Библиотека: А. Горев, С. Макашарипов, Р. Ахаян. Эффективная работа с СУБД

2.1. Информационная модель данных

Последовательность создания информационной модели

Взаимосвязи в модели

Типы моделей данных

2.2. Проектирование базы данных

Этап 1. Определение сущностей

Этап 2. Определение взаимосвязей между сущностями

Этап 3. Задание первичных и альтернативных ключей, определение атрибутов сущностей

Этап 4. Приведение модели к требуемому уровню нормальной формы

Этап 5. Физическое описание модели

2.3. Словарь данных

2.4. Администрирование базы данных

    Если вам удалось осмыслить задачу, поставленную перед вами заказчиком, примерно так, как было описано в предыдущей главе, вы на правильном пути. Но это не означает, что наконец-то настала пора воплощать задуманное в "материализованном" виде. Необходимо потратить еще немного усилий для приведения полученной от заказчика информации к наиболее подходящему виду.

    При проектировании системы обработки данных именно данные и интересуют нас в первую очередь. Причем больше всего нас интересует организация данных. Помочь понять организацию данных призвана информационная модель.
    В этом параграфе мы познакомимся:

• с общими принципами разработки информационной модели;
• с отличиями между концептуальной, логической и физической моделями данных;
• с различными видами взаимосвязей между элементами модели.

    Система автоматизированной обработки данных основывается на использовании определенной модели данных или информационной модели. Модель данных отражает взаимосвязи между объектами.

    Процесс создания информационной модели начинается с определения концептуальных требований ряда пользователей (рис. 2.1). Концептуальные требования могут определяться и для некоторых задач (приложений), которые в ближайшее время реализовывать не планируется. Это может несколько повысить трудоемкость работы, однако поможет наиболее полно учесть все нюансы функциональности, требуемой для разрабатываемой системы, и снизит вероятность ее переделки в дальнейшем. Требования отдельных пользователей интегрируются в едином "обобщенном представлении". Последнее называют концептуальной моделью.

    Таким образом, концептуальная модель является, по существу, моделью предметной области. При проектировании концептуальной модели все усилия разработчика должны быть направлены в основном на структуризацию данных и выявление взаимосвязей между ними без рассмотрения особенностей реализации и вопросов эффективности обработки. Проектирование концептуальной модели основано на анализе решаемых на этом предприятии задач по обработке данных. Концептуальная модель включает описания объектов и их взаимосвязей, представляющих интерес в рассматриваемой предметной области и выявляемых в результате анализа данных. Здесь имеются в виду данные, используемые как в уже разработанных прикладных программах, так и в тех, которые только будут реализованы.
    Концептуальная модель транслируется затем в модель данных, совместимую с выбранной СУБД. Возможно, что отраженные в концептуальной модели взаимосвязи между объектами окажутся впоследствии нереализуемыми средствами выбранной СУБД. Это потребует изменения концептуальной модели. Версия концептуальной модели, которая может быть обеспечена конкретной СУБД, называется логической моделью.

    Внешние модели никак не связаны с типом физической памяти, в которой будут храниться данные, и с методами доступа к этим данным. Это положение отражает первый уровень независимости данных. С другой стороны, если концептуальная модель способна учитывать расширение требований к системе в будущем, то вносимые в нее изменения не должны оказывать влияния на существующие внешние модели. Это - второй уровень независимости данных. Уровни независимости данных показаны на рис. 2.1. Важно помнить, что построение логической модели обусловлено требованиями используемой СУБД. Поэтому при замене СУБД она также может измениться.
    С точки зрения прикладного программирования независимость данных определяется не техникой программирования, а его дисциплиной. Например, для того чтобы при любом изменении системы избежать перекомпиляции приложения, рекомендуется не определять константы (постоянные значения данных) в программе. Лучшее решение состоит в передаче программе значений в качестве параметров.
    Все актуальные требования предметной области и адекватные им "скрытые" требования на стадии проектирования должны найти свое отражение в концептуальной модели. Конечно, нельзя предусмотреть все возможные варианты использования и изменения базы данных. Но в большинстве предметных областей такие основные данные, как объекты и их взаимосвязи, относительно стабильны. Меняются только информационные требования, то есть способы использования данных для получения информации.
    Степень независимости данных определяется тщательностью проектирования базы данных. Всесторонний анализ объектов предметной области и их взаимосвязей минимизирует влияние изменения требований к данным в одной программе на другие программы. В этом и состоит всеобъемлющая независимость данных.
    Основное различие между указанными выше тремя типами моделей данных (концептуальной, логической и физической) состоит в способах представления взаимосвязей между объектами. При проектировании БД нам потребуется различать взаимосвязи между объектами, между атрибутами одного объекта и между атрибутами различных объектов.

    Взаимосвязь выражает отображение или связь между двумя множествами данных. Различают взаимосвязи типа "один к одному", "один ко многим" и "многие ко многим".
    В рассматриваемой задаче по автоматизации управления работой дилера по продаже легковых автомобилей, если клиент производит заказ на покупку автомобиля впервые, осуществляется первичная регистрация его данных и сведений о сделанном заказе. Если же клиент производит заказ повторно, осуществляется регистрация только данного заказа. Вне зависимости от того, сколько раз данный клиент производил заказы, он имеет уникальный идентификационный номер (уникальный ключ клиента). Информация о каждом клиенте включает наименование клиента, адрес, телефон, факс, фамилию, имя, отчество, признак юридического лица и примечание. Таким образом, атрибутами объекта КЛИЕНТ являются "УНИКАЛЬНЫЙ КЛЮЧ КЛИЕНТА", "НАИМЕНОВАНИЕ КЛИЕНТА", "АДРЕС КЛИЕНТА" и т. д.
    Следующий представляющий для нас интерес объект - МОДЕЛЬ АВТОМОБИЛЯ. Этот объект имеет атрибуты "УНИКАЛЬНЫЙ КЛЮЧ МОДЕЛИ", "НАИМЕНОВАНИЕ МОДЕЛИ" и т. д.
    Третий рассматриваемый объект - ЗАКАЗ. Его атрибутами являются "НОМЕР ЗАКАЗА", "КЛЮЧ КЛИЕНТА" и "КЛЮЧ МОДЕЛИ".
    И четвертый рассматриваемый объект - ПРОДАВЕЦ. Его атрибутами являются "УНИКАЛЬНЫЙ КЛЮЧ ПРОДАВЦА", "ИМЯ ПРОДАВЦА", "ФАМИЛИЯ" и "ОТЧЕСТВО".
    Взаимосвязь "один к одному" (между двумя типами объектов)
    Мысленно вернемся к временам планово-распределительной экономики. Допустим, в определенный момент времени один клиент может сделать только один заказ. В этом случае между объектами КЛИЕНТ и ЗАКАЗ устанавливается взаимосвязь "один к одному", обозначаемая одинарными стрелками, как это показано на рис. 2.2,а.
    Между данными, хранящимися в объектах КЛИЕНТ и ЗАКАЗ, будет существовать взаимосвязь, в которой каждая запись в одном объекте будет однозначно указывать на запись в другом объекте. На рис. 2.3 приведен пример такой взаимосвязи между данными. Ни в одном, ни в другом объекте не может существовать записи, не связанной с какой-либо записью в другом объекте.

Рис. 2.3. Взаимосвязь между данными при отношении "один к одному"

    Взаимосвязь "один ко многим" (между двумя типами объектов)
    В определенный момент времени один клиент может стать обладателем нескольких моделей автомобилей, при этом несколько клиентов не могут являться обладателями одного автомобиля. Взаимосвязь "один ко многим" можно обозначить с помощью одинарной стрелки в направлении к "одному" и двойной стрелки в направлении ко "многим", как это показано на рис. 2.2,б.
    В этом случае одной записи данных первого объекта (его часто называют родительским или основным) будет соответствовать несколько записей второго объекта (дочернего или подчиненного). Взаимосвязь "один ко многим" очень распространена при разработке реляционных баз данных. В качестве родительского объекта часто выступает справочник, а в дочернем хранятся уникальные ключи для доступа к записям справочника. В нашем примере в качестве такого справочника можно представить объект КЛИЕНТ, в котором хранятся сведения о всех клиентах. При обращении к записи для определенного клиента нам доступен список всех покупок, которые он сделал и сведения о которых хранятся в объекте МОДЕЛЬ АВТОМОБИЛЯ, как это показано на рис. 2.4. В случае, если в дочернем объекте будут какие-то записи, для которых нет соответствующих записей в объекте КЛИЕНТ, то мы их не увидим. В этом случае говорят, что объект содержит потерянные (одинокие) записи. Это не допустимо, и в дальнейшем вы узнаете, как избегать подобных ситуаций.

Рис. 2.4. Взаимосвязь между данными при отношении "один ко многим"

    Если мы будем просматривать записи объекта МОДЕЛЬ АВТОМОБИЛЯ, то в объекте КЛИЕНТ мы сможем получить данные о клиенте, купившем данный автомобиль (см. рис. 2.4). Обратите внимание, что для потерянных записей сведений о клиенте мы не получим.

    Взаимосвязь "многие ко многим" (между двумя типами объектов)
    В рассматриваемом примере каждый продавец может обслуживать нескольких клиентов. С другой стороны, приобретая автомобили в различное время, каждый клиент вполне может быть обслужен различными продавцами. Между объектами КЛИЕНТ и ПРОДАВЕЦ существует взаимосвязь "многие ко многим". Такая взаимосвязь обозначается двойными стрелками, как это показано на рис. 2.2,в. На рис. 2.5 приведена схема, по которой в этом случае будут взаимосвязаны данные. При просмотре данных в объекте КЛИЕНТ мы сможем узнать, какие продавцы обслуживали определенного клиента. Однако в объекте ПРОДАВЕЦ в этом случае нам придется завести несколько записей для каждого продавца. Каждая строчка будет соответствовать каждому обслуживанию продавцом клиента. При таком подходе мы столкнемся с серьезными проблемами. Например, не сможем ввести в объект ПРОДАВЕЦ уникальный ключ для каждого продавца, так как неизбежно один продавец будет обслуживать нескольких клиентов, и в этом случае у нас появится несколько записей для одного и того же продавца.

Рис. 2.5. Взаимосвязь между данными при отношении "многие ко многим"

    Согласно теории реляционных баз данных для хранения взаимосвязи "многие ко многим" требуются три объекта: по одному для каждой сущности и один для хранения связей между ними (промежуточный объект). Промежуточный объект будет содержать идентификаторы связанных объектов, как это показано на рис. 2.6.

Рис. 2.6.

    Взаимосвязь "один к одному" (между двумя атрибутами)
    Мы предполагаем, что ключ (номер) клиента является его уникальным идентификатором, то есть он не изменяется и при последующих поступлениях заказов от данного клиента. Если наряду с номером клиента в базе данных хранится и другой его уникальный идентификатор (например, номер паспорта), то между такими двумя уникальными идентификаторами существует взаимосвязь "один к одному". На рис. 2.7,а эта взаимосвязь обозначается одинарными стрелками.

    Взаимосвязь "один ко многим" (между двумя атрибутами)
    Имя клиента и его номер существуют совместно. Клиентов с одинаковыми именами может быть много, но все они имеют различные номера. Каждому клиенту присваивается уникальный номер. Это означает, что данному номеру клиента соответствует только одно имя. Взаимосвязь "один ко многим" обозначается одинарной стрелкой в направлении к "одному" и двойной стрелкой в направлении ко "многим" (рис. 2.7,б).

    Взаимосвязь "многие ко многим" (между двумя атрибутами)
    Несколько клиентов с одинаковыми именами могли быть обслужены несколькими продавцами. Несколько продавцов с одинаковыми именами могли полу-чить заказы от нескольких клиентов. Между атрибутами "имя клиента" и "имя продавца" существует взаимосвязь "многие ко многим". Мы обозначаем эту взаимосвязь двойными стрелками (рис. 2.7,в).

    Иерархическая и сетевая модели данных стали применяться в системах управления базами данных в начале 60-х годов. В начале 70-х годов была предложена реляционная модель данных. Эти три модели различаются в основном способами представления взаимосвязей между объектами.
    Иерархическая модель данных строится по принципу иерархии типов объектов, то есть один тип объекта является главным, а остальные, находящиеся на низших уровнях иерархии, - подчиненными (рис. 2.8). Между главным и подчиненными объектами устанавливается взаимосвязь "один ко многим". Иными словами, для данного главного типа объекта существует несколько подчиненных типов объекта. В то же время для каждого экземпляра главного объекта может быть несколько экземпляров подчиненных типов объектов. Таким образом, взаимосвязи между объектами напоминают взаимосвязи в генеалогическом дереве за единственным исключением: для каждого порожденного (подчиненного) типа объекта может быть только один исходный (главный) тип объекта.
    На рис. 2.8 узлы и ветви образуют иерархическую древовидную структуру. Узел является совокупностью атрибутов, описывающих объект. Наивысший в иерархии узел называется корневым (это главный тип объекта). Корневой узел находится на первом уровне. Зависимые узлы (подчиненные типы объектов) находятся на втором, третьем и т. д. уровнях

Рис. 2.8.

Рис. 2.9.

    Все тонкости построения информационной модели преследуют одну-единственную цель - получить хорошую базу данных. А что это такое?
    Существует очень простое понятие базы данных как большого по объему хранилища, в которое организация помещает все используемые ею данные и из которого различные пользователи могут их получать, используя различные приложения. Такая единая база данных представляется идеальным вариантом, хотя на практике это решение по различным причинам труднодостижимо. Поэтому чаще всего под базой данных понимают любой набор хранящихся в компьютере взаимосвязанных данных.
    В этом параграфе мы изучим:

• методику проектирования базы данных на основе последовательного построения информационной модели;
• принципы нормализации данных;
• основные требования к реализации физической модели.

    В основу проектирования БД должны быть положены представления конечных пользователей конкретной организации - концептуальные требования к системе. Именно конечный пользователь в своей работе принимает решения с учетом получаемой в результате доступа к базе данных информации. От оперативности и качества этой информации будет зависеть эффективность работы организации. Данные, помещаемые в базу данных, также предоставляет конечный пользователь.
    При рассмотрении требований конечных пользователей необходимо принимать во внимание следующее:

• База данных должна удовлетворять актуальным информационным потребностям организации. Получаемая информация должна по структуре и содержанию соответствовать решаемым задачам.
• База данных должна обеспечивать получение требуемых данных за приемлемое время, то есть отвечать заданным требованиям производительности.
• База данных должна удовлетворять выявленным и вновь возникающим требованиям конечных пользователей.
• База данных должна легко расширяться при реорганизации и расширении предметной области.
• База данных должна легко изменяться при изменении программной и аппаратной среды.
• Загруженные в базу данных корректные данные должны оставаться корректными.
• Данные до включения в базу данных должны проверяться на достоверность.
• Доступ к данным, размещаемым в базе данных, должны иметь только лица с соответствующими полномочиями.

    Этапы проектирования базы данных с учетом рассмотренных выше аспектов представлены на рис. 2.11.

    В результате анализа поставленной заказчиком задачи и обработки требований конечных пользователей составляется концептуальная модель.
    При разработке логической модели базы данных прежде всего необходимо решить, какая модель данных наиболее подходит для отображения конкретной концептуальной модели предметной области. Коммерческие системы управления базами данных поддерживают одну из известных моделей данных или некоторую их комбинацию. Почти что все популярные системы для персональных компьютеров поддерживают реляционную модель данных.
    Отображение концептуальной модели данных на реляционную модель производится относительно просто. Каждый прямоугольник концептуальной модели отображается в одно отношение, которое отражает представление пользователя в удобном для него табличном формате. Простота отображения связана с тем, что при разработке концептуальной модели использовался реляционный подход.
    Рассмотрим этапы проектирования базы данных, которые должны обеспечить необходимую независимость данных и выполнение эксплуатационных требований (пожеланий пользователей).

    Исходя из задачи, описанной в первой главе, выделим следующие сущности:

1. МОДЕЛЬ;
2. АВТОМОБИЛЬ;
3. КЛИЕНТ;
4. ПРОДАВЕЦ;
5. ЗАКАЗ;
6. ПРОДАЖА;
7. СЧЕТ.

    Определим для включенных в модель сущностей взаимосвязи в соответствии с рекомендациями, данными в предыдущем параграфе. Полученная после этого информационная модель представлена на рис. 2.12.
    Необходимо отметить что на рис. 2.2,а взаимосвязь между объектами КЛИЕНТ и ЗАКАЗ рассматривается в определенный момент времени, для примера связи "один к одному". Однако анализируя данную взаимосвязь более широко, получим, что один клиент в разное время может производить несколько заказов. С другой стороны, один заказ принадлежит только одному клиенту и поэтому на рис. 2.12 между сущностями КЛИЕНТ и ЗАКАЗ установлена взаимосвязь "один ко многим".

Рис. 2.12.

    Для каждой сущности определим атрибуты, которые мы будем хранить в БД. При этом необходимо учитывать тот факт, что при переходе от логической к физической модели данных может произойти усечение числа объектов. На самом деле, как правило, значительное число данных, необходимых пользователю, может быть достаточно легко подсчитано в момент вывода информации. В то же время, в связи с изменением алгоритмов расчета или исходных величин, некоторые расчетные показатели приходится записывать в БД, чтобы гарантированно обеспечить фиксацию их значений. Выбор показателей, которые обязательно следует хранить в БД, достаточно сложен. Нечасто можно найти однозначное решение этой проблемы, и в любом случае оно потребует тщательного изучения работы предприятия и анализа концептуальной модели.
    Атрибуты, включаемые в состав БД для рассматриваемой модели, приведены в табл. 2.1. Информационная модель после третьего этапа проектирования приведена на рис. 2.13.

Рис. 2.13.

    Приведение модели к требуемому уровню нормальной формы является основой построения реляционной БД.
    В процессе нормализации элементы данных группируются в таблицы, представляющие объекты и их взаимосвязи. Теоpия ноpмализации основана на том, что опpеделенный набоp таблиц обладает лучшими свойствами при включении, модификации и удалении данных, чем все остальные наборы таблиц, с помощью которых могут быть представлены те же данные. Введение нормализации отношений при разработке информационной модели обеспечивает минимальный объем физической, то есть записанной на каком-либо носителе, БД, и ее максимальное быстродействие, что впрямую отражается на качестве функционирования информационной системы. Нормализация информационной модели выполняется в несколько этапов.

    Первый этап нормализации заключается в образовании двумерной таблицы, содержащей все необходимые атрибуты информационной модели, и в выделении ключевых атрибутов. Очевидно, что полученная весьма внушительная таблица будет содержать очень разнородную информацию. В этом случае будут наблюдаться аномалии включения, обновления и удаления данных, так как при выполнении этих действий нам придется уделить внимание данным (вводить или заботиться о том, чтобы они не были стерты), которые не имеют к текущим действиям никакого отношения. Например, может наблюдаться такая парадоксальная ситуация. При включении в каталог продаж новой модели автомобиля нам сразу придется указать купившего ее клиента.

    Если все возможные ключи отношения содержат по одному атрибуту, то это отношение задано во второй нормальной форме, так как в этом случае все атрибуты, не являющиеся первичными, полностью зависят от возможных ключей. Если ключи состоят более чем из одного атрибута, отношение, заданное в первой нормальной форме, может не быть отношением во второй нормальной форме. Приведение отношений ко второй нормальной форме заключается в обеспечении полной функциональной зависимости всех атрибутов от ключа за счет разбиения таблицы на несколько, в которых все имеющиеся атрибуты будут иметь полную функциональную зависимость от ключа этой таблицы. В процессе приведения модели ко второй нормальной форме в основном исключаются аномалии дублирования данных.

    Транзитивная зависимость выявляет дублирование данных в одном отношении. Если A, B и C - три атрибута одного отношения и C зависит от B, а B от A, то говорят, что C транзитивно зависит от A, как это схематично показано на рис. 2.14,а. Преобразование в третью нормальную форму происходит за счет разделения исходного отношения на два, как это показано на рис. 2.14,б.
    Например, если все данные о моделях автомобилей и самих поступающих автомобилях хранятся в одном отношении, то для нескольких автомобилей одной модели пришлось бы многократно указывать тип кузова, количество дверей и другие технические характеристики. В этом случае технические характеристики зависят от модели автомобиля и при наличии нескольких автомобилей одной модели будут дублироваться. Дублирование исчезает, если из одного отношения выделить отношение, в котором будут храниться данные о моделях, и отношение, в котором будут храниться данные об автомобилях.
    Существуют и более высокие формы нормализации, но авторы не встречались с необходимостью их применения за достаточно длительную историю создания систем обработки данных и поэтому сочли возможным уберечь читателя от потока теории.
    Давайте сформулируем основные правила, которым нужно следовать при проектировании базы данных:
    Исключайте повторяющиеся группы - для каждого набора связанных атрибутов создайте отдельную таблицу и снабдите ее первичным ключом. Выполнение этого правила автоматически приведет ко второй нормальной форме. Помимо теоретических указаний в этом правиле есть и чисто практический смысл. Представьте, что в вашем списке заказов вы указываете имена ваших клиентов. Клиент "Хитрая лиса" достаточно активен и часто делает у вас заказы. Бьемся об заклад, что найдутся считанные люди, которые в десяти упоминаниях напишут это имя абсолютно одинаково. Ну кто-то где-нибудь да напишет "Хитрый лис", а для СУБД это уже другой клиент. Поэтому гораздо лучше вести список своих клиентов в отдельной таблице, а в списке заказов использовать только присвоенные им уникальные идентификаторы.
    Исключайте избыточные данные - если атрибут зависит только от части составного ключа, переместите атрибут в отдельную таблицу. Это правило помогает избежать потери одних данных при удалении каких-то других. Везде, где возможно использование идентификаторов вместо описания, выносите в отдельную таблицу список идентификаторов с пояснениями к ним.
    Исключайте столбцы, которые не зависят от ключа - если атрибуты не вносят свою лепту в описание ключа, переместите их в отдельную таблицу.
    С учетом выше изложенного в нашей модели необходимо видоизменить список атрибутов сущности МОДЕЛЬ и добавить такие новые сущности, как ТОПЛИВО, ШИНЫ, КУЗОВ, ФИРМА, СТРАНА (рис. 2.15).
    В основном изменения в модели связаны с введением искусственных атрибутов, которые в виде кодов участвуют в отношениях вместо естественных атрибутов (вид топлива, марка шин и т. п.). К необходимости введения в модель искусственных атрибутов мы пришли в процессе нормализации. В общем случае мы рекомендуем использовать вместо естественных атрибутов коды в следующих случаях:
    В предметной области может наблюдаться синомия, то есть естественный атрибут отношения не обладает свойством уникальности. Например, среди сотрудников фирмы могут быть однофамильцы или даже полные тезки. В этом случае решить проблему помогает уникальный табельный номер.
    Если отношение участвует во многих связях, то для их отображения создается несколько таблиц, в каждой из которых повторяется идентификатор отношения. Для того чтобы не использовать во всех таблицах длинный естественный атрибут объекта, можно применять более короткий код. Это также будет способствовать повышению быстродействия вашей системы.
    Если естественный атрибут может изменяться во времени (например, фамилия), то это может вызвать очень большие сложности при эксплуатации системы. Представьте, что ваш лучший продавец, очаровательная девушка Карина, вышла замуж. Что будет с данными, которые привязаны к ее девичьей фамилии? Использование неизменяемого кода (табельного номера) позволит избежать этих сложностей.
    Атрибуты, включаемые в измененные или добавленные в модель сущности, приведены в табл. 2.2.

    На этом этапе мы должны составить проекты таблиц, которые будут в дальнейшем реализовываться в конкретной СУБД. Назначения имен таблиц и их атрибутов отражены в табл. 2.3.

    На этапе физического проектирования мы должны задуматься о такой серьезной проблеме, как обеспечение безошибочности и точности информации, хранящейся в БД. Это называется обеспечением целостности базы данных.

    Мы привыкли доверять достоверности данных, помещаемых в печатных изданиях. При подготовке книги помещаемые в нее данные проверяют несколько редакторов. Они же стараются сделать так, чтобы книга была написана литературным языком и соответствовала неким нормам, с которыми читатели подходят к книгам различного жанра. Удивительно было бы при чтении детектива встретить ссылки на научные источники в конце страницы.
    При общении человека с компьютером наблюдается некий стойкий феномен. Мы приравниваем компьютер к книге из издательства с самой известной маркой. Мы априори верим всем данным, которые выдает нам это славное устройство. Мы не хотим ничего слышать о программных ошибках, сбоях и неправильном вводе данных. Вы встречали человека, размахивающего листком с распечаткой и неустанно повторяющего как молитву фразу: "Это я рассчитал на компьютере!" Мы встречали, и не раз.
    Если же трезво взглянуть на проблему, ситуация начинает выглядеть совершенно иначе. При подготовке книги затраты на ее редактирование составляют незначительную часть от общих затрат на ее выпуск в свет. В системах обработки данных наоборот. Затраты на проверку и поддержание достоверности данных могут составлять значительную часть от общих эксплуатационных затрат. Например, в транспортных предприятиях для контроля правильности ввода данных с путевой документации практикуется параллельный ввод одних и тех же данных несколькими операторами. Считается, что вероятность совершения одной и той же ошибки в этом случае будет крайне мала и простое сравнение результатов ввода различных операторов поможет получить безошибочные данные.
    Естественно появляется соблазн избежать дорогостоящей верификации данных. Как сказал один рабочий судоверфи другому, объясняя, почему он не заделал дыру в корпусе корабля: "Ее никто не увидит, она же под водой".
    Ошибки в данных неприятны тем, что они остаются незамеченными до тех пор, пока не приведут к тяжелым последствиям, если только вы не позаботитесь обнаружить эти ошибки раньше. Достаточно убедительный довод, чтобы заранее воспользоваться предоставляемыми СУБД мерами для блокирования появления возможных ошибок в разрабатываемой базе данных.
    В СУБД целостность данных обеспечивается набором специальных предложений, называемых ограничениями целостности.

    Ограничения целостности в большинстве случаев определяются особенностями предметной области. Например, мощность двигателя серийного легкового автомобиля вряд ли может быть ниже 30 л. с.
    Ограничения целостности могут относиться к разным объектам БД: атрибутам (полям), записям, отношениям, связям между ними и т. п. Для полей могут использоваться следующие виды ограничений:

• Тип и формат поля автоматически допускают ввод только данных определенного типа. Выбор типа поля Date в формате ДД.ММ.ГГ позволит пользователю ввести только шесть чисел. При этом первая пара цифр не сможет превысить в лучшем случае значения 31, а вторая - 12.
• Задание диапазона значений, как правило, используется для числовых полей. Диапазон допустимых значений может быть ограничен с двух сторон (закрытый диапазон), а может с какой-то одной: верхней или нижней (открытый диапазон).
• Недопустимость пустого поля позволяет избежать появления в БД "ничейных" записей, в которых пропущены какие-либо обязательные атрибуты.
• Задание списка значений позволяет избежать излишнего разнообразия данных, если его можно ограничить. Например, для указания типа кузова мы можем ограничить фантазию пользователя только общепринятыми названиями: Седан, кабриолет и т. д.
• Проверка на уникальность значения какого-то поля позволяет избежать записей-дубликатов. Вряд ли будет удобно в справочнике клиентов иметь несколько записей для одного и того же лица.

    Для реализации ограничений целостности, имеющих отношение к записи, таблицам или связям между ними, в СУБД используются триггеры.
    Как конкретно реализуется в каждой из рассматриваемых СУБД ограничение целостности мы увидим на примере создания БД в шестой главе.

    Управленческим инструментарием разработки при проектировании базы данных является словарь данных (СД).
    В этом параграфе мы познакомимся с тем, как правильно использовать возможности словаря данных при проектировании и эксплуатации БД.
    Внедрение базы данных на любом предприятии занимает довольно продолжительное время. Ее расширение происходит по мере разработки и интеграции используемых прикладных программ. В процессе эксплуатации вводятся новые элементы данных, а те, которые использовались при проектировании базы данных, могут быть изменены.
    Преимущества использования СД заключаются в эффективном накоплении, определении и управлении суммарным ресурсом данных предметной области. Словарь данных призван помогать пользователю в выполнении следующих функций:

• совместное использование данных с другими пользователями;
• осуществление простого и эффективного управления элементами данных при вводе в систему новых элементов или изменении описания существующих;
• уменьшение избыточности и противоречивости данных;
• определение степени влияния изменений в элементах данных на всю базу данных;
• централизация управления элементами данных с целью упрощения проектирования базы данных и ее расширения.

    Идеальный СД содержит также сведения и о других категориях данных, таких, как группы элементов данных, корреспондирующиеся базы данных и перекрестные ссылки между группами элементов данных и базами данных. Кроме того, в нем фиксируются сведения о тех прикладных программах, которые используют базу данных, и имеются сведения о кодах защиты информации и разграничении доступа.
    Прежде всего остановимся на вопросах использования СД при проектировании системы обработки данных.
    На первом этапе проектирования базы данных необходимо собрать сведения о предметной области, в том числе о назначении, способах использования и о структуре данных, а по мере развития проекта осуществлять централизованное накопление информации о концептуальной, логической, внутренней и внешних моделях данных. Словарь данных является как раз тем средством, которое позволяет при проектировании, эксплуатации и развитии базы данных поддерживать и контролировать информацию о данных.
    При сборе информации о данных следует установить правила присвоения имен элементам, добиться однозначного толкования различными подразделениями назначения источников и соглашений по присвоению имен, сформулировать приемлемые для всех пользователей описания элементов данных и выявить синонимы. Этот процесс включает несколько итераций и связан с необходимостью разрешения конфликтных ситуаций. Отдельные подразделения подчас переоценивают свою роль на предприятии, что приводит при разработке информационной системы к конфликтам. Разработчику в таких случаях придется выступать в роли арбитра. Если вам не по душе слушать крики: "Судью на мыло!", то для обеспечения эффективного сбора и накопления информации о данных желательно, чтобы все, кто имеет отношение к базе данных, пользовались автоматизированным словарем данных.
    Словарь данных содержит информацию об источниках, форматах и взаимосвязях между данными, их описания, сведения о характере использования и распределении ответственности. Словарь данных можно рассматривать как "метабазу данных", в которой хранится информация о базе данных.
    Одно из главных назначений словаря данных состоит в документировании данных. Так как база данных обслуживает множество пользователей, крайне необходимо, чтобы они правильно понимали, что представляют собой данные.
    Проектировщик базы данных рассматривает различные характеристики данных. На ранней стадии проектирования прежде всего готовятся описания элементов данных на естественном языке. Эти описания или определения должны быть точными, недвусмысленными и согласованными.
    Например, если три подразделения используют одни и те же данные по-разному, совсем не просто сформулировать приемлемое для всех одно описание разделяемого элемента. Поиск решений проблем такого рода является прерогативой администратора БД. Это часто создает конфликтные ситуации, разрешить которые гораздо сложнее, чем технические вопросы применения базы данных.
    На этой стадии разработки текстовых описаний данных проектировщик абстрагируется от способа их физического представления в базе данных. В частности, ему не следует определять, как хранить данные - в упакованном, символьном или каком-либо другом виде.
    Накопление информации в словаре данных целесообразно начинать уже на самой ранней стадии проектирования. В процессе работы разработчики выясняют у пользователей, какой должна быть система, какие данные будут входными, какого рода информацию они хотят получить из системы, вводя имена элементов данных, например "номер счета", "остаток" или "процент" в банковской системе. При этом обе стороны должны трактовать используемые термины однозначно, иначе может случиться так, что разработанная система не будет удовлетворять требованиям пользователей. Поэтому второе важное назначение словаря данных - обеспечить эффективное взаимодействие между различными категориями разработчиков и пользователей.
    Рассмотрим следующий пример. В банковской системе одним из центральных элементов данных является "остаток". Каков остаток на данном счете? Для большинства неспециалистов ответ очевиден. Однако в главной таблице счетов соответствующей системы в записи по одному счету может храниться до двадцати пяти полей, в именах которых присутствует термин "остаток". Поэтому важно, чтобы и пользователь и разработчик представляли себе, какой именно остаток имеется в виду: "остаток на счете на начало дня", "остаток на счете на конец вчерашнего дня", "фактический остаток" или "остаток на сберегательной книжке". "Остаток на сберегательной книжке" увеличивается сразу после того, как клиент делает вклад, но если вклад сделан с помощью чека (вдруг вы разрабатываете систему обработки данных для использования на ужасном Западе), то "фактический остаток" увеличится только после оплаты чека. На самом деле существует гораздо больше различных полей "остаток". Словарь данных может использоваться для централизованного накопления информации обо всех элементах данных и для обеспечения эффективного взаимодействия между всеми участниками проекта.
    Таким образом, два важнейших назначения словаря данных состоят в централизованном ведении и управлении данными как ресурсом на всех этапах проектирования, реализации и эксплуатации системы, а также в обеспечении эффективного взаимодействия между всеми участниками проекта.
    В случае распределенной базы данных вся она или ее отдельные части могут размещаться на удаленных друг от друга вычислительных машинах, соединенных линиями связи. Одни рабочие станции в сети могут обращаться только к локальной базе данных, а другие - как к локальной, так и к внешним.
    В этом случае в словарь данных может быть введена информация обо всех местах физического хранения данных, а также ограничения секретности, безопасности и доступа. С помощью этой информации словарь данных может "решить", каким образом удовлетворить запрос пользователя: обратиться к локальной базе данных или, если пользователь обладает соответствующими полномочиями, передать запрос на внешнюю ПЭВМ.
    В настоящей книге словари данных рассматриваются в контексте совместного использования с СУБД. Существует мнение, что словарь данных можно вести "вручную на бумаге". Однако неавтоматизированный словарь данных не может обеспечить получение по-разному отсортированных списков элементов данных, которыми пользуются разработчики. Один и тот же элемент может неодинаково использоваться в различных приложениях. На ранней стадии проектирования выявляются далеко не все связи между данными. Впоследствии обнаруживается, что данные применяются в разнообразных приложениях. Они могут встречаться, например, во входных и выходных форматах, связанных между собой, и всякий раз рассматриваются в различных контекстах. Чтобы учесть все возможные ограничения, необходимо приложить значительные усилия. Процесс проектирования же становится в таком случае трудно управляемым. Гораздо проще организовать и управлять разработкой с помощью автоматизированного словаря данных.
    Для успешного применения словаря данных при разработке системы следует централизовать накопление информации в этом - едином - источнике, из которого программисты смогут копировать описания структур данных и включать их в свои программы на всех этапах проектирования. В случае применения "ручного" или не интегрированного словаря в нем время от времени может происходить нарушение непротиворечивости информации по отношению к фактическому состоянию системы.
    В идеальном случае интерфейс между СУБД и словарем данных должен обеспечивать доступ системы словаря к справочникам СУБД, в которых хранится информация о ее текущем состоянии. Модификация типов данных может производиться только после того, как это будет зарегистрировано в словаре данных. Обновление самих данных допускается лишь после проверки их корректности средствами СУБД. Таким образом, словарь данных, СУБД и база данных образуют замкнутый контур.
    В идеале словарь данных должен быть неотъемлемой составной частью всей системы обработки данных. За ввод данных в словарь ответственность несет администратор БД. Поскольку словарь данных является центральным звеном системы, необходимо постоянно поддерживать его копию, которая может использоваться для восстановления словаря после возникновения отказа всей системы или в случае непреднамеренного разрушения его рабочей версии. За сохранность словаря данных как жизненно важной части системы с базой данных полностью отвечает администрация базы данных.
    Если словарь данных применяется для разграничения доступа к базе данных, то доступ к нему надо также разграничить. Следует строго ограничить круг лиц, которым разрешено модифицировать словарь данных. В отношении хранимой в словаре информации должен быть реализован режим секретности.
    Внедрение словаря данных должно быть хорошо продумано по времени и объему, так как неверный шаг здесь может привести к неудаче всего проекта системы обработки данных. В то же время не следует думать, что существуют готовые решения, которые подходят для всех без исключения предприятий. Как и другие планируемые действия в системе обработки данных, план реализации словаря зависит от особенностей предметной области.
    Подчас не только реализация всеобъемлющего словаря данных, но и создание интегрированной базы данных всей предметной области может оказаться преждевременным. Ведение словаря данных предполагает обучение пользователей, и до тех пор, пока в этом направлении не будут достигнуты определенные успехи, его установку производить не следует.
    В качестве первого приложения словаря данных можно избрать один из следующих вариантов.

    Традиционная прикладная система. Словарь данных может применяться в прикладной системе средних размеров, не слишком тесно взаимодействующей с другими системами. Кроме того, система должна решать важные для предприятия задачи. И наконец, она должна быть развивающейся. Только при этих условиях могут быть использованы все преимущества использования словаря данных.
    Несколько приложений для обработки данных. Скорее всего эксплуатируемые с использованием СУБД прикладные программы имеют большое значение для предприятия и, кроме того, со временем претерпевают определенные изменения. Если предполагается расширить круг прикладных программ, то внедрение системы словаря данных позволит использовать его возможности по обеспечению взаимодействия между пользователями, в области централизованного накопления информации, а также при подготовке и распространении документации.
    Новые прикладные программы. Если предприятие планирует расширить круг используемых прикладных программ, то это самый подходящий случай для внедрения словаря данных. Программисты не всегда хорошо относятся к необходимости документирования уже существующих прикладных программ. Однако при разработке новых прикладных систем эта работа выполняется впервые, и документирование новых приложений неизбежно.
    На прилагаемой к книге дискете вы найдете пример словаря данных для рассматриваемой в качестве примера системы обработки данных AUTO STORE.
    С помощью этой программы вы сможете создать базу данных и словарь данных, где будет отражаться структура БД Auto_Store. В этой же программе после построения СД вы сможете проектировать словарь данных, а именно: редактировать имена полей таблиц, изменять их тип, разрядность, правила проверки, текст сообщения, значение по умолчанию, заголовок поля, комментарий для поля, устанавливать значение NULL, редактировать имена индексов, изменять их тип, трансформировать имена таблиц и наглядно анализировать связи между таблицами.
    Данная программа позволяет создавать ту же БД Auto_Store на MS SQL Server, а также регистрировать пользователей на MS SQL Server и предоставлять определенные права доступа к БД Auto_Store или, точнее, права доступа к полям таблиц базы данных. Права доступа каждого из пользователей можно просмотреть, выбрав пункт "Права" из главного пункта меню "Разработка и проектирование".
    Вход в программу. После запуска программы на экране появится форма, показанная на рис. 2.16. Для дальнейшей работы с программой необходимо ввести пароль. Пароль соответствует имени пользователя, что можно узнать из подсказки. При успешном наборе пароля откроется доступ к кнопке "Вход". Выбор пользователей производится из списка, находящегося на панели инструментов (рис. 2.17). Обратите внимание на уровень доступа, их всего пять.

Рис. 2.16. Вход в программу

Рис. 2.17. Панель инструментов для выбора пользователя

    Создание базы данных. Здесь все очень просто. Выбираем пункт "Создание Базы Данных" из главного пункта меню "Создание и построение" и в открывшейся форме щелкаем по кнопке "Старт". На рис. 2.18 изображена форма в момент создания базы данных. Не забудьте щелкнуть по кнопке "Финиш" по завершении создания базы. После выполнения описанной процедуры предоставится возможность построения словаря данных.
    Построение словаря данных. Аналогично строится словарь данных. Выбираем пункт "Построение Словаря Данных" из главного пункта меню "Создание и построение" и в открывшейся форме щелкаем по кнопке "Старт". На рис. 2.19 изображена форма в момент построения словаря данных. После щелчка по кнопке "Финиш" можно начинать проектирование словаря данных.

Рис. 2.18.

Рис. 2.19

Рис. 2.20.

• Щелчком левой кнопки мыши по заголовку таблицы активизируется список полей данной таблицы.
• Щелчок правой кнопки мыши по заголовку таблицы приводит к замене наименования заголовка на физическое наименование таблицы, если перед этим заголовок имел вид русского эквивалента наименования таблицы, и, наоборот, изменяет наименование заголовка русским эквивалентом наименования таблицы, если заголовок имел вид наименования таблицы.
• Двойной щелчок левой кнопки мыши по заголовку таблицы позволяет переименовать заголовок таблицы (рис. 2.21).

Рис. 2.21.

• Щелчок левой кнопки мыши по списку полей таблицы активизирует список полей данной таблицы.
• Двойной щелчок левой кнопки мыши по списку полей таблицы вызывает Конструктор таблицы на вкладке поля (рис. 2.22).

Рис. 2.22.

• Щелчок левой кнопки мыши по имени индекса под списком полей таблицы активизирует индекс данной таблицы.
• Двойной щелчок левой кнопки мыши по имени индекса под списком полей таблицы вызывает Конструктор таблицы на вкладке индексов (рис. 2.23).
• Щелчок левой кнопки мыши по связи между таблицами позволяет выделить данную связь.

    Мы думаем, что после просмотра данного примера у вас появится желание создать собственный словарь данных и включить туда целый ряд дополнительных возможностей, например, для каждого поля таблицы включить определение класса, обеспечивающего работу с данными.

    С базой данных, как правило, взаимодействуют несколько пользователей. Эти пользователи в организации могут выполнять совершенно различные функции, иметь различные представления об используемых данных, но пользоваться ими одновременно. Поэтому при эксплуатации БД крайне необходим учет различных требований и наличие алгоритма разрешения конфликтов. Иными словами, нужно ввести долгосрочную функцию администрирования, направленную на координацию и выполнение всех этапов проектирования, реализации и ведения интегрированной базы данных. В соответствии с этой функцией на определенных лиц возлагается ответственность за сохранность такого важного ресурса, как данные.
    В этом параграфе мы познакомимся с задачами и функциями администрирования БД, которое необходимо обеспечить на самых ранних стадиях разработки.
    Характерное для многопользовательской среды использование хранящихся в компьютере данных заключается в "захватывании" файла данных. Каждый пользователь блокирует свои данные, не допуская остальных к их использованию. Это вынуждает других пользователей накапливать те же самые данные. С появлением баз данных необходимость в индивидуальном хранении и использовании информации отпала. Но появилась потребность в управлении коллективным использованием данных.

    АБД - не "обладатель" базы данных, а ее "хранитель". С усложнением предметной области неизбежно усложняется процесс формирования информации и принятия решений. В результате расширяется спектр функций администрирования. Так как в случае использования базы данных прикладной программист "устраняется" от непосредственного управления данными, он утрачивает с ними контакт, а следовательно, и чувство ответственности за них. Это требует разработки процедур обеспечения непротиворечивости данных, которые должны быть скоординированы с функцией администрирования базы данных.
    Администрирование базы данных предполагает обслуживание пользователей базы данных. Можно провести аналогию между АБД и ревизором предприятия. Ревизор защищает ресурсы предприятия, которые называются деньгами, а АБД - ресурсы, которые называются данными. Во многих организациях по странной традиции АБД рассматривают только как квалифицированного технического специалиста, часто совмещающего функции программиста. Это не соответствует целям администрирования. Уровень АБД в иерархии организации должен быть достаточно высоким, чтобы он мог определять структуру данных и право доступа к ним и нести за это ответственность. АБД обязан хорошо представлять себе, как работает предприятие и как оно использует данные. Хотя от АБД и требуется техническая компетентность, не менее важным является понимание им предметной области, а также умение общаться с людьми и подчинять альтернативы стандартным процедурам. В противном случае АБД не сможет эффективно выполнять свои функции.
    Весьма заманчиво наделить АБД широкими полномочиями, однако его положение на предприятии может быть различным. Оно зависит прежде всего от степени значимости базы данных для жизнедеятельности данного предприятия. Вторым фактором является уровень сложности обработки данных и организации коммерческой деятельности. Как мы уже отмечали, АБД чаще всего назначается из числа прикладных программистов отдела обработки данных, что не всегда оправдано.
    АБД должен координировать действия по сбору сведений, проектированию и эксплуатации базы данных, а также по обеспечению защиты данных. АБД обязан учитывать как перспективные, так и текущие информационные требования предметной области. Это одна из его главных задач. Следовательно, при проектировании базы данных необходимо добиваться ее максимальной гибкости или максимальной независимости данных.
    Переход при обработке информации на технологию баз данных и расширение существующей базы данных связаны со значительными финансовыми затратами, что предопределяет необходимость тщательного планирования и управления этим процессом. Кроме того, количество данных, помещаемых в базу, растет день ото дня, и параллельно с этим усложняются обрабатывающие эти данные прикладные программы. Все это требует наличия централизованного управления на каждом этапе жизненного цикла системы с базой данных.
    Правильная реализация функций администрирования БД существенно улучшает контроль и управление ресурсами данных предметной области. С этой точки зрения функции АБД являются скорее управляющими, чем техническими. Принципы работы АБД и его функции определяются подходом к данным как к ресурсам организации. Поэтому решение проблем, связанных с администрированием БД, часто начинается с установления общих принципов эксплуатации СУБД, хотя между СУБД и администрированием БД имеется различие. В большинстве случаев СУБД покупается в виде программного пакета, а администрирование БД является прерогативой предприятия. АБД обеспечивает обобщенное представление о предметной области в виде концептуальной модели, которая представляет модель данных предприятия. Одной из целей создания базы данных является обеспечение информацией пользователей, работающих в различных функциональных областях предприятия. Однако это часто означает, что ни один из этих пользователей не испытывает чувства ответственности и об общих интересах заботится в последнюю очередь. Неизбежным результатом такого отношения является превращение АБД в координатора. Во многих случаях, организуя базу данных, АБД идет по пути решения технических проблем, то есть прежде всего вопросов, связанных с использованием СУБД.
    Первая важная задача АБД состоит в устранении противоречий между различными направлениями деятельности организации при создании концептуальной, а затем и логической модели базы данных предметной области. Выступая в роли посредника между отделами, он должен добиваться не только того, чтобы различные специалисты пришли к соглашению относительно объектов предметной области, но и того, чтобы это соглашение было "правильным". Кроме определения данных и прав доступа к ним от АБД может потребоваться разработка процедур и руководств по ведению данных. Для выполнения функций АБД необходимо хорошо представлять себе состояние дел предприятия и перспективы его развития, а также знать позицию руководства. На начальной стадии разработки базы данных АБД следует сконцентрировать внимание на следующих проблемах:

• определение элементов данных и объектов предметной области;
• присвоение различных имен, которые будут использоваться для обращения к элементам одного и того же типа;
• установление взаимосвязей между элементами данных; выпуск текстового описания элементов данных;
• выделение отделов или пользователей, ответственных за обеспечение точности данных (например, контролирующих обновление данных, их непротиворечивость);
• определение путей применения элементов данных в целях управления и планирования, то есть распределении функций между персоналом.

    Сбор всей этой информации из различных источников и необходимость ликвидации возникающих между отделами трений требуют, чтобы АБД обладал еще и дипломатическими способностями.
    Как уже отмечалось, понятие "единоличного владения" данными неприменимо к базе данных. Однако оно существует, и это иногда существенно усложняет работу АБД. АБД приходится убеждать некоторые отделы, чтобы они "передали" свою собственность в общее пользование, либо контролировать доступ к легко искажаемой информации.
    Идея "разделения" может не только вызвать противодействие со стороны некоторых отделов, но и настроить их враждебно против всего проекта разработки базы данных в целом. АБД должен одних убедить, других уговорить, третьих ободрить, а кого-то, если необходимо, и принудить. Это означает, что АБД должен уметь пользоваться своей властью и влиянием, обладать определенным стажем работы и хорошо разбираться в обстановке на данном предприятии. Очевидно, функции АБД не может исполнять человек, восстановивший за время работы против себя многих сотрудников.
    Таким образом, к вопросу выбора АБД администрация предприятия должна подходить чрезвычайно серьезно. При выдвижении кандидатуры на пост АБД следует руководствоваться теми же критериями, что и при назначении на посты других управляющих, поскольку рассмотрению долговременных потребностей предприятия АБД обязан уделять не меньшее (если не большее) внимание, чем текущим проблемам. Выполнение этой обязанности осложняется еще и тем, что база данных предусматривает объединение данных без учета функциональных границ.
    Реализация руководящих материалов может быть успешной только в том случае, когда все сотрудники, имеющие отношение к базе данных, ознакомлены с ними и несут ответственность за выполнение стандартов, устанавливаемых АБД. Прикладные программисты, сотрудники служб эксплуатации и сопровождения системы должны понимать процедуры, требуемые для решения стоящих перед ними задач. Это означает, что АБД необходимо установить эффективную взаимосвязь со всеми группами сотрудников, которым приходится обращаться к базе данных.
    Возвращаясь к рассмотренной в конце предыдущего параграфа программе Auto_Store, заметим, что она позволяет: добавлять, удалять пользователей, назначать существующим пользователям имена, пароли, уровни доступа, назначать привилегии доступа относительно каждого уровня доступа. На рис. 2.24 и 2.25 изображены формы, соответствующие описанным функциям.

Рис. 2.24.

Рис. 2.25.

Рис. 2.26. Форма для соединения с SQL Server