Основные сведения и функциональные возможности системы управления базами данных

Базу данных (БД) можно определить как унифицированную совокупность данных, совместно используемую различными задачами в рамках некоторой единой авто­матизированной информационной системы (ИС).

Теория управления базами данных как самостоятельная дисциплина начала развиваться приблизительно с начала 50-х годов двадцатого столетия. За это время в ней сложилась определенная система фундаментальных понятий.

Активная деятельность по отысканию приемлемых способов обобществления непрерывно растущего объема информации привела к созданию в начале 60-х годов XX века специальных программных комплексов, называемых «Системы управления базами данных» (СУБД).

СУБД называют программную систему, предназначенную для создания на ЭВМ общей базы данных, используемой для решения множества задач. Подобные системы служат для поддержания базы данных в актуальном состоянии и обеспечивают эффективный доступ пользователей к содержащимся в ней данным в рамках предоставленных пользователям полномочий.

Средствами СУБД любой пользователь может создать файлы БД, просматривать их, изменять, выполнять поиск, формировать отчеты произвольной формы. Кроме того, поскольку структура файлов БД записана на диске в его начале, можно открыть, просмотреть, выбрать данные и из чужого файла, созданного кем-то программно или средствами СУБД. В настоящее время создано большое количество СУБД, имеющих приблизительно одинаковые возможности.

СУБД выполняет большое количество важнейших функций, исполнение которых незаметно конечным пользователям. Рассмотрим наиболее важные функции:

• 1. Управление хранением данных. Данная функция предоставляет пользователям возможности выполнения таких операций с данными, как сохранение, извлечение и обновление информации. А также обеспечение необходимых структур внешней памяти как для хранения данных, непосредственно входящих в БД, так и для служебных целей, например для ускорения доступа к данным.
• 2. Управление буферами оперативной памяти. СУБД обычно работают с БД значительного размера; по крайней мере этот размер обычно существенно превышает доступный объем оперативной памяти. Если при обращении к любому элементу данных будет производиться обмен с внешней памятью, то вся система будет работать со скоростью устройства внешней памяти.

Единственным же способом реального увеличения этой скорости является буферизация данных в оперативной памяти. В развитых СУБД поддерживается собственный набор буферов оперативной памяти с собственной дисциплиной замены буферов. При управлении буферами основной памяти приходится разрабатывать и применять согласованные алгоритмы буферизации, журнализации и синхронизации.

Однако существует отдельное направление СУБД, ориентированные на постоянное присутствие в оперативной памяти всей БД. Это направление основывается на предположении, что в предвидимом будущем объем оперативной памяти компьютеров сможет быть настолько велик, что позволит не беспокоиться о буферизации. Но пока эти работы находятся в стадии исследований.

3. Управление словарем данных. СУБД использует специальный системный каталог, который называют также словарем данных, для поиска необходимых структур данных и их отношений, помогая избежать кодирования таких сложных взаимосвязей в каждой программе, ведь любые программы получают доступ к данным посредством СУБД.

Словарь данных является хранилищем информации, описывающей данные в базе данных. Предполагается, что каталог доступен как пользователям, так и функциям СУБД.

Обычно в словаре данных: содержится следующая информация: имена, типы и размеры элементов данных; имена связей; накладываемые на данные ограничения поддержки целостности; имена пользователей, которым предоставлено право доступа к данным; внешняя, концептуальная и внутренняя схемы и отображения между ними; статистические данные, например частота транзакций и счетчики обращений к объектам базы данных.

Таким образом, СУБД обеспечивает абстракцию данных, тем самым устраняя в системе структурную зависимость и зависимость по данным.

4. Журнализация. Одно из основных требований к СУБД — надежное хранение данных во внешней памяти. Под надежностью хранения понимается то, что СУБД должна быть в состоянии восстановить последнее согласованное состояние БД после любого аппаратного или программного сбоя. Обычно рассматриваются два возможных вида аппаратных сбоев: так называемые мягкие сбои, которые можно трактовать как внезапную остановку работы компьютера (например, аварийное выключение питания), и жесткие сбои, характеризуемые потерей информации на носителях внешней памяти.

Поддержание надежного хранения данных в БД требует избыточности хранения данных, причем та их часть, которая используется для восстановления, должна храниться особо надежно. Наиболее распространенный метод поддержания такой избыточной информации — ведение журнала изменений БД.

Журнал — это особая часть БД, недоступная пользователям СУБД и поддерживаемая особо тщательно (иногда поддерживаются две копии журнала, располагаемые на разных физических дисках), в которую поступают записи обо всех изменениях основной части БД.

Во всех случаях придерживаются стратегии «упреждающей» записи в журнал (протокола Write Ahead Log — WAL). Этот способ заключается в том, что запись об изменении любого объекта БД должна попасть во внешнюю память журнала раньше, чем измененный объект попадет во внешнюю память основной части БД. Известно, если в СУБД корректно соблюдается протокол WAL, то с помощью журнала можно решить все проблемы восстановления БД после любого сбоя.

5. Управление транзакциями. Транзакция — это последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД как единое целое. Либо транзакция успешно выполняется, и СУБД фиксирует изменения БД, произведенные ею, во внешней памяти, либо ни одно из этих изменений никак не отражается в состоянии БД. Понятие транзакции необходимо для поддержания логической целостности БД.

Примерами простых транзакций может служить добавление, обновление или удаление в базе данных сведений о некоем объекте. Сложная же транзакция образуется в том случае, когда в базу данных требуется внести сразу несколько изменений. Инициализация транзакции может быть вызвана отдельным пользователем или прикладной программой.

Понятие транзакции обязательное условие даже однопользовательских СУБД, хотя гораздо существеннее во многопользовательских СУБД. То свойство, что каждая транзакция начинается при целостном состоянии БД и оставляет это состояние целостным после своего завершения, делает очень удобным использование понятия транзакции как единицы активности пользователя по отношению к БД.

• 6. Управление безопасностью. СУБД создает систему безопасности, которая обеспечивает защиту пользователя и конфиденциальность данных внутри БД. Правила безопасности устанавливают, какие пользователи могут получить доступ к БД, к каким элементам данных пользователь может получить доступ, какие операции с данными доступны пользователю. В многопользовательских системах данная функция имеет большое значение, так как несколько пользователей могут одновременно получить доступ к данным.
• 7. Поддержка языков баз данных. Для работы с базами данных используются специальные языки, в целом называемые языками баз данных. В современных СУБД обычно поддерживается единый интегрированный язык, содержащий все необходимые средства для работы с БД, начиная от ее создания, и обеспечивающий базовый пользовательский интерфейс с базами данных.

Стандартным языком наиболее распространенных в настоящее время реляционных СУБД является язык SQL (Structured Query Language — язык структурированных запросов). Так как в состав SQL входят два основных компонента: язык определения данных (DDL) и язык манипулирования данными (DML), SQL позволяет определять схему реляционной БД и манипулировать данными.