записью данных. В этом контексте следует различать данные и информацию. Под данными обычно понимают разрозненные факты. Информация ‑ это организованные и обработанные данные или выводы из них. Информация ‑ это ресурс, имеющий большую ценность, а потому важно научиться организовывать его и управлять им. Постепенное признание этого факта привело к пониманию ценности информации и потенциала компьютерных систем в процессе поддержания такого значительного ресурса, как информация. Так, в конце 60-х появились информационно-управляющие системы. Такие системы использовали уже имеющиеся в компьютере данные и давали ответы на ряд вопросов. Информационная система (ИС) ‑ это программный комплекс, функциями которого являются:

1) поддержка надежного хранения информации в памяти компьютера;

2) выполнение специфических для конкретного приложения преобразований информации и (или) вычислений;

3) предоставление пользователям удобного интерфейса.

Сегодня для работы с файлами баз данных используют специальное программное обеспечение - системы управления базами данных (СУБД). Средствами СУБД осуществляется наполнение базы данных, поиск необходимой информации, отчетов, создание новых или удаления существующих БД, экспорт и импорт данных и др. Фактически под базой данных чаще понимают не саму базу данных как хранилище информации, но и сопроводительное программное обеспечение, то есть СУБД + БД.

Наиболее популярные базы данных - Microsoft SQL Server, Oracle, PostgreSQL или MySQL - используют реляционную модель представления данных. В этих базах данных сущности представляются в виде строк таблиц, их параметры - в виде столбцов, а связь между сущностями различных типов осуществляется с помощью отношений один-к-одному или один-ко многих. Типы данных, которые могут иметь столбцы, ограничиваются базовыми типами (Integer, double, varchar, text). Системы управления базами данных, как правило, не позволяют расширить систему типов путем добавления собственного типа данных.

Реляционные БД имеют собственный математический аппарат. Для реляционных БД в свое время Кодд заложил фундамент математического аппарата реляционной алгебры. Этот математический аппарат объясняет, как должны выполняться основные операции над отношениями в базе данных. В 1986 году был принят первый стандарт SQL-86, который определил всю судьбу реляционных БД. После принятия стандарта все разработчики реляционных СУБД обязаны были следовать ему. Так, реляционные базы данных, как правило, используют язык SQL как языка запросов.

Реляционные базы данных очень успешны на рынке, и написано очень много программ, которые в качестве хранилища данных используют именно эти базы данных. В подобные продукты вложены большие деньги, и заказчики будут дальше вкладывать деньги в их развитие.

Но традиционные базы данных не всегда идеально подходят для хранения данных. Да, порой бывает сложно использовать реляционные БД в информационных системах со сложной объектно-ориентированной архитектурой.

Программа может иметь, например, типы данных для больших и неструктурированных объектов мультимедиа, географических информационных систем или Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing. Сложность заключается в том, что, во-первых, нужно разрабатывать не только архитектуру классов приложения, но и схему базы данных. Во-вторых, затрачивается время на разработку функционала, который сможет представить табличные данные в виде объектов классов и наоборот.

Эти аргументы (приведенные выше) определяют необходимость исследования и развития других подходов структурирования и представления данных, альтернативных ставшим уже классическими реляционным базам. Такой альтернативой могут стать объектно-ориентированные БД.

Стоит отметить, что разнообразие способов и форматов представления информации предложенных на сегодняшний день далеко не ограничивается только реляционными и ОО БД, но далее основное внимание уделим именно этим типам.