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

Подождите немного. Документ загружается.

–

241

–

позволяет представить взаимосвязи между элементами данных в виде

двумерных таблиц, называемых отношениями. Для отношений характерны

следующие свойства:

• каждый элемент таблицы представляет собой один элемент данных;

• исключается возможность одинаковых строк в таблицах;

• все столбцы в таблице однородны, т.е. в пределах одного столбца все

элементы данных имеют одинаковый тип

(числовой, символьный, дата и др.);

• каждый столбец имеет уникальное имя;

• порядок следования строк и столбцов в таблице может быть любым.

В реляционной модели каждая строка таблицы представляет собой

отдельную запись, а заголовки столбцов являются названиями полей

(атрибутов) в записях. Для идентификации каждой записи таблицы

используется уникальное имя (первичный

ключ), которое образуется одним или

несколькими атрибутами. Характерной особенностью ключа является

исключение возможности дублирования его значений в нескольких записях

(т.е. любое конкретное значение ключа для любой записи таблицы уникально).

Если ключ состоит из значений нескольких атрибутов, то его называют

составным, а если из одного атрибута – то простым. Для того

чтобы связать

между собой две таблицы реляционной базы данных необходимо ключ первой

таблицы ввести в состав ключа второй таблицы. Если при этом возникают

значительные затруднения, то можно в первую таблицу ввести ключ (атрибут)

из второй таблицы, который будет выполнять роль внешнего ключа. При этом

тип данных первичного и внешнего ключей

должны совпадать (для первой

таблицы).

Для рассматриваемого примера реляционная модель базы данных примет

вид (рис.5.4), отображающий три таблицы (отношения): R1, R2 и R3, состоящие

соответственно из записей о поставщиках, товарах и поставках товаров

поставщиками.

Таблица R1 отображает информацию о поставщиках, включающую в себя

уникальный код поставщика, фамилию (она может повторяться как и значения

последующих полей

), используемый для поставки транспорт, город.

Таблица R2 описывает виды товаров, каждый из которых характеризуется

уникальным кодом, названием, массой, видом упаковки.

В таблице R3 отражена поставка товаров. Эта таблица связывает между

собой две другие таблицы. Она описывает поставку товара Тi поставщиком Пj в

конкретном количестве. Таким образом, каждая поставка определяется кодом

поставщика, кодом

товара и количеством товара.

В целом реляционная база данных с логической точки зрения может быть

представлена множеством двумерных таблиц различного предметного

наполнения. Достоинствами реляционной модели базы данных являются:

–

242

–

• простота логической модели (представлена в виде привычных

таблиц);

• независимость данных;

• возможность построения простого языка манипулирования данными;

• гибкость системы защиты (для каждого отношения может быть

установлена правомерность доступа).

R 1 (поставщики)

Код

Поставщика

Фамилия Способ

доставки

Город

П1 Иванов автомобиль Тула

П2 Петров железная дорога Рязань

П3 Махлис самолет Калуга

R 2 (товары)

Код товара Название Масса Штук в

упаковке

Т1 шампунь 0,4 4

Т2 мыло 0,2 10

Т3 крем 0,1 16

R 3 (поставка товаров)

Код

поставщика

Код товара Количество

П1 Т1 3000

П1 Т2 4000

П1 Т3 5000

П2 Т1 1000

П2 Т3 500

П3 Т2 3000

П3 Т3 2000

Рис.5.4.

Реляционная база данных поставщиков и товаров

При работе с реляционными моделями используется как математическая

терминология, так и терминология, изначально принятая в области обработки

данных. Близкими по сути являются термины: отношение и таблица; кортеж,

запись и строка; атрибут, поле и столбец.

–

243

–

Во многом широкое распространение и перспективы использования

реляционной модели баз данных объясняется наличием соответствующего

математического аппарата, позволяющего построить структуру с рациональной

группировкой атрибутов в отношениях, с минимальным дублированием данных

и с возможно простыми процедурами обработки данных.

Улучшению свойств отношений между объектами служат известные

процедуры нормализации.

Нормализация отношений – формальный аппарат

ограничений на формирование отношений (таблиц), который позволяет

устранить дублирование, обеспечивает непротиворечивость хранимых в базе

данных, уменьшает трудозатраты на ведение базы данных.

Об отношении говорят, что оно имеет нормальную форму или

нормализовано, если оно удовлетворяет определенным ограничивающим

условиям.

В теории реляционных баз данных принято выделять пять нормальных

форм (первые

три нормальных формы отношений выделены Е. Коддом и им же

предложен алгоритм, позволяющий преобразовать любое отношение к третьей

нормальной форме).

Так, отношение называется нормализованным или приведенным к первой

нормальной форме, если все его атрибуты простые (их невозможно представить

в виде совокупности отдельных частей). Каждой нормальной форме

соответствует свой конкретный набор ограничений

, и отношение находится в

некоторой нормальной форме, если оно удовлетворяет свойственному ей

набору ограничений. Следует отметить, что каждая последующая нормальная

форма в определенном смысле улучшает свойства предыдущей формы, при

переходе к следующей нормальной форме свойства предыдущих нормальных

форм сохраняются. На практике во многих случаях третья нормальная форма

отношений является вполне

достаточной и при ее достижении процесс

нормализации отношений заканчивают.

Естественно, что качественный результат при разработке реляционных

баз данных при большом числе атрибутов и сложных взаимосвязях данных

может быть получен с привлечением к их проектированию профессионалов,

знакомых с соответствующим математическим аппаратом.

В целом реляционная модель баз данных имеет дело с тремя аспектами

данных: со структурой данных, с целостностью данных и с манипулированием

данными. Под структурой понимается логическая организация данных в базе

данных, под целостностью данных – безошибочность и точность хранящейся в

базе данных информации, под манипулированием данными – действия,

совершаемые над данными в базе данных. Эти три аспекта отражают основные

процедуры процесса накопления данных (

хранение, актуализация и

извлечение).

–

244

–

Переход после этапа логического проектирования базы данных к этапу

создания физической модели базы данных, реализуемой и используемой на

компьютере, осуществляется с помощью совокупности программ,

позволяющих создать во внешней памяти компьютера базу данных и

обеспечить возможность работы с данными. Эти программы называют

системами управления базами данных (СУБД). Они служат для поддержания

базы

данных в актуальном состоянии и обеспечивают эффективный доступ

пользователей к данным с учетом принятой политики разграничения прав

доступа.

Подавляющая часть имеющихся на рынке программного обеспечения

СУБД относится к системам общего назначения и не ориентированны на какие-

либо предметные области. Применение СУБД в качестве инструментального

средства для создания автоматизированных информационных систем

позволяет

существенно сократить сроки разработки и уменьшить финансовые затраты.

Современные СУБД общего назначения представляют собой сложные

программные комплексы, обеспечивающие выполнение всех необходимых

функций, связанных с созданием и эксплуатацией базы данных

информационной системы. Следует отметить, что конкретные СУБД

поддерживают конкретные модели баз данных (реляционную, сетевую и др.).

В течение более десятка лет общепризнанным лидером в области

построения промышленных баз данных является корпорация Oracle. На рынке

баз данных в целом (включая реляционные, иерархические и сетевые базы

данных) Oracle занимает первое место с результатом 33,8% рынка. Ближайший

конкурент - IBM - со всеми своими многочисленными СУБД - DB2, IMS и др. -

имеет 30,1 % рынка. Рынок реляционных баз данных распределен следующим

образом: Oracle - 42,1 %, IBM - 29,2% и др. На рынке реляционных баз данных

на платформе UNIX Oracle имеет 66,2%, IBM - 14,4%.

Флагманский продукт корпорации - СУБД

Oracle - удовлетворяет всем

требованиям, предъявляемым при построении промышленных

информационных систем. Ядром СУБД является сервер базы данных, который

поставляется в одном из четырех вариантов в зависимости от масштаба

информационной системы, в рамках которой предполагается его применение.

Для проектов информационных систем крупного и среднего масштаба

корпорация Oracle предлагает корпоративную редакцию сервера - Oracle

Database Enterprise Edition, устанавливаемую на кластерах

, мэйнфреймах и

суперкомпьютерах под управлением Unix.

Oracle Database Standard Edition включает практически всю

функциональность СУБД Oracle, необходимую для создания промышленных

баз данных. СУБД может использоваться как сервер масштаба рабочей группы

и как центральный сервер БД в небольшой организации.

–

245

–

Версия Oracle9i Personal Edition поддерживает работу пользователя на

базе персонального компьютера и позволяет достичь полной совместимости с

другими СУБД семейства Oracle.

Версия Oracle9i Lite ориентирована на поддержку мобильной работы

пользователей. В состав продукта входит все необходимое для разработки,

внедрения и управления приложениями для мобильных устройств на всех

популярных операционных системах: Palm OS, Symbian EPOC, Microsoft

Windows CE, и Microsoft Windows 95/98/NT/2000. Ядром Oracle9i Lite является

реляционная база данных, специально спроектированная для работы на

мобильных устройствах, в которой полностью реализованы механизм

транзакций, ссылочной целостности и спецификации

языка SQL.

В целом СУБД Oracle обеспечивает прозрачность распределенных баз

данных

и сетевого окружения. Пользователи СУБД могут рассматривать

физически распределенную на несколько узлов сети базу данных как одну

локальную базу; при этом обращение к удаленным данным осуществляется так

же, как и к локальным. В СУБД Oracle в рамках одного SQL-запроса можно

запрашивать данные из нескольких БД. Таблицы, участвующие в сложной

операции соединения при

выборке данных в процессе выполнения запроса,

могут располагаться в базах данных различных узлов сети. Используемые

методы оптимизации позволяют минимизировать обмен данными в сети во

время выполнения распределенных запросов.

Открытая архитектура СУБД Oracle позволяет использовать в одной

среде разнородные источники данных, включая базы данных СУБД Oracle,

базы данных, функционирующие под управлением СУБД других

производителей, различного рода приложения (таким образом, поддерживается

работа в гетерогенной среде данных).

Помимо СУБД Oracle на рынке Web-серверов баз данных широкой

популярностью пользуется СУБД Microsoft SQL Server 2000.

Наиболее известными СУБД, используемыми на персональных компьютерах,

являются: Access 2000, Borland InterBase 6.x, Oracle 9i Personal Edition, Visual

FoxPro 7.0 и др.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Проведите сравнительный анализ возможностей электронных таблиц и

СУБД.

2. Укажите основные особенности эволюции языков программирования.

3. В чем особенности объектно-ориентированного программирования?

4. Определите содержательный смысл термина “база данных”.

5. Опишите особенности различных структур баз данных.

6. Какую роль играет связывание таблиц применительно к базам данных?

–

246

–

7. Какими возможными путями база данных может быть передана другому

пользователю?

8. Какую роль играют индексные файлы?

9. Определите основные функциональные возможности СУБД.

10. Укажите основные разновидности запросов при работе с базами данных.

11. Каково назначение языка SQL?

12. Укажите особенности и опасности применения языка Java.

13. Определите преимущества языков высокого уровня

по сравнению с

машинно-зависимыми языками.

14. Объясните причины популярности языка С.

15. Опишите основные концепции развития языков программирования.

16. Приведите классификацию языков программирования.

17. Определите типовой состав среды программирования.

18. Укажите потенциальные преимущества языка Assembler перед языками

высокого уровня.

19. Определите основные критерии сравнения сред программирования.

20.

Укажите особенности RAD-сред.

21. Охарактеризуйте основные требования, предъявляемые к модулям при

разработке программ.

22. Укажите основное назначения языков программирования.

23. Определите особенности оптимизирующих компиляторов.

–

247

–

6. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ И

ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

6.1. НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ

СРЕДСТВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

В основе решения любой задачи на компьютере используется

соответствующая программа, представляющая, в общем случае,

формализованное описание взаимосвязанной последовательности операций,

выполняемых различными устройствами компьютера. В последние годы

широкое распространение получил термин “программное средство”

(программное приложение или просто приложение). В целом под

программным средством принято понимать программу или другое

формализованное описание, обеспечивающее автоматизацию решения на

компьютере задачи пользователя, как автономно, так и с помощью каких-либо

программно-инструментальных средств. Множество видов программно-

инструментальных средств может быть представлено различными языками

программирования с соответствующими трансляторами, языковыми

средствами для формирования запросов и выполнения других операций с

базами данных

, средствами настройки электронных таблиц и др.

Программа представляет собой упорядоченную последовательность

команд (инструкций), необходимых для управления компьютером при

решении определенной задачи. В последние годы, как среди пользователей,

так и программистов более широко используется термин

приложение,

означающий программную реализацию решения задачи на компьютере.

Развитие вычислительной техники сопровождалось разработкой

системного и прикладного программного обеспечения. Существенную роль при

этом выполняют

инструментальные средства программирования,

представляющие собой программные продукты для реализации (поддержки)

технологии программирования и в целом ориентированные на автоматизацию

процессов разработки и реализации информационных систем.

Инструментарий технологии программирования включает в себя:

• средства разработки приложений (программ), состоящие из систем

программирования и языков программирования;

• CASE-системы (Computer–Aided System Engineering).

С учетом ориентации языков на конкретные классы (клоны, семейства

)

компьютеров они подразделяются на машинно-зависимые и машинно-

независимые языки программирования.

–

248

–

Использование машинно-зависимых языков предполагает знание

особенностей реализации технических решений, реализованных в конкретных

компьютерах. К этой группе языков в первую очередь относятся машинные

языки, являющиеся внутренними языками конкретных процессоров, не

требующими каких-либо преобразований перед их исполнением. Команды

машинных языков представляют собой многоразрядные кодовые комбинации в

двоичной системе счисления (определенной машинной команде соответствует

конкретный

код из 0 и 1), непосредственно подаваемые на шину процессора

при их выполнении. Программирование на машинных языках отличается

высокой трудоемкостью, поэтому оно применялось на ЭВМ первого поколения

ввиду отсутствия других языков программирования. К машинно-зависимым

языкам относятся также языки программирования семейства

ассемблеров.

Каждая команда языка ассемблера фактически представляет машинную

команду в виде условных, символьных обозначений, называемых

мнемониками. В основном, название команды ассемблера представляет собой

сокращенное обозначение на английском языке операции, реализуемой этой

команды. До непосредственного выполнения на компьютере написанная на

языке ассемблер программа с помощью специальной программы-транслятора

должна быть преобразована в

программу в машинных кодах. Поскольку

процессоры различных моделей имеют отличающие наборы команд, то,

соответственно, отличаются и их языки ассемблеры. Следовательно,

написанная на языке ассемблер программа будет работоспособна только на

процессорах определенных моделей.

Языки семейства ассемблеров относятся к языкам низкого уровня, для

которых характерны возможности создания эффективных и компактных

программ, поскольку программист

имеет непосредственный доступ к

аппаратным ресурсам компьютера (процессору, основной и внешней памяти,

контроллерам и др.). В настоящее время ассемблер, как правило, используют

при написании небольших системных приложений, драйверов (программ,

управляющих взаимодействием внешних устройств с процессором и с ОЗУ),

отдельных процедур обработки данных и др. Как и для других языков

программирования,

для ассемблеров написан ряд библиотек, в которых

реализованы процедуры различных видов обработки данных, что способствует

ускорению процесса разработки программ. Многие языки программирования

высокого уровня позволяют вставлять в разрабатываемые на их основе

программы отдельные модули, написанные на языке ассемблер.

Машинно-независимые языки программирования или, по-другому, -

языки высокого уровня не требуют от программистов при написании программ

знания особенностей организации конкретных компьютеров, на которых эти

программы будут выполняться. Основной целью создания языков высокого

уровня явилась необходимость обеспечения программистов производительным

–

249

–

инструментарием технологии программирования, допускающим выполнение

подготовленных программ на компьютерах с различными наборами машинных

команд. Языки высоко уровня позволяют описывать решение задачи в

достаточно легко воспринимаемом (программистами) виде с использованием

мощных команд, большинство из которых впоследствии реализуется

десятками или сотнями машинных команд. При этом преобразование команд

языка высокого уровня в соответствующие последовательности

машинных

команд осуществляется транслятором в автоматическом режиме без

непосредственного участия программиста.

Однако следует отметить, что по мере развития процессоров в их

наборах машинных команд появляются новые команды, которые в более

ранних моделях процессоров выполнялись длинными последовательностями

машинных команд. Таким образом, потенциальную основу повышения

производительности технологий программирования обеспечивают как языки

программирования

высокого уровня, так и мощные машинные команды

современных моделей процессоров.

В целом языки программирования позволяют кардинальным образом

повысить производительность программиста по сравнению с написанием

программ на языке ассемблер. Однако оттранслированные с языка высокого

уровня на уровень машинных команд программы имеют, как правило, в

несколько раз больший объем, чем аналогичные программы, изначально

написанные на языке ассемблер. Кроме того, в силу избыточности

сгенерированного машинного кода оттранслированные программы работают в

несколько раз медленнее.

Системы программирования (например, Delphi) включают в себя:

конкретный язык программирования, транслятор, библиотеки стандартных

программ, редактор связей, отладчик, средства оптимизации сгенерированного

кода программ, средства управления создаваемым проектом, различного рода

техническую документацию. Основное назначение систем программирования –

повышение эффективности разработки и отладки программ.

Общая схема получения исполняемого кода программы из исходной

программы, написанной на языке высокого

уровня, приведена на рисунке 6.1.

Текст

исходной

ог

аммы

Трансля-

ция

Редакти-

рование

св

зей

Загру-

зочный

мо

ду

ль

Рис. 6.1. Обобщенная схема обработки исходной программы

–

250

–

Подготовка исходного текста программы может осуществляться как с

использованием встроенных в системы программирования редакторов, так и на

основе автономных распространенных редакторов.

Язык программирования служит основой для написания текста

программы, реализующей определенный алгоритм обработки данных. Для

получения искомого результата текст исходной программы должен быть

преобразован (оттранслирован) в исполняемую программу (загрузочный

модуль), представленную

непосредственно в машинных кодах.

В основе работы программ

трансляторов используются два подхода:

интерпретация команд (операторов) и компиляция программ в целом.

Интерпретатор осуществляет трансляцию очередного оператора из

текста выполняемой программы в последовательность машинных команд и

сразу же выполняет их. Переход к выполнению (трансляции) следующего

оператора исходной программы реализуется только при успешном выполнении

предыдущего оператора. В целом для интерпретаторов характерны следующие

особенности:

 при многократном включении конкретного оператора в программу

каждое его выполнение требует заново реализации операции трансляции в

машинные команды, что приводит к значительному замедлению выполнения

программы;

 программа интерпретатор в течение всего времени выполнения

исходной программы должна находиться в ОЗУ и, следовательно, она

уменьшает доступный системе объем оперативной памяти;

 интерпретаторы поддерживают диалоговый режим работы, что

способствует разработке и отладке программ, благодаря возможности

оперативного внесения изменений в конкретный выполняемый оператор.

Примером реализации интерпретатора является инструментарий языка

Basic (однако есть версии, например Quick Basic, позволяющие создавать

исполняемые модули).

Компилятор обрабатывает текст исходной программы полностью. При

этом, как правило, обработка выполняется за несколько проходов. При первом

проходе компилятор проверяет корректность синтаксиса языковых

конструкций отдельных операторов независимо друг от друга, при втором

подходе проверяется корректность синтаксических взаимосвязей между

операторами, и только затем осуществляется преобразование в машинные

команды.

В ряде случаев дополнительно

используют средства оптимизации кода

программ –

оптимизирующие трансляторы, которые после завершения

компиляции осуществляют оптимизацию полученного объектного модуля. В

частности, при оптимизации кода выполняется поиск команд, которые не

выполняются ни при каких условиях, и их удаление. Оптимизация, как