Реляционная модель данных

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

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

• каждый элемент таблицы - один элемент данных;

• 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.

Пример. Реляционной таблицей можно представить информацию о студентах, обучающихся в вузе.

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.

Одни и те же данные могут группироваться в таблицы различными способами. Группировка атрибутов в таблицах должна быть рациональной, т.е. минимизирующей дублирование данных и упрощающей процедуры их обработки.

Нормализация отношений - формальный аппарат ограничений на формирование отношений (таблиц), который позволяет устранить дублирование, обеспечивает непротиворечивость хранимых в базе данных, уменьшает трудозатраты на ведение (ввод, корректировку) базы данных.

Выделяют пять нормальных форм отношений. Эти формы предназначены для уменьшения избыточности информации от первой до пятой нормальных форм. Поэтому каждая последующая нормальная форма должна удовлетворять требованиям предыдущей формы и некоторым дополнительным условиям. При практическом проектировании баз данных четвертая и пятая формы, как правило, не используются.

Процедуру нормализации рассмотрим на примере проектирования многотабличной БД Продажи, содержащей следующую информацию:

• Сведения о покупателях.

• Дату заказа и количество заказанного товара.

• Дату выполнения заказа и количество проданного товара.

• Характеристику проданного товара (наименование, стоимость, марка).

Таблица 2. Структура таблицы Продажи

Таблицу Продажи можно рассматривать как однотабличную БД. Основная проблема заключается в том, что в ней содержится значительное количество повторяющейся информации. Такая структура данных является причиной следующих проблем, возникающих при работе с БД:

• Приходится тратить значительное время на ввод повторяющихся данных. Например, для всех заказов, сделанных одним покупателем, придется каждый раз вводить одни и те же данные о покупателе.

• При изменении адреса или телефона покупателя необходимо корректировать все записи, содержащие сведения о заказах этого покупателя.

• Наличие повторяющейся информации приведет к неоправданному увеличению размера БД. В результате снизится скорость выполнения запросов. Кроме того, повторяющиеся данные нерационально используют дисковое пространство компьютера.

• Любые нештатные ситуации потребуют значительного времени для получения требуемой информации.

Первая нормальная форма.

Таблица, структура которой приведена в табл.2, является ненормализованной. Таблица в 1НФ должна удовлетворять следующим требованиям:

• Таблица не должна иметь повторяющихся записей.

• В таблице должны отсутствовать повторяющиеся группы полей.

• Строки должны быть не упорядочены.

• Столбцы должны быть не упорядочены.

Для удовлетворения условия 1 значение хотя бы одного поля таблицы для каждой строки таблицы должно быть уникально, т.е. быть ключом. Таблица Продажи не содержит такого ключа, что допускает наличие в таблице повторяющихся записей. Для выполнения условия 1 создадим новое поле Код Клиента.

В таблицах большинства СУБД записи упорядочены, поэтому требование 3 не может быть удовлетворено.

Так как каждый покупатель может сделать несколько заказов, в каждом из которых в свою очередь может заказать несколько товаров, то для выполнения требования 2, необходимо разбить таблицу на три таблицы:

• сведения о клиентах;

• номер и дату заказ клиента, данные о менеджере, обслуживающем заказ;

• код, наименование, количество заказанного товара.

Поэтому разобьем таблицу Продажи на три отдельные таблицы (Клиенты, Заказы и Заказано) и определим Код Клиента в качество совпадающего поля для связывания таблицы Клиенты с таблицей Заказы и Код Заказа – для связывания таблиц Заказы и Заказано. Отметим, что отношение между связываемыми таблицами «один-ко-многим».

Таблица Клиенты содержит данные о клиентах. Определим ключевое поле Код Клиента. Аналогично для таблицы Заказы – ключевое поле Код Заказа. Таким образом, для таблиц Клиенты и Заказы решена проблема повторяющихся групп.

Таблица Заказано содержит сведения о товарах, включенных в заданный заказ. Для исключения повторяющихся записей можно воспользоваться одним из способов:

• Добавить в таблицу новое уникальное ключевое поле Счетчик, что позволит однозначно идентифицировать каждую запись. Это не лучший способ, т.к. в дальнейшем при построении схемы данных не позволит установить связь между таблицами.

• В качестве ключа использовать составной ключ, состоящий из 2 полей Код Заказа и Код Товара (наименование обычно не используется, чтобы не отличались товары Нож, нож, Ножи, т.е. по-разному написанные).

После разделения повторяющихся строк и определения ключей в каждой таблице можно считать, что таблицы Клиенты, Заказы и Заказано находятся в первой нормальной форме.

Вторая нормальная форма.

О таблице говорят, что она находится во второй нормальной форме, если:

• Она удовлетворяет условиям первой нормальной формы.

• Любое неключевое поле однозначно идентифицируется полным набором ключевых полей.

Из приведенного определения видно, что понятие 2НФ применимо только к таблицам, имеющим составной ключ. В нашем примере такой таблицей является Заказано, в которой составной ключ образуют поля Код Заказа и Код Товара. Данная таблица не является таблицей во 2НФ, т.к. поля Наименование, Единица измерения однозначно определяются только одним из ключевых полей – Код Товара.

Для приведения таблицы ко 2НФ выделим из таблицы Заказано таблицу Товары, которая будет содержать информацию о товарах. Для связывания таблиц Заказано и Товары используется поле Код Товара

Третья нормальная форма

О таблице говорят, что она находится во второй нормальной форме, если:

• Она удовлетворяет условиям второй нормальной формы.

• Ни одно из неключевых полей не идентифицируется с помощью другого неключевого поля.

Сведение таблицы к 3НФ предполагает выделение в отдельную таблицу полей, которые не зависят от ключа.

В таблице Заказы поле Фамилия Сотрудника содержит имена менеджеров, которые однозначно определяются значением поля Код Сотрудника и не зависит от Кода Заказа. Следовательно, т.к. неключевое поле (Фамилия сотрудника) однозначно определяется другим неключевым полем (Код Сотрудника), таблица Заказы не является таблицей в 3НФ. Для приведения этой таблицы к 3НФ создадим новую таблицу Сотрудники