Реляционные базы данных

Освоение свойств моделей данных (МД) осложняется тем, что в разных моделях данных используется своя терминология описания структурных элементов и их связей. Для упрощения изучения МД ниже приведены соответствующие термины в сравнении с понятиями, используемыми в реляционной модели данных.

Краткая характеристика структуры моделей данных

При обсуждении моделей данных (гл. 5−9) будем придерживаться такой однотипной последовательности;

• 1) логическая структура, включающая описание структуры (элементы, связи);
• 2) создание БД в рамках рассматриваемой модели данных (МД);
• 3) использование БД;
• 4) свойства модели данных (достоинства и недостатки). Сравнительная таблица свойств МД приведена в гл. 9.

Логическая структура

Реляционные базы данных получили широкое распространение в персональных компьютерах. Наиболее известны такие локальные СУБД, как dBASE, Paradox и особенно — Access. СУБД Oracle, Sybase, Informix, BTrieve, Ingress, InterBase были изначально предназначены для работы в сети с большими объемами данных.

В основе реляционной модели лежит математическое понятие теоретико-множественного отношения, которое представляет собой подмножество декартова произведения списка доменов.

Домен — множество значений (например, множество целых чисел). Декартовым произведением доменов D1, D2, ., Dk (обозначается как D,? D2? …? Dk) называется множество всех кортежей (V1, V2, …, Vk) длины к, таких, что Vi I D1, i = I, I. Например, если k = 2, DI = {0, 1} и D2 = {а, b, с}, то D1? D2 есть {(0, а), (0, b), (0, с), (1, а), (1, b), (1, с)), а отношением может быть, например, {(0, а), (О, с), (1, b)}.

Элементы отношения называются кортежами и имеют арность к (степень отношения), причем i-й компонентой является V1, Отношение удобно представлять таблицей — совокупностью всех кортежей; каждая строка есть кортеж и каждый столбец соответствует одному компоненту. Кортежи обычно нумеруются и их количество определяет размерность таблицы. Столбцы называются атрибутами, и им часто присваиваются имена. Упорядоченный список имен атрибутов отношения называется схемой отношения. Если отношение называется «Студент» и его схема имеет атрибуты А1, А1, … Аk, то такую схему будем записывать как СТУДЕНТ (А1, А2, …, Аk).

Совокупность схем отношений называется схемой (реляционной) БД, а текущие значения соответствующих отношений — БД.

Данные из диаграммы объектов-связей представляются двумя видами отношений.

• 1. Набор объектов может быть представлен отношением, содержащим все атрибуты данного набора объектов. Если объекты набора идентифицируются с помощью связи с другим объектом, то схема отношения содержит дополнительно атрибуты ключа второго набора.
• 2. Связь между наборами объектов Е1, Е2, Ек представляется отношением, схема которого состоит из атрибутов ключей каждого из этих наборов.

Реляционная модель есть представление БД в виде совокупности упорядоченных нормализованных отношений.

Для реляционных отношений характерны следующие особенности.

• 1. Любой тип записи содержит только простые (по структуре) элементы данных.
• 2. Порядок кортежей в таблице несущественен.
• 3. Упорядочение значащих атрибутов в кортеже должно соответствовать упорядочению атрибутов в реляционном отношении.
• 4. Любое отношение должно содержать один или более атрибутов, которые вместе составляют уникальный первичный ключ.
• 5. Если между двумя реляционными отношениями существует зависимость, то одно отношение является исходным, второе — подчиненным.
• 6. Чтобы между двумя реляционными отношениями существовала зависимость, атрибуты, служащие первичным ключом в исходном отношении, должны также присутствовать в подчиненном отношении.

Э. Кодд первоначально предложил 12 (дюжину) правил, фактически требований, которым должна удовлетворять реляционная база данных.

• 1. Правило информации. Вся информация на логическом уровне представляется только значениями в таблицах без использования указателей и индексов.
• 2. Правило гарантированного доступа. Каждый атомарный элемент таблицы доступен через комбинацию из имени таблицы, имени поля и ключа.
• 3. Системная поддержка Null-значений. Для представления отсутствующих данных с любым типом используют? ull-значение.
• 4. Динамический оперативный каталог на основе реляционной модели. Метаданные (словари) формируются теми же языками, что и данные.
• 5. Правило исчерпывающего подъязыка данных. В базе данных возможно использовать несколько языков программирования, однако один (чаше всего — SQL) должен быть главным.
• 6. Правило обновления представления (вида, View). Все теоретически обновляемые представления может обновлять и система.
• 7. Ввод, обновление и удаление данных на высоком уровне. Работа с несколькими записями должна быть характерна не только запросам на выборку, но и запросам на обновление.
• 8. Физическая независимость данных. Возможно изменение адреса БД, изменение физической компоновки БД не оказывая влияния на работу прикладных программ и пользователя.
• 9. Логическая независимость данных. При добавлении или удалении элементов (таблиц, полей) в структуре БД другие части базы данных остаются неизменными.
• 10. Независимость целостности. Ключ не должен иметь значения Null. Первичный и родительский ключи должны быть уникальными. Каждому значению внешнего ключа должно существовать значение родительского ключа. Ссылочная целостность уменьшает быстродействие из-за проверки условий-связей через словарь.
• 11. Независимость распределения. В распределенной БД расположение данных независимо. Для пользователя такая БД должна выступать как централизованная БД.
• 12. Правило соблюдения правил. Нельзя обходить ограничения, введенные с помощью языка SQL.

Пример 5.1. Представим БД «Учебный процесс» в виде реляционной модели (табл. 5.1). Далее отношения (например, табл. 5.1, а) будем записывать и в другой форме:

ГРУППА (Шифр группы. Название, Количество {студентов}, Средний_балл).

Подчеркнутый атрибут является ключевым.

Таблица 5.1

а) Отношение «Группа»

б) Отношение «Студент»

в) Отношение «Кафедра:

г) Отношение «Преподаватель»

д) Отношение «Предмет»

е) Отношение «Изучение»

ж) Отношение «Успеваемость»

Рис. 5.1. Схема связей БД «Учебный процесс» .

Процедуры создания и использования реляционных БД основываются на теории реляционных БД, подробно рассмотренной в гл. 4. Ее результаты используем в прикладных целях. При введении структуры данных используют соответствующие форматы данных. Для таблицы «Преподаватель» они представлены в табл. 5.2. Вся БД (табл. 5.1) представлена в 4НФ, поэтому отразим схему связей между ее отношениями (рис. 5.1), где подчеркнутые поля — первичные ключи. Уточненный (в процессе проектирования) перечень таблиц и полей с их форматами данных приведен в приложении 1, а схема связей — в гл. 5.

Таблица 5.2

Форматы типов данных отношения «Преподаватель»