Файл: Применение объектно-ориентированного подхода при проектировании информационной системы (Фундаментальные свойства отношений).pdf

Содержание:

ВВЕДЕНИЕ

Написание данной работы хотелось бы начать с того, что с самого начала развития вычислительной техники образовалось несколько основных направлений ее использования.

Направление, касающееся темы работы, это использование в автоматических или автоматизированных информационных системах средств вычислительной техники.

В общем, информационная система представляет собой программный комплекс, функциями которого является надежное хранение информации в памяти компьютера, также выполнение особых для приложения преобразований информации, ну и, конечно же, предоставление пользователям удобного и легко понятного интерфейса. Объемы информации, которые приходится обрабатывать таким системам, обычно велики, а сама она имеет довольно таки сложную структуру. К таким системам обычно относят системы резервирования билетов, банковские системы и т.д.

Естественно, что для таких систем необходимо надежное и долговременное хранение информации. И добиться этого можно только при наличии запоминающих устройств, способных хранить информацию при выключенном электрическом питании. Оперативная память для этого не подходит.

Изначально использовали в качестве внешней памяти: магнитные ленты и барабаны. Затем появились магнитные диски.

Сейчас существует множество информационных систем, позволяющих хранить, выбирать и модифицировать постоянно существующую информацию. Для организации таких систем используется понятие базы данных. На сегодняшний день имеется несколько совершенно разных подходов к реализации баз данных. В данной работе будет рассмотрено два важнейших подхода с точки зрения теории баз данных, которые образуют реляционные и объектно-ориентированные базы данных.

В первой главе дается попытка пояснения, что же такое база данных и система управления ею.

Во второй главе показаны основные особенности реляционных баз данных и способы проектирования этих баз.

В третьей главе рассмотрены основные особенности объектно-ориентированных баз данных.

ГЛАВА 1. БАЗЫ ДАННЫХ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ

1.1 В общем о базах данных и системах управления базами данных

Информационные системы главным образом используются для хранения, выбора и модификации постоянно существующей информации. Часто используются сложные структуры, и, как правило, между ними много общего. Возникающие проблемы в структуре решались индивидуально с каждой информационной системой.

Но так как информационные системы используют сложные структуры данных, эти индивидуальные дополнительные средства управления данными были существенной частью этих систем и повторялись от одной информационной системы к другой. И первой серьезной причиной создания СУБД является как раз стремление выделить общую часть в информационных системах, ответственную за управление сложных структур данных.

Согласованность данных является ключевым понятием в базах данных. Таким образом, если системой используется согласованное хранение данных в нескольких файлах, то говорят, что она использует базу данных. Систему управления данными работающую с несколькими файлами, обеспечивая их согласованность, можно назвать СУБД [5].

Уже только требование согласованности данных нескольких файлов говорит о том, что такая система должна иметь собственные данные и определяющие целостность таких данных знания. Но от СУБД также требуется еще и:

1. сформулировать запрос к самой базе на близком или точнее понятном пользователям языке. Такие языки называются языками запросов к базам данных.

2. совместная работа нескольких пользователей с базой данных.

1.2 Ранние подходы к организации БД

Прежде, чем перейти к подробному рассмотрению реляционных баз данных, вкратце рассмотрим ранние (дореляционные) базы данных.

Назовем три причны, по которым это необходимо сделать:

1. эти системы предшествовали реляционным, и нужно знать что-нибудь про них для понимания причин перехода к реляционным системам;

2. в ранних системах использовались методы, которые лежат в основе реляционных систем;

3. для понимания дальнейших путей развития постреляционных систем упрвления базами данных.

Рассмотрим только три типа таких систем, а именно, систем, основанных на инвертированных списках, иерархических и сетевых [4].

База данных основанная на инвертированных списках.

Доступ к данным баз, основанных на инвертированных списков, используется практически во всех реляционных систем управления базами данных, только пользователи не имеют прямого доступа к спискам, которые также называют индексами. Внутренние интерфейсы реляционных систем очень близки к интерфейсам пользователей систем, основанных на инвертированных списках.

Базы данных, организованные с помощью инвертированных списков, а также реляционные БД похожы между собой, но с тем отличием, что хранимые таблицы и пути доступа к ним в инверированных списках видны пользователям. А cтроки таблиц упорядочены в некоторую физическую последовательность. Упорядоченность строк таблиц может определяться и для всей БД.

В каждой таблице можно назначить произвольное число ключей поиска, для которых строятся индексы. Эти индексы поддерживаются системой автоматически, но явно видны пользователям.

Теперь об иерархической базе данных.

Она состоит из упорядоченного набора деревьев.

Дерево состоит из одного "корневого" типа записи и некоторого количества типов поддеревьев, их также может быть и нуль. В целом же тип дерева представляет собой иерархическую организацию наборов типов записей.

На рисунке 1 изображен наглядный пример схемы иерархической базы данных.

Рисунок 1. Схема иерархической базы данных

Здесь Отдел - это предок Начальника и Сотрудников, а Начальник и Сотрудники – это потомки Отдела. Между типами записей поддерживаются связи.

Согласно схеме на рисунке 1 можно показать пример такой базы данных. Такой пример приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Пример иерархической базы данных

Для таких баз данных имеются стандартные порядки обходов - сверху-вниз, слева-направо.

У этих баз данных имеется и некоторые правила, например ни один потомок без родителя не существует.

Наконец перейдем к сетевой базе данных.

Сетевая база данных является расширением иерархической. Разница лишь в том, что в иерархических структурах потомок имеет только одного предка, а в сетевой базе данных потомок способен иметь большее число предков.

Пример схемы сетевой базы данных показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Пример схемы сетевой базы данных

У ранних систем управления базами данных имеются свои сильные и слабые стороны.

Сильные места:

• на низком уровне внешней памяти сильно развиты средства управления данными;
• есть возможность вручную построить эффективную прикладную систему;
• в сетевых системах можно сэкономить память за счет разделения подобъектов.

Недостатки:

• сложны в использовании;
• необходимы знания в физической организации;
• от этой организации зависят прикладные системы;
• деталями организации доступа к базам данных перегружена логика.

ГЛАВА 2. РЕЛЯЦИОННАЯ БАЗА ДАННЫХ

Приступим к рассмотрению реляционных БД и СУБД. В настоящее время данных подход является самым распространенным.

К достоинствам реляционного подхода относится [3]:

• простота моделирования;
• имеется достаточно мощный математический аппарат;
• простое манипулирование данными без знания физической организации баз данных.

В настоящее время реляционные системы управления базами данных являются не только недостаточно эффективными, но и ограничены при использовании в нетрадиционных областях (например, в системах автоматизации проектирования), ведь в них требуются весьма сложные структуры [16].

2.1 Общие понятия реляционного подхода к организации БД

К основным понятиям реляционных БД можно отнести домен, тип данных, первичный ключ, кортеж, атрибут и отношение [7].

Покажем смысл всех этих понятий. для примера возьмем отношение СОТРУДНИКИ, изображенное на рисунке 4.

Данное отношение содержит информацию о сотрудниках любой организации.

Рисунок 4. Смысл основных понятий реляционных баз данных

Под типом данных в реляционной базе данных понимается тоже, что и под типом данных в языках программирования. Обычно в реляционных базах данных допускается хранение числовых и символьных данных, специализированных числовых данных (деньги), а также специальных данных (время, дата).

В нашем примере мы имеем дело с данными трех типов: целые числа и деньги, а также строки символов.

Под доменом понимается допустимое потенциальное, ограниченное подмножество значений данного типа. [9].

В нашем примере домен "Имена" определен на базовом типе символьных строк, но его значениями могут быть только те строки, которые изображают имя (например, с мягкого знака имена начинаться не могут).

Следует отметить, что данные являются сравнимыми, если они относятся к одному домену. У нас домены "Номера групп" и "Номера пропусков" не являются сравнимыми, хоть и являются целыми числами.

Под схемой отношения понимается именованное множество пар {имя атрибута, имя домена}[8]. Мощностью множества называется степень схем отношения. Отношение СОТРУДНИКИ имеет степень равную четырем.

Схемой базы данных (в структурном смысле) считают набор именованных схем отношений.

Под кортежем понимается набор именованных значений заданного типа [16].

Под отношением подразумевается множество кортежей из одной схемы отношения. Чтобы не путаться, разделяют "отношение-схему" и "отношение-экземпляр". Схему отношения также иногда называют его заголовком, а отношение, состоящее из кортежей - телом. [8]

Имя схемы отношения в реляционных базах данных обычно совпадает с именем отношения-экземпляра. После определения схемы БД могут измениться только отношения-экземпляры. В них могут удаляться и появляться новые или изменяться существующие кортежи.

Вообще для простоты отношения считают таблицей, ее заголовок называют схемой отношения, а строки – это кортежи отношения-экземпляра. Также говорят "столбец таблицы", подразумевая "атрибут отношения".

Таким образом, реляционная БД - это набор отношений, имена которых совпадают с именами схем отношений в схеме базы данных [8].

В теории реляционных баз данных все понятия определяются абсолютно точно.

2.2 Фундаментальные свойства отношений

Рассмотрим некоторые важные свойства отношений, которые следуют из приведенных ранее определений [3]:

• отсутствие кортежей-дубликатов;
• отсутствие упорядоченности кортежей;
• отсутствие упорядоченности атрибутов;
• атомарность значений атрибутов.

Отсутствие кортежей-дубликатов вытекает из того, что отношение является множеством кортежей. Из теории множеств видно, что множество включает в себя различные элементы.