Реляционная модель данных. 12 правил Кодда.

В конце 60-х годов появились работы, в которых обсуждались возможности применения различных табличных даталогических моделей данных, т.е. возможности использования привычных и естественных способов представления данных. 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 отдельное атомарное (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.

Доменом называется множество атомарных значений одного и того же типа. Так, на рис. домен пунктов отправления (назначения) – множество названий населенных пунктов, а домен номеров рейса – множество целых положительных чисел.

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 (например, для организации транзитного рейса можно дать запрос "Выдать рейсы, в которых время вылета из Москвы в Сочи больше времени прибытия из Архангельска в Москву"). Если же значения двух атрибутов берутся из различных доменов, то их сравнение, вероятно, лишено смысла: стоит ли сравнивать номер рейса со стоимостью билета?

Отношение на доменах D1, D2,..., Dn (не обязательно, чтобы все они были различны) состоит из заголовка и тела. На рис. 3.1 приведен пример отношения для расписания движения самолетов.

Заголовок состоит 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).

Рис. 3.1. Отношение с математической точки зрения (Ai - атрибуты, Vi - значения атрибутов)

Тело состоит из меняющегося во времени множества кортежей, 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 "Рейс" – 8.

Кардинальное число или мощность отношения – это число его кортежей. Мощность отношения "Рейс" равна 10. 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".

Необходимым условием работы с СУБД является знание реляционной модели БД. Это наиболее популярная модель хранения данных. Доктор Кодд определил 13 правил реляционной модели (которые называют 12 правилами Кодда).

Правил Кодда.

1. Реляционная СУБД должна быть способна полностью управлять базой данных, используя связи между данными.

2. Информационное правило - Вся информация в реляционной БД (включая имена таблиц и столбцов) должна определяться строго как значения таблиц.

3. Гарантированный доступ - Любое значение БД должно быть гарантированно доступным через комбинацию имени таблицы, первичный ключ и имя столбца.

4. Поддержка нулевого значения - СУБД должна уметь работать с нулевыми (пустыми) значениями. Нулевое значение - это неизвестное, независимое, неприменимое значение, в отличие от значений по умолчанию и обычных значений.

5. Активный, оперативный реляционный каталог - Описание БД и его содержимое должны быть определены на логическом уровне через таблицы, к которым можно применять запросы, используя DML (язык манипулирования данными).

6. Исчерпывающее подмножество языка данных - По крайней мере, один из поддерживаемых языков должен иметь четко определенный синтаксис и быть самодостаточным. Он должен поддерживать определение данных и манипулирование ими, правила целостности, авторизацию и транзакции.

7. Правило обновления представлений - Все представления, теоретически обновляемые, могут быть обновлены через систему.

8. Вставка, обновление и удаление - СУБД поддерживает не только запрос данных, но и вставку, обновление и удаление.

9. Физическая независимость данных - Логика программ-приложений остается прежней при изменении физических методов доступа к данным и структур хранения.

10. Логическая независимость данных - Логика программ-приложений остается прежней, в пределах разумного, при изменении структур таблиц.

11. Независимость целостности - Язык БД должен быть способен определять ограничения целостности. Они должны быть доступны из оперативного каталога, и не должно быть способа их обойти.

12. Независимость распределения - Запросы программ-приложений логически не затрагиваются при первом и последующих распределениях данных.

13. Несмешиваемость (может, кто-то знает более удачный перевод термина?) - невозможность обойти ограничения целостности, используя языки низкого уровня.

Большинство БД имеют родительско-дочерние связи, т.е. родительский файл имеет указатель на дочерний. Этот метод имеет как преимущества, так и недостатки. Весьма привлекательным кажется факт, что физическая структура данных на диске становится неважной. Программист просто ставит очередной указатель на следующую локацию, и данные будут извлекаться, используя эти указатели. Но, после создания БД, формат данных на диске не может произвольно изменяться. Чтобы радикально изменить его, придется создать БД заново.

Кодд предложил использование реляционной алгебры в СУРБД, для расчленения данных в связанные наборы. Он организовал свою систему БД вокруг концепции, основанной на наборах данных. В реляционной модели данные разбиваются в наборы, которые составляют табличную структуру. Эта структура таблиц состоит из индивидуальных элементов данных, называемых колонками или полями. Одиночный набор или группа полей известна как запись (или ряд).