Реляционная модель данных

Реляционная модель данных для систем управления базами данных была разработана сотрудником исследовательской лаборатории компании IBMЭ. Ф. Коддом. Э. Ф. Кодд, будучи математиком, разработал теорию реляционных баз данных, свободную от недостатков прежних моделей. В 1970 г. он опубликовал статью, посвященную краткому описанию новой модели.

В отличие от предшествующих моделей реляционная модель имеет строгое математическое обоснование в виде теории множеств (реляционная алгебра) и исчислении предикатов (реляционное исчисление).

Основой реляционной модели является отношение (relation).Отношениесодержит информацию об одной сущности (об одном классе объектов предметной области) и представляет собой множество элементов, называемыхкортежами.

Наглядной формой представления отношения является таблица, в которой значения атрибутов представлены столбцами, а кортежи – строками. База данных представляет собой совокупность таких таблиц. Отметим, что при реализации базы данных в СУБД столбцы таблицы называют полями, а строки –записями.

В Табл.7.2 показан пример отношения ПОКУПАТЕЛЬ, содержащий несколько кортежей (строк, описывающих покупателей). Отметим, что здесь указаны не все атрибуты для сущности ПОКУПАТЕЛЬ из нашего примера.

Таблица 7.2. Пример отношения ПОКУПАТЕЛЬ
Код покупателя	Фамилия	Телефон	Адрес электронной почты	Почтовый адрес
4551	Петрова	125-15-97	[e-mail]	Москва, ул. Зеленая, 2-4
4552	Краснов	447-85-96	[e-mail]	Мытищи, ул. Новая, 11-5

Заголовочная строка таблицы содержит имена атрибутов отношения, остальные строки представляют собой кортежи, содержащие значения атрибутов для отдельных покупателей.

Реляционная модель данных некоторой предметной области представляет собой набор таких отношений или таблиц. Отношения строятся по определенным правилам, обеспечивающим минимальную избыточность хранения информации, целостность базы данных, легкость модификации базы данных.

Хотя отношения и представляются в форме таблиц, далеко не любая таблица может быть отношением. Основными правилами формирования отношений являются следующие:

• В таблице не может быть повторяющихся строк.

• Порядок строк и столбцов в таблице произвольный.

• На пересечении столбца и строки может находиться только одно значение. Наличие в отношении многозначных атрибутов не допускается.

Рассмотрим подробнее фундаментальные свойства отношений, построенных на этих правилах.

Отсутствие повторяющихся строк. У каждого отношения должен быть атрибут или набор атрибутов, значения которых однозначно определяют кортеж отношения. Конечно, совокупность всех атрибутов однозначно определяет кортеж, однако речь идет о минимальном наборе атрибутов. В связи с этим вводится понятие первичного ключа.

Первичный ключ– это атрибут или минимальный набор атрибутов, однозначно определяющих каждую строку. В примере (табл. 7.2) первичным ключом является Код покупателя.

Первичный ключ – важное понятием в реляционных базах данных. Поиск любого конкретного элемента данных производится по имени таблицы, первичному ключу строки и имени столбца (атрибута).

Первичные ключи используются в следующих целях:

• идентификации строк в таблице;

• ускорения работы со строками таблицы;

• связывания таблиц.

Отсутствие упорядоченности строк. Строки в таблице хранятся в той последовательности, в которой они вводятся. Ускорение поиска достигается путем создания дополнительных структур, называемыхиндексами. Индексирование нами буде рассмотрено в параграфе, посвященной физическому проектированию базы данных.

Отсутствие упорядоченности столбцов. Столбцы, представляющие значения атрибутов, могут быть размещены в таблице в произвольной последовательности. Для ссылки на значение атрибута используется имя атрибута, то есть заголовок столбца. Следовательно, можно добавлять новые атрибуты в отношение без каких-то существенных модификаций структуры базы данных и с минимальными изменениями в прикладных программах. Обычно первым столбцом является столбец первичного ключа.

Отсутствие многозначных атрибутов. Если атрибут имеет несколько значений в одной строке, то такие значения называются повторяющимися группами. Например, покупатель может указать несколько телефонов для связи. Наличие нескольких телефонов в одной строке для столбца Телефон недопустимо. В этом случае надо создавать новое отношение ТЕЛЕФОН ПОКУПАТЕЛЯ с атрибутами Код покупателя, Телефон.

Связи. Связи между сущностями представляются в реляционной модели связями между таблицами по значениям ключевых атрибутов. В Табл. 7.3. показана связь «один-ко-многим» между таблицами ПОКУПАТЕЛЬ и ЗАКАЗ по столбцуКод покупателя. Первичные ключи таблиц здесь выделены жирным шрифтом. Каждой строке таблицы ПОКУПАТЕЛЬ должны соответствовать одна или несколько строк таблицы ЗАКАЗ с тем же значением атрибутаКод покупателя. Во взаимоотношении этих таблиц первую таблицу можно назвать главной, а вторую – подчиненной. Атрибут подчиненной таблицы, по которому осуществляется связь, называетсявнешним ключом главной таблицы.

Таблица 7.3. Связь таблиц ПОКУПАТЕЛЬ – ЗАКАЗ
ПОКУПАТЕЛЬ					ЗАКАЗ
1					m
Код покупателя	Фамилия	Телефон		Код заказа	Код покупателя	Дата доставки
4551	Петрова	125-15-97		0991	4552	08/06/2001
4552	Краснов	447-85-96		0992	5875	09/06/2001
…				…
5875	Иванова	345-67-89		1858	4552	21/07/2001

В данном случае внешним ключом таблицы ПОКУПАТЕЛЬ во взаимосвязи ПОКУПАТЕЛЬ ЗАКАЗ является атрибутКод покупателятаблицы ЗАКАЗ.

В чем же состоят характерные особенности реляционных СУБД, которые должны обеспечить управление совокупностью таких отношений, представляющих базу данных? Этими особенностями являются ненавигационность и обеспечение целостности.

Ненавигационность. При описании логической модели базы данных в реляционной СУБД описываются только таблицы, их атрибуты, первичные и внешние ключи. При выполнении запросов описываются условия, накладываемые на запрашиваемые данные, но не процесс поиска этих данных в таблицах. Процесс навигации по базе данных скрыт от пользователя и разработчика прикладных программ и должен выполняться средствами СУБД автоматически.

Требования целостности. Любая реляционная СУБД должна обеспечивать два базовых требования целостности реляционной модели данных: целостность сущностей и целостность по ссылкам.

Требование целостности сущностейсостоит в том, что любой кортеж отношения отличим от любого другого кортежа этого отношения. Это означает, что для каждого отношения должен быть определен первичный ключ. Требование целостности сущностей иначе называюттребованием первичного ключа.При вводе новой записи в таблицу СУБД автоматически проверяет уникальность введенного значения первичного ключа и не допускает повторов.

Требование целостности по ссылкамозначает, что для связанных отношений каждому значению внешнего ключа должна найтись запись в главной таблице с таким же значением первичного ключа. В нашем примере каждому значению кода покупателя в таблице ЗАКАЗ должна соответствовать строка с данным кодом покупателя в таблице ПОКУПАТЕЛЬ. Требование целостности по ссылкам также называюттребованием внешнего ключа.

Целостность по ссылкам должна поддерживаться СУБД при выполнении операций модификации первичного ключа и удаления кортежа.

При операциях модификации возможны два варианта. В первом случае запрещается изменять значение первичного ключа в записи главной таблицы, если это значение использовано в одной или нескольких записях связанных с нею по данному ключу таблиц. Во втором варианте при изменении значения первичного ключа автоматически изменяется его значение в соответствующих записях всех связанных таблиц (каскадное обновление записей).

При удалении записей возможны три варианта. В первом случае запрещается удалять кортеж, на который есть ссылки из других таблиц. Во втором разрешается проводить каскадное удаление кортежей: если удаляется кортеж главной таблицы, то одновременно удаляются все кортежи в связанных подчиненных таблицах. И, наконец, при удалении кортежа в подчиненной таблице значения соответствующего атрибута в ссылающихся таблицах автоматически становятся неопределенными.

Выбор варианта зависит от требований предметной области и существующих бизнес-правил. Так, при отмене заказа очевидно следует произвести удаление записи об этом заказе из таблицы ЗАКАЗЫ и всех соответствующих записей из таблицы КОРЗИНА ЗАКАЗА, то есть применить каскадное удаление. Для связи между таблицами ПОКУПАТЕЛЬ и ЗАКАЗ (по коду покупателя) нельзя удалять запись о покупателе, который оформил хотя бы один заказ.

Существуют и другие ограничения, накладываемые на атрибуты отношений для получения «хорошей» реляционной структуры. Процесс приведения структуры отношений к некоторой оптимальной называется нормализациейи будет рассмотрен при описании проектирования реляционной базы данных.

Структурной частью реляционной модели данных является нормализованное отношение.