7.2. Основные этапы разработки базы данных
Основы методологии проектирования прикладных программ были заложены в 60-е годы XX века известными специалистами Дж. Мартином, Э. Йордоном и Д. Константайном. На заре применения вычислительной техники разработка программ, поиск и устранение ошибок были настолько дорогостоящими, что опытные программисты-практики часто советовали: прежде чем написать хоть одну строку программы, стоит потратить не менее 60% всего необходимого для разработки времени на проектирование.
Современные технологии разработки прикладных программ делают построение приложений фантастически дешевым и быстрым. Квалифицированный пользователь с помощью Microsoft Access сегодня может за один вечер создать на персональном компьютере то, что на ранних ЭВМ требовало месяцев работы (если это вообще было возможным). Кроме того, сейчас стало значительно легче находить ошибки, устранять их и видоизменять проект в процессе создания приложения. Современные технологии позволяют создавать очень сложные приложения. К тому же скорость вычислений по сравнению даже с предыдущим десятилетием возросла на несколько порядков. Однако, несмотря на мощность средств, если вы не потратите значительных усилий на определение задач и принципов работы приложения, то впоследствии вам придется потерять значительно больше времени на всевозможные переделки. Если проект приложения недостаточно продуман, то добавление новых функций или устранение недостатков будет связано с большими временными и финансовыми затратами.
Рассмотрим основные этапы проектирования БД
Проектирование базы данных
В Microsoft Access, прежде чем создавать таблицы, формы и другие объекты необходимо задать структуру базы данных. Хорошая структура базы данных является основой для создания адекватной требованиям, эффективной базы данных.
Этапы проектирования базы данных
Ниже приведены основные этапы проектирования базы данных:
Определение цели создания базы данных.
Определение таблиц, которые должна содержать база данных.
Определение необходимых в таблице полей.
Задание индивидуального значения каждому полю.
Определение связей между таблицами.
Обновление структуры базы данных.
Добавление данных и создание других рбъектов.6азы данных.
Использование средств анализа в Microsoft Access.
1. Определение цели создания базы данных
На первом этапе проектирования базы данных необходимо определить цель создания базы данных, основные ее функции и информацию, которую она должна содержать. То есть нужно определить основные темы таблиц базы данных и информацию, которую будут содержать поля таблиц.
База данных должна отвечать требованиям тех, кто будет непосредственно с ней работать. Для этого нужно определить темы, которые должна покрывать база данных, отчеты, которые она должна выдавать, проанализировать формы, которые в настоящий момент используются для записи данных, сравнить создаваемую базу данных с хорошо спроектированной, подобной ей базой.
2. Определение таблиц, которые должна содержать база данных
Одним из наиболее сложных этапов в процессе проектирования базы данных является разработка таблиц, так как результаты, которые должна выдавать база данных (отчеты, выходные формы и др.) не всегда дают полное представление о структуре таблицы.
При проектировании таблиц вовсе не обязательно использовать Microsoft Access. Сначала лучше разработать структуру на бумаге. При проектировке таблиц, рекомендуется руководствоваться следующими основными принципами:
• Информация в таблице не должна дублироваться. Не должно быть повторений и между таблицами.
Когда определенная информация храниться только в одной таблице, то и изменять ее придется только в одном месте. Это делает работу более эффективной, а также исключает возможность несовпадения информации в разных таблицах. Например, в одной таблице должны содержаться адреса и телефоны клиентов.
• Каждая таблица должна содержать информацию только на одну тему.
Сведения на каждую тему обрабатываются намного легче, если содержаться они в независимых друг от друга таблицах. Например, адреса и заказы клиентов хранятся в разных таблицах, с тем, чтобы при удалении заказа информация о клиенте осталась в базе данных.
Этапы разработки базы данных
Процедура составления базы данных состоит из определённых стадий.
Постановка задачи
На этой стадии формулируется цель формирования базы данных, уточняется предметная область, представляются виды работ, которые будут осуществлены в текущей базе данных, к примеру, отбор, изменение информации, печать отчёта. Также определяются потенциальные пользователи.
При этом в постановке задачи участвуют не только специалисты по базам данных, но и эксперты в той предметной области, в которой она будет существовать. Чем шире будет круг знаний специалиста-предметника о принципах формирования базы данных, тем эффективнее будет его взаимодействие с экспертом в области информационных технологий и тем выше будет качество итогового продукта.
Проектирование базы данных
На текущей стадии необходимо определить, какие сущности, следовательно, информационные объекты, должна содержать в себе база данных, а также с использованием каких атрибутов будет описываться каждая сущность. После формулируется структура реляционных таблиц с указанием свойств полей и связей между таблицами. Следовательно:
- Учреждается общий список полей, которые отражают атрибуты таблиц базы данных;
- Поля общего списка следует распределить по базовым таблицам;
- Согласно свойствам данных определяют свойства каждого поля в частности;
- В каждой таблице выделяется ключевое поле;
- Выявляют связи между таблицами.
Создание базы данных
Происходит это с применением одного из языков программирования или специализированного программного обеспечения — систем управления базами данных, сокращённо СУБД. Первый метод используется для проектирования уникальных баз данных и требует высокой квалификации программиста. А для того, чтобы работать с СУБД, будет достаточно базовых навыков пользователя и понимания основ разработки баз данных.
При составлении базы данных в СУБД предполагается:
- Запуск СУБД и формирование нового файла базы данных;
- Формирование таблиц и учреждение между ними связей;
- Тестирование базы данных и её корректировка;
- Разработка разнообразных элементов управления информацией (к примеру, экранных форм для ввода, запросов для сортировки, поиска и отбора информации, отчётов для вывода информации на печать), также установка средств защиты базы данных, таких как установление ограничений прав доступа для разных пользователей за счёт введения паролей;
Использование построенной базы данных
Сюда можно отнести
- Сортировку, фильтрацию и поиск записей в таблицах;
- Отбор информации из таблиц по установленным критериям отбора;
- Осуществление обработки данных, к примеру, удаление, вставка, изменение или выполнение расчётов;
- Формирование отчётов.
Во время эксплуатации базы данных информация постоянно обновляется, могут меняться связи между сущностями.
В процессе создания больших по объёму и ориентированных на различные группы пользователей баз данных, определяют концептуальный, внешний и внутренний уровни представления данных.
В качестве концептуального уровня представления данных рассматривается модель «сущность-связь».
Во внешнем или пользовательском уровне предусматривается иллюстрация данных в формате, который необходим определённому пользователю.
Во внутреннем или физическом уровне представления данных определяются характеристики хранения данных и методов доступа к ним.
Например, в любой школе России применяется база данных «Электронный журнал». На рисунке проиллюстрирована схема уровней представления информации для такой базы данных.
Руководство по проектированию реляционных баз данных (1-3 часть из 15) [перевод]
Перевод цикла из 15 статей о проектировании баз данных.
Информация предназначена для новичков.
Помогло мне. Возможно, что поможет еще кому-то восполнить пробелы.
Руководство по проектированию баз данных.
1. Вступление.
Если вы собираетесь создавать собственные базы данных, то неплохо было бы придерживаться правил проектирования баз данных, так как это обеспечит долговременную целостность и простоту обслуживания ваших данных. Данное руководство расскажет вам что представляют из себя базы данных и как спроектировать базу данных, которая подчиняется правилам проектирования реляционных баз данных.
Базы данных – это программы, которые позволяют сохранять и получать большие объемы связанной информации. Базы данных состоят из таблиц, которые содержат информацию. Когда вы создаете базу данных необходимо подумать о том, какие таблицы вам нужно создать и какие связи существуют между информацией в таблицах. Иначе говоря, вам нужно подумать о проекте вашей базы данных. Хороший проект базы данных, как было сказано ранее, обеспечит целостность данных и простоту их обслуживания.
Структурированный язык запросов (SQL).
База данных создается для хранения в ней информации и получения этой информации при необходимости. Это значит, что мы должны иметь возможность помещать, вставлять (INSERT) информацию в базу данных и мы хотим иметь возможность делать выборку информации из базы данных (SELECT).
Язык запросов к базам данных был придуман для этих целей и был назван Структурированный язык запросов или SQL. Операции вставки данных (INSERT) и их выборки (SELECT) – части этого самого языка. Ниже приведен пример запроса на выборку данных и его результат.
SQL – большая тема для повествования и его рассмотрение выходит за рамки данного руководства. Данная статья строго сфокусирована на изложении процесса проектирования баз данных. Позднее, в отдельном руководстве, я расскажу об основах SQL.
Реляционная модель.
В этом руководстве я покажу вам как создавать реляционную модель данных. Реляционная модель – это модель, которая описывает как организовать данные в таблицах и как определить связи между этими таблицами.
Правила реляционной модели диктуют, как информация должна быть организована в таблицах и как таблицы связаны друг с другом. В конечном счете результат можно предоставить в виде диаграммы базы данных или, если точнее, диаграммы «сущность-связь», как на рисунке (Пример взят из MySQL Workbench).
Примеры.
В качестве примеров в руководстве я использовал ряд приложений.
РСУБД, которую я использовал для создания таблиц примеров – MySQL. MySQL – наиболее популярная РСУБД и она бесплатна.
Утилита для администрирования БД.
После установки MySQL вы получаете только интерфейс командной строки для взаимодействия с MySQL. Лично я предпочитаю графический интерфейс для управления моими базами данных. Я часто использую SQLyog. Это бесплатная утилита с графическим интерфейсом. Изображения таблиц в данном руководстве взяты оттуда.
Визуальное моделирование.
Существует отличное бесплатное приложение MySQL Workbench. Оно позволяет спроектировать вашу базу данных графически. Изображения диаграмм в руководстве сделаны в этой программе.
Проектирование независимо от РСУБД.
Важно знать, что хотя в данном руководстве и приведены примеры для MySQL, проектирование баз данных независимо от РСУБД. Это значит, что информация применима к реляционным базам данных в общем, не только к MySQL. Вы можете применить знания из этого руководства к любым реляционным базам данных, подобным Mysql, Postgresql, Microsoft Access, Microsoft Sql or Oracle.
В следующей части я коротко расскажу об эволюции баз данных. Вы узнаете откуда взялись базы данных и реляционная модель данных.
2. История.
В 70-х – 80-х годах, когда компьютерные ученые все еще носили коричневые смокинги и очки с большими, квадратными оправами, данные хранились бесструктурно в файлах, которые представляли собой текстовый документ с данными, разделенными (обычно) запятыми или табуляциями.
Так выглядели профессионалы в сфере информационных технологий в 70-е. (Слева внизу находится Билл Гейтс).
Текстовые файлы и сегодня все еще используются для хранения малых объемов простой информации. Comma-Separated Values (CSV) — значения, разделённые запятыми, очень популярны и широко поддерживаются сегодня различным программным обеспечением и операционными системами. Microsoft Excel – один из примеров программ, которые могут работать с CSV–файлами. Данные, сохраненные в таком файле могут быть считаны компьютерной программой.
Выше приведен пример того, как такой файл мог бы выглядеть. Программа, производящая чтение данного файла, должна быть уведомлена о том, что данные разделены запятыми. Если программа хочет выбрать и вывести категорию, в которой находится урок ‘Database Design Tutorial’, то она должна строчка за строчкой производить чтение до тех пор, пока не будут найдены слова ‘Database Design Tutorial’ и затем ей нужно будет прочитать следующее за запятой слово для того, чтобы вывести категорию Software.
Таблицы баз данных.
Чтение файла строчка за строчкой не является очень эффективным. В реляционной базе данных данные хранятся в таблицах. Таблица ниже содержит те же самые данные, что и файл. Каждая строка или “запись” содержит один урок. Каждый столбец содержит какое-то свойство урока. В данном случае это заголовок (title) и его категория (category).
Компьютерная программа могла бы осуществить поиск в столбце tutorial_id данной таблицы по специфическому идентификатору tutorial_id для того, чтобы быстро найти соответствующие ему заголовок и категорию. Это намного быстрее, чем поиск по файлу строка за строкой, подобно тому, как это делает программа в текстовом файле.
Современные реляционные базы данных созданы так, чтобы позволять делать выборку данных из специфических строк, столбцов и множественных таблиц, за раз, очень быстро.
История реляционной модели.
Реляционная модель баз данных была изобретена в 70-х Эдгаром Коддом (Ted Codd), британским ученым. Он хотел преодолеть недостатки сетевой модели баз данных и иерархической модели. И он очень в этом преуспел. Реляционная модель баз данных сегодня всеобще принята и считается мощной моделью для эффективной организации данных.
Сегодня доступен широкий выбор систем управления базами данных: от небольших десктопных приложений до многофункциональных серверных систем с высокооптимизированными методами поиска. Вот некоторые из наиболее известных систем управления реляционными базами данных (РСУБД):
— Oracle – используется преимущественно для профессиональных, больших приложений.
— Microsoft SQL server – РСУБД компании Microsoft. Доступна только для операционной системы Windows.
— Mysql – очень популярная РСУБД с открытым исходным кодом. Широко используется как профессионалами, так и новичками. Что еще нужно?! Она бесплатна.
— IBM – имеет ряд РСУБД, наиболее известна DB2.
— Microsoft Access – РСУБД, которая используется в офисе и дома. На самом деле – это больше, чем просто база данных. MS Access позволяет создавать базы данных с пользовательским интерфейсом.
В следующей части я расскажу кое-что о характеристиках реляционных баз данных.
3. Характеристики реляционных баз данных.
Реляционные базы данных разработаны для быстрого сохранения и получения больших объемов информации. Ниже приведены некоторые характеристики реляционных баз данных и реляционной модели данных.
Использование ключей.
Каждая строка данных в таблице идентифицируется уникальным “ключом”, который называется первичным ключом. Зачастую, первичный ключ это автоматически увеличиваемое (автоинкрементное) число (1,2,3,4 и т.д). Данные в различных таблицах могут быть связаны вместе при использовании ключей. Значения первичного ключа одной таблицы могут быть добавлены в строки (записи) другой таблицы, тем самым, связывая эти записи вместе.
Используя структурированный язык запросов (SQL), данные из разных таблиц, которые связаны ключом, могут быть выбраны за один раз. Для примера вы можете создать запрос, который выберет все заказы из таблицы заказов (orders), которые принадлежат пользователю с идентификатором (id) 3 (Mike) из таблицы пользователей (users). О ключах мы поговорим далее, в следующих частях.
Столбец id в данной таблице является первичным ключом. Каждая запись имеет уникальный первичный ключ, часто число. Столбец usergroup (группы пользователей) является внешним ключом. Судя по ее названию, она видимо ссылается на таблицу, которая содержит группы пользователей.
Отсутствие избыточности данных.
В проекте базы данных, которая создана с учетом правил реляционной модели данных, каждый кусочек информации, например, имя пользователя, хранится только в одном месте. Это позволяет устранить необходимость работы с данными в нескольких местах. Дублирование данных называется избыточностью данных и этого следует избегать в хорошем проекте базы данных.
Ограничение ввода.
Используя реляционную базу данных вы можете определить какой вид данных позволено сохранять в столбце. Вы можете создать поле, которое содержит целые числа, десятичные числа, небольшие фрагменты текста, большие фрагменты текста, даты и т.д.
Когда вы создаете таблицу базы данных вы предоставляете тип данных для каждого столбца. К примеру, varchar – это тип данных для небольших фрагментов текста с максимальным количеством знаков, равным 255, а int – это числа.
Помимо типов данных РСУБД позволяет вам еще больше ограничить возможные для ввода данные. Например, ограничить длину или принудительно указать на уникальность значения записей в данном столбце. Последнее ограничение часто используется для полей, которые содержат регистрационные имена пользователей (логины), или адреса электронной почты.
Эти ограничения дают вам контроль над целостностью ваших данных и предотвращают ситуации, подобные следующим:
— ввод адреса (текста) в поле, в котором вы ожидаете увидеть число
— ввод индекса региона с длинной этого самого индекса в сотню символов
— создание пользователей с одним и тем же именем
— создание пользователей с одним и тем же адресом электронной почты
— ввод веса (числа) в поле дня рождения (дата)
Поддержание целостности данных.
Настраивая свойства полей, связывая таблицы между собой и настраивая ограничения, вы можете увеличить надежность ваших данных.
Назначение прав.
Большинство РСУБД предлагают настройку прав доступа, которая позволяет назначать определенные права определенным пользователям. Некоторые действия, которые могут быть позволены или запрещены пользователю: SELECT (выборка), INSERT (вставка), DELETE (удаление), ALTER (изменение), CREATE (создание) и т.д. Это операции, которые могут быть выполнены с помощью структурированного языка запросов (SQL).
Структурированный язык запросов (SQL).
Для того, чтобы выполнять определенные операции над базой данных, такие, как сохранение данных, их выборка, изменение, используется структурированный язык запросов (SQL). SQL относительно легок для понимания и позволяет в т.ч. и уложненные выборки, например, выборка связанных данных из нескольких таблиц с помощью оператора SQL JOIN. Как и упоминалось ранее, SQL в данном руководстве обсуждаться не будет. Я сосредоточусь на проектировании баз данных.
То, как вы спроектируете базу данных будет оказывать непосредственное влияние на запросы, которые вам будет необходимо выполнить, чтобы получить данные из базы данных. Это еще одна причина, почему вам необходимо задуматься о том, какой должна быть ваша база. С хорошо спроектированной базой данных ваши запросы могут быть чище и проще.
Переносимость.
Реляционная модель данных стандартна. Следуя правилам реляционной модели данных вы можете быть уверены, что ваши данные могут быть перенесены в другую РСУБД относительно просто.
Как говорилось ранее, проектирование базы данных – это вопрос идентификации данных, их связи и помещение результатов решения данного вопроса на бумагу (или в компьютерную программу). Проектирование базы данных независимо от РСУБД, которую вы собираетесь использовать для ее создания.
Как спроектировать базу данных, чтобы в будущем не пришлось её переписывать — базовые советы
Прим. перев. Предполагается, что вы уже имеете начальные знания по SQL. Если вы плохо понимаете, что такое таблицы, строки, индексы, первичные ключи и ссылочная целостность, то лучше сначала изучить их, например по этим видео:
А если вы знакомы с SQL и вас не остановили предыдущие термины, на всякий случай напомним, что:
- атомарность предполагает, что значение нельзя разделить на несколько атрибутов;
- под кортежем понимается запись (строка) в таблице базы данных;
- атрибут — это колонка таблицы;
- неключевой атрибут — это атрибут, не входящий в состав никакого потенциального ключа.
Есть минимум два требования, которые должны быть соблюдены при проектировании структуры БД:
- Сохранить всю информацию после разделения её на таблицы.
- Минимизировать избыточность того, как эта информация хранится.
Примечание Второй пункт важен не только из-за того, что избыточность влияет на размер БД. Чаще всего при обновлении данных нужно обработать много строк. В таком случае вы рискуете просто забыть обновить некоторые из них, что приведёт к коллизиям внутри БД.
Ниже перечислены некоторые рекомендации, которые помогут добиться эффективной структуры:
- используйте хотя бы третью нормальную форму;
- создавайте ограничения для входных данных;
- не храните ФИО в одном поле, также как и полный адрес;
- установите для себя правила именования таблиц и полей.
Используйте хотя бы третью нормальную форму
Нормальные формы — это требования, которые должны соблюдаться при правильной проектировке базы данных.
Нормальных форм существует целых 6 штук, однако обычно соблюдают всего лишь 3 и для начала этого более чем достаточно.
Первая нормальная форма
Для примера будем использовать отношение сотрудники_отделы_проекты. В нём есть информация о номере сотрудника, его фамилии, номере отдела, в котором он работает, номере телефона отдела и так далее.
Это отношение, как и любое другое, автоматически находится в первой нормальной форме:
- в отношении нет одинаковых кортежей;
- кортежи не упорядочены;
- атрибуты не упорядочены и различаются по наименованию;
- все значения атрибутов атомарны.
Вторая нормальная форма
В нашем случае у таблицы выше имеется сложный (составной) ключ <Н_СОТР, Н_ПРО>. От части ключа Н_СОТР зависят неключевые атрибуты ФАМ , Н_ОТД , ТЕЛ . От части ключа Н_ПРО зависит неключевой атрибут ПРОЕКТ . А вот атрибут Н_ЗАДАН зависит от всего составного ключа, так как сотрудник может выполнять одно задание в одном проекте.
Поэтому для приведения отношения ко второй нормальной форме из отношения сотрудники_отделы_проекты нужно выделить два отношения сотрудники_отделы и проекты, а исходное отношение оставим отношением задания.
Наконец, третья нормальная форма
Отношение находится в третьей нормальной форме, когда отношение находится во второй нормальной форме и все неключевые атрибуты взаимно независимы.
Для того, чтобы устранить зависимость неключевых атрибутов, нужно произвести декомпозицию отношения ещё на несколько отношений. При этом те неключевые атрибуты, которые являются зависимыми, выносятся в отдельное отношение.
Отношение сотрудники_отделы не находится в третьей нормальной форме, так как имеется зависимость неключевых атрибутов, таких как зависимость номера телефона от номера отдела. Поэтому декомпозируем отношение сотрудники_отделы на два отношения — сотрудники и отделы:
Используйте проверочные ограничения
База данных — это не просто набор таблиц. В неё встроено много инструментов, которые помогут с сохранностью и качеством данных.
В первую очередь БД поможет с ограничением значений, которые принимают поля.
Внешние ключи регламентируют отношения между таблицами. Благодаря им сильно упрощается контроль за структурой базы, уменьшается и упрощается код приложения. Правильно настроенные внешние ключи — это гарант того, что увеличится целостность данных за счёт уменьшения избыточности. Поэтому обязательно применяйте ограничение внешнего ключа при определении связей между таблицами.
Выражения ON DELETE и ON UPDATE внешних ключей используются для указания действий, которые будут выполняться при удалении строк родительской таблицы ( ON DELETE ) или изменении родительского ключа ( ON UPDATE ). Не пренебрегайте ими.
Стоит убедиться, что обязательность заполнения ( NOT NULL ) проверяется для полей, которые строго не должны оставаться пустыми.
Используйте CHECK , чтобы убедиться, что значения входят в диапазон (например чтобы цена не была отрицательной).
Не храните ФИО в одном поле, также как и полный адрес
Представим ситуацию, когда вам понадобится узнать, в каком городе продукт более популярен. В таком случае, если полный адрес хранится в виде цельной строки, сделать это будет очень тяжело, ведь вам нужно будет каким-то образом выделить из этой строки город. Учитывая все возможные форматы и варианты адресов, эта задача становится практически невыполнимой. Похожая ситуация и с ФИО. Даже если кажется, что это ни к чему, храните эти данные в разных полях, и в будущем вы поблагодарите себя.
Установите для себя правила именования таблиц и полей
Сложно работать с данными, которые выглядят как-то так: user.firstName , user.last_name , user.birthDate . Конечно, каждый программист в праве сам выбирать для себя стиль наименования, но для SQL рекомендуется выбрать наименование с подчёркиванием. Потому что не все SQL-движки одинаково работают с заглавными буквами, а помещать всё в кавычки бывает утомительно.
Ещё нужно определиться как будут называться таблицы — во множественном числе ( users ) или в единственном ( user ). Каждая базовая структура в БД обычно настроена на множественное число, поэтому и именовать таблицы стоит соответственно.
Не упускайте возможность сложить побольше обязанностей на базу данных, чтобы облегчить себе работу над приложением и думать о его структуре, а не о контроле табличных связей.
Всё приходит с опытом. Спроектируйте две-три схемы, и картинка сама сложится у вас в голове. Отталкивайтесь от задачи —некоторыми рекомендациями иногда можно пренебречь.