Cours SGBD pdf : introduction aux différents types
...
Table des matie`res
Concepts fondamentaux 1
Introduction ... 2
Un vieux problème : la bibliothèque de Leibniz........ 2
Données, bases de données et SGBD....... 2
Un exemple : BD sur l’INA-PG... 3
Quelles compétences pour utiliser un SGBD ?... 3
Définition du schéma de données...... 4
Les opérations sur les données... 4
Optimisation........ 5
Concurrence d’accès......... 5
Caractéristiques de l’approche base de données....... 5
Architecture des SGBD et indépendance des données... 5
Persistance des données......... 6
Langage de requête.... 6
Partage des données......... 6
Fiabilité des données........ 6
Sécurité des données......... 6
Le contexte..... 6
Pourquoi une Base de Données ?........ 6
Où trouve-ton des BD....... 6
Applications récentes et à venir......... 6
Avantages liés à l’utilisation d’un SGBD.... 6
Les acteurs en jeu dans l’usage de SGBD..... 6
Historique des SGBD et types de SGBD....... 6
Objectifs du cours....... 8
Modèle abstrait des bases de données 9
Introduction : modélisation des données...... 9
Généralités sur la conception d’une Base de Données... 9
Problèmes d’une conception sans précautions....... 10
Introduction à une bonne méthode........ 11
Le modèle entité-association (E/A)....... 11
Présentation informelle........ 12
Le modèle 13
Avantages et inconvénients du modèle E/A..... 13
Langages de bases de données 15
Le modèle relationnel et ses règles......... 15
Un peu d’histoire..... 16
Les notions de base......... 16
Bases théoriques des langages relationnels : l’algèbre relationnelle..... 18
Une manipulation ensembliste des données..... 18
Les opérateurs de l’algèbre relationnelle..... 19
Expressions de requêtes avec l’algèbre......... 23
Conclusions 23
Bien concevoir une base de données..... 23
Les dépendances fonctionnelles...... 25
Décomposition en formes normales...... 29
Les contraintes d’intégrité structurelles...... 31
Passage d’un schéma E/A à un schéma relationnel.... 31
Le langage relationnel SQL........ 31
Les langages relationnels complets........ 31
Le langage SQL : historique....... 32
Le DML : Data Manipulation Language en SQL... 33
Le DDL (Data Description Language) en SQL........ 48
4 Pratique des SGBD 53
Exemples de SGBD........ 54
Perspectives historiques....... 54
ORACLE 54
Microsoft Access....... 54
Techniques d’optimisation........ 54
Techniques d’accès partagés : le contrôle de concurrence........ 54
Problèmes potentiels et notions de base...... 54
Techniques de contrôle de concurrence....... 62
La gestion des transactions en SQL...... 65
Le contrôle de concurrence sous Oracle....... 67
Techniques de récupération d’erreur.... 69
Les mécanismes utilisés....... 69
Les bancs de mesure des performances ("benchmarks")... 71
Sécurité et autorisations....... 73
L’interface C/SQL... 73
Un exemple complet...... 74
Autres commandes SQL...... 78
Les environnements de programmation d’applications sur les bases de données...... 79
La "programmation visuelle".... 79
Langages de quatrième génération......... 80
Les interfaces au standard SQL et la portabilité.... 80
Les ateliers de génie logiciel (AGL / CASE)..... 81
5 Réalisation physique des bases de données 83
Introduction........ 84
Techniques de stockage....... 84
Stockage de données....... 84
Organisation des fichiers..... 85
Organisation primaire des fichiers......... 86
L’exemple du SGBD Oracle....... 87
Structures de données pour optimiser les accès..... 87
Indexation de fichiers.... 87
Hachage........ 93
L’arbre-B....... 97
Autres méthodes d’indexation....... 100
Bilan...... 101
Comparaison... 101
Quelques règles....... 101
Indexation dans Oracle...... 101
Index en SQL... 101
Structures de données multidimensionnelles........ 105
Évaluation des requêtes..... 105
Introduction à l’optimisation des performances......... 105
Algorithmes de base.... 105
Algorithmes de jointure..... 105
Compilation d’une requête et optimisation.... 106
Oracle : optimisation et évaluation des requêtes......... 106
Vision globale sur l’exécution d’une requête SQL....... 106
Optimisation de l’accès à une table.... 106
6 Perspectives des SGBD 107
Nouveaux modèles de données pour nouvelles applications......... 107
Bases de données réparties...... 107
Motivations 108
Fragmentation d’une BD... 108
Les problèmes spécifiques........ 108
Transaction répartie..... 109
Bases de données déductives... 109
Entrepôts de données et fouille de données..... 109
Perspectives historiques..... 109
Bibliographie 111
Index 113
Concepts fondamentaux
Sommaire
Introduction........ 2
Un vieux problème : la bibliothèque de Leibniz..... 2
Données, bases de données et SGBD...... 2
Un exemple : BD sur l’INA-PG......... 3
Quelles compétences pour utiliser un SGBD ?..... 3
Définition du schéma de données... 4
Les opérations sur les données........ 4
Optimisation...... 5
Concurrence d’accès....... 5
Caractéristiques de l’approche base de données... 5
Architecture des SGBD et indépendance des données.... 5
Persistance des données....... 6
Langage de requête........ 6
Partage des données...... 6
Fiabilité des données..... 6
Sécurité des données...... 6
Le contexte... 6
Pourquoi une Base de Données ?..... 6
Où trouve-ton des BD.... 6
Applications récentes et à venir....... 6
Avantages liés à l’utilisation d’un SGBD..... 6
Les acteurs en jeu dans l’usage de SGBD..... 6
Historique des SGBD et types de SGBD....... 6
Objectifs du cours...... 8
1. Introduction
1.1 Un vieux problème : la bibliothèque de Leibniz
Données, bases de données et SGBD
Une donnée est une information quelconque, comme, par exemple, « voici une personne, elle s’appelle Antoine ». C’est aussi une relation entre des informations. Par exemple : « Antoine enseigne les bases
de données ». Des relations de ce genre définissent des structures.
Une basede données est un ensemble, en général volumineux, de telles informations, avec la caractéristique essentielle que l’on cherche à les mémoriser de manière permanente.
Déftnition 1.1 (Base de données)
Une base de données est un gros ensemble d’informations structurées mémorisées sur un support per- manent qui peut être partagée par plusieurs applications et qui est interrrogeable par le contenu.
L’utilisation de fichiers classiques pourrait sembler pouvoir apporter une solution à ce problème. Mais l’utilisation directe de gros fichiers soulève de gros problèmes :
Lourdeur d’accès aux données. En pratique, pour chaque accès aux données, même le plus simple, il faudrait écrire un programme.
Manque de sécurité. Si tout programmeur peut accéder directement aux fichiers, il est impossible de garantir la sécurité et l’intégrité des données.
Pas de contrôle de concurrence. Dans un environnement dans lequel plusieurs utilisateurs accèdent aux mêmes données, des problèmes de concurrence d’accès se posent.
Il est donc nécessaire d’avoir recours à un logiciel chargé de gérer les fichiers constituant une base de données, de prendre en charge les fonctionnalités de protection et de sécurité et de fournir les différents types d’interfaces nécessaires à l’accès aux données. Ce logiciel (le SGDB) est très complexe.
Déftnition 1.2 (Système de Gestion de Bases de Données (SGBD))
Un Système de Gestion de Bases de Données (SGBD) est un logiciel de haut niveau permettant aux utilisateurs de structurer, d’insérer, de modifier, de rechercher de manière efficace des données spécifiques, au sein d’une grande quantité d’informations, stockées sur mémoires secondaires partagée de manière transparente par plusieurs utilisateurs.
Plus précisément, les systèmes de gestion de bases de données (SGBD) sont des programmes permettant à l’utilsateur de créer et de gérer des bases de données. les SGBD sont des logiciels à usage général qui assurent les processus de définition, de construction, de manipulation et de partage des bases de données par et entre les différents utilisateurs et applications.
La déftnition d’une base de données implique une spécification des types de données, des structures et des contraintes. La construction d’une base de données consiste à enregistrer les données proprement dites sur un support de stockage contrôlé par le SGBD. La manipulation de la base consiste notamment à l’interroger afin d’en extraire des informations, à l’actualiser en fonction des modifications du microcosme considéré et à générer des rapports. Le partage d’une base de données permet à différents utilsateurs et applications d’y accéder simultanément.
Les SGBD assurent d’autres fonctions importantes, notamment la protection de la base de données et son
/em entretien à long terme. La protection implique à la fois la protection du système contre les pannes logicielles et matérielles et la protection sécuritaire conre les accès illicites ou malveillants. Une grande base de données peut être utilisées de nombreuses années. Le SGBD doit donc être capable d’entretenir et de faire évoluer ses propres structures dans la durée.
Chapitre 1 3
trateurs, programmeurs, utilisateurs non informaticiens, ...) qui sont confrontés, à différents niveaux, au système.
Ainsi, dans ce cours, seront abordés :
Lesmodèles de données : entité-relation (mais pas les modèles en réseaux, hiérarchiques, relationnels, orientés objets, sémantiques).
Les langage de requête, incluant leurs fondements théoriques et les langages comme SQL.
Les techniques de stockage.
L’organisation des fichiers : index, arbre-B, hachage, ...
L’architecture : centralisée, distribuée, sur d’autres bases accessibles par réseau.
Les techniques d’évaluation et d’optimisation de requêtes.
La concurrenced’accès et les techniques de reprise sur panne.
Ces fonctions sont remplies par trois niveaux, théoriquement distincts, d’un SGBD :
Le niveauphysique : gestion sur mémoire secondaire (fichiers) des données, du schéma, des index ; Partage de données et gestion de la concurrence d’accès ; reprise sur pannes (fiabilité) ; Distribution des données et interopérabilité (accès aux réseaux).
Le niveau logique : Définition de la structure des données : Langage de Description des Don- nées (LDD) ; Consultation et Mise à Jour des données : Langage de Requête (LR) et Langage de Manipulation de Données (LMD) ; Gestion de la confidentialité (sécurité) ; Maintien de l’intégrité.
Le niveau externe : Vues ; Environnement de programmation (intégration avec un langage de programmation) ; Interfaces conviviales et Langage de 4ème Génération (L4G) ; Outils d’aides (e.g. conception de schémas) ; Outils de saisie, d’impression d’états.
En résumé, un SGBD est destiné à gérer un gros volume d’informations, persistantes, fiables (protection sur pannes), partageables entre plusieurs utilisateurs et/ou programmes manipulés indépendamment de leur représentation physique.
1.3 Un exemple : BD sur l’INA-PG
Qu’est-ce qu’on veut faire ?
Quelles données sont utiles ?
Quels types de requêtes ?
Quelles mises à jour ?
Quels acteurs ?
Concurrence
Redondance et incohérence
Quelle sécurité ?
1.3.1 Questions essentielles
Comment concevoir une BD ?
Comment optimiser sa conception ?
Comment optimiser son fonctionnement ?
Comment assurer la concurrence ?
Comment assurer la sécurité ?
2. Quelles compétences pour utiliser un SGBD ?
L’utilisation d’un SGBD suppose de comprendre et de savoir utiliser les fonctionnalités suivantes :
Définition du schéma de données en utilisant les modèles de données du
4 2 Quelles compétences pour utiliser un SGBD ?
Opérations sur les données : recherches, mises-à-jour,
Partager les données entre plusieurs utilisateurs (mécanismes de transaction).
Optimiser les performances par le réglage de l’organisation physique des données. cet aspect relève plutôt de l’administrateur de données.
En reprenant ces différents points.
2.1 Déftnition du schéma de données
Un schéma est simplement la description des données contenues dans la base. Cette description est conforme à un modèle de données qui propose des outils de description (structures, contraintes et opé- rations). Dans un SGBD, il existe plusieurs modèles plus ou moins abstraits des mêmes objets. Par exemple :
Le modèle conceptuel : la description du système d’information
Le modèle logique : réglant l’interface avec le SGBD
Le modèle physique : les fichiers.
Ces différents modèles correspondent aux niveaux de l’architecture d’un SGBD. Prenons l’exemple du modèle conceptuel le plus courant : le modèle Entité/Association. C’est essentiellement une description très abstraite décrivant :
s d’opérations. Or définir des structures sans disposer d’opérations pour agir sur les données stockées dans ces structures ne présente pas d’intérêt pratique pour un SGBD. D’où, à un niveau inférieur, des modèles dits « logiques » qui proposent :
Un langage de définition de données (LDD) pour décrire la structure, incluant les
Un langage de manipulation de données (LMD) pour appliquer des opérations aux données.
Ces langages sont abstraits. le LDD est indépendant de la représentation physique des données, et le LMD est indépendant de l’implantation des opérations. On peut citer une troisième caractéristique : outre les structures et les opérations, un modèle logique doit permetre d’exprimer des contraintes d’intégrité sur les données.
Exemple
nom character 15, not null ; âge integer between 0 and 120 ; débit = crédit ;
...
Bien entendu, le SGBD doit être capable de garantir le respect de ces contraintes.
Quand on conçoit une application pour une BD, on tient compte de cette architecture en plusieurs niveaux. Typiquement : (1) on décide la structure logique, (2) on décide la structure physique, (3) on écrit les programmes d’application en utilisant la structure logique, enfin (4à le SGBD se charge de transcrire les commandes du LMD en instructions appliquées à la représentation physique.
Cette approche offre de très grands avantages. Tout d’abord elle ouvre l’utilisation des SGBD à des utilisateurs non-experts : les langages proposés par les modèles logiques sont plus simples, et donc plus accessibles, que les outils de gestion de fichiers. Ensuite, on obtient une caractéristique essentielle : l’indé- pendance physique. On peut modifier l’implantation physique sans modifier les programmes d’application. Un concept voisin est celui d’indépendance logique : on peut modifier les programmes d’application sans toucher à l’implantation.
2.2 Les opérations sur les données
Il existe 4 opérations classiques (ou requêtes :
Chapitre 1 Concepts fondamentaux 5
La création (ou insertion)
La modification (ou mise-à-jour)
La destruction
La recherche
Ces opérations correspondent à des commandes du LMD. La plus complexe est la recherche en raison de la variété des critères.
Pour l’utilisateur, une bonne requête a les caractéristiques suivantes. Tout d’abord, elle s’exprime fa- cilement : l’idéal serait de pouvoir utiliser le langage naturel, mais celui-ci présente trop d’ambiguïtés. Ensuite, le langage ne devrait pas demander d’expertise technique (syntaxe compliquée, structure de données, impl
antation particulière ...). Il est également souhaitable de ne pas attendre trop longtemps (à charge pour le SGBD de fournir des performances acceptables). Enfin, et peut-être surtout, la réponse doit être fiable.
Une bonne partie du travail sur les SGBD consiste à satisfaire ces besoins. le résultat est ce que l’on appelle un langage de requêtes, et constitue à la fois un sujet majeur d’étude et une caractéristique essentielle de chaque SGBD. le langage le plus répandu à l’heure actuelle est SQL.
2.3 Optimisation
L’optimisation (d’une requête) s’appuie sur l’organisation physique des données. les principaux types d’organisation sont les fichiers séquentiels, les index (denses, secondaires, arbres B) et le regroupement des données par hachage.
Un module particulier du SGBD, l’optimiseur, tient compte de cette organisation et des caractéristiques de la requête pour choisir le meilleur séquencement des opérations.
2.4 Concurrence d’accès
Plusieurs utilisateurs doivent pouvoir accéder en même temps aux mêmes données. Le SGBD doit savoir :
6 4 Lecontexte
3.2 Persistance des données
Langage de requête
Partage des données
Fiabilité des données
Sécurité des données
4. Le contexte
Pourquoi une Base de Données ?
Intégration de données
Moins de duplications
Partage de données
Fiabilité de données
Transactions, Reprises sur pannes, Tolérance de pannes
Sécurité de données
Langages assertionnels de requêtes
SQL, QBE
Interfaces conviviales
4-GL & Web
4.2 Où trouve-ton des BD
4.2.1 Types de BDs
BDs personnelles
MsAccess etc.
– 10 KO – 100 KO
BDs professionnelles typiques 100 KO – 100 GO
BDs professionnelles très grandes
Very Large Databases (VLDB)
– > 100 GO
4.3 Applications récentes et à venir
4.4 Avantages liés à l’utilisation d’un SGBD
4.5 Les acteurs en jeu dans l’usage de SGBD
4.6 Historique des SGBD et types de SGBD
4.6.1 Historique
Moteur : évolution des modèles de données, elle-même motivée par l’évolution des besoins.
1ère génération 1950 – 65
SGF, SGF généralisés avec les langages booléens de manip.
En pratique : une impasse (O2, Objectstore, Objectivity..)
SGBD relationnel – objet (RO) 1993 - . . .
Évolution probable de tout SGBD relationnel
Il faut donc distinguer entre modèles conceptuels, /em a priori indépendants des SGBD, et /em modèles logiques, caractéristiques d’une génération de SGBD. Ces modèles logiques sont eux-mêmes dépendants d’organisations physiques (placement et méthodes d’accès) comme, par exemple, les graphes en arbres ou en réseaux, seules structures offertes par la première génération de SGBD, celle des modèles naviga- tionnels, hiérarchique et réseau.
4.6.2 Le modèle hiérarchique
Longtemps considéré comme le seul modèle permettant aux SGBD d’atteindre les performances exigées en production, le modèle hiérarchique possède effectivement la capacité de traiter rapidement des in- formations organisées sous la forme d’une hiérarchie stricte mais, par contre, interdit tout autre type de représentation, limitant ainsi considérablement la puissance d’expression du modèle. Le SGBD le plus connu dans cette catégorie est IMS, produit ancien de IBM, très répandu dans les applications de production.
8 5 Objectifs du cours
5. Objectifs du cours
5.0.4 Que doit-on savoir pour utiliser un SGBD
Déftnition du schéma de données
Opérations sur les données
Optimisation
Concurrence d’accès
Fonctionnement d’un SGBD
Plan du cours
Mode`leabstraitdesbasesdedonne´es
Sommaire
Introduction : modélisation des données....... 9
Généralités sur la conception d’une Base de Données... 9
Problèmes d’une conception sans précautions........ 10
Introduction à une bonne méthode...... 11
Le modèle entité-association (E/A)........ 11
Présentation informelle..... 12
Le modèle........ 13
Avantages et inconvénients du modèle E/A... 13
1. Introduction : modélisation des données
Ce chapitre présente le modèle Entité/Association (E/A) qui est utilisé à peu près universellement pour la conception de bases de données (relationnelles principalement). La conception d’un schéma correct est essentielle pour le développement d’une application viable. Dans la mesure où la base de données est le fondement de tout le système, une erreur pendant sa conception est difficilement récupérable par la suite. Le modèle E/A a pour caractéristiques d’être simple et suffisamment puissant pour représenter des structures relationnelles. Surtout, il repose sur une représentation graphique qui facilite considérablement sa compréhension. En revanche, il admet certaines ambiguïtés.
La présentation qui suit est délibérement axée sur l’utilité du modèle E/A dans le cadre de la conception d’une base de données. Ajoutons qu’il ne s’agit pas de concevoir un schéma E/A (voir un cours sur les systèmes d’information), mais d’être capable de le comprendre et de l’interpréter.
Généralités sur la conception d’une Base de Données
La réalisation d’une Base de Données implique trois grandes étapes (voir figure ??) :
Cahier des charges
Modélisation {
Implantation {
Fig. 2.1: Grandes étapes de la conception d’une base de données.
Nous allons nous intéresser ici à la deuxième étape.
Déftnition 2.1 (Modèle des données)
Un modèle des données (« data model ») est une description formelle et structurée des données et de leurs relations dans un système d’information.
Pour obtenir un modèle des données, il faut trois grandes phases :
Modélisation / analyse des données
Construction d’un modèle entité-association
Conversion en un schéma de base de données
Nous nous concentrons dans la suite sur la deuxième phases.
La méthode de conception permet de distinguer les entités qui constituent la base de données, et les associations entre ces entités. Ces concepts permettent de donner une structure à la base, ce qui s’avère indispensable. Nous commençons par montrer les problèmes qui surviennent si on traite une base rela- tionnelle comme un simple fichier texte, sans se soucier de lui donner une structure correcte.
1.2 Problèmes d’une conception sans précautions
Les redondances (duplications) présentes dans la table faite sans précaution peut conduire à plusieurs types de problèmes :
