Системы баз данных

Эта функция включает обеспечение  необходимых структур внешней памяти, как для хранения данных, непосредственно входящие в базу данных так и для служебных целей. Например, для убыстрения доступа к данным в некоторых случаях (обычно для этого используется индекс).

В некоторых  реализациях СУБД активно  используется возможность существующих файловых систем. В других работа производится вплоть до уровня устройств внешней памяти. Но подчеркнем, что в развитых СУБД пользователь в любом случае не обязан знать использование СУБД файловую систему и если использует, то, как организованные файлы. В частности СУБД поддерживает собственную систему и наименование объектов баз данных.

 

2. Управление буторами оперативной памяти.

СУБД обычно работает с БД, по крайней  мере, этот размер обычно существует, больше доступен объему оперативной памяти. Что если при обращении к любому элементу данных будет производиться объем с внешней памятью, то вся система будет работать со скоростью устройства внешней памяти.  Практическим единственным способом реально увеличение этой скорости является буферизация данных в оперативной памяти. При этом даже если операционная система производит общесистемную буферизацию. Этого не достаточно для цели СУБД, которая располагает гораздо больше информации о полезности буферизации, т.е. той или иной части БД. Поэтому в развитых СУБД поддерживается собственный набор буферов  оперативной памяти, собственной дисциплины замены буферов. Заметим, что существуют отдельные направления СУБД, которые ориентированно, но постоянно присутствуют в оперативной памяти  БД. Это направление основывается на  предположение, что на столько велик, что позволит, не беспокоится о буферизации. (Пака эта работа находится в стадии развития).

 

3. Управление транзакциями.

Транзакция – это последовательность операций над БД, рассматриваемая  СУБД как единое целое. При выполнении транзакция может быть либо успешно завершена, и СУБД зафиксирует произведенные изменения во внешней памяти, либо, например, при сбое в аппаратной части ПК, ни одного из изменений не отразится в БД. Понятие транзакция необходимо для поддержания логической целостности БД. Таким образом, поддержание механизма транзакции является обязательным условием даже однопользовательских СУБД. (Если такая система заслуживает СУБД). Но понятие транзакция гораздо более важно много пользователь СУБД, то свойство, то каждая транзакция начинается при целостном состоянии БД и оставляет это состояние целостное после своего завершения, делает очень удобным, использование понятие транзакция как единицы активности пользователя по отношению БД. При соответствующем управлении управляющимися транзакциями со стороны СУБД каждым использованием может в принципе ощущать себя единственным пользователем СУБД. Управление транзакции многопользовательской СУБД связаны важные понятия сериализация транзакции и сериального плана выполнения смеси транзакции. Под стерилизацией выполнении параллельно сериализация понимают такой порядок планирования их работ при которой суммарный эффект смеси транзакции эквивалентен эффекту их некоторого последовательного управления. Сериальный план выполнения смеси транзакции это такой план, который приводит к сериализация транзакции. Что если удается добиться действительного сериального выполнения смеси транзакции, то для каждого пользователя по инициативе, которой образованна транзакция  присутствие других транзакций будет незаметно (если не считать некоторого замедления работы по сравнению с одно пользованием режимом). Существует несколько базовых алгоритмов сериализация транзакции. Централизованных СУБД наиболее распространены алгоритмы, основанные на синхронизации захвата объектов БД. При использовании любого алгоритма возможная ситуация конфликта между двумя или более транзакциями по доступу объекта БД. В этом случае для поддержания сериализация необходимы, выполнять откат одной ли более транзакции. Это один из случаев, когда пользователь многопользовательской СУБД может реально (и достаточно неприятно) ощутить присутствие в системе транзакции других пользователей. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Архитектура СУБД.

 

Три уровня архитектуры.

Архитектура ANSI/SPARC включает три уровня: внутренний, концептуальный и внешний. В общих чертах они представляют собой следующее:

• Внутренний уровень-это уровень, наиболее близкий к физическому хранению, т.е. связанный со способами сохранения информации на физических устройствах хранения.
• Внешний уровень наиболее близок к пользователям, т.е. он связан со способами представления данных для отдельных пользователей.
• Концептуальный уровень-это «промежуточный» уровень между двумя первыми. 

 

Внешний уровень (индивидуальные представления пользователей).

 

Концептуальный уровень (обобщенное представление пользователей).

 

 

 

Внутренний уровень (представление  в 

памяти).

 

 

 

 

 

 

Если внешний уровень с индивидуальными  представлениями пользователей, то концептуальный уровень связан с обобщенным представлением пользователей. Иначе говоря, может быть несколько внешних представлений, каждое из которых состоит из более или менее абстрактного представления определенной части БД, и может быть только одно концептуальное представление, состоящее из абстрактного представления БД в целом.

Внешний уровень-это индивидуальный уровень пользователя. Пользователь может быть прикладным программистом или конечным пользователем с любым уровнем профессиональной подготовки. Особое место среди пользователей занимает администратор БД. (В отличие от остальных пользователей его интересует также концептуальный и внутренний уровень.)

У каждого пользователя есть свой язык общения.

• Для прикладного программиста это либо один из распространенных языков программирования, такой как C, COBOL или PL/1, либо специальный язык рассматриваемой системы. Такие оригинальные языки называют (неформально!) языками четвертого поколения на том основании, что машинный код, язык ассемблера и такие языки, как COBOL, можно считать языками трех первых «поколений», а оригинальные языки модернизированы по сравнению с языками третьего поколения так же, как языки третьего поколения улучшены по сравнению с языком ассемблера.
• Для конечного пользователя это или специальный язык запросов, или язык специального назначения, возможно, основанный на формах и меню, созданный специально с учетом требований и поддерживаемый некоторым оперативным приложением.

Хотя с точки зрения архитектуры  удобно различать подъязык данных и  включающий его базовый язык, на практике они могут быть неразличимыми настолько, насколько это имеет отношение к пользователю. Безусловно, сточки зрения пользователя, предпочтительнее, чтобы они неразличимы или трудно различимым, их называют сильно связанными. Если они ясно и легко различаются, говорят, что они слабо связаны. Большинство систем на сегодняшний день поддерживает лишь слабую связь. Система с сильной связью могли бы предоставить пользователю более унифицированный набор возможностей, но, очевидно, требуют больше усилий со стороны системных проектировщиков и разработчиков (которые, вероятно, рассчитывают на статус-кво); однако есть основания предполагать, что на протяжении следующих нескольких лет будет происходить постепенное продвижение к более сильно связанным системам.

Язык обработки данных состоит  из таких выполняемых операторов PL/1, которые передают информацию в и из БД; опять же, возможно, включая, новые специальные операторы.

В общем, внешнее представление  состоит из множества экземпляров  каждого типа внешней записи, которые, в свою очередь, отнюдь не обязательно должны совпадать с ранимыми записями. Находящийся в распоряжении пользователя подъязык данных определен в терминах внешних записей; например, операция выборки языка обработки данных будет проводить выборку из экземпляров внешних, а не хранимых записей.

Концептуальный уровень. 

Концептуальное представление  – это  представление всей информации БД в несколько более абстрактной  форме (как и случае внешнего представления) по сравнению с  физическим способом хранения данных. Однако концептуальное представление существенно отличается от способа представления данных какому-либо отдельному пользователю. Вообще говоря, концептуальное представление – это представление данных такими, какие «они есть на самом деле», а не такими, какими вынужден их видеть пользователь в рамках, например, определенного языка или используемого аппаратного обеспечения.

Концептуальное представление  состоит из множества экземпляров  каждого типа концептуальной записи. Например, оно может состоять из набора экземпляров записей, содержащих информацию об отдельных, плюс набор экземпляров, содержащих информацию о деталях и т.д. Концептуальная запись вовсе не обязательно должна совпадать с внешней записью, с одной стороны, и с хранимой записью- с другой.

Концептуальное представление  определяется с помощью концептуальной схемы,  которая включает определения каждого типа концептуальных записей. Концептуальная схема использует другой язык определения данных - концептуальный.

Концептуальное представление – это представление всего содержимого базы данных, а концептуальная схема – это определение такого представления. Однако было бы ошибкой полагать, что концептуальная схема – это не более чем набор определений, больше напоминающих простые отношения записей в программе на языке COBOL (или каком-либо другом).

Теперь перейдем к  более детальному исследованию трех уровней архитектуры.

Внутренний уровень.

Третьим уровнем архитектуры является внутренний уровень. Внутреннее представление – это представление нижнего уровня всей БД; оно состоит из многих экземпляров каждого типа внутренней записи. Термин  «внутренняя запись» принадлежит терминологии ANSI/SPARC и означает конструкцию, называемую хранимой записью. Внутреннее представление так же, как внешнее и концептуальное, не связано с физическим уровнем, так как в нем не рассматриваются физические области устройства хранения, такие как цилиндры и дорожки. Другими словами, внутреннее представление предполагает бесконечное линейное адресное пространство; подробности того, как адресное пространство отображено на физическое устройство хранения, очень зависят от системы и умышленно не включены в общую архитектуру.

Внутреннее представление  описывается с помощью внутренней схемы, которая  определяет не только различные типы хранимых записей, но также существующие индексы, способы представления хранимых полей, физическую последовательность хранимых записей и т.д. Внутренняя схема пишется с использованием еще одного языка определения данных – внутреннего.

В заключении отметим, что в некоторых исключительных ситуациях прикладные программы, в частности те, которые называют утилитами могут выполнять операции непосредственно на внутреннем, а не на внешнем уровне. Конечно, такой практикой пользоваться не рекомендуется; она определяет риск с точки зрения безопасности (правила безопасности игнорируются ) и целостности (правила целостности тоже игнорируется), к тому же программа будет зависеть от загруженных данных; но иногда это может быть единственным способом достичь выполнения требуемой функции или добиться необходимого быстродействия – так же, как пользователю языка высокого уровня иногда по тем же причинам необходимо прибегнуть к языку ассемблера.

Приложения, использующие базы данных, обычно принято относить к одной из программных архитектур, имеющих свои плюсы и минусы.

 

Локальная архитектура.

И программа, и  база данных расположены на одном компьютере. В такой архитектуре работает большинство настольных приложений.

 

Файл – серверная  архитектура.

База данных расположена на мощном выделенном компьютере (сервере), а персональные компьютеры подключены к нему по локальной сети. На этих компьютерах установлены клиентские программы, обращающиеся к базе данных по сети. Преимущество такой архитектуры заключается в возможности одновременной работы нескольких пользователей с одной базой данных.

Недостаток такого подхода -  большие объемы информации, передаваемой по сети. Вся обработка выполняется на клиентских местах, где фактически формируется копия базы данных. Это приводится к ограничению максимально возможного числа пользователей и большим задержкам при работе с базой. Эти задержки вызываются тем, что на уровне конкретной таблицы одновременный доступ невозможный. Пока программа на одном из клиентских мест не закончит работу с таблицей (например, не выполнит модификацию записей), другие программы не могут обращаться к этой таблице. Это называется блокировкой на уровне таблицы и исключает возникновение путаницы в ее содержимом.

 

   Клиент – серверная архитектура.

В такой архитектуре на сервере не только хранится БД, но и работает программа СУБД, обрабатывающая запросы пользователей и возвращающая им наборы записей. При этом программы пользователей уже не работают, например, с БД как набором физических фалов, а обращаются к СУБД, которая выполняет операции. Нагрузка с клиентских мест при этом снимается, так  как большая часть работы происходит на сервере. СУБД автоматически следит за целостностью и сохранностью БД, а также контролирует доступ к информации с помощью службы паролей. Клиент – серверные СУБД допускают блоки на уровне записи и даже отдельного поля.   Это означает, что с таблицей может работать любое число пользователей, но доступ к функции изменения конкретной записи или одного  из ее полей обеспечен только одному из них.

Основной недостаток этой архитектуры не очень высокая  надежность. Если сервер выходит из строй, вся работа останавливается.

  

Распределенная архитектура.

В сети работает несколько серверов, и таблицы баз данных распределены между ними для достижения повышенной эффективности. На каждом сервере функционирует своя копия СУБД. Кроме того, в подобной архитектуре обычно используются специальные программы, так называемые серверы приложений. Они позволяют оптимизировать обработку запросов большого числа пользователей и равномерно распределить нагрузку между компьютерами в сети.  

  Недостаток распределенной архитектуры заключается в довольно сложном и дорогостоящем процессе ее создания и сопровождения (администрирования), а также а высоких требованиях к сервером компьютерам.