Лекция № 2. Теория реляционных баз данных

Все системы управления базами данных предназначены для хранения и обработки информации. Реляционный подход к управлению базами данных основан на математической модели, использующей методы реляционной алгебры и реляционного исчисления.

С. Дейт дает следующее неформальное определение системе управления реляционными базами данных (СУБД).

- Вся информация в базе данных представлена в виде таблиц.

- Она поддерживает три реляционных оператора—выбора, проектирования и объединения, с помощью которых вы получаете необходимые вам данные.

Др. И.Ф. Кодд, автор реляционной модели, в 1970г. разработал целый список критериев, которым должна удовлетворять реляционная модель. Чтобы считаться реляционной, СУБД должна:

- представлять всю информацию в виде таблиц,

- поддерживать логическую структуру данных, независимо от их физического представления,

- использовать язык высокого уровня для структурирования, выполнения запросов и изменения информации в базах данных (язык SQL),

- поддерживать основные реляционные операции (выбор, проектирование и объединение), а также теоретико-множественные операции, такие как объединение, пересечение и дополнение,

- поддерживать виртуальные таблицы, обеспечивая пользователям альтернативный способ просмотра данных в таблицах,

- различать в таблицах неизвестные значения (nulls), нулевые значения и пропуски в данных,

- обеспечивать механизмы для поддержки целостности, авторизации, транзакций и восстановления данных.

Первое правило Кодда гласит, что вся информация в реляционных базах данных представляется значениями в таблицах (tables). Все данные представляются в табличном формате — другого способа просмотреть информацию в базе данных не существует.

Каждая таблица состоит из строк и столбцов. Каждая строка описывает отдельный объект или сущность (entity) человека, компанию, и т.д. Каждый столбец описывает одну характеристику объекта - имя человека или его адрес, телефонный номер компании или ее президента. Каждый элемент данных, или значение (value), определяется пересечением строки и столбца таблицы. Чтобы найти требуемый элемент данных, необходимо знать имя содержащей его таблицы, столбец и значение его первичного ключа (primary key).

В реляционных базах данных существует два типа таблиц - пользовательские таблицы (user tables) и системные таблицы (system tables).

Независимость данных - критический аспект при управлении любой системой баз данных. Она позволяет изменять приложения, не изменяя для этого структуру базы данных, и изменять конструкцию базы данных, не оказывая при этом влияния на работу приложений. Реляционная модель обеспечивает независимость данных на двух уровнях - физическом и логическом. Физическая независимость данных (physical data independents) означает с точки зрения пользователя, что представление данных абсолютно не зависит от способа их физического хранения. Как следствие этого, физическое перемещение данных никоим образом не может повлиять на логическую структуру базы данных и ваше восприятие данных. Другой тип независимости, обеспечиваемый реляционными системами - логическая независимость (logical independents) означает, что изменение взаимосвязей между таблицами, столбцами и строками не влияет на правильное функционирование программных приложений и текущих запросов.

Определение реляционной системы, так же, как и правила Кодда, требует, чтобы весь диалог с базой данных велся на едином языке — иногда его называют общим подъязыком данных (comprehensive data sublanguage). В мире коммерческих СУБД такой язык получил название SQL. SQL используется для манипуляций с данными (data manipulation) выборки и модификации, определения данных (data definition) и администрирования данных (data administration).

В определении СУБД три операции по выборке данных — проектирование, выбор (иногда называемый ограничением (restrictions)) и объединение, которые позволяют строго указать системе, какие данные вы хотите увидеть. Операция проектирования выбирает столбцы, операция выбора — строки, а операция объединения собирает вместе данные из связанных таблиц.

Проектирование. Операция проектирования позволяет указать системе, какие столбцы таблицы должны просматриваться. С концептуальной точки зрения: операция проектирования определяет подмножество столбцов в таблице. Обратите внимание, что результаты выполнения проектирования (как и любой другой реляционной операции) также отображаются в форме таблицы.

Выбор. Операция выбора позволяет вам получать из таблицы подмножества ее строк. Чтобы указать, какие строки нужны, соответствующие условия нужно разместить в предложении WHERE. В предложении WHERE оператора SELECT определяется критерий, которому должны соответствовать выбираемые строки. Можно комбинировать в запросе операции проектирования и выбора, чтобы получить требуемую информацию.

Объединение. Операция объединения может работать одновременно с одной или несколькими таблицами, соединяя данные таким образом, что можно легко сопоставить или выделить определенную информацию в базе данных. Операция объединения обеспечивает SQL и реляционную модель необходимой мощностью и гибкостью. Можно выявить любую взаимосвязь, существующую между элементами данных, а не только связи, введенные при конструировании базы. Когда «объединяются» две таблицы, на период действия запроса они как бы становятся единой таблицей. Операция объединения соединяет данные, сравнивая значения в заданных столбцах и отражая результаты.

Безопасность. Понятие безопасности связано с необходимостью управления доступом к информации. Определенные команды позволяют некоторым привилегированным пользователям устанавливать права других пользователей на просмотр и модификацию информации в базе данных. В большинстве реализаций реляционных баз данных правами на доступ и модификацию данных (permission) можно управлять на уровне таблиц и столбцов. Эти права устанавливают владельцы (owner) баз данных или объектов баз данных. Некоторые системы разрешают передавать права владения от создателя базы другому пользователю.

Целостность (integrity) - очень сложный и серьезный вопрос при управлении реляционными базами данных. Несогласованность или противоречивость данных может возникать вследствие сбоя системы—проблемы с аппаратным обеспечением, ошибки в программном обеспечении или логические ошибки в приложениях. Реляционные СУБД защищают данные от такого типа несогласованности, гарантируя, что команда либо будет исполнена до конца, либо будет полностью отменена. Этот процесс обычно называют управлением транзакциями (transaction management).

По определению Кодда, ограничения на целостность должны:

- определяться на языке высокого уровня, используемом системой для всех других целей;

- храниться в словаре данных, а не в программных приложениях.