В. К. ВОЛК БАЗЫ ДАННЫХ ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ПРОГРАММИРОВАНИЕ, УПРАВЛЕНИЕ И АДМИНИСТРИРОВАНИЕ Учебник САНКТПЕТЕРБУРГ МОСКВА КРАСНОДАР 018.2я73 В 67 Волк В. К. Базы данных. Проектирование, программиро вание, управление и администрирование : учебник / В. К. Волк. — СанктПетербург : Лань, 2020. — 244 с. : ил. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — Текст : непосредственный. 5811441891 Учебник посвящен базам данных — одному из направлений ITинду стрии, в рамках которого традиционно рассматриваются технологии надежного хранения больших объемов информации, ее эффективного поиска и извлечения по запросам потребителей. Материал, представленный в учебнике, охватывает основные фазы жизненного цикла базы данных: последовательно обсуждаются основные концепции и проблематика баз данных, рассматриваются процессы их проектирования, программирования и управления, а также технологии их администрирования с целью достижения высокой производительности доступа к данным и обеспечения требуемого уровня информационной безопасности. База данных рассматри вается как информационная модель предметной области, а ее разработка — как многоэтапный процесс последовательного преобразования концептуаль ной модели в логическую (реляционную) модель данных на стадии проектирования, последующей программной реализации логической модели средствами языка SQL и настройки параметров физической модели в процессе эксплуатации базы данных. Основное внимание в учебнике уделено прикладным аспектам техноло гий баз данных, изложение материала сопровождается многочисленными примерами и листингами программного SQLкода. Учебник содержит практикум по проектированию, программированию и администрированию баз данных, включающий примеры и практические задания для самостоятельного выполнения. Предназначен для студентов ITспециальностей и может быть использо ван преподавателями при подготовке лекционных курсов, проведении практических и лабораторных занятий, курсовом проектировании. 018.2я73 Îáëîæêà П. И. ПОЛЯКОВА © Издательство «Лань», 2020 © В. К. Волк, 2020 © Издательство «Лань», художественное оформление, 2020 ПРЕДИСЛОВИЕ Высокая ценность информации признавалась во все времена, но только во второй половине XX в., когда появилась возможность эффективного управления действительно большими объемами информации, она стала важнейшим стратегическим ресурсом, обслуживание которого потребовало создания специализированных программно-технических средств — автоматизированных информационных систем (АИС). АИС обеспечивают надежное хранение и оперативное обновление информации, а также ее поиск, извлечение и аналитическую обработку по запросам потребителей. При всем разнообразии архитектур, решаемых задач и условий использования АИС в структуре их программного обеспечения (ПО) явно выделяют два относительно автономных компонента: подсистему хранения данных и подсистему обработки информации. Основу подсистемы хранения составляют база данных (БД) — программно реализованная информационная модель предметной области АИС, управляемая специализированной программной системой (СУБД), и подсистема обработки информации, включающая множество прикладных программ, получающих доступ к СУБД для чтения и/или модификации информации, хранимой в базе данных. АИС относятся к категории социотехнических систем, важнейшим компонентом которых, наряду с аппаратным и программным обеспечением, являются пользователи — разработчики, администраторы и конечные пользователи, участвующие в создании или эксплуатации АИС на различных стадиях ее жизненного цикла. Материал, излагаемый в учебнике, охватывает основные стадии жизненного цикла базы данных и в основном соответствует содержанию учебной дисциплины «Базы данных», изучаемой студентами IT-специальностей. Учебное пособие состоит из пяти относительно автономных частей, каждая из которых ориентирована на определенную категорию пользователей баз данных. 1–3-я части учебника (главы с 1-й по 7-ю) ориентированы на проектировщиков и программистов баз данных, обычно выделяемых в отдельную категорию разработчиков программных систем. Здесь рассматриваются: – проблемы и пути достижения автономности системы хранения данных в составе программного обеспечения АИС, вводятся понятия базы данных и системы управления базами данных; – информационные модели, используемые на различных стадиях жизненного цикла баз данных, дается обзор основных свойств иерархической, сетевой, реляционной и объектно-ориентированной логических моделей данных; – реляционная модель данных Кодда: ее структурный, целостностный и манипуляционный компоненты, включая реляционную алгебру и реляционное исчисление кортежей (в объеме, минимально необходимом для понимания методов нормализации реляционных баз данных и освоения базовых конструкций языка SQL); – процедура проектирования базы данных, включающая разработку концептуальной ER-модели предметной области АИС, преобразование ER-модели в схему реляционной БД и ее последующую нормализацию для улучшения эксплуатационных характеристик; – программная реализация реляционных БД, рассматриваемая на примере одного из диалектов языка SQL, соответствующего стандарту SQL-89, обсуждаются также элементы процедурного расширения языка, соответствующие стандарту SQL-92. 5-я и 7-я главы учебника — это проектный практикум и практикум по SQL-программированию. Эти главы могут быть использованы как при проведении практических занятий со студентами, так и для самостоятельного освоения соответствующих разделов технологий баз данных. 4-я часть учебника (главы с 8-й по 14-ю) посвящена вопросам управления данными и ориентирована на администраторов баз данных — IT-специалистов, обеспечивающих эффективное функционирование БД в процессе их эксплуатации. В этой части рассматриваются: – задачи администрирования БД, базовые функции реляционных СУБД и более детально — проблемы многопользовательского доступа к БД и пути их решения средствами управления транзакциями и блокировками; – низкоуровневая («физическая») модель данных, поддерживаемая на файловом уровне одним из коммерческих серверов баз данных, и инструментальные средства управления этой моделью, предоставляемые администраторам баз данных; – методы высокопроизводительного доступа к данным, обеспечиваемые индексными структурами, алгоритмы поиска информации, а также инструментальные средства анализа и управления индексами; – процедура трансляции исходного SQL-кода и оптимизации запросов, инструментальные средства визуализации и анализа процедурных планов их исполнения. 5-я часть учебника (главы с 15-й по 17-ю) ориентирована на специалистов по защите информации, часто выделяемых в отдельную категорию администраторов баз данных. Здесь рассматриваются: – концепции, задачи и методы защиты информации, хранимой в базах данных; – типовая архитектура подсистемы информационной безопасности СУБД; – методы и инструментальные средства разграничения доступа к объектам БД со стороны пользователей. 14-я и 17-я главы учебника — практикум по администрированию баз данных и управлению информационной безопасностью, содержащий практические задания аналитического и технологического характера, выполнение которых позволит студентам более детально изучить низкоуровневую структуру базы данных, реализованные в СУБД алгоритмы управления данными и методы защиты от несанкционированного доступа, а также потребует от них освоения разнообразных технологических инструментов, используемых администраторами баз данных в своей профессиональной деятельности. Следует отметить прикладной характер учебника, основное внимание в нем уделено технологическим аспектам проектирования, программирования и администрирования баз данных. Теоретическим вопросам построения баз данных посвящены многочисленные публикации [4, 7, 16, 21, 24–33], среди которых можно выделить курс лекций С. Кузнецова [7], в котором, в частности, более детально рассмотрена реляционная модель данных: реляционная алгебра Кодда, алгебра «А» Дэйта и Дарвена, реляционное исчисление кортежей и доменов, теория нормальных форм отношений. Имеются также учебные издания, авторы которых рассматривают технологии проектирования баз данных и их программной реализации, среди которых можно отметить книги Г. Рикарди [9] и Л. Бейли [1]. В то же время (и это вполне объяснимо) вопросы построения СУБД, поддерживаемые ими низкоуровневые структуры данных, методы и алгоритмы управления, а также технологии администрирования баз данных представлены в основном научными и обзорными статьями в специализированных журналах, технической документацией, публикуемой разработчиками СУБД на своих официальных интернет-ресурсах, а также статьями в многочисленных профессиональных блогах, поддерживаемых администраторами баз данных. За редким исключением (например, книги С. Бобровского [2] и Е. Мамаева [8]) материалы такого рода трудно отнести к категории учебных изданий, их можно рекомендовать студентам, изучающим базы данных, лишь в качестве дополнительных информационных источников. Учебник не является практическим руководством по администрированию баз данных и, разумеется, не охватывает весь объем трудовых функций, определенных соответствующими профессиональными стандартами. При его подготовке основное внимание было уделено вопросам организации физической модели данных, оптимизации выполнения SQL-запросов и разграничения доступа к данным, то есть решению наименее рутинных задач администрирования, требующих профессиональной компетентности в вопросах функционирования серверов баз данных, организации хранения данных на файловом уровне и методах поиска информации, основанных на использовании индексных структур данных. При подготовке учебника автор учитывал личный опыт преподавания технологий баз данных студентам старших курсов IT-специальностей Курганского государственного университета. Использование учебника предполагает наличие у студентов базовой подготовки в области программной инженерии: программирование, структуры и типовые алгоритмы обработки данных, модели жизненного цикла ПО, основы языка UML. Автор выражает благодарность всем студентам, использовавшим предварительный вариант учебника и сделавшим ряд полезных замечаний по его содержанию. Особая благодарность студентам П. Казакову и Д. Стенникову, проделавшим большую работу по анализу структуры системных объектов баз данных, и М. Останину, исследовавшему индексные структуры данных и процедурные планы выполнения SQL-запросов. ЧАСТЬ 1. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ . АВТОНОМНОСТЬ БАЗ ДАННЫХ Автономность подсистемы хранения данных, в основу которой положен принцип независимости данных от обрабатывающих их программ, является существенной особенностью АИС, отличающей их от других программных систем. Отсутствие взаимозависимости программ и данных позволяет, в частности, использовать БД для решения многих прикладных задач, постепенно наращивая функциональность АИС, а также обеспечивает возможность модификации структуры самой БД в соответствии с изменениями моделируемого сегмента предметной области. На пути к достижению автономности баз данных в составе АИС эти системы прошли ряд этапов в своем эволюционном развитии. В первых компьютерных системах и программный код, и обрабатываемые им данные размещались в едином запоминающем устройстве (вспомним один из базовых принципов фон Неймана, «сегмент кода» и «сегмент данных» в ассемблерном программном коде, пример которого приведен на листинге 1.1), и это накладывало серьезные ограничения на объем обрабатываемой информации. format MZ; entry code_seg:start; stack 1000h; segment data_seg; hello_str db 'Hello!',0dh,0ah,'$'; segment code_seg; start:; mov ax,data_seg; mov ds,ax mov ah,09h mov dx,hello_str int 21h; mov ax,4C00h int 21h; Исполняемый файл DOS EXE (MZ EXE) Точка входа в программу Размер стека Cегмент данных Выделение байт под строку Сегмент кода Точка входа в программу Инициализация регистра DS Вывод строки Завершение программы Листинг 1.1 Пример ассемблерного кода программы Оснащение компьютеров быстродействующими дисковыми накопителями большой емкости позволило снять это ограничение, так как стало возможным хранение больших информационных массивов отдельно от программного кода — в файлах на внешних запоминающих устройствах. При этом, однако, описание структур таких файлов по-прежнему оставалось включенным в программный код, что не избавляло систему от (как минимум) одного существен- ного недостатка, препятствующего реализации концепции автономности БД в структуре АИС. Для многих программных приложений объединение описаний структур данных и алгоритмов их обработки вполне естественно и не является их недостатком, оно поддерживается (а в ряде случаев строго регламентируется) языками программирования высокого уровня. Классическая схема исходного кода прикладной программы (листинг 1.2), написанной на высокоуровневом языке, предполагает наличие декларативной части, включающей описание типов и структур используемых данных, и собственно алгоритмической части, содержащей языковое описание алгоритмов их обработки. #include using namespace std; class Point { int x, y; public: void display(); int& givex() {return x;} int& givey() {return y;} Point (int xi = 0, int yi = 0) {x = xi; y = yi;} }; void Point::display() { cout << «x = » << x; cout << «, y = » << y << «\n»;} void main() { setlocale(LC_ALL,«Rus»); Point A; Point B(5,3); cout << «Точка A: »; A.display(); cout << «Точка B: »; B.display(); system(«pause»);} Листинг 1.2 Пример кода программы на языке высокого уровня Объединение в едином программном коде описания структур данных, называемого метаданными, и описания алгоритмов их обработки неизбежно приводит к взаимозависимости программ и данных. Изменение метаданных (например, в связи с необходимостью корректировки модели предметной области) или алгоритмов их обработки (например, для реализации нового пользовательского запроса к БД) может потребовать модификации как декларативной, так и алгоритмической частей программного кода. Следующим этапом эволюции был отказ от хранения метаданных в программном коде и размещение их во внешнем файле аналогично тому, как это ранее было сделано для основных данных. Теперь при изменении структуры данных не требовалось вносить изменения в программный код, достаточно было модифицировать файл с метаданными, доступный прикладной программе и необходимый ей для интерпретации и последующей обработки основных данных. Правда, такой прием давал лишь частичное решение проблемы взаимозависимости данных и программ, так как описание структуры самих метаданных все равно приходилось хранить в коде прикладной программы. Было найдено весьма радикальное решение и этой проблемы — прикладные программы были лишены возможности прямого доступа к БД и избавлены от необходимости интерпретации структуры как основных данных, так и метаданных системы. Решение этой задачи, а также всего комплекса задач управления данными возлагалось на специализированную служебную программу, имеющую непосредственный доступ к метаданным БД и обеспечивающую информационную поддержку прикладных программ. Дальнейшее развитие этой концепции привело к созданию систем управления базами данных (СУБД), называемых также серверами баз данных. СУБД является необходимым компонентом подсистемы хранения данных АИС и образует промежуточный слой между файловой системой и прикладными программами, входящими в состав системы обработки данных АИС (рис. 1.1). Рис. 1.1 Схема взаимодействия прикладных программ с базой данных Прикладные программы используют специальное представление о структуре БД (так называемую логическую модель данных) и отправляют в адрес СУБД запросы, сформулированные на языке этой модели. СУБД, получив такой запрос, обращается к системному каталогу (специальному служебному разделу БД, в котором хранятся метаданные — описание структуры БД), транслирует запрос в файловое представление (физическую модель данных), затем