1.2 Теория реляционных баз данных
Реляционная база данных — это совокупность отношений, содержащих всю информацию, которая должна храниться в базе данных. То есть база данных представляет набор таблиц, необходимых для хранения всех данных. Таблицы реляционной базы данных логически связаны между собой [23, С. 20]
Итак, целью информационной системы является обработка данных об объектах реального мира, с учетом связей между объектами. В теории БД данные часто называют атрибутами, а объекты — сущностями. Объект, атрибут и связь — фундаментальные понятия ИС.
Объект (или сущность) — это нечто существующее и различимое, то есть объектом можно назвать то "нечто", для которого существуют название и способ отличать один подобный объект от другого. Объектами могут быть не только материальные предметы, но и более абстрактные понятия, отражающие реальный мир [23, С.24].
Атрибут (или данные) — это некоторый показатель, который характеризует некий объект и принимает для конкретного экземпляра объекта некоторое числовое, текстовое или иное значение. Информационная система оперирует наборами объектов, спроектированными применительно к данной предметной области, используя при этом конкретные значения атрибутов (данных) тех или иных объектах [23, С.25].
Развитие реляционных баз данных началось в конце 60-х годов, когда появились первые работы, в которых обсуждались; возможности использования при проектировании баз данных привычных и естественных способов представления данных — так называемых табличных даталогических моделей.
Основоположником теории реляционных баз данных считается сотрудник фирмы IBM доктор Э. Кодд, опубликовавший 6 (июня 1970 г. статью A Relational Model of Data for Large-Shared Data Banks (Реляционная модель данных для больших коллективных банков данных). В этой статье впервые был использован термин "реляционная модель данных. Теория реляционных баз данных, разработанная в 70-х годах в США доктором Э. Коддом, имеет под собой мощную математическую основу, описывающую правила эффективной организации данных. Разработанная Э. Коддом теоретическая база стала основой для разработки теории проектирования баз данных.
Э. Кодд, будучи математиком по образованию, предложил использовать для обработки данных аппарат теории множеств (объединение, пересечение, разность, декартово произведение). Он доказал, что любой набор данных можно представить в виде двумерных таблиц особого вида, известных в математике как "отношения".
Реляционной считается такая база данных, в которой все данные представлены для пользователя в виде прямоугольных таблиц значений данных, и все операции над базой данных сводятся к манипуляциям с таблицами.
Таблица состоит из столбцов (полей) и строк (записей); имеет имя, уникальное внутри базы данных. Таблица отражает тип объекта реального мира (сущность), а каждая ее строка— конкретный объект. Каждый столбец таблицы — это совокупность значений конкретного атрибута объекта. Значения выбираются из множества всех возможных значений атрибута объекта, которое называется доменом (domain).
В самом общем виде домен определяется заданием некоторого базового типа данных, к которому относятся элементы домена, и произвольного логического выражения, применяемого к элементам данных. Если при вычислении логического условия относительно элемента данных в результате получено значение "истина", то этот элемент принадлежит домену. В простейшем случае домен определяется как допустимое потенциальное множество значений одного типа. Например, совокупность дат рождения всех сотрудников составляет "домен дат рождения", а имена всех сотрудников составляют "домен имен сотрудников". Домен дат рождения имеет тип данных, позволяющий хранить информацию о моментах времени, а домен имен сотрудников должен иметь символьный тип данных [23, С. 27].
Если два значения берутся из одного и того же домена, то можно выполнять сравнение этих двух значений. Например, если два значения взяты из домена дат рождения, то можно сравнить их и определить, кто из сотрудников старше. Если же значения берутся из разных доменов, то их сравнение не допускается, так как, по всей вероятности, оно не имеет смысла. Например, из сравнения имени и даты рождения сотрудника ничего определенного не выйдет.
Каждый столбец (поле) имеет имя, которое обычно записывается в верхней части таблицы. При проектировании таблиц в рамках конкретной СУБД имеется возможность выбрать для каждого поля его тип, то есть определить набор правил по его отображению, а также определить те операции, которые можно выполнять над данными, хранящимися в этом поле. Наборы типов могут различаться у разных СУБД.
Имя поля должно быть уникальным в таблице, однако различные таблицы могут иметь поля с одинаковыми именами. Любая таблица должна иметь, по крайней мере, одно поле; поля расположены в таблице в соответствии с порядком следования их имен при ее создании. В отличие от полей, строки не имеют имен; порядок их следования в таблице не определен, а количество логически не ограничено.
Так как строки в таблице не упорядочены, невозможно выбрать строку по ее позиции — среди них не существует "первой", "второй", "последней". Любая таблица имеет один или несколько столбцов, значения в которых однозначно идентифицируют каждую ее строку. Такой столбец (или комбинация столбцов) называется первичным ключом (primary key). Часто вводят искусственное поле, предназначенное для нумерации записей в таблице. Таким полем, например, может быть его порядковый, который сможет обеспечить уникальность каждой записи в таблице. Ключ должен обладать следующими свойствами [30, С. 164]:
- Уникальностью. В каждый момент времени никакие два различных кортежа отношения не имеют одинакового значения для комбинации входящих в ключ атрибутов. То есть в таблице не может быть двух строк, имеющих одинаковый идентификационный номер или номер паспорта.
- Минимальностью. Ни один из входящих в ключ атрибутов не может быть исключен из ключа без нарушения уникальности. Это означает, что не стоит создавать ключ, включающий и номер паспорта, и идентификационный номер. Достаточно использовать любой из этих атрибутов, чтобы однозначно идентифицировать кортеж. Не стоит также включать в ключ неуникальный атрибут, то есть запрещается использование в качестве ключа комбинации идентификационного номера и имени служащего. При исключении имени служащего из ключа все равно можно уникально идентифицировать каждую строку.
Каждое отношение имеет, по крайней мере, один возможный ключ, поскольку совокупность всех его атрибутов удовлетворяет условию уникальности — это следует из самого определения отношения.
Один из возможных ключей произвольно выбирается в качестве первичного ключа. Остальные возможные ключи, если они есть, принимаются за альтернативные ключи. Например, если в качестве первичного ключа выбрать идентификационный номер, то номер паспорта будет альтернативным ключом.
Взаимосвязь таблиц является важнейшим элементом реляционной модели данных. Она поддерживается внешними ключами (foreign key).
Таблицы невозможно хранить и обрабатывать, если в базе данных отсутствуют "данные о данных", например, описатели таблиц, столбцов и т.д. Их называют обычно метаданными. Метаданные также представлены в табличной форме и хранятся в словаре данных (data dictionary).
Помимо таблиц, в базе данных могут храниться и другие объекты, такие как экранные формы, отчеты (reports), представления (views) и даже прикладные программы, работающие с базой данных.
Для пользователей информационной системы недостаточно, чтобы база данных просто отражала объекты реального мира. Важно, чтобы такое отражение было однозначным и непротиворечивым. В этом случае говорят, что база данных удовлетворяет условию целостности (integrity).
Для того, чтобы гарантировать корректность и взаимную непротиворечивость данных, на базу данных накладываются некоторые ограничения, которые называют ограничениями целостности (data integrity constraints).
В реляционной модели Кодда есть несколько ограничительных условий, используемых для проверки данных в базе данных, а также для придания осмысленности структуре данных. Принято выделять следующие ограничения:
- Категорная целостность;
- Целостность на уровне ссылок;
- Функциональные зависимости.
В целостной части реляционной модели данных фиксируются два базовых требования целостности, которые должны поддерживаться в любой реляционной СУБД. Первое требование называется требованием целостности сущности (entity integrity). Объекту или сущности реального мира в реляционных БД соответствуют кортежи отношений. Конкретно требование состоит в том, что любой кортеж любого значения-отношения любой переменной отношения должен быть отличим от любого другого кортежа этого значения отношения по составным значениям заранее определенного множества атрибутов переменной отношения, т. е., другими словами, любая переменная отношения должна обладать первичным ключом. Это требование автоматически удовлетворяется, если в системе не нарушаются базовые свойства отношений.
Требование целостности сущности полностью звучит следующим образом: у любой переменной отношения должен существовать первичный ключ, и никакое значение первичного ключа в кортежах значения-отношения переменной отношения не должно содержать неопределенных значений. Чтобы эта формулировка была полностью понятна, кратко обсудим понятие неопределенного значения (NULL) [23, С. 35].