Максимов Н.В., Голицына О.Л., Васина Е.Н. Управление данными

Подождите немного. Документ загружается.

Рис 3.14. Основные понятия реляционной модели

В целом концепция реляционной модели определяется следующи-

ми двенадцатью правилами Кодда [приводится по 3]:

1. Правило информации. Вся информация в базе данных должна

быть предоставлена исключительно на логическом уровне и только од-

ним способом - в виде значений, содержащихся в таблицах.

2. Правило гарантированного доступа. Логический доступ ко

всем и каждому элементу данных (атомарному значению) в реляцион-

ной базе данных должен обеспечиваться путём использования комбина-

ции имени таблицы, первичного ключа и имени столбца.

3. Правило поддержки недействительных значений. В реляцион-

ной базе данных должна быть реализована поддержка недействительных

значений, которые отличаются от строки символов нулевой длинны,

строки пробельных символов, от нуля или любого другого числа и ис-

пользуются для представления отсутствующих данных независимо от

типа этих данных.

4. Правило динамического каталога, основанного на реляционной

модели. Описание базы данных на логическом уровне должно быть

представлено в том же виде, что и основные данные, чтобы пользовате-

ли, обладающие соответствующими правами, могли работать с ним с

помощью того же реляционного языка, который они применяют для ра-

боты с основными данными.

5. Правило исчерпывающего подъязыка данных. Реляционная сис-

тема может поддерживать различные языки и режимы взаимодействия с

пользователем (например, режим вопросов и ответов). Однако должен

№

23 Ст.преп. 1960 Петров П.П.

23 Доцент 1959 Козлов К.К.

22 Доцент 1960 Цветкова С.С.

22 Проф. 1945 Гиацинтова Г.Г.

22 Проф. 1953 Сидоров С.С.

Зав. каф. 1948 Иванов И.И.

Каф. Должность Год р. ФИО

Атрибуты

Степень

Кардинальность

Кортежи

Первичный

ключ

РК

FIO

Year

Job Chair

Домены

существовать по крайней мере один язык, операторы которого можно

представить в виде строк символов в соответствии с некоторым четко

определенным синтаксисом и который в полной мере поддерживает оп-

ределение данных; определение представлений; обработку данных (ин-

терактивную и программную); условия целостности; идентификация

прав доступа; границы транзакций (начало, завершение и отмена).

6. Правило обновления представлений. Все представления, кото-

рые теоретически можно обновить, должны быть доступны для обнов-

ления.

7. Правило добавления, обновления и удаления. Возможность ра-

ботать с отношением как с одним операндом должна существовать не

только при чтении данных, но и при добавлении, обновлении и удалении

данных.

8. Правило независимости физических данных. Прикладные про-

граммы и утилиты для работы с данными должны на логическом уровне

оставаться нетронутыми при любых изменениях способов хранения

данных или методов доступа к ним.

9. Правило независимости логических данных. Прикладные про-

граммы и утилиты для работы с данными должны на логическом уровне

оставаться нетронутыми при внесении в базовые таблицы любых изме-

нений, которые теоретически позволяют сохранить нетронутыми содер-

жащиеся в этих таблицах данные.

10. Правило независимости условий целостности. Должна сущест-

вовать возможность определять условия целостности, специфические

для конкретной реляционной базы данных, на подъязыке реляционной

базы данных и хранить их в каталоге, а не в прикладной программе.

11. Правило независимости распространения. Реляционная СУБД

не должна зависеть от потребностей конкретного клиента.

12. Правило единственности. Если в реляционной системе есть

низкоуровневой язык (обрабатывающий одну запись за один раз), то

должна отсутствовать возможность использования его для того, чтобы

обойти правила и условия целостности, выраженные на реляционном

языке высокого уровня (обрабатывающем несколько записей за один

раз).

Правило 2 указывает на роль первичных ключей при поиске ин-

формации в базе данных. Имя таблицы позволяет найти требуемую таб-

лицу, имя столбца позволяет найти требуемый столбец, а первичный

ключ позволяет найти строку, содержащую искомый элемент данных.

Правило 3 требует, чтобы отсутствующие данные можно было

представить с помощью недействительных значений (NULL).

Правило 4 гласит, что реляционная база данных должна сама себя

описывать. Другими словами, база данных должна содержать набор

системных таблиц, описывающих структуру самой базы данных.

Правило 5 требует, чтобы СУБД использовала язык реляционной

базы данных, например SQL. Такой язык должен поддерживать все ос-

новные функции СУБД — создание базы данных, чтение и ввод данных,

реализацию защиты базы данных и т.д.

Правило 6 касается представлений, которые являются виртуаль-

ными таблицами, позволяющими показывать различным пользователям

различные фрагменты структуры базы данных. Это одно из правил, ко-

торые сложнее всего реализовать на практике.

Правило 7 акцентирует внимание на том, что базы данных по сво-

ей природе ориентированы на множества. Оно требует, чтобы операции

добавления, удаления и обновления можно было выполнять над множе-

ствами строк. Это правило предназначено для того, чтобы запретить

реализации, в которых поддерживаются только операции над одной

строкой.

Правила 8 и 9 означают отделение пользователя и прикладной

программы от низкоуровневой реализации базы данных. Они утвержда-

ют, что конкретные способы реализации хранения или доступа, исполь-

зуемые в СУБД, и даже изменения структуры таблиц базы данных не

должны влиять на возможность пользователя работать с данными.

Правило 10 гласит, что язык базы данных должен поддерживать

ограничительные условия, налагаемые на вводимые данные и действия,

которые могут быть выполнены над данными.

Правило 11 гласит, что язык базы данных должен обеспечивать

возможность работы с распределенными данными, расположенными на

других компьютерных системах.

Правило 12 предотвращает использование других возможностей

для работы с базой данных, помимо языка базы данных, поскольку это

может нарушить ее целостность.

3.6.2. Основы реляционной алгебры

С точки зрения внешнего представления (абстрагирования на ло-

гическом уровне) объектов реального мира модель данных – это основ-

ные понятия и способы, используемые при анализе и описании предмет-

ной области.

Среди многих попыток представить обработку данных на фор-

мальном абстрактном уровне реляционная модель, предложенная Э.Ф.

Коддом, стала по существу первой работоспособной моделью данных,

поскольку помимо средств описания объектов имела эффективный ин-

струментарий преобразований этих описаний - операции реляционной

алгебры.

Реляционная алгебра в том виде, в котором она была определена

Э.Ф. Коддом, состоит из двух групп по четыре оператора.

1. Традиционные операции над множествами (но модифициро-

ванные с учетом того, что их операндами являются отношения, а не

произвольные множества): объединение, пересечение, разность и декар-

тово произведение.

2. Специальные реляционные операции: выборка, проекция, со-

единение, деление.

Рассмотрим подробнее операции реляционной алгебры.

Объединение возвращает отношение, содержащее все кортежи, ко-

торые принадлежат либо одному из двух заданных отношений, либо им

обоим.

Пересечение возвращает отношение, содержащее все кортежи, ко-

торые принадлежат одновременно двум заданным отношениям.

Разность возвращает отношение, содержащее все кортежи, кото-

рые принадлежат первому из двух заданных отношений и не принадле-

жат второму.

Произведение - возвращает отношение, содержащее все возмож-

ные кортежи, которые являются сочетанием двух кортежей, принадле-

жащих соответственно двум заданным отношениям.

Выборка – возвращает отношение, содержащие все кортежи из за-

данного отношения, которые удовлетворяют указанным условиям.

Проекция возвращает отношение, содержащее все кортежи (под-

кортежи) заданного отношения, которые остались в этом отношении по-

сле исключения из него некоторых атрибутов.

Соединение возвращает отношение, содержащее все возможные

кортежи, которые представляют собой комбинацию атрибутов двух кор-

тежей, принадлежащих двум заданным, при условии, что в этих двух

комбинированных кортежах присутствуют одинаковые значения в од-

ном или нескольких общих для исходных отношений атрибутах (причем

эти общие значения в результирующем кортеже появляются один раз, а

не дважды).

Деление для заданных двух унарных отношений и одного бинарно-

го возвращает отношение, содержащее все кортежи из первого унарного

отношения, которые содержатся также в бинарном отношении и соот-

ветствуют всем кортежам во втором унарном отношении.

Результат выполнения любой операции над отношением также яв-

ляется отношением, поэтому результат одной операции может использо-

ваться в качестве исходных данных для другой. Другими словами, мож-

но записывать вложенные реляционные выражения, т.е. выражения, в

которых операторы сами представлены реляционными выражениями,

причем произвольной сложности. Эта особенность называется свойст-

вом реляционной замкнутости.

Важно, как отмечается в [4], что отношение имеет две части - за-

головок и тело. Нестрого говоря, заголовок - это атрибуты, а тело - это

картежи. Заголовок для базового отношения, т.е. значение базовой пе-

ременной-отношения, очевидно, вполне конкретен и известен системе,

поскольку он задается как часть определения соответствующей базовой

переменной-отношения. Т.к. результат обязательно должен иметь впол-

не определенный тип отношения, поэтому, если рассматривать свойство

реляционной замкнутости более строго, каждая реляционная операция

должна быть определена таким образом, чтобы выдавать результат с

надлежащим типом отношения (в частности, с соответствующим набо-

ром имен атрибутов или заголовком).

Реляционная алгебра имеет набор правил вывода типов (отноше-

ний), позволяющих вывести тип (отношение) на выходе произвольной

реляционной операции, зная типы (отношения) на входе этой операции.

Задав такие правила для всех операций, можно гарантировать, что для

реляционного выражения любой сложности будет вычисляться резуль-

тат, имеющий вполне определенный тип (отношение) и, в частности, из-

вестный набор имен атрибутов.

Рассмотренные восемь операторов Кодда не являются минималь-

ным набором, так как не все из них примитивны, т.е. часть из них можно

определить через другие операторы. Действительно, операции соедине-

ния, пересечения и деления можно определить через остальные пять.

Эти пять операций (выборка, проекция, произведение, объединение и

разность) можно рассматривать как примитивные в том смысле, что ни

одна из них не выражается через другие. Они образуют минимальный

набор, но, тем не менее, необязательно единственно возможный. Кроме

того, остальные три операции (в особенности операция соединения) на

практике используются настолько часто, что, несмотря на то, что они не

являются примитивными, имеет смысл обеспечить их непосредственную

поддержку.

Предшествующее рассмотрение алгебры представлено в контексте

только операций выборки данных. Однако, как отмечается в классиче-

ских введениях к реляционной алгебре, ее основная цель - обеспечить

запись реляционных выражений позволяющих определять:

− области выборки, т.е. тех данных, которые должны быть дос-

тавлены в результате выполнения операции выборки;

− области обновления, т.е. данных, которые должны быть встав-

лены, изменены или удалены в результате выполнения операции обнов-

ления;

− правила поддержки целостности данных, т.е. некоторых особых

требований, которым должна удовлетворять база данных;

− производные переменные-отношения, т.е. те данные, которые

должны быть включены в представления базы данных;

− требования устойчивости, т.е. данные, которые должны быть

включены в контролируемую область для некоторых операций управле-

ния параллельным доступом к информации;

− ограничения защиты, т.е. данные, для которых осуществляется

тот или иной тип контроля доступа.

В целом, выражения реляционной алгебры служат для символиче-

ского высокоуровневого представления намерений пользователя (на-

пример, в отношении некоторого определенного запроса). И именно по-

тому, что подобные выражения являются символическими и высоко-

уровневыми, ими можно манипулировать в соответствии с различными

высокоуровневыми правилами преобразования, в том числе и для опти-

мизации процедур выполнения запросов на данные.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятия предметной области

2. Что является результатом абстрагированного описания пред-

метной области?

3. Приведите варианты модели трехуровнего представления ПрО.

4. Дайте определение атрибутивного способа идентификации

объектов и записей.

5. Приведите типологию простых запросов.

6. Определите понятия первичного и вторичного ключа записи.

7. Определите основные требования к модели данных.

8. Дайте сравнительную характеристику понятий модель данных и

модель базы данных.

9. Перечислите операции реляционной алгебры.

10. Дайте определение понятия реляционной замкнутости.

11. Дайте определение реляционных операций соединения, пересе-

чения и деления через пять других операций.

12. Докажите ассоциативность и коммутативность реляционной

операции объединения

13. Являются ли реляционные операции умножения и деления

взаимообратными?

14. Дайте сравнительную характеристику понятий структура дан-

ных, структура записи, структура информации.

15. Дайте определение древовидной структуры.

16. Определите характерные свойства и отличия линейных и нели-

нейных структур.

17. Проведите сравнительный анализ основных типов нелинейных

структур.

18. Перечислите основные свойства реляционной структуры дан-

ных.

Глава 4. Физические модели баз данных

Физическая модель базы данных определяет способ размещения

данных на носителях (устройствах внешней памяти), а также способ и

средства организации эффективного доступа к ним. Поскольку СУБД

функционирует в составе и под управлением операционной системы и

база данных размещается обычно на устройствах общего доступа (раз-

деляемый ресурс), используемого самой ОС и другими прикладными

программами, то организация хранения данных и доступа к ним в значи-

тельной степени зависит от принципов и методов управления данными

операционной системы. И, естественно, СУБД в той или иной степени

использует не только файловую систему и подсистему ввода-вывода ОС,

но и специализированные методы доступа, основанные на тех или иных

принципах организации данных.

Основное внимание в этой главе будет уделено системам управле-

ния данными, построенным на основе однородных файлов, а также рас-

смотрению основ построения систем управления, использующих «одно-

файловые» страничные модели организации данных.

4.1. Организация данных на машинных носителях

С общепринятой точки зрения к вопросам организации данных от-

носятся:

- выбор типа записи – единицы обмена в операциях ввода-вывода;

- выбор способа размещения записей в файле и, возможно метода

оптимизации размещения;

- выбор способа адресации и метода доступа к записям.

Целесообразность выделения именно таких аспектов организации

была предельно очевидна на начальной стадии развития таких запись-

ориентированных систем и устройств внешней памяти, как магнитные

ленты и диски. Но, следует отметить, что широкое использование со-

временных поток-ориентированных систем ввода-вывода не уменьшило

принципиальное, да и практическое, значение давно известных методов

и решений, построенных на запись-ориентированных принципах. Ос-

новные понятия и подходы к физической организации и обработке дан-

ных, кратко обсуждаемые ниже, иллюстрируются рис. на 4.1.