Реляционная модель данных: базовые объекты, фундаментальные свойства отношений. Представление сущностей и связей.

Реляционная модель данных (РМД) — логическая модель данных, прикладная теория построения баз данных.

В настоящее время это наиболее распространенная модель данных, используемая коммерческими СУБД. Как и любая другая, реляционная модель данных определяет

· структурную часть,

· целостную часть,

· манипуляционную часть.

 

Особенности реляционной модели данных, отличающие ее от модели «сущность-связь»:

· определена манипуляционная часть – конкретный набор операций

· имеются конкретные языки описания данных и манипулирования данными (современные реляционные СУБД используют единый язык – SQL, в котором объединены и ЯОД, и ЯМД).

 

Базовыми структурными компонентами РМД являются:

1)домены и атрибуты, 2)отношения, 3)связи.

 

Домен – множество однородных элементов. Кодд определил простой домен, элементы которого имеют простые (атомарные) значения, и составной домен, элементы которого представляют собой отношения, построенные на простых доменах.

 

Пусть дана совокупность множеств D₁, D₂, …, D_n, не обязательно различных.

Тогда отношение R, определенное на этих множествах, есть множество упорядоченных кортежей <d₁, d₂, …, d_n> таких, что d_i Î D_i для каждого i из [1:n]. В реляционной модели данных множества D_i представляют собой домены.

Свойства отношения:

· кортежи отношения не упорядочены

· домены внутри кортежей упорядочены.

 

Атрибуты задают способ использования домена внутри отношения.

Схема отношения – это именованная совокупность пар <имя атрибута: имя домена>. Схема отношения представляет собой интенсионал отношения.

 

Основополагающее требование РМД: все отношения должны быть нормализованными. Нормализованное отношение – это отношение, в котором все значения атрибутов являются атомарными. Фундаментальные свойства отношений реляционной модели данных:

1. Каждый атрибут отношения имеет уникальное в данном отношении имя

2. Каждый атрибут определен на каком-то одном домене

3. На одном и том же домене может быть определено несколько атрибутов

4. Имя атрибута может совпадать с именем домена

5. Порядок следования атрибутов не устанавливается (атрибуты в определении схемы отношения не упорядочены)

6. В отношении нет совпадающих кортежей (каждый кортеж уникален)

7. Порядок следования кортежей не устанавливается (кортежи в отношении не упорядочены)

8. Отношение имеет имя, которое в схеме БД отличается от имен всех других отношений

 

Ключ – это совокупность атрибутов, которая однозначно идентифицирует каждый кортеж данного отношения. Ключ может содержать дополнительные атрибуты, которые не обязательны для уникальной идентификации кортежа. Поэтому в РМД вводится понятие первичного ключа, состоящего только из тех атрибутов, которые действительно необходимы для уникальной идентификации кортежа. Первичный ключ (PK – Primary Key) – неизбыточный набор атрибутов, значения которых однозначно определяют кортеж отношения. Если ключ состоит из нескольких атрибутов, он называется составным.

 

Таким образом, в соответствии с определением, первичный ключ отношения обладает следующими двумя свойствами:

· уникальность – в каждом кортеже отношения значение ключа единственным образом идентифицирует этот кортеж;

· неприводимость – никакое собственное подмножество ключа не обладает свойством уникальности.

 

Отношение может иметь только один первичный ключ. Если в отношении можно выделить несколько наборов атрибутов, каждый из которых уникально и не избыточно идентифицирует каждый кортеж отношения, в таком случае один из них выбирается в качестве первичного ключа, а все остальные являются альтернативными ключами (AK – Alternate Key).

 

Связи между сущностями отражают взаимосвязи между конкретными экземплярами сущностей. Эти взаимосвязи представляются с помощью внешних ключей.

Внешний ключ (FK – Foreign Key) – это атрибут или некоторое множество атрибутов отношения R1, которые не являются собственными атрибутами отношения R1, но их значение совпадает со значениями первичного ключа некоторого отношения R2 (возможность идентичности R1 и R2 не исключается). Атрибуты внешнего ключа представляют собой некоторые дополнительные атрибуты, которые не определяют саму сущность, но позволяют установить ассоциации с другой сущностью.

 

Основными типами связей между сущностями являются связи 1: N и N: N.

 

 

6. Подмножество SQL для определения данных: предложение CREATE TABLE, правила записи. Примеры.

Реляционная модель данных определяет два базовых требования целостности, которые поддерживаются любой РСУБД:

· требование целостности сущностей,

· требование целостности по ссылкам.

 

Объекту или сущности реального мира в реляционной БД соответствует кортеж отношения. Требование целостности сущностей состоит в следующем: любой кортеж любого отношения должен быть отличным от любого другого кортежа этого же отношения. Это требование означает, что каждое отношение должно иметь первичный ключ. Это требование выполняется автоматически, если в системе не нарушаются базовые свойства отношений.

 

Кроме этого, могут быть установлены и следующие ограничения:

· UNIQUE – уникальность атрибутов; определяет альтернативные ключи отношения;

· NOT NULL – обязательность значения; при вставке новых или модификации существующих элементов отношения значения соответствующих атрибутов должны быть заданы;

· CHECK (условие) – допустимые значения атрибутов; вставляемые значения должны удовлетворять указанному условию.

 

Ссылочные ограничения целостности в РМД представляют собой условия, накладываемые на сосуществование кортежей в связанных отношениях. Как уже говорилось, в реляционной БД связи между отношениями представляются с помощью внешних ключей. Вернемся к примеру, в котором рассматривались отношения ОТДЕЛ и СОТРУДНИК:

ОТДЕЛ (Номер отдела, Название (АК))

СОТРУДНИК (Номер сотрудника, Имя, Год рождения, Номер отдела (FK))

Атрибут внешнего ключа Номер отдела в отношении СОТРУДНИК позволяет получить полную информацию о том конкретном отделе, в котором работает конкретный сотрудник.

Обычно отношение, в котором определяется внешний ключ, называется дочерним отношением, а отношение, на которое ссылается внешний ключ – родительским отношением. Так, в нашем примере отношение СОТРУДНИК – дочернее, а отношение ОТДЕЛ – родительское.

Требование ссылочной целостности состоит в следующем: значение атрибута внешнего ключа в любом кортеже дочернего отношения должно соответствовать значению атрибута первичного ключа в некотором кортеже родительского отношения.

 

При выполнении операций, связанных с модификацией отношений (операции вставки, удаления и модификации значения соответствующего ключа) необходимо следить за требованиями целостности. Рассмотрим особенности выполнения этих операций. Все операции с дочерним отношением должны удовлетворять требованиям ссылочной целостности:

· при вставке нового элемента этот элемент должен иметь допустимое значение атрибутов внешнего ключа;

· удаление элемента выполняется без каких-либо ограничений;

· при модификации внешнего ключа некоторого элемента этот элемент должен получить допустимое значение атрибутов внешнего ключа.

Операции с родительским отношением выполняются следующим образом:

· вставка нового элемента выполняется без каких-либо ограничений;

· удаление элемента не должно привести к нарушению ссылочной целостности. Если в дочернем отношении существует элемент, ссылающийся на удаляемый элемент родительского отношения, как поступить с ним? Здесь возможны три подхода:

a) restrict – удаление элемента из родительского отношения не выполняется, если в дочернем отношении есть хотя бы один элемент, ссылающийся на удаляемый;

b) cascade – вместе с элементом родительского отношения удаляются все ссылающиеся на него элементы дочернего отношения;

c) set NULL – атрибутам внешнего ключа дочернего отношения присваивается пустое значение (каждая СУБД использует собственный способ задания пустого значения); этот подход возможен, если для атрибутов внешнего ключа дочернего отношения не установлено ограничение обязательности значения;

· модификация значения первичного ключа существующего элемента также не должна привести к нарушению ссылочной целостности. Здесь также возможны те же три подхода. При этом в случае cascade одинаковые изменения происходят и с элементом родительского отношения, и с элементом дочернего.

 

Например, отношение ДЕТАЛЬ на SQL для СУБД MS SQL Server м.б. определено так:

create table P (

P_ID smallint identity (1, 1) constraint P_PK primary key, --1

PNAME varchar (20) not null constraint P_UQ_01 unique, --2

PRICE money not null constraint P_CH_01 check (price > 0) --3

)

1 – определено ограничение первичного ключа (ограничение PRIMARY KEY, имя ограничения – P_PK), значения которого должны устанавливаться автоматически, начиная с 1 и с шагом 1 (т.е. в первой записи будет установлено значение 1, во второй – значение 2 и т.д.)

2 – определены ограничения уникальности (имя– P_UQ_01) и обязательности значения;

3 – определено условие (имя – P_CH_01): значение атрибута должно быть больше нуля.

 

Отношение ПОСТАВЩИК может быть определено следующим образом:

create table S (

S_ID smallint identity(1,1) constraint S_PK primary key,

SNAME varchar(30) not null,

ADDRESS varchar(80))

Теперь определим отношение связи ПОСТАВКА:

create table SP (

S_ID smallint not null constraint SP_FK_01 references S(S_ID), --1

P_ID smallint not null constraint SP_FK_02 references P(P_ID), --1

QTY int not null constraint SP_CH_01 check(QTY > 0),

constraint SP_PK primary key(S_ID, P_ID) --2

)

1 – определяется внешний ключ; в ограничении внешнего ключа (ключевое слово REFERENCES) указывается родительская таблица и ее первичный ключ; по умолчанию правило удаления определяется как restrict.

2 – определяется ограничение первичного ключа; так как в данном примере первичный ключ составной, определение первичного ключа дается как ограничение уровня таблицы (ограничение внешнего ключа в данном примере, устанавливаемое только для одного атрибута, является ограничением уровня атрибута).