Преимущества и недостатки реляционных баз даных

Отношения предок/потомок, созданные с помощью трех внешних  ключей в таблице ORDERS, могут показаться знакомыми. И действительно, это  те же самые отношения, что и в  сетевой базе данных, представленной на рис. 1.4. Как показывает пример, реляционная  модель данных обладает всеми возможностями  сетевой модели по части выражения  сложных отношений. 
Внешние ключи являются неотъемлемой частью реляционной модели, поскольку реализуют отношения между таблицами базы данных. К несчастью, как и в случае с первичными ключами, поддержка внешних ключей отсутствовала в первых реляционных СУБД. Она была введена в системе DB2 Version 2 и теперь имеется во всех коммерческих СУБД.

2. Двенадцать  правил Кодда

Американский  математик Э.Ф.Кодд (E.F.Codd) в 1970 впервые сформулировал основные понятия и ограничения реляционной модели. 
В статье, опубликованной в журнале "Computer World", Тэд Кодд сформулировал двенадцать правил, которым должна соответствовать настоящая реляционная база данных. Двенадцать правил Кодда приведены в табл. 1.1. Они являются полуофициальным определением понятия реляционная база данных. Перечисленные правила основаны на теоретической работе Кодда, посвященной реляционной модели данных. 
 
Двенадцать правил Кодда, которым должна соответствовать  реляционная СУБД:          
1. Правило информации. Вся информация в базе данных должна быть предоставлена исключительно на логическом уровне и только одним способом - в виде значений, содержащихся в таблицах.         
2. Правило гарантированного доступа. Логический доступ ко всем и каждому элементу данных (атомарному значению) в реляционной базе данных должен обеспечиваться путём использования комбинации имени таблицы, первичного ключа и имени столбца.         
3. Правило поддержки недействительных значений. В настоящей реляционной базе данных должна быть реализована поддержка недействительных значений, которые отличаются от строки символов нулевой длинны, строки пробельных символов, и от нуля или любого другого числа и используются 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 пользователи, обладающие соответствующими правами, могли работать с ним с помощью того же реляционного языка, который они применяют для работы с основными данными.         
5.Правило исчерпывающего подъязыка данных. Реляционная система может поддерживать различные языки и режимы взаимодействия с пользователем (например, режим вопросов и ответов). Однако должен 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 следующие элементы: — определение данных; — определение представлений; — обработку данных (интерактивную и программную); — условия целостности; — идентификация прав доступа; — границы транзакций (начало, завершение и отмена).  
6. Правило обновления представлений. Все представления, которые теоретически можно обновить, должны быть доступны для обновления.         
7. Правило добавления, обновления и удаления. Возможность работать 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 программы 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 программы и утилиты для работы с данными должны на логическом уровне оставаться нетронутыми при внесении в базовые таблицы любых изменений, которые теоретически позволяют сохранить нетронутыми содержащиеся в этих таблицах данные.         
10. Правило независимости условий целостности. Должна существовать 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 1 напоминает неформальное определение реляционной базы данных, приведенное ранее. 
Правило 2 указывает на роль первичных ключей при поиске информации в базе данных. Имя таблицы позволяет найти требуемую таблицу, 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), которые описаны в главе 5. 
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. Эти таблицы описаны в главе 16. 
Правило 5 требует, чтобы СУБД использовала язык реляционной базы данных, например SQL, хотя явно SQL в правиле не упомянут. Такой язык должен поддерживать все основные функции СУБД — создание базы данных, чтение и ввод данных, реализацию защиты базы данных и т.д. 
Правило 6 касается представлений, которые являются виртуальными таблицами, позволяющими показывать различным пользователям различные фрагменты структуры базы данных. Это одно из правил, которые сложнее всего реализовать на практике. Представления и проблемы их обновления описаны в главе 14. 
Правило 7 акцентирует внимание на том, что базы данных по своей природе ориентированы на множества. Оно требует, чтобы операции добавления, удаления и обновления можно было выполнять над множествами 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 утверждают, что конкретные способы реализации хранения или доступа, используемые 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. Распределенные данные и проблемы управления ими описаны в главе 20. 
И, наконец, правило 12 предотвращает использование других возможностей для работы с базой данных, помимо языка базы данных, поскольку это может нарушить ее целостность.

1.3. Состав реляционной модели данных

Кристофер Дейт определил три составные части реляционной модели данных:

• структурная
• манипуляционная
• целостная

Структурная часть модели определяет, что единственной структурой данных является нормализованное n-арное отношение. Отношения удобно представлять в форме таблиц, где каждая строка есть кортеж, а каждый столбец – атрибут, определенный на некотором домене. Данный неформальный подход к понятию отношения дает более привычную для разработчиков и пользователей форму представления, где реляционная база данных представляет собой конечный набор таблиц.

Манипуляционная часть модели определяет два фундаментальных механизма манипулирования данными – реляционная алгебра и реляционное исчисление. 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.

Целостная часть модели определяет требования целостности сущностей и целостности ссылок. Первое требование состоит в том, что любой кортеж любого отношения отличим от любого другого кортежа этого отношения, т.е. другими словами, любое отношение должно обладать первичным ключом. Требование целостности по ссылкам, или требование внешнего ключа состоит в том, что для каждого значения внешнего ключа, появляющегося в ссылающемся отношении, в отношении, на которое ведет ссылка, должен найтись кортеж с таким же значением первичного ключа, либо значение внешнего ключа должно быть неопределенным (т.е. ни на что не указывать).

1.4. Структура реляционной модели данных

Можно провести аналогию между элементами реляционной  модели данных и элементами модели "сущность-связь". Реляционные отношения соответствуют наборам сущностей, а кортежи – сущностям. Поэтому, также как и в модели "сущность-связь" столбцы в таблице, представляющей реляционное отношение, называют атрибутами.

Основные компоненты реляционного отношения

Каждый атрибут  определен на домене, поэтому домен  можно рассматривать как множество  допустимых значений данного атрибута. Несколько атрибутов одного отношения  и даже атрибуты разных отношений  могут быть определены на одном и  том же домене.

В примере, показанном на рисунке, атрибуты "Оклад" и "Премия" определены на домене "Деньги". Поэтому, понятие домена имеет семантическую нагрузку: данные можно считать сравнимыми только тогда, когда они относятся к одному домену. Таким образом, в рассматриваемом нами примере сравнение атрибутов "Табельный номер" и "Оклад" является семантически некорректным, хотя они и содержат данные одного типа.

Именованное множество  пар "имя атрибута – имя домена" называется схемой отношения. Мощность этого множества - называют степенью или "арностью" отношения. Набор именованных схем отношений представляет из себя схему базы данных.

Атрибут, значение которого однозначно идентифицирует кортежи, называется ключевым (или просто ключом). В нашем случае ключом является атрибут "Табельный номер", поскольку его значение уникально для каждого работника предприятия. Если кортежи идентифицируются только сцеплением значений нескольких атрибутов, то говорят, что отношение имеет составной ключ. Отношение может содержать несколько ключей. Всегда один из ключей объявляется первичным, его значения не могут обновляться. Все остальные ключи отношения называются возможными ключами.

В отличие от иерархической и сетевой моделей данных в реляционной отсутствует понятие группового отношения. Для отражения ассоциаций между кортежами разных отношений используется дублирование их ключей.

1.4. Применение реляционной модели данных

Пример базы данных, содержащей сведения о подразделениях предприятия и работающих в них  сотрудниках, применительно к реляционной  модели будет иметь вид:

База данных о подразделениях и сотрудниках  предприятия

Например, связь  между отношениями ОТДЕЛ и  СОТРУДНИК создается путем копирования первичного ключа "Номер отдела" из первого отношения во второе. Таким образом:

• для того, чтобы получить список работников данного подразделения, необходимо:
1. из таблицы ОТДЕЛ установить значение атрибута "Номер отдела", соответствующее данному "Наименованию отдела"
2. выбрать из таблицы СОТРУДНИК все записи, значение атрибута "Номер отдела" которых равно полученному на предыдущем шаге
• для того, чтобы узнать в каком отделе работает сотрудник, нужно выполнить обратную операцию:
1. определяем "Номер отдела" из таблицы СОТРУДНИК
2. по полученному значению находим запись в таблице ОТДЕЛ

Атрибуты, представляющие собой копии ключей других отношений, называются внешними ключами.

1.5. Реляционный способ доступа к базе данных. Язык sql

           Увеличение объема и структурной сложности хранимых данных, расширение круга пользователей информационных систем привели к широкому распространению наиболее удобных и сравнительно простых для понимания реляционных (табличных) систем управления базами данных.

      Все языки манипулирования данными, созданные до появления реляционных  баз данных и разработанные для  многих СУБД персональных компьютеров, так называемые дореляционные языки манипулирования данными (ЯМД) – это языки, ориентированные на операции с данными, представленными в виде логических записей файлов. Их применение требовало от пользователей детального знания организации хранения данных и достаточных усилий для указания не только того, какие данные нужны, но и того, где они размещены и как шаг за шагом можно получить их.

      Появление теории реляционных баз данных и  предложенного Коддом Э.Ф. языка  запросов “alpha”, основанного на реляционном исчислении, инициировало разработку ряда языков запросов, которые можно отнести к двум классам:

1. Алгебраические  языки запросов – языки, позволяющие  выражать запросы средствами  специализированных операторов, применяемых  к отношениям (JOIN – соединить, INTERSECT – пересечь, SUBTRACT – вычесть и  т.д.).

2. Языки исчисления  предикатов – набор правил  для записи выражения, определяющего  новое отношение из заданной  совокупности существующих отношений. 

      Из  всех этих языков полностью сохранились  и развиваются QBE (Query By Example) и SQL (Structured Query Language), а из остальных взяты в расширение внутренних языков СУБД только наиболее интересные конструкции. В начале 1980-х годов SQL “победил” другие языки запросов и стал фактическим стандартом таких языков для профессиональных реляционных СУБД

      Непроцедурный, структурированный язык запросов (SQL) – язык, ориентированный на операции с данными, представленными в  виде логически взаимосвязанных  совокупностей таблиц. Особенность  предложений языка запросов SQL –  ориентированность  в большей  степени на конечный результат обработки  данных, чем на процедуру этой обработки. SQL сам определяет, где находятся  данные, какие индексы и даже наиболее эффективные последовательности операций следует использовать для их получения: не надо указывать эти детали в  запросе к базе данных.

      Недавно принятый стандарт ANSI SQL-92 расширяет  возможности встроенных SQL-операторов и позволяет включить динамический SQL. И в интерактивной и во встроенной формах SQL имеются многочисленные части, или субподразделения. К сожалению, эти термины не используются повсеместно во всех реализациях. Они подчеркиваются ANSI и полезны на концептуальном уровне, но большинство SQL программ практически не обрабатывают их отдельно, так что они, по существу, становятся функциональными категориями команд SQL. DDL (Data Definition Language – язык определения данных) – так называемый язык описания схемы в стандарте ANSI, состоит из команд, которые создают объекты (таблицы, индексы, просмотры и т.д.) в базе данных. DML (Data Manipulation Language – язык манипулирования данными) – это набор команд, которые определяют, какие значения представлены в таблицах в любой момент времени. DCL (Data Control Language – язык управления данными) – комплекс средств, которые определяют, разрешить ли пользователю выполнять определенные действия или нет.

      Реализация  в SQL концепции операций, ориентированных  на табличное представление данных, позволило создать компактный язык с небольшим (менее 30) набором предложений. Как в интерактивном, так и  в встроенном SQL существуют следующие предложения:

• предложения определения данных (определение баз данных, а также определение и уничтожение таблиц и индексов);
• запросы на выбор данных (предложение SELECT);
• предложения модификации данных (добавление, удаление и изменение данных);
• предложения управления данными (предоставление и отмена привилегий на доступ к данным, управление транзакциями и другие).

      Кроме того, SQL предоставляет возможность  выполнять в этих предложениях следующее:

• арифметические вычисления (включая разнообразные функциональные преобразования), обработку текстовых строк и выполнение операций сравнения значений арифметических выражений и текстов;
• упорядочение строк и (или) столбцов при выводе содержимого таблиц на печать или экран дисплея;
• создание представлений (виртуальных таблиц), позволяющих пользователям иметь свой взгляд на данные без увеличения их объема в базе данных;
• запоминание выводимого по запросу содержимого таблицы, нескольких таблиц или представления в другой таблице (реляционная операция присваивания).
• агрегирование данных: группирование данных и применение к этим группам таких операций, как среднее, сумма, максимум, минимум, число элементов и т.п.