Какими свойствами обладает реляционная база данных

РЕЛЯЦИОННАЯ
БАЗА ДАННЫХ И ЕЕ ОСОБЕННОСТИ. ВИДЫ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ РЕЛЯЦИОННЫМИ ТАБЛИЦАМИ

Реляционная
база данных — это совокупность взаимосвязанных таблиц, каждая
из которых содержит информацию об объектах определенного типа. Строка
таблицы содержит данные об одном объекте (например, товаре, клиенте),
а столбцы таблицы описывают различные характеристики этих объектов — атрибутов
(например, наименование, код товара, сведения о клиенте). Записи, т. е.
строки таблицы, имеют одинаковую структуру — они состоят из полей, хранящих
атрибуты объекта. Каждое поле, т. е. столбец, описывает только одну характеристику
объекта и имеет строго определенный тип данных. Все записи имеют одни
и те же поля, только в них отображаются различные информационные свойства
объекта.

В реляционной базе
данных каждая таблица должна иметь первичный ключ — поле или комбинацию
полей, которые единственным образом идентифицируют каждую строку таблицы.
Если ключ состоит из нескольких полей, он называется составным. Ключ должен
быть уникальным и однозначно определять запись. По значению ключа можно
отыскать единственную запись. Ключи служат также для упорядочивания информации
в БД.

Таблицы реляционной
БД должны отвечать требованиям нормализации отношений. Нормализация
отношений
— это формальный аппарат ограничений на формирование таблиц, который
позволяет устранить дублирование, обеспечивает непротиворечивость
хранимых
в базе данных, уменьшает трудозатраты на ведение базы данных.

Пусть создана таблица
Студент, содержащая следу-рэщие поля: № группы, ФИО, № зачетки, дата рождения,
шазвание специальности, название факультета. Такая организация хранения
информации будет иметь ряд недостатков:

• дублирование информации
  (наименование специальности и факультета повторяются для каждого студента),
  следовательно, увеличится объем БД;
• процедура обновления
  информации в таблице затрудняется из-за необходимости редактирования
  каждой записи
  таблицы.

Нормализация таблиц
предназначена для устранения этих недостатков. Имеется три нормальные
формы отношений.

Первая нормальная
форма. Реляционная таблица приведена к первой нормальной форме тогда
и только тогда, когда ни одна из ее строк не содержит в любом своем поле
более одного значения и ни одно из ее ключевых полей не пусто. Так, если
из таблицы Студент требуется получать сведения по имени студента, то поле
ФИО следует разбить на части Фамилия, Имя, Отчество.

Вторая нормальная
форма. Реляционная таблица задана во второй нормальной форме, если
она удовлетворяет требованиям первой нормальной формы и все ее поля, не
входящие в первичный ключ, связаны полной функциональной зависимостью
с первичным ключом. Чтобы привести таблицу ко второй нормальной форме,
необходимо определить функциональную зависимость полей. Функциональная
зависимость полей — это зависимость, при крторой в экземпляре информационного
объекта определенному значению ключевого реквизита соответствует только
одно значение описательного реквизита.

Третья нормальная
форма. Таблица находится в третьей нормальной форме, если она удовлетворяет
требованиям второй нормальной формы, ни одно из ее неключевых полей не
зависит функционально от любого другого неключевого поля. Например, в
таблице Студент (№ группы, ФИО, № зачетной книжки, Дата рождения, Староста)
три поля — № зачетной книжки, № группы, Староста находятся в транзитивной
зависимости. № группы зависит от № зачетной книжки, а Староста зависит
от № группы. Для устранения транзитивной зависимости необходимо часть
полей таблицы Студент перенести в другую таблицу Группа. Таблицы примут
следующий вид: Студент (№ группы, ФИО, № зачетной книжки, Дата рождения),
Группа (№ группы, Староста).

Над реляционными
таблицами возможны следующие операции:

• Объединение таблиц
  с одинаковой структурой. Результат— общая таблица: сначала первая, затем
  вторая (конкатенация).
• Пересечение таблиц
  с одинаковой структурой. Результат — выбираются те записи, которые находятся
  в обеих таблицах.
• Вычитание таблиц
  с одинаковой структурой. Результат — выбираются те записи, которых нет
  в вычитаемом.
• Выборка (горизонтальное
  подмножество). Результат — выбираются записи, отвечающие определенным
  условиям.
• Проекция (вертикальное
  подмножество). Результат — отношение, содержащее часть полей из исходных
  таблиц.
• Декартово произведение
  двух таблиц Записи результирующей таблицы получаются путем объединения
  каждой записи первой таблицы с каждой записью другой таблицы.

Реляционные таблицы
могут быть связаны друг с другом, следовательно, данные могут извлекаться
одновременно из нескольких таблиц. Таблицы связываются между собой для
того, чтобы в конечном счете уменьшить объем БД. Связь каждой пары таблиц
обеспечивается при наличии в них одинаковых столбцов.

Существуют следующие
типы информационных связей:

• один-к-одному;
• один-ко-многим;
• многие-ко-многим.

Связь один-к-одному
предполагает, что одному атрибуту первой таблицы соответствует только
один атрибут второй таблицы и наоборот.

Связь один-ко-многим
предполагает, что одному атрибуту первой таблицы соответствует несколько
атрибутов второй таблицы.

Связь многие-ко-многим
предполагает, что одному атрибуту первой таблицы соответствует несколько
атрибутов второй таблицы и наоборот.

Реляционная СУБД (РСУБД) — СУБД, управляющая реляционными базами данных.

Понятие реляционный (англ. relation — отношение) связано с разработками известного английского специалиста в области систем баз данных Эдгара Кодда (Edgar Codd).

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

• все ячейки в столбце таблицы однородные, то есть все элементы в столбце имеют одинаковый тип (числовой, символьный и т. д.)

• каждый столбец имеет уникальное имя

• одинаковые строки в таблице отсутствуют

• порядок следования строк и столбцов может быть произвольным

Базовыми понятиями реляционных СУБД являются:

• атрибут

• отношение

• кортеж

Отношение — фундаментальное понятие реляционной модели данных. По этой причине модель и называется реляционной (от английского relation — отношение).
Отношение имеет простую графическую интерпретацию, оно может быть представлено в виде таблицы, столбцы (поля, атрибуты) которой соответствуют вхождениям доменов в отношение, а строки (записи) — наборам из n значений, взятых из исходных доменов. Число строк (кортежей) n, называют кардинальным числом отношения (кардинальностью),или мощностью отношения.

Такая таблица обладает рядом свойств:

• В таблице нет двух одинаковых строк.

• Таблица имеет столбцы, соответствующие атрибутам отношения.

• Каждый атрибут в отношении имеет уникальное имя.

• Порядок строк в таблице произвольный.

Под атрибутом здесь понимается вхождение домена в отношение. Строки отношения называются кортежами.

Далее следует формализованное определение введённых понятий.

• Заголовок Hr (или схема) отношения r — конечное множество упорядоченных пар вида <A, T>, где A называется именем атрибута, а T обозначает имя некоторого базового типа или ранее определенного домена, то есть множества допустимых значений. По определению требуется, чтобы все имена атрибутов в заголовке отношения были различны.

• Кортеж tr, соответствующий заголовку Hr — множество упорядоченных триплетов вида <A, T, v>, по одному такому триплету для каждого атрибута в Hr. Третий элемент – v – триплета <A, T, v> должен являться допустимым значением типа данных или домена T. Замечание: так как имена атрибутов уникальны, то указание домена в кортеже излишне.

• Тело Br отношения — неупорядоченное множество различных кортежей tr.

• Значением Vr отношения r называется пара множеств Hr и Br.

Полезно также понятие первичного ключа — это такой набор атрибутов, который однозначно определяет кортеж и минимален среди всех своих подмножеств (то есть нельзя убрать ни один из атрибутов). При добавлении новых записей первичный ключ обязан оставаться первичным ключом (например, неверным будет использование в качестве первичного ключа набора Имя + Отчество + Фамилия сотрудника, даже если на момент создания таблицы полных тёзок среди заносимых в неё людей не было).

НОРМАЛИЗАЦИЯ РЕЛЯЦИОННОЙ БД

Нормальная форма — свойство отношения в реляционной модели данных, характеризующее его с точки зрения избыточности, которая потенциально может привести к логически ошибочным результатам выборки или изменения данных.

Нормальная форма определяется как совокупность требований, которым должно удовлетворять отношение. Процесс преобразования отношений базы данных к виду, отвечающему нормальным формам, называется нормализацией.

Нормализация предназначена для приведения структуры базы данных к виду, обеспечивающему минимальную логическую избыточность, и не имеет целью уменьшение или увеличение производительности работы или же уменьшение или увеличение физического объёма БД.

Конечной целью нормализации является уменьшение потенциальной противоречивости хранимой в БД информации. Общее назначение процесса нормализации заключается в следующем:

• исключение некоторых типов избыточности;

• устранение некоторых аномалий обновления;

• разработка проекта базы данных, который является достаточно «качественным» представлением реального мира, интуитивно понятен и может служить хорошей основой для последующего расширения;

• упрощение процедуры применения необходимых ограничений целостности.

Устранение избыточности производится, как правило, за счёт декомпозиции отношений таким образом, чтобы в каждом отношении хранились только первичные факты (то есть факты, не выводимые из других хранимых фактов).

При том, что идеи нормализации весьма полезны для проектирования баз данных, они отнюдь не являются универсальным или исчерпывающим средством повышения качества БД. Это связано с тем, что существует слишком большое разнообразие возможных ошибок и недостатков в структуре БД, которые нормализацией не устраняются.

Несмотря на эти рассуждения, теория нормализации является очень ценным достижением реляционной теории и практики, поскольку она даёт научно строгие и обоснованные критерии качества проекта БД и формальные методы для усовершенстования этого качества. Этим теория нормализации резко выделяется на фоне чисто эмпирических подходов к проектированию, которые предлагаются в других моделях данных.

Более того, можно утверждать, что во всей сфере информационных технологий практически отсутствуют методы оценки и улучшения проектных решений, сопоставимые с теорией нормализации реляционных баз данных по уровню формальной строгости.

ПЕРВАЯ НОРМАЛЬНАЯ ФОРМА (1NF)

Отношение находится в первой нормальной форме (1НФ) тогда и только тогда, когда в любом допустимом значении отношения каждый его кортеж содержит только одно значение для каждого из атрибутов.
В реляционной модели отношение всегда находится в первой нормальной форме по определению понятия отношение. Что же касается различных таблиц, то они могут не быть правильными представлениями отношений и, соответственно, могут не находиться в 1НФ.

ВТОРАЯ НОРМАЛЬНАЯ ФОРМА (2NF)

Отношение находится во второй нормальной форме, если оно находится в первой нормальной форме, и при этом любой его атрибут, не входящий в состав потенциального ключа, функционально полно зависит от каждого потенциального ключа.

Функционально полная зависимость означает, что атрибут функционально зависит от всего составного потенциального ключа, но при этом не находится в функциональной зависимости от какой-либо из входящих в него частей. Или другими словами: в 2NF нет неключевых атрибутов, зависящих от части составного потенциального ключа.

Второе важное значение второй нормальной формы состоит в том, что она по определению запрещает наличие неключевых атрибутов, которые вообще не зависят от потенциального ключа. Таким образом, 2NF запрещает создавать отношения как несвязанные (хаотические, случайные) наборы атрибутов.

ТРЕТЬЯ НОРМАЛЬНАЯ ФОРМА (3NF)

Отношение находится в 3NF тогда и только тогда, когда выполняются следующие условия:

• Отношение находится во второй нормальной форме;

• Каждый неключевой атрибут отношения находится в нетранзитивной (то есть прямой) зависимости от потенциального ключа.

Таким образом, отношение находится в 3NF тогда и только тогда, когда оно находится во 2NF и отсутствуют транзитивные зависимости неключевых атрибутов от ключевых. Транзитивной зависимостью неключевых атрибутов от ключевых называется следующая: {A} → {B} и {B} → {C}, где {A} — потенциальный ключ, {B} и {С} — различные множества неключевых атрибутов.