2008 г.

Базы данных. Вводный курс

Сергей Кузнецов

3.4. Реляционная модель данных

Когда в предыдущих разделах мы говорили об основных понятиях реляционных баз данных, мы не опирались на какую-либо конкретную реализацию. Эти рассуждения в равной степени относятся к любой системе, при построении которой использовался реляционный подход.

Другими словами, мы использовали понятия так называемой реляционной модели данных. Модель данных (в контексте области баз данных) описывает некий набор родовых понятий и признаков, которыми должны обладать все конкретные СУБД и управляемые ими базы данных, если они основываются на этой модели. Наличие модели данных позволяет сравнивать конкретные реализации, используя один общий язык.

Хотя понятие модели данных является общим (см. Лекцию 2), и можно говорить об иерархической, сетевой, семантической и других моделях данных, нужно отметить, что в области баз данных это понятие было введено Эдгаром Коддом [2.1] применительно к реляционным системам и наиболее эффективно используется именно в данном контексте.

3.4.1. Общая характеристика

Хотя понятие реляционной модели данных первым ввел основоположник реляционного подхода Эдгар Кодд, наиболее распространенная трактовка реляционной модели данных, по-видимому, принадлежит известному популяризатору идей Кодда Кристоферу Дейту, который воспроизводит ее (с различными уточнениями) практически во всех своих книгах (см., например, [1.2]). Согласно трактовке Дейта, реляционная модель состоит из трех частей, описывающих разные аспекты реляционного подхода: структурной части, манипуляционной части и целостной части.

В структурной части модели фиксируется, что единственной родовой структурой¹¹⁾ данных, используемой в реляционных БД, является нормализованное n-арное отношение. Определяются понятия доменов, атрибутов, кортежей, заголовка, тела и переменной отношения. По сути дела, в двух предыдущих разделах этой лекции мы рассматривали именно понятия и свойства структурной составляющей реляционной модели.

В манипуляционной части модели определяются два фундаментальных механизма манипулирования реляционными БД – реляционная алгебра и реляционное исчисление. Первый механизм базируется в основном на классической теории множеств (с некоторыми уточнениями и добавлениями), а второй – на классическом логическом аппарате исчисления предикатов первого порядка. Мы рассмотрим эти механизмы более подробно в следующих лекциях, а пока лишь заметим, что 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.

3.4.2. Целостность сущности и ссылок

Наконец, в целостной части реляционной модели данных фиксируются два базовых требования целостности, которые должны поддерживаться в любой реляционной СУБД. Первое требование называется требованием целостности сущности (entity integrity). Объекту или сущности реального мира в реляционных БД соответствуют кортежи отношений. Конкретно требование состоит в том, что любой кортеж любого значения-отношения любой переменной отношения должен быть отличим от любого другого кортежа этого значения отношения по составным значениям заранее определенного множества атрибутов переменной отношения, т. е., другими словами, любая переменная отношения должна обладать первичным ключом. Как мы видели в предыдущем разделе, это требование автоматически удовлетворяется, если в системе не нарушаются базовые свойства отношений.

На самом деле, требование целостности сущности полностью звучит следующим образом: у любой переменной отношения должен существовать первичный ключ, и никакое значение первичного ключа в кортежах значения-отношения переменной отношения не должно содержать неопределенных значений. Чтобы эта формулировка была полностью понятна, мы должны хотя бы кратко обсудить понятие неопределенного значения (NULL).

Конечно, теоретически любой кортеж, заносимый в сохраняемое отношение, должен содержать все характеристики моделируемой им сущности реального мира, которые мы хотим сохранить в базе данных. Однако на практике не все эти характеристики могут быть известны к тому моменту, когда требуется зафиксировать сущность в базе данных. Простым примером может быть процедура принятия на работу человека, размер заработной платы которого еще не определен. В этом случае служащий отдела кадров, который заносит в отношение СЛУЖАЩИЕ кортеж, описывающий нового служащего, просто не может обеспечить значение атрибута СЛУ_ЗАРП (любое значение домена РАЗМЕРЫ_ВЫПЛАТ будет неверно характеризовать зарплату нового служащего).

Эдгар Кодд [2.2] предложил использовать в таких случаях неопределенные значения. Неопределенное значение не принадлежит никакому типу данных и может присутствовать среди значений любого атрибута, определенного на любом типе данных (если это явно не запрещено при определении атрибута). Если a – это значение некоторого типа данных или NULL, op – любая двуместная «арифметическая» операция этого типа данных (например, +), а lop – операция сравнения значений этого типа (например, =), то по определению:

a op NULL = NULL
NULL op a = NULL
a lop NULL = unknown
NULL lop a = unknown

Здесь unknown – это третье значение логического, или булевского, типа, обладающее следующими свойствами:

NOT unknown = unknown
true AND unknown = unknown
true OR unknown = true
false AND unknown = false
false OR unknown = unknown

(напомним, что операции AND и OR являются коммутативными)¹²⁾. В данной лекции нам достаточно приведенного краткого введения в неопределенные значения, но в следующих лекциях мы будем неоднократно возвращаться к этой теме.

Так вот, первое из требований — требование целостности сущности — означает, что первичный ключ должен полностью идентифицировать каждую сущность, а поэтому в составе любого значения первичного ключа не допускается наличие неопределенных значений. (В классической реляционной модели это требование распространяется и на возможные ключи; как будет показано в следующих лекциях, в SQL-ориентированных СУБД такое требование для возможных ключей не поддерживается.)

Второе требование, которое называется требованием целостности по ссылкам (referential integrity), является более сложным. Очевидно, что при соблюдении нормализованности отношений сложные сущности реального мира представляются в реляционной БД в виде нескольких кортежей нескольких отношений. Например, представим, что требуется представить в реляционной базе данных сущность ОТДЕЛ с атрибутами ОТД_НОМЕР (номер отдела), ОТД_РАЗМ (количество служащих) и ОТД_СЛУ (множество служащих отдела). Для каждого служащего нужно хранить СЛУ_НОМЕР (номер служащего), СЛУ_ИМЯ (имя служащего) и СЛУ_ЗАРП (заработная плата служащего). Как мы увидим в лекции 8, при правильном проектировании соответствующей БД в ней появятся два отношения: ОТДЕЛЫ {ОТД_НОМЕР, ОТД_РАЗМ} (первичный ключ – {ОТД_НОМЕР}) и СОТРУДНИКИ {СЛУ_НОМЕР, СЛУ_ИМЯ, СЛУ_ЗАРП, СЛУ_ОТД_НОМ} (первичный ключ – {СЛУ_НОМЕР}).

Как видно, атрибут СЛУ_ОТД_НОМ вводится в отношение СЛУЖАЩИЕ не потому, что номер отдела является собственным свойством служащего, а лишь для того, чтобы иметь возможность при необходимости восстановить полную сущность ОТДЕЛ. Значение атрибута СЛУ_ОТД_НОМ в любом кортеже отношения СЛУЖАЩИЕ должно соответствовать значению атрибута ОТД_НОМ в некотором кортеже отношения ОТДЕЛЫ. Атрибут такого рода (возможно, составной) называется внешним ключом (foreign key), поскольку его значения однозначно характеризуют сущности, представленные кортежами некоторого другого отношения (т. е. задают значения их первичного ключа). Конечно, внешний ключ может быть составным, т. е. состоять из нескольких атрибутов. Говорят, что отношение, в котором определен внешний ключ, ссылается на соответствующее отношение, в котором такой же атрибут является первичным ключом.

Требование целостности по ссылкам, или требование целостности внешнего ключа, состоит в том, что для каждого значения внешнего ключа, появляющегося в кортеже значения-отношения ссылающейся переменной отношения, либо в значении-отношении переменной отношения, на которую указывает ссылка, должен найтись кортеж с таким же значением первичного ключа, либо значение внешнего ключа должно быть полностью неопределенным (т. е. ни на что не указывать)¹³⁾. Для нашего примера это означает, что если для служащего указан номер отдела, то этот отдел должен существовать.

Заметим, что, как и первичный ключ, внешний ключ должен специфицироваться при определении переменной отношения и представляет собой ограничение на допустимые значения-отношения этой переменной. Другими словами, определение внешнего ключа представляет собой определение ограничения целостности базы данных.

Ограничения целостности сущности и по ссылкам должны поддерживаться СУБД. Для соблюдения целостности сущности достаточно гарантировать отсутствие в любой переменной отношения значений-отношений, содержащих кортежи с одним и тем же значением первичного ключа (и запрещать вхождение в значение первичного ключа неопределенных значений). С целостностью по ссылкам дело обстоит несколько сложнее.

Понятно, что при обновлении ссылающегося отношения (вставке новых кортежей или модификации значения внешнего ключа в существующих кортежах) достаточно следить за тем, чтобы не появлялись некорректные значения внешнего ключа. Но как быть при удалении кортежа из отношения, на которое ведет ссылка?

Здесь существуют три подхода, каждый из которых поддерживает целостность по ссылкам. Первый подход заключается в том, что вообще запрещается производить удаление кортежа, для которого существуют ссылки (т. е. сначала нужно либо удалить ссылающиеся кортежи, либо соответствующим образом изменить значения их внешнего ключа). При втором подходе при удалении кортежа, на который имеются ссылки, во всех ссылающихся кортежах значение внешнего ключа автоматически становится полностью неопределенным. Наконец, третий подход (каскадное удаление) состоит в том, что при удалении кортежа из отношения, на которое ведет ссылка, из ссылающегося отношения автоматически удаляются все ссылающиеся кортежи.

В развитых реляционных СУБД обычно можно выбрать способ поддержания целостности по ссылкам для каждого случая определения внешнего ключа. Конечно, для принятия такого решения необходимо анализировать требования конкретной прикладной области.

3.5. Заключение

Скорее всего, потенциальные читатели этого курса работают или будут работать с какой-либо SQL-ориентированной СУБД. Любая компания, производящая подобные СУБД, называет их реляционными системами. Очень важно отчетливо понимать, какие свойства таких систем действительно являются реляционными, а что в них не вполне соответствует исходным, ясным и строгим идеям реляционного подхода и даже противоречит им. Это поможет более правильно организовывать базы данных и строить приложения в среде SQL-ориентированной СУБД.

В нескольких лекциях данного курса достаточно подробно обсуждаются возможности текущих стандартов языка SQL: SQL:1999 и SQL:2003. Но сначала читателям предлагается материал, который представляет реляционный подход в чистом виде. В данной лекции вводится понятийная основа реляционного подхода; определяются основные термины; исследуются фундаментальные следствия базовых определений. Рассматриваемая реляционная модель данных предназначена, прежде всего, для оценки соответствия различных реализаций СУБД общему реляционному подходу.

11 Уже второй раз в этой лекции утверждается, что нормализованное n-арное отношение является единственной родовой структурой данных, используемой в реляционных БД. Пришло время пояснить, что мы имеем в виду под термином родовая структура. В языках программирования с развитыми системами типов обычно имеются конструкции, называемые родовыми типами, параметризуемыми типами, конструкторами типов, генераторами типов и т.д., позволяющие породить конкретный тип данных на основе его абстрактной (обычно, предопределенной) спецификации. Особенность таких типов состоит в том, что и основные операции конкретного типа определяются на уровне этой абстрактной спецификации. Одним из наиболее известных примеров является тип множества, например, в языке Pascal. В случае реляционной модели данных мы не говорим явно, что отношение является родовым типом, но, по существу, это именно так. Операции реляционной алгебры определяются на уровне абстрактного отношения и применимы к любым значениям-отношениям с конкретными заголовками.

12 Как показывает опыт автора, не всегда и не все студенты помнят базовые логические операции. Для гарантии приведем таблицы истинности операций AND (& – конъюнкция), OR ( – дизъюнкция) и NOT (¬ – отрицание):

AND true false OR true false NOT true false
true true false true true true false true
false false false false true false

13 В языке SQL допускается несколько вариантов определения внешнего ключа, из которых только один полностью соответствует классическому подходу. Более подробно мы обсудим это в следующих лекциях.

Назад Содержание Вперёд