Проектирование и реализация базы данных

    Не  допускается, чтобы первичный ключ стержневой сущности (любой атрибут, участвующий в первичном ключе) принимал неопределенное значение. Иначе возникнет противоречивая ситуация: появится не обладающий индивидуальностью, и, следовательно не существующий экземпляр стержневой сущности. По тем же причинам необходимо обеспечить уникальность первичного ключа.

    Теперь  о внешних ключах:

• Если сущность С связывает сущности А и В, то она должна включать внешние ключи, соответствующие первичным ключам сущностей А и В.
• Если сущность В обозначает сущность А, то она должна включать внешний ключ, соответствующий первичному ключу сущности А.

    Таким образом, при рассмотрении проблемы выбора способа представления ассоциаций и обозначений в базе данных основной вопрос, на который следует получить ответ: "Каковы внешние ключи?". И далее, для каждого внешнего ключа необходимо решить три вопроса:

    1. Может ли данный внешний ключ  принимать неопределенные значения (NULL-значения)? Иначе говоря, может  ли существовать некоторый экземпляр  сущности данного типа, для которого  неизвестна целевая сущность, указываемая  внешним ключом? В случае поставок это, вероятно, невозможно – поставка, осуществляемая неизвестным поставщиком, или поставка неизвестного продукта не имеют смысла. Но в случае с сотрудниками такая ситуация однако могла бы иметь смысл – вполне возможно, что какой-либо сотрудник в данный момент не зачислен вообще ни в какой отдел. Заметим, что ответ на данный вопрос не зависит от прихоти проектировщика базы данных, а определяется фактическим образом действий, принятым в той части реального мира, которая должна быть представлена в рассматриваемой базе данных. Подобные замечания имеют отношение и к вопросам, обсуждаемым ниже.

    2. Что должно случиться при попытке  УДАЛЕНИЯ целевой сущности, на  которую ссылается внешний ключ? Например, при удалении поставщика, который осуществил по крайней мере одну поставку. Существует три возможности:

    3. Что должно происходить при  попытке ОБНОВЛЕНИЯ первичного  ключа целевой сущности, на которую  ссылается некоторый внешний  ключ? Например, может быть предпринята  попытка обновить номер такого  поставщика, для которого имеется по крайней мере одна соответствующая поставка. Этот случай для определенности снова рассмотрим подробнее. Имеются те же три возможности, как и при удалении:

    Таким образом, для каждого внешнего ключа  в проекте проектировщик базы данных должен специфицировать не только поле или комбинацию полей, составляющих этот внешний ключ, и целевую таблицу, которая идентифицируется этим ключом, но также и ответы на указанные выше вопроса (три ограничения, которые относятся к этому внешнему ключу).

    Наконец, о характеристиках – обозначающих сущностях, существование которых  зависит от типа обозначаемых сущностей. Обозначение представляется внешним  ключом в таблице, соответствующей  этой характеристике. Но три рассмотренные  выше ограничения на внешний ключ для данного случая должны специфицироваться следующим образом:

    NULL-значения  не допустимы

    УДАЛЕНИЕ  ИЗ (цель) КАСКАДИРУЕТСЯ

    ОБНОВЛЕНИЕ (первичный ключ цели) КАСКАДИРУЕТСЯ

    Указанные спецификации представляют зависимость  по существованию характеристических сущностей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

5.   Ограничения целостности

    Целостность (от англ. integrity – нетронутость, неприкосновенность, сохранность, целостность) – понимается как правильность данных в любой момент времени. Но эта цель может быть достигнута лишь в определенных пределах: СУБД не может контролировать правильность каждого отдельного значения, вводимого в базу данных (хотя каждое значение можно проверить на правдоподобность). Например, нельзя обнаружить, что вводимое значение 5 (представляющее номер дня недели) в действительности должно быть равно 3. С другой стороны, значение 9 явно будет ошибочным и СУБД должна его отвергнуть. Однако для этого ей следует сообщить, что номера дней недели должны принадлежать набору (1,2,3,4,5,6,7).

    Поддержание целостности базы данных может рассматриваться  как защита данных от неверных изменений  или разрушений (не путать с незаконными  изменениями и разрушениями, являющимися  проблемой безопасности). Современные СУБД имеют ряд средств для обеспечения поддержания целостности (так же, как и средств обеспечения поддержания безопасности).

    Выделяют  три группы правил целостности:

1. Целостность по сущностям.
2. Целостность по ссылкам.
3. Целостность, определяемая пользователем.

    В п. 2.3 была рассмотрена мотивировка  двух правил целостности, общих для  любых реляционных баз данных.

1. Не допускается, чтобы какой-либо атрибут, участвующий в первичном ключе, принимал неопределенное значение.
2. Значение внешнего ключа должно либо:

          - быть равным значению  первичного ключа цели;

          - быть полностью  неопределенным, т.е. каждое значение  атрибута, участвующего во внешнем  ключе должно быть неопределенным.

    Для любой конкретной базы данных существует ряд дополнительных специфических правил, которые относятся к ней одной и определяются разработчиком.

 

Глава 3. Реляционный подход.

  Реляционная структура  данных

    В конце 60-х годов появились работы, в которых обсуждались возможности  применения различных табличных  даталогических моделей данных, т.е. возможности использования привычных и естественных способов представления данных. Наиболее значительной из них была статья сотрудника фирмы IBM д-ра Э.Кодда (Codd E.F., A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks. CACM 13: 6, June 1970), где, вероятно, впервые был применен термин "реляционная модель данных".

    Будучи  математиком по образованию Э.Кодд предложил использовать для обработки  данных аппарат теории множеств (объединение, пересечение, разность, декартово произведение). Он показал, что любое представление данных сводится к совокупности двумерных таблиц особого вида, известного в математике как отношение – relation (англ.).

    Наименьшая  единица данных реляционной модели – это отдельное атомарное (неразложимое) для данной модели значение данных. Так, в одной предметной области фамилия, имя и отчество могут рассматриваться как единое значение, а в другой – как три различных значения.

    Доменом называется множество атомарных значений одного и того же типа. Смысл доменов состоит в следующем. Если значения двух атрибутов берутся из одного и того же домена, то, вероятно, имеют смысл сравнения, использующие эти два атрибута (например, для организации транзитного рейса можно дать запрос "Выдать рейсы, в которых время вылета из Москвы в Сочи больше времени прибытия из Архангельска в Москву"). Если же значения двух атрибутов берутся из различных доменов, то их сравнение, вероятно, лишено смысла: стоит ли сравнивать номер рейса со стоимостью билета? Отношение на доменах D1, D2, ..., Dn (не обязательно, чтобы все они были различны) состоит из заголовка и тела. На рис. 3 приведен пример отношения для расписания движения самолетов.

    Заголовок состоит из такого фиксированного множества атрибутов A1, A2, ..., An, что существует взаимно однозначное соответствие между этими атрибутами Ai и определяющими их доменами Di (i=1,2,...,n).

    

    Рисунок 3. Отношение с  математической точки  зрения (Ai - атрибуты, Vi - значения атрибутов)

    Тело состоит из меняющегося во времени множества кортежей, где каждый кортеж состоит в свою очередь из множества пар атрибут-значение (Ai:Vi), (i=1,2,...,n), по одной такой паре для каждого атрибута Ai в заголовке. Для любой заданной пары атрибут-значение (Ai:Vi) Vi является значением из единственного домена Di, который связан с атрибутом Ai.

    Степень отношения – это число его атрибутов. Отношение степени один называют унарным, степени два – бинарным, степени три – тернарным, ..., а степени n – n-арным.

    Кардинальное  число или мощность отношения – это число его кортежей. Кардинальное число отношения изменяется во времени в отличие от его степени.

    Поскольку отношение – это множество, а множества по определению не содержат совпадающих элементов, то никакие два кортежа отношения не могут быть дубликатами друг друга в любой произвольно-заданный момент времени. Пусть R – отношение с атрибутами A1, A2, ..., An. Говорят, что множество атрибутов K=(Ai, Aj, ..., Ak) отношения R является возможным ключом R тогда и только тогда, когда удовлетворяются два независимых от времени условия:

1. Уникальность: в произвольный заданный момент времени никакие два различных кортежа R не имеют одного и того же значения для Ai, Aj, ..., Ak.
2. Минимальность: ни один из атрибутов Ai, Aj, ..., Ak не может быть исключен из K без нарушения уникальности.

    Каждое  отношение обладает хотя бы одним  возможным ключом, поскольку по меньшей  мере комбинация всех его атрибутов удовлетворяет условию уникальности. Один из возможных ключей (выбранный произвольным образом) принимается за его первичный ключ. Остальные возможные ключи, если они есть, называются альтернативными ключами.

    Вышеупомянутые  и некоторые другие математические понятия явились теоретической базой для создания реляционных СУБД, разработки соответствующих языковых средств и программных систем, обеспечивающих их высокую производительность, и создания основ теории проектирования баз данных. Однако для массового пользователя реляционных СУБД можно с успехом использовать неформальные эквиваленты этих понятий:

Отношение –  Таблица (иногда Файл), 
Кортеж – Строка (иногда Запись), 
Атрибут – Столбец, Поле.

 

3.2  Реляционная база  данных

    Реляционная база данных – это совокупность отношений, содержащих всю информацию, которая должна храниться в БД. Однако пользователи могут воспринимать такую базу данных как совокупность таблиц.

1. Каждая  таблица состоит из однотипных  строк и имеет уникальное имя.

2. Строки  имеют фиксированное число полей (столбцов) и значений (множественные поля и повторяющиеся группы недопустимы). Иначе говоря, в каждой позиции таотличаются друг от друга хотя бы единственным значением, что позблицы на пересечении строки и столбца всегда имеется в точности одно значение или ничего.

3. Строки  таблицы обязательно воляет однозначно  идентифицировать любую строку  такой таблицы.