Лабораторная работа по реляционным СУБД и языку SQL

Copyright(С) Олег П. Филон
декабрь 2000, Гомель, BY
[email protected]

Заняться выполнением этой лабораторной работы меня побудили несколько причин. Во-первых, занимаясь построением серверов и сетей на основе Линукса, я догадывался, что где-то совсем рядом лежит сказочно богатый континент, пока не нанесенный на мою карту компьютерного мира. Во-вторых, авторы одной из самых популярных открытых программ - СУБД MySQL, недавно приняли GNU GPL (General Public License) как лицензию, по которой распространяется эта программа, и теперь MySQL является полноценным проектом GNU. Эти юридические тонкости имеют самое непосредственное отношение к нам, пользователям, чему я немного ниже приведу пример. И наконец, в-третьих, пытаясь отыскать хорошие руководства по SQL в сети, я в конце концов обнаружил, что самые лучшие он-лайновые учебники по этой теме, оказывается, написаны нашими соотечественниками, на русском языке, и лежат у меня на диске - в зеркале сервера CITFORUM.

Особенно полезны учебный курс Введение в системы управления базами данных Пушникова А.Ю., и курс лекций Основы современных баз данных Сергея Кузнецова. Недавно к ним добавилось подробное описание СУБД MySQL, сделанное Паутовым Алексеем Валентиновичем на основе оригинальной документации и такое же доскональное.

Итак, пришла пора взяться за учебники, а для меня еще и достать припасенный для такого случая особый файл. Этот файл представляет собой телефонный справочник службы 09 нашего города, пару лет назад попавший в местную ФИДО-сеть. Мне не очень важна его актуальность, зато очень подходит его размер - свыше 120 тысяч записей. Очень часто примеры, даваемые в учебниках, являются слишком игрушечными, чтобы вызывать интерес. Затем, на крошечной БД невозможно почувствовать скорость и мощь современных программ и компьютеров, или наоборот, плохо настроенную БД или неправильно составленный запрос. Кроме этого, ситуация с построеним БД вокруг уже имеющихся данных вполне жизненна.

Вполне возможно, что у вас файла с такими данными в пределах досягаемости нет. Ничего страшного - его можно сделать самому, использовав подручные средства - например, взять простой текстовый файл, обычные textutils, и интерпретатор языка awk. Пример, как это можно сделать, приведен здесь: генерация случайного телефонного справочника. Конечно, данные в таком файле будут только внешне похожими на настоящий телефонный справочник.

Для начала надо установить на вашем компьютере MySQL. Не буду пересказывать главы из документации, имеющиеся в описании Алексея Паутова. Скажу лишь, что для установленного у меня дистрибутива Дебьян установка программы свелась к выполнению команды:

...$ dpkg -i mysql-server_номер_версии.deb mysql-client_номер_версии.deb

В дистрибутиве Mandrake, который я также иногда ставлю, используется программа-установщик rpm с соответствующими ключиками, или же какая-то из графических надстроек над rpm. Вполне возможно, что в вашей Линукс системе эта СУБД установилась сама собой по умолчанию.

Инсталяция MySQL под Windows, равно как и Apache, PHP и Perl, рассказана Дмитрием Котеровым на том же ЦИТФоруме.

Предупреждаю, однако, что все, что написано ниже, проверено только под Линуксом.

Если вам повезло, и команда

...$ mysql

из вашего шелла выдала приглашение наподобие:

Welcome to the MySQL monitor.  Commands end with ; or \g.  Your MySQL
connection id is 28 to server version: 3.22.32-log
 
Type 'help' for help.
 
mysql>

, то в ответ на него наберите \q, оставим на время интерпретатор SQL запросов, и займемся администрированием сервера MySQL.

Прежде всего, надеюсь, вы установили пароль администратора сервера БД, и пока его не забыли. Теперь нужно завести пользователей и дать им некоторые права. Все администрирование ведется через обычные таблицы MySQL, их правка также осуществляется стандартными SQL командами. Самая первая таблица, которая определяет допуск юзера к серверу, так и называется - user. Давайте глянем, кто у нас там есть и что он может делать:

...$ mysqldump -u root -p --opt mysql user>mysql-users.sql

После выполнения этой команды у нас появился файл mysql-users.sql Загрузим его в текстовый редактор, чтобы поподробнее изучить, и, возможно, немного поправить.

# MySQL dump 7.1
#
# Host: localhost    Database: mysql
#--------------------------------------------------------
# Server version	3.22.32-log
#
# Table structure for table 'user'
#
DROP TABLE IF EXISTS user;
CREATE TABLE user (
  Host char(60) DEFAULT '' NOT NULL,
  User char(16) DEFAULT '' NOT NULL,
  Password char(16) DEFAULT '' NOT NULL,
  Select_priv enum('N','Y') DEFAULT 'N' NOT NULL,
  Insert_priv enum('N','Y') DEFAULT 'N' NOT NULL,
  Update_priv enum('N','Y') DEFAULT 'N' NOT NULL,
  Delete_priv enum('N','Y') DEFAULT 'N' NOT NULL,
  Create_priv enum('N','Y') DEFAULT 'N' NOT NULL,
  Drop_priv enum('N','Y') DEFAULT 'N' NOT NULL,
  Reload_priv enum('N','Y') DEFAULT 'N' NOT NULL,
  Shutdown_priv enum('N','Y') DEFAULT 'N' NOT NULL,
  Process_priv enum('N','Y') DEFAULT 'N' NOT NULL,
  File_priv enum('N','Y') DEFAULT 'N' NOT NULL,
  Grant_priv enum('N','Y') DEFAULT 'N' NOT NULL,
  References_priv enum('N','Y') DEFAULT 'N' NOT NULL,
  Index_priv enum('N','Y') DEFAULT 'N' NOT NULL,
  Alter_priv enum('N','Y') DEFAULT 'N' NOT NULL,
  PRIMARY KEY (Host,User)
);

#
# Dumping data for table 'user'
#
 
LOCK TABLES user WRITE;
INSERT INTO user VALUES
 ('localhost','root','','Y','Y','Y','Y','Y','Y','Y','Y',...),
 ('localhost','ophil','','N','N','N','N','Y','N','Y','N',...),
 ('localhost','proba','','N','N','N','N','N','N','N','N',...);
UNLOCK TABLES;

Вот уже и показались первые SQL-предложения, хотя мы пока не начинали программировать или что-либо запрашивать. В предложении CREATE TABLE перечислены все 14 различных привилегий, которые могут иметь или быть лишены пользователи. Первые 6 - Select, Insert, Update, Delete, Create и Drop, касаются права пользователя работать с записями таблиц и с самими таблицами. Следующие 4 - Reload, Shutdown, Process и File - касаются сервера в целом. Привилегии Grant, References, Index и Alter дают право передавать права, а также изменять, связывать и индексировать таблицы.

Два важных замечания.

Во-первых, права, данные в этой таблице, по умолчанию распространяются на все БД, имеющиеся на сервере. Поэтому не давайте в этой таблице никаких привилегий, касающихся таблиц. Более тонко, с точностью до отдельных полей и адресов хостов, права пользователей настраиваются в других таблицах, а эта таблица должна только разрешать вход на сервер.

Во-вторых, привилегии, касающиеся сервера в целом, настраиваются только в этой таблице, и хотя бы один пользователь, в данном случае root, должен иметь эти привилегии, иначе сервер станет неуправляемым.

Если в ваши планы входит дать доступ к серверу всем пользователям и под любым именем, заведите пользователя с пустым именем ''. Те же правила применяются к именам и адресам компьютеров-хостов.

Теперь, размножив и поправив записи в таблице, но ни в коем случае не ее структуру, отправим команды обратно в MySQL.

...$ mysql -u root -p < mysql-users.sql

и попросим сервер перечитать измененные права

...$ mysqladmin -u root -p reload

Еще одно замечание насчет паролей. В рассмотренном нами файле поля паролей пусты, и это надо немедленно исправить. Править их в текстовом файле неудобно, потому что MySQL используем для шифрования пароля отдельную программу, и хранит пароль в зашифрованом виде. Чтобы установить пароль, например, пользователю "proba", надо выполнить такую команду:

...$ mysql mysql -e 'update user set password=password("0") where user="proba";'

Поздравляю, мы только что составили и выполнили первый SQL запрос в нашей лабораторной работе, хотя и сделали это из командной строки, со всеми ее удобствами и неудобствами. К неудобствам можно отнести то, что наш пароль высветился на экране, мог попасть в список процессов, в разные журнальные файлы. Будет лучше не полениться, запустить монитор mysql и задавать пароли в нем с помощью того же запроса внутри СУБД MySQL.

Отличие от обычной системы паролей в том, что имена пользователей БД могут быть не связаны с их регистрационными именами в системе, пользователи не могут менять свои пароли, и этот пароль известен администратору БД.

Разобравшись с самой первой административной таблицей user, остальные таблицы: db, host, tables_priv, columns_priv, func - правим аналогично.

Каждую из команд, посылаемую MySQL, можно задавать либо в мониторе запросов mysql, либо из командной строки, либо создав файл и отправив его в интерпретатор MySQL через тот же монитор. Можно также обратиться к MySQL через интерфейсы с другими языками программирования из программ, написанных на C, Perl, PHP, Python и других.

Вывод на экран может немного отличаться в каждом случае, а также в зависимости от того, на экран или в файл (конвейер) направлен вывод. При работе в интерпретаторе всегда сообщается время, потраченное на выполнение запроса, а при выводе в файл (конвейер) не рисуется рамочка вокруг таблицы. Это делается только для нашего удобства, и не влияет ни на результат, ни на сам SQL запрос.

Итак, обговорив разные способы ввода команд и вывода результата, займемся собственно SQL предложениями и преобразованием исходных данных. Доставшийся мне по случаю файл 09phone.txt представляет собой текстовый файл с полями в фиксированых колонках, как здесь :

107003  банки "приорбанк"        первомайская ул.         1   бнк
107007  центры информацио        жукова ул.               4а  цен
107026  предприятия транс        артиллерийская ул.       8а  пре

и каждая запись содержит 5 полей:

1. номер телефона
2. фамилия или название организации
3. улица
4. номер дома
5. номер квартиры или примечание

Если бы исходные данные пришли из другой SQL БД и были в виде, как уже изученная нами таблица user, все, что нам пришлось бы сделать, это отправить в интерпретатор этот файл. Если бы текстовый файл был в более удобоваримом виде, например, с полями, разделенными знаками табуляции, то загрузить его в таблицу также можно было бы за один шаг. Но в нашем случае придется создать временную таблицу

create table tmp
(
    line varchar(80)
);

и импортировать в нее данные с помощью

load data infile '/tmp/09phone.txt' into table tmp;

Таким образом мы записали в таблицу tmp каждую запись как строку без разделения на поля. Импорт занял на моем компьютере около 4.4 сек. Здесь и далее и привожу время только для сравнения, для своего компьютера и настроек программы, сделанных по умолчанию.

Следующий шаг - извлечь данные из полей на фиксированных позициях и поместить их в промежуточную таблицу old с теми же полями, что и в исходной БД.

Сначала создадим таблицу

create table old
(
	phonum int unsigned not null,
	title varchar(64) not null,
	street varchar(40) not null,
	bldng varchar(8) not null,
	other varchar(8) not null
);

а затем заполняем ее данными, пройдя по всем строкам таблицы tmp:

insert into old
	( phonum, title, street, bldng, other )
select
	trim(mid(line,1,6)),
	trim(mid(line,8,18)),
	trim(mid(line,34,19)),
	trim(mid(line,58,4)),
	trim(mid(line,63,3))
from tmp;

Функция mid(...) извлекает из первого аргумента подстроку в соответствующих позициях, а функция trim(...) удаляет пробелы в начале и конце строки. Теперь можно спокойно сделать

drop table tmp;

Опять же, только для сравнения, 123 тысячи записей обработаны за 8.6 сек. Для того, чтобы узнать время запроса из программы, содержащей все команды и выполняемой неинтерактивно, пришлось применить такой способ:

create table times
(
    start int unsigned
);
insert into times values ( unix_timestamp() );

Чистый SQL и MySQL не поддерживают никаких иных переменных, кроме таблиц и полей, так что для хранения времени пришлось завести отдельную таблицу. Нет также ничего похожего на print или echo, так что сообщать результат получилось только злоупотребив оператором select:

select "импорт данных выполнен: ",unix_timestamp()-start," сек." from times;

Получившаяся таблица old еще нуждается в нормализации, но уже первые тривиальные запросы выявили одну проблему. Сортировка по алфавиту использовала по умолчанию чуждую русскому языку кодировку ISO-8859-1. Хотя в последних версиях, возможно, уже можно менять порядок сортировки на ходу, в той версии, которая входит в Debian v2.2, для правильной работы с русским языком необходима перекомпиляция (сборка) программы с параметром

...$ ./configure --with-charset=koi8_ru

В Debian'е для сборки пакетов есть масса скриптов, которые и делают всю работу. Таким образом, поправив файл debian/rules и произведя магическое заклинание

...$ debuild -b -uc 2>&1|tee build.log

вскоре я получил готовый к инсталяции пакет с правильным понятием по-русски.

Но тут же возникла следующая проблема. FSF (Free Software Foundation) и Debian очень щепетильно относятся к любым ограничениям на свободу программ, и те ограничения на коммерческое использование MySQL, которые были в их старой лицензии, привели к тому, что MySQL оказался в секции non-free. Желание иметь клиентскую часть свободной вынудило разработчиков вырезать из оригинальных исходников чисто GPL-ные куски и образовать отдельное дерево исходников. По-английски это называется "fork", а в русском языке вполне подходит слово "раскол". Хотя это слово и с маленькой буквы, явление весьма неприятное, распыляющее силы разработчиков и создающее неудобства пользователям. В моем случае пришлось пересобирать также и GPL-ные исходники, а затем бороться с конфликтом зависимостей пакетов.

Но вот борьба позади, и мы приступаем к разбиению единой таблицы на несколько связанных и нормализованных, что, собственно, и дает право называться СУБД реляционной. Из таблицы old с теми же полями, что и в исходном файле, мы сделаем 3 таблицы, связанные, как это обычно рисуется на схемах, таким образом:

    phone               
    ------           
    phonum              building
    naim                --------             street
    bd_id >------------ bd_id                ------
    other               st_id   >----------- st_id
                        bldng                nick

Значок >-- обозначает сторону "много" в отношении "один ко многим" и означает, что в одном здании может быть много телефонных номеров, а на одной улице много зданий.

Начать придется с конца, с таблицы street, которая будет содержать список улиц, и на которую будет ссылаться таблица building, содержащая, в свою очередь, список всех телефонизированных зданий в городе.

create table street
(
	st_id smallint unsigned not null auto_increment,
	nick varchar(32) not null,
	primary key (st_id)
);
insert into street ( nick )
select distinct street
from old;

Заполнение таблицы заняло 12.1 сек. Теперь создадим таблицу building

create table building
(
	bd_id smallint unsigned not null auto_increment,
	st_id smallint unsigned not null references street,
	bldng varchar(8) not null,
	tmp varchar(40) not null,     # временно, для соответствия с old
	primary key (bd_id)
);

и также заполним её

insert into building ( st_id, tmp, bldng )
select distinct street.st_id,street.nick,old.bldng
from old,street
where old.street=street.nick;

Таблица заполнялась аж 5 мин. 23 сек., так что было время задуматься. Прояснить ситуацию в таких случаях помогает особая команда explain, например

explain select distinct street.st_id,street.nick,old.bldng
from old,street
where old.street=street.nick;

которая выдала следующую подсказку:

+--------+------+---------------+------+---------+------+--------+------------+
| table  | type | possible_keys | key  | key_len | ref  | rows   | Extra      |
+--------+------+---------------+------+---------+------+--------+------------+
| street | ALL  | NULL          | NULL |    NULL | NULL |    591 |            |
| old    | ALL  | NULL          | NULL |    NULL | NULL | 122794 | where used |
+--------+------+---------------+------+---------+------+--------+------------+

Оказывается, для каждой записи из old происходит поиск в таблице street, т.е. просматриваются O(122794*591) строк.

Попробуем проиндексировать эти две таблицы по общему полю

create index street on street (nick);
create index street on old (street);

Тот же самый запрос теперь выглядит изнутри вот так:

+--------+------+---------------+------+---------+------+--------+
| table  | type | possible_keys | key  | key_len | ref  | rows   |
+--------+------+---------------+------+---------+------+--------+
| street | ALL  | street        | NULL |    NULL | NULL |    591 |
| old    | ALL  | street        | NULL |    NULL | NULL | 122794 |
+--------+------+---------------+------+---------+------+--------+
 
----------------------------------------------+
 Extra                                        |
----------------------------------------------+
                                              |
 range checked for each record (index map: 1) |
----------------------------------------------+

и занимает 19.7 секунд. Даже с учетом ~1 мин. на создание индексов, выигрыш в скорости заметен. Разобравшись с индексами, можно их удалить

drop index street on street;
drop index street on old;

Создаем теперь новую таблицу phone

create table phone
(
	phonum char(6) not null default "000000",
	naim varchar(48) not null default "",
	bd_id smallint unsigned not null references building,
	other varchar(8) not null
);

Для заполнения последней таблицы даже не пробуем делать выборку из неиндексированых таблиц, а первым делом создаем индексы, используя заранее предусмотренное временное поле, соответствующее названию улицы.

create index building on building (tmp, bldng);
create index building on old (street, bldng);
 
insert into phone ( phonum, naim, bd_id, other )
select old.phonum,old.title,building.bd_id,old.other
from old,building
where old.street=building.tmp and old.bldng=building.bldng;

Индексы создались за 3 и 45 сек., а данные вставились за 19 сек. Теперь можно удалить рабочую таблицу и лишние индекс и поле:

drop table old;
drop index building on building;
alter table building drop tmp;

Подведем некоторые итоги.

Из исходного 8-мегабайтного текстового файла получились 3 связанные таблицы общим размером ~3.8MB. Простые запросы, например

select p.phonum,p.naim,s.nick,b.bldng
from phone p,street s,building b      # короткие синонимы таблиц
where 
   p.bd_id=b.bd_id                # таким образом
   and b.st_id=s.st_id            #       связывают таблицы
   and p.phonum like "%1234%"     # собственно запрос
order by p.naim;

занимают ~1.6 сек. Это приблизительно совпадает с результатом сканера grep на оригинальном текстовом файле при поиске тех же строк, и немного превосходит время, демонстрируемое интерпретатором awk.

Но, конечно, MySQL создан не для того, чтобы соревноваться с grep или awk. Используя язык SQL, можно создавать БД и манипулировать данными любой сложности. В области клиент-серверных приложений MySQL вполне способен конкурировать с признанными коммерческими СУБД. Но вся мощь MySQL раскрывается в соединении с технологиями Internet, если так можно выразиться, в "дважды клиент-серверных" технологиях. Доступ к БД выполняется из приложений, запускаемых на web-сервере, результат выдается в виде HTML страниц. Затем web-сервер доставляет страницу в клиентский браузер.

В таком виде web-сервер Apache и реляционная СУБД MySQL образуют необычайно масштабируемую платформу для создания приложений. MySQL успешно трудится на самых разных аппаратных платформах, включая суперкомпьютеры, и может обслуживать много web-серверов, работающих на одном или на разных компьютерах. А можно настроить такой же тандем для работы на единственной скромной персоналке.

Как уже упоминалось, для доступа к MySQL можно использовать разные языки программирования. Похожий выбор языков программирования предлагает также и Apache через дополнительные модули, расширяющие возможности сервера. Существуют и успешно развиваются общедоступные открытые проекты Zope и Midgard , объединяющие Apache, MySQL и распространенные языки программирования в интегрированную среду разработки с единым интерфейсом.