Реляционная модель баз данных

Реляционная база данных, разработанная Э.Ф. Коддом (Е. F. Codd) в 1970 г., – это конечный набор конечных отношений (таблиц) вида рис. 10.3,б. Над отношениями можно осуществлять различные алгебраические операции. Тем самым теория реляционных баз данных становится областью приложения математической логики и современной алгебры и опирается на точный математический формализм.

Каждое отношение имеет свое имя; столбцы отношения соответствуют тому или иному атрибуту, имеющему имя и значения. Элементы отношения, соответствующие одной строке, составляют кортеж отношения (рис. 10.3, б). Арность кортежа – число значений атрибутов в кортеже, т.е. число атрибутов в отношении [7,13, 31].

Схема отношения – список имен атрибутов вместе с именем отношения; так, для рис. 10.3,а схема отношения – ТРАНЗИСТОРЫ (p, Iк max, Pк, Cк), для рис. 10.3, б – ИМЯ ОТНОШЕНИЯ (A, B, С, D).

Домен – множество значений атрибутов (в том числе и только одного атрибута – один столбец). Вообще столбцы не обязательно являются поименованными, а порядок следования элементов в картежах также несущественен.

Существует три подхода к анализу реляционных БД и формированию запросов в них: реляционная алгебра, реляционное исчисление на переменных-кортежах и реляционное исчисление на переменных-доменах.

В реляционных базах данных основные операции – включение, удаление, модификация и запрос данных – применяются к кортежам и доменам.

Для осуществления операции включения данных задаются новый кортеж и отношение, в которое он должен быть включен. Тогда значения нового кортежа образуют ключ файла включения данных.

При удалении данных должны быть заданы отношение и значения атрибутов, образующих ключ удаляемых кортежей.

При модификации данных задаются отношение, значения атрибутов ключа и новые значения для применяемых атрибутов. Преобразуются ключевые значения в значения полей. К файлу применяется процедура модификации.

Запрос в реляционных базах данных может быть сформулирован к одному или нескольким отношениям (таблицам). Например имеется запрос: указать типы всех транзисторов и их Pк, для которых Ск > 15 пФ. Тогда значение атрибута Ск = 15 пФ. Затем на печать выдается новый файл-отношение "Тип транзистора, Рк, β". Могут быть более сложные запросы: например, определить мощности рассеивания транзисторов, для которых β 40, Iк max > 2а, Ск < 150 пФ и т. д. Тогда эти значения составляют ключ, и по ним составляется новое отношение Рк.

Все эти запросы реализуются с помощью специальных языков манипулирования данными, ряд из которых основан на реляционной алгебре.

Основные операции реляционной алгебры приведены в табл. 11.1. В ней даны исходные отношения, результаты операций, а также в ряде случаев теоретико-множественное представление операций. Первые пять операций являются основными, остальные – дополнительные, которые могут быть выражены через пять основных.

Объединение отношений R S – это множество кортежей (отношений), принадлежащих отношениям R, S или им обоим; отношения R и S должны иметь одинаковую арность.

Разность отношений R – S – множество кортежей, принадлежащих R, но не принадлежащих S. Отношения R и S также должны иметь одинаковую арность.

Декартово произведение отношений R x S – одна из основных операций по затратам машинного времени при формировании запросов к реляционной БД. При умножении отношений к каждому кортежу первого отношения (R) присоединяется каждый кортеж второго отношения (S) – конкатенация кортежей; при этом отношения R и S могут иметь одинаковую или различную арность. При декартовом умножении арности исходных отношений складываются, а количества кортежей – перемножаются.

Проекция отношения R[X,Y (R)] – операции выборки по столбцам (атрибутам), приведенным в обозначении проекции.

Например, C,A (R) — отношение, составленное из атрибутов С и А отношения R; 2,3 (R) — отношение, составленное из 2-го и 3-го атрибутов отношения R, при этом арность проекции равна числу имен в ее обозначении.

Селекция отношения R [σF (R)] — операция выборки по строкам (кортежам), удовлетворяющим формуле F. В формулу входят операнды, являющиеся константами или номерами (именами) атрибутов, арифметические операторы сравнения: <, =, >, , , и логические операторы (И), (ИЛИ), (НЕ).

Например, σB="f"(R) обозначает множество кортежей, в которых компоненты атрибута В равны f, или σ2>3D=A(R) обозначает множество кортежей, в которых компоненты 2-го атрибута больше компонентов 3-го атрибута и одновременно равны компоненты атрибутов А и D).

Пересечение отношений RS есть краткая запись для отношения R – (R – S) и обозначает множество кортежей, принадлежащих одновременно R и S.

Частное отношений — множество кортежей, содержащих r – s первых компонентов кортежей отношения R, в которых остальные (s) компонентов принадлежат отношению S.

Соединение (θ-соединение) отношений — это селекция (с формулой θ) декартова произведения отношений R и S:

В частности, означает, что сначала надо выполнить декартово произведение отношений R и S, а затем в новом отношении выполнить селекцию по формуле А < D.

Эквисоединение отношений — это θ-соединение, если в формуле θ используются только равенства (см. таблицу 11.1, строку 9).

Естественное соединение — это эквисоединение, которое выполняется для атрибутов отношений R и S с одинаковыми именами (см таблицу 11.1, строку 10). Так как для указанных атрибутов имена и значения полностью совпадают, то один из них в каждой паре в результирующем отношении устраняют. Естественное соединение — одна из основных операций при формировании запросов к реляционной БД.

Композиция отношений — это проекция θ-соединения или проекции селекции декартова произведения. По сути, естественное соединение — тоже частный случай композиции. Декомпозиция отношений — это операция, обратная композиции, т. е. восстановление двух отношений из одного, естественное соединение которых образует исходное отношение.

В терминах реляционной алгебры легко записываются запросы к реляционной базе данных. Если задано несколько отношений, то запрос выражается в виде операции композиции к этим отношениям. Однако формальное применение композиции — последовательное применение декартова произведения всех отношений, селекции и проекции — приводит к неоправданным затратам машинного времени. Поскольку арность и число кортежей в исходных отношениях могут быть велики (десятки, сотни), нецелесообразно формировать сначала все декартово произведение, а только затем применять селекцию и проекцию. Так, если два отношения имеют по n кортежей и время доступа к каждой записи — t0, то общее время доступа к памяти для формирования полного декартова произведения Tдоступа = n2t0. Если n = 104, t0 = 10 мс, то Tдоступа = 106 11,5 сут. Поэтому с целью экономии машинного времени необходимо выполнять предварительную оптимизацию запросов к реляционной базе данных. Общая стратегия оптимизации заключается в следующем:

выполнять селекции и проекции как можно раньше до декартова умножения (с целью сокращения арности и количества кортежей);

собирать в каскады селекции и проекции, чтобы выполнять их за один просмотр файла;

обрабатывать (сортировать, индексировать) файлы перед выполнением соединения;

комбинировать проекции с предшествующими или последующими двуместными операциями.

Для осуществления этой стратегии применяются эквивалентные выражения реляционной алгебры, приведенные в табл. 11.2. Законы коммутативности и ассоциативности означают произвольный выбор в очередности соединений и умножений. При перестановках проекции или селекции с декартовым произведением следует обращать внимание на принадлежность тех или иных имен атрибутов к исходным отношениям.

Таблица 11.2. Эквивалентные выражения реляционной алгебры