Notes DBMS: مبانی، ER و سه‌طرحواره، مدل‌های داده و SQL

مقدمه و تعاریف پایه

• داده (Data): واقعیت‌های خام بدون پردازش، مانند عدد یا نام. به تنهایی معنای خاصی ندارند.
  • مثال: عدد 25 به خودی خود اطلاعاتی دربر ندارد.
• اطلاعات (Information): داده‌های پردازش‌شده و معنادار که به پرسش‌ها پاسخ می‌دهند.
  • مثال: سن کاربر = 25 سال، یک قطعه اطلاعات است.
• دانش (Knowledge): تحلیل و درک عمیق اطلاعات برای تصمیم‌گیری و پیش‌بینی با استخراج الگوها.
  • مثال: میانگین سن کاربران 30 سال است.

مبانی اولیه و انگیزه استفاده از DBMS

• دو رویه طراحی سیستم ذخیره‌سازی:
  • 1) مشی سنتی یا فایلینگ
  • 2) مشی پایگاهی (DBMS)
• مزایای استفاده از پایگاه داده (DBMS):
  • کاهش افزونگی داده
  • حفظ یکپارچگی داده‌ها و سازگاری
  • اشتراک‌گذاری داده‌ها به سهولت
  • کنترل دقیق امنیت و دسترسی
• مقایسه بین پایگاه داده و روش فایل‌-مبنای ذخیره‌سازی:
  • فایل-مبنا: داده‌ها در فایل‌های مجزا و مستقل ذخیره می‌شوند؛ هر برنامه منطق خود را پیاده‌سازی می‌کند.
  • DBMS: داده‌ها مجتمع و با واسطه یک سیستم مدیریت پایگاه داده واحد مدیریت می‌شوند.
  • پیام کلیدی: کاهش افزونگی، ایجاد واحد عملیاتی منسجم و افزایش ایمنی

معماری سیستم پایگاه داده و سه‌طرحواره (Three-Schema)

• سه طرحواره اصلی:
  • طرحواره داخلی (Internal Level): توصیف ساختارهای ذخیره‌سازی فیزیکی و مسیرهای دسترسی (مثلاً ایندکس‌ها).
  • طرحواره مفهومی/ منطقی (Conceptual/ Logical Level): توصیف ساختار پایگاه داده برای کاربران دامنه و مدل داده‌ای مشترک.
  • طرحواره‌های خارجی (External Level): نمایش دیدگاه‌های مختلف کاربران به داده‌ها.
• هدف سه‌طرحواره:
  • استقلال برنامه-داده (Program-Data Independence): تغییر در سطح فیزیکی بدون تأثیر روی سطح منطقی و خارجی.
  • پشتیبانی از چند دیدگاه از داده‌ها (Multiple Views of Data)
• Mapping بین سطوح و نقش زبان‌های مختلف DBMS.

زبان‌های DBMS و مفاهیم اصلی

• زبان تعریف داده‌ها (DDL): برای مشخص‌کردن طرحواره پایگاه داده (CREATE, ALTER, DROP).
• زبان دستکاری داده‌ها (DML): برای بازیابی و به‌روزرسانی داده‌ها (INSERT, UPDATE, DELETE, SELECT).
• زبان‌های سطح بالا/ غیرروی (High-Level/Non-procedural): مانند SQL.
• زبان‌های سطح پایین/رویّه‌ای (Low-Level/Procedural): شامل جنبه‌های رویه‌ای برای پردازش گام‌به‌گام.
• رابط‌های DBMS: برای تعامل کاربران و برنامه‌ها با DBMS (Embeded, Standalone, JDBC/ODBC و غیره).

مدل‌های داده و سطوح آنها

• مدل‌های داده به سه دسته تقسیم می‌شوند:
  • مدل مفهومی (Conceptual): سطح بالا، معنایی؛ نزدیک به درک کاربران.
  • مدل منطقی (Logical): جزئیات بیش‌تر از مفهوم، بدون در نظر گرفتن پیاده‌سازی DBMS.
  • مدل فیزیکی (Physical): نمايي از نحوه ذخیره‌سازی در دیسک و پیاده‌سازی داخلی.
• مدل‌های پیاده‌سازی (Implementation) و مدل‌های شی-رابطی (Object-Relational) نیز وجود دارند.

مدل ER و طراحی مفهومی

• مفهوم ER شامل:
  • موجودیت‌ها (Entities): اشیا یا چیزهای خاص دنیای واقعی.
  • ویژگی‌ها/ATTRIBUTES: صفات توصیف‌کننده هر موجودیت.
  • کلیدها (Keys): کلید اصلی (PK) که هر موجودیت باید مقدار منحصر به فردی داشته باشد.
  • روابط (Relationships): ارتباط‌های بین موجودیت‌ها با انواعی مانند 1:1، 1:N، N:M.
  • انواع صفات: ساده، مركب، چند مقداری، مشتق، صفات کلیدی، صفات طراحی‌شده (derived).
• موجودیت‌های قوی و ضعیف:
  • موجودیت قوی: مستقل از سایر موجودیت‌ها.
  • موجودیت ضعیف: وابسته به موجودیت دیگری و شناسه مستقل ندارد.
• نمودار ER و نمادگذاری:
  • مستطیل: موجودیت
  • بیضی: ویژگی‌ها
  • لوزی: رابطه
  • خطوط زیرین روی ویژگی‌های کلیدی
• رابطه‌ها و درجات آنها:
  • درجه رابطه (arity) با نشانۀ n، مانند 1-ary, 2-ary, 3-ary.
  • نمونه‌ها: 1:1، 1:N، N:M
• نمودار ER و مفاهیم پیشرفته:
  • رابطه‌های با درجه بالا از دو یا سه سطح، نقش‌ها و قیود ساختاری
  • نگاهی به مدلِ بهبود‌یافته هستنده-ارتباط (Enhanced ER, EER): زیرکلاس‌ها، ارث‌بری، و قیود جدید
• مثال‌های عملی:
  • مثال HOTEL: موجودیت‌های Hotel, Room, Reservation, Customer
  • نمونه COMPANY: Departments, Projects, Employees, Dependents؛ رابطه‌هایی مانند Works_On، Manages و غیره

مدل رابطه‌ای و نگاشت ER→Relational

• مفاهیم پایه مدل رابطه‌ای:
  • داده‌ها در قالب جداول با سطرها و ستون‌ها ذخیره می‌شوند.
  • کلیدهای اصلی (Primary Keys) و خارجی (Foreign Keys) برای تعیین ارتباط‌ها.
  • قیود (Constraints) مانند CHECK، NOT NULL و … برقرار می‌شود.
• نگاشت از ER به مدل رابطه‌ای:
  • موجودیت‌ها به جداول تبدیل می‌شوند.
  • روابط به کلیدهای خارجی یا جداول رابط تبدیل می‌شوند (بسته به سطح قیود).
• مثال ساده از ساخت جداول و قیود:
  • مثال شرکت: تبدیل موجودیت‌های EMPLOYEE، DEPARTMENT، PROJECT و DEPENDENT به جداول و تعیین کلیدهای اصلی و خارجی.

طرحواره و وضعیت پایگاه داده

• طرحواره (Schema): تعریف کلی ساختار پایگاه داده، انواع داده‌ها، و محدودیت‌ها.
• وضعیت (State/Instance): داده‌های واقعی ذخیره‌شده در یک لحظه زمان.
• تمایز:
  • Schema به ندرت تغییر می‌کند؛ State تغییر می‌کند.
  • طرحواره (Schema) به لحاظ Инسنسن intension است و حالت (State) به extension.

طراحی مفهومی بهبود یافته و نرمال‌سازی

• هدف از بهبود مدل ER:
  • حذف افزونگی داده‌ها
  • شفاف‌سازی روابط مبهم (مثلاً تعیین دقیق 1:1 یا N:M و ویژگی‌های رابطه)
  • نرمال‌سازی برای جلوگیری از ناهنجاری‌های درج/حذف/به‌روزرسانی
  • حفظ قیود یکپارچگی (Integrity Constraints)
  • آماده‌سازی برای طراحی منطقی رابطه‌ای
• اصول n به 1، 1 به n، N به M در روابط
• زیرکلاس‌ها و ارث‌بری: استفاده از ارث‌دهی برای نگاشت بهتر به جداول و کاهش پیچیدگی

طرحواره‌های DBMS و معماری‌های کلان

• معماری سه‌طرحواره:
  • External Level (ساده‌ترین دید کاربران): دیدگاه‌های مختلف از داده‌ها
  • Conceptual/Logical Level (سطح منطقی): طرحواره عمومی پایگاه داده
  • Internal Level (سطح فیزیکی): طرحواره ذخیره‌سازی و مسیرهای دسترسی
  • Mapping بین سطح‌ها (External↔Conceptual, Conceptual↔Internal)
• اهداف معماری سه‌ Schemas:
  • استقلال برنامه-داده
  • پشتیبانی از چند دیدگاه از داده‌ها
  • سه سطح انتزاع برای سازمان‌دهی بهتر

زبان‌ها و رابط‌های DBMS (SQL و فراتر)

• زبان‌های DBMS:
  • DDL: تعریف Database Schema (CREATE, ALTER, DROP)
  • DML: دستکاری داده‌ها (INSERT, UPDATE, DELETE, SELECT)
  • زبان‌های سطح بالا/غیر رویه‌ای (Non-Procedural): SQL
  • زبان‌های سطح پایین/رویّه‌ای (Procedural): PL/SQL, T-SQL و غیره
• مثال‌های SQL معرفی‌شده در منابع:
  • ایجاد جدول و محدودیت:

  CREATE TABLE Student (
    StudentID SERIAL PRIMARY KEY,
    Name VARCHAR(100) NOT NULL,
    Major VARCHAR(50)
  );

• تعریف محدودیت CHECK:

  CREATE TABLE Course (
    CourseID SERIAL PRIMARY KEY,
    Title VARCHAR(200) NOT NULL,
    Credits INT CHECK (Credits > 0)
  );

• تعریف جدول Enrollment با کلیدهای خارجی و کلید ترکیبی:

  CREATE TABLE Enrollment (
    StudentID INT REFERENCES Student(StudentID),
    CourseID INT REFERENCES Course(CourseID),
    Grade CHAR(2),
    PRIMARY KEY (StudentID, CourseID)
  );

• DDL و DML به همراه نمونه‌های کاربردی در محیط‌های Embed و Standalone، و رابط‌های JDBC/ODBC

رابط‌های کاربری و محیط‌های توسعه DBMS

• رابط‌های کاربری مبتنی بر منو/ فرم/ گرافیک برای وب و دسکتاپ
• رابط‌های برنامه‌نویس برای جاسازی DML در زبان‌های برنامه‌نویسی (Embedded) و استفاده‌های بیرونی (Standalone)
• رویکردهای دسترسی:
  • Embedded SQL در زبان‌هایی مانند C/C++، Java
  • JDBC برای Java و ODBC برای زبان‌های دیگر
• ابزارهای DBMS برای مدیریت، طراحی، و مانیتورینگ:
  • ERD tools, Query tools, Schema diff, Backup/Restore, Performance monitoring

معماری‌های کلاينت-سرور و توزیعی

• معماری متمرکز: همه چیز در یک سیستم با سخت‌افزار و نرم‌افزار متمرکز
• معماری دو سطح (2-Tier): کلاینت-سرور با لایه کاربری و لایه دیتابیس
• معماری سه سطح (Three-Tier): Presentation Layer (Web UI)، Business Logic/Application Server، Database Server
• معماری‌های توزیعی/Distributed DBMS:
  • DDBMS همگن و ناهمگن
  • مدل‌های فدرال و چندپایگاهی
• مزایا: امنیت بیشتر، مقیاس‌پذیری، پارتیشن‌بندی و مدیریت کلاینت‌های متنوع

انواع مدل‌های داده و تاریخچه آنها

• مدل‌های داده متنوع تاریخی:
  • مدل سلسله‌ای (Hierarchical)
  • مدل شبکه‌ای (Network)
  • مدل رابطه‌ای (Relational)
  • مدل‌های شی‌گرا (Object-oriented), O/R و NoSQL
• تبیین ویژگی‌ها و معایب هر مدل:
  • سلسله‌ای: پیمایش سریع، اما محدودیت روابط n-to-many
  • شبکه‌ای: روابط چند-به-چند، اما طراحی مسیرهای پیچیده است
  • رابطه‌ای: ساده، استفاده از SQL، ولی محدودیت‌هایی در نمایش ساختارهای پیچیده
• مفهوم NoSQL برای داده‌های غیرساخت‌یافته و مقیاس‌پذیری

نمونه‌های ER و نگاشت‌های عملی

• نمونه ER COMPANY و HOTEL:
  • ENTITYs: DEPARTMENT, PROJECT, EMPLOYEE, DEPENDENT, STUDENT, COURSE, SECTION, GRADE_REPORT
  • روابط: WORKS_ON (EMPLOYEE–PROJECT)، MANAGES (EMPLOYEE–DEPARTMENT)، HAS (مثلاً HOTEL–ROOM)، …
• نگاشت به مدل مرتبۀ رابطه‌ای و SQL‌های نمونه برای ایجاد جداول و کلیدهای خارجی
• اصول کلیدی در نگاشت ER→Relational:
  • نمودار ER به صورت جداول با PK و FK، و قیود مرتبط
  • کاربرد constrained keys برای حفظ صحت داده

مفاهیم عملی تکمیلی و نکات آموزشی

• رابطه‌ها به سه دسته تقسیم می‌شوند: 1:1، 1:N، N:M
• رابطه‌های سه-موجودیتی (t-uple) و نکات مربوط به وارثیت و ارث‌بری
• اصول نرمال‌سازی:
  • هدف جلوگیری از افزونگی، حفظ سازگاری و امکان نگهداری آسان
  • مثال: تفکیک موجودیت دانشجو و درس و استفاده از ارتباط ثبت‌نام
• مفهوم منبع داده: data dictionary (کاتالوگ داده) در DBMS و تفاوت میان داده‌های فعال و غیرفعال
• نقش CASE و ابزارهای توسعه: IDEهای طراحی پایگاه داده مثل Oracle JDeveloper، JBuilder، و غیره

نکات کلیدی و تمرین‌ها

• سوالات تمرینی برای ER و طراحی مفهومی بهبود یافته:
  • چگونه یک سیستم ثبت نام دانشگاه را با چند درس و چند استاد مدل می‌کنید؟
  • چگونه از ER به مدل رابطه‌ای نگاشت می‌کنید و چه محدودیت‌هایی ممکن است پیش بیاید؟
• هدف اصلی از استفاده از سه‌مقام طرحواره چیست؟ استقلال برنامه از داده و چند دیدگاه از داده‌ها.
• مفاهیم کلیدی در طراحی مفهومی بهبود یافته (EER): هم‌ارثی، نقش‌ها، و زیرکلاسه‌ها.

نکته‌های اخلاقی و عملی

• طراحی دیتابیس باید منطبق با نیازهای عملی کاربران باشد و داده‌ها را به شکل امن، دقیق و بدون افزونگی نگه دارد.
• اهمیت مدیریت دسترسی و امنیت داده‌ها با تعریف سطوح دسترسی مناسب برای کاربران و برنامه‌ها.
• حفظ پایداری داده‌ها و رعایت قیود صحت داده در همه سطح‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است.

مراجع و منابع یادگیری

• Fundamentals of Database Systems (7th edition) - Elmasri & Navathe (2015)
• منابع فارسی مرتبط با مفاهیم پایگاه داده و ER و SQL
• منابع آنلاین مانند W3C School و مستندات DBMS‌های معتبر

پیوست: نمونه‌هایی برای مرور سریع

• مثال سطحی از طرحواره COMPANY با موجودیت‌های DEPARTMENT، PROJECT، EMPLOYEE و DEPENDENT و روابط WORKSFOR، MANAGES، WORKSON
• نمونه کد SQL ساده برای ایجاد جداول پایه و کلیدهای خارجی:
  • تعریف دانشجو و درس:

  CREATE TABLE Student (
    StudentID SERIAL PRIMARY KEY,
    Name VARCHAR(100) NOT NULL,
    Major VARCHAR(50)
  );

• تعریف COURSE و CHECK constraint:

  CREATE TABLE Course (
    CourseID SERIAL PRIMARY KEY,
    Title VARCHAR(200) NOT NULL,
    Credits INT CHECK (Credits > 0)
  );

• نگارش Enrollment با کلید ترکیبی:

  CREATE TABLE Enrollment (
    StudentID INT REFERENCES Student(StudentID),
    CourseID INT REFERENCES Course(CourseID),
    Grade CHAR(2),
    PRIMARY KEY (StudentID, CourseID)
  );

• نکته: بین سطح External، Conceptual و Internal mappings چگونه جریان دارد و چه تفاوتی در نمایش داده‌ها ایجاد می‌کند.