Реляционная модель данных

Из истории РМД
19 августа 1969 года вышла статья Эдгара Кодда посвященная реляционному представлению данных. Т.о. данный подход существует уже более 40 лет
Реляционная модель данных жива и здравствует, и пока что не видно реальных претендентов на ее замену. Возможно, это объясняется отсутствием в настоящее время в сообществе баз данных людей масштаба доктора Кодда, но, скорее всего, просто отсутствуют потребности в других абстрактных средствах представления данных. Все существующие модели происходят из нее и на ее базе.
С другой стороны, современное представление "истинной" реляционной модели данных обеспечивается в работах последних десятилетий Криса Дейта и Хью Дарвена. Не нарушая предписания, сформулированные в первых статьях Эдгара Кодда Дейт и Дарвен предлагают концепцию построения новых СУБД.
Сам термин «реляционная модель» у Кодда появилась только в 1979 году, а понятие модели– только в 1981

Основные понятия РМД
Реляционная модель данных (РМД, relation – отношение, математический термин, обозначающий таблицу) – это теория данных, основанная на некоторых положениях математики (теория множеств и предикативной логики).
Любое предприятие имеет большое количество данных, связанных с его деятельностью (о продукции, о счетах, о планировании, о студентах и др.) Эти данные представляют основные объекты, они связаны между собой отношениями. Поэтому в БД отражаются и объекты и отношения между ними.

Основные принципы РМД
Основные принципы РМД:
представление данных в виде таблиц;
использование стандартных операторов обработки данных, позволяющих генерировать новые таблицы на основе существующих.
РМД характеризуется структурой данных, целостностью и обработкой данных.

Основные понятия РМД
Структура данных связана с несколькими понятиями: отношение – это данные представленные в виде таблицы; таблица состоит из строк и столбцов. Строка таблицы называется кортежем, количество кортежей – кардинальным числом. Столбец – атрибутом, количество атрибутов – степенью. Каждая строка содержит запись БД. Каждая запись одной таблицы содержит равное количество полей. В таблице не должно быть одинаковых записей (кортежей). Каждая запись характеризуется уникальным идентификатором, который называется первичный ключ.

Виды отношений в РМД
Целостность данных обеспечивается наличием ключей и связями, устанавливаемыми между таблицами.
Связи между таблицами устанавливаются на базе следующих возможных типов отношений:
один к одному (о-о);
один ко многим (о-м);
много к одному (м-о);
много ко многим (м-м).

Виды отношений в РМД

Операции над данными
Обработка данных подразумевает совокупность возможных операций над БД.
Следует рассмотреть следующие виды операций:
над строками;
над таблицами (отношениями);
специальные.

Операции над данными в РМД
(на уровне строк)
На уровне строк БД возможно их удаление, обновление, добавление.

Операции над данными в РМД
(на уровне таблиц)
На уровне таблиц – объединение таблиц, пересечение, разность, декартово произведение (над таблицами разной структуры – результат – все возможные сочетания – ненормализованная таблица с полной информацией об объекте). Остальные операции производятся над таблицами одинаковой структуры.

Объединение – новая таблица (отношение) на базе двух существующих, включающая все кортежи, принадлежащие и первому отношению и второму.
Вычитание – возвращает отношение, содержащее все кортежи, которые принадлежат первому и не принадлежат второму
Пересечение – возвращает отношение, содержащее все кортежи, принадлежащие и первому и второму отношениям.
Операции над данными в РМД
(на уровне таблиц)

Произведение декартово – возвращает отношение, содержащее всевозможные кортежи, которые являются сочетанием двух кортежей, принадлежащих двум отношениям.
Произведение декартово – возвращает отношение, содержащее всевозможные кортежи, которые являются сочетанием двух кортежей, принадлежащих двум отношениям.

Операции над данными в РМД (специальные)
Специальные операции – выборка данных, проекция и др.
Выборка – возвращает отношение, содержащее все кортежи, удовлетворяющие определенным условиям.
Проекция – возвращает отношение, содержащее все кортежи существующего отношения после исключения из него некоторых атрибутов.

Нормализация таблиц
При проектировании РБД необходимо обеспечить эффективную работу с данными, поэтому следует организовывать такую структуру, которая позволит:
организовать быстрый доступ к данным;
исключить ненужное повторение данных, которое может являться причиной ошибок при вводе и нерациональное использование дискового пространства;
обеспечить целостность данных так, чтобы при изменении одних данных происходило автоматическое изменение связанных с ними данных.
Процесс уменьшения избыточности данных называется нормализацией таблицы.

Нормализация таблиц
При существенном дублировании данных таблица называется ненормализованной. Из нее можно сформировать несколько нормализованных таблиц и установить между ними связи.
Связи устанавливаются между первичным ключом и совпадающими полями другой таблицы. Первичный ключ однозначно определяет запись в таблице, таким ключом может быть код детали, порядковый номер в списке и т.д. Внешний ключ – это поле, содержащее такой же тип информации в таблице, которая является подчиненной.

Нормализация таблиц
ненормализованная таблица
нормализованные таблицы
Следует различать простое (неизбыточное) и избыточное дублирование данных. Наличие первого допускается в РБД. Второе может приводить к проблемам при обработке данных. Пример избыточного дублирования:

Нормализация таблиц
Существует следующая последовательность нормальных форм:
первая нормальная форма (1НФ);
вторая нормальная форма (2НФ);
третья нормальная форма (3НФ);
нормальная форма Бойса-Кодда (БКНФ);
четвертая нормальная форма (4НФ);
пятая нормальная форма (5НФ)
и еще 2 формы сформулированы в последнее время.
Каждая форма – свод правил и ограничений, которые необходимо соблюсти при формировании таблиц.

Нормализация таблиц

Нормализация таблиц

Достоинства и недостатки РМД
Достоинства РМД:
простота представления данных (таблицы просты для восприятия информации);
минимальная избыточность данных при нормализации таблиц;
универсальность процедур обработки данных.
Недостатки РМД:
фрагментация данных, из-за нормализации таблиц, а в большинстве задач требуется общая картина данных, но эта проблема может быть разрешена через различные средства СУБД – выборку данных в запросах и формирование отчетов на основе данных из различных связанных между собой таблиц.