Операции в реляционных базах данных

⇐ ПредыдущаяСтр 10 из 12Следующая ⇒

Каждая операции включает выделение данных (селекцию) и те действия, которые будут выполняться над выделенными данными. Основными операциями в реляционной базе являются операции обновления базы данных и операции обработки отношений.

К операциям обновления базы данных относятся те операции, которые выполняют вставку новых кортежей, удаление ненужных, корректировку значений атрибутов существующих кортежей, а именно: это операции Включить, Удалить, Обновить.

Операция Включить требует задания имени отношения и предварительного формирования значений атрибутов нового кортежа. Обязательно должен быть задан ключ кортежа.

Операция Удалить требует наименования отношения, а также идентификации кортежа или группы кортежей, подлежащих удалению.

Операция Обновить выполняется для названного отношения и может корректировать как один, так и несколько кортежей. Например, если руководство фирмы приняло решение увеличить на одинаковую сумму все оклады сотрудников, то одной операцией Обновить будет откорректировано сразу несколько кортежей.

Что касается операций обработки, то они позаимствованы из реляционной алгебры. По подходу Э. Кодда реляционная алгебра включает восемь операций, пять из которых являются базовыми: Выборка, Проекция, Умножение, Объединение, Вычитание.

Выборка - выбрать из отношения только те кортежи, которые удовлетворяют заданному условию.

При Проекции отношения на заданный набор его атрибутов получается новое отношение, создаваемое извлечением из исходного отношения кортежей, содержащих указанные атрибуты.

При Умножении (декартовом произведении) двух отношений получается новое отношение, кортежи которого являются сцеплением кортежей первого и второго отношений.

В результате Объединения двух отношений получается третье, включающее кортежи, входящие хотя бы в одно отношение, то есть содержащее все элементы исходных отношений.

При Вычитании выдаются лишь те кортежи первого отношения, которые остались от вычитания второго отношения, то есть из первого отношения выбрасываются все кортежи второго.

Остальные три операции являются производными, они могут быть получены из основных операций, их называют дополнительными: Соединение, Пересечение, Деление.

Операция Соединение применяется к двум отношениям, имеющим общий атрибут. Результат этой операции для двух отношений по некоторому условию -отношениеиз кортежей, которые являются сочетанием первого и второго отношений, удовлетворяющих указанному условию.

Пересечение двух отношений является отношение, включающее все кортежи, входящие в оба отношения.

Операция Деления предполагает, что имеется два отношения: одно – бинарное (содержащее два атрибута), другое – унарное (содержащее один атрибут). В результате получается отношение, состоящее из кортежей, включающих значения первого атрибута кортежей первого отношения, но только таких, для которых множество значений второго атрибута первого отношения совпадает с множеством значений атрибутов второго отношения.

Отличительная особенность операций обработки отношений заключается в том, что единицей обработки в них являются не кортежи, а отношения: на входе каждой операции используется одно или два отношения, а результат выполнения операций – новое отношение.

Рассмотрим некоторые, наиболее часто используемые операции реляционной алгебры, подробнее.

Операция Объединение - на входе задано два совместимых отношения, одинаковой размерности: А и В. Результат – отношение той же структуры, содержащее все кортежи А и все кортежи В

Пересечение предполагает наличие на входе двух отношений одинаковой размерности: А и В. На выходе создается отношение той же структуры, содержащее только те кортежи А, которые есть в В.

Деление. На входе операции используется два отношения: А и В. Пусть отношение А, называемое делимым, содержит атрибуты (А_1,А₂, А₃, …, А_n). Отношение В – делитель и содержит подмножество атрибутов А: (А_1,А₂, …, А_к), где k< n. Результирующее отношение С определено на атрибутах отношения А, которых нет в В, то есть А_к+1, А_к+2, …, А_n.

В целом, операции реляционной модели данных предоставляют возможность манипулировать отношениями, позволяя обновлять базу данных, а также выбирать подмножества хранимых данных и представлять их в нужном виде.

При проектировании баз данных и работе с ними этих восьми операций обычно не достаточно. Поэтому добавляются такие операции как: переименование атрибутов, образование новых вычисляемых атрибутов, операции присваивания, сравнения и др.

Аномалии модификации

Аномалии модификации проявляются в том, что изменение значения одного данного может повлечь за собой просмотри всей таблицы и соответствующее изменение некоторых других записей таблицы.

Аномалии удаления состоят в том, что при удалении какого-либо данного из таблицы может пропасть и другая информация, которая не связана напрямую с удаляемым данным.

Аномалии добавления возникают в случаях, когда информацию в таблицу нельзя поместить до тех пор, пока она неполная, либо вставка новой записи требует дополнительного просмотра таблицы

Пусть есть отношение, в котором хранится информация о студентах, курсах которые они посещают и стоимости этих курсов. Из этого отношения производится удаление кортежа, который содержит (помимо инфы о студенте) информацию о названии и стоимости курса, посещаемого этим студентом. Если информация о названии и стоимости курса хранилась в единственном экземпляре только в этом кортеже, она безвозвратно исчезнет из отношения. Такая ситуация называется аномалия удаления. Выполнение операции удаления приводит к потере информации о двух сущностях.

На примере этого же отношения можно проиллюстрировать аномалию вставки. Допустим, надо добавить информацию о названии и стоимости определенного курса, но мы не сможем добавить эту информацию до тех пор, пока на курс не записан ни один студент. Избавиться от обоих аномалий можно путем разбиения имеющегося отношения на два, каждое из которых будет содержать данные только одной сущности. Тогда удаление информации о студенте не затронет данные о курсах.

При разбиении отношения на два так же возникают проблемы. Например, можно ли записать студента на несуществующий пока курс? Эти проблемы должны решаться путем обсуждения бизнес-правил. Если бизнес-правилами будет предусмотрено требование наличия информации о курсе и стоимости при записи на этот курс студента, то при записи студента на курс будет производиться проверка на существование требуемого курса. Подобного рода проверки называются ограничениями ссылочной целостности или ограничениями целостности по внешнему ключу.

Целостность сущностей — ни одно значение первичного ключа не должно содержать null.

Этапы проектрирования:

Концептуальное проектирование -процесс разработки БД начинается с анализа требований. Проектировщик на этом этапе разработки должен найти ответы на следующие вопросы: какие элементы данных должны храниться, кто и как будет к ним обращаться. Создается модель исп. Информации, не завис от физ аспектов, целевой субд и языков программирования

Логическое - создается логическая структура БД. Для этого определяют, как данные будут сгруппированы логически. Структура БД на этом этапе выражается в терминах прикладных объектов и отношений между ними. Зависит от целевой СУБД, проверки на избыточность, нормализация.

Физическое - логическая структура БД преобразуется в физическую с учетом аспектов производительности. Элементы данных на этом этапе получают атрибуты и определяются как столбцы в таблицах выбранной для реализации БД СУБД. Основные отношения организации файлов и индексов, ограничения целостности и средства защиты.

На всякий — транзакции — неделимая послед операций, переводят бд из одного устойчивого состояние в другое. Свойства — атомарность (неделимость), согласованность (из одного согл сост в другое), изоляция (транзакции юзеров не мешают друг другу), долговечность (результат должен быть зафиксирован в бд после вып, даже если она крашнулась в след момент).

Метод сущность-связь.

Метод моделирования " сущность-связь" дает абстрактную модель предметной области, используя следующие основные понятия: сущности (entities), взаимосвязи (relationships) между сущностями и атрибуты (attributes) для представления свойств сущностей и взаимосвязей.

Любой фрагмент предметной области может быть представлен как множество сущностей, между которыми существует некоторое множество связей. Дадим определения:

Сущность - это объект, который может быть идентифицирован неким способом, отличающим его от других объектов. Примеры: конкретный человек, предприятие, событие и т.д.

Набор сущностей - множество сущностей одного типа (обладающих одинаковыми свойствами). Примеры: все люди, предприятия, праздники и т.д. Наборы сущностей не обязательно должны быть непересекающимися. Например, сущность, принадлежащая к набору МУЖЧИНЫ, также принадлежит набору ЛЮДИ.

Сущность фактически представляет из себя множество атрибутов, которые описывают свойства всех членов данного набора сущностей. Домен уже был выше.

Ключ сущности - это один или более атрибутов уникально определяющих данную сущность.

Связь - это ассоциация, установленная между несколькими сущностями. Примеры:

поскольку каждый сотрудник работает в каком-либо отделе, между сущностями СОТРУДНИК и ОТДЕЛ существует связь " работает в" или ОТДЕЛ-РАБОТНИК;

К сожалению, не существует общих правил определения, что считать сущностью, а что связью. В рассмотренном выше примере мы положили, что " руководит" - это связь. Однако, можно рассматривать сущность " руководитель", которая имеет связи " руководит" с сущностью " отдел" и " является" с сущностью " сотрудник".

Связь также может иметь атрибуты. Например, для связи ОТДЕЛ-РАБОТНИК можно задать атрибут СТАЖ_РАБОТЫ_В_ОТДЕЛЕ.

Роль сущности в связи - функция, которую выполняет сущность в данной связи. Например, в связи РОДИТЕЛЬ-ПОТОМОК сущности ЧЕЛОВЕК могут иметь роли " родитель" и " потомок". Указание ролей в модели " сущность-связь" не является обязательным и служит для уточнения семантики связи.

Набор связей - это отношение между n (причем n не меньше 2) сущностями, каждая из которых относится к некоторому набору сущностей.

Хотя, сторого говоря, понятия " связь" и " набор связей" различны (первая является элементом второго), их, тем не менее, очень часто смешивают.

В случае n=2, т.е. когда связь объединяет две сущности, она называется бинарной. Доказано, что n-арный набор связей (n> 2) всегда можно заменить множеством бинарных, однако первые лучше отображают семантику предметной области.

То число сущностей, которое может быть ассоциировано через набор связей с другой сущностью, называют степенью связи. Рассмотрение степеней особенно полезно для бинарных связей. Могут существовать следующие степени бинарных связей:

один к одному (обозначается 1: 1 ). Это означает, что в такой связи сущности с одной ролью всегда соответствует не более одной сущности с другой ролью.

Другой важной характеристикой связи помимо ее степени является класс принадлежности входящих в нее сущностей или кардинальность связи.

" СОТРУДНИК" имеет обязательный класс принадлежности (этот факт обозначается также указанием интервала числа возможных вхождений сущности в связь, в данном случае это 1, 1), а сущность " ОТДЕЛ" имеет необязательный класс принадлежности (0, 1). Теперь данную связь мы можем описать как 0, 1: 1, 1.

один ко многим ( 1: n ). В данном случае сущности с одной ролью может соответствовать любое число сущностей с другой ролью.

Данный рисунок дополнительно иллюстрирует тот факт, что между двумя сущностями может быть определено несколько наборов связей

много к одному (n: 1 ). Эта связь аналогична отображению 1: n.

В данном случае, по совершенно очевидным соображениям (каждый контракт заключен с конкретным заказчиком, а каждый заказчик имеет хотя бы один контракт, иначе он не был бы таковым), каждая сущность имеет обязательный класс принадлежности.

многие ко многим ( n: n ). В этом случае каждая из ассоциированных сущностей может быть представлена любым количеством экземпляров.

Если существование сущности x зависит от существования сущности y, то x называется зависимой сущностью (иногда сущность x называют " слабой", а " сущность" y - сильной). В качестве примера рассмотрим связь между ранее описанными сущностями РАБОЧАЯ_ГРУППА и КОНТРАКТ. Рабочая группа создается только после того, как будет подписан контракт с заказчиком, и прекращает свое существование по выполнению контракта. Тогда РАБОЧАЯ_ГРУППА является зависимой от сущности КОНТРАКТ. Зависимую сущность будем обозначать двойным прямоугольником, а ее связь с сильной сущностью линией со стрелкой ( у нас был овал для зависимой)

Кардинальность связи для сильной сущности всегда будет (1, 1). Класс принадлежности и степень связи для зависимой сущности могут быть любыми.

12. Иерархическая и сетевая модели данных.

Иерархическая модель представляет собой совокупность элементов, расположенных в порядке их подчинения от общего к частному и образующих перевернутое по структуре дерево (граф).

К основным понятиям иерархической структуры относятся уровень, узел и связь. Узел - это совокупность атрибутов данных, описывающих некоторый объект. На схеме иерархического дерева узлы представляются вершинами графа. Каждый узел на более низком уровне связан только с одним узлом, находящимся на более высоком уровне. Иерархическое дерево имеет только одну вершину, не подчиненную никакой другой вершине и находящуюся на самом верхнем - первом уровне. Зависимые (подчиненные) узлы находятся на втором, третьем и т. д. уровнях. Количество деревьев в базе данных определяется числом корневых записей. К каждой записи базы данных существует только один иерархический путь от корневой записи.

Организация данных в СУБД иерархического типа определяется в терминах: элемент, агрегат, запись (группа), групповое отношение, база данных.

Атрибут (элемент данных) - наименьшая единица структуры данных. Обычно каждому элементу при описании базы данных присваивается уникальное имя. По этому имени к нему обращаются при обработке. Элемент данных также часто называют полем.

Запись - именованная совокупность атрибутов. Использование записей позволяет за одно обращение к базе получить некоторую логически связанную совокупность данных. Именно записи изменяются, добавляются и удаляются. Тип записи определяется составом ее атрибутов. Экземпляр записи - конкретная запись с конкретным значением элементов

Групповое отношение - иерархическое отношение между записями двух типов. Родительская запись (владелец группового отношения) называется исходной записью, а дочерние записи (члены группового отношения) - подчиненными. Иерархическая база данных может хранить только такие древовидные структуры.

Корневая запись каждого дерева обязательно должна содержать ключ с уникальным значением. Ключи некорневых записей должны иметь уникальное значение только в рамках группового отношения. Каждая запись идентифицируется полным сцепленным ключом, под которым понимается совокупность ключей всех записей от корневой по иерархическому пути.

При графическом изображении групповые отношения изображают дугами ориентированного графа, а типы записей – вершинами.

Для групповых отношений в иерархической модели обеспечивается автоматический режим включения и фиксированное членство. Это означает, что для запоминания любой некорневой записи в БД должна существовать ее родительская запись При удалении родительской записи автоматически удаляются все подчиненные.

Пример: предприятие состоит из отделов, в которых работают сотрудники. В каждом отделе может работать несколько сотрудников, но сотрудник не может работать более чем в одном отделе.

Поэтому, для информационной системы управления персоналом необходимо создать групповое отношение, состоящее из родительской записи ОТДЕЛ (НАИМЕНОВАНИЕ_ОТДЕЛА, ЧИСЛО_РАБОТНИКОВ) и дочерней записи СОТРУДНИК (ФАМИЛИЯ, ДОЛЖНОСТЬ, ОКЛАД). (Для простоты полагается, что имеются только две дочерние записи). - рис а(дальше)

Для автоматизации учета контрактов с заказчиками необходимо создание еще одной иерархической структуры: заказчик - контракты с ним - сотрудники, задействованные в работе над контрактом. Это дерево будет включать записи ЗАКАЗЧИК(НАИМЕНОВАНИЕ_ЗАКАЗЧИКА, АДРЕС), КОНТРАКТ(НОМЕР, ДАТА, СУММА), ИСПОЛНИТЕЛЬ (ФАМИЛИЯ, ДОЛЖНОСТЬ, НАИМЕНОВАНИЕ_ОТДЕЛА) — рис. б.

Недостатки иерархических БД:

Частично дублируется информация между записями (такие записи называют парными), причем в иерархической модели данных не предусмотрена поддержка соответствия между парными записями.
Иерархическая модель реализует отношение между исходной и дочерней записью по схеме 1: N, то есть одной родительской записи может соответствовать любое число дочерних. Допустим теперь, что исполнитель может принимать участие более чем в одном контракте (т.е. возникает связь типа M: N). В этом случае в базу данных необходимо ввести еще одно групповое отношение, в котором ИСПОЛНИТЕЛЬ будет являться исходной записью, а КОНТРАКТ дочерней.Таким образом, мы опять вынуждены дублировать инфу.( рис С)
достаточно сложные логические связи и соответствующая громоздкость в обработке данных

Достоинства:

Является наиболее простой достаточно эффективное использование памяти и неплохие временные показатели выполнения операций над данными. Однако, удобна эта модель в основном для работы с иерархически организованной информацией.

Операции над данными, определенные в иерархической модели:

ДОБАВИТЬ в базу данных новую запись. Для корневой записи обязательно формирование значения ключа.
ИЗМЕНИТЬ значение данных предварительно извлеченной записи. Ключевые данные не должны подвергаться изменениям.
УДАЛИТЬ некоторую запись и все подчиненные ей записи.
ИЗВЛЕЧЬ:

извлечь корневую запись по ключевому значению, допускается также последовательный просмотр корневых записей
извлечь следующую запись (следующая запись извлекается в порядке левостороннего обхода дерева)

В операции ИЗВЛЕЧЬ допускается задание условий выборки.

Все операции изменения применяются только к одной " текущей" записи (которая предварительно извлечена из бд). Такой подход к манипулированию данных получил название " навигационного".

Ограничения целостности.

Поддерживается только целостность связей между владельцами и членами группового отношения (никакой потомок не может существовать без предка). Не обеспечивается автоматическое поддержание соответствия парных записей, входящих в разные иерархии.

Первые системы управления базами данных, появившиеся в середине 60-х годов, позволяли работать с иерархической базой данных. Наиболее известной была иерархическая система IMS фирмы IBM. Известны также другие системы: PC/Focus, Team-Up, Data Edge и наши: Ока, ИНЭС, МИРИС.

Сетевая модель данных.

Сетевая модель – структура, у которой любой элемент может быть связан с любым другим элементом.Сетевая база данных состоит из наборов записей, которые связаны между собой так, что записи могут содержать явные ссылки на другие наборы записей. Тем самым наборы записей образуют сеть. Связи между записями могут быть произвольными, и эти связи явно присутствуют и хранятся в базе данных.

Сетевая модель данных определяется в тех же терминах, что и иерархическая. Она состоит из множества записей, которые могут быть владельцами или членами групповых отношений. Связь между между записью-владельцем и записью-членом также имеет вид 1: N.

Основное различие этих моделей состоит в том, что в сетевой модели запись может быть членом более чем одного группового отношения. Согласно этой модели каждое групповое отношение именуется и проводится различие между его типом и экземпляром. Тип группового отношения задается его именем и определяет свойства общие для всех экземпляров данного типа. Экземпляр группового отношения представляется записью-владельцем и множеством (возможно пустым) подчиненных записей. При этом имеется следующее ограничение: экземпляр записи не может быть членом двух экземпляров групповых отношений одного типа (сотрудник не может работать в двух отделах)

Иерархическая структура с картинки выше. преобразовывается в сетевую следующим образом

-деревья (a) и (b), заменяются одной сетевой структурой, в которой запись СОТРУДНИК входит в два групповых отношения; для отображения типа M: N вводится запись СОТРУДНИК_КОНТРАКТ, которая не имеет полей и служит только для связи записей КОНТРАКТ и СОТРУДНИК

Каждый экземпляр группового отношения характеризуется следующими признаками:

способ упорядочения подчиненных записей:

произвольный,

хронологический /очередь/,

обратный хронологический /стек/,

сортированный.

Если запись объявлена подчиненной в нескольких групповых отношениях, то в каждом из них может быть назначен свой способ упорядочивания.

режим включения подчиненных записей:

автоматический - невозможно занести в БД запись без того, чтобы она была сразу же закреплена за неким владельцем;

ручной - позволяет запомнить в БД подчиненную запись и не включать ее немедленно в экземпляр группового отношения. Эта операция позже инициируется пользователем).

режим исключения Принято выделять три класса членства подчиненных записей в групповых отношениях:

Фиксированное. Подчиненная запись жестко связана с записью владельцем и ее можно исключить из группового отношения только удалив. При удалении записи-владельца все подчиненные записи автоматически тоже удаляются. В примере фиксированное членство предполагает групповое отношение " ЗАКЛЮЧАЕТ" между записями " КОНТРАКТ" и " ЗАКАЗЧИК", поскольку контракт не может существовать без заказчика.

Обязательное. Допускается переключение подчиненной записи на другого владельца, но невозможно ее существование без владельца. Для удаления записи-владельца необходимо, чтобы она не имела подчиненных записей с обязательным членством. Таким отношением связаны записи " СОТРУДНИК" и " ОТДЕЛ". Если отдел расформировывается, все его сорудники должны быть либо переведены в другие отделы, либо уволены.

Необязательное. Можно исключить запись из группового отношения, но сохранить ее в базе данных не прикрепляя к другому владельцу. При удалении записи-владельца ее подчиненные записи - необязательные члены сохраняются в базе, не участвуя более в групповом отношении такого типа. Примером такого группового отношения может служить " ВЫПОЛНЯЕТ" между " СОТРУДНИКИ" и " КОНТРАКТ", поскольку в организации могут существовать работники, чья деятельность не связана с выполненинем каких-либо договорных обязательств перед заказчиками.

Операции над данными.

ДОБАВИТЬ - внести запись в БД и, в зависимости от режима включения, либо включить ее в групповое отношение, где она объявлена подчиненной, либо не включать ни в какое групповое отношение.

ВКЛЮЧИТЬ В ГРУППОВОЕ ОТНОШЕНИЕ - связать существующую подчиненную запись с записью-владельцем.

ПЕРЕКЛЮЧИТЬ - связать существующую подчиненную запись с другой записью-владельцем в том же групповом отношении.

ОБНОВИТЬ - изменить значение элементов предварительно извлеченной записи.

ИЗВЛЕЧЬ - извлечь записи последовательно по значению ключа, а также используя групповые отношения - от владельца можно перейти к записям - членам, а от подчиненной записи к владельцу набора.

УДАЛИТЬ - убрать из БД запись. Если эта запись является владельцем группового отношения, то анализируется класс членства подчиненных записей. Обязательные члены должны быть предварительно исключены из группового отношения, фиксированные удалены вместе с владельцем, необязательные останутся в БД.
ИСКЛЮЧИТЬ ИЗ ГРУППОВОГО ОТНОШЕНИЯ - разорвать связь между записью-владельцем и записью-членом.

Ограничения целостности.

Как и в иерархической модели обеспечивается только поддержание целостности по ссылкам (владелец отношения - член отношения).

Основное достоинство сетевой модели – это высокая эффективность затрат памяти и оперативность. Недостаток – сложность и жесткость схемы базы, а также сложность понимания. Кроме того, в этой модели ослаблен контроль целостности, так как в ней допускается устанавливать произвольные связи между записями. Сложность реализации СУБД, сложность механизма доступа к данным., также необходимость на физическом уровне четко определять связи данных

К известным сетевым системам управления базами данных относятся: DBMS, IDMS, TOTAL, VISTA, СЕТЬ, СЕТОР, КОМПАС и др.

Сравнивая иерархические и сетевые базы данных, можно сказать следующее. В целом иерархические и сетевые модели обеспечивают достаточно быстрый доступ к данным. Но поскольку в сетевых базах основная структура представления информации имеет форму сети, в которой каждая вершина (узел) может иметь связь с любой другой, то данные в сетевой базе более равноправны, чем в иерархической, так как доступ к информации может быть осуществлен, начиная с любого узла.

Графовые (иерархические и сетевые) модели реализованы в качестве моделей данных в системах управления базами данных, работающих на больших ЭВМ. Для персональных компьютеров больше распространены реляционные базы данных, хотя имеются и системы управления базами данных, поддерживающих сетевую модель.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 7 8 91011 12 Следующая ⇒