先週の、関係データベースの導入説明を終えて、実際のSQLの説明。

SQLの命令

SQL で使われる命令は、以下のものに分類される。((参考資料))

• データ定義言語 – CREATE, DROP, ALTER 等
• データ操作言語 – INSERT, UPDATE, DELETE, SELECT 等
• データ制御言語 – GRANT, REVOKE 等 (その他トランザクション制御命令など)

データベースは元々商用データの処理に使われることが多かったため、商用計算向けプログラム言語 COBOL と似ている点が多い。COBOL では、計算命令を 英語の文章の様に記述するのが特徴。

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一般的な言語 // COBOL

A_100 // A-100 変数名にハイフン(マイナス記号)が使える。Aから100を引くという意味ではない。

A = 100 ; // MOVE 100 TO A .

A = A + B ; // ADD A B TO A .

一般的な言語 // COBOL A_100 // A-100 変数名にハイフン(マイナス記号)が使える。Aから100を引くという意味ではない。 A = 100 ; // MOVE 100 TO A . A = A + B ; // ADD A B TO A .

一般的な言語  // COBOL
A_100         // A-100     変数名にハイフン(マイナス記号)が使える。Aから100を引くという意味ではない。
A = 100 ;     // MOVE 100 TO A .
A = A + B ;   // ADD A B TO A .

create user

データベースを扱う際の create user 文は、DDL(Data Definition Language)で行う。

CREATE USER ユーザ名
    IDENTIFIED BY "パスワード"

grant

テーブルに対する権限を与える命令。

GRANT システム権限 TO ユーザ名
   データベースシステム全体に関わる権限をユーザに与える。
   (例) GRANT execute ON admin.my_package TO saitoh
GRANT オブジェクト権限 ON オブジェクト名 TO ユーザ名
   作られたテーブルなどのオブジェクトに関する権限を与える。
   (例) GRANT select,update,delete,insert ON admin.my_table TO saitoh
REVOKE オブジェクト権限 ON オブジェクト名 TO ユーザ名
   オブジェクトへの権限を剥奪する。

ただし、後に示す実験環境では、データベースのシステムにSQLiteを用いている。SQLite はネットワーク対応型のデータベースではないため、データベースをアクセスするユーザや権限の概念が存在せず、これらの命令は実行できても無視される。

create table

実際にテーブルを宣言する命令。構造体の宣言みたいなものと捉えると分かりやすい。

CREATE TABLE テーブル名
   ( 要素名1  型 , 要素名2 型 ... ) ;
   PRIMARY KEY 制約
   1つの属性でのキーの場合、型の後ろに"PRIMARY KEY"をつける、
   複数属性でキーとなる場合は、要素列の最後に PRIMARY KEY(要素名,...) をつける。
   これによりKEYに指定した物は、重複した値を格納できない。

型には、以下の様なものがある。(Oracle)
   CHAR( size)  : 固定長文字列 / NCHAR国際文字
   VARCHAR2( size ) : 可変長文字列 / NVARCHAR2...
   NUMBER(桁) :指定 桁数を扱える数
   BINARY_FLOAT / BINARY_DOUBLE : 浮動小数点(float / double)
   DATE : 日付(年月日時分秒)
   SQLiteでの型
   INTEGER : int型
   REAL : float/double型
   TEXT : 可変長文字列型
   BLOB : 大きいバイナリデータ

DROP TABLE テーブル名
   テーブルを削除する命令

insert,update,delete

指定したテーブルに新しいデータを登録,更新,削除する命令

INSERT INTO テーブル名 ( 要素名,... ) VALUES ( 値,... ) ;
   要素に対応する値をそれぞれ代入する。
UPDATE テーブル名 SET 要素名=値 WHERE 条件
   指定した条件の列の値を更新する。
DELETE FROM テーブル名 WHERE 条件
   指定した条件の列を削除する。

select

データ問い合わせは、select文を用いる、 select文は、(1)必要なカラムを指定する射影、(2)指定条件にあうレコードを指定する選択、 (3)複数のテーブルの直積を処理する結合から構成される。

SELECT 射影 FROM 結合 WHERE 選択
   (例) SELECT S.業者番号 FROM S WHERE S.優良度 > 30 ;

理解確認

• キー・プライマリキー・外部キーについて説明せよ。
• 上記説明中の、科目テーブルにふさわしい create table 文を示せ。
• select文における、射影,結合,選択について説明せよ。

SQLの演習環境の使い方

SQL の演習は、Paiza.IO で動作確認をしてください。

• Paiza.IO の 業者・商品・在庫データベースの演習ページ

SQLの基礎/select文と射影・結合・選択

ここまで述べたようにデータベースでは記録されているデータの読み書きは、SQL で行われ、射影・結合・選択を表す処理で構成されることを示した。SQL の機能を理解するために、同じ処理を C 言語で書いたらどうなるのかを示す。

((( 元のSQL )))
SELECT S.業者番号         -- 必要とされるデータを抽出する射影 --
  FROM S                 -- 複数のテーブルを組合せる結合 --
  WHERE S.優良度 >= 20 ;  -- 対象となるデータを選び出す選択 --

((( SQLをC言語で書いたら )))
// 配列の個数を求める #define 文
#define sizeofarray(ARY) (sizeof(ARY) / sizeof(ARY[0]))
// C言語なら... S のデータを構造体宣言で書いてみる。
struct Table_S {
   char 業者番号[ 6 ] ; // 当然、C言語では要素名を
   char 業者名[ 22 ] ;  // 漢字で宣言はできない。
   int  優良度 ;
   char 所在[ 16 ] ;
} S[] = {
   { "S1" , "ABC社" , 20 , "福井" } ,
   :
} ;

// SELECT...をC言語で書いた場合の命令のイメージ
// 結合
for( int i = 0 ; i < sizeofarray( S ) ; i++ ) {
   // 選択
   if ( S[i].優良度 >= 20 )
      // 射影
      printf( "%d¥n" , S[i].業者番号 ) ;
}

Sは、テーブル名であり、文脈上対象テーブルが明らかな場合、フィールド名の前の テーブルは省略可能である。

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SELECT 業者番号 FROM S WHERE 優良度 >= 20 ;

SELECT 業者番号 FROM S WHERE 優良度 >= 20 ;

SELECT 業者番号 FROM S WHERE 優良度 >= 20 ;

WHERE 節で記述できる条件式では、= , <>(not equal) , < , > , <= , >= の比較演算子が使える。
# これ以外の演算機能は、次週にて紹介予定。

直積と結合処理

ここで、SQLの最も便利な機能は、直積による結合処理。複数の表を組み合わせる処理。単純な表形式の関係データベースで、複雑なデータを表現できる基本機能となっている。

SELECT SG.商品番号 , S.所在
  FROM S , SG
  WHERE SG.業者番号 = S.業者番号

• sample.cxx

上記の様に FROM 節に複数のテーブルを書くと、それぞれのテーブルの直積(要素の全ての組み合わせ)を生成する処理が行われる。この機能が結合となる。しかし、これだけでは意味がないので、通常は外部キーが一致するレコードでのみ処理を行うように、WHERE SG.業者番号 = S.業者番号 のような選択を記載する。最後に、結果として欲しいデータを抽出する射影を記載する。

SELECTの結合処理と処理内容

selectでの選択,結合,射影の処理(select 射影 from 結合 where 選択)を理解するために、同じ処理をC言語で書いたらどうなるかを示す。

// C言語なら
struct Table_S {
   char 業者番号[ 6 ] ;
   char 業者名[ 22 ] ;
   int  優良度 ;
   char 所在[ 16 ] ;
} S[] = {
   { "S1" , "ABC社" , 20 , "福井" } ,
   :
} ;
struct Table_SG {
   char 業者番号[ 6 ] ;
   char 商品番号[ 6 ] ;
   int  在庫量 ;
} = SG[] {
   { "S1" , "G1" , 300 } ,
   :
} ;

// FROM S
for( int i = 0 ; i < sizeofarray( S ) ; i++ ) {
   // FROM SG
   for( int j = 0 ; j < sizeofarray( SG ) ; j++ ) {
      // WHERE S.業者番号 = SG.業者番号
      if ( strcmp( S[i].業者番号 , SG[j].業者番号 ) == 0 ) {
         // SELECT SG.商品番号 , S.所在
         printf( "%s %s¥n" , SG[j].商品番号 , S[i].所在 ) ;
      }
   }
}

(1) i,jの2重forループが、FROM節の結合に相当し、(2) ループ内のif文がWHERE節の選択に相当し、(3) printfの表示内容が射影に相当している。

射影の処理では、データの一部分を抽出することから、1件の抽出レコードが同じになることもある。この際の重複したデータを1つにまとめる場合には、DISTINCT を指定する。

SELECT DISTINCT SG.商品番号, S.所在
   FROM S, SG
   WHERE SG.業者番号 = S.業者番号 ;

上記のプログラムでは、データの検索は単純 for ループで記載しているが、内部で HASH などが使われていると、昇順に処理が行われない場合も多い。出力されるデータの順序を指定したい場合には、ORDER BY … ASC (or DESC) を用いる

SELECT SG.商品番号, S.所在
   FROM S, SG
   WHERE SG.業者番号 = S.業者番号
   ORDER BY S.所在 ASC ;        -- ASC:昇順 , DESC:降順 --

表型のデータと串刺し

FROM に記載する直積のための結合では、2つ以上のテーブルを指定しても良い。

SELECT S.業者名, G.商品名, SG.在庫量
   FROM S, G, SG
   WHERE  S.業者番号 = SG.業者番号  -- 外部キー業者番号の対応付け --
     AND  SG.商品番号 = G.商品番号  -- 外部キー商品番号の対応付け --

// 上記の処理をC言語で書いたら

struct Table_G {
   char 商品番号[ 6 ] ;
   char 商品名[ 22 ] ;
   char 色[ 4 ] ;
   int  価格 ;
   char 所在[ 12 ] ;
} = G[] = {
   { "G1" , "赤鉛筆" , "青" , 120 , "福井" } ,
   :
} ;

// [結合] S,G,SGのすべての組み合わせ
// FROM S -- 結合
for( int i = 0 ; i < sizeofarray( S ) ; i++ ) {
   // FROM G -- 結合
   for( int j = 0 ; j < sizeofarray( G ) ; j++ ) {
      // FROM SG -- 結合
      for( int k = 0 ; k < sizeofarray( SG ) ; k++ ) {

         // [選択] 条件でレコードを選び出す
         //   WHERE S.業者番号 = SG.業者番号
         //     AND SG.商品番号 = G.商品番号
         if ( strcmp( S[i].業者番号 , SG[k].業者番号 ) == 0
           && strcmp( SG[k].商品番号 , G[j].商品番号 ) == 0 ) {
            // [射影] 使用するフィールドを出力
            printf( "%s %s %d\n" ,
                    S[i].業者名 , G[j].商品名 , SG[k].在庫量 ) ;
         }
      }
   }
}

ここで結合と選択で実行している内容は、外部キーである業者番号を S から探す、商品番号を G から探している。この、外部キー対応しているものを探すという視点で、上記 C 言語のプログラムを書き換えると、以下のように表せる。

// FROM SG
for( int k = 0 ; k < sizeofarray( SG ) ; k++ ) {
   // 外部キー SG.業者番号に対応するものを S から探す
   for( int i = 0 ; i < sizeofarray( S ) ; i++ ) {
      if ( strcmp( S[i].業者番号 , SG[k].業者番号 ) == 0 ) {
         // 外部キー SG.商品番号に対応するものを G から探す
         for( int j = 0 ; j < sizeofarray( G ) ; j++ ) {
            if ( strcmp(SG[k].商品番号,G[j].商品番号) == 0 ) {
               printf( "%s %s %d\n" ,
                       S[i].業者名,G[j].商品名,SG[k].在庫量 ) ;
            }
         }
      }
   }
}

このような、複数の表の実体と関係を対応付けた検索を、データベースの専門の人は「データを串刺しにする」という言い方をすることも多い。

また、SQL では、このようなイメージの繰り返し処理を、数行で分かりやすく記述できている。このプログラム例では、キーに対応するものを単純 for ループで説明しているが、SQL ではプライマリキーなら、B木やハッシュなどを用いた効率の良い検索が自動的に行われる。このため、SQLを扱う応用プログラマは、SQLの結合の処理方法は通常はあまり考えなくて良い。

データベースの機能

データベースを考える時、利用者の視点で分類すると、以下の3つの視点の違いがある。

1. データベースの管理者(データベース全体の管理)、
2. 応用プログラマ(SQLなどを使って目的のアプリケーションに合わせた処理を行う)、
3. エンドユーザ(データベース処理の専門家でなく、DBシステムのGUIを使ってデータベースを操作する)

データベース管理システム(DBMS)では、データとプログラムを分離してプログラムを書けるように、データ操作言語(SQL)で記述する。

また、データは独立して扱えるようにすることで、データへの物理的なアクセス方法があっても、プログラムの変更が不要となるようにする。

データベースは、利用者から頻繁に不定期にアクセスされる。このため、データの一貫性が重要となる。これらを満たすためには、(a) データの正当性の確認、(b) 同時実行制御(排他制御)、(c) 障害回復の機能が重要となる。

これ以外にも、データベースからデータを高速に扱えるためには、検索キーに応じてインデックスファイルを管理してくれる機能や、データベースをネットワーク越しに使える機能などが求められる。

データベースに対する視点

実体のデータをそれぞれの利用者からデータベースを記述したものはスキーマと呼ばれる。そのスキーマも3つに分けられ、これを3層スキーマアーキテクチャと呼ぶ。

• 外部スキーマ – エンドユーザからどんなデータに見えるのか (create view の例)
• 概念スキーマ – 応用プログラマからは、どのような表の組み合わせで見えるのか、表の中身はどのようなものなのか。
• 内部スキーマ – データベース管理者からみて、表の中身は、どのようなファイル名でどのような形式でどう保存されているのか

データモデル

データを表現するモデルには、いくつかのモデルがある。

• 階層型データモデル – 木構造で枝葉に行くにつれて細かい内容
  • ユーザ情報を扱うLDAP(Light Weight Directory Access Protocol)は、階層モデルの例
  • ディレクトリサービス: コンピュータのリソースの属性や情報のデータベース (Windows の Active Directory)
• ネットワーク型モデル – データの一部が他のデータ構造と関係している。
  
• 関係モデル – すべてを表形式で表す。
  

  実行例

関係データベースの基礎

関係データベースは、1970年頃に、E.F.コッド博士によりデータベースのための数学的な理論が確立された。

• 集合 A, B – 様々なデータ
• 直積 A✕B = { (x,y) | x∈A , y∈B } 集合A,Bのすべての組み合わせ
• 関係 R(A,B) すべての組み合わせのうち、関係があるもの。直積A,Bの部分集合

例えば、A={ s,t,u } , B={ p,q } (定義域) なら、

A✕B = { (s,p) , (s,q) , (t,p) , (t,q) , (u,p) , (u,q) }

このうち、Aが名前(sさん,tさん,uさん)、Bが性別(p=男性,q=女性)を表すなら、

R(A,B) = { (s,p) , (t,q) , (u,p) } (例)
(例)：(sさん,男性) , (tさん,女性) , (uさん,男性)

理解確認

• データベースにおける3層スキーマアーキテクチャについて説明せよ
• 集合A,Bが与えられた時、関係R(A,B) はどのようなものか、数学定義や実例をあげて説明せよ。

• 2023年度データベース・シラバス

インターネットの情報量

インターネット上の情報量の話として、2010年度に281EB(エクサバイト)=281✕10¹⁸B(参考:kMGTPEZY)で、2013年度で、1.2 ZB(ゼタバイト)=1.2✕10²¹B という情報があった。ムーアの法則の「2年で2倍」の概算にも、それなりに近い。 では、今年2023年であれば、どのくらいであろうか？

• ムーアの法則でいけば、281EB(2010年)×2^13/2=25ZB(2023年)だけど
• 大塚商会の2016年度における2020年度の予測では…
• アメリカのIDCの2020/5月の発表では、59ZB!? — 165ZB??

しかし、これらの情報をGoogleなどで探す場合、すぐにそれなりに情報を みつけてくれる。これらは、どの様に実装されているのか？

Webシステムとデータベース

まず、指定したキーワードの情報を見つけてくれるものとして、 検索システムがあるが、このデータベースはどのようにできているのか？

Web創成期の頃であれば、Yahooがディレクトリ型の検索システムを構築してくれている。(ページ作者がキーワードとURLを登録する方式) しかし、ディレクトリ型では、自分が考えたキーワードではページが 見つからないことが多い。

そこで、GoogleはWebロボット(クローラー)による検索システムを構築した。 Webロボットは、定期的に登録されているURLをアクセスし、 そのページ内の単語を分割しURLと共にデータベースに追加する。 さらに、ページ内にURLが含まれていると、そのURLの先で、 同様の処理を再帰的に繰り返す。

これにより、巨大なデータベースが構築されているが、これを普通のコンピュータで実現すると、処理速度が足りず、3秒ルール or 5秒ルール (Web利用者は次のページ表示が3秒を越えると、次に閲覧してくれない)を実現するための能力が不足してしまう。だからこそ、これらを処理するには負荷分散が重要となる。

Webシステムの負荷分散

一般的に、Webシステムを構築する場合には、 1段:Webサーバ、2段:動的ページ言語、3段:データベースとなる場合も 多い。この場合、OS=Linux,Web=Apache,DB=MySQL,動的ページ生成言語=PHPの組合せによる、 LAMP構成とする場合も多い。

                            OS = Linux
               [ Webサーバ   動的Web言語  データベース ]
   User - - - - - Apache ----- PHP ----- MySQL

一方で、大量のデータを処理するDBでは、フロントエンド,セカンダリDB(スレーブDB),プライマリDB(マスタDB)のWebシステムの3段スキーマ構成となることも多い。
フロントエンドは、大量のWebユーザからの問合せを受ける部分であり、必要に応じてセカンダリDBに問合せを行う。
大量のユーザからの問合せを１台のデータベースシステムで捌くには処理の負荷が高い場合、複数のデータベースで負荷分散を行う。プライマリDBは、複数のデータベースシステムの原本となるべきデータを保存される。負荷分散の為に分散されたセカンダリDBは、プライマリDBと内容の同期をとりながらフロントエンドからの問合せに応答する。

データベースシステム

データベースには、ファイル内のデータを扱うためのライブラリの BerkleyDB といった場合もあるが、複雑なデータの問い合わせを実現する 場合には、リレーショナル・データベース(RDB)を用いる。 RDBでは、データをすべて表形式であらわし、SQLというデータベース 問い合わせ言語でデータを扱う。 また、問い合わせは、ネットワーク越しに実現可能であり、こういった RDBで有名なものとして、Oracle , MySQL , PostgreSQL などがある。 単一コンピュータ内でのデータベースには、SQLite などがある。

リレーショナルデータベースの串刺し

このような表データでは、たとえば「みかん」の単価が変更になると、2行目,4行目を変更しなければいけなくなる。巨大な表の場合、これらの変更は大変。

そこで、この表を2つに分類する。

select 単価表.商品名, 単価表.単価, 販売表.個数, 単価表.単価*販売表.個数
    from 単価表, 販売表 ;

データベースに求められるのACID特性

データベースシステムと呼ばれるには、ACID特性が重要となる。(次に述べるデータベースが無かったら…を参照)

• A: 原子性 (Atomicity) – 処理はすべて実行するか / しない のどちらか。
• C: 一貫性 (Consistency) – 整合性とも呼ばれ、与えられたデータのルールを常に満たすこと。
• I: 独立性 (Isolation) – 処理順序が違っても結果が変わらない。それぞれの処理が独立している。
• D: 永続性 (Durability) – データが失われることがない(故障でデータが無くならないとか)

しかし、RDBでは複雑なデータの問い合わせはできるが、 大量のデータ処理のシステムでは、フロントエンド,セカンダリDB,プライマリDB の同期が問題となる。この複雑さへの対応として、最近は NoSQL(RDB以外のDB) が 注目されている。(例: Google の BigTable)

データベースが無かったら

これらのデータベースが無かったら、どのようなプログラムを作る 必要があるのか？

情報構造論ではC言語でデータベースっぽいことをしていたが、 大量のデータを永続的に扱うのであれば、ファイルへのデータの読み書き 修正ができるプログラムが必要となる。

こういったデータをファイルで扱う場合には、1件のデータ長が途中で 変化すると、N番目のデータは何処？といった現象が発生する。 このため、簡単なデータベースを自力で書くには、1件あたりのデータ量を 固定し、lseek() , fwrite() , fread() などの 関数でランダムアクセスのプログラムを書く必要がある。

また、データの読み書きが複数同時発生する場合には、排他処理(独立性)も 重要となる。例えば、銀行での預け金10万の時、3万入金と、2万引落としが 同時に発生したらどうなるか？ 最悪なケースでは、 (1)入金処理で、残金10万を読み出し、 (2)引落し処理で、残金10万を読み出し、 (3)入金処理で10万に+3万で、13万円を書き込み、 (4)引落し処理で、残金10万-2万で、8万円を書き込み。 で、本来なら11万になるべき結果が、8万になるかもしれない。

さらに、コンピュータといってもハードディスクの故障などは発生する。 障害が発生してもデータの原子性や永続性を保つためには、バックアップや 障害対応が重要となる。

データベース

ポイント86.3

• データベースガイダンス2022
• データベースの用語など
• SQLの基本
• 集約関数と副問い合わせ
• GROUP BY HAVINGとビューテーブル
• ERモデル
• データべースの設計と正規形
• データベースの物理設計
• トランザクション処理
• B木とB+木とハッシュ法
• NoSQLと Google firestore

データベースシステムとして、最近は NoSQL (Not Only SQL) が注目されている。この中で、広く使われている物として、Google Firestore などが有名である。教科書以外の最近のデータベースの動向ということで、最後に NoSQL の説明を行う。

リレーショナルデータベースシステムの問題

リレーショナルデータベースのシステムでは、大量の問い合わせに対応する場合、データのマスターとなるプライマリサーバに、そのデータの複製を持つ複数のセカンダリサーバを接続させる方式がとられる。しかしながら、この方式ではセカンダリサーバへのデータ更新を速やかにプライマリサーバに反映させる、さらにその結果が他のセカンダリサーバに反映させる必要があることから、大量のデータに大量の問い合わせがあるようなシステムでは、これらのデータ同期の性能が求められる。しかも、プライマリサーバが故障した場合の復旧なども考えると、こういったプライマリ・セカンダリ・サーバ構成での運用・管理は大変である。

NoSQLの利点

NoSQLのデータベースでは、すべてのデータを複数のサーバ(別のデバイス,ネットワーク)に冗長化したうえで分散して保存する。この際に、どのサーバがプライマリサーバといった概念はない。もし1つのサーバが故障したとしても、分散して保存されたデータから元のデータを自動的に修復できるような構造となっている。

データの分散保存であれば、ハードディスクの RAID システムなども関連知識となるであろう。

• RAID0 – ストライピング(データを別デバイスに分散保存し、並行読み出しで高速化)
• RAID1 – ミラーリング(データを複数デバイスに同じものを書き込んで、データ故障耐性を実現)
• RAID5 – データを複数デバイスに分散保存する際に、データ誤り訂正のデータも分散保存し、高速化と故障耐性を実現
• RAID6 – データ誤り補正のデータを複数もたせて、分散保存

リレーショナルデータベースで大量のユーザからアクセスされる場合、データが安全に取り扱うことができたり、システムに障害が発生した時の対応や、システムのスケーラビリティ(利用状況に応じて処理するプロセッサなどを増やしたり減らしたりする機能)が重要となる。NoSQLのシステムでは、中心となるプライマリサーバを作るのではなく、データを複数のシステムに分散して保存し、障害が発生しても、分散したデータから自動的にデータを修復できるような構成とする。

NoSQLのシステムでは、データ格納形式から、キーバリューストア型、カラムストア型、ドキュメントデータベース、グラフデータベースに分類される。最も代表的なものは、保存するデータ(Value)に対し検索するためのキー(Key)だけの基本的なデータ検索だけを提供する キーバリューストア(Key-Value store)である。こういった構成ではSQLとは違い、複数のテーブルをまたがった検索などができない(サブコレクションなどを使えば代用可能)。

Google の Firestore

NoSQLのデータベースを構築したのは、Google が先駆けであった。現在、このGoogle の NoSQL のシステムは、Firestore として利用されている。(データベースはFireBase)

Firestore は、ドキュメントモデルデータベースの一種であり、すべてのデータはドキュメントとコレクションに保存される。ドキュメントは、データベースでのレコードに相当するが、属性名とそれに対応したデータの JSON オブジェクトである。コレクションは、キーにより対応するドキュメントを取り出せるデータ群である。ドキュメントの中に、サブコレクションを保存することもできる。

データベースでは、キーなどの値を高速に探し出すために、単純なデータが並んだだけのテーブルとは別に、検索専用のデータ構造を別に持たせることが多い。これらの検索用のデータは、インデックスファイルと呼ばれる。また、データベースのテーブルのデータも、高速に検索する機能とすべてのデータを順次取り扱うための機能が求められる。これらの機能を実現するための仕組みを以下に説明する。

B木

データベースのデータを扱う場合には、B木を用いることが多い。(4年の情報構造論で説明済み)

複数のデータを格納するノードは、位数Nであれば、2✕N個のデータと、その間のデータを持つノードへの2N+1個のポインタで構成される。

ノードにデータを加える場合(あるいは削除する場合)は、頻繁にノードのポインタの付け替えが発生しないように、データがN個を下回った時や、2N個を超える場合に以下のような処理を行う。ノード内のデータ数が2Nを超える場合は、均等に木構造が成長するように、中央値を上のノードに移動し、ノードを2分割する。

データを削除することでN個を下回る場合は、隣接するノードからデータを移動する。(上図の緑部分のように上位ノードの値を交えながら移動する)

このような処理を行うことで、極力不均一に成長した木構造が発生しないようにB木は管理されている。

B+木とシーケンスセット

再帰的な木構造のB木では、特定のデータを探す場合には、O(log N)で検索が可能である。

しかしながら、直積のようなすべてのデータを対象とする処理を行う場合、単純なB木では再帰呼出しをしながらの処理を必要とすることから、複雑な処理が発生する。そこで、データ列を横方向にアクセスするための単純リストであるシーケンスセットをB木と並行して管理するデータ構造がB+木である。

データを検索する場合は、B木構造部を用い、全データ処理は、シーケンスセットを用いる。

ハッシュ法

ハッシュ表は、データの一部をとりだしてハッシュ値を求め、そのハッシュ値を番地とする場所にデータを保存する方法である。しかし、データの一部を取り出すため、異なるデータに対して同じハッシュ値となる場合がある。これをハッシュ衝突とよぶ。この際のデータの保存の方法から、2つの方式がある。

1. オープンアドレス法
   ハッシュ表がすでに埋まっていたら、別の保存場所を探す方式。
2. チェイン法
   同じハッシュ値となるデータをリスト構造で保存する方法。

トランザクション処理

トランザクション処理とは、相互に依存関係にある複数の処理を矛盾なく処理することであり、データベースでは、ACID特性(原子性,一貫性,隔離性,耐久性)がもとめられる。この時、直列化可能(様々な順序で処理できるかもしれないけど、矛盾しない結果となる処理順序が存在すること)であることが求められる。

例えば、以下のように、50万円のデータがあった時、入金処理と出金処理がほぼ同じタイミングで開始された場合、入金処理が終わらないうちに、出金処理が開始されると、以下の例では入金処理が無視されてしまう。

上記のような問題が発生しないようにするには、以下のように、入金処理の時点で他の更新処理を排除するLOCK処理を行い、入金データの書き込みを終えた時点でUNLOCK処理を行う、排他処理が重要となる。(ロックされている間は、アクセスを禁止する。)

• C言語でのファイルロック(共有ロック,排他ロックの機能あり)

同時実行制御

複数のトランザクションによるデータアクセスで、トランザクション処理を直列化可能にすることを、同時実行制御と呼ぶ。この方式には、2つの方法がある。

1. ロッキング方式(悲観的制御)
   先行するトランザクションは、データにロックをかけ、他のトランザクションを一時的に排除する方式。後発の処理はアンロックされるまで待たされることことから、これが処理効率の低下となる。
   • ロッキング方式では、ロックをかける大きさ(粒度)が大きいと、待ち処理が発生する可能性が高い。一方で、粒度を小さくしようとすると、ロックの判定が難しくなり効率が低下する可能性も出てくる。
     
   • ロックの種類
     ロックには、読み出し中心のデータと書き込みで更新のかかるデータでは、ロックのかけ方が異なる。例えば、読み出し中のデータは値が変化しないことから、同じタイミングで読み出し処理が発生しても、待たせる必要は無い。
     この時、データを読み出す際にかける共有ロック(Read Lock)と、書き込みの際にかけるロック占有ロック(Write Lock)がある。
   • 2相ロッキングプロトコル
     トランザクションのロックの操作は、ロックをかける操作が続く成長相と、ロックを解除する操作が続く縮退相に分けて行うことが多い。これを2相ロッキングプロトコルと言う。
2. 時刻印処理(楽観的制御)
   データの競合の発生頻度が低い場合には、ロッキング方式は待ち処理時間が無駄となるため、同時アクセスを許す方式。ただし、あとで処理の発生した時間(タイムスタンプ)を確認し不都合が判明した場合は、処理の記録をもとにロールバックしてやり直す方式。

デッドロック

複数のトランザクションの実行時には、相互の関係から、処理がうまく進まない場合も発生する。(お互いが相手の処理をロックする状態で、ロック解除が発生しない。)

このような状態をデッドロックと呼び、この状態が発生すると処理が停止してしまうこともある。このような状態は、避けられない場合もあるが、どの処理が何を使うのか、どのデータはどの処理の終了を待っているのかといった資源の状態をグラフ理論で表現したもの資源グラフをで表現し、グラフが巡回するようであれば、デッドロックが発生する可能性がある。

グラフ理論(Wikipedia)

前述の資源グラフをコンピュータで扱う場合には、グラフ理論が用いられる。グラフ理論では、ノード間の接続に方向の概念が無い物は無向グラフと呼ばれる。また、ノードの接続関係は隣接行列で表現する。行と列がそれぞれノードに対応付け経路が存在する場所を1で表す。データベースの資源グラフのような方向性がある場合は有向グラフと呼ばれ、始点(行)と終点(列)の経路がある所を1で表す。

最初にテストを返却した後、データベース物理設計の話を行う。来週はレポート課題作成日とすることから、課題を以下に示す。

データベース後半課題

データベース後半の課題は「卒業研究の対象をデータベースとして設計」とする。

情報系の卒研テーマであれば、処理対象のデータの中にはデータベースで管理するのがふさわしい対象について設計せよ。実験系の卒研テーマであれば、実験結果の表をデータベースで管理するとした場合の設計を行うこと。どちらでもない卒研で、卒研のテーマの中にデータベース化すべき対象が無い場合は、身の回りの帳票(例えばコンビニのレシートなど)をデータベース化することを検討すること。

レポートで記載する内容は、以下の通りとする。

• 卒業研究におけるデータベース化する対象の説明
• データベースをトップダウン設計する際の
  • 実体と関連を抽出するまでの説明
  • 正規化を行う経過の説明
  • 上記を踏まえたトップダウン設計でのER図
• データベースをボトムアップ設計する際の
  • 対象とする帳票に相当するデータの一例と説明
  • レベル分けや正規化を行う経過の説明
  • 上記を踏まえたボトムアップ設計でのER図
• 考察
  • トップダウン設計とボトムアップ設計に違いがあれば、設計の見直しの過程の説明
  • 両設計方法から分かったこと

データベースの物理設計

データベースの物理的設計は、データベースの格納法法や管理方法を決定する。この際には、ディスク容量の見積もりやメモリ量の見積もりが重要となる。

ディスク容量の見積もり

データベースでは、B木(以降で解説予定)などが用いられることが1つのB木のノード(データブロック)の構造をおおまかに示す。各データブロックには、そのブロックを管理するためのページ制御の情報と、実データへのポインタとなるスロット情報と、実データからなる。

実データは、すべてのデータが固定長であれば、そのデータ長とブロック毎のデータ数にページ制御の容量を加えれば良い。しかし、データ長は可変であることが多い。この場合は、データの更新でデータ長が長くなると、その後ろのデータをずらす処理が頻発すると、データ管理の効率が悪い。

そこで、実データの間には、データ長が増えた時の空き領域を設けておく。この比率がPCTFREEと呼ばれ、この領域が埋まった時にのみデータをずらす処理を行う。

また、データベースへのデータの削除を行う場合、データが１つ消える度にデータブロックの構成を変化させると効率が悪く、通常はデータ削除の目印をつけるだけとすることが多い。データ削除で空きがふえた時だけ、データブロックの構成を変えたり、データ追加の際にデータを追加する。この比率は、PCTUSEDと呼ばれる。

このため、ハードディスク容量の見積もりでは、PCTFREE,PCTUSEDを考慮する必要がある。

一般的には、容量を減らす観点であれば、PCTFREEはなるべく小さく、PCTUSEDはなるべく大きい方が望ましいが、データの更新で追加・削除・修正が頻発するのであれば、PCTFREEはある程度大きく、PCTUSEDはある程度小さい方がよい。このため、PCTFREE+PCTUSED < 100 となるようにチューニングすることが多い。

また、実際のデータとは別に、データを高速に検索するためのインデックスファイルが作られるので、この容量も別途考慮が必要となる。

補足：残り予定：トランザクション処理, 内部構造, テスト前レポート課題