Какими свойствами обладают реляционные модели
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ БАЗ ДАННЫХ
База данных (БД) – именованная совокупность данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области данных.
Примеры предметных областей данных: склад, магазин, вуз, больница, учебный процесс и т. д. Именно предметная область определяет совокупность данных, которые должны храниться в базе данных.
Система управления базами данных (СУБД) – совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования базы данных многими пользователями.
Другие определения, имеющие отношение к БД и СУБД.
Банк данных (БнД) – это система специальным образом организованных данных – баз данных, программных, технических, языковых, организационно-методических средств, предназначенных для обеспечения централизованного накопления и многоцелевого использования данных.
Информационная система (ИС) – взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной задачи.
Основой практически любой информационной системы является база данных.
Сервер – компьютер или программа, владеющая определенным информационным ресурсом и предназначенная для обработки запросов от программ-клиентов.
Основными моделями данных, определяющие структуру базы данных, являются:
иерархическая модель;
сетевая модель;
реляционная модель.
РЕЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ
Теоретической основой этой модели является теория отношений и основной структурой данных – отношение. Именно поэтому модель получила название реляционной (от английского слова relation — отношение).
Отношениепредставляет собой множество элементов, называемых кортежами. Наглядной формой представления отношения является двумерная таблица. Смысловые значения некоторых элементов реляционной модели приведены в следующей таблице.
| Обычное представление | База данных | Реляционная модель |
| Таблица | Таблица | Отношение |
| Строка | Запись | Кортеж |
| Название столбца | Поле | Атрибут |
| Множество значений столбца | Множество значений поля | Домен (множество значений атрибута) |
Подавляющее число создаваемых и используемых баз данных являются реляционными. Их создание и развитие связано с научными работами известного американского математика, специалиста в области систем баз данных Э. Кодда.
Свойства реляционной таблицы
Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Каждая реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:
· каждый элемент таблицы — один элемент данных;
· все столбцы (поля, атрибуты) в таблице однородные, т.е. все элементы в одном столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный и т.д.) и длину;
· каждый столбец имеет уникальное имя;
· одинаковые строки (записи, кортежи) в таблице отсутствуют;
· порядок следования строк и столбцов может быть произвольным.
Каждое поле содержит одну характеристику объекта предметной области. В записи собраны сведения об одном экземпляре этого объекта.
Ключи
Поле, каждое значение которого однозначно определяет соответствующую запись, называется простым ключом (ключевым полем). Ключ, состоящий из нескольких полей называется составным ключом. В СУБД Access в качестве ключа может быть использован Счетчик, который автоматически возрастает на единицу при вводе в таблицу новой записи. Такой ключ называют искусственным. Он семантически не связан ни с одним полем таблицы. Из-за этого он допускает повторный ввод одних и тех же записей. Но с помощью него просто устанавливать связь между таблицами. Основное свойство ключа – уникальность, неповторимость.
Типы связей между таблицами
Структура базы данных определяется структурой таблиц и связями между ними.
Связи между таблицами бывают трех типов:
«один-к-одному» (1:1) – одной записи в главной таблице соответствует одна запись в подчиненной таблице,
«один-ко-многим» (1:М) – одной записи в главной таблице соответствует несколько записей в подчиненной таблице,
«многие-ко-многим» (М:М) – нескольким записям в главной таблице соответствуют несколько записей в подчиненной таблице. Или одной записи в первой таблице может соответствовать несколько записей во второй таблице. И одной записи во второй таблице могут соответствовать несколько записей в первой таблице.
Создание связей между таблицами
Связь между таблицами устанавливается с помощью ключей. Главной называют таблицу, первичный ключ которой используется для установления связи с другой таблицей, которая в этом случае называется подчиненной.
Чтобы связать две реляционные таблицы, необходимо ключ главной таблицы ввести в состав подчиненной таблицы. Название ключа может быть другим, но обязательно одинаковыми с первичным ключом должны быть тип и размер вторичного ключа в подчиненной таблице. Для удобства лучше обозначение вторичного ключа оставлять таким же, как и первичного. Однако если ключом выбран Счетчик, то вторичный ключ должен иметь тип Числовой — длинное целое (но не Счетчик!). Вторичный ключ – это или обычное поле, или часть первичного ключа в подчиненной таблице.
СУБД Access для реализации связи «многие-ко-многим» требует создать таблицу связи и ввести в нее в качестве вторичных ключей первичные ключи двух таблиц, которые должны иметь такую связь (М:М). После этого устанавливается связь 1:М каждой из двух таблиц с таблицей связи. Между двумя таблицами таким образом реализуется связь М:М. Если в БД «Моя библиотека» создать таблицы Книги и Авторы, то связь между ними будет вида М:М, так как одной записи в таблице Книги (реквизиты одной книги) может соответствовать несколько записей в таблице Авторы. Потому что у одной книги может быть несколько авторов. В свою очередь, одной записи в таблице Авторы могут соответствовать несколько записей в таблице Книги, так как один автор может написать несколько книг. Таблицу связи можно назвать КнигиАвторы, в которую будут включены ключи обеих таблиц – Книги и Авторы. Если требуется, в таблицу связи можно включить и другие поля.
Среди реляционных баз данных следует различать корпоративные и настольные базы данных.
Из корпоративных реляционных СУБД наиболее распространенными являются: Oracl, IBM DB2, Sybase, Microsoft SQL Server, Informix. Из постреляционных СУБД известна СУБД Cache компании InterSystems.
Наиболее известны в настоящее время следующие настольные БД: Microsoft Access, Paradox (фирмы Borland), FoxPro (Microsoft), dBase IV (IBM), Clarion.
Эти СУБД занимают более 90% всего рынка СУБД.
В следующем разделе дана краткая характеристика СУБД Microsoft Access.
Аннотация: В лекции рассматривается реляционная модель данных, дается понятие информационного объекта, простых и составных ключей. Рассказывается, что такое нормализация отношений и как она влияет на создание и работу базы данных.
Цель лекции: Ознакомиться с достоинствами и недостатками реляционного подхода к построению инфологической модели. Понять, как влияет нормализация отношений на работу базы данных. Понять различия между простым и составным ключом.
Реляционная модель данных
Реляционная модель есть представление БД в виде совокупности упорядоченных нормализованных отношений.
Для реляционных отношений характерны следующие особенности.
- Любой тип записи содержит только простые (по структуре) элементы данных.
- Порядок кортежей в таблице несуществен.
- Упорядочение значащих атрибутов в кортеже должно соответствовать упорядочению атрибутов в реляционном отношении.
- Любое отношение должно содержать один атрибут или более, которые вместе составляют уникальный первичный ключ.
- Если между двумя реляционными отношениями существует зависимость, то одно отношение является исходным, второе — подчиненным.
- Чтобы между двумя реляционными отношениями существовала зависимость, атрибут, служащие первичным ключом в исходном отношении, должны также присутствовать в подчиненном отношении.
Пример 5.1. Представим БД «Учебный процесс»в виде реляционной модели (
таблица
5.1).
| а) Отношение ГРУППА | |||
|---|---|---|---|
| Индекс ИГ | Название группы НГ | Количество ответов КОЛ | Проходной балл ПБАЛЛ |
| 1 | А1 | 16 | 4,3 |
| 2 | А2 | 28 | 4,0 |
| 3 | А3 | 18 | 4,3 |
| б) Отношение СТУДЕНТ | |||
| Номер зачетной книжки НЗ | ИГ | Фамилия И.О. СФИО | Год рождения ГР |
Понятие реляционный (англ. relation — отношение) связано с разработками известного американского специалиста в области систем баз данных Е. Кодда.
Эти модели характеризуются простотой структуры данных, удобным для пользователя табличным представлением и возможностью использования формального аппарата алгебры отношений и реляционного исчисления для обработки данных.
Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Каждая реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:
- каждый элемент таблицы — один элемент данных;
- все столбцы в таблице однородные, т.е. все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный и т.д.) и длину;
- каждый столбец имеет уникальное имя;
- одинаковые строки в таблице отсутствуют;
- порядок следования строк и столбцов может быть произвольным.
Пример 5.2. Реляционной таблицей можно представить информацию о студентах, обучающихся в вузе (
таблица
5.2).
| № личного дела | Фамилия | Имя | Отчество | Дата рождения | Группа |
|---|---|---|---|---|---|
| 16493 | Сергеев | Петр | Михайлович | 01.01.76 | ИСТ 11 |
| 16593 | Петрова | Анна | Владимировна | 15.03.75 | СК 12 |
| 16693 | Анохин | Андрей | Борисович | 14.04.76 | ИСТ 11 |
Понятие информационного объекта
Информационный объект — это описание некоторой сущности (реального объекта, явления, процесса, события) в виде совокупности логически связанных реквизитов (информационных элементов). Такими сущностями для информационных объектов могут служить: цех, склад, материал, вуз, студент, сдача экзаменов и т.д.
Информационный объект определенного реквизитного состава и структуры образует класс (тип), которому присваивается уникальное имя (символьное обозначение), например Студент, Сессия, Стипендия.
Информационный объект имеет множество реализации — экземпляров, каждый из которых представлен совокупностью конкретных значений реквизитов и идентифицируете* значением ключа (простого — один реквизит или составного — несколько реквизитов). Остальные реквизиты информационного объекта являются описательными. При этом одни и те же реквизиты в одних информационных объектах могут быть ключевыми, а в других- описательными. Информационный объект может иметь несколько ключей.
Пример 5.3 В таблице 5.2 представлен пример структуры и экземпляров информационного объекта Студент.
В информационном объекте Студент ключом является реквизит Номер (№ личного дела), к описательным реквизитам относятся: Фамилия (Фамилия студента), Имя (Имя студента), Отчество (Отчество студента), Дата (Дата рождения), Группа (№ группы). Если отсутствует реквизит Номер, то для однозначного определения характеристик конкретного студента необходимо использование составного ключа из трех реквизитов: Фамилия + Имя + Отчество.
| Структура | Номер | Фамилия | Имя | Отчество | Дата | Группа |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Экземпляры инф.объекта Студент | 16493 | Сергеев | Петр | Михайлович | 01.01.96 | ИСТ 11 |
| 16593 | Петрова | Анна | Викторович | 15.03.95 | СК 12 | |
| 16693 | Анохин | Роман | Борисович | 14.04.96 | ИСТ 11 |
Пример 5.4 На
рис.
5.1 изображен пример компактного представления информационного объекта Студент с обозначением имени объекта, ключа и указанием максимально возможного числа экземпляров записи.
Рис.
5.1.
Пример компактного представления информационного объекта
Пример 5.5 Пример представления информационного объекта Студент в виде графа на
рис.
5.2.
Рис.
5.2.
Пример представления информационного объекта в виде графа
Нормализация отношений
Понятие нормализации отношений
Одни и те же данные могут группироваться в таблицы (отношения) различными способами, т.е. возможна организация различных наборов отношений взаимосвязанных информационных объектов. Группировка атрибутов в отношениях должна быть рациональной, т.е. минимизирующей дублирование данных и упрощающей процедуры их обработки и обновления.
Определенный набор отношений обладает лучшими свойствами при включении, модификации, удалении данных, чем все остальные возможные наборы отношений, если он отвечает требованиям нормализации отношений.
Нормализация отношений — формальный аппарат ограничений на формирование отношений (таблиц), который позволяет устранить дублирование, обеспечивает непротиворечивость хранимых в базе данных, уменьшает трудозатраты на ведение (ввод, корректировку) базы данных. [2]
Е. Коддом выделены три нормальные формы отношений и предложен механизм, позволяющий любое отношение преобразовать к третьей (самой совершенной) нормальной форме.
Первая нормальная форма
Отношение называется нормализованным или приведенным к первой нормальной форме, если все его атрибуты простые (далее неделимы).
Преобразование отношения к первой нормальной форме может привести к увеличению количества реквизитов (полей) отношения и изменению ключа.
Например, отношение Студент = (Номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дата, Группа) находится в первой нормальной форме.
Вторая нормальная форма
Чтобы рассмотреть вопрос приведения отношений ко второй нормальной форме, необходимо дать пояснения к таким понятиям, как функциональная зависимость и полная функциональная зависимость.
Описательные реквизиты информационного объекта логически связаны с общим для них ключом, эта связь носит характер функциональной зависимости реквизитов.
Функциональная зависимость реквизитов — зависимость, при которой в экземпляре информационного объекта определенному значению ключевого реквизита соответствует только одно значение описательного реквизита.
Такое определение функциональной зависимости позволяет при анализе всех взаимосвязей реквизитов предметной области выделить самостоятельные информационные объекты.
Пример 5.6 Пример графического изображения функциональных зависимостей реквизитов Студент показан на
рис.
5.3, на котором ключевой реквизит указан *.
Рис.
5.3.
Графическое изображение функциональной зависимости реквизитов
В случае составного ключа вводится понятие функционально полной зависимости.
Функционально полная зависимость неключевых атрибутов заключается в том, что каждый неключевой атрибут функционально зависит от ключа, но не находится в функциональной зависимости ни от какой части составного ключа.
Таблица находится во второй нормальной форме, если она удовлетворяет требованиям первой нормальной формы и все ее поля, не входящие в первичный ключ, связаны полной функциональной зависимостью с первичным ключом, то есть любое не ключевое поле однозначно идентифицируется полным набором ключевых полей.
Итак, таблица, находящаяся во второй нормальной форме, должна удовлетворять следующим правилам:
- таблица должна содержать данные об одном типе объектов;
- каждая таблица должна содержать одно поле или несколько полей, образующих уникальный идентификатор (или первичный ключ) для каждой строки;
- все поля, не имеющие ключа, должны определяться полным уникальным идентификатором данной таблицы.
Пример 5.7
| Отношение Студент = (Номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дата, Группа) | находится в первой и во второй нормальной форме одновременно, так как описательные реквизиты однозначно определены и функционально зависят от ключа Номер. |
| Отношение Успеваемость = (Номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дисциплина, оценка) | находится в первой нормальной форме и имеет составной ключ Номер + Дисциплина. Это отношение не находится во второй нормальной форме, так как атрибуты Фамилия, Имя, Отчество не находятся в полной функциональной зависимости с составным ключом отношения. |
Третья нормальная форма
Понятие третьей нормальной формы основывается на понятии нетранзитивной зависимости.
Транзитивная зависимость наблюдается в том случае, если один из двух описательных реквизитов зависит от ключа, а другой описательный реквизит зависит от первого описательного реквизита.
Таблица находится в третьей нормальной форме, если она удовлетворяет определению второй нормальной формы и ни одно из ее неключевых полей функционально не зависит от любого другого неключевого поля. Можно сказать, что таблица находится в третьей нормальной форме, если она находится во второй нормальной форме и каждое неключевое поле нетранзитивно зависит от первичного ключа.
Требование третьей нормальной формы сводится к тому, чтобы все нёключевые поля зависели только от первичного ключа и не зависели друг от друга. Другими словами, нужно иметь возможность изменять значение любого неключевого поля, не изменяя значения любого другого поля базы данных. Это требование исключает любое поле, значения в котором получаются как результат вычислений, использующих значения других полей.
Пример 5.8 Если в состав описательных реквизитов информационного объекта Студент включить фамилию старосты группы (Староста), которая определяется только номером группы, то одна и та же фамилия старосты будет многократно повторяться в разных экземплярах данного информационного объекта. В этом случае наблюдаются затруднения в корректировке фамилии старосты в случае назначения нового старосты, а также неоправданный расход памяти для хранения дублированной информации.
Для устранения транзитивной зависимости описательных реквизитов необходимо провести «расщепление» исходного информационного объекта. В результате расщепления часть реквизитов удаляется из исходного информационного объекта и включается в состав других (возможно, вновь созданных) информационных объектов.
Пример 5.9 «Расщепление» информационного объекта, содержащего транзитивную зависимость описательных реквизитов, показано на
рис.
5.4. Как видно из
рис.
5.4, исходный информационный объект Студент группы представляется в виде совокупности правильно структурированных информационных объектов (Студент и Группа), реквизитный состав которых тождественен исходному объекту.
Отношение Студент = (Номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дата, Группа) находится одновременно в первой, второй и третьей нормальной форме.
Рис.
5.4.
Расщепление» информационного объекта, содержащего транзитивную зависимость описательных реквизитов