Основные принципы организации баз данных

Основные принципы организации баз данных

Понятие базы данных

1. Каждый пользователь системы создает наборы данных, необходимых для решения его задач, и пишет программы обработки данных. Например, в рамках ВУЗа… 2. Вся информация, описывающая определенную предметную область, хранится,… Первый из подходов имеет ряд недостатков:

Неоправданно большой расход памяти и уменьшение времени отклика системы при обработке излишне больших объемов данных.

Противоречивость может возникнуть в результате корректировки избыточных данных. При внесении изменений в логическую запись может случиться так, что… Противоречивость может возникнуть и при корректировке не избыточных данных.… В СУБД существуют сложные механизмы блокирования обновляемых данных от доступа к ним других пользователей.…

Уровни представления данных в БД

Это - системные программисты, разрабатывающие автоматизированную систему и БД, ответственные за все вопросы, связанные с правильным… программисты, готовящие прикладные программы для решения задач обработки… пользователи - не программисты, специалисты в той предметной области, где используется БД и решающие с помощью…

Языки баз данных

ЯОД - язык описания данных, ЯМД - язык манипулирования данными, ЯЗ - язык запросов.

Логическая структура данных

- логическую структуру данных, - ограничения, накладываемые на данные, - операции с данными.

Таким образом, если определены типы объектов (т.е. имена объектов и имена свойств объектов), типы связей между объектами и связи между атрибутами объектов, то определена логическая структура данных. На основании логической структуры данных определяется модель данных (сетевая, иерархическая, реляционная). Модель данных преобразуется в схему БД, а затем описывается на ЯОД.

Ограничения, накладываемые на данные

Для повышения семантики логической структуры данных вводятся ограничения, накладываемые на данные или, иначе, ограничения целостности данных. Такие… Возможно определения различных типов ограничений. Ограничения, накладываемые на значения свойств объектов, относятся к логическому типу.

Операции над данными

Операции над данными – это третья составляющая концептуальной схемы. Операции над данными выражаются средствами языка данных СУБД и могут изменять текущее состояние БД, но не могут изменить схему БД.

Операция обычно имеет две составляющих: действие, т.е. сам характер операции, и селекцию – принцип отбора данных, над которыми должно производиться действие.

Действие обычно означает выполнение одно из следующих манипуляций с данными или их комбинации:

- установку указателя текущей позиции в БД,

- выборку,

- включение,

- удаление,

- корректировку.

Действия могут выполняться над экземплярами записей, над свойствами объектов и над связями между объектами. Последнее действие применимо к графовым моделям.

Селекция может осуществляться посредством:

- указателя текущей позиции в БД,

- значений данных,

- связей между данными.

В первом случае доступным для выполнения действия оказывается текущий экземпляр записи. Это та запись, на которую установлен указательтекущей. После переустановки указателя текущей доступным может быть следующий, предыдущий, первый или последний экземпляры записей. Селекция по указателю текущей широко используется в .dbf–совместимых БД.

При селекции по значениям данных действие выполняется над теми экземплярами записей, поля которых имеют заданные значения.

Селекция посредством связи производится только в графовых моделях. При этом действие выполняется над экземплярами записей, находящимися в определенной логической связи с другими записями.

Если результатом выполнения операции является единственный экземпляр записи, то такая операция называется навигационной. Операция может выделять множество записей, объединенных в какую-либо подструктуру. Тогда операция называется спецификационной.

Каждая СУБД располагает средствами для выполнения навигационных и спецификационных операций над данными.

СУБД обычно располагают средствами для выполнения более сложных операций, называемых процедурами. Процедуры обычно выполняются автоматически при выполнении каких-либо определенных условий.

Процедуры могут использоваться для определения виртуальных данных, т.е. для вычисления значений таких свойств объектов, которые не хранятся непосредственно в БД. Так, например, виртуальным данным в БД, содержащей сведения о служащих, может являться возраст служащего. При необходимости возраст может быть рассчитан по дате рождения и текущей дате с помощью соответствующей процедуры. С помощью процедур могут рассчитываться суммы, определяться минимальные и максимальные значения и т.п.

Другой вид процедур – это процедуры, контролирующие целостность БД. Эти процедуры обычно сопровождаются уведомлением об их успешном или неуспешном выполнении.

Существуют процедуры, предназначенные для выполнения функций администрирования БД и обеспечивающие сбор статистики, контроль доступа к данным, безопасность и секретность и т.п.

 

Три модели данных

Сетевая модель данных

Построенную ранее логическую структуру данных представим в виде сети. Стрелками обозначены связи 1:М. Стрелки, расположенные между объектами…      

Иерархическая модель данных

Иерархическая модель данных – частный случай сетевой модели, так как дерево представляет собой граф, на который наложены определенные ограничения.… Сеть приводится к виду дерева введением избыточности. При этом все вершины… Полученная выше сетевая модель данных представляет собой сложную сеть, т.к. она имеет вид ориентированного мультиграфа…

Реляционная модель данных

В реляционной модели все данные представлены в табличной форме. Каждому типу объекта сопоставлена отдельная таблица. Таблице присваивается имя,… Представим объекты рассматриваемой предметной области в табличной форме.  

СТУДЕНТ ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

ПРЕДМЕТ

     

ПРЕДМЕТ ПРЕПОДАВАТЕЛЬ СТУДЕНТ

1 1 1

 

 

М

 

СТУДЕНТ_ПРЕПОДАВАТЕЛЬ

М М  

Теория реляционных БД

Понятие отношения

Парой или упорядоченной парой называют два объекта, взятых в определенном порядке. Примеры пар: <x, y>, <1, 2>, <2, 2>. Пара отличается от двухэлементного множества следующим:

Пример

Определим отношение с именем МЕНЬШЕ на множестве целых чисел M= {1, 2, 3}. Декартово произведение M*M представляет собой множество кортежей <1,1>, <1, 2>, <1, 3>, <2, 1>, <2, 2>, <2, 3>, <3, 1>, <3, 2>, <3, 3>.

Отношению МЕНЬШЕ принадлежат те кортежи декартова произведения, у которых первый элемент меньше второго.

МЕНЬШЕ={ <1, 2>, <1, 3>, <2, 3>}.

Пример

Пусть множество M1 содержит имена детей одной семьи.

M1 = {Таня, Галя, Сережа}

Тогда отношение с именем БРАТ состоит из двух кортежей: <Сережа, Таня>, <Сережа, Галя>, а отношение СЕСТРА состоит из четырех кортежей: <Таня, Галя>, <Таня, Сережа>, <Галя, Таня>, <Галя, Сережа>.

 

Отношения, заданные на одном или двух множествах являются бинарными. Кортежи таких отношений содержат по два элемента.

Возможны n-местные или n-арные отношения, задаваемые более чем на двух множествах и содержащие кортежи длиной n.

Состояние реляционной БД можно описать как совокупность некоторых множеств М1, М2, ….., Мi, ….., Мn, на которых задан ряд отношений. Каждое отношение представляет собой подмножество кортежей из декартовых произведений определенных множеств. Множества, на которых задано конкретное отношение, называются несущими множествами для данного отношения.

Каждое множество образовано элементами одного типа. Это может быть, например, множество целых чисел (в нашем примере это множество М), множество имен (множество М1), множество названий городов, множество календарных дат и т.п. Следовательно, можно говорить о сортах или типах множеств. Каждый элемент каждого множества имеет имя. Это имя представляет собой константу. Поскольку множество не может содержать одинаковых элементов, то имя каждого элемента множества должно быть уникальным.

 

Основные понятия реляционной модели данных

При рассмотрении реляционной модели, основанной на понятии отношения (relation), оперирует терминами, пришедшими из математики.

Каждая таблица реляционной модели данных представляет собой отношение.Имя отношения - это имя таблицы. В отношении хранятся данные, описывающие экземпляры объекта определенного типа. На уровне хранения каждая таблица хранится в файледанных.

Совокупность имен отношений, используемых для описания модели данных, называется сигнатурой БД.

Столбцы таблицы являются атрибутами отношения. Атрибуты представляют собой свойства объекта данного типа. Каждый атрибут имеет имя соответствующего свойства. Количество атрибутов отношения (столбцов в таблице) определяет его местность или арность. На уровне хранения атрибут представляется полем записи соответствующего типа.

Кортеж отношения - это множество значений, содержащихся в строке таблицы. Каждый кортеж соответствует экземпляру объекта данного типа. На уровне хранения кортеж – это экземпляр записи определенного типа.

Таким образом, отношение - это совокупность кортежей, т.е. таблица со всеми своими строками.

Множество значений, которые может принимать атрибут в отношении, называется доменом. Другими словами, домен - это множество всех значений, которые могут присутствовать в данном столбце таблицы. Совокупность всех доменов определяет состояние БД.

Рассмотренная выше реляционная модель данных содержит три базовых отношения. Отношение СТУДЕНТ – имеет арность 4 и содержит 4 кортежа, отношение ПРЕПОДАВАТЕЛЬ – бинарное и содержит 3 кортежа, отношение ПРЕДМЕТ – тернарное и содержит 3 кортежа. Связующее отношение СТУДЕНТ_ПРЕПОДАВАТЕЛЬ – бинарное.

Каждый из атрибутов трех базовых отношений модели задан на определенном домене. Это множество номеров зачетных книжек, множество фамилий студентов, множество номеров групп, множество наименований предметов и т.д., следовательно, число доменов равно числу атрибутов базовых отношений.

В общем случае на одном и том же домене могут быть заданы несколько атрибутов отношений. Так, например, на домене названий городов могут быть заданы следующие атрибуты: место рождения студента, место проживания во время обучения, место работы.

 

Ключи отношений

Иными словами, в каждой таблице должен присутствовать столбец, значения в котором не повторяются. Каждое значение, присутствующее в таком столбце,… Рассмотрим 3 отношения, содержащие сведения о поставщиках, поставляемых ими…

ПОСТАВЩИК ИЗДЕЛИЕ

 

ПОСТАВКИ

В таблице ПОСТАВЩИК первичным ключом является атрибут П#, а в таблице ИЗДЕЛИЕ - И#. Если в отношении нет атрибута, который можно принять в качестве первичного…

Первичный ключ никогда не должен принимать нулевого значения, а в составном ключе ни одна из компонент никогда не должна быть нулевой.

Отношение ПОСТАВКИ является связующим для отношений ПОСТАВЩИК и ИЗДЕЛИЕ, между которыми устанавливается связь М:М. Все отношения реляционной модели должны быть связаны через внешние ключи. На…  

Контроль ссылочной целостности

При создании связи 1:М таблица, находящееся на стороне 1, считается главной (родительской) или мастер-таблицей, а таблица, находящаяся на стороне М… Ссылочная целостность контролируется: - при вводе записей в подчиненную таблицу;

Нормализация отношений реляционной БД

Известно 5 нормальных форм (НФ) отношений. Нормализация выполняется поэтапно. Сначала отношение приводится к первой НФ (1НФ), затем - ко 2НФ и т.д.… .

Первая нормальная форма

Пусть в рассмотренной нами выше предметной области о поставках на предприятие изделий поставщик П1 поставляет в определенных количествах изделия И1,… Номера поставщиков П# уникальны, и этот атрибут можно принять в качестве…  

ПОСТАВКИ1 ПОСТАВКИ

Можно заметить, в таблице на пересечении, например, строки П1 и столбца И# содержится несколько значений номеров изделий. Другими словами, в… Преобразуем отношение так, чтобы устранить этот недостаток. В преобразованном…

Вторая нормальная форма

Отношение, имеющее составной первичный ключ, находится во 2НФ, если каждый из не ключевых атрибутов функционально полно зависит от всего первичного ключа.

Пусть в проектируемой БД помимо перечисленных выше сведений о поставках необходимо хранить также следующие сведения: имена поставщиков; названия городов, где расположены поставщики; стоимость перевозок единицы груза из тех городов, откуда производятся поставки (атрибут Тариф). Создадим отношение ПОСТАВКИ2

 

ПОСТАВКИ2

Отметим, что у этого отношения первичный ключ составной - П# И#. Рассмотрим следующую ситуацию. Пусть ведутся переговоры о поставках с новым… Если же какое-либо предприятие, например, Заря перестанет поставлять нам изделия, то для него И# =0. Из таблицы…

ПОСТАВЩИК1 ПОСТАВКИ

Третья нормальная форма

Отношение находится в 3НФ, если в нем нет функционально полной зависимости между не ключевыми атрибутами.

Каждый из не ключевых атрибутов полностью зависит от первичного ключа П#, но в то же время атрибут Тариф функционально полно зависит только от… В таком отношении также могут возникнуть аномалии включения-удаления. Если… Для приведения отношения к 3НФ необходимо выделить в отдельную таблицу не ключевые атрибуты, функционально полно…

Операции над отношениями

Над отношениями реляционной БД можно выполнять операции реляционной алгебры и реляционного исчисления. Запрос к БД можно записать в виде формулы, результат вычисления которой представляет собой ответ на этот запрос. Поэтому все манипуляции с данными можно свести к вычислению соответствующих формул. Языки данных реляционных СУБД позволяют записывать эти формулы с помощью операторов языка данных конкретной СУБД. В различных СУБД реализована определенная часть операций над отношениями, определяющая возможности данной СУБД и сложность составления запросов к БД.

Операции реляционной алгебры можно разделить на две группы.

Первую группу составляют операции над множествами. Поскольку отношение представляет собой множество (множество кортежей), то над отношениями можно выполнять теоретико-множественные операции. К ним относятся операции объединения, пересечения, разности и декартова произведения.

Вторую группу составляют специальные операции над отношениями: сцепление, композиция и проекция. При составлении запросов наиболее часто используются операции сцепления (соединения) отношений и проекции отношения на его компоненты.

 

Теоретико-множественные операции

При выполнении этих операций над двумя отношениями последние должны быть совместимы по структуре. Совместимость структур означает совместимость по атрибутам отношений (атрибуты имеют одинаковый смысл) и совместимость типов соответствующих доменов. Частным случаем совместимости является идентичность. Такие отношения имеют одинаковую арность и одинаковые имена атрибутов.

Пусть имеются два идентичных бинарных отношения с именами R и S, состоящие из атрибутов А1 и А2.

Объединением отношений R и S (R È S) называется новое отношение, состоящее из кортежей <x, y>, принадлежащих либо отношению R, либо отношению S.

 

 

R

S

RÈS

RÇS

R S

A 1

A 2

A 1

A 2

A 1

A 2

A 1

A 2

A 1

A 2

a

b

p

q

a

b

a

b

l

k

c

d

c

d

c

d

c

d

m

p

l

k

a

b

l

k

m

p

l

n

m

p

p

q

l

n

 

 

Пересечением отношений R и S (RÇS ) называется новое отношение, состоящее из кортежей <x, y>, принадлежащих одновременно отношениям R и S.

Разностью отношений R и S (R S) называется отношение, кортежи которого принадлежат R но не принадлежат S.

Операция декартова произведения рассматривалась нами выше.

 

Специальные операции над отношениями

Пусть имеются два бинарных отношения с именами R и S. Отношение R состоит из атрибутов А1 и А2, отношение S - из атрибутов А2 и А3.

Сцепление отношений

Можно выполнить операцию сцепления двух отношений по одинаковым значениям одноименных атрибутов Ai. Атрибуты, по которым выполняется сцепление, должны быть определены на одном и том же домене. Операцию сцепления обозначим символом *.

Сцеплением бинарных отношений R и S называется новое отношение R*S, состоящее из кортежей <x, y, z>, для которых кортеж <x, y> принадлежит R, а <y, z> принадлежит S.

Пример

Определим результат выполнения операции сцепления отношений R и S, атрибуты которого А2 определены на одном и том же домене. Это значит, что если в столбце с именем А2 таблицы Rсодержатся, например, названия городов, то и в столбце А2 таблицы S также содержатся названия городов.

 

 

R S R*S R*M

В результате сцепления двух бинарных отношений получено новое тернарное отношение, кортежи которого оказались "сцеплены" по одинаковым… Иными словами, в результате сцепления двух таблиц, состоящих из двух столбцов,… В общем случае, если отношение R имеет арность m, а отношение S - арность n , то R*S будет иметь арность m+n-1.

Проекция отношения на его компоненты

Проекцией отношения R на его i-ю компоненту (атрибут А_i ) называется множество, состоящее из различных значений этого атрибута. Операция проекции обозначается R [А_i].

Пример

Найдем проекцию отношения R на его атрибут А2. В результате получим множество {b, d, q}. Иными словами, результатом проекции является множество различных значений, образующих столбец А2 таблицы R.

Можно выполнять операцию проекции на несколько компонент.

 

 

Использование реляционной алгебры для составления

Запросов к БД

При составлении запросов и вычислении формул следует помнить о том, что результатом выполнения любой операции над отношением является новое…

Запрос 1

Мы получим ответ на этот запрос, если из таблицы ПОСТАВЩИК выделим строку, содержащую сведения о поставщике П1. Это можно сделать, выполнив операцию… ПОСТАВЩИК * {П1} В результате выполнения операции получим новое отношение, состоящее из единственного кортежа (т.е. таблицу, состоящую…

Запрос 2

Искомые сведения находятся в таблице ПОСТАВКИ. Аналогично Запросу 1 применим к отношению ПОСТАВКИ операцию сцепления с известной константой И2, а… ПОСТАВКИ * {И2} [Кол] Результаты выполнения операций. П1 П2 И2 И2

Запрос 3

В этом запросе известными являются значения двух атрибутов: Имя поставщика = Заря и номер изделия - И2. Известные и искомые данные находятся в двух… Для выработки ответа на запрос выполним следующие действия: - узнаем значение атрибута П#, выполнив операцию сцепления отношения ПОСТАВЩИК с одноэлементным множеством Заря;

Запрос 4

Известное данное (номер изделия П2) находится в таблице ПОСТАВКИ, а искомые данные (имя поставщика и тариф) - в таблицах ПОСТАВЩИК и ДОСТАВКА.… Из отношения ПОСТАВКИ с помощью операции сцепления отношения с одноэлементным… Запишем формулу запроса.

Языки реляционных БД

Язык, основанный на реляционной алгебре

Язык содержит девять операторов. Это операторы для выполнения операций теории множеств над отношениями: объединение, пересечение, произведение,… Рассмотрим операторы языка, предложенного Коддом. UNION – объединение. Выполняет операцию объединения отношений.

Запрос 1

Сообщить название фирмы-поставщика П1

SELECT ПОСТАВЩИК WHERE П# = 'П1' GIVING TEMP1

PROJECT TEMP1 OVER Имя поставщика GIVING RESULT

Первое предложение формирует промежуточную таблицу TEMP1, второе предложение формирует результирующую таблицу RESULT. Результаты выполнения каждого предложения в точности соответствуют результатам выполнения операций, рассмотренным в предыдущем параграфе.

Запрос 2

В каком количестве поставляются изделия И2?

SELECT ПОСТАВКИ WHERE И# = 'И2' GIVING TEMP1

PROJECT TEMP1 OVER Кол GIVING RESULT

Запрос 3

Сколько изделий И2 поставляет фирма Заря?

SELECT ПОСТАВЩИК WHERE Имя поставщика = 'Заря' GIVING TEMP1

JOIN TEMP1 AND ПОСТАВКИ OVER П# GIVING TEMP2

SELECT TEMP2 WHERE И# = 'И2' GIVING TEMP3

PROJECT TEMP3 OVER Кол GIVING RESULT

Запрос 4

SELECT ПОСТАВКИ И# = 'И2' GIVING TEMP1 JOIN TEMP1 AND ПОСТАВЩИК OVER П# GIVING TEMP2 JOIN TEMP2 AND ДОСТАВКА OVER Город GIVING TEMP3

Запрос 5

Добавить в отношение ПОСТАВЩИК кортеж {П4, Победа, Пенза}

ПОСТАВЩИК UNION {П4, Победа, Пенза} GIVING ПОСТАВЩИК

Запрос 6

ПОСТАВКИ MINUS {*, И2, *} Удалить кортежи отношения можно также с помощью оператора DELETE. DELETE ПОСТАВКИWHERE И#=И2

Язык SQL - общие сведения

Язык SQL предназначен для выполнения операций над таблицами (создание, удаление, изменение структуры таблиц), и над данными (выборка, изменение, добавление, удаление данных). Он позволяет выполнять и некоторые дополнительные операции. Язык не содержит операторов управления и ввода-вывода, операторов организации подпрограмм и т.п. Поэтому язык SQL автономно не используется, он может работать только в среде конкретной СУБД.

SQL был создан и впервые использован в 1981 г. С тех пор появились различные версии языка, однако основные принципы составления запросов, основные операторы и правила их выполнения практически одинаковы для всех СУБД. В настоящее время принят международный стандарт SQL - SQL-92. Этот стандарт представляет собой обобщение всех известных его реализаций. Это означает, что ядро стандарта содержит операции, применяемые практически во всех известных коммерческих версиях языка, а полный стандарт включает усовершенствования, которые некоторым производителям еще только предстоит реализовать.

Из реляционной алгебры в этот стандарт включены операторы для некоторых операций над множествами, а также операторы, выполняющие над отношениями основные реляционные операции: выборку SELECT, соединение JOIN и проекцию. В языке также используется аппарат реляционного исчисления.

 

Язык запросов QBE

В различных реляционных СУБД имеются свои варианты QBE, но везде запросы формулируются посредством графического представления таблиц БД. Помещая… Рассмотрим основные возможности QBE, опираясь на первоначально разработанный… Пользователю предоставляются сведения об именах таблиц и именах столбцов, содержащихся в каждой из таблиц.…

Запрос 1

Поскольку известные и искомые данные хранятся в одной таблице ПОСТАВЩИК, нужно вывести образец для этой таблицы. ПОСТАВЩИК П# … Условием отбора является равенство значения, находящегося в столбце П# базовой… В столбец П# помещаем условие отбора данных - номер поставщика П1. Для того, чтобы указать, что именно мы хотим…

Запрос 2

Для ответа на этот запрос необходимо использовать данные из двух таблиц. Для того чтобы указать системе, по каким столбцам устанавливается связь…   ПОСТАВКИ П# И# Кол   … Ответная таблица будет содержать все необходимые данные, пустые столбцы не выводятся. Имя поставщика …

Запрос 3

  Ответ: И# Кол И1 И2 И3 И1 300 …  

Запрос 4

Ответ: ПОСТАВКИ П# И# Кол   П# И# Кол П2 Р. 500 …   Языки QBE, реализованные в коммерческих СУБД, обладают многочисленными дополнительными средствами манипулирования…