Организация баз данных (стр. 3 из 39)
Внутреннее представление описывается с помощью внутренней схемы, которая описывается с помощью внутреннего языка определения данных.
Между тремя уровнями представлений имеются два уровня отображений. Отображения концептуального уровня на внутренний и внешнего уровня на концептуальный. Отображения сохраняют независимость данных случае внесения в структуру БД изменений.
1.5 Функции СУБД
1. Определение данных. СУБД должна допускать определения данных (внешние схемы, концептуальную и внутреннюю схемы, соответствующие отображения). Для этого СУБД включает в себя языковый процессор для различных языков определений данных.
2. Обработка данных. СУБД должна обрабатывать запросы пользователя на выборку, а также модификацию данных. Для этого СУБД включает в себя компоненты процессора языка обработки данных.
3. Безопасность и целостность данных. СУБД должна контролировать запросы и пресекать попытки нарушения правил безопасности и целостности.
4. Восстановление данных и дублирование. СУБД должна обеспечить восстановление данных после сбоев.
5. Словарь данных. СУБД должна обеспечить функцию словаря данных. Сам словарь можно считать системной базой данных, которая содержит данные о данных пользовательской БД, т.е. содержит определения других объектов системы. Словарь интегрирован в определяемую им БД и, поэтому, содержит описание самого себя.
6. Производительность. СУБД должна выполнять свои функции с максимальной производительностью.
1.6 Экспертные системы и базы знаний
В последнее время появилась необходимость хранения и использования слабоструктурированных данных, каковыми являются, например, человеческие знания в экспертных системах.
Экспертная система – система искусственного интеллекта, включающая знания об определенной слабо структурированной и трудно формализуемой узкой предметной области и способная предлагать и объяснять пользователю разумные решения. Экспертная система состоит из базы знаний, механизма логического вывода и подсистемы объяснений.
База знаний – семантическая модель, описывающая предметную область и позволяющая отвечать на такие вопросы из этой предметной области, ответы на которые в явном виде не присутствуют в базе. База знаний является основным компонентом интеллектуальных и экспертных систем.
Для хранения баз знаний в современных экспертных системах используются либо промышленные СУБД и специализированное промежуточное ПО, либо специализированное ПО.
В настоящем курсе основное внимание уделяется проектированию БД и организации хранения в них структурированной информации. Проектирование и создание баз знаний будет подробно рассматриваться в других курсах, связанных с изучением интеллектуальных систем.
Литература:
1. Дейт К.Дж. Введение в системы баз данных. –Пер. с англ. –6-е изд. –К. Диалектика, 1998. Стр. 36–75.
ЛЕКЦИЯ 2. Модели БД
2.1 Обзор ранних (дореляционных) СУБД
2.2 Системы, основанные на инвертированных списках
2.3 Иерархическая модель
2.4 Сетевая модель
2.5 Основные достоинства и недостатки ранних СУБД
2.1 Обзор ранних (дореляционных) СУБД
Рассмотрим системы, исторически предшествовавшие реляционным, что необходимо для правильного понимания причин повсеместного перехода к реляционным системам. Кроме того, внутренняя организация реляционных систем во многом основана на использовании методов ранних систем. И, наконец, некоторое знание в области ранних систем будет полезно для понимания путей развития постреляционных СУБД.
Ограничимся рассмотрением только общих подходов к организации трех типов ранних систем, а именно, систем, основанных на инвертированных списках, иерархических и сетевых систем управления базами данных. Не будем касаться особенностей каких-либо конкретных систем, поскольку это привело бы к изложению многих технических деталей. Детали можно найти в соответствующей литературе.
Рассмотрим некоторые наиболее общие характеристики ранних систем:
1. Эти системы активно использовались в течение многих лет, дольше, чем используется многие из реляционных СУБД. На самом деле некоторые из ранних систем используются даже в наше время, накоплены громадные базы данных, и одной из актуальных проблем информационных систем является использование этих систем совместно с современными системами.
2. Все ранние системы не основывались на каких-либо абстрактных моделях. Понятие модели данных фактически вошло в обиход специалистов в области БД только вместе с реляционным подходом. Абстрактные представления ранних систем появились позже на основе анализа и выявления общих признаков у различных конкретных систем.
3. В ранних системах доступ к БД производился на уровне записей. Пользователи этих систем осуществляли явную навигацию в БД, используя языки программирования, расширенные функциями СУБД. Интерактивный доступ к БД поддерживался только путем создания соответствующих прикладных программ с собственным интерфейсом.
4. Навигационная природа ранних систем и доступ к данным на уровне записей заставляли пользователя самого производить всю оптимизацию доступа к БД, без какой-либо поддержки системы.
5. После появления реляционных систем большинство ранних систем было оснащено "реляционными" интерфейсами. Однако в большинстве случаев это не сделало их по‑настоящему реляционными системами, поскольку оставалась возможность манипулировать данными в естественном для них режиме.
2.2 Системы, основанные на инвертированных списках
К числу наиболее известных и типичных представителей таких систем относятся Datacom/DB компании Applied Data Research, Inc. (ADR), ориентированная на использование на машинах основного класса фирмы IBM, и Adabas компании Software AG.
Организация доступа к данным на основе инвертированных списков используется практически во всех современных реляционных СУБД, но в этих системах пользователи не имеют непосредственного доступа к инвертированным спискам (индексам).
2.2.1 Структуры данных
В базе данных, организованной с помощью инвертированных списков хранимые таблицы и пути доступа к ним видны пользователям. При этом:
1. Строки таблиц упорядочены системой в некоторой физической последовательности.
2. Физическая упорядоченность строк всех таблиц может определяться и для всей БД (так делается, например, в Datacom/DB).
3. Для каждой таблицы можно определить произвольное число ключей поиска, для которых строятся индексы. Эти индексы автоматически поддерживаются системой, но явно видны пользователям.
2.2.2 Манипулирование данными
Поддерживаются два класса операторов:
1. Операторы, устанавливающие адрес записи, среди которых:
1.1. прямые поисковые операторы (например, найти первую запись таблицы по некоторому пути доступа);
1.2. операторы, находящие запись в терминах относительной позиции от предыдущей записи по некоторому пути доступа.
2. Операторы над адресуемыми записями
Типичный набор операторов:
1. Найти первую запись таблицы T в физическом порядке;
2. Найти первую запись таблицы T с заданным значением ключа поиска K;
3. Найти запись, следующую за записью с заданным адресом в заданном пути доступа;
4. Найти следующую запись таблицы T в порядке пути поиска с заданным значением K;
5. Найти первую запись таблицы T в порядке ключа поиска K cо значением ключевого поля, большим заданного значения K;
6. Выбрать запись с указанным адресом;
7. Обновить запись с указанным адресом;
8. Удалить запись с указанным адресом;
9. Включить запись в указанную таблицу; операция генерирует адрес записи.
2.2.3 Ограничения целостности
Общие правила определения целостности БД отсутствуют. В некоторых системах поддерживаются ограничения уникальности значений некоторых полей, но в основном все возлагается на прикладную программу.
2.3 Иерархическая модель
Типичным представителем (наиболее известным и распространенным) является Information Management System (IMS) фирмы IBM. Первая версия появилась в 1968 г. До сих пор поддерживается много баз данных, что создает существенные проблемы с переходом как на новую технологию БД, так и на новую технику.
2.3.1 Иерархические структуры данных
Иерархическая БД состоит из упорядоченного набора деревьев; более точно, из упорядоченного набора нескольких экземпляров одного типа дерева.
Тип дерева (рис. 2.1) состоит из одного "корневого" типа записи и упорядоченного набора из нуля или более типов поддеревьев (каждое из которых является некоторым типом дерева). Тип дерева в целом представляет собой иерархически организованный набор типов записи.
Пример типа дерева (схемы иерархической БД)Здесь (рис. 2.1) Группа является предком для Куратора и Студенты, а Куратор и Студенты – потомки Группа. Между типами записи поддерживаются связи.
База данных с такой схемой могла бы выглядеть следующим образом (рис. 2.2):
рис. 2.2 Один экземпляр дерева.Все экземпляры данного типа потомка с общим экземпляром типа предка называются близнецами. Для БД определен полный порядок обхода – сверху-вниз, слева-направо.