Κύριες λειτουργίες DBMS

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 10:23

Σύγχρονα συστήματα διαχείρισης βάσεων δεδομένων χρησιμοποιούνται σε πολλούς ιστότοπους, αλλά δεν γνωρίζουν όλοι τι είναι και πώς μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τις λειτουργίες του DBMS. Τέτοια εργαλεία έχουν τεράστιο αριθμό δυνατοτήτων, επομένως για να τα χρησιμοποιήσετε πλήρως, θα πρέπει να καταλάβετε τι μπορούν να κάνουν και πόσο χρήσιμα είναι για τον χρήστη.

Διαχείριση δεδομένων

Πρώτα απ' όλα, οι λειτουργίες του DBMS περιλαμβάνουν την επεξεργασία πληροφοριών στην εξωτερική μνήμη και αυτή η λειτουργία παρέχει τις βασικές δομές του VI, οι οποίες χρειάζονται όχι μόνο για την αποθήκευση πληροφοριών που περιλαμβάνονται απευθείας στη βάση δεδομένων, αλλά και για την εκτέλεση διαφόρων εργασιών σέρβις, όπως η ταχεία πρόσβαση σε αρχεία σε διάφορες περιπτώσεις. Σε ορισμένες τροποποιήσεις, χρησιμοποιούνται ενεργά οι δυνατότητες διαφόρων συστημάτων αρχείων, ενώ άλλες παρέχουν εργασία ακόμη και σε επίπεδο εξωτερικών συσκευών μνήμης. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, αξίζει να σημειωθεί ότι στη λειτουργία ενός εξαιρετικά ανεπτυγμένου DBMS, ο χρήστης σε καμία περίπτωση δεν ενημερώνεται εάν χρησιμοποιείται κάποιο σύστημα και εάν ναι, πώς είναι οργανωμένα τα αρχεία. Συγκεκριμένα, το σύστημα διατηρεί τη δική του σειρά ονομασίας για αντικείμενα που περιλαμβάνονται στη βάση δεδομένων.

Διαχείριση buffer RAM

Στη συντριπτική πλειονότητα των περιπτώσεων, συνηθίζεται να χρησιμοποιούνται συναρτήσεις DBMS σε αρκετά μεγάλες βάσεις δεδομένων και αυτό το μέγεθος είναι τουλάχιστον συχνά πολύ μεγαλύτερο από τη διαθέσιμη μνήμη RAM. Φυσικά, εάν στην περίπτωση πρόσβασης σε κάθε στοιχείο δεδομένων πραγματοποιηθεί ανταλλαγή με εξωτερική μνήμη, η ταχύτητα της τελευταίας θα αντιστοιχεί στην ταχύτητα του ίδιου του συστήματος, επομένως, πρακτικά η μόνη επιλογή για την ουσιαστική αύξησή του είναι η προσωρινή μνήμη πληροφορίες στη μνήμη RAM. Επιπλέον, ακόμα κι αν το λειτουργικό σύστημα εκτελεί buffering σε όλο το σύστημα, για παράδειγμα με UNIX, αυτό δεν θα είναι αρκετό για να παρέχει στο DBMS τον σκοπό και τις βασικές λειτουργίες, καθώς έχει πολύ μεγαλύτερο όγκο δεδομένων σχετικά με τις ευεργετικές ιδιότητες της buffering για κάθε συγκεκριμένο τμήμα της βάσης δεδομένων που χρησιμοποιείται. Λόγω αυτού, τα προηγμένα συστήματα διατηρούν το δικό τους σύνολο buffer, καθώς και μια μοναδική πειθαρχία για την αντικατάστασή τους.

Αξίζει να σημειωθεί το γεγονός ότι υπάρχει ξεχωριστή κατεύθυνση των συστημάτων ελέγχου, εστιασμένη στη συνεχή παρουσία ολόκληρης της βάσης δεδομένων στη μνήμη RAM. Αυτή η κατεύθυνση βασίζεται στην υπόθεση ότι στο εγγύς μέλλον η ποσότητα της μνήμης RAM στους υπολογιστές θα μπορεί να επεκταθεί τόσο πολύ που δεν θα ανησυχούν πλέον για τυχόν buffering και οι βασικές λειτουργίες αυτού του τύπου DBMS θα είναι χρήσιμες εδώ. Προς το παρόν, όλες αυτές οι εργασίες παραμένουν στο στάδιο της δοκιμής.

Διαχείριση συναλλαγών

Μια συναλλαγή είναι μια ακολουθία πράξεων με τη βάση δεδομένων που χρησιμοποιείται, την οποία το σύστημα διαχείρισης θεωρεί ωςένα ενιαίο σύνολο. Εάν η συναλλαγή εκτελεστεί πλήρως με επιτυχία, το σύστημα διορθώνει τις αλλαγές που έκανε στην εξωτερική μνήμη ή καμία από αυτές τις αλλαγές δεν θα επηρεάσει την κατάσταση της βάσης δεδομένων. Αυτή η λειτουργία απαιτείται για τη διατήρηση της λογικής ακεραιότητας της χρησιμοποιούμενης βάσης δεδομένων. Αξίζει να σημειωθεί ότι η διατήρηση της σωστής πορείας του μηχανισμού συναλλαγών είναι απαραίτητη προϋπόθεση ακόμη και όταν χρησιμοποιείτε DBMS ενός χρήστη, ο σκοπός και οι λειτουργίες του οποίου διαφέρουν σημαντικά από άλλους τύπους συστημάτων.

Η ιδιότητα ότι οποιαδήποτε συναλλαγή ξεκινά μόνο όταν η βάση δεδομένων βρίσκεται σε συνεπή κατάσταση και την αφήνει στην ίδια κατάσταση μετά το τέλος της διαδικασίας, καθιστά εξαιρετικά βολική τη χρήση της ως μονάδα δραστηριότητας σχετικά με τη βάση δεδομένων. Με τη σωστή διαχείριση των συναλλαγών που εκτελούνται ταυτόχρονα από το σύστημα ελέγχου, κάθε μεμονωμένος χρήστης, καταρχήν, μπορεί να αισθάνεται ως μέρος του συνόλου. Ωστόσο, αυτή είναι σε κάποιο βαθμό μια εξιδανικευμένη αναπαράσταση, καθώς σε πολλές περιπτώσεις όταν οι εργαζόμενοι θα αισθάνονται ακόμα την παρουσία των συναδέλφων τους εάν χρησιμοποιούν ένα σύστημα πολλών χρηστών, αλλά στην πραγματικότητα αυτό προβλέπεται και από την ίδια την έννοια του DBMS. Τα χαρακτηριστικά του DBMS τύπου πολλών χρηστών σχετίζονται επίσης έννοιες όπως το σχέδιο σειριακής εκτέλεσης και η σειριοποίηση με τη διαχείριση συναλλαγών.

Τι σημαίνουν;

Η σειριοποίηση των συναλλαγών που εκτελούνται ταυτόχρονα προβλέπει την κατασκευή ενός ειδικού σχεδίου για το έργο τους, στο οποίοτο συνολικό αποτέλεσμα του μείγματος που επιτυγχάνεται είναι ισοδύναμο με το αποτέλεσμα που προκύπτει λόγω της διαδοχικής εκτέλεσής τους.

Ένα σχέδιο σειριακής εκτέλεσης είναι μια συγκεκριμένη δομή ενεργειών που οδηγεί σε σειριοποίηση. Φυσικά, εάν το σύστημα καταφέρει να παρέχει μια πραγματικά σειριακή εκτέλεση ενός μείγματος συναλλαγών, τότε για κάθε χρήστη που ξεκινά μια συναλλαγή, η παρουσία άλλων θα είναι εντελώς ανεπαίσθητη, εκτός από το ότι θα λειτουργεί λίγο πιο αργά σε σύγκριση με έναν χρήστη mode.

Υπάρχουν αρκετοί βασικοί αλγόριθμοι σειριοποίησης. Στα κεντρικά συστήματα, οι πιο δημοφιλείς αλγόριθμοι σήμερα βασίζονται σε συλλήψεις συγχρονισμού διαφόρων αντικειμένων βάσης δεδομένων. Στην περίπτωση χρήσης οποιωνδήποτε αλγορίθμων σειριοποίησης, παρέχεται η δυνατότητα διενέξεων μεταξύ δύο ή περισσότερων συναλλαγών σχετικά με την πρόσβαση σε συγκεκριμένα αντικείμενα βάσης δεδομένων. Σε μια τέτοια περίπτωση, για να υποστηριχθεί αυτή η διαδικασία, είναι απαραίτητο να πραγματοποιηθεί μια επαναφορά, δηλαδή να εξαλειφθούν τυχόν αλλαγές που έγιναν στη βάση δεδομένων μέσω μιας ή περισσότερων διεργασιών. Αυτή είναι μόνο μία από τις περιπτώσεις όπου ένα άτομο αισθάνεται την παρουσία άλλων σε ένα σύστημα πολλών χρηστών.

Journaling

Μία από τις βασικές απαιτήσεις για τα σύγχρονα συστήματα είναι η διασφάλιση της αξιοπιστίας της αποθήκευσης πληροφοριών στην εξωτερική μνήμη. Ειδικότερα, αυτό προβλέπει ότι οι κύριες λειτουργίες του DBMS περιλαμβάνουν τη δυνατότητα επαναφοράς των τελευταίων συμφωνηθέντωντην κατάσταση της βάσης δεδομένων μετά από οποιαδήποτε αποτυχία λογισμικού ή υλικού. Στη συντριπτική πλειονότητα των περιπτώσεων, συνηθίζεται να εξετάζονται δύο επιλογές για αστοχίες υλικού:

• soft, το οποίο μπορεί να ερμηνευθεί ως απροσδόκητος τερματισμός λειτουργίας του υπολογιστή (η πιο συνηθισμένη περίπτωση είναι μια έκτακτη διακοπή ρεύματος);
• σκληρό, που χαρακτηρίζεται από μερική ή πλήρη απώλεια δεδομένων που είναι αποθηκευμένα σε εξωτερικά μέσα.

Παραδείγματα αστοχιών λογισμικού περιλαμβάνουν την κατάρρευση του συστήματος κατά την προσπάθεια χρήσης κάποιας δυνατότητας που δεν αποτελεί μέρος των κύριων λειτουργιών του DBMS ή την κατάρρευση κάποιου βοηθητικού προγράμματος χρήστη, ως αποτέλεσμα της οποίας δεν ολοκληρώθηκε μια συγκεκριμένη συναλλαγή. Η πρώτη κατάσταση μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ειδικό είδος soft αποτυχίας, ενώ η δεύτερη απαιτεί μια ενιαία ανάκτηση συναλλαγής.

Φυσικά, σε κάθε περίπτωση, για να επαναφέρετε κανονικά τη βάση δεδομένων, θα πρέπει να έχετε μια συγκεκριμένη ποσότητα πρόσθετων πληροφοριών. Με άλλα λόγια, για την κανονική διατήρηση της αξιοπιστίας της αποθήκευσης δεδομένων στη βάση δεδομένων, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί ο πλεονασμός της αποθήκευσης πληροφοριών και το τμήμα των δεδομένων που χρησιμοποιείται κατά την ανάκτηση πρέπει να φυλάσσεται ιδιαίτερα προσεκτικά. Η πιο κοινή μέθοδος για τη διατήρηση αυτών των περιττών δεδομένων είναι η καταγραφή αλλαγών.

Τι είναι και πώς χρησιμοποιείται;

Το αρχείο καταγραφής είναι ένα ειδικό μέρος της βάσης δεδομένων, πρόσβασηπου δεν περιλαμβάνεται στον αριθμό των συναρτήσεων DBMS και υποστηρίζεται πολύ προσεκτικά. Σε ορισμένες περιπτώσεις, παρέχει ακόμη και υποστήριξη για δύο αντίγραφα του αρχείου καταγραφής ταυτόχρονα, που βρίσκονται σε διαφορετικά φυσικά μέσα. Αυτά τα αποθετήρια λαμβάνουν πληροφορίες σχετικά με τυχόν αλλαγές που συμβαίνουν στο κύριο μέρος της βάσης δεδομένων και σε διαφορετικά συστήματα διαχείρισης, οι αλλαγές μπορούν να καταγραφούν σε διάφορα επίπεδα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, μια καταχώρηση αρχείου καταγραφής αντιστοιχεί πλήρως σε μια συγκεκριμένη λειτουργία λογικής ενημέρωσης, σε άλλες - μια ελάχιστη εσωτερική λειτουργία που σχετίζεται με την ενημέρωση μιας σελίδας εξωτερικής μνήμης, ενώ ορισμένα DBMS παρέχουν συνδυασμό και των δύο προσεγγίσεων.

Σε κάθε περίπτωση, χρησιμοποιείται η λεγόμενη στρατηγική καταγραφής "write ahead". Όταν εφαρμόζεται, μια εγγραφή που υποδεικνύει μια αλλαγή σε οποιοδήποτε αντικείμενο βάσης δεδομένων εισέρχεται στην εξωτερική μνήμη καταγραφής πριν από την αλλαγή του αντικειμένου. Είναι γνωστό ότι εάν οι λειτουργίες του Access DBMS προβλέπουν την κανονική υλοποίηση αυτού του πρωτοκόλλου, η χρήση του αρχείου καταγραφής επιλύει τυχόν προβλήματα που σχετίζονται με την επαναφορά της βάσης δεδομένων σε περίπτωση αποτυχίας.

Επιστροφή

Η απλούστερη κατάσταση ανάκτησης είναι η επαναφορά μεμονωμένων συναλλαγών. Για αυτήν τη διαδικασία, δεν χρειάζεται να χρησιμοποιήσετε ένα αρχείο καταγραφής αλλαγών σε όλο το σύστημα και αρκεί να χρησιμοποιήσετε ένα αρχείο καταγραφής λειτουργίας τοπικής τροποποίησης για κάθε συναλλαγή και, στη συνέχεια, να επαναφέρετε τις συναλλαγές εκτελώντας αντίστροφες πράξεις, ξεκινώντας από το τέλος κάθε συναλλαγής τα αρχεία. Η δομή μιας συνάρτησης DBMS συχνά παρέχειη χρήση ακριβώς μιας τέτοιας δομής, αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις τα τοπικά αρχεία καταγραφής εξακολουθούν να μην υποστηρίζονται και μια μεμονωμένη επαναφορά ακόμη και για μεμονωμένες συναλλαγές πραγματοποιείται σύμφωνα με τη δομή σε όλο το σύστημα και για αυτό συνδυάζονται όλες οι εγγραφές κάθε συναλλαγής σε μια αντίστροφη λίστα.

Κατά τη διάρκεια μιας αποτυχίας, η εξωτερική μνήμη της βάσης δεδομένων μπορεί να περιλαμβάνει διάφορα αντικείμενα που έχουν τροποποιηθεί από συναλλαγές που δεν ολοκληρώθηκαν τη στιγμή της αποτυχίας και μπορεί επίσης να μην έχουν διάφορα αντικείμενα που έχουν αναβαθμιστεί από αυτά που ολοκληρώθηκαν επιτυχώς πριν την αποτυχία μέσω της χρήσης buffer της μνήμης RAM, τα περιεχόμενα των οποίων εξαφανίζονται εντελώς όταν προκύψουν τέτοια προβλήματα. Εάν ακολουθηθεί το πρωτόκολλο για τη χρήση τοπικών αρχείων καταγραφής, είναι βέβαιο ότι θα υπάρχουν καταχωρήσεις στην εξωτερική μνήμη που σχετίζονται με την τροποποίηση οποιωνδήποτε τέτοιων αντικειμένων.

Ο κύριος στόχος της διαδικασίας ανάκτησης μετά την εμφάνιση soft αποτυχιών είναι μια τέτοια κατάσταση της εξωτερικής μνήμης της κύριας βάσης δεδομένων, η οποία θα προέκυπτε εάν πραγματοποιούνταν αλλαγές σε οποιεσδήποτε ολοκληρωμένες συναλλαγές στο VI και δεν θα περιέχουν ίχνη των ημιτελών διαδικασιών. Για να επιτευχθεί αυτό το αποτέλεσμα, οι κύριες λειτουργίες του DBMS σε αυτήν την περίπτωση είναι η επαναφορά των ημιτελών συναλλαγών και η επανάληψη εκείνων των λειτουργιών των οποίων τα αποτελέσματα δεν εμφανίστηκαν τελικά στην εξωτερική μνήμη. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει έναν αρκετά μεγάλο αριθμό λεπτών αποχρώσεων, οι οποίες σχετίζονται κυρίως με την οργάνωση της διαχείρισης αρχείων καταγραφής και buffer.

Σκληρές αποτυχίες

Όταν χρειάζεται επαναφορά μιας βάσης δεδομένων μετά από αστοχία, δεν χρησιμοποιείται μόνο το αρχείο καταγραφής, αλλά και ένα αντίγραφο ασφαλείας της βάσης δεδομένων. Το τελευταίο είναι ένα πλήρες αντίγραφο της βάσης δεδομένων από τη στιγμή που ξεκίνησε η συμπλήρωση του αρχείου καταγραφής. Φυσικά, για μια κανονική διαδικασία ανάκτησης, απαιτείται η διατήρηση του περιοδικού, επομένως, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, επιβάλλονται εξαιρετικά σοβαρές απαιτήσεις για τη διατήρησή του στην εξωτερική μνήμη. Σε αυτήν την περίπτωση, η ανάκτηση της βάσης δεδομένων συνίσταται στο γεγονός ότι, με βάση το αντίγραφο αρχειοθέτησης, το αρχείο καταγραφής αναπαράγει όλες τις συναλλαγές που έχουν ολοκληρωθεί μέχρι τη στιγμή που σημειώθηκε η αποτυχία. Εάν είναι απαραίτητο, μπορεί ακόμη και να αναπαράγει εκκρεμείς συναλλαγές και να συνεχίσει την κανονική τους λειτουργία μετά το τέλος της διαδικασίας επαναφοράς, αλλά στα περισσότερα πραγματικά συστήματα αυτή η διαδικασία δεν εκτελείται για το λόγο ότι η ίδια η ανάκτηση σκληρής αποτυχίας είναι μια αρκετά χρονοβόρα διαδικασία.

Γλώσσα υποστήριξη

Οι σύγχρονες βάσεις δεδομένων χρησιμοποιούν μια ποικιλία γλωσσών και τα πρώιμα DBMS, των οποίων ο σκοπός, οι λειτουργίες και άλλα χαρακτηριστικά διέφεραν σημαντικά από τα σύγχρονα συστήματα, παρείχαν υποστήριξη για πολλές εξαιρετικά εξειδικευμένες γλώσσες. Βασικά, αυτά ήταν SDL και DML, σχεδιασμένα για να ορίζουν το σχήμα της βάσης δεδομένων και να χειρίζονται δεδομένα, αντίστοιχα.

Το SDL χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της λογικής δομής της βάσης δεδομένων, δηλαδή για την αναγνώριση της συγκεκριμένης δομής της βάσης δεδομένων, η οποία αντιπροσωπεύεταιχρήστες. Το DML, από την άλλη πλευρά, περιελάμβανε ένα ολόκληρο σύμπλεγμα τελεστών χειρισμού πληροφοριών που σας επέτρεπαν να εισάγετε πληροφορίες στη βάση δεδομένων, καθώς και να διαγράψετε, να τροποποιήσετε ή να χρησιμοποιήσετε υπάρχοντα δεδομένα.

Οι λειτουργίες του DBMS περιλαμβάνουν διάφορους τύπους υποστήριξης για μια ενιαία ενσωματωμένη γλώσσα, η οποία προβλέπει την παρουσία κάθε μέσου απαραίτητου για την κανονική εργασία με βάσεις δεδομένων, ξεκινώντας από την αρχική δημιουργία του και παρέχοντας μια τυπική διεπαφή χρήστη. Η SQL χρησιμοποιείται ως η τυπική γλώσσα που παρέχει τις βασικές λειτουργίες του DBMS των πιο κοινών σχεσιακών συστημάτων του σήμερα.

Τι είναι;

Πρώτα απ' όλα, αυτή η γλώσσα συνδυάζει τις κύριες λειτουργίες των DML και SDL, παρέχει δηλαδή τη δυνατότητα προσδιορισμού της συγκεκριμένης σημασιολογίας μιας σχεσιακής βάσης δεδομένων και χειρισμού των απαραίτητων πληροφοριών. Ταυτόχρονα, η ονομασία διαφόρων αντικειμένων βάσης δεδομένων υποστηρίζεται απευθείας σε επίπεδο γλώσσας με την έννοια ότι ο μεταγλωττιστής μετατρέπει τα ονόματα των αντικειμένων στα εσωτερικά τους αναγνωριστικά, με βάση τους ειδικά διατηρημένους πίνακες καταλόγου υπηρεσιών. Ο πυρήνας των συστημάτων ελέγχου, κατ' αρχήν, δεν αλληλεπιδρά με πίνακες ή μεμονωμένες στήλες τους με κανέναν τρόπο.

Η γλώσσα SQL περιλαμβάνει μια ολόκληρη λίστα ειδικών εργαλείων που σας επιτρέπουν να προσδιορίσετε τους περιορισμούς στην ακεραιότητα της βάσης δεδομένων. Και πάλι, τυχόν τέτοιοι περιορισμοί περιλαμβάνονται σε ειδικούς πίνακες καταλόγων και ο έλεγχος ακεραιότητας πραγματοποιείται απευθείας σε επίπεδο γλώσσας, δηλαδήκατά τη διαδικασία ανάγνωσης μεμονωμένων δηλώσεων τροποποίησης βάσης δεδομένων, ο μεταγλωττιστής, με βάση τους περιορισμούς ακεραιότητας στη βάση δεδομένων, δημιουργεί τον αντίστοιχο κώδικα προγράμματος.