Основное назначение данного курса - систематическое введение в идеи и методы,
используемые в современных реляционных системах управления базами данных. В курсе
не рассматривается какая-либо одна популярная СУБД; излагаемый материал в равной
степени относится к любой современной системе. Как показывает опыт, без знания
основ баз данных трудно на серьезном уровне работать с конкретными системами,
как бы хорошо они не были документированы.
Реляционные СУБД обладают рядом
особенностей, влияющих на организацию внешней памяти. К наиболее важным особенностям
можно отнести следующие:
Наличие двух уровней системы: уровня
непосредственного управления данными во внешней памяти (а также обычно управления
буферами оперативной памяти, управления транзакциями и журнализацией изменений
БД) и языкового уровня (например, уровня, реализующего язык SQL). При такой организации
подсистема нижнего уровня должна поддерживать во внешней памяти набор базовых
структур, конкретная интерпретация которых входит в число функций подсистемы верхнего
уровня.
Поддержание отношений-каталогов. Информация, связанная с именованием
объектов базы данных и их конкретными свойствами (например, структура ключа индекса),
поддерживается подсистемой языкового уровня. С точки зрения структур внешней памяти
отношение-каталог ничем не отличается от обычного отношения базы данных.
Регулярность
структур данных. Поскольку основным объектом реляционной модели данных является
плоская таблица, главный набор объектов внешней памяти может иметь очень простую
регулярную структуру.
При этом необходимо обеспечить возможность эффективного
выполнения операторов языкового уровня как над одним отношением (простые селекция
и проекция), так и над несколькими отношениями (наиболее распространено и трудоемко
соединение нескольких отношений). Для этого во внешней памяти должны поддерживаться
дополнительные "управляющие" структуры - индексы.
Наконец, для выполнения
требования надежного хранения баз данных необходимо поддерживать избыточность
хранения данных, что обычно реализуется в виде журнала изменений базы данных.
Соответственно возникают следующие разновидности объектов во внешней
памяти базы данных:
строки отношений - основная часть базы
данных, большей частью непосредственно видимая пользователям;
управляющие
структуры - индексы, создаваемые по инициативе пользователя (администратора) или
верхнего уровня системы из соображений повышения эффективности выполнения запросов
и обычно автоматически поддерживаемые нижним уровнем системы;
журнальная информация,
поддерживаемая для удовлетворения потребности в надежном хранении данных;
служебная
информация, поддерживаемая для удовлетворения внутренних потребностей нижнего
уровня системы (например, информация о свободной памяти).
Мы рассматривали
на примерах System R и Ingres два альтернативных подхода к организации реляционной
СУБД с точки разделения функций между различными компонентами. Напомним, что в
СУБД System R существовала интегрированная подсистема управления данными, транзакциями
и журнализацией, в то время как в Ingres управление данными, было отделено от
управления транзакциями и журнализацией.
У обоих этих подходов имеются свои
преимущества и недостатки. Подход System R позволяет использовать более эффективные
методы за счет совместного решения проблем физической и логической синхронизации,
использовании общих протоколов при управлении буферами и журнализации и т.д. Но
при этом в некотором смысле подсистема нижнего уровня становится монолитом; при
самой удачной ее структуризации компоненты остаются связанными общими протоколами
взаимодействия. Непродуманные локальные изменения одного компонента могут привести
к фатальным последствиям для всей системы. Подход Ingres позволяет упростить структуру
системы и сделать ее более гибкой, но это возможно только за счет огрубления алгоритмов:
применения более грубых методов управления транзакциями; жестких протоколов журнализации
и т.д.
В конечном счете любая конкретная система основывается на конкретном
комплексном решении. Мы рассматриваем здесь фрагменты таких решений (эскизы).