Реляционная модель данных Основные понятия и определения реляционной модели

Реляционная модель

В 1970 году Е.Ф. Кодд (E.F.Codd) представил реляционную модель БД. Концепция этой модели основана на том, что организация данных в базе должна быть гибкой, динамичной, легко используемой. Пользователь должен работать только с логическим представлением данных, а уж система управления БД позаботится о физической структуре данных. Кодд сформулировал основные положения реляционных баз данных.

Реляционная модель использует таблицы и базируется на двух утверждениях:

• база данных должна состоять из таблиц и только из таблиц. Только содержимое таблиц определяет операции БД;

• описание данных и манипуляции над ними должны быть независимыми от способа хранения данных на нижнем уровне. Другими словами, системы управления реляционными базами данных (СУРБД) должны обеспечивать свою собственную систему управления, основанную только на логическом представлении данных.

В своём документе Кодд описал язык для оперирования с реляционными структурами. Со временем этот язык превратился в то, что сейчас называют структурированным языком запросов SQL(StructuredQueryLanguage).

Кодд вывел набор базовых правил, которым должна соответствовать СУБД реляционной модели. Всего их 12. Реально существующие базы данных не удовлетворяют полностью всем правилам Кодда. Каждый разработчик реализует реляционную модель по-своему. В результате свойства реляционных БД сильно варьируются.

В правилах Кодда можно выделить 4 категории:

1. базовые возможности – описание данных и язык программирования;

2. доступ к данным – правила доступа, хранения и поиска,

3. гибкость – правила изменения (модификации) данных;

4. целостность – правила для обеспечения качества и защищённости данных.

При использовании реляционной модели СУБД пользователь работает с логической структурой данных. Для перехода на низший (физический) уровень Кодд предложил концепцию словаря данных.

Словарь данных – это центральная таблица и хранилище информации о базе данных, содержит сведения о расположении данных, имена полей, типы данных, карты отношений. Словарь данных работает с операционной системой и осуществляет связь таблиц (логических данных) с файлами (физическими данными).

Будучи математиком по образованию Э.Кодд предложил использовать для обработки данных аппарат теории множеств (объединение, пересечение, разность, декартово произведение). Он показал, что любое представление данных сводится к совокупности двумерных таблиц особого вида, известного в математике как отношение– relation (англ.) Наименьшая единица данных реляционной модели – это отдельноеатомарное(неразложимое) для данной модели значение данных. Так, в одной предметной области фамилия, имя и отчество могут рассматриваться как единое значение, а в другой – как три различных значения.

Доменомназывается множество атомарных значений одного и того же типа. Смысл доменов состоит в следующем. Если значения двух атрибутов берутся из одного и того же домена, то, вероятно, имеют смысл сравнения, использующие эти два атрибута Если же значения двух атрибутов берутся из различных доменов, то их сравнение, вероятно, лишено смысла.

Отношение на доменах D1, D2, ..., Dn (не обязательно, чтобы все они были различны) состоит из заголовка и тела.

Заголовоксостоит из такого фиксированного множества атрибутов A1, A2, ..., An, что существует взаимно однозначное соответствие между этими атрибутами Ai и определяющими их доменами Di (i=1,2,...,n).

Телосостоит из меняющегося во времени множествакортежей, где каждый кортеж состоит в свою очередь из множества пар атрибут-значение (Ai:Vi), (i=1,2,...,n), по одной такой паре для каждого атрибута Ai в заголовке. Для любой заданной пары атрибут-значение (Ai:Vi) Vi является значением из единственного домена Di, который связан с атрибутом Ai.

Степень отношения– это число его атрибутов. Отношение степени один называют унарным, степени два – бинарным, степени три – тернарным, ..., а степени n – n-арным. Степень отношения

Кардинальное числоилимощность отношения– это число его кортежей. Кардинальное число отношения изменяется во времени в отличие от его степени.

Поскольку отношение – это множество, а множества по определению не содержат совпадающих элементов, то никакие два кортежа отношения не могут быть дубликатами друг друга в любой произвольно-заданный момент времени. Пусть R – отношение с атрибутами A1, A2, ..., An. Говорят, что множество атрибутов K=(Ai, Aj, ..., Ak) отношения R является возможным ключом R тогда и только тогда, когда удовлетворяются два независимых от времени условия:

1. Уникальность: в произвольный заданный момент времени никакие два различных кортежа R не имеют одного и того же значения для Ai, Aj, ..., Ak.

2. Минимальность: ни один из атрибутов Ai, Aj, ..., Ak не может быть исключен из K без нарушения уникальности.

Каждое отношение обладает хотя бы одним возможным ключом, поскольку по меньшей мере комбинация всех его атрибутов удовлетворяет условию уникальности. Один из возможных ключей (выбранный произвольным образом) принимается за его первичный ключ. Остальные возможные ключи, если они есть, называются альтернативными ключами.

Вышеупомянутые и некоторые другие математические понятия явились теоретической базой для создания реляционных СУБД, разработки соответствующих языковых средств и программных систем, обеспечивающих их высокую производительность, и создания основ теории проектирования баз данных. Однако для массового пользователя реляционных СУБД можно с успехом использовать неформальные эквиваленты этих понятий:

Отношение – Таблица (иногда Файл), Кортеж – Строка (иногда Запись), Атрибут – Столбец, Поле.

При этом принимается, что «запись» означает «экземпляр записи», а «поле» означает «имя и тип поля».

1. Каждая таблица состоит из однотипных строк и имеет уникальное имя.

2. Строки имеют фиксированное число полей (столбцов) и значений (множественные поля и повторяющиеся группы недопустимы). Иначе говоря, в каждой позиции таблицы на пересечении строки и столбца всегда имеется в точности одно значение или ничего.

3. Строки таблицы обязательно отличаются друг от друга хотя бы единственным значением, что позволяет однозначно идентифицировать любую строку такой таблицы.

4. Столбцам таблицы однозначно присваиваются имена, и в каждом из них размещаются однородные значения данных (даты, фамилии, целые числа или денежные суммы).

5. Полное информационное содержание базы данных представляется в виде явных значений данных и такой метод представления является единственным. В частности, не существует каких-либо специальных "связей" или указателей, соединяющих одну таблицу с другой.

6. При выполнении операций с таблицей ее строки и столбцы можно обрабатывать в любом порядке безотносительно к их информационному содержанию. Этому способствует наличие имен таблиц и их столбцов, а также возможность выделения любой их строки или любого набора строк с указанными признаками

Ключи

Реляционная теория требует, чтобы данные унифицировались уникально по трём критериям:

• таблицей, где хранится этот элемент данных;

• названием поля в этой таблице;

• значением первичного ключа для записи.

Первичный ключ – это поле или группа полей, которые гарантируют уникальность записи.

При разработке таблицы в качестве первичного ключа следует выбирать столько полей, сколько требуется для того, чтобы каждая запись таблицы была уникальной. Одни таблицы содержат одно поле, уникально идентифицирующее каждую запись. Другие таблицы могут потребовать составного ключа (compositekey), то есть первичного ключа, состоящего из комбинации полей. Даже если таблица имеет составной первичный ключ, он может быть только один.

Построение первичного ключа является обязательным. Данные часто имеют естественный ключ (naturalkey). Например, номер социального страхования идентифицирует любого налогоплательщика США; банки выдают номера счетов своим клиентам; больницы присваивают пациентам номера в картотеке. Всё это – номер социального страхования, счёт в банке, номер в картотеке – лучшие кандидаты на роль первичного ключа, поскольку они уникально идентифицируют налогоплательщиков, клиентов и пациентов соответственно.

При выборе ключа надо проявлять осторожность, так как некоторые данные только кажутся уникальными. Например, фамилия и имя, наименование фирмы и дата заказа.

Если данные не содержат естественного первичного ключа, то он должен быть создан. Существуют две школы, которые предлагают разные способы создания искусственного ключа (artificalkey).

Первая школа утверждает, что ключ должен быть максимально приближен к данным. Например, записи в таблицах Paradoxпо умолчанию автоматически сортируют и отображаются в порядке, определённом первичным ключом. Если построить ключ по четырём буквам от фамилии плюс две буквы имени, плюс последовательно присвоенное число, то сортировка будет показывать записи в алфавитном порядке. Но у такого ключа есть и неудобства, например, при изменении фамилии придётся обновлять ссылки.

Вторая школа считает, что ключ не должен иметь ничего общего с данными, так называемый суррогатный ключ (surrogatekey).

Первичный ключ следует формировать настолько коротким, насколько это возможно. Длинный ключ приводит к большему числу ошибок при вводе данных. Поскольку реляционная БД использует первичные ключи для организации связей между таблицами, то появление ошибочных связей ухудшает защищённость данных. Если естественный первичный ключ получается слишком длинным, то рекомендуется перейти к использованию суррогатного ключа. Этот подход часто применяется на практике и известен как генерация уникальных идентификаторов.

Ключевым элементом данных называется такой элемент, по которому можно определить значения других элементов данных. Однозначно идентифицировать объект могут два и более элементов данных. Выбирать ключевые элементы данных следует тщательно, поскольку правильный выбор способствует созданию достоверной концептуальной модели данных.

Первичный ключ - это атрибут или группа атрибутов, которые единственным образом идентифицируют каждую строку таблицы.

Альтернативный (вторичный) ключ - это атрибут или группа атрибутов, не совпадающих с первичным ключом и уникально идентифицирующих экземпляр объекта.