Реляционная модель данных

                                                            Содержание

 
 

Введение 4

Глава 1.Базы Данных. Системы управления файлами 5

    1.1.Что  такое базы данных 5

    1.2.Системы управления файлами 5

    1.3.Архитектура  СУБД 6

Глава 2.Модели данных 9

    2.1.Иерархическая модель 9

    2.2.Сетевая модель 10

Глава 3.Реляционная модель данных 13

    3.1.Таблицы 14

    3.2.Первичные ключи 15

    4.1.Отношения предок\потомок 17

    4.2.Внешние ключи 18

    4.3.Двенадцать правил Кодда 19

Глава 4. Манипулирование реляционными данными 24

Заключение 25

Список литературы 26

Приложение 27

Введение

    Основные  идеи современной информационной технологии базируются на концепции, согласно которой  данные должны быть организованы в  базы данных с целью адекватного  отображения изменяющегося реального  мира и удовлетворения информационных потребностей пользователей. Эти базы данных создаются и функционируют под управлением специальных программных комплексов, называемых системами управления базами данных (СУБД).

    Увеличение  объема и структурной сложности  хранимых данных, расширение круга пользователей информационных систем привели к широкому распространению наиболее удобных и сравнительно простых для понимания реляционных (табличных) СУБД. Для обеспечения одновременного доступа к данным множества пользователей, нередко расположенных достаточно далеко друг от друга и от места хранения баз данных, созданы сетевые мультипользовательские версии БД основанных на реляционной структуре. В них тем или иным путем решаются специфические проблемы параллельных процессов, целостности (правильности) и безопасности данных, а также санкционирования доступа.

    Задачами  данной работы являются:

    • дать основные понятия баз данных, описать архитектуру СУБД, модели данных;
    • раскрыть модель сущность-связь,  описать характеристику связей, классификацию сущностей, структуру первичных и внешних ключей, определить понятие целостности данных;
    • описать реляционную структуру данных, реляционные базы данных и  способы манипулирования ими.

Глава 1.Базы Данных. Системы управления файлами.

1.1.Что такое базы данных?

    Восприятие  реального мира можно соотнести  с последовательностью разных, хотя иногда и взаимосвязанных, явлений. С давних времен люди пытались описать  эти явления (даже тогда, когда не могли их понять). Такое описание называют данными.

  В самом общем смысле база данных - это набор записей и файлов, организованных специальным образом. В компьютере, например, можно хранить фамилии и адреса друзей или клиентов. Один из типов баз данных - это документы, набранные с помощью текстовых редакторов и сгруппированные по темам. Другой тип - файлы электронных таблиц, объединяемые в группы по характеру их использования.

1.2. Системы управления  файлами

  До  появления СУБД все данные, которые  содержались в компьютерной системе  постоянно, хранились в виде отдельных файлов. Система управления файлами, которая обычно является частью операционной системы компьютера, следила за именами файлов и местами их расположения. В системах управления файлами модели данных, как правило, не использовались; эти системы ничего не знали о внутреннем содержимом файлов. Для такой системы файл, содержащий документ текстового процессора, ничем не отличается от файла, содержащего данные о начисленной зарплате.

  Знание  о содержимом файла - какие данные в нём хранятся и какова их структура - было уделом прикладных программ, использующих этот файл, что иллюстрирует рис. 1.11. В приложении для начисления зарплаты каждая из программ, обрабатывающих файл с информацией о служащих, содержит в себе описание структуры данных (ОСД), хранящихся в этом файле. Когда структура данных изменялась - например, в случае добавления нового элемента данных для каждого служащего, - необходимо было модифицировать каждую из программ, обращавшихся к файлу. Со временем количество файлов и программ росло, и на сопровождение существующих приложений приходилось затрачивать всё больше и больше усилий, что замедляло разработку новых приложений.

  Проблемы  сопровождения больших систем, основанных на файлах, привели в конце 60-х  годов к появлению СУБД. В основе СУБД лежала простая идея: изъять из программ определение структуры содержимого файла и хранить её вместе с данными в базе данных.

1.3. Архитектура СУБД

    СУБД  должна предоставлять доступ к данным любым пользователям, включая и  тех, которые практически не имеют  и (или) не хотят иметь представления о:

  • физическом размещении в памяти данных и их описаний;
  • механизмах поиска запрашиваемых данных;
  • проблемах, возникающих при одновременном запросе одних и тех же данных многими пользователями (прикладными программами);
  • способах обеспечения защиты данных от некорректных обновлений и (или) несанкционированного доступа;
  • поддержании баз данных в актуальном состоянии

    и множестве других функций СУБД.

    При выполнении основных из этих функций  СУБД должна использовать различные  описания данных. А как создавать эти описания?

    Естественно, что проект базы данных надо начинать с анализа предметной области  и выявления требований к ней  отдельных пользователей (сотрудников  организации, для которых создается  база данных). Подробнее этот процесс  будет рассмотрен ниже, а здесь отметим, что проектирование обычно поручается человеку (группе лиц) – администратору базы данных (АБД). Им может быть как специально выделенный сотрудник организации, так и будущий пользователь базы данных, достаточно хорошо знакомый с машинной обработкой данных.

    Объединяя частные представления о содержимом базы данных, полученные в результате опроса пользователей, и свои представления  о данных, которые могут потребоваться  в будущих приложениях, АБД сначала  создает обобщенное неформальное описание создаваемой базы данных. Это описание, выполненное с использованием естественного языка, математических формул, таблиц, графиков и других средств, понятных всем людям, работающих над проектированием базы данных, называют инфологической моделью данных

    Такая человеко-ориентированная модель полностью  независима от физических параметров среды хранения данных. В конце  концов этой средой может быть память человека, а не ЭВМ. Поэтому инфологическая модель не должна изменяться до тех  пор, пока какие-то изменения в реальном мире не потребуют изменения в ней некоторого определения, чтобы эта модель продолжала отражать предметную область.

    Остальные модели, показанные на рис. 1, являются компьютеро-ориентированными. С их помощью СУБД дает возможность программам и пользователям осуществлять доступ к хранимым данным лишь по их именам, не заботясь о физическом расположении этих данных. Нужные данные отыскиваются СУБД на внешних запоминающих устройствах по физической модели данных.

    Так как указанный доступ осуществляется с помощью конкретной СУБД, то модели должны быть описаны на языке описания данных этой СУБД. Такое описание, создаваемое АБД по инфологической модели данных, называют даталогической моделью данных.

    Трехуровневая архитектура (инфологический, даталогический и физический уровни) позволяет обеспечить независимость хранимых данных от использующих их программ. АБД может при необходимости переписать хранимые данные на другие носители информации и (или) реорганизовать их физическую структуру, изменив лишь физическую модель данных. АБД может подключить к системе любое число новых пользователей (новых приложений), дополнив, если надо, даталогическую модель. Указанные изменения физической и даталогической моделей не будут замечены существующими пользователями системы (окажутся "прозрачными" для них), так же как не будут замечены и новые пользователи. Следовательно, независимость данных обеспечивает возможность развития системы баз данных без разрушения существующих приложений. 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 2. Модели данных

    Физическая  организация данных оказывает основное влияние на эксплуатационные характеристики БД. Разработчики СУБД пытаются создать  наиболее производительные физические модели данных, предлагая пользователям  тот или иной инструментарий для  поднастройки модели под конкретную БД. Разнообразие способов корректировки физических моделей современных промышленных СУБД не позволяет рассмотреть их в этом разделе.

2.1.Иерархическая модель

  Одной из наиболее важных сфер применения первых СУБД было планирование производства для компаний, занимающихся выпуском продукции. Например, если автомобильная компания хотела выпустить 10000 машин одной модели и 5000 машин другой модели, ей необходимо было знать, сколько деталей следует заказать у своих поставщиков. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо определить, из каких деталей состоят эти части и т.д. Например, машина состоит из двигателя, корпуса и ходовой части; двигатель состоит из клапанов, цилиндров, свеч и т.д. Работа со списками составных частей была как будто специально предназначена для компьютеров.

   Список составных  частей изделия по своей природе  является иерархической структурой. Для хранения данных, имеющих такую структуру, была разработана иерархическая модель данных, которую иллюстрирует рис. 1.2.

  В этой модели каждая запись базы данных представляла конкретную деталь. Между записями существовали отношения предок/потомок, связывающие каждую часть с деталями, входящими в неё.

  Чтобы получить доступ к данным, содержащимся в базе данных, программа могла:

  • найти конкретную деталь (правую дверь) по её номеру;
  • перейти "вниз" к первому потомку (ручка двери);
  • перейти "вверх" к предку (корпус);
  • перейти "в сторону" к другому потомку (правая дверь).

  Таким образом, для чтения данных из иерархической  базы данных требовалось перемещаться по записям, за один раз переходя на одну запись вверх, вниз или в сторону.

  Одной из наиболее популярных иерархических  СУБД была Information Management System (IMS) компании IBM, появившаяся в 1968 году. Ниже перечислены преимущества IMS и реализованной в ней иерархической модели.

  • Простота модели. Принцип построения IMS был легок для понимания. Иерархия базы данных напоминала структуру компании или генеалогическое дерево.
  • Использование отношений предок/потомок. СУБД IMS позволяла легко представлять отношения предок/потомок, например: "А является частью В" или "А владеет В".
  • Быстродействие. В СУБД IMS отношения предок/потомок были реализованы в виде физических указателей из одной записи на другую, вследствие чего перемещение по базе данных происходило быстро. Поскольку структура данных в этой СУБД отличалась простотой, IMS могла размещать записи предков и потомков на диске рядом друг с другом, что позволяло свести к минимуму количество операций записи-чтения.

  СУБД  IMS все ещё является одной из наиболее распространённых СУБД для больших ЭВМ компании IBM. Доля мэйнфреймов этой компании, на которых используется данная СУБД, превышает 25%.

2.2.Сетевая модель

  Если  структура данных оказывалась сложнее, чем обычная иерархия, простота структуры иерархической базы данных становилась её недостатком. Например, в базе данных для хранения заказов один заказ мог участвовать в трёх различных отношениях предок/потомок, связывающих заказ с клиентом, разместившим его, со служащим, принявшим его, и с заказанным товаром, что иллюстрирует рис. 1.3. Такие структуры данных не соответствовали строгой иерархии IMS. В связи с этим для таких приложений, как обработка заказов, была разработана новая сетевая модель данных. Она являлась улучшенной иерархической моделью, в которой одна запись могла участвовать в нескольких отношениях предок/потомок, как показано на рис. 1.4. В сетевой модели такие отношения назывались множествами. В 1971 году на конференции по языкам систем данных был опубликован официальный стандарт сетевых баз данных, который известен как модель CODASYL. Компания IBM не стала разрабатывать собственную сетевую СУБД и вместо этого продолжала наращивать возможность IMS. Но в 70-х годах независимые производители программного обеспечения реализовали сетевую модель в таких продуктах, как IDMS компании Cullinet, Total компании Cincom и СУБД Adabas, которые приобрели большую популярность.

  Сетевые базы данных обладали рядом преимуществ:

  • Гибкость. Множественные отношения предок/потомок позволяли сетевой базе данных хранить данные, структура которых была сложнее простой иерархии.
  • Стандартизация.  Появление стандарта CODASYL популярность сетевой модели, а такие поставщики мини-компьютеров, как Digital Equipment Corporation и Data General, реализовали сетевые СУБД.
  • Быстродействие. Вопреки своей большой сложности, сетевые базы данных достигали быстродействия, сравнимого с быстродействием иерархических баз данных. Множества были представлены указателями на физические записи данных, и в некоторых системах администратор мог задать кластеризацию данных на основе множества отношений.

  Конечно, у сетевых баз данных были недостатки. Как и иерархические базы данных, сетевые базе данных были очень жесткими. Наборы отношений и структуру  записей приходилось задавать наперёд. Изменение структуры базы данных обычно означало перестройку всей базы данных.

  Как иерархическая, так и сетевая  база данных были инструментами программистов. Чтобы получить ответ на вопрос типа "Какой товар наиболее часто  заказывает компания Acme Manufacturing?", программисту приходилось писать программу для навигации по базе данных. Реализация пользовательских запросов часто затягивалась на недели и месяцы, и к моменту появления программы информация, которую она предоставляла, часто оказывалась бесполезной. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 3. Реляционная модель данных

  Недостатки  иерархической и сетевой моделей  привели к появлению новой, реляционной модели данных, созданной Коддом в 1970 году и вызвавшей всеобщий интерес. Реляционная модель была попыткой упростить структуру базы данных. В ней отсутствовали явные указатели на предков и потомков, а все данные были представлены в виде простых таблиц, разбитых на строки и столбцы. На рис. 1.5. показана реляционная версия сетевой базы данных, содержащей информацию о заказах и приведенной на рис. 1.4.

  К сожалению, практическое определение  понятия "реляционная база данных" оказалось гораздо более расплывчатым, чем точное математическое определение, данное этому термину Коддом в 1970 году. В первых реляционных СУБД не были реализованы некоторые из ключевых частей модели Кодда, и этот пробел был восполнен только впоследствии. По мере роста популярности реляционной концепции реляционными стали называться многие базы данных, которые на деле таковыми не являлись.

   В ответ на неправильное использование термина "реляционный" Кодд в 1985 году написал статью, где сформулировал 12 правил, которым должна удовлетворять любая база данных, претендующая на звание реляционной. С тех пор двенадцать правил Кодда считаются определением реляционной СУБД. Однако можно сформулировать и более простое определение:

Реляционной называется база данных, в которой  все данные, доступные пользователю, организованны в виде таблиц, а  все операции над данными сводятся к операциям над этими таблицами.

  Приведенное определение не оставляет места встроенным указателям, имеющимся в иерархических и сетевых СУБД. Несмотря на это, реляционная СУБД также способна реализовать отношения предок/потомок, однако эти отношения представлены исключительно значениями данных, содержащихся в таблицах.

3.1.Таблицы

  В реляционной базе данных информация организована в виде таблиц, разделённых на строки и столбцы, на пересечении которых содержатся значения данных. У каждой таблицы имеется уникальное имя, описывающее её содержимое. Более наглядно структуру таблицы иллюстрирует рис 1.6., на котором изображена таблица OFFICES. Каждая горизонтальная строка этой таблицы представляет отдельную физическую сущность - один офис. Пять строк таблицы вместе представляют все пять офисов компании. Все данные, содержащиеся в конкретной строке таблицы, относятся к офису, который описывается этой строкой.

  Каждый  вертикальный столбец таблицы OFFICES представляет один элемент данных для каждого из офисов. Например, в столбце CITY содержатся названия городов, в которых расположены офисы. В столбце SALES содержатся объёмы продаж, обеспечиваемые офисами.

  На  пересечении каждой строки с каждым столбцом таблицы содержится в точности одно значение данных. Например, в строке, представляющей нью-йоркский офис, в столбце CITY содержится значение "New York". В столбце SALES той же строки содержится значение $692.000.000, которое является объёмом продаж нью-йоркского офиса с начала года.

  Все значения, содержащиеся в одном и  том же столбце, являются данными  одного типа. Например, в столбце CITY содержатся только слова, в столбце SALES содержатся денежные суммы, а в столбце MGR содержатся целые числа, представляющие идентификаторы служащих. Множество значений, которые могут содержаться в столбце, называется доменом этого столбца. Доменом столбца CITY является множество названий городов. Доменом столбца SALES является любая денежная сумма. Домен столбца REGION состоит всего из двух значений, "Eastern" и "Western", поскольку у компании всего два торговых региона.

  У каждого столбца в таблице  есть своё имя, которое обычно служит заголовком столбца. Все столбцы в одной таблице должны иметь уникальные имена, однако разрешается присваивать одинаковые имена столбцам, расположенным в различных таблицах. На практике такие имена столбцов, как NAME, ADDRESS, QTY, PRICE и SALES, часто встречаются в различных таблицах одной базы данных.

  Столбцы таблицы упорядочены слева направо, и их порядок определяется при  создании таблицы. В любой таблице  всегда есть как минимум один столбец. В стандарте ANSI/ISO не указывается максимально допустимое число столбцов в таблице, однако почти во всех коммерческих СУБД этот предел существует и обычно составляет примерно 255 столбцов.

  В отличие от столбцов, строки таблицы  не имеют определённого порядка. Это значит, что если последовательно выполнить два одинаковых запроса для отображения содержимого таблицы, нет гарантии, что оба раза строки будут перечислены в одном и том же порядке.

  В таблице может содержаться любое  количество строк. Вполне допустимо  существование таблицы с нулевым количеством строк. Такая таблица называется пустой. Пустая таблица сохраняет структуру, определённую её столбцами, просто в ней не содержится данные. Стандарт ANSI/ISO не накладывает ограничений на количество строк в таблице, и во многих СУБД размер таблиц ограничен лишь свободным дисковым пространством компьютера. В других СУБД  имеется максимальный предел, однако он весьма высок - около двух миллиардов строк, а иногда и больше.

3.2.Первичные ключи

  Поскольку строки в реляционной таблице  не упорядочены, нельзя выбрать строку по ее номеру в таблице. В таблице нет "первой", "последней" или "тринадцатой" строки. Тогда каким же образом можно указать в таблице конкретную строку, например строку для офиса, расположенного в Денвере?

  В правильно построенной реляционной базе данных в каждой таблице есть один или несколько столбцов, значения в которых во всех строках разные. Этот столбец (столбцы) называется первичным ключом таблицы. Давайте вновь посмотрим на базу данных, показанную на рис. 1.6. На первый взгляд, первичным ключом таблицы OFFICES могут служить и столбец OFFICE, и столбец CITY. Однако в случае, если компания будет расширяться и откроет в каком-либо городе второй офис, столбец CITY больше не сможет выполнять роль первичного ключа. На практике в качестве первичных ключей таблиц обычно следует выбирать идентификаторы, такие как идентификатор офиса (OFFICE в таблице OFFICES), служащего (EMPL_NUM в таблице SALESREPS) и клиента (CUST_NUM в таблице CUSTOMES). А в случае; с таблицей ORDERS выбора нет — единственным столбцом, содержащим уникальные значения, является номер заказа (ORDER_NUM).

  Таблица PRODUCTS, фрагмент которой показан на рис. 1.7, является примером таблицы, в которой первичный ключ представляет собой комбинацию столбцов. Такой первичный ключ называется составным. Столбец MRF_ID содержит идентификаторы производителей всех товаров, перечисленных в таблице, а столбец PRODUCT_ID содержит номера, присвоенные товарам производителями. Может показаться, что столбец PRODUCT_ID мог бы и один выполнять роль первичного ключа, однако ничто не мешает двум различным производителям присвоить своим изделиям одинаковые номера. Таким образом, в качестве первичного ключа таблицы PRODUCTS необходимо использовать комбинацию столбцов MRF_ID и PRODUCT_ID. Для каждого из товаров, содержащихся в таблице, комбинация значений в этих столбцах будет уникальной.

  Первичный ключ для каждой строки таблицы является уникальным, поэтому в таблице  с первичным ключом нет двух совершенно одинаковых строк. Таблица, в которой все строки отличаются друг от друга, в математических терминах называется отношением. Именно этому термину реляционные базы данных и обязаны своим названием, поскольку в их основе лежат отношения (таблицы с отличающимися друг от друга строками).

  Хотя первичные ключи являются важной частью реляционной модели данных, в первых реляционных СУБД (System/R, DB2, Oracle и других) не была обеспечена явным образом их поддержка. Как правило, проектировщики базы данных сами следили за тем, чтобы у всех таблиц были первичные ключи, однако в самих СУБД не было возможности определить для таблицы первичный ключ. И только в СУБД DB2 Version 2, появившейся в апреле 1988 года, компания IBM реализовала поддержку первичных ключей. После этого подобная поддержка была добавлена в стандарт ANSI/ISO.

3.3.Отношения предок/потомок

  Одним из отличий реляционной модели от первых моделей представления данных было то, что в ней отсутствовали явные указатели, используемые для реализации отношений предок/потомок в иерархической модели данных. Однако вполне очевидно, что отношения предок/потомок существуют и в реляционных базах данных. Например, в нашей базе данных каждый из служащих закреплен за конкретным офисом, поэтому ясно, что между строками таблицы OFFICES и таблицы SALESREPS существует отношение. Не приводит ли отсутствие явных указателей в реляционной модели к потере информации?

  Как следует из рис. 1.8, ответ на этот вопрос должен быть отрицательным. На рисунке изображено несколько строк из таблиц OFFICES и SALESREPS. Обратим внимание на то, что в столбце REP_OFFICE таблицы SALESREPS содержится идентификатор офиса, в котором работает служащий. Доменом этого столбца (множеством значений, которые могут в нем храниться) является множество идентификаторов офисов, содержащихся в столбце OFFICE таблицы OFFICES. То, в каком офисе работает Мэри Джонс (Магу Jones), можно узнать, определив значение столбца REP_OFFICE в строке таблицы SALESREPS для Мэри Джонс (число II) и затем отыскав в таблице OFFICES строку с таким же значением в столбце OFFICE (это для офиса в Нью-Йорке). Таким же образом, чтобы найти всех служащих нью-йоркского офиса, следует запомнить значение столбца OFFICE для Нью-Йорка (число II), а потом просмотреть таблицу SALESREPS и найти все строки, в столбце REP_OFFICE которых содержится число 11 (это строки для Мэри Джонс и Сэма Кларка (Sam Clark)).

  Отношение предок/потомок, существующее между  офисами и работающими в них  людьми, в реляционной модели не потеряно; просто оно реализовано  в виде одинаковых значений данных, хранящихся в двух таблицах, а не в виде явного указателя. Все отношения, существующие между таблицами реляционной базы данных, реализуются в таком виде.

3.4.Внешние ключи

  Столбец одной таблицы, значения в котором  совпадают со значениями столбца, являющегося первичным ключом другой таблицы, называется внешним ключом. На рис. 4.9 столбец REP_OFFICE представляет собой внешний ключ для таблицы OFFICES. Значения, содержащиеся в этом столбце, представляют собой идентификаторы офисов. Эти значения соответствуют значениям в столбце OFFICE, который является первичным ключом таблицы OFFICES. Совокупно первичный и внешний ключи создают между таблицами, в которых они содержатся, такое же отношение предок/потомок, как и в иерархической базе данных.

  Внешний ключ, как и первичный ключ, тоже может представлять собой комбинацию столбцов. На практике внешний ключ всегда будет составным (состоящим из нескольких столбцов), если он ссылается на составной первичный ключ в другой таблице. Очевидно, что количество столбцов и их типы данных в первичном и внешнем ключах совпадают.

  Если  таблица связана с несколькими  другими таблицами, она может  иметь несколько внешних ключей. На рис. 1.9. показаны три внешних ключа таблицы ORDERS из учебной базы данных:

  • столбец REP является внешним ключом для таблицы SALESREPS и 
    связывает каждый заказ со служащим, принявшим его;
  • столбец CUST является внешним ключом для таблицы CUSTOMES и 
    связывает каждый заказ с клиентом, разместившим его;
  • столбцы MRF и PRODUCT совокупно представляют собой составной внешний ключ для таблицы PRODUCTS, который связывает каждый заказ с заказанным товаром.

  Отношения предок/потомок, созданные с помощью  трех внешних ключей в таблице  ORDERS, могут показаться знакомыми. И действительно, это те же самые отношения, что и в сетевой базе данных, представленной на рис. 1.4. Как показывает пример, реляционная модель данных обладает всеми возможностями сетевой модели по части выражения сложных отношений.

  Внешние ключи являются неотъемлемой частью реляционной модели, поскольку реализуют отношения между таблицами базы данных. К несчастью, как и в случае с первичными ключами, поддержка внешних ключей отсутствовала в первых реляционных СУБД. Она была введена в системе DB2 Version 2 и теперь имеется во всех коммерческих СУБД.