CSI 2532 ----------------------------------------- Bases de Donn

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CSI 2532----------------------------------------
- Bases de Données I

• Professeur Iluju Kiringakiringa_at_site.uottawa.ca
• http//www.site.uottawa.ca/kiringa
• SITE 5072

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Survol des SGBDsChapitre 1
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Objectifs

• Survol du cours
• Définition dun SGBD
• Motivations pour lutilisation dun SGBD
• Modèles des données
• Requêtes et manipulation des données
• Accès simultané aux données
• Architecture dun SGBD
• Personnel impliqué dans les SGBDs

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Survol du Cours

• Sujet
  Référence
• Survol des SGBDs et introduction
  Chapitre 1
• Conception modèle ER Chapitre 2
• Modèle relationnel Chapitre 3
• Algèbre et calcul relationnels Chapitre 4
• Contraintes et requêtes SQL Chapitre 5
• Semaine de relâche
• Examen de mi-session en classe
  Chapitres 1--5
• Formes normales Chapitre 19
• Application des bases de données Chapitre 6
• Applications Internet Chapitre
  7
• Fichiers, disques et indexes Chapitres 8-9
• Indexes arbres et hachage
  Chapitres 10-11
• Design physique
  Chapitre 20

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Survol du Cours (Suite)

• Manuel (Achetez le!)
• Raghu Ramakrishnan and Johannes Gehrke, Database
  Management Systems, 3e Edition, McGraw Hill, 2003
• Autre référence
• R. Elmasri et S.B. Navathe, Conception et
  Architecture des Bases de Données, 4e Edition
• Charge de travail et évaluation
• Devoirs 15
• Mi-session 25 (en classe)
• Projet 20 (En groupe de 3)
• Examen Final 40 (Voir calendrier des examens
  en temps opportun)
• IL FAUT AVOIR AU MOINS 50 A LENSEMBLE DES
  EXAMENS (MI-SESSION FINAL) POUR PASSER LE COURS

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Définition dun SGBD

• Les organisations font face à de larges quantités
  de données qui doivent être gérées efficacement.
• Bien d enterprises entreposent des GBs, voire
  des TBs de données
• Quelques applications scientifiques entreposent
  des PBs de données
• Une base de données est une très large collection
  de données intégrées.
• Un système de gestion des bases de données (SGBD)
  est un ensemble de logiciels conçus pour stocker
  et gérer des bases de données
• Un SGBD modèle le monde réel des organisations
• Entités (p.ex., étudiants, cours, corps
  professoral et salle de cours)
• Relation (p.ex., Michel est enrôlé dans CSI2532
  Iluju enseigne CSI2532 le cours CSI2532 a lieu
  dans la salle SITE2050)

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Motivations (1)

• Les systèmes de gestion des fichiers ont des
  défauts
• Chaque application doit elle-même déplacer de
  large quantités de données entre la mémoire
  principale et la mémoire secondaire
• Chaque application doit avoir une méthode
  didentification de toutes les données pour le
  cas où le mode dadressage sous-jacent ne suffit
  pas (p.ex., un adressage 32-bits ne permet pas
  daccéder directement à tous les enregistrements
  des données dépassant plus de 4GB.)

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Motivations (2)

• Défauts des systèmes de gestion des fichiers
  (suite)
• Besoin dun code spécial pour différentes
  requêtes.
• Besoin de protéger les données dinconsistances
  dues aux multiples usagers simultanés qui
  changent ces données.
• Besoin dassurer un sauvetage ( crash
  recovery ) consistant.
• Besoin de fournir plus de sécurité et de contrôle
  de laccès que le mécanisme de mots de passe
  offert par les systèmes dexploitation.

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Motivations (3)

• Pourquoi utiliser un SGBD?
• Indépendance des données une application ne voit
  pas les détails de la représentation et du
  stockage des données.
• accès efficient utilisation de méthodes de
  stockage et daccès très sophistiquées et
  efficientes.
• Temps de développement dapplications réduit les
  fonctionnalités dun SGBD nont pas besoin dêtre
  dédoublées.

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Motivations (4)

• Pourquoi utiliser un SGBD? (Suite)
• Intégrité et sécurité des données application
  des contraintes dintégrité et un contrôle
  daccès.
• Administration uniforme de données des
  utilisateurs expérimentés administrent les
  données utilisées par des utilisateurs
  inexpérimentés.
• accès concurrent, sauvetage (  crash recovery 
  -- reprise des plantages) un utilisateur accède
  aux données sans tenir compte des autres
  utilisateurs du système.

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Motivations (5)

• Pourquoi étudier les SGBDs?
• Le volume des données et leur diversité saccroît
  énormément.
• Bibliothèques digitales, système de vidéo
  interactif, projet du génome humain, projet EOS,
  lexploration de Mars
• ... Les besoins pour des SGBDs explosent
• La gestion efficiente dune masse si diverse de
  données implique des travaux dans la plupart des
  sujets de recherche en informatique.
• Génie logiciel, langues, théorie, IA,
  multimédia, logique, etc.

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Modèles des Données (1)

• Un modèle des données est une collection
  déléments de haut niveau servant à décrire les
  données.
• Un schéma est une description dune collection
  particulière de données utilisant un modèle
  précis des données.
• Une instance dun schéma est un ensemble de
  données organisées selon un schéma donné.
• Le modèle relationnel est le plus répandu.
• Concept principal Relation
• Schéma relationnel décrit le nom et les
  attributs de la dite relation.
• Instance relationnelle une table ayant des
  lignes et des colonnes.

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Modèle des Données (2)

• Niveaux dabstraction
• Les schémas des données sont décrits à 3
  niveaux dabstractions vues, schéma conceptuel
  et schéma physique.
• Les Vues (schémas externes) décrivent comment les
  utilisateurs voient les données.
  
• Un schéma conceptuel définit la structure
  logique.
• Un schéma physique décrit les fichiers et les
  index à utiliser.
• Les schémas sont définis en utilisant un langage
  de définition de données (DDL).

vue 1
vue 2
vue 3
schéma conceptuel
schéma physique
14
Modèle des Données (3)

• Indépendance des Données conséquence de la
  distinction des niveaux dabstraction
• Les applications sont isolées de la manière dont
  les données sont structurées et stockées.
• Chaque niveau dabstraction est protégé des
  changements dans la structure du niveau
  inférieur.
• Indépendance logique protection des changements
  dans la structure logique des données.
• Indépendance physique protection des
  changements dans la structure physique des
  données.

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Modèle de Données Exemple

• Base de Données Universitaires
• schéma conceptuel
• Students(sid string, name string, login
  string,
• age integer, gpa real)
• Courses(cid string, cname string, credits
  integer)
• Enrolled(sid string, cid string, grade
  string)
• schéma physique
• Relations stockées comme fichiers non triés
  (versus triés).
• Index sur la première colonne de Students et
  Courses index sur les deux premières colonnes de
  Enrolled, etc.
• schéma externe (Vue)
• Course_info(cid string, enrollment integer)

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Requêtes et Manipulation des Données

• Une requête est une question au sujet des données
  stockées.
• Quel est le nom du professeur qui enseigne
  CSI2532?
• Quel est le nombre total détudiants enrollés
  dans CSI2532?
• Quel est le pourcentage détudiants ayant eu un
  A dans CSI2532?
• Un langage de requêtes est un langage spécialisé
  dans lequel des requêtes peuvent être formulées
  et posées sur une base de données.
• Les données sont modifiées /requises en utilisant
  un langage de manipulation des données (DML).
  Ainsi un langage de requêtes est un sous langage
  dun DML.
• Le modèle relationnel supporte 2 langages de
  requêtes
• Calcul relationnel langage de requêtes basé sur
  la logique
• Algèbre Relationnelle basée sur un ensemble
  dopérateurs pour la manipulation des relations.
  

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Accès Simultané aux Données

• Lexécution simultanée des programmes
  dutilisation est essentiel pour une bonne
  performance des SGBDs.
• Lexécution simultanée se fait par entrelacement
  des actions de différents utilisateurs.
• Lentrelacement peut conduire à des
  inconsistances (incohérences) p. ex. lors dun
  retrait dargent effectué pendant que la balance
  du compte est calculée.
• Le SGBD garantit que des inconsistances
  narrivent pas un utilisateur peut utiliser le
  système comme sil sagissait dun système à
  usager unique.

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Accès Simultané Transaction

• Une transaction est une séquence atomique
  dactions sur la base de données (reads/writes)
  correspondant à lexécution dun programme de
  transaction.
• Chaque transaction, exécutée complètement, doit
  laisser la BD dans un état consistant si la BD
  était consistante au début de la transaction.
• Les utilisateurs peuvent spécifier de simples
  contraintes dintégrité sur les données et le
  SGBD les appliquera.
• Au delà de cela, le SGBD ne comprend pas la
  sémantique des données. (p. ex. il ne comprend
  pas comment calculer la moyenne cumulée sur un
  compte détudiant).
• Doù, lutilisateur est en dernier ressort
  responsable du maintien de la consistance des
  données!

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Accès Simultané Planification des Transactions

• Un SGBD garantit que lexécution de T1, ... ,
  Tn est équivalente à une exécution sérielle de
  T1, ..., Tn.
• Avant de lire/écrire un objet, une transaction
  requiert un verrou sur cet objet et attend que le
  verrou soit libre. Tous les verrous sont relâchés
  à la fin de la transaction. (verrouillage 2PL
  strict.)
• Idée Si une action de Ti (soit writes X) affecte
  Tj (qui pourrait être entrain dexécuter un reads
  X), un parmi les deux, soit Ti, doit obtenir un
  verrou sur X dabord et lautre,Tj, sera forcé
  dattendre jusqua ce que Ti finisse ceci
  entraîne que les transactions seront
  effectivement ordonnées.
• Si p. ex. Tj a déjà un verrou sur Y et Ti
  requiert plutard un verrou sur Y, il y a dans ce
  cas un interblockage (deadlock)! Ti ou Tj est
  annullé et redémarré!

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Accès Simultané aux Données Atomicité

• Un SGBD garantit latomicité (propriété du  tout
  ou rien ) même en cas de crash (plantage) au
  milieu de la transaction.
• Idée garder un journal (log) de toutes les
  actions exécutées par le SGBD lors de lexécution
  dun ensemble de transactions
• Avant que un changement ne soit fait sur une BD,
  lentrée correspondante dans le log est
  forcément stockée à un endroit sûr (protocole
  WAL) les systèmes dexploitation noffrent
  souvent à ce sujet quun support inadéquat.)
• Après un changement, les effets de la transaction
  partiellement exécutée sont défaits en utilisant
  le log. (Grâce au WAL, si une entrée dans le log
  nétait pas sauvée avant le crash, le changement
  associé à cette entrée na donc pas été appliqué
  à la base de données!)

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Accès Simultané aux Données le Log

• Les actions suivantes sont enregistrées dans le
  log
• Ti écrit un objet la vielle et la nouvelle
  valeurs sont enregistrées.
• Lenregistrement du log doit aller sur le disque
  avant la page qui a changé!
• commit/abort (validation/abandon) un
  enregistrement indiquant une telle action est
  inscrite dans le log.
• Les enregistrements du log sont chaînés sur base
  des numéros didentification des transactions. De
  la sorte, il est facile de défaire une
  transaction donnée.
• Le log est souvent archivé sur un stockage
  stable.
• Toute activité relative au log (ainsi que toute
  autre activité relative au contrôle daccès
  simultané telle que verrouillage/déverrouillage,
  traitement des deadlocks, etc.) est traité de
  manière transparente par le SGBD.

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Personnes Impliquées dans les BDs

• Utilisateur final accède seulement à une
  interface du SGBD
• Vendeurs de SGBDs IBM, Oracle, Microsoft, etc
• Chercheurs et programmeurs inventent de
  nouvelles théories et algorithmes pour les SGBDs
  et en écrivent le code
• Programmeurs dapplications écrivent des
  programmes C/C/Java/ qui interagissent avec
  les SGBDs
• P.ex. Webmasters avancés, programmeurs
  dapplications
• Administrateur de base de données (DBA)
• Conçoit les schémas logiques /physiques
• Traite les questions de sécurité et
  dautorisation
• Assure la disponibilité des données ( crash
  recovery )
• Adapte la base de données à lévolution des
  besoins

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Architecture dun SGBD
Ces couches doivent considérer Laccès simultané
et Le crash recovery

• Un SGBD typique a une architecture à plusieurs
  couches (layers).
• Notez que les modules daccès simultanés et de
  crash recovery ne sont pas montrés.
• Ceci est un parmi plusieurs choix possibles
  darchitectures, chaque système ayant ses
  propres particularités.

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Historique (1)

• Début des années 60 GE conçoit le 1er SGBD à
  caractère général et basé sur le modèle réseau
• Fin des années 60s IBM développe IMS qui est
  basé sur le modèle hiérarchique
• Début des années 70 E. Codd introduit le modèle
  relationnel pour résoudre les problèmes relatifs
  aux modèles précédents
• Fin des années 70 et début 80 travaux sur le
  traitement des transactions par Jim Gray et P.
  Bernstein

25
Historique (2)

• Années 80 Lutilisation des BDs relationnelles
  devient courante dans les grandes entreprises,
  arrivée de plusieurs vendeurs de SGBDs,
  standardisation de SQL, le langage de requêtes
  pour les BDs relationnelles, etc
• Fin 80 et début 90s modèles de données plus
  riches (orienté-objet, object-relationnel, etc)
  et des langages de requêtes plus expressifs
  (Datalog, relations nichées, etc) sont introduits

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Historique (3)

• Fin 90 les grands vendeurs étendent les SGBD
  relationnel avec de nouveaux types de données
  (images, texte, contenu multimédia, etc) ainsi
  que avec les requêtes basé sur ces nouveaux types
• Pendant toute lhistoire du développement des
  BDs
• Reconnaissance scientifique Turing Awards aux
  chercheurs en BDs C. Bachman, E. Codd, et J. Gray
• Naissance dune large industrie de plusieurs
  milliards de dollars

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Résumé

• Un SGBD est utilisé pour maintenir et poser des
  requêtes à de larges collections de données.
• Les bénéfices comprennent le recouvrement du
  crash, laccès simultané, développement rapide
  des applications, intégrité des données et
  sécurité.
• Les niveaux dabstraction entraînent
  lindépendance des données.

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Résumé (Suite)

• Un SGBD a généralement une architecture à
  niveaux.
• Les chercheurs en BDs, les programmeurs et les
  administrateurs ont des jobs de grande
  responsabilité et sont bien payés!
• La recherche et le développement en SGBDs est un
  domaine large et excitant au sein de
  linformatique le Canada y joue un
  rôle clé (3 conférences VLDB !).
• Les BDs sont une industrie générant plus de 15
  milliards de dollars annuellement!