الوحدة 11: عملية تطوير قواعد البيانات

11.1 دورة حياة تطوير البرمجيات – نموذج الشلال (Waterfall Model)

دورة حياة تطوير البرمجيات (Software Development Life Cycle - SDLC) هي إطار عمل يصف الخطوات المتخذة لتطوير أنظمة البرمجيات. أحد النماذج التقليدية الشائعة هو نموذج الشلال (Waterfall Model).

• تعريف نموذج الشلال:

  نموذج الشلال هو أسلوب تقليدي وتتابعي لتطوير البرمجيات حيث تتم كل مرحلة بشكل متسلسل: لا يمكن الانتقال للمرحلة التالية إلا بعد إتمام المرحلة السابقة والتحقق منها بشكل كامل. يُشبه "الشلال" حيث تتدفق العمليات إلى الأسفل في اتجاه واحد.

• المراحل الأساسية في نموذج الشلال:
  • 1. جمع المتطلبات (Requirements Gathering): تحديد وفهم جميع المتطلبات الوظيفية وغير الوظيفية للنظام.
  • 2. التحليل (Analysis): تحليل المتطلبات لفهم طبيعة المشكلة وتحديد المكونات الرئيسية للنظام.
  • 3. التصميم (Design): إنشاء هيكل النظام، بما في ذلك تصميم قاعدة البيانات، تصميم الواجهة، وهندسة البرمجيات.
  • 4. التنفيذ (Implementation): كتابة الكود الفعلي وبناء مكونات النظام.
  • 5. الاختبار والصيانة (Testing & Maintenance): اختبار النظام لاكتشاف الأخطاء وإصلاحها، ثم دعم النظام وصيانته بعد النشر.

11.2 دورة حياة قاعدة البيانات (Database Life Cycle - DBLC)

تركز دورة حياة قاعدة البيانات (DBLC) على المراحل المحددة اللازمة لتصميم، تنفيذ، وتشغيل نظام قاعدة بيانات. غالبًا ما تتداخل هذه المراحل مع مراحل SDLC ولكنها تتميز بتفاصيل خاصة بقواعد البيانات.

• 1. جمع المتطلبات وتحليلها (Requirements Gathering and Analysis):

  هذه هي المرحلة الأولية حيث يتم فهم احتياجات المستخدمين النهائيين ومُحللي الأعمال.

  • الهدف: معرفة ما يحتاجه المستخدمون النهائيون من البيانات والتقارير، وكيف سيتم استخدام هذه البيانات.
  • أدوات وتقنيات: استبيانات، مقابلات مع أصحاب المصلحة، دراسة الوثائق والأنظمة الحالية، ملاحظة سير العمليات.
  • مثال: إجراء مقابلة مع مدير المبيعات لمعرفة أنه يحتاج إلى تتبع جميع الطلبات (Orders)، العملاء (Customers) الذين قدموا الطلبات، والمنتجات (Products) التي تم بيعها.
• 2. التصميم المفاهيمي (Conceptual Design):

  في هذه المرحلة، يتم إنشاء نموذج عالي المستوى للبيانات، بغض النظر عن نظام إدارة قاعدة البيانات (DBMS) المحدد الذي سيتم استخدامه. يُستخدم عادةً مخطط الكيان والعلاقة (ER Diagram) هنا.

  • الهدف: تحديد الكيانات الأساسية (Entities)، سماتها (Attributes)، والعلاقات (Relationships) بينها.
  • الناتج: مخطط ER يُظهر الكيانات (مثل مستطيلات)، السمات (مثل بيضاويات)، والعلاقات (مثل أشكال ماسية)، والمفاتيح.
  • مثال: تحديد أن كيان "الطلب" (Order) مرتبط بكيان "العميل" (Customer) بعلاقة "واحد إلى متعدد" (عميل واحد لديه عدة طلبات)، وكيان "المنتج" (Product) بـ "متعدد إلى متعدد" عبر جدول وسيط.
• 3. التصميم المنطقي (Logical Design):

  تحويل النموذج المفاهيمي (ER Diagram) إلى نموذج بيانات منطقي محدد لنوع قاعدة البيانات (عادةً النموذج العلائقي).

  • الهدف: تحويل الكيانات إلى جداول (Tables)، السمات إلى أعمدة، العلاقات إلى مفاتيح خارجية (Foreign Keys)، وتطبيق عملية التطبيع (Normalization) لتقليل التكرار ومنع حالات الشذوذ.
  • الناتج: مخطط علائقي يُظهر جميع الجداول، أعمدتها، المفاتيح الرئيسية (Primary Keys)، والمفاتيح الخارجية، بالإضافة إلى القيود (Constraints).
  • مثال: إنشاء جدول Customers (بـ CustomerID كـ PK)، جدول Orders (بـ OrderID كـ PK و CustomerID كـ FK)، وجدول Products (بـ ProductID كـ PK)، وجدول وسيط Order_Details (يربط الطلبات بالمنتجات).
• 4. التصميم الفعلي (Physical Design):

  في هذه المرحلة، يتم تحديد تفاصيل التخزين الفعلية لقاعدة البيانات بناءً على DBMS المختار.

  • الهدف: تحديد أنواع البيانات الدقيقة لكل عمود، الفهارس (Indexes) لتحسين الأداء، تقسيم البيانات (Partitioning)، وإجراءات الأمان والنسخ الاحتياطي والاستعادة.
  • الناتج: مواصفات مفصلة للتخزين الفعلي، تُستخدم لاحقًا في مرحلة التطبيق.
  • مثال: تحديد أن `CustomerID` سيكون `INT PRIMARY KEY`، `CustomerName` سيكون `VARCHAR(255)`، وإنشاء فهرس على `OrderDate` لتحسين استعلامات التاريخ.
• 5. التطبيق (Implementation):

  هي المرحلة التي يتم فيها بناء قاعدة البيانات الفعلية في نظام إدارة قواعد البيانات (DBMS) المختار.

  • الهدف: إنشاء الجداول، القيود، الفهارس، الإجراءات المخزنة، والمشغلات (Triggers) باستخدام لغة تعريف البيانات (DDL) في SQL.
  • مثال: كتابة استعلامات SQL مثل CREATE TABLE، ALTER TABLE، لإنشاء هيكل قاعدة البيانات.

  
  -- مثال: إنشاء جدول العملاء في SQL
  CREATE TABLE Customers (
  CustomerID INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
  CustomerName VARCHAR(255) NOT NULL,
  Email VARCHAR(255) UNIQUE
  );
  
  -- مثال: إنشاء جدول الطلبات
  CREATE TABLE Orders (
  OrderID INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
  OrderDate DATE NOT NULL,
  CustomerID INT,
  FOREIGN KEY (CustomerID) REFERENCES Customers(CustomerID)
  );
  

• 6. ملء قاعدة البيانات (Populating the Database):

  بعد إنشاء هيكل قاعدة البيانات، يتم إدخال البيانات الفعلية فيها.

  • الهدف: إدخال البيانات الأولية (Initial Data) أو استيراد البيانات من أنظمة قديمة أو مصادر خارجية.
  • مثال: إدخال بيانات العملاء والمنتجات الحالية باستخدام INSERT INTO أو استيرادها من ملفات CSV/Excel.

  
  -- مثال: إدخال بيانات في جدول العملاء
  INSERT INTO Customers (CustomerName, Email) VALUES
  ('أحمد علي', 'ahmed.ali@example.com'),
  ('سارة محمد', 'sara.mohamed@example.com');
  

• 7. الاختبار والصيانة (Testing and Maintenance):

  التحقق من أن قاعدة البيانات تعمل بشكل صحيح وتلبي المتطلبات، ثم الحفاظ عليها بمرور الوقت.

  • الاختبار: التأكد من أن جميع القيود والعلاقات تعمل كما هو متوقع، واختبار أداء الاستعلامات، واختبار وظائف الإدخال والتحديث والحذف.
  • الصيانة: إجراء النسخ الاحتياطي الدوري، استعادة البيانات عند الحاجة، تحديثات النظام، تحسين الأداء، ومراقبة أمان البيانات.
  • مثال: التحقق من أن كل طلب مرتبط بعميل موجود (تكامل مرجعي)، أو تحسين استعلام بطيء باستخدام فهرس جديد.

11.3 إرشادات لتطوير مخطط ER (ER Diagram Development Guidelines)

إنشاء مخطط كيان وعلاقة (ER Diagram) فعال هو خطوة أساسية في التصميم المفاهيمي لقاعدة البيانات. تتبع هذه الإرشادات لضمان مخطط ER جيد التصميم:

• 1. تحديد الكيانات الأساسية أولًا: ابدأ بتحديد الكيانات الرئيسية أو "الأشياء" المهمة التي تحتاج إلى تخزين معلومات عنها (مثل: الطلاب، الكتب، الموظفين، الأقسام).
• 2. تعريف السمات الأساسية لكل كيان: لكل كيان، حدد السمات (Attributes) التي تصفه. تأكد من أن كل سمة ذرية (غير قابلة للتجزئة).
• 3. تحديد المفاتيح الأساسية (Primary Keys): لكل كيان، اختر سمة واحدة (أو مجموعة من السمات) تُحدد كل مثيل (Instance) للكيان بشكل فريد.
• 4. رسم العلاقات بين الكيانات: حدد كيف ترتبط الكيانات ببعضها البعض (مثل: علاقة "طالب يسجل في مقرر").
  • واحد إلى واحد (1:1): كل كيان مرتبط بكيان واحد فقط من النوع الآخر.
  • واحد إلى متعدد (1:M): كيان واحد مرتبط بعدة كيانات من النوع الآخر.
  • متعدد إلى متعدد (M:N): عدة كيانات من نوع واحد مرتبطة بعدة كيانات من النوع الآخر (تتطلب جدول وسيط عند التحويل إلى نموذج علائقي).
• 5. تحديد سمات العلاقات (إن وجدت): في بعض الحالات، قد تحتوي العلاقة نفسها على سمات (مثال: "تاريخ الإعارة" في علاقة الإعارة بين "عضو" و"كتاب").
• 6. التحقق من سلامة البيانات والاعتماديات الوظيفية: أثناء التصميم، فكر في القيود التي يجب تطبيقها (مثل NOT NULL, UNIQUE) والاعتماديات الوظيفية لضمان تصميم قابل للتطبيع.
• 7. المراجعة والتحسين: لا تتردد في مراجعة وتعديل مخطط ER ليعكس فهمًا أفضل للمتطلبات أو لتحسين الهيكل.

11.4 مصطلحات أساسية (Key Terms)

11.5 تمارين مقترحة (Suggested Exercises)

اختبر فهمك لمفاهيم هذه الوحدة بالإجابة على الأسئلة التالية:

1. صمم مخطط ER مبدئيًا لنظام إدارة مكتبة بسيط. يجب أن يتضمن الكيانات التالية كحد أدنى: Books (الكتب)، Members (الأعضاء)، Loans (الإعارات). حدد السمات الرئيسية لكل كيان وأنواع العلاقات بينها.
2. بالاعتماد على نظام إدارة المكتبة في التمرين 1، وضح كيف يمكن تطبيق نموذج الشلال (Waterfall Model) على عملية تطوير قاعدة البيانات لهذه المكتبة. اذكر الخطوات الرئيسية التي ستتبعها في كل مرحلة.
3. اشرح الفرق الرئيسي بين مرحلة التحليل والتصميم المنطقي في دورة حياة قاعدة البيانات (DBLC). ما هي المخرجات المتوقعة من كل مرحلة؟
4. افترض أن لديك بيانات العملاء الحالية في ملفات Excel وترغب في نقلها إلى قاعدة بيانات جديدة. اشرح كيف يمكنك ملء قاعدة البيانات الأولية من هذا النظام القديم دون فقدان البيانات أو إدخال تناقضات، مع ذكر الأدوات أو التقنيات التي قد تستخدمها.
5. لماذا يُعتبر التصميم المفاهيمي (Conceptual Design) خطوة مهمة قبل التصميم المنطقي والفعلي في دورة حياة قاعدة البيانات؟