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データベースの概要

学習のポイント

ここでは、データベースの概要を学習します。いくつかの事柄の詳細はリンク先にあります。

キーワード

データベース、DBMS、プログラムからの独立,冗長性の排除,データ管理の容易化、排他制御,2相コミットメント,ACID特性、スキーマ、インデックス


データベースとは

データベースとは、広義には「データの集合体」であり、通常のファイルもデータベースですし、「仕事紹介データベース」のような商用データベースもあります。しかしここでは、「データを整理・統合して格納し、そのデータを検索・活用しやすくするための技術、および、それにより管理されたデータの集合体」であるとします。
 さらに、一般企業での業務システムで活用される分野でのデータベースを対象にします。

これらのデータベースは、DBMS(Database Management System、データ管理システム)というソフトウェアによって管理されています。いいかえれば、ここでのデータベースとは、DBMSにより管理されるデータの集合体だといえます。

通常のファイルからデータベースへ発展する考え方については、「ファイルの概念」「マスタファイルとイベントファイル」にあります。なお、一般のファイルのデータ形式については、「ファイル編成」にあります。

データベースの種類

現在、最もポピュラなデータベースは、RDB(Relational Database、リレーショナルデータベース、関係データベース)といいます。また、これによるデータベースの形式を関係モデルといいます。このシリーズでは、特に断らない限り、データベースといえばこれを指しています。

RDB以外のデータベースを列挙します。詳細は「データベースの種類」にあります。

データベースの利点

プログラムからの独立

通常のファイルは下図のような形式になっています。ファイルに入っているものはデータだけであり,「月日」や「得意先コード」などの項目名はファイルには含まれていません。さらに,物理的にはファイルの中では,項目間の区切りやレコードとレコードの間の区切りもありません。しかも,実際にはバイナリ表示になっているので,これよりさらに複雑になっています(図示)

1001500コダマ電器101目立テレビ10テレビ10401001500コダマ電器205HALパソコン20パソコン202001001500コダマ電器326松川ケータイ30ケータイ10101004600リラックス213MDBパソコン20パソコン30180・・・・

それで,プログラムでどこからどこまでを何という項目名で取扱うのかを定義する必要があります。すなわち、プログラマは利用するファイルの詳細を知る必要があったのです(COBOLでのファイル定義例)

下はCOBOL言語でのファイル定義文ですが,プログラマは個々のプログラムでこのような定義をしなければならなかったのです。

FD 売上ファイル.
01 売上レコード.
  02 月日    PICTURE 9(4).
  02 得意先コード  PICTURE 9(3).
  02 得意先名    PICTURE N(5).
  02 商品コード   PICTURE 9(3).
  02 商品名     PICTURE N(7).
02 商品区分コード PICTURE 9(2).
02 商品区分名   PICTURE N(4).
  02 個数      PICTURE S9(3) COMPUTATIONAL.
  02 金額      PICTURE S9(9) COMPUTATIONAL.

それに対して、データベースをアクセスするにはSQL言語が用いられますが,それでは下図のような記述ができます。

   SELECT 得意先名,商品名,個数
    FROM  売上テーブル
    WHERE 月日="1001";

ここでは,「得意先名」や「商品名」「数量」などの項目名はDBMS(データベース管理システム)で定義されているので,プログラマはファイルデザインを知る必要はないのです。

通常のファイルでは、個々のプログラムでファイルデザインを定義しているので、ファイルに新規の項目が追加された、既存項目の桁数が変更になったなど、ファイルデザインが変化したら、そのファイルを用いているプログラムをすべて変更しなければなりません。
 それに対して、個々のプログラムでは,そこで必要とする項目名だけを使っているのですから,後になってファイルデザインが変更になっても,プログラムを修正する必要はありません。すなわち,データベースでのデータをプログラムから独立して管理できるのです。

これは,データを部品と考えることでもあります。すなわち,データベースとはデータを部品として再利用することを目的としているともいえます。

冗長性の排除

データベースにするにあたり,データの正規化をすることが必要になります。正規化すると,一つの項目は一つの場所にしか存在しなくなるので,全体としてのデータ量が少なくなり,ディスクなどの記憶装置のコストを少なくすることができます。

データ管理の容易化

それだけでなく,一つの項目は一つの場所にしか存在しないことは,データの管理を容易にします。たとえば,得意先名が多くのファイルに存在するとき,その名称が変更になったとしたら,どのファイルに該当する得意先があるのかを調べて,それを間違いなく修正しなければならなりません。これは大変な作業になるし,修正もれを完全になくすことは困難です。それに対して,正規化されていれば,得意先名は得意先マスタテーブルにしか存在しないので,一つのテーブルを修正するだけで,すべてのシステムについて,間違いなく修正できたことになります。

DBMS(データベース管理システム)

データベースを管理するシステムをDBMSといいます。DBMSは次のような機能をもっています。ここでは、」後に出てくる用語を説明なしに使っています。

具体的な諸機能・用語

2相コミットメント

更新処理では、複数の処理が一つのセットになっていることがよくあります。例えば「倉庫Aから倉庫Bに商品を10個送る」という処理は、「倉庫Aの在庫を10個減らす」ことと「倉庫Bの在庫を10個増やす」処理の両方を実行する必要があり、一方だけを実行したのでは困ります。
 この処理を実行できるのは、「倉庫Aに10個以上の在庫があり」「倉庫Bに10個を受け入れるスペースがある」ことが条件になります。倉庫Aの在庫減の処理をした後で倉庫Bのスペースがないとわかったら倉庫Aの処理をキャンセルする必要があります。このような確認をして実行することを2相コミットメントといいます。

ACID特性

信頼性のあるトランザクションシステムが持つべき特性をACID特性といいます。
 2相コミットメント、排他制御、バックアップとリカバリーなどは、ACID特性を実現する機能だといえます。
  Atomicity:原子性(不可分性)
  Consistency:一貫性
  Isolation:独立性(隔離性)
  Durability:耐久性(永続性)

アクセス制御機能

通常のファイルでもファイル管理システムにより、利用者に対して、ファイルの読出し書込みなどのアクセス権を設定できますが、データベースでは、表単位だけでなく、行単位や列単位など細かいレベル(粒度)での設定もできます。
 しかし、あまりにも煩雑なので、通常は表単位で設定します。行や列で指定するには、アクセスできる部分だけを抽出したビュー(仮想テーブル)を作り、利用者には本体のテーブルは見せずビューだけを示すこともできます。

アクセス権の設定は、利用者のIDやパスワードを用いる方法と、データベース側にパスワードを設定しておき、アクセスされたときにパスワードを要求する方法があります。後者の場合。毎回多くのデータベースについてパスワードを入力するのは煩雑などで、アプリケーションの開始時に入力させ、それでこのアプリケーションで用いる全データベースにアクセスできるようにするのが通常です。

排他制御

オンラインシステムでは、同時に同じデータを更新することがあります。例えば、入出荷システムで、ある商品の在庫が100個だったとき、Aが50個の入荷を入力した直後に、Bが120個の出荷を入力したとします。この順序で処理されればよいのですが、Aの処理に時間がかかっている間にBの処理が行われると在庫不足でエラーになってしまいます。このような状況を同時更新といい、Aの処理が完了するまでBの処理を待たせるような工夫を排他制御といいます。

同時更新と排他制御の現象については、「排他制御」、タスク管理からの技術面では「排他制御」で詳述しています。

インデックス

通常の事務処理では、データの更新や照合など、データをあるキーで検索する処理が多発します。その処理を効率化するためには、データにインデックスという検索用の索引をつけておくことがあります。通常のファイルでも乱編成ファイルや索引つきファイルなどがありますが、データベースではDBMSがインデックスを管理しており、項目ごとに多様なインデックスがつけられるようになっています。

障害回復(リカバリ)

万一のトラブルによりデータの整合性を失ったとき,データベースを回復する機能があります。データベースを更新するとき,更新件数や時間などによりチェックポイントを設定しておき,チェックポイントになると,次のチェックポイントに達するまで,更新前と更新後の情報をログというファイルに記録しておき、チェックポイント間でトラブルが発生したときは,ログファイルを用いてデータベースの内容を直前のチェックポイントの状態に回復するのです。
→詳細:「バックアップとリカバリー

スキーマ

スキーマ(schema)とは、データベースの構造やデータの格納形式(これらをメタデータといいます)を定義したものです。DBMS管理下にスキーマデータベースとして保管されます。データベースを定義するということは,すなわちスキーマを定義することです。
 例えば、利用者はSQLのSELECT文で、
    SELECT 商品名, 数量 FROM 売上テーブル;
とするだけで結果が得られます。
 売上テーブルがどこに保管してあるのか、商品名や数量が売上テーブル内のどこに、どのような形式で記録されているかは、スキーマに登録してあり、DBMSがスキーマの内容をSQLに教えるからです。

スキーマは、抽象化のレベルにより、次の3階層があります。

外部スキーマ
「ユーザまたはプログラムからみたデータベースの記述」です。典型的なものが「ビュー」です。
概念スキーマ
「内部スキーマと外部スキーマの中間に位置し、エンティティやデータ項目相互の関係に関する情報を持つ」ものです。典型的なものがER図やクラス図です。
内部スキーマ
「概念スキーマをコンピュータ上に具体的に実現させるための記述」です。

データディクショナリ、リポジトリ

データディクショナリとリポジトリはほぼ同義語です。これらは、データについて項目名や形式、所在、属性などを登録して厳密に規定したもので、スキーマと似たものです。  これらは、スキーマを作成する過程の中間物、あるいはスキーマを補完するものだと理解することができます。

(参考)パフォーマンス・チューニング

RDBをSQLで処理する場合、処理効率を向上するための工夫をパフォーマンス・チューニングといいます。前述のインデックスを付けることもその一つです。


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