Разработка базы данных

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.1 Основные понятия систем баз данных

1.2 База данных

1.3 Архитектура системы баз данных

1.4 Модель данных

1.5 Реляционная модель

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕЛЯЦИОННЫХ БАЗЫ ДАННЫХ

3.1 Реляционная алгебра

3.1.1 Общая интерпретация реляционных операций

3.1.2 Замкнутость реляционной алгебры и операция переименования

3.1.3 Особенности теоретико-множественных операций реляционной алгебры

3.2 Реляционное исчисление

3.2.1 Кортежные переменные и правильно построенные формулы

3.2.2 Целевые списки и выражения реляционного исчисления

3.2.3 Реляционное исчисление доменов

3.3 Целостность данных

3.4 Проектирование баз данных

4. РАЗРАБОТКА БАЗЫ ДАННЫХ

4.1 Предметная область базы данных

4.2 Построение инфологической модели

4.3 Проектирование базы данных

5. РАЗРАБОТКА ПРИЛОЖЕНИЯ-КЛИЕНТА

5.1 Обоснование выбора среды программирования

5.2 Средства Delphi для работы с базами данных

5.3 Реализация приложения

5.3.1 Общее описание форм и модулей

5.3.2 Форма MainForm и модуль Main

5.3.3 Модуль данных DataModule1 и модуль DBUnit

5.3.4 Форма EditForm и модуль Edit

5.3.5 Форма DeleteForm и модуль Delete

5.3.6 Форма FindForm и модуль Find

5.3.7 Форма FilterForm и модуль Filter

5.3.8 Форма DirSourceForm и модуль DirSource

5.3.9 Форма PathForm и модуль Path

5.3.10 Форма UserForm и модуль User

5.3.11 Форма AboutBox и модуль About

5.3.12 Модуль Files

6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

6.1 Предметная область базы данных и её разработка

6.2 Разработка сетевого графика работ проведения НИР

6.3 Расчет сметы затрат на проведение НИР

7. ОХРАНА ТРУДА

7.1 Общие вопросы охраны труда

7.2 Производственная санитария

7.3 Техника безопасности

7.4 Эксплутационные меры

7.5 Пожарная безопасность

7.6 Охрана окружающей среды

8. ГРАЖДАНСКАЯ ОБОРОНА

ВЫВОД

СПИСОК ССЫЛОК

ПРИЛОЖЕНИЯ

Для принятия обоснованных и эффективных решений в производственной деятельности, в управлении экономикой и в политике современный специалист должен уметь с помощью компьютеров и средств связи получать, накапливать, хранить и обрабатывать данные, представляя результат в виде наглядных документов. В современном обществе информационные технологии развиваются очень стремительно, они проникают во все сферы человеческой деятельности.

Целью данной дипломной работы является разработка удалённой базы данных и приложения-клиента для доступа к электронным источникам литературы, содержащихся на жёстком диске сервера предприятия в виде файлов и пакетов фалов (текстовых документов различных типов, гипертекста HTML, исполняемых файлов и др.). Архитектура клиент-сервер, используемая при реализации поставленной задачи на данный момент является наиболее прогрессивной. Она даёт возможность разделить задачу на две подзадачи: разработка собственно удалённой базы данных, физически расположённой на сервере и управляемой СУБД, и приложения, осуществляющего доступ к данной базе данных при помощи SQL-запросов и располагающееся на рабочих станциях пользователей сети. При такой реализации нагрузка также распределяется между сервером и рабочими станциями, что позволяет увеличить скорость работы программы.

Для управления базой данных была выбрана СУБД InterBase 6.0 фирмы Borland. Для разработки клиентской части приложения использовалась среда программирования Borland Dalphi 7.0 Eneterprise Edition, предоставляющая удобные средства для быстрого и наглядного создания подобных приложений.

Разработанная в ходе дипломной работы база данных позволяет увеличить скорость поиска и доступа пользователя к необходимым источникам литературы, позволяет упорядочить и систематизировать их. А это в свою очередь может повлиять на производительность труда пользователя, которому не надо тратить большое количество времени на поиск необходимой информации.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.1 Основные понятия систем баз данных

Система баз данных — это компьютеризированная система хранения записей, т. е. компьютеризированная система, основное назначение которой — хранить информацию, предоставляя пользователям средства её извлечения и модификации.

Преимущества системы с базой данных по сравнению традиционным методом ведения учёта:

1) компактность;

2) скорость;

3) низкие трудозатраты;

4) актуальность;

5) централизованное управление данными;

6) независимость данных.

Система баз данных включает в себя четыре основных компонента: данные, аппаратное обеспечение, программное обеспечение (в частности систему управления базами данных, или СУБД) и пользователи.

Системы баз данных бывают однопользовательские и многопользовательские. Однопользовательская система — это система, в которой одновременно к базе данных может получить доступ не более одного пользователя, а многопользовательская система — это такая система, в которой к базе данных могут получить доступ сразу несколько пользователей.

В общем случае данные в базе данных являются интегрированными и разделяемыми. Под понятием интегрированности данных подразумевается возможность представить базу данных как объединение нескольких отдельных файлов данных полностью или частично исключающих избыточность хранения информации. Под понятием разделяемости данных подрозумевается возможность использования отдельных элементов, хранимых в базе данных несколькими различными пользователями.

К аппаратному обеспечению системы относят следующее:

1) Тома вторичной (внешней) памяти, используемые для хранения информации, а также соответствующие устройства ввода-вывода, контроллеры устройств, каналы ввода-вывода и т. д.

2) Аппаратный процессор (или процессоры) вместе с основной (первичной) памятью, предназначенные для поддержки работы программного обеспечения системы баз данных.

Между собственно физической базой данных и пользователями системы располагается уровень программного обеспечения, который можно называть по-разному: менеджер базы данных, сервер базы данных или система управления базами данных (СУБД). Все запросы пользователя на доступ к базе данных обрабатываются СУБД. Все имеющиеся средства добавления файлов (или таблиц), выборки и обновления в этих файлах или таблицах также предоставляются СУБД. Основная задача СУБД — предоставить пользователю базы данных возможность работать с ней, не вникая в детали на уровне аппаратного обеспечения.

Пользователей можно разделить на три большие и отчасти перекрывающиеся группы. Первая группа — прикладные программисты, которые отвечают за написание прикладных программ, использующих базу данных. Прикладные программисты получают доступ к базе данных посредством выдачи соответствующего запроса к СУБД. Вторая группа — конечные пользователи, которые работают с системой баз данных непосредственно через рабочую станцию или терминалы. Конечный пользователь может получить доступ к базе данных, применяя одно из интерактивных приложений или же интерфейс, интегрированный в программное обеспечение самой СУБД. Третья группа — администраторы базы данных (АБД). Они отвечают за администрирование базы данных и всей системы баз данных в соответствии с требованиями, устанавливаемыми администратором данных.

1.2 База данных База данных — это некоторый набор перманентных (постоянных) данных, используемых прикладными системами какого-либо предприятия, организации.

База данных представляет собой совокупность связанных данных конкретной предметной области. [2]

Сущность — любой отличимый объект, который может быть представлен в базе данных. Кроме собственно основных сущностей, существуют ещё и связи между ними, которые объединяют эти основные сущности. В реляционных базах данных и основные сущности и связи между ними представляются с помощь таблиц. Связь можно понимать как связь особого типа.

Сущности (а значит, и связи) имеют некоторые свойства, соответствующие тем данным о них, которые мы желаем записать. В общем случае свойства могут быть как простыми, так и сложными, причём настолько, насколько это потребуется.

Независимость может быть реализована на двух уровнях: физическом и логическом. Независимость баз данных может быть определена как иммунитет прикладных программ к изменениям способа хранения данных и используемых методов доступа. Среди прочего для независимости данных требуется строгое разделение между моделью данных и её реализацией.

Системы баз данных обычно поддерживают транзакции или логические единицы работы. Основное преимущество транзакций заключается в том, что они гарантируют атомарность выполняемых действий, несмотря на возможные сбои системы, имевшие место до завершения выполнения транзакции.

1.3 Архитектура системы баз данных Архитектура системы баз данных включает три уровня: внутренний, внешний и концептуальный. Внутренний уровень (также называемый физическим) наиболее близок к физическому хранилищу информации, т. е. связан со способами хранения информации на физических устройствах. Внешний уровень (также называемый пользовательским логическим) наиболее близок к пользователям, т. е. связан со способами представления данных с отдельными пользователями. Концептуальный уровень (также называемый общим логическим или просто логическим) является «промежуточным» уровнем между первым и вторым.

Если внешний уровень связан с индивидуальными представлениями пользователей, то концептуальный уровень связан с обобщённым представлением пользователей. Иначе говоря может существовать несколько внешних представлений, каждое из которых состоит из более или менее абстрактного представления определённой части базы данных, и только одно концептуальное представление, состоящее из абстрактного представления базы данных в целом.

Архитектура базы данных, кроме элементов самих трёх уровней включает определённые отображения. Отображение «концептуальный-внутренний» устанавливает соответствие между концептуальным представлением и хранимой базой данных, т. е. описывает как концептуальные записи и поля представлены на внутреннем уровне. При изменении структуры хранимой базы данных отображение «концептуальный-внутренний» также изменится, причём таким образом, чтобы концептуальная схема осталась неизменной. Отображение «внешний-концептуальный» определяет соответствие между некоторым внешним представлением и концептуальным представлением.

Пользователи, т. е. конечные пользователи и прикладные программисты, работающие на внешнем уровне, взаимодействует с данными с помощью подъязыка, который включает по крайней мере два компонента: язык определения данных (ЯОД) и язык манипулирования данными (ЯМД).

Система управления базой данных (СУБД) представляет собой программное обеспечение, которое управляет всем доступом к базе данных.

Функции СУБД:

1) определение данных;

2) обработка данных;

3) оптимизация и выполнение;

4) защита и сохранение целостности данных;

5) восстановление данных и поддержка параллельности;

6) словарь данных.

На высоком уровне систему баз данных можно рассматривать как систему с очень простой структурой, состоящей из двух частей — сервера (внутреннего компонента или машины баз данных) и набора клиентов (внешнего компонента или внешнего интерфейса).

Сервер — это сама СУБД. Он поддерживает все основные функции СУБД и предоставляет полную поддержку внешнего, концептуального и внутреннего уровня.

Клиенты — это различные приложения, которые выполняются поверх СУБД: как приложения написанные пользователями, так и встроенные приложения, предоставляемые поставщиком СУБД или некоторыми сторонними поставщиками программного обеспечения Распределённая обработка — это возможность соединить разные машины в коммуникационную сеть для организации совместного решения одной задачи обработки данных на нескольких машинах сети. Взаимодействие между различными машинами осуществляется с помощью специального программного обеспечения, предназначенного для управления сетью. В общем случае каждый сервер может обслуживать много клиентов, а каждый клиент может работать со многими серверами. Если система обеспечивает полную прозрачность доступа, то в таком случае мы имеем настоящую распределённую систему баз данных.

Каталог (словарь данных) — это набор системных переменных-отношений, содержащих метаданные о различных элементах, важных для системы. Пользователи могут опрашивать каталог теми же методами, которые они применяют для доступа к собственным данным.

1.4 Модель данных Модель данных — это абстрактное, самодостаточное, логическое определение объектов, операторов и прочих элементов, в совокупности составляющих абстрактную машину, с которой взаимодействует пользователь. Упомянутые объекты позволяют моделировать структуру данных, а операторы — поведение данных.

Реализация заданной модели данных — это физическое воплощение на реальной машине компонентов абстрактной машины, которые в совокупности составляют эту модель.

Цель инфологического моделирования — обеспечение наиболее естественных для человека способов сбора и представления той информации, которую предполагается хранить в создаваемой базе данных. Поэтому инфологическую модель данных пытаются строить по аналогии с естественным языком (последний не может быть использован в чистом виде из-за сложности компьютерной обработки текстов и неоднозначности любого естественного языка). Основными конструктивными элементами инфологических моделей являются сущности, связи между ними и их свойства (атрибуты).

Сущность — любой различимый объект (объект, который мы можем отличить от другого), информацию о котором необходимо хранить в базе данных. Сущностями могут быть люди, места, самолеты, рейсы, вкус, цвет и т. д. Необходимо различать такие понятия, как тип сущности и экземпляр сущности. Понятие тип сущности относится к набору однородных личностей, предметов, событий или идей, выступающих как целое. Экземпляр сущности относится к конкретной вещи в наборе.

Атрибут — поименованная характеристика сущности. Его наименование должно быть уникальным для конкретного типа сущности, но может быть одинаковым для различного типа сущностей. Атрибуты используются для определения того, какая информация должна быть собрана о сущности. Абсолютное различие между типами сущностей и атрибутами отсутствует. Атрибут является таковым только в связи с типом сущности. В другом контексте атрибут может выступать как самостоятельная сущность.

Ключ — минимальный набор атрибутов, по значениям которых можно однозначно найти требуемый экземпляр сущности. Минимальность означает, что исключение из набора любого атрибута не позволяет идентифицировать сущность по оставшимся.

Связь — ассоциирование двух или более сущностей. Если бы назначением базы данных было только хранение отдельных, не связанных между собой данных, то ее структура могла бы быть очень простой. Однако одно из основных требований к организации базы данных — это обеспечение возможности отыскания одних сущностей по значениям других, для чего необходимо установить между ними определенные связи. А так как в реальных базах данных нередко содержатся сотни или даже тысячи сущностей, то теоретически между ними может быть установлено более миллиона связей. Наличие такого множества связей и определяет сложность инфологических моделей.

Система баз данных может быть основана на нескольких различных подходах. Иерархическая и сетевая модели данных стали применяться в системах управления базами данных в начале 60-х годов. В начале 70-х годов была предложена реляционная модель данных. Эти три модели различаются в основном способом представления взаимосвязей между объектами. [2]

Иерархическая модель данных строится по принципу иерархии типов объектов, т. е. один тип объектов является главным, а остальные, находящиеся на низших уровнях, подчинёнными. Между главным и подчинёнными типами объекта устанавливается взаимосвязь «один ко многим». Иными словами, для данного главного типа объекта существует несколько подчинённых типов объекта.

Иерархическая древовидная структура строится из узлов и ветвей. Узел представляет собой совокупность атрибутов данных, описывающих некоторый объект. Зависимые узлы располагаются на более низких уровнях дерева.

Достоинства иерархической модели данных:

1) простота понимания и использования;

2) обеспечение определенного уровня независимости данных;

3) простота оценки операционных характеристик благодаря заранее заданным взаимосвязям.

Недостатки модели:

1) избыточное хранение данных;

2) из-за строгой иерархической упорядоченности объектов модели значительно усложняются операции включения и удаления;

3) удаление исходных объектов влечёт удаление порождённых;

4) процедурность операций манипулирования данными;

5) корневой тип узла является главным, доступ к любому порождённому узлу возможен только через исходный.

В сетевой модели данных понятия главного и подчинённых объектов несколько расширены. Любой объект может быть и главным и подчинённым. Главный объект обозначается термином «владелец набора», а подчинённый — «член набора». Один и тот же объект одновременно может выступать и в роли владельца и в роли члена набора. Это означает, что каждый объект может участвовать в любом случае взаимосвязей.

В сетевой модели данных объекты объединяются в «сеть». Каждый тип записи может содержать нуль, один или несколько атрибутов.

Достоинства сетевой модели:

1) возможность построения вручную эффективных прикладных систем;

2) возможность экономии памяти за счет разделения подобъектов;

3) простота реализации часто встречающихся в реальном мире взаимосвязей «многие ко многим».

Недостатки сетевой модели данных:

1) сложность модели;

2) возможная потеря данных при реорганизации базы данных.

Реляционные системы основаны на формальной теории, называемой реляционной моделью данных, которая предполагает следующее:

1) данные представлены посредством строк в таблицах, и эти строки могут быть непосредственно интерпретированы как истинные высказывания;

3) для обработки строк данных предоставляются операторы, которые напрямую поддерживают процесс логического получения дополнительных истинных высказываний из существующих высказываний.

1.5 Реляционная модель К числу достоинств реляционного подхода можно отнести:

1) наличие небольшого набора абстракций, которые позволяют сравнительно просто моделировать большую часть распространенных предметных областей и допускают точные формальные определения, оставаясь интуитивно понятными;

2) наличие простого и в то же время мощного математического аппарата, опирающегося главным образом на теорию множеств и математическую логику и обеспечивающего теоретический базис реляционного подхода к организации баз данных;

3) возможность ненавигационного манипулирования данными без необходимости знания конкретной физической организации баз данных во внешней памяти.

Реляционные системы далеко не сразу получили широкое распространение. В то время, как основные теоретические результаты в этой области были получены еще в 70-х, и тогда же появились первые прототипы реляционных СУБД, долгое время считалось невозможным добиться эффективной реализации таких систем. Однако отмеченные выше преимущества и постепенное накопление методов и алгоритмов организации реляционных баз данных и управления ими привели к тому, что уже в середине 80-х годов реляционные системы практически вытеснили с мирового рынка ранние СУБД.

В настоящее время основным предметом критики реляционных СУБД является не их недостаточная эффективность, а присущая этим системам некоторая ограниченность (прямое следствие простоты) при использование в так называемых нетрадиционных областях (наиболее распространенными примерами являются системы автоматизации проектирования), в которых требуются предельно сложные структуры данных. Еще одним часто отмечаемым недостатком реляционных баз данных является невозможность адекватного отражения семантики предметной области. Другими словами, возможности представления знаний о семантической специфике предметной области в реляционных системах очень ограничены. Современные исследования в области постреляционных систем главным образом посвящены именно устранению этих недостатков.

Каждое отношение имеет заголовок и тело. Заголовок — это набор пар «имя столбца: имя типа», а тело отношения состоит из набора строк, которые соответствуют заголовку. Заголовок любого отношения можно рассматривать как предикат, а каждую строку в теле отношения — как некоторое истинное высказывание, образованное в результате подстановки определённых значений аргументов соответствующего типа вместо местодержателей или параметров этого предиката.

Исходные переменные-отношения в некоторой базе данных называются базовыми переменными-отношениями, а их значения называются базовыми отношениями. Отношение, которое получено из таких базовых отношений путём вычисления некоторого реляционного выражения, называются производными. Представление — это переменная-отношение, значение которой в любой данный момент является некоторым производным отношением. Значение такой переменной-отношения в любой момент представляет собой результат вычисления соответствующего реляционного выражения, определяющего это представление. Поэтому можно сказать, что базовые переменные-отношения существуют независимо, а представления — нет.

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Целью данной дипломной работы является разработка удалённой базы данных и приложения-клиента для доступа к электронным источникам литературы, содержащихся на жёстком диске сервера предприятия в виде упакованных архивов файлов и пакетов фалов (текстовых документов различных типов, гипертекста HTML, исполняемых файлов и др.). Каждый источник литературы характеризуется следующими атрибутами:

1) фамилия и инициалы автора (авторов);

2) название;

3) язык;

4) список тем, к которым относится источник;

5) путь и название файла архива;

6) название основного файла источника.

На сервере необходимо создать распределённую БД, содержащую данную информацию обо всех источниках.

Клиентское приложение должно удовлетворять следующим требованиям:

1) максимальное удобство пользователя при работе (современный и понятный интерфейс);

2) максимальная переносимость исходного кода программы для платформы Linux;

3) наличие процедуры поиска источника по атрибутам;

4) возможность фильтрации источников;

5) возможность запуска соответствующего средства для просмотра выбранного источника средствами программы.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕЛЯЦИОННЫХ БАЗЫ ДАННЫХ

3.1 Реляционная алгебра Основная идея реляционной алгебры состоит в том, что коль скоро отношения являются множествами, то средства манипулирования отношениями могут базироваться на традиционных теоретико-множественных операциях, дополненных некоторыми специальными операциями, специфичными для баз данных.

В состав теоретико-множественных операций входят операции:

· объединения отношений;

· пересечения отношений;

· взятия разности отношений;

· прямого произведения отношений.

Специальные реляционные операции включают:

· ограничение отношения;

· проекцию отношения;

· соединение отношений;

· деление отношений.

Кроме того, в состав алгебры включается операция присваивания, позволяющая сохранить в базе данных результаты вычисления алгебраических выражений, и операция переименования атрибутов, дающая возможность корректно сформировать заголовок (схему) результирующего отношения.

3.1.1 Общая интерпретация реляционных операций Если не вдаваться в некоторые тонкости, которые мы рассмотрим в следующих подразделах, то почти все операции предложенного выше набора обладают очевидной и простой интерпретацией.

· При выполнении операции объединения двух отношений производится отношение, включающее все кортежи, входящие хотя бы в одно из отношений-операндов.

· Операция пересечения двух отношений производит отношение, включающее все кортежи, входящие в оба отношения-операнда.

· Отношение, являющееся разностью двух отношений включает все кортежи, входящие в отношение — первый операнд, такие, что ни один из них не входит в отношение, являющееся вторым операндом.

· При выполнении прямого произведения двух отношений производится отношение, кортежи которого являются конкатенацией (сцеплением) кортежей первого и второго операндов.

· Результатом ограничения отношения по некоторому условию является отношение, включающее кортежи отношения-операнда, удовлетворяющее этому условию.

· При выполнении проекции отношения на заданный набор его атрибутов производится отношение, кортежи которого производятся путем взятия соответствующих значений из кортежей отношения-операнда.

· При соединении двух отношений по некоторому условию образуется результирующее отношение, кортежи которого являются конкатенацией кортежей первого и второго отношений и удовлетворяют этому условию.

· У операции реляционного деления два операнда — бинарное и унарное отношения. Результирующее отношение состоит из одноатрибутных кортежей, включающих значения первого атрибута кортежей первого операнда таких, что множество значений второго атрибута (при фиксированном значении первого атрибута) совпадает со множеством значений второго операнда.

· Операция переименования производит отношение, тело которого совпадает с телом операнда, но имена атрибутов изменены.

· Операция присваивания позволяет сохранить результат вычисления реляционного выражения в существующем отношении БД.

Поскольку результатом любой реляционной операции (кроме операции присваивания) является некоторое отношение, можно образовывать реляционные выражения, в которых вместо отношения-операнда некоторой реляционной операции находится вложенное реляционное выражение.

3.1.2 Замкнутость реляционной алгебры и операция переименования Как мы говорили в предыдущей лекции, каждое отношение характеризуется схемой (или заголовком) и набором кортежей (или телом). Поэтому, если действительно желать иметь алгебру, операции которой замкнуты относительно понятия отношения, то каждая операция должна производить отношение в полном смысле, т. е. оно должно обладать и телом, и заголовком. Только в этом случае будет действительно возможно строить вложенные выражения.

Заголовок отношения представляет собой множество пар <�имя-атрибута, имя-домена>. Если посмотреть на общий обзор реляционных операций, приведенный в предыдущем подразделе, то видно, что домены атрибутов результирующего отношения однозначно определяются доменами отношений-операндов. Однако с именами атрибутов результата не всегда все так просто.

Например, представим себе, что у отношений-операндов операции прямого произведения имеются одноименные атрибуты с одинаковыми доменами. Каким был бы заголовок результирующего отношения? Поскольку это множество, в нем не должны содержаться одинаковые элементы. Но и потерять атрибут в результате недопустимо. А это значит, что в этом случае вообще невозможно корректно выполнить операцию прямого произведения.

Аналогичные проблемы могут возникать и в случаях других двуместных операций. Для их разрешения в состав операций реляционной алгебры вводится операция переименования. Ее следует применять в любом случае, когда возникает конфликт именования атрибутов в отношениях — операндах одной реляционной операции. Тогда к одному из операндов сначала применяется операция переименования, а затем основная операция выполняется уже безо всяких проблем.

В дальнейшем изложении мы будем предполагать применение операции переименования во всех конфликтных случаях.

3.1.3 Особенности теоретико-множественных операций реляционной алгебры Хотя в основе теоретико-множественной части реляционной алгебры лежит классическая теория множеств, соответствующие операции реляционной алгебры обладают некоторыми особенностями.

Начнем с операции объединения (все, что будет говориться по поводу объединения, переносится на операции пересечения и взятия разности). Смысл операции объединения в реляционной алгебре в целом остается теоретико-множественным. Но если в теории множеств операция объединения осмысленна для любых двух множеств-операндов, то в случае реляционной алгебры результатом операции объединения должно являться отношение. Если допустить в реляционной алгебре возможность теоретико-множественного объединения произвольных двух отношений (с разными схемами), то, конечно, результатом операции будет множество, но множество разнотипных кортежей, т. е. не отношение. Если исходить из требования замкнутости реляционной алгебры относительно понятия отношения, то такая операция объединения является бессмысленной.

Все эти соображения приводят к появлению понятия совместимости отношений по объединению: два отношения совместимы по объединению в том и только в том случае, когда обладают одинаковыми заголовками. Более точно, это означает, что в заголовках обоих отношений содержится один и тот же набор имен атрибутов, и одноименные атрибуты определены на одном и том же домене.

Если два отношения совместимы по объединению, то при обычном выполнении над ними операций объединения, пересечения и взятия разности результатом операции является отношение с корректно определенным заголовком, совпадающим с заголовком каждого из отношений-операндов. Напомним, что если два отношения «почти» совместимы по объединению, т. е. совместимы во всем, кроме имен атрибутов, то до выполнения операции типа соединения эти отношения можно сделать полностью совместимыми по объединению путем применения операции переименования.

Заметим, что включение в состав операций реляционной алгебры трех операций объединения, пересечения и взятия разности является очевидно избыточным, поскольку известно, что любая из этих операций выражается через две других. Тем не менее, Кодд в свое время решил включить все три операции, исходя из интуитивных потребностей потенциального пользователя системы реляционных БД, далекого от математики.

Другие проблемы связаны с операцией взятия прямого произведения двух отношений. В теории множеств прямое произведение может быть получено для любых двух множеств, и элементами результирующего множества являются пары, составленные из элементов первого и второго множеств. Поскольку отношения являются множествами, то и для любых двух отношений возможно получение прямого произведения. Но результат не будет отношением! Элементами результата будут являться не кортежи, а пары кортежей.

Поэтому в реляционной алгебре используется специализированная форма операции взятия прямого произведения — расширенное прямое произведение отношений. При взятии расширенного прямого произведения двух отношений элементом результирующего отношения является кортеж, являющийся конкатенацией (или слиянием) одного кортежа первого отношения и одного кортежа второго отношения.

Но теперь возникает второй вопрос — как получить корректно сформированный заголовок отношения-результата? Очевидно, что проблемой может быть именование атрибутов результирующего отношения, если отношения-операнды обладают одноименными атрибутами.

Эти соображения приводят к появлению понятия совместимости по взятию расширенного прямого произведения. Два отношения совместимы по взятию прямого произведения в том и только в том случае, если множества имен атрибутов этих отношений не пересекаются. Любые два отношения могут быть сделаны совместимыми по взятию прямого произведения путем применения операции переименования к одному из этих отношений.

Следует заметить, что операция взятия прямого произведения не является слишком осмысленной на практике. Во-первых, мощность ее результата очень велика даже при допустимых мощностях операндов, а во-вторых, результат операции не более информативен, чем взятые в совокупности операнды. Как мы увидим немного ниже, основной смысл включения операции расширенного прямого произведения в состав реляционной алгебры состоит в том, что на ее основе определяется действительно полезная операция соединения.

По поводу теоретико-множественных операций реляционной алгебры следует еще заметить, что все четыре операции являются ассоциативными.

3.2 Реляционное исчисление

3.2.1 Кортежные переменные и правильно построенные формулы Реляционное исчисление является прикладной ветвью формального механизма исчисления предикатов первого порядка. Базисными понятиями исчисления являются понятие переменной с определенной для нее областью допустимых значений и понятие правильно построенной формулы, опирающейся на переменные, предикаты и кванторы.

В зависимости от того, что является областью определения переменной, различаются исчисление кортежей и исчисление доменов. В исчислении кортежей областями определения переменных являются отношения базы данных, т. е. допустимым значением каждой переменной является кортеж некоторого отношения. В исчислении доменов областями определения переменных являются домены, на которых определены атрибуты отношений базы данных, т. е. допустимым значением каждой переменной является значение некоторого домена. Мы рассмотрим более подробно исчисление кортежей, а в конце лекции коротко опишем особенности исчисления доменов.

Правильно построенные формулы (WFF — Well-Formed Formula) служат для выражения условий, накладываемых на кортежные переменные. Основой WFF являются простые сравнения (comparison), представляющие собой операции сравнения скалярных значений (значений атрибутов переменных или литерально заданных констант). По определению, простое сравнение является WFF, а WFF, заключенная в круглые скобки, является простым сравнением.

Более сложные варианты WFF строятся с помощью логических связок NOT, AND, OR и IF … THEN. Так, если form — WFF, а comp — простое сравнение, то NOT form, comp AND form, comp OR form и IF comp THEN form являются WFF.

Наконец, допускается построение WFF с помощью кванторов. Если form — это WFF, в которой участвует переменная var, то конструкции EXISTS var (form) и FORALL var (form) представляют wff.

Переменные, входящие в WFF, могут быть свободными или связанными. Все переменные, входящие в WFF, при построении которой не использовались кванторы, являются свободными. Фактически, это означает, что если для какого-то набора значений свободных кортежных переменных при вычислении WFF получено значение true, то эти значения кортежных переменных могут входить в результирующее отношение. Если же имя переменной использовано сразу после квантора при построении WFF вида EXISTS var (form) или FORALL var (form), то в этой WFF и во всех WFF, построенных с ее участием, var — это связанная переменная. Это означает, что такая переменная не видна за пределами минимальной WFF, связавшей эту переменную. При вычислении значения такой WFF используется не одно значение связанной переменной, а вся ее область определения.

На самом деле, правильнее говорить не о свободных и связанных переменных, а о свободных и связанных вхождениях переменных. Легко видеть, что если переменная var является связанной в WFF form, то во всех WFF, включающих данную, может использоваться имя переменной var, которая может быть свободной или связанной, но в любом случае не имеет никакого отношения к вхождению переменной var в WFF form.

3.2.2 Целевые списки и выражения реляционного исчисления Итак, WFF обеспечивают средства формулировки условия выборки из отношений БД. Чтобы можно было использовать исчисление для реальной работы с БД, требуется еще один компонент, который определяет набор и имена столбцов результирующего отношения. Этот компонент называется целевым списком (target_list).

Целевой список строится из целевых элементов, каждый из которых может иметь следующий вид:

· var. attr, где var — имя свободной переменной соответствующей WFF, а attr — имя атрибута отношения, на котором определена переменная var;

· var, что эквивалентно наличию подсписка var. attr1, var. attr2, …, var. attrn, где attr1, attr2, …, attrn включает имена всех атрибутов определяющего отношения;

· new_name = var. attr; new_name — новое имя соответствующего атрибута результирующего отношения.

Последний вариант требуется в тех случаях, когда в WFF используются несколько свободных переменных с одинаковой областью определения.

Выражением реляционного исчисления кортежей называется конструкция вида target_list WHERE wff. Значением выражения является отношение, тело которого определяется WFF, а набор атрибутов и их имена — целевым списком.

3.2.3 Реляционное исчисление доменов В исчислении доменов областью определения переменных являются не отношения, а домены.

Основным формальным отличием исчисления доменов от исчисления кортежей является наличие дополнительного набора предикатов, позволяющих выражать так называемые условия членства. Если R — это n-арное отношение с атрибутами a₁, a₂, …, a_n, то условие членства имеет вид

R (ai1:vi1, ai2: vi2, …, aim: vim) (m <= n),

где v_ij — это либо литерально задаваемая константа, либо имя кортежной переменной. Условие членства принимает значение true в том и только в том случае, если в отношении R существует кортеж, содержащий указанные значения указанных атрибутов. Если v_ij — константа, то на атрибут a_ij задается жесткое условие, не зависящее от текущих значений доменных переменных; если же v_ij — имя доменной переменной, то условие членства может принимать разные значения при разных значениях этой переменной.

Во всех остальных отношениях формулы и выражения исчисления доменов выглядят похожими на формулы и выражения исчисления кортежей. В частности, конечно, различаются свободные и связанные вхождения доменных переменных.

Реляционное исчисление доменов является основой большинства языков запросов, основанных на использовании форм. В частности, на этом исчислении базировался известный язык Query-by-Example, который был первым (и наиболее интересным) языком в семействе языков, основанных на табличных формах.

3.3 Целостность реляционных данных В любой реляционной базе данных должны выполняться два ограничения:

1) целостность сущностей;

2) целостность внешних ключей.

Прежде, чем говорить о целостности сущностей, опишем использование null-значений в реляционных базах данных.

Основное назначение баз данных состоит в том, чтобы хранить и предоставлять информацию о реальном мире. Для представления этой информации в базе данных используются привычные для программистов типы данных — строковые, численные, логические и т. п. Однако в реальном мире часто встречается ситуация, когда данные неизвестны или не полны. Например, место жительства или дата рождения человека могут быть неизвестны (база данных разыскиваемых преступников). Если вместо неизвестного адреса уместно было бы вводить пустую строку, то что вводить вместо неизвестной даты? Ответ — пустую дату — не вполне удовлетворителен, т.к. простейший запрос «выдать список людей в порядке возрастания дат рождения» даст заведомо неправильных ответ.

Для того чтобы обойти проблему неполных или неизвестных данных, в базах данных могут использоваться типы данных, пополненные так называемым null-значением. Null-значение — это, собственно, не значение, а некий маркер, показывающий, что значение неизвестно.

Практически все реализации современных реляционных СУБД позволяют использовать null-значения, несмотря на их недостаточную теоретическую обоснованность. Мнение автора (очень скромное по сравнению с мнением корифеев реляционной теории) состоит в том, что желательно избегать null-значений. Тем не менее, приведем здесь описание трехзначной логики, необходимой для работы с null-значениями.

Т.к. null-значение обозначает на самом деле тот факт, что значение неизвестно, то любые алгебраические операции (сложение, умножение, конкатенация строк и т. д.) должны давать также неизвестное значение, т. е. null. Действительно, если, например, вес детали неизвестен, то неизвестно также, сколько весят 10 таких деталей.

При сравнении выражений, содержащих null-значения, результат также может быть неизвестен. Таким образом, определение истинности логических выражений базируется на трехзначной логике (three-valued logic, 3VL), в которой кроме значений T — ИСТИНА и F — ЛОЖЬ, введено значение U — НЕИЗВЕСТНО.

По определению, тело отношения есть множество кортежей, поэтому отношения не могут содержать одинаковые кортежи. Это значит, что каждый кортеж должен обладать свойством уникальности. На самом деле, свойством уникальности в пределах отношения могут обладать отдельные атрибуты кортежей или группы атрибутов. Такие уникальные атрибуты удобно использовать для идентификации кортежей.

Пусть дано отношение. Подмножество атрибутов отношения будем называть потенциальным ключом, если обладает следующими свойствами:

1. Свойством уникальности — в отношении не может быть двух различных кортежей, с одинаковым значением .

2. Свойством неизбыточности — никакое подмножество в не обладает свойством уникальности.

Любое отношение имеет по крайней мере один потенциальный ключ. Действительно, если никакой атрибут или группа атрибутов не являются потенциальным ключом, то, в силу уникальности кортежей, все атрибуты вместе образуют потенциальный ключ.

Потенциальный ключ, состоящий из одного атрибута, называется простым. Потенциальный ключ, состоящий из нескольких атрибутов, называется составным.

Отношение может иметь несколько потенциальных ключей. Традиционно, один из потенциальных ключей объявляется первичным, а остальные — альтернативными. Различия между первичным и альтернативными ключами могут быть важны в конкретной реализации реляционной СУБД, но с точки зрения реляционной модели данных, нет оснований выделять таким образом один из потенциальных ключей.

Т.к. потенциальные ключи фактически служат идентификаторами объектов предметной области (т.е. предназначены для различения объектов), то значения этих идентификаторов не могут содержать неизвестные значения. Действительно, если бы идентификаторы могли содержать null-значения, то мы не могли бы дать ответ «да» или «нет» на вопрос, совпадают или нет два идентификатора.

Правило целостности сущностей. Атрибуты, входящие в состав некоторого потенциального ключа не могут принимать null-значений.

Различные объекты предметной области, информация о которых хранится в базе данных, всегда взаимосвязаны друг с другом. Например, накладная на поставку товара содержит список товаров с количествами и ценами, сотрудник предприятия имеет детей, числится в подразделении и т. д. Термины «содержит», «имеет», «числится» отражают взаимосвязи между понятиями «накладная» и «список товаров», «сотрудник» и «дети», «сотрудник» и «подразделение». Такие взаимосвязи отражаются в реляционных базах данных при помощи внешних ключей, связывающих несколько отношений.

В реляционных базах данных основными являются взаимосвязи типа «один-ко-многим». Взаимосвязи типа «много-ко-многим» реализуются использованием нескольких взаимосвязей типа «один-ко-многим». Отношение, входящее в связь со стороны «один», называют родительским отношением. Отношение, входящее в связь со стороны «много», называется дочернем отношением.

Механизм реализации взаимосвязи «один-ко-многим» состоит в том, что в дочернее отношение добавляются атрибуты, являющиеся ссылками на ключевые атрибуты родительского отношения. Эти атрибуты и являются внешними ключами, определяющими, с какими кортежами родительского отношения связаны кортежи дочернего отношения. Такие атрибуты еще называют мигрирующими из родительского отношения.

Пусть дано отношение. Подмножество атрибутов отношения будем называть внешним ключом, если:

1. Существует отношение (и не обязательно различны) с потенциальным ключом .

2. Каждое значение в отношении всегда совпадает со значением для некоторого кортежа из, либо является null-значением.

Отношение называется родительским отношением, отношение называется дочерним отношением.

Т.к. внешние ключи фактически служат ссылками на кортежи в другом (или в том же самом) отношении, то эти ссылки не должны указывать на несуществующие объекты. Это определяет следующее правило целостности внешних ключей:

Правило целостности внешних ключей. Внешние ключи не должны быть несогласованными, т. е. для каждого значения внешнего ключа должно существовать соответствующее значение первичного ключа в родительском отношении.

Существуют две основные стратегии поддержания ссылочной целостности:

· RESTRICT (ОГРАНИЧИТЬ) — не разрешать выполнение операции, приводящей к нарушению ссылочной целостности. Это самая простая стратегия, требующая только проверки, имеются ли кортежи в дочернем отношении, связанные с некоторым кортежем в родительском отношении.

· CASCADE (КАСКАДИРОВАТЬ) — разрешить выполнение требуемой операции, но внести при этом необходимые поправки в других отношениях так, чтобы не допустить нарушения ссылочной целостности и сохранить все имеющиеся связи. Изменение начинается в родительском отношении и каскадно выполняется в дочернем отношении. В реализации этой стратегии имеется одна тонкость, заключающаяся в том, что дочернее отношение само может быть родительским для некоторого третьего отношения. При этом может дополнительно потребоваться выполнение какой-либо стратегии и для этой связи и т. д. Если при этом какая-либо из каскадных операций (любого уровня) не может быть выполнена, то необходимо отказаться от первоначальной операции и вернуть базу данных в исходное состояние. Это самая сложная стратегия, но она хороша тем, что при этом не нарушается связь между кортежами родительского и дочернего отношений.

Эти стратегии являются стандартными и присутствуют во всех СУБД, в которых имеется поддержка ссылочной целостности.

Можно рассмотреть дополнительные стратегии поддержания ссылочной целостности:

· SET NULL (УСТАНОВИТЬ В NULL) — разрешить выполнение требуемой операции, но все возникающие некорректные значения внешних ключей изменять на null-значения. Эта стратегия имеет два недостатка. Во-первых, для нее требуется допустить использование null-значений. Во-вторых, кортежи дочернего отношения теряют всякую связь с кортежами родительского отношения. Установить, с каким кортежем родительского отношения были связаны измененные кортежи дочернего отношения, после выполнения операции уже нельзя.

· SET DEFAULT (УСТАНОВИТЬ ПО УМОЛЧАНИЮ) — разрешить выполнение требуемой операции, но все возникающие некорректные значения внешних ключей изменять на некоторое значение, принятое по умолчанию. Достоинство этой стратегии по сравнению с предыдущей в том, что она позволяет не пользоваться null-значеними. Недостатки заключаются в следующем. Во-первых, в родительском отношении должен быть некий кортеж, потенциальный ключ которого принят как значение по умолчанию для внешних ключей. В качестве такого «кортежа по умолчанию» обычно принимают специальный кортеж, заполненный нулевыми значениями (не null-значениями!). Этот кортеж нельзя удалять из родительского отношения, и в этом кортеже нельзя изменять значение потенциального ключа. Таким образом, не все кортежи родительского отношения становятся равнозначными, поэтому приходится прилагать дополнительные усилия для отслеживания этой неравнозначности. Это плата за отказ от использования null-значений. Во-вторых, как и в предыдущем случае, кортежи дочернего отношения теряют всякую связь с кортежами родительского отношения. Установить, с каким кортежем родительского отношения были связаны измененные кортежи дочернего отношения, после выполнения операции уже нельзя.

В некоторых реализация СУБД рассматривается еще одна стратегия поддержания ссылочной целостности:

· IGNORE (ИГНОРИРОВАТЬ) — выполнять операции, не обращая внимания на нарушения ссылочной целостности.

3.4 Проектирование базы данных Каждой нормальной форме соответствует некоторый определенный набор ограничений, и отношение находится в некоторой нормальной форме, если удовлетворяет свойственному ей набору ограничений. Примером набора ограничений является ограничение первой нормальной формы — значения всех атрибутов отношения атомарны. Поскольку требование первой нормальной формы является базовым требованием классической реляционной модели данных, мы будем считать, что исходный набор отношений уже соответствует этому требованию.

В теории реляционных баз данных обычно выделяется следующая последовательность нормальных форм:

· первая нормальная форма (1NF);

· вторая нормальная форма (2NF);

· третья нормальная форма (3NF);

· нормальная форма Бойса-Кодда (BCNF);

· четвертая нормальная форма (4NF);

· пятая нормальная форма, или нормальная форма проекции-соединения (5NF или PJ/NF).

Основные свойства нормальных форм:

· каждая следующая нормальная форма в некотором смысле лучше предыдущей;

· при переходе к следующей нормальной форме свойства предыдущих нормальных свойств сохраняются.

В основе процесса проектирования лежит метод нормализации, декомпозиция отношения, находящегося в предыдущей нормальной форме, в два или более отношения, удовлетворяющих требованиям следующей нормальной формы.

Наиболее важные на практике нормальные формы отношений основываются на фундаментальном в теории реляционных баз данных понятии функциональной зависимости.

В отношении R атрибут Y функционально зависит от атрибута X (X и Y могут быть составными) в том и только в том случае, если каждому значению X соответствует в точности одно значение Y: R. X ® R.Y.

Функциональная зависимость R. X ® R. Y называется полной, если атрибут Y не зависит функционально от любого точного подмножества X.

Функциональная зависимость R. X ?®? R. Y называется транзитивной, если существует такой атрибут Z, что имеются функциональные зависимости R. X ?®? R. Z и R. Z ?®? R. Y и отсутствует функциональная зависимость R. Z —> R.X. (При отсутствии последнего требования мы имели бы «неинтересные» транзитивные зависимости в любом отношении, обладающем несколькими ключами.)

Неключевым атрибутом называется любой атрибут отношения, не входящий в состав первичного ключа (в частности, первичного).

Два или более атрибута взаимно независимы, если ни один из этих атрибутов не является функционально зависимым от других.

Отношение R находится во второй нормальной форме (2NF) в том и только в том случае, когда находится в 1NF, и каждый неключевой атрибут полностью зависит от первичного ключа.

Отношение R находится во второй нормальной форме (2NF) в том и только в том случае, когда оно находится в 1NF, и каждый неключевой атрибут полностью зависит от каждого ключа R.

Отношение R находится в третьей нормальной форме (3NF) в том и только в том случае, если находится в 2NF и каждый неключевой атрибут нетранзитивно завис Отношение R находится в третьей нормальной форме (3NF) в том и только в том случае, если находится в 1NF, и каждый неключевой атрибут не является транзитивно зависимым от какого-либо ключа R.

На практике третья нормальная форма схем отношений достаточна в большинстве случаев, и приведением к третьей нормальной форме процесс проектирования реляционной базы данных обычно заканчивается. Однако иногда полезно продолжить процесс нормализации.