Отношения. Определения и примеры.

Домены.

Типы данных, используемые в реляционной модели.

3.1. Общая характеристика реляционной модели данных.

Основы реляционной модели данных (РМД) были впервые изложены в статье [***]Е.Кодда в 1970 г. Эта работа послужила стимулом для большого количества статей и книг, в которых реляционная модель получила дальнейшее развитие. Наиболее распространенная трактовка реляционной модели данных принадлежит К.Дейту[***]. Согласно Дейту, реляционная модель состоит из трех частей:

• структурной части;
• целостной части;
• манипуляционной части.

Структурная часть описывает, какие объекты рассматриваются реляционной моделью. Постулируется, что единственной структурой данных, используемой в реляционной модели, являются нормализованные n-арные отношения (см. ниже).

Целостная часть описывает ограничения специального вида, которые должны выполняться для любых отношений в любых реляционных базах данных. Это целостность сущностей и целостность внешних ключей.

Манипуляционная часть описывает два эквивалентных способа манипулирования реляционными данными - реляционную алгебру и реляционное исчисление.

В этой лекции рассматривается структурная часть реляционной модели.

3.2. Типы данных.

Типы данных делятся на три группы:

• Простые типы данных.
• Структурированные типы данных.
• Ссылочные типы данных.

Типы данных, используемые в реляционной модели

Реляционная модель требует, чтобы типы используемых данных были простыми. Требование, чтобы тип данных был простым, нужно понимать так, что в реляционных операциях не должна учитываться внутренняя структура данных. Конечно, должны быть описаны действия, которые можно производить с данными как с единым целым, например, данные числового типа можно складывать.

С этой точки зрения, если рассматривать массив, например, как единое целое и не использовать поэлементных операций, то массив можно считать простым типом данных. Более того, можно создать свой, сколь угодно сложный тип данных, описать возможные действия с этим типом данных, и, если в операциях не требуется знание внутренней структуры данных, то такой тип данных также будет простым с точки зрения реляционной теории.

Именно так в некоторых пост-реляционных СУБД реализована работа со сколь угодно сложными типами данных, создаваемых пользователями.

3.3. Домены.

В реляционной модели данных с понятием тип данных тесно связано понятие домена, которое можно считать уточнением типа данных.

Домен - это семантическое понятие. Домен можно рассматривать как подмножество значений некоторого типа данных, имеющих определенный смысл. Домен характеризуется следующими свойствами:

• Домен имеет уникальное имя (в пределах базы данных).
• Домен определен на некотором простом типе данных или на другом домене.

• Домен может иметь некоторое логическое условие, позволяющее описать подмножество данных, допустимых для данного домена.
• Домен несет определенную смысловую нагрузку.

Например, домен , имеющий смысл "возраст сотрудника", можно описать как следующее подмножество множества натуральных чисел:

.

Если тип данных можно считать множеством всех возможных значений данного типа, то домен напоминает подмножество в этом множестве.

Отличие домена от понятия подмножества состоит именно в том, что домен отражает семантику, определенную предметной областью. Может быть несколько доменов, совпадающих как подмножества, но несущие различный смысл. Например, домены "Вес детали" и "Имеющееся количество" можно одинаково описать как множество неотрицательных целых чисел, но смысл этих доменов будет различным, и это будут различные домены.

Основное назначение доменов состоит в том, что домены ограничивают сравнения. Некорректно, с логической точки зрения, сравнивать значения из различных доменов, даже если они имеют одинаковый тип. В этом проявляется смысловое ограничение доменов. Синтаксически правильный запрос "выдать список всех деталей, у которых вес детали больше имеющегося количества" не соответствует смыслу понятий "количество" и "вес". Понятие домена помогает правильно моделировать предметную область. При работе с реальной системой в принципе возможна ситуация когда требуется ответить на запрос, приведенный выше. Система даст ответ, но, вероятно, он будет бессмысленным.

Замечание. Не все домены обладают логическим условием, ограничивающим возможные значения домена. В таком случае множество возможных значений домена совпадает с множеством возможных значений типа данных.

Замечание. Не всегда очевидно, как задать логическое условие, ограничивающее возможные значения домена. Выход из этой ситуации простой - положиться на разум сотрудника, вводящего фамилии в компьютер. Например, фамилию вводить, как фамилию, а не просто набор символов.

3.4. Отношения, атрибуты, кортежи отношения.

Фундаментальным понятием реляционной модели данных является понятие отношения.

Термин “отношение” используется здесь в общепринятом математическом смысле, как подмножество декартова произведения.

Прямое или декартово произведение множеств — множество, элементами которого являются всевозможные упорядоченные пары элементов исходных двух множеств.

В определении понятия отношения будем следовать книге К. Дейта[***].

Определение 1.Отношение , определенное на множестве доменов (не обязательно различных), содержит две части: заголовок и тело.

Заголовок отношения содержит фиксированное количество атрибутов отношения:

Определение 2.Атрибут отношения есть пара вида <Имя_атрибута : Имя_домена>.

Имена атрибутов должны быть уникальны в пределах отношения. Часто имена атрибутов отношения совпадают с именами соответствующих доменов.

Тело отношения содержит множество кортежей отношения. Каждый кортеж отношения представляет собой множество пар вида

<Имя_атрибута : Значение_атрибута>:

таких, что значение атрибута принадлежит домену .

Число атрибутов в отношении называют степенью (или -арностью) отношения.

Мощность множества кортежей отношения называют мощностью отношения.

Из математического понятия отношения можно сделать следующие выводы:

Вывод 1. Заголовок отношения описывает декартово произведение доменов, на котором задано отношение. Заголовок статичен, он не меняется во время работы с базой данных. Если в отношении изменены, добавлены или удалены атрибуты, то в результате получим уже другое отношение (пусть даже с прежним именем).

Вывод 2. Тело отношения представляет собой набор кортежей, т.е. подмножество декартового произведения доменов. Таким образом, тело отношения собственно и является отношением в математическом смысле слова. Тело отношения может изменяться во время работы с базой данных - кортежи могут изменяться, добавляться и удаляться.

Пример. Рассмотрим отношение "Сотрудники", заданное на доменах: "Номер_сотрудника", "Фамилия", "Зарплата", "Номер_отдела". Т.к. все домены различны, то имена атрибутов отношения удобно назвать так же, как и соответствующие домены. Заголовок отношения имеет вид:

Сотрудники (Номер_сотрудника, Фамилия, Зарплата, Номер_отдела).

Пусть в данный момент отношение содержит три кортежа:

(1,Иванов, 1000, 1),

(2, Петров, 2000, 2),

(3, Сидоров, 3000, 1).

Такое отношение естественным образом представляется в виде таблицы:

Таблица 3.1. Отношение "Сотрудники".

Определение 3. Реляционной базой данных называется набор отношений.

Определение 4. Схемой реляционной базы данных называется набор заголовков отношений, входящих в базу данных.

Лекция 4. Реляционная модель. Часть 2.

4.1. Сходство таблиц и отношений.