ПРОГРАММИРОВАНИЕ II

План курса
Требования к моделям данных и средствам их хранения и обработки.
Обзор ХМL.
Реляционная модель данных.
SQL.
СУБД/программный интерфейс.

Литература
Гарсиа-Молина Г., Ульман Дж.Д., Уидом Д. Системы баз данных. Полный курс. – М.: Издательский дом “Вильямс”. 2003.
Грабер М. Введение в SQL. – M.: Лори, 1996.
Дейт К. Введение в системы баз данных. – М.: Наука, 1980. Имеется 6-е и 7-е издание, – М.: Издательский дом “Вильямс”, 1999 и 2001.
Технологии XML. World Wide Web Consortium Home Page. http://www.w3.org.

Требования
Долговременное (persistent) хранение больших объемов данных (логическая и физическая организация).
Данные могут быть типизированы и структурированы. Необходимо иметь средства для формального описания и программного использования этой информации о данных (модель/схема данных).
Эффективное манипулирование данными (добавление, модификация, выбор, удаление), сохраняющее корректность, в том числе, в конкурентной среде исполнения. Реализуется СУБД (DBMS).
Программный интерфейс доступа к данным, в том числе, конкурентные средства доступа. Реализуется прикладными программными интерфейсами (API) для разных языков программирования.

Транзакции. Свойство ACID
Транзакция (transaction, TR) —группа последовательных
операций (добавление, модификация, выбор, удаление),
которая представляет собой логическую единицу работы с
данными.
Атомарность (аtomicity) – TR либо выполняется полностью, либо не выполняется совсем.
Согласованность (consistency) – результат выполнения TR не нарушает ограничений, налагаемых моделью данных.
Изолированность (isolation) – TR выполняется так, как будто другие TRs при этом не выполняются. В частности, другие исполняемые в этот же промежуток времени TRs не видят промежуточных результатов этой TR.
Устойчивость (durability) – результат выполненной TR не должен быть утрачен ни при каких обстоятельствах (включая физические причины, например, отключение электричества).

Пример: файловая система
Умеет хранить терабайты двоичных данных.
Информация о типе файла (смысле хранимых в нем данных) скудна. Связи между элементами данных не поддерживаются.
В основном управлением занимается менеджер файловой системы ОС. Транзакционность по минимуму.
API – текстовые/бинарные операторы ввода/вывода и/или библиотечные функции языков программирования. Параллельная работа возможна в ограниченном виде.

eXtensible Markup Language
Разработан World Wide Web Consortium (W3C). Версия 1.0 спецификации – 1998 год. Вторая редакция версии 1.1 спецификации – 2006 год. XML – упрощенная версия SGML.
Стандарт для разработки языков разметки:
HTML/xhtml – язык разметки для гипертекста;
MathML – язык разметки математических формул;
CML – язык описания химических соединений;
TTML – язык описания данных для составления расписаний...
Определяет стандартные механизмы обработки.
Сопутствующие стандарты и технологии: DTD/XSchema (модель данных), XPath (адресация элементов документа), XSL/XSLT (преобразование xml-документов), XQuery (организация запросов к документам), DOM (объектное представление документа и доступ к нему)...

XML – основные понятия
Элементы. Задают структуру документа. Документ обязан иметь единственный корневой элемент. Элемент может не иметь атрибутов и/или вложенных элементов.
Атрибуты. Связаны с элементами и описывают их свойства. Могут иметь умолчательные значения.
Сущности. Существуют предопределенные, могут определяться вне документа.
Символьные данные. Произвольный текст.
Модель/схема данных.
Инструкции обработки.

ID="S1256" FirstName="Анна" LastName="Иванова" Gender="true">
Я родилась
12 февраля
в городе Кимры.
< > & " '
ё
Пример XML-данных

DTD – I
DTD - Document Type Definition (определение типов документа).
Используется проверяющим XML-процессором (validating processor) для проверки структуры документа, множества значений атрибутов и определения сущностей.
Документ может как содержать DTD в самом
себе, так и ссылаться на внешний файл:
…

DTD – II
Элемент:
- любое корректное содержимое
- элемент не может иметь вложенных элементов
- элемент может содержать только текст
- любая последовательность (в том числе
и пустая) из данных элементов в любом порядке
- последовательность элементов и групп элементов в заданном порядке
Атрибут:
>
Сущности:

Пример DTD Groups (Group)* >
ID ID #REQUIRED
Name CDATA #REQUIRED>
ID ID #REQUIRED
FirstName CDATA #IMPLIED
LastName CDATA #REQUIRED
Gender (true|false) “true”>
Title CDATA #REQUIRED
Lecturer CDATA #IMPLIED>
GroupID IDREF #REQUIRED>

XPath – основные понятия
Средства описания подмножеств элементов/атрибутов/… XML-документа, удовлетворяющих заданным условиям.
Рассматривая XML-документ как дерево, состоящее из узлов разного типа, XPath оперирует понятием пути и шага, который в свою очередь состоит из точки отсчета, теста узла и предиката, проверяющего свойства узла.
/University//parent::Group[position()=1 or @LastName=‘Ли’]
Имеются библиотечные функции, манипулирующие с числами, строками, ....
//Student[local-name()!=‘Student’]

XPath: описание пути
. – описание пути, совпадающее собственно с текущей вершиной (контекстная вершина).
.. – описание пути к отцу текущей вершины.
/ – описание пути до детей текущей вершины.
// – путь до всех наследников текущей вершины.
Примеры:
/* или /University – корневой элемент документа.
//* – все элементы документа.
/University/Lectures//GroupItem
./../* – все братья текущего элемента и он сам.

XPath: описание точки отсчета
child – ребенок контекстной вершины.
descendant – все наследники контекстной вершины.
parent – отец контекстной вершины (если она существует).
ancestor – все предшественники контекстной вершины.
following-sibling – все следующие братья контекстной вершины.
preceding-sibling – все предшествующие братья контекстной вершины.
following – все следующие братья и их наследники.
preceding – все предшествующие братья и их наследники.
attribute – атрибуты контекстной вершины.
self – собственно сама контекстная вершина.
descendant-or-self – ...
ancestor-or-self – ...
ЗАМЕЧАНИЕ: ancestor, descendant, following, preceding и self – являются разбиением документа, т.е. множества, определяемые ими, не пересекаются, а их объединение дает весь документ.

Примеры описаний точек отсчета
. –» self::node()
.. –» parent::node()
// –» /descendant-or-self::node()/
../title –» parent::node()/child::title
.//author –» self::node()/descendant-or-self::node()/child::author
chapter/section –» child::chapter/child::section
//@ID –» /descendant-or-self::node()/attribute::ID
following-sibling::*[attribute::Name=‘Петя’] –» following-sibling::node()[@Name=‘Петя’]

Примеры описаний предикатов
//section[paragraph]
//section[not(@title)]
./chapter[3]/section[position()=2]
.//section[position()=1 or position()=last()]
//*[local-name()=‘Student’ and @FirstName!=‘Уи’]
./chapter[count(section/paragraph)!=0]
//paragraph[id(‘P2345’)]
//author[sum(book/@price) > 1000]
//Student[starts-with(@LastName, ‘Я')]

DOM – Document Object Model
Levels 1-3, последняя версия 2004
Node
Document
Element
Attr
…
NodeList
NamedNodeMap
DOMString
DOMError
DOMException
…

Node интерфейс
interface Node {
// NodeType
const unsigned short ELEMENT_NODE = 1;
const unsigned short ATTRIBUTE_NODE = 2;
...
const unsigned short COMMENT_NODE = 8;
const unsigned short DOCUMENT_NODE = 9;
...
readonly attribute DOMString nodeName;
attribute DOMString nodeValue;
readonly attribute unsigned short nodeType;
readonly attribute Node parentNode;
readonly attribute NodeList childNodes;
readonly attribute Node firstChild;
readonly attribute Node lastChild;
readonly attribute Node previousSibling;
readonly attribute Node nextSibling;
readonly attribute NamedNodeMap attributes;
readonly attribute Document ownerDocument;
Node insertBefore(in Node newChild, in Node refChild);
Node replaceChild(in Node newChild, in Node oldChild);
Node removeChild(in Node oldChild);
Node appendChild(in Node newChild);
boolean hasChildNodes();
Node cloneNode(in boolean deep);
...
};

NodeList и NamedNodeMap интерфейсы
interface NodeList {
Node item(in unsigned long index);
readonly attribute unsigned long length;
};
interface NamedNodeMap {
Node getNamedItem(in DOMString name);
Node setNamedItem(in Node arg);
Node removeNamedItem(in DOMString name);
Node item(in unsigned long index);
readonly attribute unsigned long length;
...
};

Document интерфейс
interface Document : Node {
...
readonly attribute Element documentElement;
Element createElement(in DOMString tagName);
Comment createComment(in DOMString data);
Attr createAttribute(in DOMString name);
EntityReference createEntityReference(in DOMString name);
...
NodeList getElementsByTagName(in DOMString tagname);
Element getElementById(in DOMString elementId);
readonly attribute DOMString xmlEncoding;
attribute boolean xmlStandalone;
attribute DOMString xmlVersion;
attribute DOMString documentURI;
...
};

Element и Attr интерфейс
interface Element : Node {
readonly attribute DOMString tagName; DOMString getAttribute(in DOMString name);
void setAttribute(in DOMString name, in DOMString value);
void removeAttribute(in DOMString name);
...
Attr getAttributeNode(in DOMString name);
Attr setAttributeNode(in Attr newAttr);
Attr removeAttributeNode(in Attr oldAttr);
...
void setIdAttribute(in DOMString name, in boolean isId);
void setIdAttributeNode(in Attr idAttr, in boolean isId);
...
boolean hasAttribute(in DOMString name);
NodeList getElementsByTagName(in DOMString name);
...
};
interface Attr : Node {
readonly attribute DOMString name;
readonly attribute boolean specified;
attribute DOMString value;
readonly attribute Element ownerElement;
readonly attribute TypeInfo schemaTypeInfo;
readonly attribute boolean isId;
};

DOMError интерфейс
interface DOMError {
// ErrorSeverity
const unsigned short SEVERITY_WARNING = 1; const unsigned short SEVERITY_ERROR = 2;
const unsigned short SEVERITY_FATAL_ERROR = 3;
readonly attribute unsigned short severity;
readonly attribute DOMString message;
readonly attribute DOMString type;
readonly attribute DOMObject relatedException;
readonly attribute DOMObject relatedData;
readonly attribute DOMLocator location;
};

Пример: C++ (VS v6.0)
#include
#import
named_guids
using namespace std;
using namespace MSXML;
void main()
{
::CoInitialize(NULL);
IXMLDOMDocumentPtr doc;
doc.CreateInstance(CLSID_DOMDocument);
doc->loadXML("
ddd
eee
");
cout<<(char*)doc->Getxml();
IXMLDOMElementPtr el=doc->selectSingleNode("//b");
cout<<(char*)el->Getxml();
IXMLDOMNodeListPtr lst=doc->documentElement->selectNodes("//*");
cout<
length<
IXMLDOMNodePtr n=doc->documentElement->firstChild;
while (n) {
cout<<(char*)n->GetnodeName()<
n=n->nextSibling;
}
}

EntityRelationship-модель данных
Peter Chen, 1976
ER-модель – семантическая модель данных, т.е. модель данных, главным предназначением которой удобное и адекватное моделирование смысла моделируемой предметной области (высокоуровневое моделирование).
В общем случае она не описывает способов хранения данных и средств манипуляции ими.
Разработаны формальные методы преобразования ER-моделей в другие модели данных.
Преобразования поддерживаются программными средствами.

Элементы ER-модели
Cущности – классы элементов моделируемой семантической области.
Атрибуты – индивидуальные характерис- тики сущностей.
Отношения – описания взаимодействий моделируемых сущностей.
Отношение общее-частное
Students
FirstName
Member-of
isa

Пример ER-модели
Gender
Autobio

Типы связей в ER-моделях
Если каждый член множества А посредством связи R может быть связан не более чем с одним членом множества B, то R является связью типа «многие к одному» (many-one relationship). Эта же связь, рассматриваемая в обратном направлении, имеет тип «один ко многим».
Если связь R в обоих направлениях (т.е. от A к B и от B к A ) является связью «многие к одному», то это связь имеет тип «один к одному» (one-one relationship).
Если связь R ни в одном из направлений не является связью «многие к одному», то эта связь имеет тип «многие ко многим» (many-many relationship).

Связи и роли
Если одна и та же сущность используется несколько раз в
контексте одной и той же связи, то говорят, что разные
концы связи описывают разные роли, в которых
выступает данная сущность в этом случае.

Многосторонние связи и
атрибуты связей

Преобразование многосторонних связей в бинарные
Actor-of
Movie-of
Studio-of-Actor
Producing-Studio
Соединяющее множество сущностей (connecting entity set)

Подклассы в ER-модели
Подклассы (subclasses) служат для выделения в базовых
классах (superclasses) сущностей, обладающих
собственными атрибутами и/или связями. Используется
для моделирования отношения «общее-частное»

Моделирование ограничений
Ключ (key) – атрибут или подмножество атрибутов, уникальным образом определяющее экземпляр сущности среди множества других.
Ограничение единственности (single-value constraint) – атрибут(ы)/связ(ь/и) в некотором контексте должны иметь единственное значение или не иметь его вообще.
Ссылочная целостность (referential integrity constraint) – тот, на кого кто-то ссылается, должен обязательно существовать.
Ограничение области значений (domain constraint) – значение атрибута принадлежит определенной области значений.
Ограничение общего вида (general constraint).

Ограничение области значений
Типы значений атрибутов (логические, диапазоны чисел, перечисления, длины строк) должны адекватно представлять моделируемую предметную область. Вводимые ограничения должны нести семантическую нагрузку.
ER-модель не имеет специальных средств представления этих ограничений. Допускаются произвольные сопроводительные тексты.

Ограничение единственности
Некоторый атрибут сущности может обладать не более чем единственным значением. Если допускается отсутствие значения атрибута, то появляется необходимость представлять этот факт каким-либо образом (выделенное «нулевое» значение). Наоборот, если некоторый атрибут обязан всегда иметь осмысленное значение (например, атрибут, входящий в ключ), то «нулевое» значение для него недопустимо.
Связь R типа many-one между сущностями E1 и E2 демонстрирует ограничение уникальности, указывающее, что для любого экземпляра E1, если эта связь существует, соответствует не более одного экземпляра E2.

Ограничение ссылочной целостности
Это ограничение (всюду определенное – total) требует, чтобы значение, выступающее в некоторой роли, имело в точности одно значение. Моделирует ситуацию отсутствия «висячих» (т.е. не определенных в данном контексте) ссылок.
Если добавляется экземпляр A некоторой сущности, который обязан ссылаться на что-то (экземпляр B той же самой или другой сущности), то это что-то обязано уже существовать.
Экземпляр B не может быть удален, пока не удалены все ссылающиеся на него экземпляры. Если удаление B обязательно, то должны быть удалены и все ссылающиеся на него экземпляры.

Ограничения общего вида
Единственность
Множественность
Обязательность
Общего вида
представляется на ER-диаграмме

Ключи в ER-моделях
Каждая сущность должна обладать ключом. Сущность без ключа вызывает вопросы о правильности модели предметной области.
Ключ может состоять из нескольких атрибутов.
Сущность может обладать несколькими ключами. Тем не менее целесообразно выделять один – первичный ключ (primary key) и далее полагать, что эта сущность обладает единственным ключом.
Если некоторая сущность участвует в иерархии связей isa, необходимо гарантировать, чтобы корневая сущность обладала всеми атрибутами, необходимыми для формирования ключа, и ключ для каждой сущности из иерархии может быть определен на основе «корневого» ключа.

Пример: ключи

Слабые сущности
В предметной области выделяется некоторое содержательное понятие – сущность с набором атрибутов. Однако оказывается, что на основе только этих атрибутов нельзя сформировать ключ для этой сущности. А с использованием атрибутов другой сущности (называемой владельцем) можно. Такая «невыразительная» сущность называется слабой.
Ограничения:
Между слабой сущностью и сущностью, используемой для ключа, должно быть отношение many-one.
Это отношение должно быть обязательным (total).
Пример: связывающее множество сущностей обычно не имеет атрибутов. Их ключи определяются на основе сущностей, которые они связывают.

Выбор ключевых атрибутов для слабых сущностей
Подмножества собственных атрибутов сущности E.
Ключевые атрибуты сущностей, которые могут быть достигнуты посредством связей, соединяющих E с другими сущностями; такие связи называются поддерживающими (supporting relationships) для E. Они должны удовлетворять следующим условиям (ведут к сущности F):
это бинарная связь типа many-one, ведущая от E к F и реализующая ограничения ссылочной целостности;
атрибуты F, используемые для построения ключа E, должны быть ключом для F;
если F само по себе является слабой сущностью, то для него аналогично отыскиваются его поддерживающее множество связей.
От E к F может вести несколько различных поддерживающих связей и каждая может поставлять свою копию ключевых атрибутов F. Таким образом некоторый экземпляр E может иметь ключ, порожденный разными экземплярами F.

Пример: слабые сущности
Биологический вид именуется парой – именем рода,
которому принадлежит вид, и собственно именем
вида. Пример: Homo erectus, Homo habilis, Homo
sapiens – названия видов рода «человек»
(сответственно человек прямоходящий, человек
умелый, человек разумный). Имя вида может быть
неуникальным.

Реляционная модель данных
D1, D2, …, Dn – множества (атомарных) значений (domains).
R ⊆ D1× D2 × … × Dn – отношение (relation), подмножество произведения доменов.
Кортеж – отдельный элемент подмножества, определяемого отношением R.
Схема данных:
Students(FirstName,LastName,Gender,Age)
Groups(Number,Year,Speciality)
MemberOf(FirstName,LastName,Number,Year)

Преобразование ER-модели в реляционную.
«Простая» часть
Students
FirstName
Member-of
LastName
Groups
Year
Lectures
Title
Lecturer
Lesson-for
Gender
Autobio
Speciality
Преобразовать каждую «простую» сущность (т.е. которые не являются слабыми и не участвуют в иерархии isa) в отношение (таблицу) с тем же набором атрибутов.
Преобразовать каждую «простую» связь (не-isa) в отношение, атрибутами которого являются ключи сущностей, соединяемых этой связью. Добавить собственные атрибуты связи в это отношение
Students(FirstName,LastName,Gender,Autobio)
Groups(Name,Year,Speciality)
Lectures(Title,Lecturer)
MemberOf(FirstName,LastName,Name,Year)
LessonFor(Name,Year,Tite)
Name

Преобразование ER-модели в реляционную.
Объединение отношений
Имеется сущность E, соединенная связью R типа many-one с
сущностью F в направлении от E к F. Можно выполнить
объединение отношений, соответствующих E и R. Новое
отношение получается объединением следующих
атрибутов:
все атрибуты E;
ключевые атрибуты F;
собственные атрибуты связи R.
Если некоторый экземпляр E не имеет связи с экземплярами
R, то атрибуты из пунктов 2 и 3 принимают значение NULL.
Основное соображение в пользу преобразования –
экономия памяти и эффективность манипулирования.

Пример: объединение отношений
Students(FirstName,LastName,Gender,
Autobio,Name,Year)
Groups(Name,Year,Speciality)
MemberOf(FirstName,LastName,Name,Year)

Преобразование ER-модели в реляционную.
Слабые сущности
Если W – слабая сущность, отношение для W строится следующим образом:
включаются все атрибуты W;
включаются все атрибуты поддерживающих связей для W;
включаются все ключевые атрибуты каждого множества сущностей, соединенных с W поддерживающими связями.
Любые поддерживающие связи для W игнорируются.

Пример: преобразование слабых сущностей
Genera(Name)
Species(Name, NameOfGenera)

Преобразование ER-модели в реляционную
ISA в стиле «сущность-связь»
Для каждой сущности в иерархии создается отношение. Если сущность не
является корневой, соответствующее ей отношение, помимо собственных
атрибутов, должно содержать ключевые атрибуты корневого множества (они
также участвуют в связывании этой сущности с другими)
Actors
Name
Address
Movies
Title
Year
Length
Cartoons
Voices
isa
Peplum
isa
Epoque
Movies(Title,Year,Length) Actors(Name,Address)
Cartoons(Title,Year)
Peplum(Title,Year,Epoque) Voices(Title,Year,ActorName)

Преобразование ER-модели в реляционную
ISA в объектно-ориентированном стиле
Метод состоит в перечислении всевозможных
поддеревьев ER-диаграммы, включающих корневую
сущность, на основе которых создаются отношения,
представляющих сущности. Они обладают всеми
атрибутами поддерева.
Movies(Title,Year,Length)
MoviesCartoons(Title,Year,Length)
MoviesPeplum(Title,Year,Length,Epoque)
MoviesCartoonsPeplum(Title,Year,Length,Epoque)
Actors(Name,Address)
Voices(Title,Year,ActorName)

Все сущности иерархии объединяются в одно отношение.
При этом если для некоторого кортежа отношения
(экземпляра некоторой сущности) значение какого-то
атрибута не определено, оно представляется NULL.
Movies(Title,Year,Length,Epoque)
Actors(Name,Address)
Voices(Title,Year,ActorName)
Преобразование ER-модели в реляционную
ISA в NULL-стиле

Преобразования отношений в реляционной модели
Функциональная зависимость между атрибутами отношения: если два
кортежа отношения совпадают в атрибутах A1,A2,…,An, то они
должны совпадать и в атрибутах В1,В2, …,Вm (функционально их
обуславливают A1,A2, …,An → В1,В2,…,Вm).
Movies(Title,Year,Length,StudioName,Actor)
Title Year → Length
Title Year → StudioName
?
Title Year → Actor
Множество функциональных зависимостей S следует из множества ФЗ T, если каждый экземпляр отношения, удовлетворяющий всем ФЗ T, также удовлетворяет всем ФЗ S.
Множества функциональных зависимостей S и T являются эквивалентными, если они следуют одно из другого и наоборот.

Замыкание множества атрибутов
Замыканием (closure) {Ai}+ множества атрибутов {Ai}
обусловленным множеством функциональных зависимостей S
называется множество атрибутов {Bi}, такое что ФЗ A→В
следует из ФЗ S.
Алгоритм построения замыкания:
Инициализировать переменную X множеством {Ai}.
Если существует ФЗ B1,…,Bn → C из S, такая, что {B1,…,Bn}⊆X, но C∉X, то добавить C в X.
Выполнять шаг 2, пока множество X не стабилизируется.
Пример:
Отношение имеет множество атрибутов A, B, C, D, E, F и
удовлетворяет ФЗ A,В→C, В,C→A,D, D→E, C,F→B.
Замыкание {A,B}+={A,B,C,D,E}
Свойство:
ФЗ A1,A2, …,An → В1,В2, …,Вm следует из ФЗ S, тогда и только
тогда В1,В2, …,Вm ∉ {A1,A2, …,An} обусловленным ФЗ S.

Ключи и суперключи отношений
Множество атрибутов {Ai} называется ключом отношения R, если:
эти атрибуты функционально обуславливают все остальные атрибуты; совпадение двух кортежей отношения R в этих атрибутах невозможно;
ни одно из подмножеств {Ai} не обуславливает функционально все остальные атрибуты отношения R.
Суперключ отношения – всякое множество атрибутов, содержащее в качестве подмножества ключ отношения.
Чтобы определить, формирует ли множество атрибутов {Ai} ключ отношения, надо проверить совпадает ли {Ai}+ относительно известного Вам множества ФЗ со всем множеством атрибутов отношения, а любое подмножество {Ai}+ – нет.

Аномалии отношений
Избыточность (redundancy) данных.
Аномалии изменения (update anomalies).
Аномалии удаления (delete anomalies).

Декомпозиция отношений
Отношения S(s1,…,sn) и T(t1,…,tm) являются декомпозицией отношения R(r1,…,rk), если:
{r1,…,rk}={s1,…,sn}⋃{t1,…,tm}.
кортежи отношений S и T являются проекциями всех кортежей отношения R на их множества атрибутов (на {s1,…,sn} и {t1,…,tm} соответственно).

Нормальная форма Бойса-Кодда
Отношение R удовлетворяет BCNF тогда и только тогда, когда для R существует нетривиальная ФЗ A1,A2, …,An → В1,В2, …,Вm (т.е. ∃ Вk∉ {A1,A2, …,An}) такая, что множество атрибутов {A1,A2, …,An} является суперключом для R.
Отношение, удовлетворяющее BCNF, не содержит аномалий.
Отношение, содержащее только два атрибута, удовлетворяет BCNF.
Пример:
{Title,Year,ActorName} – ключ исходного отношения. Однако
это отношение не удовлетворяет BCNF, т.к. содержит ФЗ
Title,Year→Length,FilmType,StudioName, у которой левая часть
не является суперключом. Первое отношение декомпозиции,
имеющее в качестве ключа {Title,Year}, удовлетворяет BCNF.

Пример: нормализованные отношения
Actors
NormMovies
StarsIn

Третья нормальная форма
BCNF иногда является слишком строгим условием и требует декомпозиции даже в тех случаях, когда наличие некоторых «ненормализованных» ФЗ целесообразно.
Отношение R удовлетворяет 3NF, если всякий раз, когда для R существует нетривиальная ФЗ A1,A2, …,An → В, множество атрибутов {A1,A2, …,An} является суперключом для R либо В является членом некоторого ключа.
Если отношение R удовлетворяет 3NF, но не удовлетворяет BCNF, существует некоторая вероятность, что отношение будет содержать избыточные данные.

Реляционная алгебра
Переменные, соответствующие неограниченным отношениям, и константы, являющиеся конечными отношениями.
Операции:
теоретико-множественные операции: объединение (union), пересечение (intersection) и разность (difference);
операции удаления частей отношения: выбор (selection) и проекции (projection);
операции сочетания кортежей отношений: декартово произведение (Cartesian product) и различные виды соединений (joins);
операции переименования: атрибутов и отношений.
Агрегирование, группировка и сортировка данных

Пример выбора и проекции
πActorName(σYear>1976(Movies))
σYear>1976(πTitle,Year(Movies))

Пример декартова произведения и естественного соединения
S
T
S×T – декартово произведение
S⋈T – естественное соединение (natural join)
S⋈T = πS.A,S.B,T.C,T.D(σS.B=T.B(S×T))

Тэта-соединение (Θ-join): S ⋈Θ T = σΘ(S×T).
Внешние соединения (outerjoins, left/right):
Вненшние тэта-соединения.
Другие виды соединений
S
T
S ⋈∘ T
S ⋈ T
S ⋈ºL T
S ⋈ºR T

SQL – Structured Query Language
первая версия – конец 1970-х (IBM)
текущий стандарт – 1999 (ANSI)
Создание/удаление таблиц (create/drop table)
Изменение таблиц (alter table)
Добавление/удаление данных (insert into/ delete from)
Изменение данных (update)
Выборка данных (select-from-where)
Специальные возможности.

Создание/удаление/изменение таблиц
Типы данных SQL:
INT/INTEGER, SHORTINT
CHAR(n), VARCHAR(n)
BOOLEAN
FLOAT/REAL, DOUBLE PECISION, DECIMAL(n,d)/NUMERIC
DATE, TIME, TIMESTAMP
BLOB/MEMO
CREATE TABLE Movies (
Title CHAR(200),
Year INTEGER,
Length INTEGER,
FilmType CHAR(5) DEFAULT ’color’,
StudioName VARCHAR(100) DEFAULT ’unknown’,
ActorName VARCHAR(1000),
Birthdate DATE DEFAULT DATE ’0000-00-00’,
Gender BOOLEAN,
PRIMARY KEY (Title, Year)
);
DROP TABLE Movies;
ALTER TABLE Movies
ADD ActorEmail VARCHAR(512)
DEFAULT ’
[email protected]
’;
ALTER TABLE Movies
DROP Gender;

Добавление/удаление/обновление данных
INSERT INTO Movies(Title,Year,ActorName)
VALUES(’Titanic’,1997,’L. Di Caprio’);
INSERT INTO Movies
VALUES(’Titanic’,1997,240,’color’,’Universal’,
’K. Winslet’,’1972-03-08’,true);
DELETE FROM Movies
WHERE Year<1970 AND StudioName LIKE ’%war%’;
DELETE FROM Movies;
UPDATE Movies
SET ActorName=’Mister ’||ActorName
WHERE NOT Gender AND Birthdate<’1990-01-01’;

Выборка данных I
Дальнейшая обработка пользователем.
Использование в проверке условий.
Использование при добавлении данных.
Создание временных/виртуальных таблиц (например, денормализация отношений).
SELECT *
FROM Movies;
SELECT Title, ActorName
FROM Movies;
WHERE Year>1970;
π Title,ActorName(σYear>1970(Movies))
INSERT INTO Actors(Name)
SELECT DISTINCT ActorName
FROM Movies
WHERE ActorName NOT IN
(SELECT Name FROM Actors);

Выборка данных II
Movies(Title,Year,Length,FilmType,Studio)
Actors(Name,Address,Gender,Birthdate,Photo)
Studios(Name,Address)
StarsIn(Title,Year,Name)
SELECT DISTINCT
Movies.Title, Std.Name AS StudioName, A.Name AS ActorName
FROM Movies, Studios Std, Actors A, StarsIn S, StarsIn SS
WHERE Movies.Title=S.Title AND Movies.Year=S.Year
AND A.Name=S.Name
AND Movies.Studio=Std.Name
AND NOT (S.Name=SS.Name AND (S.Title<>SS.Title OR
S.Year<>SS.Year))
AND Std.Address NOT LIKE ’%USA’
ORDER BY Movies.Title, Std.Name ASC, A.Name DESC;

Выборка данных III
SELECT Address SELECT Address
FROM Studios, Movies FROM Studios
WHERE Name=Studio WHERE Name=
AND Title=’Indiana Jones’; (SELECT Studio
FROM Movies
WHERE Title=
’Indiana Jones’);
EXISTS (SELECT …) / NOT EXISTS (SELECT …)
IN (SELECT …) / NOT IN (SELECT …)
С операциями сравнения =, <>, <, >, <=, >= применяется:
X > ALL (SELECT …)
X > ANY (SELECT …)

Выборка данных IV
SELECT Address
FROM Studios, (SELECT Studio
FROM Movies
WHERE Title=’Indiana Jones’) Indy
WHERE Name=Indy.Studio;
SELECT NormMovies.*,StarsInMovies.Name,StarsInMovies.Photo,
FROM NormMovies, (SELECT S.Title, S.Year, A.Name, A.Photo
FROM StarsIn S, Actors A
WHERE S.Name=A.Name) StarsInMovies
WHERE NormMovies.Title=StarsInMovies.Title
AND NormMovies.Year =StarsInMovies.Year;

Значения NULL и UNKNOWN
NULL используется, когда:
Значение не является известным на данный момент,
Значение не является применимым в данном контексте,
Значение закрыто для общего доступа.
NULL не является константой и не может быть явно использован в выражениях.
Для проверки, равно ли ли значение NULL, используется специальный предикаты SQL: IS NULL и IS NOT NULL (например, ActorPhoto IS NOT NULL).
Если NULL встречается в арифметических выражениях, то результатом будет NULL. В логических – UNKNOWN.
Логика SQL трехзначная: FALSE (0), TRUE (1), UNKNOWN (½). Интерпретация логических связок: AND – минимум, OR – максимум, NOT – дополнение до единицы.

Операторы агрегирования
SUM, AVG, MIN, MAX – операторы над числовыми атрибутами (сумма, среднее, минимум, максимум).
COUNT – количество записей, которые получены из таблиц, указанных в предложении FROM, и удовлетворяют условию, указанному в предложении WHERE. COUNT(DISTINCT Attr) подсчитывает записи, различающиеся в атрибуте Attr.
Предложение GROUP BY <список атрибутов> позволяет получить группы, в которых значения атрибутов из <список атрибутов> одинаковы, и применить операторы агрегирования в рамках групп. Условие на записи в группе указывается с помощью предложения HAVING.
SELECT Studio, SUM(Length)
FROM Movies
WHERE FilmType=‘bw’
GROUP BY Studio;
HAVING Max(Year)<1960;

Соединения в SQL
T1 CROSS JOIN T2 – декартово произведение таблиц.
T1 NATURAL JOIN T2 – естественное соединение таблиц.
T1 JOIN T2 ON <условие на атрибутах T1 и T2> - тета-соединение таблиц.
T1 NATURAL FULL OUTER JOIN T2,
T1 NATURAL LEFT OUTER JOIN T2,
T1 NATURAL RIGHT OUTER JOIN T2 – внешние соединения.
T1 FULL OUTER JOIN T2 ON <условие>,
T1 LEFT OUTER JOIN T2 ON <условие>,
T1 RIGHT OUTER JOIN T2 ON <условие> – внешние тета-соединения.
Первые три вида соединений можно выразить с помощью SELECT-FROM-WHERE.

Описание схемных ограничений – ключи
Объявление ключей с помощью UNIQUE
может быть несколько;
атрибуты, входящие в такой ключ, могут иметь значение NULL.
Объявление внешних ключей:
CREATE TABLE NormMovies ( CREATE TABLE Actors (
Title CHAR(200), Name CHAR(1000) PRIMARY KEY,
Year INTEGER, ...
... );
PRIMARY KEY (Title, Year)
);
CREATE TABLE StarsIn (
Title CHAR(200),
Year INTEGER,
Name CHAR(1000) REFERENCES Actors(Name),
FOREIGN KEY (Title,Year) REFERENCES NormMoveis(Title,Year),
PRIMARY KEY (Title,Year,Name) );
Стратегии добавления записей, содержащих внешние ключи.