Ильин А.А., Евсюков В.В., Ильин Р.А. Информатика

Подождите немного. Документ загружается.

–

231

–

Язык Cobol (Common Business-Oriented Language – общекоммерческий

язык программирования) был разработан в 1961 г. для обработки

коммерческих данных. Предполагалось, что Cobol – это только временное

решение, необходимое, пока не создан лучший проект; однако язык стал самым

распространенным в своей области (как Fortran в науке), причем по той же

самой причине - он обеспечивал естественные средства выражения

вычислений, типичные для своей области

применения. При обработке

коммерческих данных необходимо делать относительно простые вычисления

для большого числа сложных записей данных, а по возможностям

структурирования данных Cobol намного превосходит алгоритмические языки

типа Fortran или С. Изначально язык был ориентирован на использование

широким кругом специалистов в управлении предприятиями, экономистами,

бухгалтерами и др.

Позже, в середине 60-х годов, был

создан язык PL/1 (Programming

Language /1 – язык программирования), универсальный, обладающий многими

свойствами языков Fortran, Cobol и Algol. Однако усложненная структура языка

и малоэффективные компиляторы не способствовали широкому

распространению язык PL/1.

Из ранних языков программирования

Algol больше других повлиял на

создание последующих языков. Разработанный международной группой

первоначально для общих и научных приложений, он никогда не достигал

такой популярности, как Fortran, поскольку не имел той поддержки, которую

Fortran получил от большинства производителей компьютеров. Известны три

версии языка Algol (Algol, Algol 60, Algol 68), из которых наиболее популярной

была версия Algol 60.

Наиболее известными потомками языка Algol явились языки

Simula и

Pascal.

Целью разработки

Pascal было создание языка, который можно было бы

использовать для демонстрации идей объединения типов данных и контроля их

соответствия, относящихся к наиболее важным концепциям проектирования

языков. Язык Pascal был разработан Н. Виртом в конце 1960-х. Как язык

практического программирования Pascal имел большое преимущество и

большой недостаток. Первоначальный компилятор языка Pascal был написан на

самом

языке Pascal и, таким образом, мог быть легко перенесен на любой

компьютер. Язык распространялся быстро, особенно на создаваемых в то время

мини- и микроЭВМ. К сожалению, как язык, Pascal слишком мал. Стандартный

(классический) Pascal вообще не имеет никаких средств для разбиения

программы на модули, хранящиеся в отдельных файлах, и поэтому не может

использоваться

для программ объемом больше нескольких тысяч строк кода.

Используемые на практике компиляторы Pascal поддерживают декомпозицию

на модули, но никаких стандартных методов для этого не существует, так что

–

232

–

большие программы не переносимы из одной среды в другую. Поэтому Вирт,

поняв, что модули являются необходимой частью любого практического языка,

разработал язык

Modula, явившийся популярной альтернативой нестандартным

“диалектам” языка Pascal. Третья версия языка Modula поддерживает объектно-

ориентированное программирование. Следует иметь в виду, что, начиная с

версии 5.5, в язык Pascal были введены дополнения, придавшие ему статус

языка объектно-ориентированного программирования. В настоящее время

инструментальная система программирования Delphi базируется на объектно-

ориентированном языке Object Pascal.

Язык

Basic (Beginner”s All-purpose Simbolic Instruction - многоцелевой

символический обучающий код для начинающих) был создан в 1964 году как

язык обучения программированию. Он и сегодня является самым простым для

освоения из множества других универсальных языков.

Язык

C был разработан Д. Ричи в начале 1970-х как язык реализации

операционной системы Unix. До этого операционные системы традиционно

писались на ассемблере, поскольку языки высокого уровня считались

неэффективными. Язык C абстрагируется от деталей программирования,

присущих ассемблерам, предлагая структурированные управляющие

операторы и структуры данных (массивы и записи) и сохраняя при этом всю

гибкость ассемблерного

низкоуровневого программирования (указатели и

операции на уровне битов).

Так как система Unix была легко доступна для университетов и написана

на переносимом языке, а не на языке ассемблера, то она быстро стала

популярна в академических и исследовательских учреждениях. Когда новые

компьютеры и прикладные программы выходили из этих учреждений на

коммерческий рынок, вместе с

ними распространялись ОС Unix и язык С.

Язык C проектировался так, чтобы быть близким к языку ассемблера с

целью обеспечения ему чрезвычайной гибкости. Однако эта гибкость

одновременно обуславливает чрезвычайную легкость создания программ со

скрытыми ошибками, поскольку ненадежные конструкции языка не

проверяются компилятором, как это делается на языке Pascal. Язык C является

тонким инструментом в

руках профессионалов и удобен для небольших

программ, но при разработке на нем больших программных систем группами

разработчиков разной квалификации могут возникнуть серьезные проблемы.

Разработка языка

Ada (стандарт языка принят в 1983 г.) ориентировалась

на создание универсального языка, включающего в себя возможности широко

используемых языков программирования, и, вероятно, способного заменить

другие универсальные языки. Однако язык Ada получил репутацию трудного

языка. Он перед процедурой стандартизации (принятия формализованного

стандарта для конкретного языка) был подвергнут интенсивной проверке и

практическому разбору. Изначально язык Ada

разрабатывался для написания

–

233

–

переносимых программ. Он расширяет область применения языков

программирования, обеспечивая обработку ошибок и параллельное

программирование, что традиционно считалось (нестандартными) функциями

операционных систем. Однако, несмотря на техническое совершенство, язык

Ada не достиг большой популярности вне крупномасштабных проектов из-за

наличия в нем присущих операционным системам функций, которые не

реализованы в других языках (параллелизм,

обработка исключительных

ситуаций, переносимые числовые данные и др.), а также из-за отсутствия

хороших и недорогих сред разработки для сферы образования. В новой версии

Ada 95 исправлены некоторые ошибки первоначальной версии, добавлена

поддержка объектно-ориентированного программирования. Кроме того, Ada 95

содержит приложения, в которых описываются стандартные расширения для

систем реального времени, распределенных систем, информационных

систем,

защищенных систем и др.

проблемно-ориентированных языков (ориентированных на данные)

имеется общая черта: каждый из них имел предпочтительную структуру

данных и обширный набор команд для нее. Эти языки позволяли создавать

сложные программы, которые трудно было написать на языках типа Fortran,

просто манипулирующих компьютерными словами. К ним относятся языки

Lisp, GPSS, APL и др.

В языке

Lisp (Lisp Processing – обработка списков) основная структура

данных – это связанный список. Язык имеет средства для эффективного

обращения к отдельным частям списка и выполнения с ними различных

операций по объединению, разделению и перегруппировке данных.

Первоначально Lisp был разработан для исследований в теории вычислений, и

многие работы по искусственному интеллекту были выполнены на его основе.

Язык

был настолько важен, что многие компьютеры разрабатывались и

создавались так, чтобы оптимизировать выполнение Lisp-программ. Одна из

проблем языка состояла в обилии различных “диалектов”, возникавших по мере

того, как язык реализовывался на различных машинах. Позже был разработан

стандартный язык Lisp, чтобы программы можно было переносить с одного

компьютера на другой. В настоящее время

популярен “диалект” языка Lisp -

CLOS, поддерживающий объектно-ориентированное программирование.

Многие основополагающие идеи языка Lisp были перенесены в современные

функциональные языки программирования, в частности, в язык

ML.

Язык

GPSS является мощным языком, ориентированным на

моделирование информационных систем.

Язык

APL (A Programming Language – язык программирования) является

развитием математического формализма, который используется для описания

вычислений. Основные структуры данных в нем – векторы и матрицы,

операции выполняются над такими структурами непосредственно, без циклов.

–

234

–

Программы на языке APL очень короткие по сравнению с аналогичными

программами на традиционных языках. Применение APL осложняло то, что в

язык пришел большой набор математических символов из первоначального

формализма.

Известен и ряд других языков:

Icon – удобный язык для программ,

выполняющих сложную обработку строк; язык имеет встроенный механизм

генерации и отката, который предполагает более развитый уровень абстракции

управления;

SETL – язык для создания программ высокой степени общности и

абстрактности и поэтому очень коротких: основная структура данных языка –

множество.

Языки, ориентированные на данные, сейчас несколько менее популярны,

чем раньше, отчасти потому, что объектно-ориентированные методы позволяют

внедрить операции, ориентированные на данные, в языки типа C

и Ada, а

также из-за конкуренции более новых языковых концепций, таких как

функциональное и логическое программирование.

В наиболее динамично развивающуюся в последние годы группу

объектно-ориентированных языков входят наиболее популярные языки

(вместе со своими инструментальными средами)

, Object Pascal, Java. К

группе наиболее популярных языков программирования следует также отнести

и Visual Basic (он более распространен за границей, чем у нас в стране).

Первый объектно-ориентированный язык программирования

Simula был

создан в 1960-х годах К.Нигааардом и О.Дж. Далом для моделирования систем:

каждая подсистема, принимающая участие в моделировании,

программировалась как объект. Затем был создан язык

Smalltalk, который

одновременно был и полной средой программирования. В нем изначально была

реализована популярная сегодня система окон.

Технические аспекты реализации этих первых объектно-

ориентированных языков (распределение памяти, диспетчеризация операций и

контроль типов осуществлялись динамически во время выполнения, а не

статически во время компиляции, и др.) помешали широкому распространению

ООП в те

годы из-за неприемлемых для многих систем накладными расходами

по времени и памяти.

В 1980-х годах Б. Строуструп использовал С как базис для языка

добавив в него поддержку объектно-ориентированного программирования,

аналогичную той, которую предоставлял язык Simula. Кроме того, в C

исправлены многие ошибки языка C, и ему следует отдавать предпочтение

даже в небольших программах, где объектно-ориентированные свойства,

возможно, и не нужны. С

– наиболее подходящий язык для обновления

написанных на языке C систем. Следует отметить, что С

– это динамично

развивающийся язык программирования.

–

235

–

В связи с активным маркетинговым продвижением в последние годы

языка Java и переходом его в стадию зрелости о языке C

стали понемногу

забывать (незаслуженно). Однако, несмотря на присущие ему отдельные

недостатки, язык C

был и остается проверенным и надежным инструментом

решения практически любых задач среди инструментальных средств

профессионального программирования. Его доминирующая роль сохраняется в

реализации приложений для бытовой электроники и в критически важных,

наиболее сложных программных системах корпоративного уровня, требующих

быстродействия и оптимизации работы с памятью. Следует отметить, что язык

доступен на любых платформах.

Язык

Java, как один из наиболее современных языков

программирования, изначально предназначался для разработки надежных,

переносимых, распределенных сетевых программных приложений,

функционирующих в многооконных системах (Windows-подобных) в условиях

архитектуры клиент-сервер.

Язык

Java одновременно является языком программирования и моделью

для разработки программ для сетей. Java в целом предоставляет такой же

уровень гибкости как и C

, и также является кроссплатформным средством

разработки. Во многом синтаксис и семантика языка Java аналогичны

принятым в языке C

. Существенными отличиями Java от C

являются:

семантика ссылок, полиморфные структуры данных, инкапсуляция,

параллелизм и библиотеки. В целом Java-приложения работают быстрее, чем

приложения, созданные на основе C

Современные программные пакеты, как правило, представляют собой

языки высокого уровня абстракции. Генератор приложений позволяет описать

последовательность экранов и структур базы данных и по этим описаниям

автоматически генерирует команды, реализующие приложения. Точно так же

электронные таблицы, настольные издательские системы, пакеты

моделирования и другие системы имеют обширные средства абстрактного

программирования. Недостаток программного

обеспечения этого типа в том,

что оно обычно ограничивается приложениями, которые можно легко

запрограммировать. Их можно назвать параметризованными программами в

том смысле, что, получая описания как параметры, пакет конфигурирует себя

для выполнения нужной программы.

Другой подход к абстрактному программированию с использованием

языков непроцедурного программирования состоит в том, чтобы описывать

вычисления, используя уравнения, функции, логические импликации или

другие формации подобного рода. Благодаря подобным формализмам языки

оказываются действительно универсальными, выходящими за рамки

конкретных прикладных областей. Компилятор реально не преобразует

программу в машинные коды; скорее он пытается решать математическую

–

236

–

проблему и ее решение выдает в качестве результата. Так как абстракция

оставляет индексы, указатели, циклы и другие конструкции вне языка, эти

программы могут быть на порядок короче обычных программ. Основная

проблема описательного программирования состоит в том, что “процедурные”

задачи, например, ввод-вывод на диск или экран, плохо "укладываются" в эту

концепцию

, и для этих целей языки должны быть дополнены обычными

конструкциями программирования.

5.2. БАЗЫ ДАННЫХ

База данных – поименованная совокупность структурированных данных,

относящихся к определенной предметной области, находящаяся в виде

файла(ов) на винчестере или различного рода носителях.

Другое определение определяет, что база данных определяется как

совокупность взаимосвязанных данных, характеризующихся возможностью

использования для большого количества приложений, возможностью быстрого

получения и модификации необходимой информации, минимальной

избыточностью информации, независимостью от

прикладных программ, общим

управляемым способом поиска.

Существует ряд других определений базы данных, акцентирующих

внимание на различных их особенностях, однако, общим в них является

утверждение, что база данных в широком смысле представляет собой

совокупность сведений о конкретных объектах реального мира в какой-либо

предметной области. Практически для любого пользователя при работе с

базой

данных важнейшими факторами являются возможность упорядочения данных

по актуальным для него признакам и быстрое извлечение выборок данных в

соответствии с произвольным сочетанием признаков.

Несмотря на обилие специализированных баз данных, используемых

различными приложениями, существуют общие требования к их организации:

• возможность однократного ввода данных и их многократного

использования, причем различные

пользователи могут использовать одни и те

же данные по-разному;

• простота и легкость использования данных;

• гибкость доступа к данным, позволяющая обращаться к данным и

извлекать их с помощью различных методов доступа;

• возможность выполнения незапланированных (нестандартных,

нештатных) запросов практически по любым критериям отбора;

• возможность внесения требуемых структурных изменений

без

нарушения существующих способов использования данных (т.е. адаптация

базы данных к изменяющимся условиям эксплуатации);

–

237

–

• минимальная избыточность данных (т.е. минимальное дублирование

данных в различных таблицах базы данных);

• достоверность данных при любых обновлениях базы данных;

• постоянная готовность базы данных к обслуживанию пользователей;

• обеспечение разграничения прав доступа к различным разделам базы

данных с учетом проводимой политики безопасности;

• защита данных от несанкционированного изменения

;

• обеспечение высокой производительности при выполнении запросов;

• минимизация стоимости хранения данных и затрат на их выборку.

Для описания данных в конкретных предметных областях используется

значительное число моделей различного уровня обобщения (с различным

уровнем абстракции). С общих позиций принято выделять три схемы описания

данных: концептуальную, внешнюю и внутреннюю.

Концептуальная схема дает описание логической структуры всей базы

данных. При этом описание структуры осуществляется на смысловом уровне,

без учета особенностей представления данных в компьютере. На этом уровне

определяются объекты, характеризующие каждый объект свойства, взаимные

связи между объектами. В рамках терминологии баз данных объекты

представляются в виде записей, свойства объектов определяются с помощью

атрибутов, а взаимодействие объектов описывается с помощью связей. Именно

эти сущности: записи, атрибуты и связи являются тремя основными формами

представления данных в базах данных.

Атрибут представляет собой элементарную характеристику данных и

может быть представлен числом, символьной строкой, датой и т.п.

Запись

образуется из совокупности значений аргументов, соответствующих одному

объекту. Для однозначной идентификации каждой записи вводится понятие

ключа записи, который формируется одним или несколькими атрибутами,

образующими уникальное имя записи. Именно наличие уникального имени

позволяет при работе с базой данных найти необходимую запись.

Обычно степень детализации описания данных в концептуальной схеме

задается определением типов атрибутов и ограничениями на допустимые

значения атрибутов.

Внешняя схема представляет собой отображение концептуальной схемы

с позиции конкретного пользователя (группы пользователей), имеющего

определенные права доступа к части данных. С учетом проведения в общем

случае политики разграничения доступа к данным для различных групп

(категорий) пользователей применительно к конкретной базе данных можно

говорить о присущей ей совокупности отличающихся друг от друга внешних

схем. В случае, когда все пользователи имеют одинаковые права доступа к базе

данных, концептуальная и внешняя схемы совпадают.

–

238

–

Внутренняя схема представляет собой описание способов размещения

данных во внешней памяти компьютера. Именно реализованные способы

размещения данных в значительной степени влияют на производительность при

работе с базой данных.

В соответствии с рассмотренными схемами описания данных

проектирование баз данных разделяется на два крупных этапа:

• логическое проектирование, целью которого является наилучшее

отображение объектов

конкретной предметной области в абстрактные объекты

модели данных с учетом семантики этой области (этап соответствует

концептуальной схеме);

• физическое проектирование, ориентированное на реализацию

конкретных решений по рациональному расположению данных в памяти

компьютера, организацию необходимых индексных массивов (ускоряющих

поиск записей) и др. При этом уже определен тип конкретной системы

управления базой

данных, что, во многом, влияет на процесс проектирования.

Взаимосвязи между различными объектами могут быть

классифицированы следующим образом:

• “один к одному”, когда одна запись может быть связана только с

одной записью;

• ”один ко многим”, когда одна запись взаимосвязана со многими

другими записями;

• ”многие ко многим”, когда одна

и та же запись может входить в

отношения со многими другими записями в различных вариантах.

Характер применения того или иного вида взаимосвязей определяет три

основных модели баз данных: иерархическую, сетевую и реляционную. Первые

две модели базируются на представлении информации об объектах

посредством графов, последняя модель использует таблицы.

Для иллюстрации особенностей логической

структуры каждой из

моделей баз данных рассмотрим конкретный пример. Пусть необходимо

разработать логическую структуру базы данных для хранения сведений о трех

поставщиках: П1, П2, П3, которые могут поставлять товары Т1, Т2, Т3 в

следующих сочетаниях: поставщик П1 – все три вида товаров, поставщик П2 –

товары Т1 и Т3, поставщик П3 – товары

Т2 и Т3.

Рассмотрим логическую модель базы данных, построенную на основе

иерархического подхода.

Иерархическая модель организует данные в виде

древовидной структуры, в которой располагаются (классифицируются) по

уровням соподчиненности (иерархии) объектов. Такая модель реализует

отношения “один ко многим”. Применительно к иерархической модели

основными понятиями структуры являются: уровень, элемент (узел), связь.

Узел представляет собой совокупность атрибутов данных, описывающих

некоторый объект. На схеме узлы отображаются вершинами графа. В

–

239

–

иерархической модели имеется один корневой узел (корень дерева). Он

находится на самом верху модели. В иерархической модели должно

соблюдаться правило: каждый порожденный узел не может иметь больше

одного порождающего узла; в структуре может быть только один

непорожденный узел (корень). Очевидно, что в иерархической модели узел

отображает собою запись. В иерархической модели

важную роль играют

уровни, отражающие степень подчиненности того или иного узла в иерархии.

Связи между исходным узлом и порождающими узлами описывают отношение

“один ко многим”.

Для рассматриваемого примера (рис.5.2) иерархическая модель имеет три

уровня. На верхнем уровне отображается информация в целом по поставщикам

(П), на втором уровне – о конкретных

поставщиках П1, П2, П3, на третьем

уровне – о товарах, которые могут поставлять конкретные поставщики. При

поиске конкретных товаров на основе иерархической модели необходимо

двигаться от корня к нижнему уровню, проходя через узлы промежуточных

уровней, используя при этом однотипные процедуры доступа к данным, что

значительно упрощает доступ. Достоинством иерархической структуры также

является

возможность описания структуры как на логическом, так и на

физическом уровнях. Однако иерархическая модель имеет ряд недостатков:

жесткая фиксация взаимосвязей между элементами данных, что обуславливает

необходимость

П1

П2 П3

Т1 Т2 Т3 Т1 Т3 Т2 Т3

Рис.5.2.

Иерархическая модель базы данных

внесения изменений в структуру модели при любых изменениях характера

взаимосвязей между элементами. Модернизация модели сопряжена со

значительными сложностями, поскольку удаление узла на любом из уровней (за

исключением нижнего уровня) блокирует возможность доступа к порожденным

им узлам. Доступ к порожденным узлам возможен только через исходный узел,

поэтому

существует только один путь доступа к каждому узлу.

Сетевая модель данных реализует возможность связи любого элемента

структуры с любым другим ее элементом. Для рассматриваемого примера

модель базы данных примет вид (рис.5.3). В ней отображены независимые

(основные) типы данных П1, П2, П3 - информация о поставщиках и

–

240

–

зависимые – информация о товарах Т1, Т2, Т3. Следует отметить, что должно

выполняться общее правило: связь должна объединять основную и зависимую

записи.

П1

П2 П3

Т1

Т2 Т3

Рис.5.3. Сетевая модель базы данных

В целом в сетевой структуре отношения между элементами описаны

взаимосвязями “один ко многим” и ”многие ко многим”. При реализации в

моделях только связей типа “один ко многим” их называют простыми сетевыми

структурами. При наличии хотя бы одной связи ”многие ко многим” модели

называют сложными сетевыми структурами.

Необходимость разделения

сетевых моделей на два типа объясняется тем, что управление структурами,

включающими в себя связи типа ”многие ко многим”, требует применение

значительно более сложных методов.

Применительно к сетевой модели основными понятийными структурами

являются область (часть модели), записи (элемент области), поле и набор. По

существу набор представляет собой экземпляр поименованной двухуровневой

(двухуровневое дерево) совокупности записей. Каждый тип набора

представляет собой отношение между двумя или несколькими типами записей.

Каждый набор должен содержать один экземпляр записей, имеющий тип

записи–владельца (в примере на рисунке это независимые или основные типы),

и может содержать любое количество экземпляров каждого типа записей–

членов набора (зависимы типы). Каждый

тип набора идентифицируется

индивидуальным именем, что позволяет использовать одну и ту же пару типов

объектов в различных взаимосвязях и строить, таким образом, сложные

структуры данных. Именно в возможности участия каждой записи в любом

числе наборов проявляется существенное отличие между сетевой и

иерархической моделями данных.

Потенциальная сложность сетевой модели оборачивается ее

недостатком,

поскольку для обслуживающего организованную на основе сетевой модели

базу данных программиста требуется затрачивать значительно больше усилий

для реализации процедур доступа к нужным данным. Кроме того, значительные

трудности возникают при реорганизации структуры базы данных из-за обилия

взаимосвязей между объектами.

На практике наибольшее распространение при разработке баз данных

получила

реляционная модель данных (relation – отношение), которая