Реляционная модель базы данных. Реляционная база данных

База данных (БД) - это поименованная совокупность структурированных данных, относящихся к определенной предметной области и предназначенных для хранения, накопления и обработки с помощью ЭВМ.

Реляционная База Данных (РБД) - это набор отношений, имена которых совпадают с именами схемотношений в схеме БД.

Основные понятия реляционных баз данных:

· Тип данных – тип значений конкретного столбца.

· Домен (domain) – множество всех допустимых значений атрибута.

· Атрибут (attribute) – заголовок столбца таблицы, характеризующий поименованное свойство объекта, например, фамилия студента, дата оформления заказа, пол сотрудника и т.п.

· Кортеж – строка таблицы, представляющая собой совокупность значений логически связанных атрибутов.

· Отношение (relation) – таблица, отражающая информацию об объектах реального мира, например, о студентах, заказах, сотрудниках, жителях и т.д.

· Первичный ключ (primary key) – поле (или набор полей) таблицы, однозначно идентифицирующий каждую из ее записей.

· Альтернативный ключ – это поле (или набор полей), несовпадающее с первичным ключом и уникально идентифицирующий экземпляр записи.

· Внешний ключ – это поле (или набор полей), чьи значения совпадают с имеющимися значениями первичного ключа другой таблицы. При связи двух таблиц с первичным ключом первой таблицы связывается внешний ключ второй таблицы.

· Реляционная модель данных (РМД) - организация данных в виде двумерных таблиц.

Каждая реляционная таблица должна обладать следующими свойствами:

1. Каждая запись таблицы уникальна, т.е. совокупность значений по полям не повторяется.

2. Каждое значение, записывается на пересечении строки и столбца - является атомарным (неразделимым).

3. Значения каждого поля должны быть одного типа.

4. Каждое поле имеет уникальное имя.

5. Порядок расположения записей несущественен.

Основные элементы БД:

Поле - элементарная единица логической организации данных. Для описания поля используются следующие характеристики:

· имя, например, Фамилия, Имя, Отчество, Дата рождения;

· тип, например, строковый, символьный, числовой, датовый;

· длина, например, в байтах;

· точность для числовых данных, например, два десятичных знака для отображения дробной части числа.

Запись - совокупность значений логически связанных полей.

Индекс – средство ускорения операции поиска записей, использующееся для установки связей между таблицами. Таблица, для которой используется индекс, называют индексированной. При работе с индексами необходимо обращать внимание на организацию индексов, являющуюся основой для классификации. Простой индекс представлен одним полем или логическим выражением, обрабатывающим одно поле. Составной индекс представлен несколькими полями с возможностью использования различных функций. Индексы таблицы хранятся в индексном файле.

Целостность данных – это средство защиты данных по полям связи, позволяющее поддерживать таблицы в согласованном (непротиворечивом) состоянии (то есть не допускающее существование в подчиненной таблице записей, не имеющих соответствующих записей в родительской таблице).

Запрос – сформулированный вопрос к одной или нескольким взаимосвязанным таблицам, содержащий критерии выборки данных. Запрос осуществляется с помощью структурированного языка запросов SQL (Srtructured Query Language). В результате выборки данных из одной или нескольких таблиц может быть получено множество записей, называемое представлением.

Представление данных – сохраняемый в базе данных именованный запрос на выборку данных (из одной или нескольких таблиц).

Представление, по существу, является временной таблицей, формируемой в результате выполнения запроса. Сам запрос может быть направлен в отдельный файл, отчет, временную таблицу, таблицу на диске и т.п.

Отчет – компонент системы, основное назначение которого – описание и вывод на печать документов на основе информации из БД.

Общая характеристика работы с РБД:

Наиболее распространенная трактовка реляционной модели данных, по-видимому, принадлежит Дейту, который воспроизводит ее (с различными уточнениями) практически во всех своих книгах. Согласно Дейту реляционная модель состоит из трех частей, описывающих разные аспекты реляционного подхода: структурной части, манипуляционной части и целостной части.

В структурной части модели фиксируется, что единственной структурой данных, используемой в реляционных БД, является нормализованное n-арное отношение.

В манипуляционной части модели утверждаются два фундаментальных механизма манипулирования реляционными БД - реляционная алгебра и реляционное исчисление. Первый механизм базируется в основном на классической теории множеств (с некоторыми уточнениями), а второй - на классическом логическом аппарате исчисления предикатов первого порядка. Заметим, что основной функцией манипуляционной части реляционной модели является обеспечение меры реляционности любого конкретного языка реляционных БД: язык называется реляционным, если он обладает не меньшей выразительностью и мощностью, чем реляционная алгебра или реляционное исчисление.

28. АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ ЯЗЫКИ. ТРАНСЛЯТОРЫ (ИНТЕРПРЕТАТОРЫ И КОМПИЛЯТОРЫ). АЛГОРИТМИЧЕСКИЙ ЯЗЫК БЕЙСИК. СТРУКТУРА ПРОГРАММЫ. ИДЕНТИФИКАТОРЫ. ПЕРЕМЕННЫЕ. ОПЕРАТОРЫ. ОБРАБОТКА ОДНОМЕРНЫХ И ДВУХМЕРНЫХ МАССИВОВ. ФУНКЦИИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ. ПОДПРОГРАММЫ. РАБОТА С ФАЙЛАМИ ДАННЫХ.

Язык высокого уровня - язык программирования, понятия и структура которого удобны для восприятия человеком.

Алгоритмический язык (Algorithmic language) - язык программирования - искусственный (формальный) язык, предназначенный для записи алгоритмов. Язык программирования задается своим описанием и реализуется в виде специальной программы: компилятора или интерпретатора. Примерами алгоритмических языков служат – Borland Pascal, C++, Basic и т.д.

Основные понятия алгоритмического языка:

Состав языка :

Обычный разговорный язык состоит из четырех основных элементов: символов, слов, словосочетаний и предложений. Алгоритмический язык содержит подобные элементы, только слова называют элементарными конструкциями, словосочетания - выражениями, предложения - операторами.

Символы , элементарные конструкции, выражения и операторы составляют иерархическую структуру, поскольку элементарные конструкции образуются из последовательности символов.

Выражения - это последовательность элементарных конструкций и символов,

Оператор - последовательность выражений, элементарных конструкций и символов.

Описание языка:

Описание символов заключается в перечислении допустимых символов языка. Под описанием элементарных конструкций понимают правила их образования. Описание выражений - это правила образования любых выражений, имеющих смысл в данном языке. Описание операторов состоит из рассмотрения всех типов операторов, допустимых в языке. Описание каждого элемента языка задается его СИНТАКСИСОМ и СЕМАНТИКОЙ.

Синтаксические определения устанавливают правила построения элементов языка.

Семантика определяет смысл и правила использования тех элементов языка, для которых были даны синтаксические определения.

Символы языка - это основные неделимые знаки, в терминах которых пишутся все тексты на языке.

Элементарные конструкции - это минимальные единицы языка, имеющие самостоятельный смысл. Они образуются из основных символов языка.

Выражение в алгоритмическом языке состоит из элементарных конструкций и символов, оно задает правило вычисления некоторого значения.

Оператор задает полное описание некоторого действия, которое необходимо выполнить. Для описания сложного действия может потребоваться группа операторов.

В этом случае операторы объединяются в Составной оператор или Блок. Действия , заданные операторами, выполняются над данными. Предложения алгоритмического языка, в которых даются сведения о типах данных, называются описаниями или неисполняемыми операторами. Объединенная единым алгоритмом совокупность описаний и операторов образует программу на алгоритмическом языке. В процессе изучения алгоритмического языка необходимо отличать алгоритмический язык от того языка, с помощью которого осуществляется описание изучаемого алгоритмического языка. Обычно изучаемый язык называют просто языком, а язык, в терминах которого дается описание изучаемого языка - Метаязыком .

Трансляторы - (англ. translator - переводчик) - это программа-переводчик. Она преобразует программу, написанную на одном из языков высокого уровня, в программу, состоящую из машинных команд.

Программа, написанная на каком-либо алгоритмическом языке высокого уровня, не может быть непосредственно выполнена на ЭВМ. ЭВМ понимает только язык машинных команд. Следовательно, программа на алгоритмическом языке должна быть переведена (транслирована) на язык команд конкретной ЭВМ. Такой перевод осуществляется автоматически специальными программами-трансляторами, создаваемыми для каждого алгоритмического языка и для каждого типа компьютеров.

Существуют два основных способа трансляции - компиляция и интерпретация.

1.Компиляция: Компилятор (англ. compiler - составитель, собиратель) читает всю программу целиком, делает ее перевод и создает законченный вариант программы на машинном языке, который затем и выполняется.

При компиляции вся исходная программа сразу превращается в последовательность машинных команд. После этого полученная результирующая программа выполняется ЭВМ с имеющимися исходными данными. Достоинство такого способа состоит в том, что трансляция выполняется один раз, а (многократное) выполнение результирующей программы может осуществляться с большой скоростью. Вместе с тем результирующая программа может занять в памяти ЭВМ очень много места, так как один оператор языка при трансляции заменяется сотнями или даже тысячами команд. Кроме того, отладка и видоизменения транслированной программы весьма затруднены.

2. Интерпретация: Интерпретатор (англ. interpreter - истолкователь, устный переводчик) переводит и выполняет программу строка за строкой.

При интерпретации исходная программа хранится в памяти ЭВМ почти в неизменном виде. Программа-интерпретатор декодирует операторы исходной программы по одному и тут же обеспечивает их выполнение с имеющимися данными. Интерпретируемая программа занимает в памяти компьютера мало места, ее легко отлаживать и видоизменять. Зато выполнение программы происходит достаточно медленно, поскольку при каждом исполнении заново осуществляется поочередная интерпретация всех операторов.

Откомпилированные программы работают быстрее, но интерпретируемые проще исправлять и изменять

Каждый конкретный язык ориентирован либо на компиляцию, либо на интерпретацию - в зависимости от того, для каких целей он создавался. Например, Паскаль обычно используется для решения довольно сложных задач, в которых важна скорость работы программ. Поэтому данный язык обычно реализуется с помощью компилятора.

С другой стороны, Бейсик создавался как язык для начинающих программистов, для которых построчное выполнение программы имеет неоспоримые преимущества.

Иногда для одного языка имеется и компилятор, и интерпретатор. В этом случае для разработки и тестирования программы можно воспользоваться интерпретатором, а затем откомпилировать отлаженную программу, чтобы повысить скорость ее выполнения.

РЕЛЯЦИОННАЯ БАЗА ДАННЫХ И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ. ВИДЫ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ РЕЛЯЦИОННЫМИ ТАБЛИЦАМИ

Реляционная база данных - это совокупность взаимосвязанных таблиц, каждая из которых содержит информацию об объектах определенного типа. Строка таблицы содержит данные об одном объекте (например, товаре, клиенте), а столбцы таблицы описывают различные характеристики этих объектов - атрибутов (например, наименование, код товара, сведения о клиенте). Записи, т. е. строки таблицы, имеют одинаковую структуру - они состоят из полей, хранящих атрибуты объекта. Каждое поле, т. е. столбец, описывает только одну характеристику объекта и имеет строго определенный тип данных. Все записи имеют одни и те же поля, только в них отображаются различные информационные свойства объекта.

В реляционной базе данных каждая таблица должна иметь первичный ключ - поле или комбинацию полей, которые единственным образом идентифицируют каждую строку таблицы. Если ключ состоит из нескольких полей, он называется составным. Ключ должен быть уникальным и однозначно определять запись. По значению ключа можно отыскать единственную запись. Ключи служат также для упорядочивания информации в БД.

Таблицы реляционной БД должны отвечать требованиям нормализации отношений. Нормализация отношений - это формальный аппарат ограничений на формирование таблиц, который позволяет устранить дублирование, обеспечивает непротиворечивость хранимых в базе данных, уменьшает трудозатраты на ведение базы данных.

Пусть создана таблица Студент, содержащая следу-рэщие поля: № группы, ФИО, № зачетки, дата рождения, шазвание специальности, название факультета. Такая организация хранения информации будет иметь ряд недостатков:

дублирование информации (наименование специальности и факультета повторяются для каждого студента), следовательно, увеличится объем БД;
процедура обновления информации в таблице затрудняется из-за необходимости редактирования каждой записи таблицы.

Нормализация таблиц предназначена для устранения этих недостатков. Имеется три нормальные формы отношений .

Первая нормальная форма. Реляционная таблица приведена к первой нормальной форме тогда и только тогда, когда ни одна из ее строк не содержит в любом своем поле более одного значения и ни одно из ее ключевых полей не пусто. Так, если из таблицы Студент требуется получать сведения по имени студента, то поле ФИО следует разбить на части Фамилия, Имя, Отчество.

Вторая нормальная форма . Реляционная таблица задана 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. Чтобы привести таблицу ко второй нормальной форме, необходимо определить функциональную зависимость полей. Функциональная зависимость полей - это зависимость, при крторой в экземпляре информационного объекта определенному значению ключевого реквизита соответствует только одно значение описательного реквизита.

Третья нормальная форма. Таблица находится в третьей нормальной форме, если она удовлетворяет требованиям второй нормальной формы, ни одно из ее неключевых полей не зависит функционально от любого другого неключевого поля. Например, в таблице Студент (№ группы, ФИО, № зачетной книжки, Дата рождения, Староста) три поля - № зачетной книжки, № группы, Староста находятся в транзитивной зависимости. № группы зависит от № зачетной книжки, а Староста зависит от № группы. Для устранения транзитивной зависимости необходимо часть полей таблицы Студент перенести в другую таблицу Группа. Таблицы примут следующий вид: Студент (№ группы, ФИО, № зачетной книжки, Дата рождения), Группа (№ группы, Староста).

Над реляционными таблицами возможны следующие операции:

Объединение таблиц с одинаковой структурой. Результат- общая таблица: сначала первая, затем вторая (конкатенация).
Пересечение таблиц с одинаковой структурой. Результат - выбираются те записи, которые находятся в обеих таблицах.
Вычитание таблиц с одинаковой структурой. Результат - выбираются те записи, которых нет в вычитаемом.
Выборка (горизонтальное подмножество). Результат - выбираются записи, отвечающие определенным условиям.
Проекция (вертикальное подмножество). Результат - отношение, содержащее часть полей из исходных таблиц.
Декартово произведение двух таблиц Записи результирующей таблицы получаются путем объединения каждой записи первой таблицы с каждой записью другой таблицы.

Реляционные таблицы могут быть связаны друг с другом, следовательно, данные могут извлекаться одновременно из нескольких таблиц. Таблицы связываются между собой для того, чтобы в конечном счете уменьшить объем БД. Связь каждой пары таблиц обеспечивается при наличии в них одинаковых столбцов.

Существуют следующие типы информационных связей:

один-к-одному;
один-ко-многим;
многие-ко-многим.

Связь один-к-одному предполагает, что одному атрибуту первой таблицы соответствует только один атрибут второй таблицы и наоборот.

Связь один-ко-многим предполагает, что одному атрибуту первой таблицы соответствует несколько атрибутов второй таблицы.

Связь многие-ко-многим предполагает, что одному атрибуту первой таблицы соответствует несколько атрибутов второй таблицы и наоборот.

Базой данных (БД) называется организованная в соответствии с определенными правилами и поддерживаемая в памяти компьютера совокупность сведений об объектах, процессах, событиях или явлениях, относящихся к некоторой предметной области, теме или задаче. Она организована таким образом, чтобы обеспечить информационные потребности пользователей, а также удобное хранение этой совокупности данных, как в целом, так и любой ее части.

Реляционная база данных представляет собой множество взаимосвязанных таблиц, каждая из которых содержит информацию об объектах определенного вида. Каждая строка таблицы содержит данные об одном объекте (например, автомобиле, компьютере, клиенте), а столбцы таблицы содержат различные характеристики этих объектов - атрибуты (например, номер двигателя, марка процессора, телефоны фирм или клиентов).

Строки таблицы называются записями. Все записи таблицы имеют одинаковую структуру - они состоят из полей (элементов данных), в которых хранятся атрибуты объекта (рис. 1). Каждое поле записи содержит одну характеристику объекта и представляет собой заданный тип данных (например, текстовая строка, число, дата). Для идентификации записей используется первичный ключ. Первичным ключом называется набор полей таблицы, комбинация значений которых однозначно определяет каждую запись в таблице.

Рис. 1. Названия объектов в таблице

Для работы с данными используются системы управления базами данных (СУБД). Основные функции СУБД:

Определение данных (описание структуры баз данных);

Обработка данных;

Управление данными.

Разработка структуры БД - важнейшая задача, решаемая при проектировании БД. Структура БД (набор, форма и связи ее таблиц) - это одно из основных проектных решений при создании приложений с использованием БД. Созданная разработчиком структура БД описывается на языке определения данных СУБД.

Любая СУБД позволяет выполнять следующие операции с данными:

Добавление записей в таблицы;

Удаление записей из таблицы;

Обновление значений некоторых полей в одной или нескольких записях в таблицах БД;

Поиск одной или нескольких записей, удовлетворяющих заданному условию.

Для выполнения этих операций применяется механизм запросов. Результатом выполнения запросов является либо отобранное по определенным критериям множество записей, либо изменения в таблицах. Запросы к базе формируются на специально созданном для этого языке, который так и называется «язык структурированных запросов» (SQL - Structured Query Language).

Под управлением данными обычно понимают защиту данных от несанкционированного доступа, поддержку многопользовательского режима работы с данными и обеспечение целостности и согласованности данных.

Реляционная модель

Реляционная модель базы данных была предложена в 1969 г. математиком и научным сотрудником фирмы IBM Э.Ф. Коддом (E.F. Codd). Некоторые начальные сведения о реляционных базах данных содержатся в обзорной статье “БД и СУБД ” 2. Поскольку в настоящее время именно реляционные базы данных являются доминирующими, в этой статье (а также в статьях “Описание данных ”, “Обработка данных ” и “Проектирование БД ” 2) подробно рассматриваются наиболее существенные понятия реляционной модели.

Сразу отметим, что теория реляционных баз данных изначально была сформулирована на строгом математическом языке, и именно строгие, формально определенные математические понятия наилучшим образом описывают суть вещей. Вместе с тем в большинстве случаев можно без особого ущерба пожертвовать строгостью терминологии в пользу прозрачности изложения, что мы и будем стараться делать.

Основная идея реляционной модели заключается в следующем. База данных состоит из ряда неупорядоченных таблиц (в простейшем случае - из одной таблицы). Таблицами можно манипулировать посредством непроцедурных (декларативных) операций - запросов , результатами которых также являются таблицы.

Нередко слово “реляционная” (relational ) в термине “реляционная модель” трактуют, основываясь на том, что в реляционной базе данных устанавливаются связи (relate ) между таблицами. Такое объяснение удобно, но оно не является точным. В оригинальной системе терминов Кодда термины связи (relations ), атрибуты (attributes ) и кортежи (tuples ) употреблялись там, где большинство из нас пользуется более привычными терминами таблицы, столбцы (поля) и строки (записи).

При построении инфологической модели предметной области (см. “БД и СУБД ”, “Проектирование БД ” 2) выделяются сущности (объекты), описываются их свойств а (характеристики, атрибуты), существенные для целей моделирования, и устанавливаются связи между сущностями. На этапе перехода от инфологической к даталогической реляционной модели как раз и появляются таблицы. Как правило, каждая сущность представляется одной таблицей. Каждая строка таблицы (одна запись) соответствует одному экземпляру сущности, а каждое поле описывает некоторое свойство (атрибут) .

Например, если нам требуется хранить информацию о людях, включающую фамилию каждого, имя, отчество, ИНН, страну проживания и дату рождения, то сущностью является именно человек, а указанные данные - атрибутами. Сама сущность естественным образом становится названием таблицы.

Таблица “Человек”

Реляционная модель требует, чтобы каждая строка таблицы была уникальной, т.е. чтобы любые две строки различались значением хотя бы одного атрибута.

Традиционная табличная форма удобна, когда требуется представить сами данные. Если же, как в приведенном выше примере, интересует лишь структура - имена полей, то с точки зрения наглядности, удобства использования в схемах и экономии места удобнее изображать ее следующим образом:

Ключи

Ключом таблицы называется поле или группа полей, содержащие уникальные в рамках данной таблицы значения . Ключ однозначно определяет соответствующую строку таблицы. Если ключ состоит из одного поля, его часто называют простым , если из нескольких - составным . В приведенном выше примере ключом является поле ИНН (мы считаем известным тот факт, что ИНН в пределах страны являются уникальными).

Рассмотрим пример таблицы с составным ключом. На сайтах прогнозов погоды нередко представляют информацию следующим образом: для каждой даты указывают прогнозируемую температуру ночью, утром, днем и вечером. Для хранения указанной информации можно использовать таблицу следующего вида:

В этой таблице ни поле Дата, ни Время суток, ни Температура не являются ключами - в каждом из этих полей значения могут повторяться. Зато комбинация полей Дата+Время суток является уникальной и однозначно определяет строку таблицы. Это и есть составной ключ.

Нередко встречается ситуация, в которой выбор ключа не является однозначным. Вернемся к первому примеру. Допустим, в дополнение к фамилии, имени, отчеству, ИНН, дате рождения требуется хранить серию и номер общегражданского паспорта и серию и номер заграничного паспорта. Таблица будет иметь следующий вид.

В этой таблице можно выбрать целых три ключа. Один из них - простой (ИНН), два другие - составные (Серия+Номер общегражданского паспорта и Серия+Номер заграничного паспорта). В такой ситуации разработчик выбирает наиболее удобный с точки зрения организации БД ключ (в общем случае - ключ, на поиск значения которого требуется наименьшее время). Выбранный ключ в этом случае часто называют главным, или первичным , ключом, а другие комбинации столбцов, из которых можно сделать ключ, - возможными , или альтернативными, ключами. Отметим, что хотя бы один возможный ключ в таблице имеется всегда, так как строки не могут повторяться и, следовательно, комбинация всех столбцов гарантированно является возможным ключом.

При изображении таблиц первичные ключи таблиц принято выделять. Например, соответствующие поля часто подчеркивают. А Microsoft Access выделяет ключевые поля полужирным шрифтом.

Еще чаще, чем с неоднозначностью выбора ключа, разработчики сталкиваются с отсутствием ключа среди данных, которые требуется хранить. Подобный факт может быть установлен в процессе анализа предметной области. Например, если требуется хранить простой список людей - имена, фамилии, отчества и даты рождения, то ключа в этом наборе атрибутов нет вовсе - мыслимой является ситуация, когда у двух различных людей указанные данные совпадают полностью. В таком случае приходится искусственно вводить дополнительное поле, например, уникальный номер человека. Такой ключ в литературе иногда называют суррогатным . Нередко суррогатный ключ вводят и из соображений эффективности. Если, например, в таблице имеется длинный составной ключ, то разработчики часто вводят дополнительный короткий числовой суррогатный ключ и именно его делают первичным. Нередко так поступают даже при наличии простого ключа, имеющего “неудобный” (неэффективный для поиска) тип данных, например, строковый. Подобные операции уже не имеют отношения к теории, но сплошь и рядом встречаются на практике.

Внимательный читатель, возможно, обратит внимание на то, что ключ практически всегда можно расширить (если только в него не входят все поля таблицы) за счет включения избыточных полей. Формально такой ключ останется ключом, но с практической точки зрения это лишь игра понятиями. Такие ключи и за возможные-то не считают, поскольку всегда необходимо стремиться к минимизации длины (сложности) ключа.

Нормальные формы, нормализация

Не всякая таблица, которую мы можем нарисовать на бумаге или в Word’е, может быть таблицей реляционной базы данных. И не всякая таблица, которая может использоваться в реляционной базе данных, является правильной с точки зрения требования реляционной модели.

Во-первых, требуется, чтобы все данные в пределах одного столбца имели один и тот же тип (о типах см. “Описание данных ” 2). С этой точки зрения приведенный ниже пример не имеет смысла даже обсуждать:

Во-вторых, требуется, чтобы в таблице был назначен первичный ключ .

Указанные требования являются необходимыми, но недостаточными. В теории реляционных баз данных вводятся понятия так называемых “нормальных форм” - требований к организации данных в таблицах. Нормальные формы нумеруются последовательно, по мере ужесточения требований. В правильно спроектированной БД таблицы находятся как минимум в третьей нормальной форме. Соответственно, мы рассмотрим первые три нормальные формы. Напомним, что мы имеем дело с таблицами, удовлетворяющими двум сформулированным выше основным требованиям.

Первая нормальная форма (1НФ)

Первая нормальная форма предписывает, что все данные, содержащиеся в таблице, должны быть атомарными (неделимыми ). Перечень соответствующих атомарных типов данных определяется СУБД. Требование 1НФ совершенно естественное. Оно означает, что в каждом поле каждой записи должна находиться только одна величина, но не массив и не какая-либо другая структура данных. Приведем осмысленный пример таблицы, которая не находится в 1НФ. Пусть у нас имеются списки оценок учеников по некоторому предмету.

Так как значение поля Оценки не является атомарным, таблица не соответствует требованиям 1НФ.

О возможном способе представления списка оценок написано в методических рекомендациях к статье “Проектирование БД” 2.

Вторая нормальная форма (2НФ)

Говорят, что таблица находится во второй нормальной форме, если она находится в 1НФ и каждый не ключевой столбец полностью зависит от первичного ключа. Другими словами, значение каждого поля должно полностью определяться значением первичного ключа. Важно отметить, что зависимость от первичного ключа понимается именно как зависимость от ключа целиком, а не от отдельной его составляющей (в случае составного ключа). Приведем пример таблицы, которая не находится во 2НФ. Для этого вернемся к примеру прогноза погоды и дополним таблицу еще одним столбцом - временем восхода солнца (это вполне правдоподобный пример, такого рода информация часто приводится на сайтах прогноза погоды).

Как мы помним, данная таблица имеет составной ключ Дата+Время суток. Поле Температура полностью зависит от первичного ключа - с ним проблем нет. А вот поле Восход зависит лишь от поля Дата, Время суток на время восхода естественным образом не влияет.

Здесь уместно задаться вопросом: а в чем практический смысл 2НФ? Какая польза от этих ограничений? Оказывается - большая. Допустим, что в приведенном выше примере разработчик проигнорирует требования 2НФ. Во-первых, скорее всего возникнет так называемая избыточность - хранение лишних данных. Ведь если для одной записи с данной датой уже хранится время восхода, то для всех других записей с данной датой оно должно быть таким же и хранить его, вообще говоря, незачем.

Обратим внимание на слова “должно быть”. А если не будет? Ведь на уровне БД это никак не контролируется - ключ в таблице составной, одинаковые даты могут быть (и по смыслу скорее всего будут). И никакие формальные ограничения (а наше понимание, что “такого не может быть”, к таковым не относится) не запрещают указать разное время восхода для одной и той же даты.

Третья нормальная форма (3НФ)

Говорят, что таблица находится в 3НФ, если она соответствует 2НФ и все не ключевые столбцы взаимно независимы.

Взаимную зависимость столбцов удобно понимать следующим образом: столбцы являются взаимно зависимыми, если нельзя изменить один из них, не изменяя другой.

Приведем пример таблицы, которая не находится в 3НФ. Рассмотрим пример простой записной книжки для хранения домашних телефонов людей, проживающих, возможно, в различных регионах страны.

В этой таблице присутствует зависимость между не ключевыми столбцами Город и Код города, следовательно, таблица не находится в 3НФ.

Отметим, что наличие указанной выше зависимости разработчик определяет, анализируя предметную область, - никакими формальными методами подобную коллизию увидеть нельзя. При изменении свойств предметной области зависимость между столбцами может и исчезнуть. Например, если в пределах одного города вводятся различные коды (как 495 и 499 в Москве), соответствующие столбцы перестают быть связанными с точки зрения нарушения требований 3НФ.

В теории реляционных баз данных рассматриваются и формы высших порядков - нормальная форма Бойса - Кодда, 4НФ, 5НФ и даже выше. Большого практического значения эти формы не имеют, и разработчики, как правило, всегда останавливаются на 3НФ.

Нормализация БД

Нормализация представляет собой процесс приведения таблиц базы данных к выбранной нормальной форме. Нормализация до 2НФ, как правило, сводится к декомпозиции - разбиению одной таблицы на несколько. Нормализация до 3НФ обычно может быть выполнена удалением зависимых (вычисляемых) столбцов. В некоторых случаях при нормализации до 3НФ приходится также производить декомпозицию.

Многотабличные БД, связи между таблицами, внешние ключи

На практике однотабличные базы данных встречаются достаточно редко, поскольку с точки зрения моделирования базой данных предметной области наличие одной таблицы означает наличие одной сущности. В свою очередь, наличие нескольких сущностей обычно означает наличие связей между ними.

Не ставя целью полное проектирование БД, рассмотрим пример, позволяющий продемонстрировать связи в многотабличных БД.

Пусть мы имеем дело со школой, в которой есть ученики, сгруппированные по классам, и учителя, преподающие некоторые предметы. У нас сразу выделяются четыре сущности: ученики, учителя, классы и предметы. Эти сущности уже дают нам четыре таблицы.

Далее нам требуется решить вопрос об атрибутах сущностей - какую именно информацию мы будем хранить. Поскольку наш пример носит исключительно демонстрационный характер, постараемся минимизировать объем хранимой информации. Договоримся для каждого ученика хранить фамилию и имя, для класса - номер параллели и букву, идентифицирующую класс внутри параллели, для учителя - фамилию, имя и отчество, для предмета - только его название.

Теперь нам следует решить вопрос с первичными ключами. Таблицы учеников и учителей в принципе не имеют ключа, поэтому мы введем в них суррогатный числовой ключ - номер. Таблицы классов и предметов, вообще говоря, имеют ключи. В таблице классов ключ составной, его образуют атрибуты Номер параллели+Буква, а в таблице предметов простой ключ состоит из единственного поля - названия предмета. Вспомним, что, говоря о ключах, мы упоминали о том, что суррогатные ключи часто добавляют из соображений эффективности, стремясь избавиться от составных ключей или ключевых полей неудобных типов, например, строковых. Так мы и поступим. Добавим в каждую из таблиц суррогатный числовой ключ.

В результате мы получим следующий набор таблиц, соответствующих описываемым сущностям.

Понимая, с какой предметной областью имеем дело, мы знаем, что наши сущности существуют не сами по себе - они связаны некоторыми отношениями, которые мы обозначили выше. Но как их связать технически? Тут не обойтись без введения дополнительных полей и даже дополнительных таблиц. Разберемся с отношениями между сущностями по порядку.

Чтобы отнести ученика к некоторому классу, заведем в таблице “Ученик” дополнительное поле Номер класса. (Понятно, что его тип должен полностью совпадать с типом поля Номер класса в таблице “Класс”.) Теперь мы можем связать таблицы “Ученик” и “Класс” по совпадающим значениям полей Номер класса (мы не случайно назвали эти поля одинаково, на практике так часто поступают, чтобы легко ориентироваться в связывающих полях). Заметим, что одной записи в таблице “Класс” может соответствовать много записей в таблице “Ученик” (и на практике скорее всего соответствует - трудно представить себе класс из одного ученика). О таких таблицах говорят, что они связаны отношением “один ко многим ”. А поле Номер класса в таблице “Ученик” называют внешним ключом . Как видим, назначение внешних ключей - связывание таблиц. Отметим, что внешний ключ всегда ссылается на первичный ключ связанной таблицы (т.е. внешний ключ находится на стороне “многих”). Связанный с внешним первичный ключ называют родительским , хотя этот термин используется реже.

Проиллюстрируем сказанное схемой в стиле Microsoft Access (подробнее о “Схеме данных” Access написано в статье “Описание данных” 2).

Теперь вспомним об учителях и предметах. Анализируя предметную область (только так - ведь истинное положение вещей из самой формальной модели извлечь невозможно), мы замечаем, что тип связи между сущностями “учитель” и “предмет” иной, нежели рассмотренный выше. Ведь не только один предмет могут вести много учителей, но и один учитель может вести много предметов. Таким образом, между этими сущностями имеется связь “многие ко многим ”. Тут уже не обойтись введением дополнительных полей (попробуйте!). Связи “многие ко многим” всегда разрешаются посредством введения дополнительной таблицы. А именно, организуем таблицу “Учитель-Предмет”, имеющую следующую структуру:

Таблица “Учитель-Предмет”

Эта таблица имеет составной ключ, образованный из двух ее полей. И таблица “Учитель”, и таблица “Предмет” связаны с данной таблицей отношением “один ко многим” (разумеется, в обоих случаях “многие” находятся на стороне “Учитель-Предмет”). Соответственно, в таблице “Учитель-Предмет” имеются два внешних ключа (оба - части составного первичного ключа, что не воспрещается), служащие для связи с соответствующими таблицами.

На практике, помимо рассмотренных отношений “один ко многим” и “многие ко многим”, встречается и отношение “один к одному ”. С точки зрения теории такое отношение интереса не представляет, так как две таблицы, связанные отношением “один к одному”, всегда можно просто объединить в одну. Тем не менее в реальных базах данных отношение “один к одному” применяется для оптимизации обработки данных. Проиллюстрируем сказанное примером.

Допустим, мы храним очень много разнообразной информации о людях - данные их всевозможных документов, телефоны, адреса и пр. Скорее всего боRльшая часть этих данных будет использоваться очень редко. А часто нам потребуются лишь фамилия, имя, отчество и телефон. Тогда имеет смысл организовать две таблицы и связать их отношением “один к одному”. В одной (небольшой) таблице хранить часто используемую информацию, в другой - остальную. Естественно, что таблицы, связанные отношением “один к одному”, имеют один и тот же первичный ключ.

Правила целостности

Реляционная модель определяет два общих правила целостности базы данных: целостность объектов и ссылочная целостность.

Правило целостности объектов очень простое. Оно требует, чтобы первичные ключи таблиц не содержали неопределенных (пустых) значений .

Правило ссылочной целостности требует, чтобы внешние ключи не содержали несогласованных с родительскими ключами значений . Возвращаясь к рассмотренному выше примеру, мы должны потребовать, например, чтобы ученики относились лишь к классу, номер которого указан в таблице “Классы”.

Большинство СУБД умеют следить за целостностью данных (разумеется, это требует соответствующих усилий и от разработчика на этапе описания структур данных). В частности, для поддержания ссылочной целостности используются механизмы каскадирования операций. Каскадирование подразумевает, в частности, то, что при удалении записи из “родительской” таблицы, связанной с другой таблицей отношением “один ко многим”, из таблицы “многих” автоматически (самой СУБД, без участия пользователя) удаляются все связанные записи. И это естественно, ведь такие записи “повисают в воздухе”, они более ни с чем не связаны.

Индексация

Индексация - крайне важная с точки зрения практического применения, но факультативная с позиции чистой теории вещь. Основное назначение индексации - оптимизация (убыстрение) поиска (и, соответственно, некоторых других операций с базой данных). Индексация в любом случае требует дополнительных ресурсов (на физическом уровне чаще всего создаются специальные индексные файлы). Операции, связанные с модификацией данных, индексация может даже замедлять, поэтому индексируют обычно редко изменяемые таблицы, в которых часто производится поиск.

Индексный файл очень похож на индекс обычной книги. Для каждого значения индекса хранится список строк таблицы, в которых содержится данное значение. Соответственно, для поиска не надо просматривать всю таблицу - достаточно заглянуть в индекс. Зато при модификации записей может потребоваться перестроить индекс. И на это уходит дополнительное время.

Разумеется, и речи не идет о том, чтобы излагать теорию реляционных баз данных в рамках базового курса информатики! Тем не менее эта статья очень важна для нашей энциклопедии, поскольку в данном случае мы имеем дело с материалом, который не может быть в полном объеме изложен на уроках, но учитель владеть им должен. Почему?

Во-первых, потому что ряд понятий изучаются как раз в рамках базового курса. Это и табличное представление данных, и ключи таблиц. А все мы знаем, что очень трудно грамотно и точно изложить лишь некоторые понятия, не представляя общей картины.

Во-вторых, выполняя с детьми простые запросы к базам данных (соответствующий материал изложен в статье “Обработка данных” 2), необходимо иметь дело с правильными с точки зрения реляционной теории таблицами. Не требуется объяснять ученикам, что эти таблицы правильные, а “вот если бы…, то таблица была бы неправильной”, но недопустимо использовать плохие примеры.

В профильном курсе информатики ситуация может быть принципиально иной. Важнейшая и крайне продуктивная форма работы в профильных классах - проектная. В рамках учебных проектов можно и нужно разрабатывать несложные базы данных, и здесь не обойтись без основ изложенной теории. Необходимо, однако, учитывать следующее:

Моделируемые предметные области должны быть не слишком большими;

Они должны быть очень хорошо знакомы учащимся (в этом смысле изрядно поднадоевший всем проект “Школа” - не худший выбор!);

Наивно ожидать, что, прослушав основы теории, ученики смогут что-то спроектировать сами. Каждый шаг необходимо проходить вместе с ними, подробно аргументируя свои действия.

Появление компьютерной техники в нашей современности ознаменовало информационный переворот во всех сферах человеческой деятельности. Но для того, чтобы вся информация не стала ненужным мусором в глобальной сети Интернет, была изобретена система баз данных, в которой материалы сортируются, систематизируются, в результате чего их легко отыскать и представить последующей обработке. Существуют три основные разновидности - выделяют базы данных реляционные, иерархические, сетевые.

Фундаментальные модели

Возвращаясь к возникновению баз данных, стоит сказать, что этот процесс был достаточно сложным, он берет свое начало вместе с развитием программируемого оборудования обработки информации. Поэтому неудивительно, что количество их моделей на данный момент достигает более 50, но основными из них считаются иерархическая, реляционная и сетевая, которые и до сих пор широко применяются на практике. Что же они собой представляют?

Иерархическая имеет древовидную структуру и составляется из данных разных уровней, между которыми существуют связи. Сетевая модель БД представляет собой более сложный шаблон. Ее структура напоминает иерархическую, а схема расширенная и усовершенствованная. Разница между ними в том, что потомственные данные иерархической модели могут иметь связь только с одним предком, а у сетевой их может быть несколько. Структура реляционной базы данных гораздо сложнее. Поэтому ее следует разобрать более подробно.

Основное понятие реляционной базы данных

Такая модель была разработана в 1970-х годах доктором науки Эдгаром Коддом. Она представляет собой логически структурированную таблицу с полями, описывающую данные, их отношения между собой, операции, произведенные над ними, а главное - правила, которые гарантируют их целостность. Почему модель называется реляционной? В ее основе лежат отношения (от лат. relatio) между данными. Существует множество определений этого типа базы данных. Реляционные таблицы с информацией гораздо проще систематизировать и придать обработке, нежели в сетевой или иерархической модели. Как же это сделать? Достаточно знать особенности, структуру модели и свойства реляционных таблиц.

Процесс моделирования и составления основных элементов

Для того чтобы создать собственную СУБД, следует воспользоваться одним из инструментов моделирования, продумать, с какой информацией вам необходимо работать, спроектировать таблицы и реляционные одно- и множественные связи между данными, заполнить ячейки сущностей и установить первичный, внешние ключи.

Моделирование таблиц и проектирование реляционных баз данных производится посредством бесплатных инструментов, таких как Workbench, PhpMyAdmin, Case Studio, dbForge Studio. После детальной проектировки следует сохранить графически готовую реляционную модель и перевести ее в готовый SQL-код. На этом этапе можно начинать работу с сортировкой данных, их обработку и систематизацию.

Особенности, структура и термины, связанные с реляционной моделью

Каждый источник по-своему описывает ее элементы, поэтому для меньшей путаницы хотелось бы привести небольшую подсказку:

реляционная табличка = сущность;
макет = атрибуты = наименование полей = заголовок столбцов сущности;
экземпляр сущности = кортеж = запись = строка таблички;
значение атрибута = ячейка сущности= поле.

Для перехода к свойствам реляционной базы данных следует знать, из каких базовых компонентов она состоит и для чего они предназначены.

Сущность. Таблица реляционной базы данных может быть одна, а может быть целый набор из таблиц, которые характеризируют описанные объекты благодаря хранящимся в них данным. У них фиксированное количество полей и переменное число записей. Таблица реляционной модели баз данных составляется из строк, атрибутов и макета.
Запись - переменное число строк, отображающих данные, что характеризируют описываемый объект. Нумерация записей производится системой автоматически.
Атрибуты - данные, демонстрирующие собой описание столбцов сущности.
Поле. Представляет собой столбец сущности. Их количество - фиксированная величина, устанавливаемая во время создания или изменения таблицы.

Теперь, зная составляющие элементы таблицы, можно переходить к свойствам реляционной модели database:

Сущности реляционной БД двумерные. Благодаря этому свойству с ними легко проделывать различные логические и математические операции.
Порядок следования значений атрибутов и записей в реляционной таблице может быть произвольным.
Столбец в пределах одной реляционной таблицы должен иметь свое индивидуальное название.
Все данные в столбце сущности имеют фиксированную длину и одинаковый тип.
Любая запись в сущности считается одним элементом данных.
Составляющие компоненты строк единственны в своем роде. В реляционной сущности отсутствуют одинаковые строки.

Исходя из свойств понятно, что значения атрибутов должны быть одинакового типа, длины. Рассмотрим особенности значений атрибутов.

Основные характеристики полей реляционных БД

Названия полей должны быть уникальными в рамках одной сущности. Типы атрибутов или полей реляционных баз данных описывают, данные какой категории хранятся в полях сущностей. Поле реляционной базы данных должно иметь фиксированный размер, исчисляемый в символах. Параметры и формат значений атрибутов определяют манеру исправления в них данных. Еще есть такое понятие, как "маска", или "шаблон ввода". Оно предназначено для определения конфигурации ввода данных в значение атрибута. Непременно при записи неправильного в поле должно выдаваться извещение об ошибке. Также на элементы полей накладываются некоторые ограничения - условия проверки точности и безошибочности ввода данных. Существует некоторое обязательное значение атрибута, которое однозначно должно быть заполнено данными. Некоторые строки атрибутов могут быть заполнены NULL-значениями. Разрешается ввод пустых данных в атрибуты полей. Как и извещение об ошибке, есть значения, которые заполняются системой автоматически - это данные по умолчанию. Для ускорения поиска любых данных предназначено индексированное поле.

Схема двумерной реляционной таблицы базы данных

Для детального понимания модели с помощью SQL лучше всего рассмотреть схему на примере. Нам уже известно, что представляет собой реляционная БД. Запись в каждой таблице - это один элемент данных. Чтобы предотвратить избыточность данных, необходимо провести операции нормализации.

Базовые правила нормализации реляционной сущности

1. Значение названия поля для реляционной таблицы должно быть уникальным, единственным в своем роде (первая нормальная форма - 1НФ).

2. Для таблицы, которая уже приведена к 1НФ, наименование любого неидентифицирующего столбца должно быть зависимым от уникального идентификатора таблицы (2НФ).

3. Для всей таблицы, что уже находится в 2НФ, каждое неидентифицирующее поле не может зависеть от элемента другого неопознанного значения (3НФ сущности).

Базы данных: реляционные связи между таблицами

Существует 2 основных реляционных табличек:

«Один-многие». Возникает при соответствии одной ключевой записи таблицы №1 нескольким экземплярам второй сущности. Значок ключа на одном из концов проведенной линии говорит о том, что сущность находится на стороне «один», второй конец линии зачастую отмечают символом бесконечности.

Связь «много-много» образуется в случае возникновения между несколькими строками одной сущности явного логичного взаимодействия с рядом записей другой таблицы.
Если между двумя сущностями возникает конкатенация «один к одному», это значит, что ключевой идентификатор одной таблицы присутствует в другой сущности, тогда следует убрать одну из таблиц, она лишняя. Но иногда исключительно в целях безопасности программисты преднамеренно разделяют две сущности. Поэтому гипотетически связь «один к одному» может существовать.

Существование ключей в реляционной базе данных

Первичный и вторичный ключи определяют потенциальные отношения базы данных. Реляционные связи модели данных могут иметь только один потенциальный ключ, это и будет primary key. Что же он собой представляет? Первичный ключ - это столбец сущности или набор атрибутов, благодаря которому можно получить доступ к данным конкретной строки. Он должен быть уникальным, единственным, а его поля не могут содержать пустых значений. Если первичный ключ состоит всего из одного атрибута, тогда он называется простым, в ином случае будет составляющим.

Кроме первичного ключа, существует и внешний (foreign key). Многие не понимают, какая между ними разница. Разберем их более детально на примере. Итак, существует 2 таблицы: «Деканат» и «Студенты». Сущность «Деканат» содержит поля: «ID студента», «ФИО» и «Группа». Таблица «Студенты» имеет такие значения атрибутов, как «ФИО», «Группа» и «Средний бал». Так как ID студента не может быть одинаковым для нескольких студентов, это поле и будет первичным ключом. «ФИО» и «Группа» из таблицы «Студенты» могут быть одинаковыми для нескольких человек, они ссылаются на ID номер студента из сущности «Деканат», поэтому могут быть использованы в качестве внешнего ключа.

Пример модели реляционной базы данных

Для наглядности приведем простой пример реляционной модели базы данных, состоящей из двух сущностей. Существует таблица с названием «Деканат».

Необходимо провести связи, чтобы получилась полноценная реляционная база данных. Запись "ИН-41", как и "ИН-72", может присутствовать не единожды в табличке "Деканат", также фамилия, имя и отчество студентов в редких случаях могут совпадать, поэтому данные поля никак нельзя сделать первичным ключом. Покажем сущность «Студенты».

Как мы видим, типы полей реляционных баз данных совершенно различаются. Присутствуют как цифровые записи, так и символьные. Поэтому в настройках атрибутов следует указывать значения integer, char, vachar, date и другие. В таблице "Деканат" уникальным значением является только ID студента. Данное поле можно взять за первичный ключ. ФИО, группа и телефон из сущности "Студенты" могут быть взяты как внешний ключ, ссылающийся на ID студента. Связь установлена. Это пример модели со связью «один к одному». Гипотетически одна из таблиц лишняя, их можно легко объединить в одну сущность. Чтобы ID-номера студентов не стали всеобще известными, вполне реально существование двух таблиц.