РЕЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ БД - Томский политехнический

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Базы данных
«Реляционная модель данных»
Выполнил: студент гр. 8Б70
Осадчая И.А.
Проверил: Берестнева О.Г.
Томск 2009 г.
Реляционные модели базы данных
1.Введение
Основные идеи современной информационной технологии базируются
на концепции баз данных (БД). Согласно данной концепции основой
информационной технологии являются данные, организованные в БД,
адекватно отражающие реалии действительности в той или иной предметной
области и обеспечивающие пользователя актуальной информацией в
соответствующей предметной области. В широком смысле слова база данных
— это совокупность описаний объектов реального мира и связей между
ними, актуальных для конкретной прикладной области.
Как сущности, атрибуты и связи отображаются на структуры данных определяется моделью данных.
Традиционно все СУБД классифицируются в зависимости от модели
данных, которая лежит в их основе. Принято выделять иерархическую,
сетевую и реляционную модели данных. Иногда к ним добавляют модель
данных на основе инвертированных списков. Соответственно говорят об
иерархических, сетевых, реляционных СУБД или о СУБД на базе
инвертированных списков.
По распространенности и популярности реляционные СУБД сегодня —
вне конкуренции. Они стали фактическим промышленным стандартом, и
поэтому отечественному пользователю придется столкнуться в своей
практике именно с реляционной СУБД.
Основы реляционной модели данных были впервые изложены в статье
Е.Кодда в 1970 г. Эта работа послужила стимулом для большого количества
статей и книг, в которых реляционная модель получила дальнейшее развитие.
Наиболее распространенная трактовка реляционной модели данных, повидимому, принадлежит Дейту, который воспроизводит ее (с различными
уточнениями)
практически
во
всех
своих
книгах. Согласно
Дейту
реляционная модель состоит из трех частей, описывающих разные аспекты
реляционного подхода: структурной части, манипуляционной части и
целостной части.
Структурная
часть описывает,
какие
объекты
рассматриваются
реляционной моделью. Постулируется, что единственной структурой
данных, используемой в реляционной модели, являются нормализованные nарные отношения.
Целостная часть описывает ограничения специального вида, которые
должны выполняться для любых отношений в любых реляционных базах
данных. Это целостность сущностей и целостность внешних ключей.
Манипуляционная часть описывает два фундаментальных механизма
манипулирования реляционными данными - реляционную алгебру и
реляционное исчисление. Первый механизм базируется в основном на
классической теории множеств (с некоторыми уточнениями), а второй - на
классическом логическом аппарате исчисления предикатов первого порядка.
2.Структура данных.
В реляционной модели достигается гораздо более высокий уровень
абстракции данных, чем в иерархической или сетевой. В упомянутой статье
Е.Ф.Кодда утверждается, что "реляционная модель предоставляет средства
описания данных на основе только их естественной структуры, т.е. без
потребности введения какой-либо дополнительной структуры для целей
машинного представления". Другими словами, представление данных не
зависит от способа их физической организации. Это обеспечивается за счет
использования
математической
теории
отношений
(само
название
"реляционная" происходит от английского relation - "отношение").
Отношения удобно представлять в виде таблиц. На рис. 1 представлена
таблица (отношение степени 5), содержащая некоторые сведения о
работниках гипотетического предприятия. Строки таблицы соответствуют
кортежам. Каждая строка фактически представляет собой описание одного
объекта реального мира (в данном случае работника), характеристики
которого содержатся в столбцах. Можно провести аналогию между
элементами реляционной модели данных и элементами модели "сущностьсвязь". Реляционные отношения соответствуют наборам сущностей, а
кортежи - сущностям. Поэтому, также как и в модели "сущность-связь"
столбцы в таблице, представляющей реляционное отношение, называют
атрибутами.
Рис.1. Основные компоненты реляционного отношения.
Каждый атрибут определен на домене, поэтому домен можно
рассматривать как множество допустимых значений данного атрибута.
Несколько атрибутов одного отношения и даже атрибуты разных
отношений могут быть определены на одном и том же домене. В примере,
показанном на рис.1 атрибуты "Оклад" и "Премия" определены на домене
"Деньги". Поэтому, понятие домена имеет семантическую нагрузку: данные
можно считать сравнимыми только тогда, когда они относятся к одному
домену. Таким образом, в рассматриваемом нами примере сравнение
атрибутов
"Табельный
номер"
и
"Оклад"
является
семантически
некорректным, хотя они и содержат данные одного типа.
Именованное множество пар "имя атрибута - имя домена" называется
схемой отношения. Мощность этого множества - называют степенью или
"арностью" отношения. Набор именованных схем отношений представляет
из себя схему базы данных.
Атрибут, значение которого однозначно идентифицирует кортежи,
называется ключевым (или просто ключом). В нашем случае ключом
является атрибут "Табельный номер", поскольку его значение уникально для
каждого работника предприятия. Если кортежи идентифицируются только
сцеплением значений нескольких атрибутов, то говорят, что отношение
имеет составной ключ.
Отношение может содержать несколько ключей. Всегда один из
ключей объявляется первичным, его значения не могут обновляться. Все
остальные ключи отношения называются возможными ключами.
В отличие от иерархической и сетевой моделей данных в реляционной
отсутствует понятие группового отношения. Для отражения ассоциаций
между кортежами разных отношений используется дублирование их ключей.
Пример базы данных, содержащей сведения о подразделениях
предприятия
и
работающих
в
них
сотрудниках,
применительно
к
реляционной модели будет иметь вид:
Рис.2. База данных о подразделениях и сотрудниках предприятия
Например, связь между отношениями ОТДЕЛ и СОТРУДНИК
создается путем копирования первичного ключа "Номер_отдела" из первого
отношения во второе. Таким образом:
 для того, чтобы получить список работников данного подразделения,
необходимо:
1.
из
таблицы
ОТДЕЛ
"Номер_отдела",
установить
значение
соответствующее
атрибута
данному
"Наименованию_отдела"
2.
выбрать из таблицы СОТРУДНИК все записи, значение атрибута
"Номер_отдела" которых равно полученному на предыдушем
шаге.
 для того, чтобы узнать в каком отделе работает сотрудник, нужно
выполнить обратную операцию:
1.
определяем "Номер_отдела" из таблицы СОТРУДНИК
2.
по полученному значению находим запись в таблице ОТДЕЛ.
Атрибуты, представляющие собой копии ключей других отношений,
называются внешними ключами.
Свойства отношений:
1. Отсутствие кортежей-дубликатов. Из этого свойства вытекает наличие у
каждого кортежа первичного ключа. Для каждого отношения, по крайней
мере, полный набор его атрибутов является первичным ключом. Однако,
при определении первичного ключа должно соблюдаться требование
"минимальности", т.е. в него не должны входить те атрибуты, которые
можно отбросить без ущерба для основного свойства первичного ключа однозначно определять кортеж.
2. Отсутствие упорядоченности кортежей.
3. Отсутствие упорядоченности атрибутов. Для ссылки на значение атрибута
всегда используется имя атрибута.
4. Атомарность значений атрибутов, т.е. среди значений домена не могут
содержаться множества значений (отношения).
3. Структурная часть реляционной модели
1) Типы данных
Любые данные, используемые в программировании, имеют свои типы
данных.
Реляционная модель требует, чтобы типы используемых данных были
простыми.
Для уточнения этого утверждения рассмотрим, какие вообще типы
данных обычно рассматриваются в программировании. Как правило, типы
данных делятся на три группы:
 Простые типы данных
 Структурированные типы данных
 Ссылочные типы данных
Простые, или атомарные, типы данных не обладают внутренней
структурой. Данные такого типа называют скалярами. К простым типам
данных относятся следующие типы: логический, строковый, численный.
Различные языки программирования могут расширять и уточнять этот
список, добавляя такие типы как:
 Целый
 Вещественный
 Дата
 Время
 Денежный
 Перечислимый
 Интервальный
И т.д.…
Конечно, понятие атомарности довольно относительно. Так, строковый
тип данных можно рассматривать как одномерный массив символов, а целый
тип данных - как набор битов. Важно лишь то, что при переходе на такой
низкий уровень теряется семантика (смысл) данных. Если строку,
выражающую, например, фамилию сотрудника, разложить в массив
символов, то при этом теряется смысл такой строки как единого целого.
Структурированные типы данных предназначены для задания сложных
структур данных. Структурированные типы данных конструируются из
составляющих элементов, называемых компонентами, которые, в свою
очередь, могут обладать структурой. В качестве структурированных типов
данных можно привести следующие типы данных:
 Массивы
 Записи (Структуры)
С математической точки зрения массив представляет собой функцию с
конечной
множество
областью
определения.
натуральных
чисел,
Например,
называемое
рассмотрим
конечное
множеством
индексов.
Отображение из множества во множество вещественных чисел задает
одномерный вещественный массив. Значение этой функции для некоторого
значения индекса называется элементом массива, соответствующим .
Аналогично можно задавать многомерные массивы.
Запись (или структура) представляет собой кортеж из некоторого
декартового произведения множеств. Действительно, запись представляет
собой именованный упорядоченный набор элементов, каждый из которых
принадлежит определенному типу. Таким образом, запись есть элемент
множества. Объявляя новые типы записей на основе уже имеющихся типов,
пользователь может конструировать сколь угодно сложные типы данных.
Общим для структурированных типов данных является то, что они
имеют внутреннюю структуру, используемую на том же уровне абстракции,
что и сами типы данных.
При работе с массивами или записями можно манипулировать
массивом или записью и как с единым целым (создавать, удалять, копировать
целые массивы или записи), так и поэлементно. Для структурированных
типов
данных
есть
специальные
функции
-
конструкторы
типов,
позволяющие создавать массивы или записи из элементов более простых
типов.
Работая же с простыми типами данных, например с числовыми, мы
манипулируем ими как неделимыми целыми объектами. Чтобы "увидеть",
что числовой тип данных на самом деле сложен (является набором битов),
нужно
перейти
на
более
низкий
уровень
абстракции.
На
уровне
программного кода это будет выглядеть как ассемблерные вставки в код на
языке высокого уровня или использование специальных побитных операций.
Ссылочный тип данных (указатели) предназначен для обеспечения
возможности указания на другие данные. Указатели характерны для языков
процедурного типа, в которых есть понятие области памяти для хранения
данных. Ссылочный тип данных предназначен для обработки сложных
изменяющихся структур, например деревьев, графов, рекурсивных структур.
Для реляционной модели данных тип используемых данных не важен.
Требование, чтобы тип данных был простым, нужно понимать так, что в
реляционных операциях не должна учитываться внутренняя структура
данных. Конечно, должны быть описаны действия, которые можно
производить с данными как с единым целым, например, данные числового
типа можно складывать, для строк возможна операция конкатенации и т.д.
С этой точки зрения, если рассматривать массив, например, как единое
целое и не использовать поэлементных операций, то массив можно считать
простым типом данных. Более того, можно создать свой, сколь угодно
сложных тип данных, описать возможные действия с этим типом данных, и,
если в операциях не требуется знание внутренней структуры данных, то
такой тип данных также будет простым с точки зрения реляционной теории.
Можно описать функции сложения, умножения, вычитания и деления, и все
действия с компонентами и выполнять только внутри этих операций. Тогда,
если в действиях с этим типом использовать только описанные операции, то
внутренняя структура не играет роли, и тип данных извне выглядит как
атомарный.
Именно так в некоторых постреляционных СУБД реализована работа
со сколь угодно сложными типами данных, создаваемых пользователями.
4.Целостность сущности и ссылок
В целостной части реляционной модели данных фиксируются два
базовых требования целостности, которые должны поддерживаться в любой
реляционной СУБД. Первое требование называется требованием целостности
сущностей. Объекту или сущности реального мира в реляционных БД
соответствуют кортежи отношений. Конкретно требование состоит в том, что
любой кортеж любого отношения отличим от любого другого кортежа этого
отношения, т.е. другими словами, любое отношение должно обладать
первичным ключом. Как мы видели в предыдущем разделе, это требование
автоматически удовлетворяется, если в системе не нарушаются базовые
свойства отношений.
Второе требование называется требованием целостности по ссылкам и
является несколько более сложным. Очевидно, что при соблюдении
нормализованности
отношений
сложные
сущности
реального
мира
представляются в реляционной БД в виде нескольких кортежей нескольких
отношений.
Ограничения
целостности
сущности
и
по
ссылкам
должны
поддерживаться СУБД. Для соблюдения целостности сущности достаточно
гарантировать отсутствие в любом отношении кортежей с одним и тем же
значением первичного ключа. С целостностью по ссылкам дела обстоят
несколько более сложно.
Понятно, что при обновлении ссылающегося отношения (вставке
новых
кортежей
или
модификации
значения
внешнего
ключа
в
существующих кортежах) достаточно следить за тем, чтобы не появлялись
некорректные значения внешнего ключа. Но как быть при удалении кортежа
из отношения, на которое ведет ссылка?
Здесь существуют три подхода, каждый из которых поддерживает
целостность по ссылкам. Первый подход заключается в том, что запрещается
производить удаление кортежа, на который существуют ссылки (т.е. сначала
нужно либо удалить ссылающиеся кортежи, либо соответствующим образом
изменить значения их внешнего ключа). При втором подходе при удалении
кортежа, на который имеются ссылки, во всех ссылающихся кортежах
значение внешнего ключа автоматически становится неопределенным.
Наконец, третий подход (каскадное удаление) состоит в том, что при
удалении кортежа из отношения, на которое ведет ссылка, из ссылающегося
отношения автоматически удаляются все ссылающиеся кортежи.
В развитых реляционных СУБД обычно можно выбрать способ
поддержания целостности по ссылкам для каждой отдельной ситуации
определения внешнего ключа. Конечно, для принятия такого решения
необходимо анализировать требования конкретной прикладной области.
Контрольные вопросы:
1. На какие модели данных классифицируется СУБД ?
2. Из каких частей состоит реляционная модель?
3. Описание 3-х частей реляционной модели?
4. Откуда происходит название «реляционная»?
5. Какие типы данных вы знаете?