Реляционная модель данных

Основной структурой данных в реляционной модели (РМД) является отношение, поэтому модель получила название реляционная (relation – отношение).

В РМД данные организованы в таблицы, которые должны удовлетворять определенным ограничениям, и могут рассматриваться как отношения.

Табличное представление было предложено американским математиком Э.Ф. Коддом в начале 70-х годов и реализовано фирмой IBM в начале 80-х. Двумерная таблица – это один из самых простых способов представления данных для пользователя или программиста.

Табличное представление отношения «Служащие» приведено в табл.1.

Табл.1. Отношение «Служащие» – таблица «Служащие»

Таб _номер	Фамилия	Отдел	Дата_рожд	Должность	Зарплата
	Иванов	САПР	11.05.74	инженер
	Петров	АСУ	21.12.65	программист
	Сидоров	САПР	17.06.70	программист

В РМД используются формальные реляционные термины, которые могут заменяться неформальными. Соответствие формальных и неформальных терминов представлено в табл.2.

Табл.2. Соответствие неформальных и формальных терминов РМД

Неформальный термин	Формальный реляционный термин
Таблица	Отношение
Строка, запись	Кортеж отношения
Количество строк	Мощность отношения, кардинальное число
Столбец, поле	Атрибут отношения
Количество столбцов	Степень, арность отношения
Уникальный идентификатор строки	Первичный ключ отношения
Общая совокупность допустимых значений некоторого столбца	Домен

Модель имеет серьезную теоретическую основу – теория множеств и математическая логика.

Основные понятия реляционной модели:

- тип данных, значение;

- домен;

- атрибут;

- кортеж;

- ключ;

- отношение.

Понятие типа данных эквивалентно понятию типа данных в алгоритмических языках. Атомарное значение данных – это наименьшая неделимая единица данных в РМД.

Домен – это потенциальное множество допустимых атомарных значений одного и того же типа. Данные считаются сравнимыми только тогда, когда относятся к одному домену. Например, номер группы и номер студенческого билета имеют одинаковый тип – целочисленный, но относятся к разным доменам, поэтому их сравнение не имеет смысла.

Атрибут – это именованный столбец отношения, значения элементов столбца должны быть из одного домена.

Пусть дана совокупность доменов D₁, D₂,…,D_N (не обязательно различных).

Кортеж отношения – это набор из N значений, расположенных в строго определенном порядке (d₁, d₂,…,d_N), таких, что d₁ принадлежит D₁, d₂ принадлежит D₂, а d_N принадлежит D_N. Количество элементов в кортеже называется арностью.

Полное декартово произведение доменов D₁ x D₂ x…x D_N – это множество всевозможных различных кортежей арности N, где каждый элемент кортежа берется из своего домена (пример: D1(№гр), D2(Фам_студ), D3(Стип)).

Отношение R, определенное на этих N доменах, является подмножеством полного декартового произведения исходных доменов.

Схемой отношения называют список имен атрибутов отношения с указанием доменов или типов атрибутов. При количестве атрибутов равном N, говорят N-арное отношение. Схема отношения – строка заголовка таблицы.

Кортеж, соответствующий данной схеме отношения, представляет собой множество пар {имя атрибута, значение}, которое содержит одно вхождение каждого имени атрибута, принадлежащего схеме отношения.

Первичный ключ отношения - это атрибут или набор атрибутов, однозначно определяющий каждый кортеж отношения и обеспечивающий уникальность строк. Ключ может быть простой (из одного атрибута) или сложный (составной из нескольких атрибутов).

Свойства ключа - уникальность и минимальность. Для каждого отношения свойством уникальности обладает, по крайней мере, полный набор его атрибутов. Ключ должен быть минимальным, т.е. никакие поля не являются избыточными для однозначной идентификации строки в таблице, удаление какого-либо поля из ключа нарушает идентификацию.

Многие объекты имеют идентификаторы, тогда можно говорить о естественном ключе, содержащем информацию об объекте, например, паспортные данные личности. Искусственный или суррогатный ключ создается системой и обычно не содержит существенной информации, например, номер учащегося в школе, т.е. вне системы не имеет смысла.

Ограничения реляционной модели (свойства таблиц):

1. Каждая таблица уникально именована, представляет один реальный объект или определяет связь между объектами и состоит из однотипных строк, соответствующих кортежам отношения, и столбцов, соответствующих атрибутам отношения.

2. Каждый элемент таблицы должен быть атомарным, т.е. неделимым.

3. Все строки имеют одну и ту же структуру с фиксированным числом полей и значений. В таблице не может быть двух одинаковых строк (следует из определения отношения). Строки отличаются друг от друга хотя бы одним значением.

4. Каждому столбцу присвоено уникальное имя. Элементы одного столбца должны быть однородными, извлечены из одного домена.

5. В операциях с таблицами строки и столбцы могут просматриваться в любой последовательности. Упорядоченность кортежей отсутствует, а домены упорядочены внутри отношения. Но порядок обращения к именованным столбцам также становится несущественным.

6. Каждая таблица должна иметь первичный ключ. Ключ позволяет найти единственную строку в таблице. По ключу индексируются кортежи, что ускоряет обработку данных. Ключи используются для логического связывания таблиц.

Более короткая форма записи таблицы «Служащие» или схема отношения «Служащие» (первичный ключ отношения подчеркнут):

Служащие(Таб_номер, Фамилия, Отдел, Дата_рожд, Должность, Зарплата)

В общем виде схема отношения записывается как

R(a₁, a₂,..., a_N), где а_i – имя i-ого атрибута отношения R.

РБД – это множество взаимосвязанных отношений. Схемой РБД называют множество именованных схем отношений, используемых для представления информации, а текущие значения отношений – базой данных. В физическом представлении каждому отношению соответствует файл БД, экземпляру отношения - запись файла БД, атрибутам отношения - поля записи файла БД.

Подсхема, являясь проекцией схемы БД, содержит только те отношения, и только те атрибуты этих отношений, которые используются прикладным программистом для решения конкретной задачи (запроса).

При описании подсхемы БД могут быть заданы все необходимые ограничения, например: пароль доступа к отношению или его атрибутам, режим обработки отношения или его атрибутов - "только чтение" или "чтение и запись" и другие.

В подсхеме БД могут также присутствовать виртуальные атрибуты - это не хранимые в БД атрибуты отношений, а вычисляемые алгоритмически для конкретной задачи (запроса). Также в подсхеме БД могут быть изменены способы упорядочивания данных (то есть. назначены другие ключи), типы данных (цифровые - заменены на символьные и наоборот). При этом СУБД обеспечивает автоматическое выполнение всех этих процессов.

Особенность РМД в том, что и объекты, и связи между ними представляются в единой форме, в виде таблиц.

В отличие от иерархической и сетевой моделей связи между отношениями поддерживаются неявно. В РМД поддерживаются бинарные связи типа «1:1», «1:M», «M:1». В каждой связи одно отношение выступает как основное (со стороны 1), а другое как подчиненное (со стороны М). Это означает, что один кортеж основного отношения может быть связан с несколькими кортежами подчиненного отношения.

Связь поддерживается связующим набором атрибутов, в основном отношении это первичный ключ (primary key), который должен присутствовать в подчиненном отношении, как вторичный ключ. Этот набор атрибутов в подчиненном отношении называют внешним ключом (foreign key).

Внешние ключи используются для установления логических связей между отношениями. Первичный ключ определяет единственный кортеж в основном отношении, а вторичный ключ – множество кортежей в подчиненном отношении, которые связаны с одним кортежем основного отношения.

Рассмотрим пример поддержания связи типа «1:М» между отношениями «Группа» и «Студенты». Основным отношением является отношение «Группа», первичный ключ отношения - атрибут «Номер_группы». Подчиненным отношением является отношение «Студенты», первичный ключ отношения – «Номер_зачетной_книжки». В отношении «Студенты» должен присутствовать атрибут «Номер_группы», как внешний ключ для связи с основным отношением. Именно этот атрибут и позволяет определить информацию о группе, в которой студент обучается.

Схема основного отношения «Группа»:

Группа (№_группы, Специальность)

Схема подчиненного отношения «Студенты»:

Студенты (№_зачетной_книжки, Фамилия, Дата_рождения, №_группы)

(В схемах отношений первичные ключи подчеркнуты, вторичный выделен курсивом).

Примеры СУБД РМД: DBase, FoxPro, Clipper, Paradox, MS Access, Informix, Oracle и др.

Любая структура данных может быть сведена к двумерным таблицам. Рассмотрим пример преобразования иерархической МД, представленной на рис., в реляционную БД, т.е. в совокупность взаимосвязанных отношений.

Для каждого узла древовидной структуры создается отдельное отношение, т.е. создаются отношения «Отделы», «Служащие», «Трудовая_деятельность», «Дети», «Работы». В каждое отношение, соответствующее подчиненному узлу, добавляется идентификатор исходного узла. В результате получим реляционную БД, состоящую из следующих отношений:

Отделы (Номер_отдела, Наименование)

Служащие (Таб_номер, Фамилия, Зарплата, Номер_отдела)

Трудовая_деятельность (Номер_приказа, Содержание_приказа, Таб_номер)

Дети (Имя_ребенка, Таб_номер, Дата_рождения)

Работы (Шифр_работы, Наименование, Дата_завершения, Номер_отдела)

Достоинства реляционной модели:

– простота и наглядность модели;

– однородность структур для представления объектов и связей;

– возможность манипулировать данными без необходимости знания конкретной физической организации БД во внешней памяти;

– возможность использовать непроцедурные языки запросов малоподготовленными пользователями БД.

Рассмотренные даталогические модели различаются способом, которым позволяют пользователю представлять и обрабатывать связи.

В иерархической и сетевой модели связи физические, данные взаимосвязаны физическими указателями. Это достоинство и недостаток. Хорошо реализуются предусмотренные физические связи, а другие отношения трудно извлекать. В реляционной модели связи логические.

При реляционном подходе связи между объектами представляются так же, как и сами объекты, кортежами в отношениях. Единообразие представления данных упрощает программные и языковые средства СУБД.

Дата добавления: 2014-01-07