1. Реляционные базы данных
Что такое базы данных?
В самом общем смысле база данных - это набор записей и файлов, организованных
специальным образом. В компьютере, например, можно хранить фамилии и адреса
друзей или клиентов. Один из типов баз данных - это документы, набранные с
помощью текстовых редакторов и сгруппированные по темам. Другой тип - файлы
электронных таблиц, объединяемые в группы по характеру их использования.
Первые модели данных
С ростом популярности СУБД в 70-80-х годах появилось множество различных моделей
данных. У каждой из них имелись свои достоинства и недостатки, которые сыграли
ключевую роль в развитии реляционной модели данных, появившейся во многом
благодаря стремлению упростить и упорядочить первые модели данных.
Системы управления файлами.
До появления СУБД все данные, которые содержались в компьютерной системе
постоянно, хранились в виде отдельных файлов. Система управления файлами,
которая обычно является частью операционной системы компьютера, следила за
именами файлов и местами их расположения. В системах управления файлами модели
данных, как правило, не использовались; эти системы ничего не знали о внутреннем
содержимом файлов. Для такой системы файл, содержащий документ текстового
процессора, ничем не отличается от файла, содержащего данные о начисленной
зарплате.
Знание о содержимом файла - какие данные в нём хранятся и какова их структура -
было уделом прикладных программ, использующих этот файл, что иллюстрирует рис.
1.1.
В приложении для начисления зарплаты каждая из программ, обрабатывающих файл с
информацией о служащих, содержит в себе описание структуры данных (ОСД),
хранящихся в этом файле. Когда структура данных изменялась - например, в случае
добавления нового элемента данных для каждого служащего, - необходимо было
модифицировать каждую из программ, обращавшихся к файлу. Со временем количество
файлов и программ росло, и на сопровождение существующих приложений приходилось
затрачивать всё больше и больше усилий, что замедляло разработку новых
приложений.
Проблемы сопровождения больших систем, основанных на файлах, привели в конце
60-х годов к появлению СУБД. В основе СУБД лежала простая идея: изъять из
программ определение структуры содержимого файла и хранить её вместе с данными в
базе данных.
Иерархические СУБД
Одной из наиболее важных сфер применения первых СУБД было планирование
производства для компаний, занимающихся выпуском продукции. Например, если
автомобильная компания хотела выпустить 10000 машин одной модели и 5000 машин
другой модели, ей необходимо было знать, сколько деталей следует заказать у
своих поставщиков. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо определить, из
каких деталей состоят эти части и т.д. Например, машина состоит из двигателя,
корпуса и ходовой части; двигатель состоит из клапанов, цилиндров, свеч и т.д.
Работа со списками составных частей была как будто специально предназначена для
компьютеров.
Список составных частей изделия по своей природе является иерархической
структурой. Для хранения данных, имеющих такую структуру, была разработана
иерархическая модель данных, которую иллюстрирует рис. 1.2.
В этой модели каждая запись базы данных представляла конкретную деталь. Между
записями существовали отношения предок/потомок, связывающие каждую часть с
деталями, входящими в неё.
Чтобы получить доступ к данным, содержащимся в базе данных, программа могла:
найти конкретную деталь (правую дверь) по её номеру;
перейти "вниз" к первому потомку (ручка двери);
перейти "вверх" к предку (корпус);
перейти "в сторону" к другому потомку (правая дверь).
Таким образом, для чтения данных из иерархической базы данных требовалось
перемещаться по записям, за один раз переходя на одну запись вверх, вниз или в
сторону.
Одной из наиболее популярных иерархических СУБД была Information Management
System (IMS) компании IBM, появившаяся в 1968 году. Ниже перечислены
преимущества IMS и реализованной в ней иерархической модели.
Простота модели. Принцип построения IMS был легок для понимания. Иерархия базы
данных напоминала структуру компании или генеалогическое дерево.
Использование отношений предок/потомок. СУБД IMS позволяла легко представлять
отношения предок/потомок, например: "А является частью В" или "А владеет В".
Быстродействие. В СУБД IMS отношения предок/потомок были реализованы в виде
физических указателей из одной записи на другую, вследствие чего перемещение
по базе данных происходило быстро. Поскольку структура данных в этой СУБД
отличалась простотой, IMS могла размещать записи предков и потомков на диске
рядом друг с другом, что позволяло свести к минимуму количество операций
записи-чтения.
СУБД IMS все ещё является одной из наиболее распространённых СУБД для больших
ЭВМ компании IBM. Доля мэйнфреймов этой компании, на которых используется данная
СУБД, превышает 25%.
Сетевые базы данных
Если структура данных оказывалась сложнее, чем обычная иерархия, простота
структуры иерархической базы данных становилась её недостатком. Например, в базе
данных для хранения заказов один заказ мог участвовать в трёх различных
отношениях предок/потомок, связывающих заказ с клиентом, разместившим его, со
служащим, принявшим его, и с заказанным товаром, что иллюстрирует рис. 1.3.
Такие структуры данных не соответствовали строгой иерархии IMS.
В связи с этим для таких приложений, как обработка заказов, была разработана
новая сетевая модель данных. Она являлась улучшенной иерархической моделью, в
которой одна запись могла участвовать в нескольких отношениях предок/потомок,
как показано на рис. 1.4.
В сетевой модели такие отношения назывались множествами. В 1971 году на
конференции по языкам систем данных был опубликован официальный стандарт сетевых
баз данных, который известен как модель CODASYL. Компания IBM не стала
разрабатывать собственную сетевую СУБД и вместо этого продолжала наращивать
возможность IMS. Но в 70-х годах независимые производители программного
обеспечения реализовали сетевую модель в таких продуктах, как IDMS компании
Cullinet, Total компании Cincom и СУБД Adabas, которые приобрели большую
популярность.
Сетевые базы данных обладали рядом преимуществ:
Гибкость. Множественные отношения предок/потомок позволяли сетевой базе данных
хранить данные, структура которых была сложнее простой иерархии.
Стандартизация. Появление стандарта CODASYL популярность сетевой модели, а
такие поставщики мини-компьютеров, как Digital Equipment Corporation и Data
General, реализовали сетевые СУБД.
Быстродействие. Вопреки своей большой сложности, сетевые базы данных достигали
быстродействия, сравнимого с быстродействием иерархических баз данных.
Множества были представлены указателями на физические записи данных, и в
некоторых системах администратор мог задать кластеризацию данных на основе
множества отношений.
Конечно, у сетевых баз данных были недостатки. Как и иерархические базы данных,
сетевые базе данных были очень жесткими. Наборы отношений и структуру записей
приходилось задавать наперёд. Изменение структуры базы данных обычно означало
перестройку всей базы данных.
Как иерархическая, так и сетевая база данных были инструментами программистов.
Чтобы получить ответ на вопрос типа "Какой товар наиболее часто заказывает
компания Acme Manufacturing?", программисту приходилось писать программу для
навигации по базе данных. Реализация пользовательских запросов часто
затягивалась на недели и месяцы, и к моменту появления программы информация,
которую она предоставляла, часто оказывалась бесполезной.
Реляционная модель данных
Недостатки иерархической и сетевой моделей привели к появлению новой,
реляционной модели данных, созданной Коддом в 1970 году и вызвавшей всеобщий
интерес. Реляционная модель была попыткой упростить структуру базы данных. В ней
отсутствовали явные указатели на предков и потомков, а все данные были
представлены в виде простых таблиц, разбитых на строки и столбцы. На рис. 1.5.
показана реляционная версия сетевой базы данных, содержащей информацию о заказах
и приведенной на рис. 1.4.
К сожалению, практическое определение понятия "реляционная база данных"
оказалось гораздо более расплывчатым, чем точное математическое определение,
данное этому термину Коддом в 1970 году. В первых реляционных СУБД не были
реализованы некоторые из ключевых частей модели Кодда, и этот пробел был
восполнен только впоследствии. По мере роста популярности реляционной концепции
реляционными стали называться многие базы данных, которые на деле таковыми не
являлись.
В ответ на неправильное использование термина "реляционный" Кодд в 1985 году
написал статью, где сформулировал 12 правил, которым должна удовлетворять любая
база данных, претендующая на звание реляционной. С тех пор двенадцать правил
Кодда считаются определением реляционной СУБД. Однако можно сформулировать и
более простое определение:
Реляционной называется база данных, в которой все данные, доступные
пользователю, организованны в виде таблиц, а все операции над данными сводятся к
операциям над этими таблицами.
Приведенное определение не оставляет места встроенным указателям, имеющимся в
иерархических и сетевых СУБД. Несмотря на это, реляционная СУБД также способна
реализовать отношения предок/потомок, однако эти отношения представлены
исключительно значениями данных, содержащихся в таблицах.
Таблицы
В реляционной базе данных информация организована в виде таблиц, разделённых на
строки и столбцы, на пересечении которых содержатся значения данных. У каждой
таблицы имеется уникальное имя, описывающее её содержимое. Более наглядно
структуру таблицы иллюстрирует рис 1.6., на котором изображена таблица OFFICES.
Каждая горизонтальная строка этой таблицы представляет отдельную физическую
сущность - один офис. Пять строк таблицы вместе представляют все пять офисов
компании. Все данные, содержащиеся в конкретной строке таблицы, относятся к
офису, который описывается этой строкой.
Каждый вертикальный столбец таблицы OFFICES представляет один элемент данных для
каждого из офисов. Например, в столбце CITY содержатся названия городов, в
которых расположены офисы. В столбце SALES содержатся объёмы продаж,
обеспечиваемые офисами.
На пересечении каждой строки с каждым столбцом таблицы содержится в точности
одно значение данных. Например, в строке, представляющей нью-йоркский офис, в
столбце CITY содержится значение "New York". В столбце SALES той же строки
содержится значение $692.000.000, которое является объёмом продаж нью-йоркского
офиса с начала года.
Все значения, содержащиеся в одном и том же столбце, являются данными одного
типа. Например, в столбце CITY содержатся только слова, в столбце SALES
содержатся денежные суммы, а в столбце MGR содержатся целые числа,
представляющие идентификаторы служащих. Множество значений, которые могут
содержаться в столбце, называется доменом этого столбца. Доменом столбца CITY
является множество названий городов. Доменом столбца SALES является любая
денежная сумма. Домен столбца REGION состоит всего из двух значений, "Eastern" и
"Western", поскольку у компании всего два торговых региона.
У каждого столбца в таблице есть своё имя, которое обычно служит заголовком
столбца. Все столбцы в одной таблице должны иметь уникальные имена, однако
разрешается присваивать одинаковые имена столбцам, расположенным в различных
таблицах. На практике такие имена столбцов, как NAME, ADDRESS, QTY, PRICE и
SALES, часто встречаются в различных таблицах одной базы данных.
Столбцы таблицы упорядочены слева направо, и их порядок определяется при
создании таблицы. В любой таблице всегда есть как минимум один столбец. В
стандарте ANSI/ISO не указывается максимально допустимое число столбцов в
таблице, однако почти во всех коммерческих СУБД этот предел существует и обычно
составляет примерно 255 столбцов.
В отличие от столбцов, строки таблицы не имеют определённого порядка. Это
значит, что если последовательно выполнить два одинаковых запроса для
отображения содержимого таблицы, нет гарантии, что оба раза строки будут
перечислены в одном и том же порядке.
В таблице может содержаться любое количество строк. Вполне допустимо
существование таблицы с нулевым количеством строк. Такая таблица называется
пустой. Пустая таблица сохраняет структуру, определённую её столбцами, просто в
ней не содержится данные. Стандарт ANSI/ISO не накладывает ограничений на
количество строк в таблице, и во многих СУБД размер таблиц ограничен лишь
свободным дисковым пространством компьютера. В других СУБД имеется максимальный
предел, однако он весьма высок - около двух миллиардов строк, а иногда и больше.
Первичные ключи
Поскольку строки в реляционной таблице не упорядочены, нельзя выбрать строку по
ее номеру в таблице. В таблице нет "первой", "последней" или "тринадцатой"
строки. Тогда каким же образом можно указать в таблице конкретную строку,
например строку для офиса, расположенного в Денвере?
В правильно построенной реляционной базе данных в каждой таблице есть один или
несколько столбцов, значения в которых во всех строках разные. Этот столбец
(столбцы) называется первичным ключом таблицы. Давайте вновь посмотрим на базу
данных, показанную на рис. 1.6. На первый взгляд, первичным ключом таблицы
OFFICES могут служить и столбец OFFICE, и столбец CITY. Однако в случае, если
компания будет расширяться и откроет в каком-либо городе второй офис, столбец
CITY больше не сможет выполнять роль первичного ключа. На практике в качестве
первичных ключей таблиц обычно следует выбирать идентификаторы, такие как
идентификатор офиса (OFFICE в таблице OFFICES), служащего (EMPL_NUM в таблице
SALESREPS) и клиента (CUST_NUM в таблице CUSTOMES). А в случае; с таблицей
ORDERS выбора нет — единственным столбцом, содержащим уникальные значения,
является номер заказа (ORDER_NUM).
Таблица PRODUCTS, фрагмент которой показан на рис. 1.7, является примером
таблицы, в которой первичный ключ представляет собой комбинацию столбцов. Такой
первичный ключ называется составным. Столбец MRF_ID содержит идентификаторы
производителей всех товаров, перечисленных в таблице, а столбец PRODUCT_ID
содержит номера, присвоенные товарам производителями. Может показаться, что
столбец PRODUCT_ID мог бы и один выполнять роль первичного ключа, однако ничто
не мешает двум различным производителям присвоить своим изделиям одинаковые
номера. Таким образом, в качестве первичного ключа таблицы PRODUCTS необходимо
использовать комбинацию столбцов MRF_ID и PRODUCT_ID. Для каждого из товаров,
содержащихся в таблице, комбинация значений в этих столбцах будет уникальной.
Первичный ключ для каждой строки таблицы является уникальным, поэтому в таблице
с первичным ключом нет двух совершенно одинаковых строк. Таблица, в которой все
строки отличаются друг от друга, в математических терминах называется
отношением. Именно этому термину реляционные базы данных и обязаны своим
названием, поскольку в их основе лежат отношения (таблицы с отличающимися друг
от друга строками).
Хотя первичные ключи являются важной частью реляционной модели данных, в первых
реляционных СУБД (System/R, DB2, Oracle и других) не была обеспечена явным
образом их поддержка. Как правило, проектировщики базы данных сами следили за
тем, чтобы у всех таблиц были первичные ключи, однако в самих СУБД не было
возможности определить для таблицы первичный ключ. И только в СУБД DB2 Version
2, появившейся в апреле 1988 года, компания IBM реализовала поддержку первичных
ключей. После этого подобная поддержка была добавлена в стандарт ANSI/ISO.
Отношения предок/потомок
Одним из отличий реляционной модели от первых моделей представления данных было
то, что в ней отсутствовали явные указатели, используемые для реализации
отношений предок/потомок в иерархической модели данных. Однако вполне очевидно,
что отношения предок/потомок существуют и в реляционных базах данных. Например,
в нашей базе данных каждый из служащих закреплен за конкретным офисом, поэтому
ясно, что между строками таблицы OFFICES и таблицы SALESREPS существует
отношение. Не приводит ли отсутствие явных указателей в реляционной модели к
потере информации?
Как следует из рис. 1.8, ответ на этот вопрос должен быть отрицательным.
На рисунке изображено несколько строк из таблиц OFFICES и SALESREPS. Обратим
внимание на то, что в столбце REP_OFFICE таблицы SALESREPS содержится
идентификатор офиса, в котором работает служащий. Доменом этого столбца
(множеством значений, которые могут в нем храниться) является множество
идентификаторов офисов, содержащихся в столбце OFFICE таблицы OFFICES. То, в
каком офисе работает Мэри Джонс (Магу Jones), можно узнать, определив значение
столбца REP_OFFICE в строке таблицы SALESREPS для Мэри Джонс (число II) и затем
отыскав в таблице OFFICES строку с таким же значением в столбце OFFICE (это для
офиса в Нью-Йорке). Таким же образом, чтобы найти всех служащих нью-йоркского
офиса, следует запомнить значение столбца OFFICE для Нью-Йорка (число II), а
потом просмотреть таблицу SALESREPS и найти все строки, в столбце REP_OFFICE
которых содержится число 11 (это строки для Мэри Джонс и Сэма Кларка (Sam
Clark)).
Отношение предок/потомок, существующее между офисами и работающими в них людьми,
в реляционной модели не потеряно; просто оно реализовано в виде одинаковых
значений данных, хранящихся в двух таблицах, а не в виде явного указателя. Все
отношения, существующие между таблицами реляционной базы данных, реализуются в
таком виде.
Внешние ключи
Столбец одной таблицы, значения в котором совпадают со значениями столбца,
являющегося первичным ключом другой таблицы, называется внешним ключом. На рис.
4.9 столбец REP_OFFICE представляет собой внешний ключ для таблицы OFFICES.
Значения, содержащиеся в этом столбце, представляют собой идентификаторы офисов.
Эти значения соответствуют значениям в столбце OFFICE, который является
первичным ключом таблицы OFFICES. Совокупно первичный и внешний ключи создают
между таблицами, в которых они содержатся, такое же отношение предок/потомок,
как и в иерархической базе данных.
Внешний ключ, как и первичный ключ, тоже может представлять собой комбинацию
столбцов. На практике внешний ключ всегда будет составным (состоящим из
нескольких столбцов), если он ссылается на составной первичный ключ в другой
таблице. Очевидно, что количество столбцов и их типы данных в первичном и
внешнем ключах совпадают.
Если таблица связана с несколькими другими таблицами, она может иметь несколько
внешних ключей. На рис. 1.9. показаны три внешних ключа таблицы ORDERS из
учебной базы данных:
столбец REP является внешним ключом для таблицы SALESREPS и
связывает каждый заказ со служащим, принявшим его;
столбец CUST является внешним ключом для таблицы CUSTOMES и
связывает каждый заказ с клиентом, разместившим его;
столбцы MRF и PRODUCT совокупно представляют собой составной внешний ключ для
таблицы PRODUCTS, который связывает каждый заказ с заказанным товаром.
Отношения предок/потомок, созданные с помощью трех внешних ключей в таблице
ORDERS, могут показаться знакомыми. И действительно, это те же самые отношения,
что и в сетевой базе данных, представленной на рис. 1.4. Как показывает пример,
реляционная модель данных обладает всеми возможностями сетевой модели по части
выражения сложных отношений.
Внешние ключи являются неотъемлемой частью реляционной модели, поскольку
реализуют отношения между таблицами базы данных. К несчастью, как и в случае с
первичными ключами, поддержка внешних ключей отсутствовала в первых реляционных
СУБД. Она была введена в системе DB2 Version 2 и теперь имеется во всех
коммерческих СУБД.
Двенадцать правил Кодда
В статье, опубликованной в журнале "Computer World", Тэд Кодд сформулировал
двенадцать правил, которым должна соответствовать настоящая реляционная база
данных. Двенадцать правил Кодда приведены в табл. 1.1. Они являются
полуофициальным определением понятия реляционная база данных. Перечисленные
правила основаны на теоретической работе Кодда, посвященной реляционной модели
данных.
Таблица 1.1. Двенадцать правил Кодда, которым должна соответствовать _
реляционная СУБД. _
1. Правило информации. Вся информация в базе данных должна быть предоставлена
исключительно на логическом уровне и только одним способом - в виде значений,
содержащихся в таблицах.
2. Правило гарантированного доступа. Логический доступ ко всем и каждому
элементу данных (атомарному значению) в реляционной базе данных должен
обеспечиваться путём использования комбинации имени таблицы, первичного ключа и
имени столбца.
3. Правило поддержки недействительных значений. В настоящей реляционной базе
данных должна быть реализована поддержка недействительных значений, которые
отличаются от строки символов нулевой длинны, строки пробельных символов, и от
нуля или любого другого числа и используются для представления отсутствующих
данных независимо от типа этих данных.
4. Правило динамического каталога, основанного на реляционной модели. Описание
базы данных на логическом уровне должно быть представлено в том же виде, что и
основные данные, чтобы пользователи, обладающие соответствующими правами, могли
работать с ним с помощью того же реляционного языка, который они применяют для
работы с основными данными.
5.Правило исчерпывающего подъязыка данных. Реляционная система может
поддерживать различные языки и режимы взаимодействия с пользователем (например,
режим вопросов и ответов). Однако должен существовать по крайней мере один язык,
операторы которого можно представить в виде строк символов в соответствии с
некоторым четко определенным синтаксисом и который в полной мере поддерживает
следующие элементы: — определение данных; — определение представлений; —
обработку данных (интерактивную и программную); — условия целостности; —
идентификация прав доступа; — границы транзакций (начало, завершение и отмена).
6. Правило обновления представлений. Все представления, которые теоретически
можно обновить, должны быть доступны для обновления.
7. Правило добавления, обновления и удаления. Возможность работать с отношением
как с одним операндом должна существовать не только при чтении данных, но и при
добавлении, обновлении и удалении данных.
8. Правило независимости физических данных. Прикладные программы и утилиты для
работы с данными должны на логическом уровне оставаться нетронутыми при любых
изменениях способов хранения данных или методов доступа к ним.
9. Правило независимости логических данных. Прикладные программы и утилиты для
работы с данными должны на логическом уровне оставаться нетронутыми при внесении
в базовые таблицы любых изменений, которые теоретически позволяют сохранить
нетронутыми содержащиеся в этих таблицах данные.
10. Правило независимости условий целостности. Должна существовать возможность
определять условия целостности, специфические для конкретной реляционной базы
данных, на подъязыке реляционной базы данных и хранить их в каталоге, а не в
прикладной программе.
11. Правило независимости распространения. Реляционная СУБД не должна зависеть
от потребностей конкретного клиента.
12. Правило единственности. Если в реляционной системе есть низкоуровневой язык
(обрабатывающий одну запись за один раз), то должна отсутствовать возможность
использования его для того, чтобы обойти правила и условия целостности,
выраженные на реляционном языке высокого уровня (обрабатывающем несколько
записей за один раз).
Правило 1 напоминает неформальное определение реляционной базы данных,
приведенное ранее.
Правило 2 указывает на роль первичных ключей при поиске информации в базе
данных. Имя таблицы позволяет найти требуемую таблицу, имя столбца позволяет
найти требуемый столбец, а первичный ключ позволяет найти строку, содержащую
искомый элемент данных.
Правило 3 требует, чтобы отсутствующие данные можно было представить с помощью
недействительных значений (NULL), которые описаны в главе 5.
Правило 4 гласит, что реляционная база данных должна сама себя описывать.
Другими словами, база данных должна содержать набор системных таблиц,
описывающих структуру самой базы данных. Эти таблицы описаны в главе 16.
Правило 5 требует, чтобы СУБД использовала язык реляционной базы данных,
например SQL, хотя явно SQL в правиле не упомянут. Такой язык должен
поддерживать все основные функции СУБД — создание базы данных, чтение и ввод
данных, реализацию защиты базы данных и т.д.
Правило 6 касается представлений, которые являются виртуальными таблицами,
позволяющими показывать различным пользователям различные фрагменты структуры
базы данных. Это одно из правил, которые сложнее всего реализовать на практике.
Представления и проблемы их обновления описаны в главе 14.
Правило 7 акцентирует внимание на том, что базы данных по своей природе
ориентированы на множества. Оно требует, чтобы операции добавления, удаления и
обновления можно было выполнять над множествами строк. Это правило предназначено
для того, чтобы запретить реализации, в которых поддерживаются только операции
над одной строкой.
Правила 8 и 9 означают отделение пользователя и прикладной программы от
низкоуровневой реализации базы данных. Они утверждают, что конкретные способы
реализации хранения или доступа, используемые в СУБД, и даже изменения структуры
таблиц базы данных не должны влиять на возможность пользователя работать с
данными.
Правило 10 гласит, что язык базы данных должен поддерживать ограничительные
условия, налагаемые на вводимые данные и действия, которые могут быть выполнены
над данными.
Правило 11 гласит, что язык базы данных должен обеспечивать возможность работы с
распределенными данными, расположенными на других компьютерных системах.
Распределенные данные и проблемы управления ими описаны в главе 20.
И, наконец, правило 12 предотвращает использование других возможностей для
работы с базой данных, помимо языка базы данных, поскольку это может нарушить ее
целостность.
2. Язык SQL как стандартный язык баз данных.
Стремительный рост популярности SQL является одной из самых важных тенденций в
современной компьютерной промышленности. За несколько последних лет SQL стал
единственным языком баз данных. На сегодняшний день SQL поддерживают свыше ста
СУБД, работающих как на персональных компьютерах, так и на больших ЭВМ. Был
принят, а затем дополнен официальный международный стандарт на SQL. Язык SQL
является важным звеном в архитектуре систем управления базами данных,
выпускаемых всеми ведущими поставщиками программных продуктов, и служит
стратегическим направлением разработок компании Microsoft в области баз данных.
Зародившись в результате выполнения второстепенного исследовательского проекта
компании IBM, SQL сегодня широко известен и в качестве мощного рыночного
фактора.
Язык SQL
SQL является инструментом, предназначенным для обработки и чтения данных,
содержащихся в компьютерной базе данных. SQL - это сокращенное название
структурированного языка запросов (Structured Query Language). Как следует из
названия, SQL является языком программирования, который применяется для
организации взаимодействия пользователя с базой данных. На самом деле SQL
работает только с базами данных одного определенного типа, называемых
реляционными. На рис. 2.1 изображена схема работы SQL. Согласно этой схеме, в
вычислительной системе имеется база данных, в которой хранится важная
информация.
Если вычислительная система относится к сфере бизнеса, то в базе данных может
храниться информация о материальных ценностях, выпускаемой продукции, объемах
продаж и зарплате. В базе данных на персональном компьютере может храниться
информация о выписанных чеках, телефонах и адресах или информация, извлеченная
из более крупной вычислительной системы. Компьютерная программа, которая
управляет базой данных, называется системой управления базой данных, или СУБД.
Если пользователю необходимо прочитать данные из базы данных, он запрашивает их
у СУБД с помощью SQL. СУБД обрабатывает запрос, находит требуемые данные и
посылает их пользователю. Процесс запрашивания данных и получения результата
называется запросом к базе данных: отсюда и название — структурированный язык
запросов.
Однако это название не совсем соответствует действительности. Во-первых, сегодня
SQL представляет собой нечто гораздо большее, чем простой инструмент создания
запросов, хотя именно для этогоон и был первоначально предназначен. Несмотря на
то, что чтение данных по-прежнему остается одной из наиболее важных функций SQL,
сейчас этот язык используется для реализации всех функциональных возможностей,
которые СУБД предоставляет пользователю, а именно:
Организация данных. SQL дает пользователю возможность изменять структуру
представления данных, а также устанавливать отношения между элементами базы
данных.
Чтение данных. SQL дает пользователю или приложению возможность читать из базы
данных содержащиеся в ней данные и пользоваться ими.
Обработка ванных. SQL дает пользователю или приложению возможность изменять
базу данных, т.е. добавлять в нее новые данные, а также удалять или обновлять
уже имеющиеся в ней данные.
Управление доступом. С помощью SQL можно ограничить возможности пользователя
по чтению и изменению данных и защитить их от несанкционированного доступа.
Совместное использование данных. SQL координирует совместное использование
данных пользователями, работающими параллельно, чтобы они не мешали друг
другу.
Целостность данных. SQL позволяет обеспечить целостность базы данных, защищая
ее от разрушения из-за несогласованных изменений или отказа системы.
Таким образом, SQL является достаточно мощным языком для взаимодействия с СУБД.
Во-вторых, SQL — это не полноценный компьютерный язык типа COBOL, FORTRAN или С.
В SQL нет оператора IF для проверки условий, нет оператора GOTO для организации
переходов и нет операторов DO или FOR для создания циклов. SQL является
подъязыком баз данных, в который входит около тридцати операторов,
предназначенных для управления базами данных. Операторы SQL встраиваются в
базовый язык, например COBOL, FORTRAN или С, и дают возможность получать доступ
к базам данных. Кроме того, из такого языка, как С, операторы SQL можно посылать
СУБД в явном виде, используя интерфейс вызовов функций.
Наконец, SQL — это слабо структурированный язык, особенно по сравнению с такими
сильно структурированными языками, как С или Pascal. Операторы SQL напоминают
английские предложения и содержат "слова-пустышки", не влияющие на смысл
оператора, но облегчающие его чтение. В SQL почти нет нелогичностей, к тому же
имеется ряд специальных правил, предотвращающих создание операторов SQL, которые
выглядят как абсолютно правильные, но не имеют смысла.
Несмотря на не совсем точное название, SQL на сегодняшний день является
единственным стандартным языком для работы с реляционными базами данных. SQL —
это достаточно мощный и в то же время относительно легкий для изучения язык.
Роль SQL
Сам по себе SQL не является ни системой управления базами данных, ни отдельным
программным продуктом. Нельзя пойти в компьютерный магазин и "купить SQL". SQL —
это неотъемлемая часть СУБД, инструмент, с помощью которого осуществляется связь
пользователя с ней. На рис. 2.2. изображена структурная схема типичной СУБД,
компоненты которой соединяются в единое целое с помощью SQL (своего рода
"клея").
Ядро базы данных является сердцевиной СУБД; оно отвечает за физическое
структурирование и запись данных на диск, а также за физическое чтение данных с
диска. Кроме того, оно принимает SQL-запросы от других компонентов СУБД (таких
как генератор форм, генератор отчетов или модуль формирования интерактивных
запросов), от пользовательских приложений и даже от других вычислительных
систем. Как видно из рисунка, SQL выполняет много различных функций:
SQL — интерактивный язык запросов. Пользователи вводят команды SQL в
интерактивные программы, предназначенные для чтения данных и отображения их на
экране. Это удобный способ выполнения специальных запросов.
SQL — язык программирования баз данных. Чтобы получить доступ к базе данных,
программисты вставляют в свои программы команды SQL. Эта методика используется
как в программах, написанных пользователями, так и в служебных программах баз
данных (таких как генераторы отчетов и инструменты ввода данных).
SQL — язык администрирования баз данных. Администратор базы данных,
находящейся на мини-компьютере или на большой ЭВМ, использует SQL для
определения структуры базы данных и управления доступом к данным.
SQL — язык создания приложений клиент/сервер, и программах для персональных
компьютеров SQL используется для организации связи через локальную сеть с
сервером базы данных, в которой хранятся совместно используемые данные. В
большинстве новых приложений используется архитектура клиент/сервер, которая
позволяет свести к минимуму сетевой трафик и повысить быстродействие как
персональных компьютеров, так и серверов баз данных.
SQL — язык распределенных баз данных. В системах управления распределенными
базами данных SQL помогает распределять данные среди нескольких
взаимодействующих вычислительных систем. Программное обеспечение каждой
системы посредством использования SQL связывается с другими системами, посылая
им запросы на доступ к данным.
SQL — язык шлюзов базы данных. В вычислительных сетях с различными СУБД SQL
часто используется в шлюзовой программе, которая позволяет СУБД одного типа
связываться с СУБД другого типа.
Таким образом, SQL превратился в полезный и мощный инструмент, обеспечивающий
людям, программам и вычислительным системам доступ к информации, содержащейся в
реляционных базах данных.
Достоинства SQL
SQL — это легкий для понимания язык и в то же время универсальное программное
средство управления данными.
Успех языку SQL принесли следующие его особенности:
• независимость от конкретных СУБД;
• переносимость с одной вычислительной системы на другую;
• наличие стандартов;
• одобрение компанией IBM (СУБД DB2);
• поддержка со стороны компании Microsoft (протокол ODBC);
• реляционная основа;
• высокоуровневая структура, напоминающая английский язык;
• возможность выполнения специальных интерактивных запросов:
• обеспечение программного доступа к базам данных;