С.Д. Кузнецов,
©Центр Информационных Технологий

Cтатья была опубликована на сайте www.citforum.ru

1. Введение

Одним из основных преимуществ реляционного подхода к организации баз данных (БД) является то, что пользователи реляционных БД получают возможность эффективной работы в терминах простых и наглядных понятий таблиц, их строк и столбцов без потребности знания реальной организации данных во внешней памяти. Реляционная модель данных, содержащая набор четких предписаний к базовой организации любой реляционной системы управления базами данных (СУБД), позволяет пользователям работать в ненавигационной манере, т.е. для выборки информации из БД человек должен всего лишь указать список интересующих его таблиц и те условия, которым должны удовлетворять выбираемые данные. СУБД скрывает от пользователя выполняемые ей последовательные просмотры таблиц, выполняя их наиболее эффективным образом. Основная особенность реляционных систем состоит в том, что результатом выполнения любого запроса к таблицам БД является также таблица, которую можно сохранить в БД и/или по отношению к которой можно выполнять новые запросы.

Очень важным требованием к реляционным СУБД является наличие мощного и в тоже время простого языка, позволяющего выполнять все необходимые пользователям операции. В последние годы таким повсеместно принятым языком стал язык реляционных БД SQL (StructuredQueryLanguage), введению в который посвящен этот курс.

До появления SQL в СУБД (независимо от того, на какой модели они основывались) приходилось поддерживать по крайней мере три языка, которые обычно имели мало общего: язык определения данных (ЯОД), служащий для спецификации структур БД (обычно общую структуру БД называют схемой БД); язык манипулирования данными (ЯМД), позволяющий создавать прикладные программы, взаимодействующие с БД; и язык администрирования БД (ЯАБД), с помощью которого можно было выполнять служебные действия (например, изменять структуру БД или производить ее настройку с целью повышения эффективности). Кроме того, если требовалось предоставить пользователям СУБД интерактивный доступ к БД, приходилось вводить еще один язык, операторы которого выполняются в диалоговом режиме. Язык SQL позволяет решать все эти задачи.

Следует отметить, что к достоинствам языка SQL относится наличие международных стандартов. Первый международный стандарт был принят в 1989 г., и соответствующая версия языка называется SQL-89. Этот стандарт поддерживается практически во всех современных коммерческих реляционных СУБД (например, в Informix, Sybase, Ingres и т.д.). Второй международный стандарт был принят в 1992 г. - SQL-92. Этот вариант языка существенно шире, чем SQL-89. К настоящему времени основные компании-производители СУБД только частично поддерживают этот стандарт. Тем не менее, он является исключительно важным документом как для реально практикующих разработчиков программного обеспечения, так и для специалистов, связанных с подбором аппаратно-программных средств.

1.1. История языка SQL

История наиболее распространенного в настоящее время языка реляционных баз данных SQL насчитывает уже более 25 лет. Первый, достаточно полный функционально, но не полностью синтаксически и семантически определенный вариант языка SQL (его исходным названием было SEQUEL - StructuredEnglishQueryLanguage) был разработан и частично реализован в рамках проекта экспериментальной реляционной СУБД SystemR (проект выполнялся с 1974 по 1979 гг. в научно-исследовательской лаборатории компании IBM в г. Сан-Хосе, Калифорния).

Название языка SQL (StructuredQueryLanguage - структурированный язык запросов) только частично отражает его суть. Конечно, язык всегда был главным образом ориентирован на удобную и понятную пользователям формулировку запросов к реляционной БД, но на самом деле с самого начала задумывался как полный язык БД. Под этим мы понимаем то, что (по крайней мере, теоретически) знание SQL полностью достаточно для выполнения любых осмысленных действий с базой данных, управляемой SQL-ориентированной СУБД. Помимо операторов формулирования запросов и манипулирования БД язык содержит:

• средства определения схемы БД и манипулирования схемой;
• операторы для определения ограничений целостности и триггеров;
• средства определения представлений БД;
• средства авторизации доступа к отношениям и их полям;
• средства управления транзакциями.

Другими словами, язык SQL претендует на то, что он способен полностью представить реляционную модель данных, т.е. его средств достаточно для представления всех аспектов реляционных баз данных в терминах Кодда. (Сразу заметим, что с этим утверждением многие несогласны, полагая, что некоторые возможности SQL расширяют классическую реляционную модель, а некоторые другие возможности - ее ограничивают.)

Вместе с тем, несмотря на многолетнюю историю языка, для многих начинающих пользователей современных реляционных СУБД (включая разработчиков информационных систем) подчас трудно понять, можно ли говорить о языке SQL как таковом (в том смысле, в котором можно говорить о языках программирования Си или Паскаль, не привязываясь к их конкретной реализации) или же существует столько разнообразных вариантов SQL, сколько имеется разных SQL-ориентированных СУБД. Нужно сказать, что этот вопрос остается трудным, и ответить на него полностью однозначно не удается. Действительно, сегодня, видимо, невозможно найти две реализации, в которых диалекты SQL полностью бы совпадали.

Но на самом деле то же относится и к разным реализациям языков программирования (сравните, например, реализационные диалекты языка Си компиляторов Borland и GCC). Важно другое. Существует международный стандарт языка Си (ANSI/ISOC), который должен поддерживаться в любом компиляторе, претендующем на совместимость со стандартом (хотя реализационный диалект языка может содержать существенные расширения). Именно наличие стандарта языка Си в совокупности с другими стандартами Открытых Систем обеспечивает возможность создания легко переносимых прикладных (и иногда и системных) программ.

После появления в 1989 г. первого международного стандарта языка SQL (SQL-89) и, в особенности, после принятия в 1992 г. второго международного стандарта SQL-92 стало возможным говорить про стандартную среду SQL-ориентированной СУБД. Для грамотного использования любой SQL-ориентированной реляционной СУБД знание стандартов языка кажется необходимым.

1.2. Этапы стандартизации SQL

Работа по стандартизации языка SQL началась практически одновременно с появлением первых его коммерческих реализаций. В качестве стандарта нельзя было использовать SQLSystemR. Этот вариант языка не был должным образом технически проработан и, кроме того, его слишком сложно было бы реализовать. С другой стороны, первые коммерческие реализации языка настолько различались, что ни один из реализованных диалектов не имел шансов быть принятым в качестве стандарта. В частности, это относится и к первому корпоративному стандарту языка, принятому компанией IBM.

Принятый в 1989 г. [ISO89] Международный Стандарт SQL (SQL/89) во многих частях имеет чрезвычайно общий характер и допускает очень широкое толкование. В этом стандарте полностью отсутствуют такие разделы как манипулирование схемой БД и динамический SQL. Многие существенные аспекты языка в соответствии со стандартом определяются в реализации.

Поэтому на фоне завершения разработки этого стандарта была начата работа над стандартом SQL2. Она также длилась несколько лет, пока, наконец, в марте 1992г. не был выработан окончательный проект стандарта [ISO92] (теперь его принято называть SQL/92). Этот стандарт существенно более полный и охватывает практически все необходимые для реализации аспекты: манипулирование схемой БД, управление транзакциями и сессиями (сессия - это последовательность транзакций, в пределах которой сохраняются временные отношения), подключение к БД, динамический SQL. Cтандартизованы также отношения-каталоги БД, которые хотя и не связаны с языком непосредственно, но сильно влияют на реализацию.

Одновременно с завершением работ по определению стандарта SQL2 была начата разработка стандарта SQL3. Предполагается, что SQL3 будет содержать механизм триггеров и возможность использования абстрактных типов данных. Принятие стандарта планируется в 1999 г.

1.3. Особенности текущих реализаций

В настоящее время SQL реализован практически во всех коммерческих реалиционных СУБД, все фирмы провозглашают соответствие своей реализации стандарту SQL, и на самом деле реализованные диалекты SQL очень близки (хотя и не полностью совпадают). Это произошло не сразу и не просто.

Наиболее близкими к SystemR являлись две системы фирмы IBM - SQL/DS и DB2. Как кажется (документальных подтверждений этому автор не имеет), обе эти системы прямо использовали реализацию SystemR. Отсюда предельная близость реализованных диалектов SQL к SQLSystemR. Из SQLSystemR были удалены только те части, которые были недостаточно проработаны (например, точки сохранения) или реализация которых вызывала слишком большие технические трудности (например, ограничения целостности и триггеры). Можно назвать этот путь к коммерческой реализации SQL движением сверху вниз. (Кстати, заметим, что в последнее время компания IBM сделала важный шаг вперед для более широкого распространения своих продуктов управления базами данных. После переноса DB2 на платформу RS/6000 компания стала обращать большее внимание на линию открытых систем, и весной 1997 г. было объявлено, что DB2 может теперь работать на платформах SunMicrosystems и HewlettPackard.)

Другой подход применялся в таких системах, как Oracle и Informix. Несмотря на различие в способе разработки этих систем, реализация SQL происходила "снизу вверх". В первых выпущенных на рынок реализациях SQL в этих системах использовалось минимальное и очень ограниченное подмножество SQLSystemR. В частности, в первой известной автору реализации SQL в СУБД Oracle в операторах выборки не допускалось использование вложенных подзапросов.

Тем не менее, несмотря на эти ограничения и на очень слабую на первых порах эффективность, ориентация фирм на поддержание разных аппаратных платформ и заинтересованность пользователей в переходе к реляционным системам позволили фирмам добиться коммерческого успеха и приступить к совершенствованию своих реализаций. В текущих версиях Oracle и Informix поддерживаются достаточно мощные диалекты SQL, хотя реализация иногда вызывает сомнения.

Особенностью большинства современных коммерческих СУБД, затрудняющей анализ существующих диалектов SQL, является отсутствие полного описания языка. Обычно описание разбросано по разным руководствам и перемешано с описанием специфических для данной системы языковых средств, не имеющих отношения к SQL. Тем не менее можно сказать, что базовый набор операторов SQL, включающий операторы определения схемы БД, выборки и манипулирования данными, авторизации доступа к данным, поддержки встраивания SQL в языки программирования и операторы динамического SQL, в коммерческих реализациях относительно устоялся и более или менее соответствует стандарту.

1.4. Важность применения стандартов SQL при разработке прикладных систем

Помимо прочего, в курсе содержатся некоторые рекомендации, направленные на то, чтобы облегчить создание мобильных прикладных информационных систем, опирающихся на использование реляционных СУБД, которые поддерживают международный стандарт языка баз данных SQL. Чтобы больше прояснить назначение и возможности предлагаемых материалов, необходимо сделать несколько предварительных замечаний.

Прежде всего под мобильностью прикладной системы здесь понимается не только возможность ее сравнительно легкого переноса на другую аппаратную платформу, но и возможность сравнительно ее легкого приспособления к использованию другой СУБД. Мы не рассматриваем здесь проблемы переносимости, связанные с особенностями операционных систем. Заметим, что в общем случае проблемы переноса будут существенно проще, если в качестве целевых аппаратных средств используются UNIX-компьютеры, причем в качестве операционной системы используются современные версии ОС UNIX, соответствующие международным стандартам (например, системы семейств SystemVRelease 4.x или BSD 4.3), а в качестве языка программирования используется хорошо стандартизованный язык (далее мы предполагаем использование языка ANSI Си). Конечно, при некоторых дополнительных ограничениях на программирование (если это позволяет специфика прикладной системы) иногда можно добиться возможности несложного переноса прикладной системы и в среду другой операционной системы.

Когда мы говорим о возможности приспособления прикладной системы к использованию различных СУБД, то, конечно, имеем в виду не произвольные СУБД, а системы, поддерживающие международный стандарт языка SQL. Другими словами, мы предполагаем прямое использование языка SQL при разработке прикладной системы, а также то, что все взаимодействия с системой БД производятся только с использованием этого языка. На самом деле, это существенно ограничивает возможный набор СУБД. Например, если в некоторой СУБД поддерживается доступ к БД на основе некоторого подмножества SQL, из этого не следует автоматически, что прикладная система может быть легко приспособлена к использованию этой СУБД. Реализация стандарта SQL вообще говоря означает, что для работы с БД не требуется привлечение никакого другого языка.

К сожалению, на практике дела обстоят не совсем так, и в разных СУБД, производители которых объявляют их соответствующими стандарту SQL, достаточно часто реализуются немного разные языки. Частично это объясняется недостатками самого стандарта, частично - историческими и конъюнктурными обстоятельствами. К сожалению, такова текущая реальность, и к ней нужно приспосабливаться.

Дополнительной трудностью при подготовке курса было то, что в настоящее время происходит переход от одного стандарта языка SQL к другому. Как уже отмечалось, первый международный стандарт языка SQL был принят в 1989 г., и подавляющее большинство доступных на рынке СУБД поддерживают именно этот стандарт. Все было бы в порядке, если бы этот стандарт был достаточно полным. Но к сожалению, он обладает по крайней мере двумя недостатками.

Во-первых, очень многие важные свойства языка стандарт устанавливает как определяемые в реализации или зависимые от реализации. Это дало большой простор к расхождениям между различными реализациями SQL. Во-вторых, некоторые практически важные аспекты языка вообще не упоминаются в стандарте SQL/89. К ним прежде всего относятся правила встраивания языка SQL в язык программирования Си и так называемый динамический SQL. Естественно, во всех коммерческих СУБД реализованы какие-то варианты этих возможностей. Как правило, они очень близки, но отсутствие стандарта не гарантирует их идентичность.

Принятый в 1992 г. новый международный стандарт языка SQL тоже не лишен недостатков, но в то же время является существенно более точным и полным, чем SQL/89. SQL/92 не только восполняет недостатки SQL/89, но содержит также много новых свойств. Но даже если ориентироваться на использование СУБД, поддерживающей только стандарт SQL/89, необходимо некоторое знакомство со стандартом SQL/92, поскольку этот стандарт во многом базировался на расширениях языка, имеющихся в различных реализациях. При создании прикладных систем обойтись без использования этих расширений иногда невозможно, а единственным способом анализа совместимости разных расширений SQL/89 является SQL/92.

Естественно, данный курс не может служить заменой текстов стандартов языка SQL и фирменной документации какой-либо конкретной СУБД. Его цель состоит в том, чтобы по возможности облегчить работу по освоению этих основных документов, отметить некоторые тонкие места, связанные с мобильностью. В некоторых случаях, когда вероятность расхождения между разными реализациями может быть особенно велика, будут предлагаться возможные решения локализации проблем.