Что такое реляционная бд. Что такое реляционная база данных? Нормальные формы, нормализация

Реляционные базы данных позволяют хранить информацию в нескольких «плоских» (двухмерных) таблицах, связанных между собой посредством совместно используемых полей данных, называемых ключами. Реляционные базы данных предоставляют более простой доступ к оперативно составляемым отчетам (обычно через SQL) и обеспечивают повышенную надежность и целостность данных благодаря отсутствию избыточной информации

Всем известно, что представляет собой простая база данных: телефонные справочники, каталоги товаров и словари - все это базы данных. Они могут быть структурированными или организованными каким-то иным образом: как плоские файлы, как иерархические или сетевые структуры или как реляционные таблицы. Чаще всего в организациях для хранения информации используются именно реляционные базы данных.

База данных - это набор таблиц, состоящих из столбцов и строк, аналогично электронной таблице. Каждая строка содержит одну запись; каждый столбец содержит все экземпляры конкретного фрагмента данных всех строк. Например, обычный телефонный справочник состоит из столбцов, содержащих телефонные номера, имена абонентов и адреса абонентов. Каждая строка содержит номер, имя и адрес. Эта простая форма называется плоским файлом в силу его двухмерной природы, а также того, что все данные хранятся в одном файле.

В идеале каждая база данных имеет по крайней мере один столбец с уникальным идентификатором, или ключом. Рассмотрим телефонную книгу. В ней может быть несколько записей с абонентом Джон Смит, но ни один из телефонных номеров не повторяется. Телефонный номер и служит ключом.

На самом деле все не так просто. Два или несколько человек, использующих один и тот же телефонный номер, могут быть перечислены в телефонном справочнике по отдельности, в силу чего телефонный номер появляется в двух или более местах, поэтому существует несколько строк с ключами, которые не являются уникальными.

Данные создают проблемы

В самых простых базах данных каждая запись занимает одну строку, иными словами, телефонной компании необходимо заводить отдельный столбец для каждого фрагмента бухгалтерской информации. То есть одну - для второго абонента «спаренного» телефона, еще одну - для третьего и т. д., в зависимости от того, сколько дополнительных абонентов понадобится.

Это значит, что каждая запись в базе данных должна иметь все эти дополнительные колонки, даже если больше они нигде не используются. Это также означает, что база данных должна быть реорганизована всякий раз, когда компания предлагает новую услугу. Вводится обслуживание тонального набора - и меняется структура базы, поскольку добавляется новая колонка. Вводится поддержка идентификации номера звонящего абонента, ожидания звонка и т. д. - и база данных перестраивается снова и снова.

В 60-е годы только самые крупные компании могли позволить себе приобретать компьютеры для управления своими данными. Более того, базы данных, построенные на статических моделях данных и с помощью процедурных языков программирования, таких как Кобол, могут оказаться слишком дорогими в том, что касается поддержки, и не всегда надежными. Процедурные языки определяют последовательность событий, через которую компьютер должен пройти, чтобы выполнить задачу. Программирование таких последовательностей было сложным делом, особенно если требовалось менять структуру базы данных или составлять новый вид отчетов.

Мощные связи

Эдгар Кодд, сотрудник исследовательской лаборатории корпорации IBM в Сан-Хосе, по существу, создал и описал концепцию реляционных баз данных в своей основополагающей работе «Реляционная модель для крупных, совместно используемых банков данных» (A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks. Communications of the ACM, июнь 1970).

Кодд предложил модель, которая позволяет разработчикам разделять свои базы данных на отдельные, но взаимосвязанные таблицы, что увеличивает производительность, но при этом внешнее представление остается тем же, что и у исходной базы данных. С тех пор Кодд считается отцом-основателем отрасли реляционных баз данных.

Эта модель работает следующим образом. Телефонная компания может создать основную таблицу, используя в качестве первичного ключа номер телефона, и хранить его с другой базовой информацией о потребителях. Компания может определить отдельную таблицу со столбцами для этого первичного ключа и для дополнительных служб, таких как поддержка идентификации номера звонящего абонента и ожидание звонка. Она также может создать еще одну таблицу для контроля счетов за переговоры, где каждая запись состоит из номера телефона и данных об оплате звонков.

Конечные пользователи могут легко получить ту информацию, которую они хотят, и в том виде, в каком она им требуется, хотя эти данные хранятся в различных таблицах. Поэтому представитель службы поддержки потребителей телефонной компании может отобразить на одном и том же экране информацию о счетах абонента, а также о состоянии специальных служб или о том, когда была получена последняя оплата.

Кодд сформулировал 12 правил для реляционных баз данных, большинство которых касаются целостности и обновления данных, а также доступа к ним. Первые два достаточно понятны даже пользователям, не обладающим техническими навыками.

Правило 1, информационное правило, указывает, что вся информация в реляционной базе данных представляется как набор значений, хранящихся в таблицах.

Правило 2, правило гарантии доступа, определяет, что доступ к каждому элементу данных в реляционной базе данных можно получить с помощью имени таблицы, первичного ключа и названия столбца. Другими словами, все данные хранятся в таблицах, и, если известно название таблицы, первичный ключ и столбец, где находится требуемый элемент данных, его всегда можно извлечь.

Суть работы Кодда заключалась в том, что предлагалось с реляционными базами данных использовать декларативные, а не процедурные языки программирования. Декларативные языки, такие как язык запросов SQL (Structured Query Language), дают пользователям возможность, по существу, сообщить компьютеру: «Я хочу получить следующие биты данных из всех записей, которые удовлетворяют определенному набору критериев». Компьютер сам «поймет», какие необходимо совершить шаги, чтобы получить эту информацию из базы данных.

Для работы с огромным количеством активно используемых баз данных применяются программные системы управления реляционными базами данных, созданные такими авторитетными производителями, как Oracle, Sybase, IBM, Informix и Microsoft.

Хотя большую часть вариантов реализаций SQL можно назвать интероперабельными лишь с известным приближением, этот утвержденный в качестве международного стандарта механизм позволяет создавать сложные системы, основу которых составляют базы данных. Удобный для программирования интерфейс между Web-сайтами и реляционными базами данных дает конечным пользователям возможность добавлять новые записи и обновлять существующие, а также создавать отчеты для самых разных служб, таких как выполнение интерактивных торговых операций и доступ к интерактивным библиотечным каталогам.

Реляционная модель

2. Принципы реляционной модели

Принципы реляционной модели баз данных, отношение (relation), таблица (table), набор результатов (result set), кортеж, мощность, атрибут, размерность, заголовок, тело, домен

Реляционная модель была разработана в конце 1960-х годов Е.Ф.Коддом (сотрудник IBM) и опубликованы в 1970 г. Она определяет способ представления данных (структуру данных), методы защиты данных (целостность данных), и операции, которые можно выполнять с данными (манипулирование данными).

Реляционная модель - не единственная, которую можно использовать при работе с данными. Существуют также иерархическая модель, сетевая модель, звездообразная модель и т.п. Однако реляционная модель оказалась наиболее удобной и поэтому используется сейчас наиболее широко.

Основные принципы реляционных баз данных можно сформулировать так:

· все данные на концептуальном уровне представляются в виде упорядоченной организации, определенной в виде строк и столбцов и называемой отношением (relation). Более распространенный синоним слова "отношение" - таблица (или "набор записей", или набор результатов - result set. Именно от этого и происходит термин "реляционные базы данных", а вовсе не от отношений между таблицами;

· все значения являются скалярами. Это значит, что для любой строки и столбца любого отношения существует одно и только одно значение;

· все операции выполняются над целым отношением и результатом этих операций также является целое отношение. Этот принцип называется замыканием. Поэтому результаты одной операции (например, запроса), можно использовать в качестве исходных данных для выполнения другой операции (подзапроса).

Теперь - про формальную терминологию:

· отношение (relation ) - это вся структура целиком, набор записей (в обычном понимании - таблица).

· кортеж - это каждая строка, содержащая данные. Более распространенный, но менее формальный термин - запись.

· мощность - число кортежей в отношении (проще говоря, число записей);

· атрибут - это столбец в отношении;

· размерность - это число атрибутов в отношении (в данном случае - 3);

· каждое отношение можно разделить на две части - заголовок и тело . На простом языке заголовок отношения - это список столбцов, а тело - это сами записи (кортежи).

· в нашем примере название каждого столбца (атрибута) состоит из двух слов, разделенных двоеточием. Согласно формальным определениям, первая часть - это имя атрибута (название столбца), а вторая часть - это домен (вид данных, которые представляет данных столбец). Понятия "домен" и "тип данных" не эквиваленты друг другу. На практике домен обычно опускается.

· тело отношения состоит из неупорядоченного набора кортежей (его число может быть любым - от 0 до бесконечно большого).

Базой данных (БД) называется организованная в соответствии с определенными правилами и поддерживаемая в памяти компьютера совокупность сведений об объектах, процессах, событиях или явлениях, относящихся к некоторой предметной области, теме или задаче. Она организована таким образом, чтобы обеспечить информационные потребности пользователей, а также удобное хранение этой совокупности данных, как в целом, так и любой ее части.

Реляционная база данных представляет собой множество взаимосвязанных таблиц, каждая из которых содержит информацию об объектах определенного вида. Каждая строка таблицы содержит данные об одном объекте (например, автомобиле, компьютере, клиенте), а столбцы таблицы содержат различные характеристики этих объектов - атрибуты (например, номер двигателя, марка процессора, телефоны фирм или клиентов).

Строки таблицы называются записями. Все записи таблицы имеют одинаковую структуру - они состоят из полей (элементов данных), в которых хранятся атрибуты объекта (рис. 1). Каждое поле записи содержит одну характеристику объекта и представляет собой заданный тип данных (например, текстовая строка, число, дата). Для идентификации записей используется первичный ключ. Первичным ключом называется набор полей таблицы, комбинация значений которых однозначно определяет каждую запись в таблице.

Рис. 1. Названия объектов в таблице

Для работы с данными используются системы управления базами данных (СУБД). Основные функции СУБД:

Определение данных (описание структуры баз данных);

Обработка данных;

Управление данными.

Разработка структуры БД - важнейшая задача, решаемая при проектировании БД. Структура БД (набор, форма и связи ее таблиц) - это одно из основных проектных решений при создании приложений с использованием БД. Созданная разработчиком структура БД описывается на языке определения данных СУБД.

Любая СУБД позволяет выполнять следующие операции с данными:

Добавление записей в таблицы;

Удаление записей из таблицы;

Обновление значений некоторых полей в одной или нескольких записях в таблицах БД;

Поиск одной или нескольких записей, удовлетворяющих заданному условию.

Для выполнения этих операций применяется механизм запросов. Результатом выполнения запросов является либо отобранное по определенным критериям множество записей, либо изменения в таблицах. Запросы к базе формируются на специально созданном для этого языке, который так и называется «язык структурированных запросов» (SQL - Structured Query Language).

Под управлением данными обычно понимают защиту данных от несанкционированного доступа, поддержку многопользовательского режима работы с данными и обеспечение целостности и согласованности данных.

Реляционные БД

Реляционная база данных состоит из одной или нескольких связанных таблиц, структуру которых образуют столбцы и строки.

В реляционных базах данных приняты следующие обозначения:

Отношение - таблица;

Поле- набор однотипных записей для нескольких объектов (столбец);

Кортеж (запись) - строка таблицы, содержащая набор нескольких записей соответствующих одному объекту;

Атрибут - запись в строке одного поля.

Сущность - любой различимый объект, информация о котором хранится в базе данных.

Ключевые поля

Каждое отношение базы данных должно содержать в себе поле (или совокупность нескольких полей), однозначно идентифицирующее каждую запись отношения. Такие поля, позволяют связывать данные нескольких отношений и в конечном счете сформировать единую базу данных. Эти поля называют ключевыми полями.

Различают следующие виды ключей:

Потенциальный ключ - поле, атрибуты которого обеспечивают уникальность записи (в отношении таких полей может быть несколько).

Первичный ключ - один из потенциальных ключей, выбранный в качестве основного (как правило, имеет минимальную длину атрибута).

Внешний (вторичный) ключ - одно или несколько полей отношения, обеспечивающих связь с первичным ключом другого отношения.

В зависимости от количества полей образующих ключ выделяют:

Простой ключ - состоит из единственного атрибута, однозначно определяющего запись (номер зачетной книжки студента).

Составной ключ - состоит из двух и более атрибутов, совокупность которых однозначно определяет запись (серия и номер паспорта человека).

Если в отношении есть уникальное поле, однозначно определяющий каждую запись отношения, то его можно использовать в качестве первичного ключа, но значения его атрибутов должны быть различными для всех записей. Не следует использовать в качестве первичного ключа имена или фамилии людей, т. к. они могут повторятся и в одном отношении могут оказаться люди с одинаковы именем и фамилией. Даже если на данный момент фамилии всех людей зарегистрированных в базе данных разные, поле фамилия не должно использоваться в качестве ключевого, поскольку записи в отношении со временем могут быть изменены в связи с изменением состава людей учтенных в баз данных.

При выборе первичного ключа следует также учитывать, что атрибуты ключевого поля не могут быть пустыми. Если поле допускает пустые значения, то его не следует использовать в качестве первичного ключа.

Также при выборе первичного ключа следует учитывать, что его значения не должны меняются. Если же он меняется, то необходимо обеспечить обновление информации о данном изменении во всех связанных с данным полем отношениях. Применение первичного ключа с постоянным значением позволяет упростить синхронизацию между отношениями в базе данных.

Часто в качестве первичного ключа выбирают искусственно созданное поле, значения атрибутов которого не имеют фактического смысла. Таки полями могут быть Код или Номер , эти поля содержат только числовое обозначение строки, причем зачастую это обозначение выставляет компьютер при помощи счетчика. Такие коды не подвержены изменениям в отличие от полей содержащих фактические данные, т.к. Фамилия, Номер телефона, Адрес и т.д. могут меняться и повторятся.

В том случае если уникальность записи не может быть обеспечена одним полем применяется составной ключ, образованный двумя или более полями. Примером составного ключа могут являться поля серия и номер паспорта, отдельно серия и номер паспорта не могут гарантировать уникальность записи, т.к. есть паспорта с одинаковой серией, так же как и с одинаковым номером, но одновременное совпадение серии и номера двух паспортов невозможно.

Понятие реляционный (англ. relation -- отношение) связано с разработками известного американского специалиста в области систем баз данных, сотрудника фирмы IBM д-ра Е. Кодда (Codd E.F., A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks. CACM 13: 6, June 1970), которым впервые был применен термин «реляционная модель данных».

В течение долгого времени реляционный подход рассматривался как удобный формальный аппарат анализа баз данных, не имеющий практических перспектив, так как его реализация требовала слишком больших машинных ресурсов. Только с появлением персональных ЭВМ реляционные и близкие к ним системы стали распространяться, практически не оставив места другим моделям.

Эти модели характеризуются простотой структуры данных, удобным для пользователя табличным представлением и возможностью использования формального аппарата алгебры отношений и реляционного исчисления для обработки данных.

Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Каждая реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:

• - каждый элемент таблицы - один элемент данных; повторяющиеся группы отсутствуют;
• - все столбцы в таблице однородные, т.е. все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный и т.д.) и длину;
• - каждый столбец имеет уникальное имя;
• - одинаковые строки в таблице отсутствуют;
• - порядок следования строк и столбцов может быть произвольным. Таблица такого рода называется отношением.

База данных, построенная с помощью отношений, называется реляционной базой данных.

Отношения представлены в виде таблиц, строки которых соответствуют кортежам или записям, а столбцы - атрибутам отношений, доменам, полям.

Поле, каждое значение которого однозначно определяет соответствующую запись, называется простым ключом (ключевым полем). Если записи однозначно определяются значениями нескольких полей, то такая таблица базы данных имеет составной ключ.

Чтобы связать две реляционные таблицы, необходимо ключ первой таблицы ввести в состав ключа второй таблицы (возможно совпадение ключей); в противном случае нужно ввести в структуру первой таблицы внешний ключ - ключ второй таблицы.

Предложив реляционную модель данных, Э.Ф. Кодд создал и инструмент для удобной работы с отношениями - реляционную алгебру. Каждая операция этой алгебры использует одну или несколько таблиц (отношений) в качестве ее операндов и продуцирует в результате новую таблицу, т.е. позволяет "разрезать" или "склеивать" таблицы.

То, чем принципиально отличаются реляционные модели от сетевых и иерархических, на это можно сказать следующим образом: иерархические и сетевые модели данных - имеют связь по структуре, а реляционные - имеют связь по значению.

Проектирование баз данных традиционно считалось очень трудной задачей. Реляционная технология значительно упрощает эту задачу.

Разделением логического и физического уровней системы она упрощает процесс отображения "уровня реального мира", в структуру, которую система может прямо поддерживать. Поскольку реляционная структура сама по себе концептуально проста, она позволяет реализовывать небольшие и/или простые (и поэтому легкие для создания) базы данных, такие как персональные, сама возможность реализации которых никогда даже бы не рассматривалась в старых более сложных системах.

Теория и дисциплина нормализации может помочь, показывая, что случается, если отношения не структурированы естественным образом.

Реляционная модель данных особенно удобна для использования в базах данных распределенной архитектуры - она позволяет получать доступ к любым информационным элементам, хранящимся в узлах сети ЭВМ. Необходимо обратить особое внимание на высокоуровневый аспект реляционного подхода, который состоит во множественной обработке записей. Благодаря этому значительно возрастает потенциал реляционного подхода, который не может быть достигнут при обработке по одной записи и, прежде всего, это касается оптимизации.

Данная модель позволяет определять:

• · операции по запоминанию и поиску данных;
• · ограничения, связанные с обеспечением целостности данных.

Для увеличения эффективности работы во многих СУБД реляционного типа приняты ограничения, соответствующие строгой реляционной модели.

Многие реляционные СУБД представляют файлы БД для пользователя в табличном формате -- с записями в качестве строк и их полями в качестве столбцов. В табличном виде информация воспринимается значительно легче. Однако в БД на физическом уровне данные хранятся, как правило, в файлах, содержащих последовательности записей.

Основным преимуществом реляционных СУБД является возможность связывания на основе определенных соотношений файлов БД.

Со структурной точки зрения реляционные модели являются более простыми и однородными, чем иерархические и сетевые. В реляционной модели каждому объекту предметной области соответствует одно или более отношений. При необходимости определить связь между объектами явно, она выражается в виде отношения, в котором в качестве атрибутов присутствуют идентификаторы взаимосвязанных объектов. В реляционной модели объекты предметной области и связи между ними представляются одинаковыми информационными конструкциями, существенно упрощая саму модель.

СУБД считается реляционной при выполнении следующих двух условий, предложенных еще Э. Коддом:

• · поддерживает реляционную структуру данных;
• · реализует, по крайней мере, операции селекции, проекции и соединения отношений.

В последующем был создан целый ряд реляционных СУБД, в той или иной мере отвечающих данному определению. Многие СУБД представляют собой существенные расширения реляционной модели, другие являются смешанными, поддерживая несколько даталогических моделей.

На сегодняшний день реляционные базы данных остаются самыми распространенными, благодаря своей простоте и наглядности, как в процессе создания, так и на пользовательском уровне.

Основным достоинством реляционных баз данных является совместимость с самым популярным языком запросов SQL.

С помощью единственного запроса на этом языке можно соединить несколько таблиц во временную таблицу и вырезать из нее требуемые строки и столбцы (селекция и проекция). Так как табличная структура реляционной базы данных интуитивно понятна пользователям, то и язык SQL является простым и легким для изучения. Реляционная модель имеет солидный теоретический фундамент, на котором были основаны эволюция и реализация реляционных баз данных. На волне популярности, вызванной успехом реляционной модели, SQL стал основным языком для реляционных баз данных.

Но выявлены и недостатки рассмотренной модели баз данных:

• - так как все поля одной таблицы должны содержать постоянное число полей заранее определенных типов, приходится создавать дополнительные таблицы, учитывающие индивидуальные особенности элементов, при помощи внешних ключей. Такой подход сильно усложняет создание сколько-нибудь сложных взаимосвязей в базе данных;
• - высокая трудоемкость манипулирования информацией и изменения связей.