Гринберг А.С., Иванюкович В.А., Новыш Б.В., Шешолко В.К. Ситуационный анализ и моделирование на основе информационных технологий баз данных

Подождите немного. Документ загружается.

Сложность практического использования иерархических и сетевых СУБД

заставляла искать иные способы представления данных. В конце 60-х годов

появились СУБД на основе инвертированных файлов, отличающиеся простотой

организации и наличием весьма удобных языков манипулирования данными.

Однако такие СУБД обладают рядом ограничений на количество файлов для

хранения данных, количество связей между ними, длину записи и количество

ее полей.

Сегодня наиболее распространены реляционные модели, которые будут

подробно рассмотрены в предлагаемом курсе. На данном этапе изучения дадим

грубое определение реляционной модели данных, которое впоследствии будет

уточнено. Реляционная система – это система, основанная на следующих

принципах:

1. данные представляются для пользователя в виде таблиц;

2. пользователю предоставляются операторы (например, для выборки данных),

генерирующие новые таблицы из старых.

Название «реляционные» возникло от английского термина «relation» –

отношение. Это, по существу, математическое название для таблицы. Поэтому

в большинстве случаев термины «отношение» и «таблица» можно считать

синонимами.

Приведем простой пример базы данных отделов и сотрудников (рис. 2.7.3). Все

данные хранятся в таблицах. Существуют операторы (такие как SELECT,

Отделы

Код_отдела Наименование Бюджет

А1 Маркетинга 10000000

А2 Планирования 12000000

А3 Исследований 5000000

Сотрудники

Табель Фамилия Код_отдела Зарплата

В1 Ильин А1 100

В2 Петровский А1 140

В3 Котов А3 185

В4 Волк А3 115

Рис. 2.7.3. Реляционная модель базы данных

PROJECT, JOIN и др.), с помощью которых можно отобрать нужные данные и

создать новые таблицы.

Оператор SELECT предназначен для выборки определенных строк из

таблицы:

SELECT Отделы; WHERE Бюджет>8000000

Код_отдела Наименование Бюджет

А1 Маркетинга 10000000

А2 Планирования 12000000

Рис. 2.7.4. Результат выборки определенных строк из таблицы

Оператор PROJECT предназначен для проекции (выборки) определенных

столбцов из таблицы:

PROJECT Отделы; Код_отдела, Бюджет

Код_отдела Бюджет

А1 10000000

А2 12000000

А3 5000000

Рис. 2.7.5. Результат проекции определенных столбцов из таблицы

Оператор JOIN предназначен для соединения нескольких таблиц на основе

общих значений в общих столбцах.

В таблицах Отделы и Сотрудники есть общий столбец Код_отдела с

однотипными данными, который может быть использован для соединения

таблиц на основе общих значений в этом столбце, т.е. строка таблицы Отделы

соединяется со строкой таблицы Сотрудники тогда и только тогда, когда у этих

двух строк есть общее значение в столбце Код_отдела:

Код_отдела Наименование Бюджет Табель Фамилия Зарплата

А1 Маркетинга 10000000 В1 Ильин 100

А1 Маркетинга 10000000 В2 Петровский 140

А3 Исследований 5000000 В3 Котов 185

А3 Исследований 5000000 В4 Волк 115

Рис. 2.7.6. Результат соединения двух таблиц на основе общих значений в

однотипных столбцах

Результат действия каждого из трех операторов – новая таблица. Это

реляционное свойство замкнутости. Оно имеет большое значение, потому что

результатом операции является таблица – объект такого же рода, что и объект,

над которым проводилась операция. Это значит, что над результатом операции

можно проделать другую операцию. Другое важное свойство реляционных

систем, проиллюстрированное этими примерами, заключается в том, что

операции применяются сразу к множеству строк или столбцов.

3 . Р Е Л Я Ц И О Н Н Ы Й П О Д Х О Д

3.1. Некоторые определения

Цель инфологического моделирования – обеспечение наиболее

естественных для человека способов сбора и представления той информации,

которую предполагается хранить в создаваемой базе данных. Поэтому

инфологическую модель данных пытаются строить по аналогии с естественным

языком (который не может быть использован в чистом виде из-за сложности

компьютерной обработки текстов и неоднозначности любого естественного

языка). Основными конструктивными элементами инфологических моделей

являются сущности, связи (отношения) между ними и их свойства (атрибуты).

Сущность – любой различимый объект (объект, который мы можем

отличить от другого), информацию о котором необходимо хранить в базе

данных. Сущностями могут быть люди, места, самолеты, рейсы, вкус, цвет и

т.д. Необходимо различать такие понятия, как тип сущности и экземпляр

сущности. Понятие тип сущности относится к набору однородных личностей,

предметов, событий или идей, выступающих как целое. Экземпляр сущности

относится к конкретной вещи в наборе. Например, типом сущности может быть

ГОРОД, а экземпляром – Минск, Варшава и т.д.

Атрибут – поименованная характеристика сущности. Его наименование

должно быть уникальным для конкретного типа сущности, но может быть

одинаковым для различного типа сущностей (например, ЦВЕТ может быть

определен для многих сущностей – СОБАКА, АВТОМОБИЛЬ, ДЫМ и т.д.)

Атрибуты используются для определения того, какая информация должна быть

собрана о сущности. Примерами атрибутов для сущности АВТОМОБИЛЬ

являются ТИП, МАРКА, НОМЕРНОЙ ЗНАК, ЦВЕТ и т.д. Здесь также

существует различие между типом и экземпляром. Тип атрибута ЦВЕТ имеет

много экземпляров или значений: Красный, Синий, Банановый, Белая ночь и

т.д., однако каждому экземпляру сущности присваивается только одно значение

атрибута.

Абсолютное различие между типами сущностей и атрибутами отсутствует.

Атрибут является таковым только в связи с типом сущности. В другом

контексте атрибут может выступать как самостоятельная сущность. Например,

для автомобильного завода цвет – это только атрибут продукта производства, а

для лакокрасочной фабрики цвет – тип сущности.

Ключ – минимальный набор атрибутов, по значениям которых можно

однозначно найти требуемый экземпляр сущности. Минимальность означает,

что исключение из набора любого атрибута не позволяет идентифицировать

сущность по оставшимся атрибутам. Для сущности Расписание (п.1.2) ключом

является атрибут Номер_рейса или набор атрибутов: Пункт_отправления,

Время_вылета и Пункт_назначения (при условии, что из пункта в пункт

вылетает в каждый момент времени один самолет).

Связь – ассоциирование двух или более сущностей. Если бы назначением

базы данных было только хранение отдельных, не связанных между собой

данных, то ее структура могла бы быть очень простой. Однако одно из

основных требований к организации базы данных – это обеспечение

возможности отыскания одних сущностей по значениям других, для чего

необходимо установить между ними определенные связи. А так как в реальных

базах данных нередко содержатся сотни или даже тысячи сущностей, то

теоретически между ними может быть установлено более миллиона связей.

Наличие такого множества связей и определяет сложность инфологических

моделей и, в конечном счете, баз данных.

3.2. Характеристика связей

При построении инфологических моделей можно использовать язык ER-

диаграмм (от англ. Entity-Relationship, т.е. сущность-связь). В них сущности

изображаются помеченными прямоугольниками, ассоциации – помеченными

ромбами или шестиугольниками, атрибуты – помеченными овалами, а связи

между ними – ненаправленными ребрами, над которыми может проставляться

степень связи (1 или буква, заменяющая слово "много") и необходимое

пояснение.

Между двумя сущностями А и В возможны три вида связей.

1. Связь ОДИН-К-ОДНОМУ (1:1): в каждый момент времени каждому

представителю сущности А соответствует 1 или 0 представителей сущности

В, а каждому представителю сущности В соответствует 1 или 0

представителей сущности А:

Студенты

Личное дело

Код студента (номер зачетной книжки) Фамилия

0125 Ильин

0134 Петров

Код студента Личное дело

0134 №1

0125 №2

Рис. 3.2.1. Взаимосвязь между данными при отношении между объектами

1:1

2. Связь ОДИН-КО-МНОГИМ (1:М): одному представителю сущности А

соответствуют 0, 1 или несколько представителей сущности В, а любому

представителю сущности В соответствует 1 или 0 представителей

сущностиjА:

Студенты

Номер группы

Код студента Фамилия Номер группы

0125 Ильин 1

0134 Петров 1

0086 Комаров 2

Номер группы Кафедра

Рис. 3.2.2. Взаимосвязь между данными при отношении между

объектамиj1:М

3. Связь МНОГИЕ-КО-МНОГИМ (М:М): каждому представителю сущности А

может соответствовать множество представителей сущности В, а каждому

представителю сущности В может соответствовать множество

представителей сущности А.

Фамилия Изучаемые

дисциплины

Фамилия

Ильин

Петров

Комаров

Изучаемые дисциплины

Топография

Молекулярная биология

Этика

Рис. 3.2.3. Взаимосвязь между данными при отношении между

объектамиjМ:М

Такие же типы связи могут быть установлены и между атрибутами.

3.3. Домены, отношения

В предлагаемом курсе будем придерживаться, как правило, терминологии

и представлений, предложенных К.Дж. Дейтом, внесшим значительный вклад в

теорию баз данных, и Е.Ф. Коддом, предложившим реляционную модель

данных.

Основные термины, касающиеся объектов баз данных, показаны на

рис.3.3.1.

Отношение соответствует тому, что обычно называется таблицей.

Кортеж отношения соответствует строке этой таблицы, а атрибут

отношения – столбцу. Количество кортежей называется кардинальным числом

отношения, а количество атрибутов – степенью или арностью (n-арное)

отношения. Отношение первой степени называется унарным, второй степени –

бинарным, третьей – тернарным, а степени n – n-арным. Кардинальное число

отношения, в отличие от его степени, изменяется во времени.

3.3.1. Домены

Значение наименьшей семантической единицы данных, которая

предполагается отдельным значением данных (таким как отдельный табельный

номер, отдельная фамилия или отдельная зарплата в примере на рис. 3.3.1),

принято называть скаляром. Скалярные значения атомарны, т.е. у них нет

внутренней структуры при рассмотрении в реляционной СУБД (несмотря на то,

что фамилия состоит их букв, для базы данных она неделима). Тогда домен

можно определить как именованное множество скалярных значений одного

типа. Например, домен кодов отделов – это множество всех возможных

значений, которые могут использоваться для кодирования отделов, домен

фамилий – это множество текстовых данных с количеством знаков от 1 до,

например, 20. Итак, домены – это общая совокупность значений, из которых

берутся реальные значения атрибутов, или, другими словами, значения

атрибутов должны браться из соответствующего домена.

Наиболее важное значение доменов состоит в том, что домены

ограничивают сравнения. Если значение двух атрибутов взяты из одного и того

же домена, тогда их сравнение и, следовательно, соединения, объединения и

другие операции скорее всего имеют смысл. Если же значение двух атрибутов

взяты из разных доменов, тогда их сравнение и другие операции скорее всего

не будут иметь смысла. Поэтому система поддержки доменов способна

предотвратить грубые ошибки.

Первичный

ключ

Домены

Отношение

Степень

Кортежи

Атрибуты

Табель jjjjjФамилия Код_отдела Зарплата

ТабельФамилияКод_отделаЗарплатаВ1ИльинА

1100В2ПетровА1140В3КотовА3185В4Волк

А3115

Рис. 3.3.1. Основные термины реляционного отношения

Пример создания и удаления доменов:

CREATE DOMAIN Фамилия CHAR(20);

CREATE DOMAIN Зарплата NUMERIC(5);

DESTROY DOMAIN Зарплата;

Можно сказать, что домен тождественен типу данных (как это

понимается в современных языках программирования)

3.3.2. Отношения

Отношение определяется на множестве доменов и состоит из заголовка

(интерпретация данных) и тела (набора данных). Тело содержит множество

кортежей (кардинальное число) и атрибутов (степень). Основные свойства

отношений:

1. Нет одинаковых кортежей;

2. Кортежи не упорядочены сверху вниз;

3. Атрибуты не упорядочены слева направо;

4. Все значения атрибутов атомарны.

Сейчас становится более понятным отличие между отношением и таблицей.

В реляционной модели основной абстрактный объект отношение имеет простое

реальное представление – таблицу, которое делает реляционные системы

простыми и понятными. Однако, в отличие от отношения, в таблице строки

(кортежи) и столбцы (атрибуты) расположены в определенном порядке.

Именованное отношение называется базовым, если оно является

непосредственной частью базы данных. Производные отношения определяются

через базовые отношения посредством реляционных выражений и, как правило,

неименованные. Именованное производное отношение называется

представлением. Различие между базовой таблицей и представлением часто

характеризуется так: базовые таблицы реально существуют в том смысле, что

они представляют данные, которые действительно хранятся в базе данных;

представления, наоборот, реально не существуют, а просто предоставляют

различные способы просмотра реальных данных.

Для каждого отношения есть связанная с ним интерпретация, или предикат,

составляющий критерий возможности обновления для этого отношения. В

В реляционной алгебре понятие домена значительно шире и сложнее.

любой момент времени отношение содержит в точности те кортежи, при

которых предикат является истиной.

Например, предикат отношения «Сотрудники» может быть следующим:

Сотрудник с определенным табельным номером (атрибут Табель) имеет

определенную фамилию (атрибут Фамилия), определенную зарплату (атрибут

Зарплата) и зарегистрирован в определенном отделе (атрибут Код_отдела);

кроме того, нет двух сотрудников с одинаковыми табельными номерами. При

обновлении атрибута Зарплата в кортеже

Табель='В3'; Фамилия= 'Котов'; Код_отдела='А3'; Зарплата='200';

предикат является истиной, а в кортеже

Табель='В3'; Фамилия= 'Котов'; Код_отдела='А1'; Зарплата='200';

предикат является ложью, т.к. в базе данных этот сотрудник зарегистрирован в

отделе А3 (рис. 2.6.3) и в этом случае СУБД не позволит сделать изменения.

3.4. Целостность реляционных данных

Реляционная модель базы данных связана с тремя аспектами данных:

структурой, обработкой и целостностью. Первые два аспекта были кратко

рассмотрены в разделе 1. Целостность (от англ. integrity – неприкосновенность,

сохранность, целостность) – понимается как правильность данных в любой

момент времени. Эта цель может быть достигнута лишь в определенных

пределах: СУБД не может контролировать правильность каждого отдельного

значения, вводимого в базу данных (хотя каждое значение можно проверить на

правдоподобность). Например, при вводе номера дня недели нельзя

обнаружить, что вводимое значение 5 в действительности должно быть равно 3.

Но значение 9 явно будет ошибочным и СУБД должна его отвергнуть. Для

этого ей следует сообщить, что номера дней недели должны принадлежать

набору (1,2,3,4,5,6,7).

Поддержание целостности базы данных может рассматриваться как защита

данных от неверных изменений или разрушений (в отличие от

несанкционированных изменений и разрушений, являющихся проблемой

безопасности). Современные СУБД имеют ряд средств для обеспечения

поддержания целостности (так же, как и средств обеспечения поддержания

безопасности).

Для того, чтобы дать представление о целостности данных, воспользуемся

той же моделью базы данных отделов и сотрудников (рис.2.7.3) и

познакомимся еще с одним правилом, которое должно соблюдаться, чтобы база

данных отвечала правилам реляционной модели.

1. Каждая строка в таблице Отделы должна включать уникальное значение

Код_отдела; каждая строка в таблице Сотрудники должна включать

уникальное значение Табель

2. Каждое значение Код_отдела в таблице Сотрудники должно существовать

как значение Код_отдела в таблице Отделы (каждый сотрудник должен быть

приписан к существующему отделу).

Столбцы Код_отдела в таблице Отделы и Табель в таблице Сотрудники

являются первичными ключами для соответствующих таблиц. Столбец

Код_отдела в таблице Сотрудники является внешним ключом, ссылающимся на

первичный ключ таблицы Отделы.

Первичный ключ является частным случаем более общего понятия –

потенциального ключа. Потенциальный ключ K для некоторого отношения R –

это подмножество множества атрибутов R, обладающее следующими

свойствами:

1. Свойством уникальности (нет двух различных кортежей в отношении R с

одинаковым значением K).

2. Свойством неизбыточности (никакое из подмножеств K не обладает

свойством уникальности).

Каждое отношение имеет хотя бы один потенциальный ключ, так как не

содержит одинаковых кортежей – по крайней мере, комбинация всех атрибутов

обладает свойством уникальности (как правило, подходит некоторая меньшая

комбинация). На практике отношения чаще всего имеют один потенциальный

ключ, хотя их может быть и несколько. Например, в отношении,

представляющем таблицу химических элементов, может присутствовать

уникальное имя элемента, уникальное обозначение, уникальный порядковый