Урок 1. Введение в базы данных

1. Что такое база данных

 2. Структура базы данных

3. Отношения между таблицами

4. Нормализация баз данных

5. Ключи и индексы

Что такое база данных

Можно с большой степенью достоверности утверждать, что большинство приложений, которые предназначены для выполнения хотя бы какой-нибудь полезной работы, тем или иным образом используют структурированную информацию или, другими словами, упорядоченные данные. Такими данными могут быть, например, списки заказов на тот или иной товар, списки предъявленных и оплаченных счетов или список телефонных номеров ваших знакомых. Обычное расписание движения автобусов в вашем городе - это тоже пример упорядоченных данных.

При компьютерной обработке информации упорядоченные каким либо образом данные принято хранить в базах данных - особых файлах, использование которых вместе со специальными программными средствами позволяет пользователю как просматривать необходимую информацию, так и, по мере необходимости, манипулировать ею, например, добавлять, изменять, копировать, удалять, сортировать и т.д.

Таким образом, дать простое определение базы данных можно следующим образом. База данных - это набор информации, организованной тем, или иным способом. Пожалуй, одним из самых банальных примеров баз данных может быть записная книжка с телефонами ваших знакомых. Наверное, у вас есть сейчас или когда-либо была эта полезная вещь. Этот список фамилий владельцев телефонов и их телефонных номеров, представленный в вашей записной книжке в алфавитном порядке, представляет собой, вообще говоря, проиндексированную базу данных. Использование индекса - в данном случае фамилии (или имени) позволяет вам достаточно быстро отыскать требуемый номер телефона.

Структура базы данных

Телефонный справочник представляет собой так называемую “плоскую” базу данных, в которой вся информация располагается в единственной таблице. Каждая запись в этой таблице содержит идентификатор конкретного человека - имя и фамилию и его номер телефона. Таким образом таблица состоит из записей, информация в которых разделена на несколько частей - полей. В данном случае полями являются “ФИО” и “Номер телефона”, как показано на рис.1.1.

Рис.1.1. Таблица, запись и поле.

В отличие от плоских, реляционные базы данных состоят из нескольких таблиц, связь между которыми устанавливается с помощью совпадающих значений одноименных полей.

Здесь следует отметить, что использование реляционной модели баз данных не является единственно возможным способом представления информации. В настоящее время существует несколько различных моделей представления данных, которые, однако, пока не получили такого широкого распространения среди разработчиков и пользователей, как реляционная модель. То есть при разработке систем управления базами данных реляционная модель практически является стандартом.

В качестве примера реляционной базы данных можно привести поставляемую вместе с Visual Basic базу данных BIBLIO.MDB, содержащую библиографическую информацию о книгах по программированию, их авторах и издательствах, эти книги опубликовавших.

Так как Visual Basic использует ту же систему управления базами данных (MS Jet Engine), что и MS Access, то несмотря на наличие в Visual Basic средств работы со многими форматами БД, все таки в приложениях предпочтительно использовать файлы баз данных в формате MS Access. Эти файлы имеют расширение MDB и здесь в основном будут описаны приемы работы с файлами именно такого формата.

Перейдем теперь к исследованию базы данных с библиографией. Для этого откройте файл BIBLIO.MDB при помощи MS Access или VisData.

Содержимое файла базы данных BIBLIO.MDB показано на рис.1.2. В базу данных входят таблицы (Tables), запросы (Queries), формы (Forms), отчеты (Reports), макросы (Macros) и модули (Modules). Макросы, формы и модули нам не интересны, так как это вотчина разработчиков, применяющих Visual Basic for Applications или, сокращенно, VBA.

Рис.1.2. Содержимое файла BIBLIO.MDB

Из рисунка видно, что база данных состоит из таблиц: PUBLISHERS, AUTHORS и TITLES. Каждая из таблиц содержит информацию об объектах одного типа. Из названий таблиц становиться понятно, что данные в каждой таблице принадлежат одной и той же группе объектов. Каждая строка в этих таблицах однозначно определяет один объект из соответствующей группы. Вообще, база данных может состоять из одной или нескольких таблиц. Запись, в свою очередь, состоит из нескольких полей, каждое из которых содержит элемент данных об объекте.

Типы данных, которые можно поместить в таблицу, зависят от формата файла базы данных. В таблице 1.1 приведены некоторые типы данных, которые поддерживаются системой управления базами данных Visual Basic для файлов MS Access.

Таблица 1.1

Таблица PUBLISHERS (Издатели) содержит информацию об издательствах (имя компании, ее адрес, телефон, факс и др.). На рис. 1.3 и 1.4 показаны структура таблицы PUBLISHERS и ее содержимое в табличном виде.

Рис.1.3. Структура таблицы PUBLISHERS

Рис.1.4. Содержимое таблицы PUBLISHERS

Таблица AUTHORS (Авторы) содержит информацию о авторах - ФИО и год рождения. Структура этой таблицы и ее содержимое показаны на рис.1.5 и 1.6 соответственно.

Рис.1.5. Структура таблицы AUTHORS

Рис.1.6. Содержимое таблицы AUTHORS

Таблица TITLES (Заголовки) содержит данные о самих книгах - название книги, год издания, код ISBN, издатель, краткое описание и др. Структура таблицы TITLES и ее содержимое показаны на рис.1.7 и 1.8 соответственно.

Рис.1.7. Структура таблицы TITLES

Рис.1.8. Содержимое таблицы TITLES

Из рис.1.2 видно, что в базе данных BIBLIO.MDB присутствует еще и таблица TITLE AUTHOR. На первый взгляд непонятно зачем она нужна. Ведь в базе данных есть таблица TITLES с заголовками книг и таблица AUTHORS с данными об авторах. Однако все же эта таблица нужна и для чего она так необходима станет понятно, когда в дальнейшем будем рассматривать отношения между таблицами.

Отношения между таблицами

Отношения между таблицами устанавливают связь между данными находящимися в разных таблицах базы данных.

Отношения между таблицами определяются отношением между группами объектов соответствующего типа. Например, один автор может написать несколько книг и издать их в разных издательствах. Или издательство может опубликовать несколько книг разных авторов. Таким образом, между авторами и названиями книг существует отношение один-ко-многим, а между издательствами и авторами существует отношение много-ко-многим.

Отношения между таблицами базы данных BIBLIO.MDB показаны на рис.1.9.

Рис.1.9. Отношения между таблицами базы данных BIBLIO.MDB.

Отношение один-к-одному

Если между двумя таблицами существует отношение один-к-одному, то это означает, что каждая запись в одной таблице соответствует только одной записи в другой таблице.

Примером такого отношения может служить отношение между таблицами. Таблица AUTHORS (Авторы) рассмотрена выше (рис. 1.5 и 1.6) и содержит краткую информацию о авторах (ФИО и год рождения). Таблица PERSON (Личность) содержит персональную информацию о авторах (домашний адрес, телефон, образование и др.) Структура таблицы PERSON показана на рис.1.10. Следует отметить, что в базе данных BIBLIO.MDB никакой таблицы PERSON нет и мы упоминаем о ней только как о иллюстрации отношения между таблицами - один-к-одному.

Рис.1.10. Структура таблицы PERSON

Между таблицами AUTHORS и PERSON существует отношение один-к-одному, так как одна запись, идентифицирующая автора, однозначно соответствует только одной записи в таблице PERSON, содержащей персональные данные об авторе.

Связь между таблицами определяется с помощью совпадающих полей: Au_ID в таблице AUTHORS и в таблице PERSON.

Отношение один-ко-многим

Хорошим примером отношения между таблицами один-ко-многим является отношение между авторами и названиями книг (таблицы AUTHORS и TITLES), так как каждый автор может иметь отношение к созданию нескольких книг. Связь между таблицами AUTHORS и TITLES осуществляется с помощью совпадающих полей Au_ID в обеих таблицах.

Аналогичное отношение существует между издательствами и названиями изданных книг, организацией и работающими в ней сотрудниками, автомобилем и деталями, из которых он состоит и т.п. Понятно, что подобный тип отношения между таблицами наиболее часто встречается при проектировании структуры баз данных.

Отношение много-к-одному

Отношение много-к-одному полностью аналогично рассмотренному выше отношению один-ко-многим.

Отношение много-ко-многим

При отношении между двумя таблицами много-ко-многим каждая запись в одной таблице связана с несколькими записями в другой таблице и наоборот. Иллюстрацией такого отношения может служить отношение между таблицами PUBLISHERS и AUTHORS. С одной стороны, каждое издательство может публиковать книги разных авторов и с другой стороны - каждый автор может публиковаться в разных издательствах.

Для удобства работы с таблицами, имеющими отношение много-ко-многим, обычно в базу данных добавляют еще одну таблицу, которая находится в отношении один-ко-многим и много-к-одному к соответствующим таблицам. В случае базы данных BIBLIO.MDB такой таблицей является TITLE AUTHOR.

Нормализация баз данных

Рассмотрим процесс нормализации базы данных на примере базы данных BIBLIO.MDB. Вообще говоря, все данные о книгах, авторах и издательствах можно разместить в одной таблице, названной, например, BIBLIOS. Структура этой таблицы показана на рис. 1.11. В принципе, можно работать и с такой таблицей. С другой стороны понятно, что такая структура данных является неэффективной. В таблице BIBLIOS будет достаточно много повторяющихся данных, например сведения об издательстве или авторе будут повторяться для каждой опубликованной книги. Такая организация данных приведет к следующим проблемам, с которыми столкнется конечный пользователь вашей программы:

Наличие повторяющихся данных приведет к неоправданному увеличению размера файла базы данных. Кроме нерационального использования дискового пространства, это также вызовет заметное замедление работы приложения.

Ввод пользователем большого количества повторяющейся информации неизбежно приведет к возникновению ошибок.

Изменение, например, номера телефона издательства потребует значительных усилий по корректировке каждой записи, содержащей данные об издателе.

Рис.1.11. Структура таблицы BIBLIOS.

Если, при проектировании приложения для работы с базами данных, вы организуете свои данные таким нерациональным образом, то в дальнейшем вам, скорее всего, больше не поручат решение аналогичных задач.

Чтобы избежать всех этих проблем, надо стремиться максимально уменьшить количество повторяющейся информации. Процесс уменьшения избыточности информации в базе данных посредством разделения ее на несколько связанных друг с другом таблиц и называется нормализацией данных.

Вообще говоря, существует строгая теория нормализации данных, в рамках которой разработаны алгоритмы уменьшения избыточности информации, определены несколько уровней нормализации и установлены критерии, определяющие соответствие данных определенному уровню нормализации. Знакомство с теорией нормализации данных выходит за рамки этих уроков и тем читателям, которым интересно побольше узнать об этом, можно посоветовать обратиться к специальной литературе.

Для того, чтобы построить достаточно эффективную структуру данных, достаточно придерживаться нескольких простых правил:

1. Определите таблицы таким образом, чтобы записи в каждой таблице описывали объекты одного и того же типа. В нашем случае библиографические данные можно разместить в трех таблицах:

PUBLISHERS - содержит информацию об издательствах;

AUTHORS - содержит информацию об авторах книг;

TITLES - содержит информацию об изданных книгах.

2. Если в вашей таблице появляются поля, содержащие аналогичные данные, разделите таблицу.

3. Не запоминайте в таблице данных, которые могут быть вычислены при помощи данных из других таблиц.

4. Используйте вспомогательные таблицы. Например, если в вашей таблице есть поле Страна, то может быть стоит ввести вспомогательную таблицу Country, которая будет содержать соответствующие записи (Россия, Украина, США и т.п.). Этот прием также поможет уменьшить количество ошибок при вводе данных, допускаемых пользователями.

Ключи и индексы

Как было отмечено выше при описании отношений между таблицами, в реляционных базах данных таблицы связываются друг с другом посредством совпадающих значений ключевых полей. Ключевым полем может быть практически любое поле в таблице. Ключ может быть первичным (primary) или внешним (foreign).

Первичный ключ однозначно определяет запись в таблице. В примере с базой данных BIBLIO.MDB таблицы PUBLISHERS, AUTHORS и TITLES имеют первичные ключи PubID, Au_ID и ISBN соответственно. Таблица TITLES также имеет два внешних ключа PubID и Au_ID для связи с таблицами PUBLISHERS и AUTHORS. Таким образом, первичный ключ однозначно определяет запись в таблице, в то время как внешний ключ используется для связи с первичным ключом другой таблицы.

Ключевой поле может иметь определенный смысл, как например ключ ISBN в таблице TITLES. Однако, очень часто ключевое поле не несет никакой смысловой нагрузки и является просто идентификатором объекта в таблице. Во многих случаях удобно использовать в качестве ключа поле счетчика (Counter field). При этом вся ответственность по поддержанию уникальности ключевого поля снимается с пользователя и перекладывается на процессор баз данных. Поле счетчика представляет собой четырехбайтовое целое число (Long) и автоматически увеличивается на единицу при добавлении пользователем новой записи в таблицу.

Данные запоминаются в таблице в том порядке, в котором они вводятся пользователем. Это, так называемый, физический порядок следования записей. Однако, часто требуется представить данные в другом, отличном от физического, порядке. Например может потребоваться просмотреть данные об авторах книг, упорядоченные по алфавиту. Кроме того, часто необходимо найти в большом объеме информации запись, удовлетворяющую определенному критерию. Простой перебор записей при поиске в большой таблице может потребовать достаточно много времени и поэтому будет неэффективным.

Одними из основных требований, предъявляемым к системам управления базами данных, являются возможность представления данных в определенном, отличном от физического, порядке и возможность быстрого поиска определенной записи. Эффективным средством решения этих задач является использование индексов.

Индекс представляет собой таблицу, которая содержит ключевые значения для каждой записи в таблице данных и записанные в порядке, требуемом для пользователя. Ключевые значения определяются на основе одного или нескольких полей таблицы. Кроме того, индекс содержит уникальные ссылки на соответствующие записи в таблице. На рис.1.12 показан фрагмент таблицы CUSTOMERS, содержащей информацию о покупателях, и индекс IDX_NAME, построенный на основе поля Name таблицы CUSTOMERS. Индекс IDX_NAME содержит значения ключевого поля Name, упорядоченные в алфавитном порядке, и ссылки на соответствующие записи в таблице CUSTOMERS.

Рис.1.12. Связь между таблицей и индексом.

Каждая таблица может иметь несколько различных индексов, каждый из которых определяет свой собственный порядок следования записей. Например, таблица AUTHORS может иметь индексы для представления данных об авторах, упорядоченные по дате рождения или по алфавиту. Таким образом, каждый индекс используется для представления одних и тех же данных, но упорядоченных различным образом.

Вообще говоря, таблицы в базе данных могут и не иметь индексов. В этом случае для большой таблицы время поиска определенной записи может быть весьма значительным и использование индекса становиться необходимым. С другой стороны, не следует увлекаться созданием слишком большого количества индексов, так как это может заметно увеличить время необходимое для обновления базы данных и значительно увеличить размер файла базы данных.

При разработке приложений, работающих с базами данных, наиболее широко используются простые индексы. Простые индексы используют значения одного поля таблицы. Примером простого индекса в базе данных BIBLIO.MDB может служить код ISBN, идентификатор автора Au_ID или идентификатор издательства PubID.

Хотя в большинстве случаев для представления данных в определенном порядке достаточно использовать простой индекс, часто возникают ситуации, где не обойтись без использования составных индексов. Составной индекс строится на основе значений двух или более полей таблицы. Хорошей иллюстрацией использования составных индексов может служить база данных родственников при генеалогических исследованиях какой-либо фамилии. Понятно, что использование в качестве простого индекса фамилии человека в данном случае недопустимо. Даже использование составного индекса, основанного на полях имени, фамилии и отчества может быть неэффективным, так как и в этом случае все равно возможно существование достаточно большого числа однофамильцев. Выходом из положения может быть использование составного индекса, основанного, например, на следующих полях таблицы: имя, фамилия, отчество, город и номер телефона.