Упражнения:

1.1. Предположим, что у вас есть коллекция записей классической музыки,

содержащаяся на компакт-дисках, мини-дисках, долгоиграющих

пластинках и аудиокассетах, и вы хотите создать базу данных, которая

позволит находить записи определенного композитора (например,

Сибелиуса), дирижера (например, Симона Ратла), солиста (например,

Артура Грюмикса), произведения (например, Пятой симфонии Бетховена),

оркестра (например, Нью-Йорского филармонического), вида произведения

(например, концерта для скрипки) или оркестровой группы (например,

квартета Кронус). Начертите диаграмму «сущность-связь» для этой базы

данных по образцу, представленному на рис. 1.1.

1.2. Создайте реляционную базу данных на любую выбранную вами тему,

кроме “Учебного процесса”. С помощью этой базы проанализируйте

изученные материал и определите реляционные ключи.

ТЕМА 2

Реляционная модель.

Реляционная алгебра. Реляционное исчисление.

Реляционная модель

На сегодняшний день реляционные СУБД стали доминирующим типом программного обеспечения для обработки данных. Ежегодный объем продаж в этом секторе рынка оценивается в 8-10 миллиардов долларов (или 2.5 миллиардов долларов вместе с инструментами разработки), причем ежегодный прирост этого объема составляет 25%. Данное программное обеспечение представляет собой второе поколение СУБД, основанное на использовании реляционной модели данных, предложенной Э.Ф.Коддом в 1970 году. В реляционной модели все данные логически структурированы внутри отношений (таблиц). Каждое отношение имеет имя и состоит из поименованных атрибутов (столбцов) данных. Каждый кортеж (строка) данных содержит по одному значению каждого из атрибутов. Большое преимущество реляционной модели заключается именно в этой простоте логической структуры. Хотя, конечно же, за этой простотой скрывается серьезный теоретический фундамент, которого не было у первого поколения СУБД (т.е. у сетевых и иерархических СУБД).

Представление схем в реляционной базе данных

Как было определено в теме 1 реляционная схема – это имя отношения, за которым следует множество пар атрибутов и доменов, а реляционная база данных – это набор нормализованных отношений.

Представление – это динамический результат одной или нескольких реляционных операций над базовыми отношениями с целью создания некоторого иного отношения.

В связи с наличием указанных в теме 1 функциональных возможностей, СУБД становится чрезвычайно полезным инструментом. Но поскольку для конечных пользователей не имеет значения, насколько проста или сложна внутренняя организация системы, можно услышать возражения, что СУБД затрудняет работу, предоставляя пользователям гораздо большее количество данных, чем им действительно требуется. Как показано на рисунке, в подходе, основанном на использовании баз данных, необходимые сотрудникам деканата подробные сведения о студентах (ФИО, год рождения, адрес и т.д.).

Для решения проблемы избыточности данных, представляемых пользователям при работе с ними, в СУБД предлагается другой механизм создания представлений (view), который позволяет любому пользователю иметь свой собственный взгляд на базу данных.

Язык DDL включает средства определения представлений, каждое из которых является некоторым подмножеством базы данных.

Например, можно организовать представление, в котором сотрудникам деканата будут доступны только те данные, которые необходимы для ведения данных об успеваемости студентов.

Рис. 2.1. Пример организации доступа к информации с помощью СУБД.

Помимо упрощения работы за счет предоставления пользователям только действительно нужных им данных, представления обладают некоторыми другими достоинствами:

• Обеспечивают дополнительный уровень безопасности. Представления могут создаваться с целью исключения тех данных, которые не должны видеть некоторые пользователи. Например, можно создать некоторое представление, которое позволит ректорату просматривать все данные о преподавателях кафедры, включая сведения об их зарплате. В то же время для организации доступа к данным других пользователей, например студентов, можно создать еще одно представление, из которого все сведения о зарплате будут исключены.

• Предоставляют механизм настройки внешнего интерфейса базы данных. Например, если речь идет о квалификации преподавателей, ректорат может работать с полем «Ученая степень преподавателя кафедры», используя для него более короткое и простое имя – «Ученая степень», вся другая информация о преподавателе будет скрыта.

• Позволяют сохранять внешний интерфейс базы данных непротиворечивым и неизменным даже при внесении изменений в ее структуру. Например, при добавлении или удалении полей, изменении связей, разбиении файлов, их реорганизации или переименовании. Если в файл добавляються или из него удаляются поля, неиспользуемые в некотором представлении, то все эти изменения на данном представлении никак не отразятся.

• Представление обеспечивает полную независимость программ от реальной структуры данных, что позволяет устранить важнейший недостаток файловых систем.

Реляционная целостность

Модель данных имеет две части: управляющую часть, которая определяет типы допустимых операций с данными, и набор ограничений целостности, которые гарантируют корректность данных.

Эти две части модели данных позволяют устанавливать реляционные ограничения целостности, а также выполнять – реляционные операции управления данными.

Существует три вида целомтности данных:

• целостность сущностей;

• ссылочная целостность;

• корпоративная целостность (с точки зрения смысла предметной области)

Поскольку каждый атрибут связан с некоторым доменом, для множества допус­тимых значений каждого атрибута отношения определяются так называемые огра­ничения домена.

Два важных правила целостности (два правила реляционной модели), кото­рые, по сути, являются ограничениями для всех допустимых состояний базы дан­ных:

• целостность сущностей;

• ссылочная целостность.

Определитель NULL

Определитель NULL вводится в связи с поддержанием правил целостности и указывает, что значение атрибута в настоящий момент неизвестно или неприемлемо для этого кортежа.

Определитель NULL следует воспринимать как логическую величину "неизвестно". Другими словами, либо это значение не входит в область определения некоторого кортежа, либо никакое значение еще не задано. Ключевое слово NULL представляет собой способ обработки неполных или необычных данных.

Однако определитель NULL не следует понимать как нулевое численное значение или заполненную пробелами текстовую строку.

Нули и пробелы представляют собой некоторые значения, тогда как ключевое слово NULL призвано обозначать отсутствие какого-либо значения.

Применение определителя NULL может вызвать проблемы на этапе реализации. Трудности возникают из-за того, что реляционная модель основана на исчислении предикатов первого порядка, которое обладает двузначной или булевой логикой, т.е. допустимыми являются только два значения: истина и ложь.

Применение опре­делителя NULL означает, что придется вести работу с логикой более высокого порядка, например трехзначной или даже четырехзначной (Codd, 1986, 1987, 1990).

Использование понятия NULL в реляционной модели является спорным вопросом. Кодд (1990) рассматривает понятие NULL как составную часть этой модели, а другие специалисты считают этот подход неправильным, полагая что проблема отсутствую­щей информации еще не до конца понята, удовлетворительное ее решение не найде­но, а потому включение определителя NULL в реляционную модель является преждевременным (Date, 1995). Следует отметить, что не во всех реляционных системах поддерживается работа с определителем NULL.

Целостность сущностей

Первое ограничение целостности касается первичных ключей базовых отношений.

Базовое отношение определяется как отношение, которое соответствует некото­рой сущности в концептуальной схеме.

Целостность сущностей означает, что в базовом отношении ни один атрибут первичного ключа не может содержать отсутствующих значений, обозначаемых определителем NULL.

По определению, первичный ключ – это минимальный идентификатор, который используется для уникальной идентификации кортежей. Это значит, что никакое подмножество первичного ключа не может быть достаточным для уникальной иден­тификации кортежей.

Если допустить присутствие определителя NULL в любой части первичного ключа, это равноценно утверждению, что не все его атрибуты необходи­мы для уникальной идентификации кортежей, что противоречит определению пер­вичного ключа. Например, рассмотрим отношения Студент и Преподаватель.

Студент

Номер зачетки	Номер группы	Фамилия	Средний балл
ТЗ3106	ТЗ31	Иванов	5
ТЗ3217	ТЗ32	Петров	4
ТМ3115	ТМ31	Пушников	3,5
ТМ3220	ТМ32	Сидоров	4,5

Преподаватель

Табельный номер	Фамилия	Раб. телефон	Факс
4587	Бондаренко	456-37-85	456-86-27
2136	Воронин	474-96-35	474-85-12
5496	Анисимова	468-05-38	468-28-01

Рис. 2.2. Примеры отношений Студент и Преподаватель.

Поскольку Номер зачетки является первичным ключом отношения Студент, то нельзя допустить вставку в отношение Студент кортежа с определителем NULL в атрибуте Номер зачетки.

Если рассмотреть это правило более внимательно, то можно заметить несколько его необычных свойств.

Во-первых, почему оно применяется только к первичным ключам, но не используется в отношении альтернативных ключей?

Во-вторых, почему оно ог­раничивается только базовыми отношениями?

Например, используя данные отноше­ния Преподаватель (рис. 2.2), рассмотрим выполнение следующего запроса: "Создать спи­сок табельных номеров всех преподавателей". Результатом этого запроса является унарное отношение из единственного атрибута Табельный номер. По определению, этот атрибут должен быть первичным ключом. Предположим, что среди его значений содержится определитель NULL. Поскольку это отношение не является базовым, реляционная модель допускает присутствие определителя NULL в его первичном ключе.

Недавно было предпринято несколько попыток переопределения этого правила (Соdd, 1988; Date, 1990).

Ссылочная целостность

Второе ограничение целостности касается внешних ключей.

Если в отношении существует внешний ключ, то значение внешнего ключа должно либо соответствовать значению потенциального ключа некоторого кортежа в его базовом отношении либо задаваться определителем NULL.

Рассмотрим отношения Студент и Предмет.

Студент

Номер зачетки	Номер группы	Фамилия	Код предмета
ТЗ3106	ТЗ31	Иванов	101
ТЗ3217	ТЗ32	Петров	102
ТМ3115	ТМ31	Пушников	101
ТМ3220	ТМ32	Сидоров	103

Предмет

Код предмета	Название Предмета	Лекционные часы	Практические часы
101	Физика	18	26
102	Математика	25	30
103	Химия	15	20

Рис. 2.3. Пример отношений Студент и Предмет.

Атрибут Код предмета в отношении Студент является внешним ключом, который ссылается на атрибут Код предмета базового отношения Предмет. Система должна предотвращать любые попытки создать запись с информацией о предмете с кодом '104' в отношении Студент до тех пор, пока в отношении Предмет не будет создана запись, содержащая сведения о предмете с кодом '104'. Однако считается допустимым создание записи с информацией о новом предмете с указанием определителя NULL вместо кода предмета, который изучается студентом. Такая ситуация может иметь место в том случае, когда введен новый предмет для изучения, но еще информация о данном предмете не определена окончательно.

Корпоративные ограничения целостности

Корпоративные ограничения целостности данных – это дополнительные правила поддержки целостности, определяемые пользователями или администраторами базы данных.

Пользователи сами могут указывать дополнительные ограничения, которым должны удовлетворять данные. Например, если преподаватель может преподавать только на одной кафедре, то пользователь может указать это правило, а СУБД следить за его выполнением. В этом случае в отношении Преподаватель необходимо каждого преподавателя относить только к одной кафедре.

К сожалению, уровень поддержки реляционной целостности в разных системах существенно варьирует.