Bazy danych – model relacyjny

Prezentacja na temat: "Bazy danych – model relacyjny"— Zapis prezentacji:

1 Bazy danych – model relacyjny
Andrzej Macioł

2 Modele danych Model konceptualny – spojrzenie na dane jako całość, model najbardziej stabilny, powinien on być podstawą, na której opierać się będzie przetwarzanie danych Model wewnętrzny, niskiego poziomu – opisuje sposób przechowywania danych w pamięci komputerów i przedstawia formaty rekordów czy ścieżki dostępu, modelami takimi są metody adresowania, struktury łańcuchowe i pierścieniowe

3 Modele danych Modele użytkowe – stanowią podstawę do budowy systemu informatycznego: hierarchiczny sieciowy relacyjny obiektowy

4 Model hierarchiczny Każdy element zwany rekordem może uczestniczyć w roli podrzędnej w co najwyżej jednym powiązaniu rekordów, w roli nadrzędnej w dowolnej liczbie powiązań Rekord podrzędny nie może istnieć bez rekordu nadrzędnego

5 Więzi w modelu hierarchicznym
KodPojazdu Nazwa Typ 1 Accent kombi KodPojazdu KodCzęści NazwaCzęści 1 silnik V6 KodPojazdu KodCzęści NazwaCzęści 1 2 szkrzynia biegów

6 Model sieciowy Każdy rekord może jednocześnie uczestniczyć w wielu powiązaniach rekordów Rekord taki może równocześnie i wielokrotnie wystąpić w roli nadrzędnej oraz w roli podrzędnej, powiązania realizowane są przez rekordy specjalne zwane łącznikami

7 Więzi w modelu sieciowym
KodPojazdu Nazwa Typ 1 Accent kombi KodPojazdu Nazwa Typ 1 Getz cupe KodPojazdu KodCzęści NazwaCzęści 1 2 szkrzynia biegów

8 Modele obiektowy Wymaga istnienia trwałych obiektów, obiekty te pozostają zapisane w pamięci pomocniczej przed i po wykonaniu programów Obiekty mogą komunikować się bezpośrednio z użytkownikiem lub z innymi obiektami przez przesyłanie komunikatów, obiekty posiadają identyfikator, co umożliwia tworzenie powiązań między nimi Obiekt jest to abstrakcja czegoś w dziedzinie problemu, który odzwierciedla zdolność systemu do przechowywania informacji o tym lub interakcji z tym czymś

9 Relacyjny model danych
Relacyjny model danych jest obecnie najbardziej popularnym modelem używanym w systemach baz danych. Podstawą tego modelu stała się praca opublikowana przez E.F. Codda w 1970r. W pracy „Relacyjny model logiczny dla dużych banków danych” Codd zaprezentował założenia relacyjnego modelu baz danych, model ten oparł na teorii mnogości i rachunku predykatów pierwszego rzędu.

10 Postulaty Codda Postulat informacyjny – dane są reprezentowane jedynie poprzez wartości atrybutów w wierszach tabel, Postulat dostępu – każda wartość w bazie danych jest dostępna poprzez podanie nazwy tabeli, atrybutu oraz wartości klucza podstawowego, Postulat dotyczący wartości NULL – dostępna jest specjalna wartość NULL dla reprezentacji wartości nieokreślonej jak i nieadekwatnej, inna od wszystkich i podlegająca przetwarzaniu

11 Postulaty Codda Postulat dotyczący katalogu – wymaga się, aby system obsługiwał wbudowany katalog relacyjny z bieżącym dostępem dla uprawnionych użytkowników używających języka zapytań

12 Postulaty Codda Postulat języka danych – system musi dostarczać pełnego języka przetwarzania danych, który może być używany w trybie interaktywnym jak i w obrębie programów aplikacyjnych, obsługuje operacje definiowania danych, operacje manipulowania danymi, ograniczenia związane z bezpieczeństwem i integralnością oraz operacje zarządzania transakcjami,

13 Postulaty Codda Postulat modyfikowalności perspektyw – system musi umożliwiać modyfikowanie perspektyw, o ile jest ono (modyfikowanie) semantycznie realizowalne, Postulat modyfikowalności danych – system musi umożliwiać operacje modyfikacji danych, musi obsługiwać operatory INSERT, UPDATE oraz DELETE, Postulat fizycznej niezależności danych – zmiany fizycznej reprezentacji danych i organizacji dostępu nie wpływają na aplikacje,

14 Postulaty Codda Postulat logicznej niezależności danych – zmiany wartości w tabelach nie wpływają na aplikacje, Postulat niezależności więzów spójności – więzy spójności są definiowane w bazie i nie zależą od aplikacji,

15 Postulaty Codda Postulat niezależności dystrybucyjnej – działanie aplikacji nie zależy od modyfikacji i dystrybucji bazy, Postulat bezpieczeństwa względem operacji niskiego poziomu – operacje niskiego poziomu nie mogą naruszać modelu relacyjnego i więzów spójności.

16 Podstawowe pojęcia Relacja jest podzbiorem iloczynu kartezjańskiego dziedzin A1, A2,..An. Iloczyn kartezjański oznacza się następująco: A1 A2 An Zawiera on n-tki (a1, a2,..an) nazywane krotkami takie, że a1A1, a2 A2,... dn An

17 Podstawowe pojęcia Niech A1 = [a,b,c], A2 =[x,y]
Wtedy A1  A2 = {(a,x), (a,y), (b,x), (b,y), (c,x), (c,y)} Przykłady relacji, które są podzbiorami iloczynu kartezjańskiego A1 A2 : X = {(a,x), (b,x), (c,x)} Y = {(a,x), (a,y), (b,y)} Analogicznie jak dla iloczynu kartezjańskiego elementy relacji są nazywane krotkami

18 Baza danych - relacja Rozważmy relację, której atrybutami są nazwisko, imię, wiek. Relację tę można zapisać następująco: PRAC <nazwisko, imię, wiek>, gdzie PRAC jest nazwą danej relacji. A oto trzy krotki relacji PRAC: <Kowalski, Jan, 36> <Tomaszewski, Wojciech, 40> <Wiśniewski, Marek, 50>.

19 Zasady spełnione dla każdej relacji
Każda relacja w bazie danych ma jednoznaczną nazwę, Każda kolumna w relacji ma jednoznaczną nazwę w ramach jednej relacji, Wszystkie wartości w kolumnie muszą być tego samego typu,

20 Zasady spełnione dla każdej relacji
Porządek kolumn w relacji nie jest istotny, Każdy wiersz w relacji musi być różny, Porządek wierszy nie jest istotny, Każde pole leżące na przecięciu kolumny/wiersza w relacji powinno zawierać wartość atomową

21 Schemat relacji Schematem relacji R o danych atrybutach A1, A2,…, An takiej, że R  D1  D2 … Dn nazywamy ciąg (A1, A2,…, An). W celu jawnej specyfikacji schematu relacji R piszemy R(A1, A2,…, An)

22 Reprezentacja tablicowa relacji
. . . Aj An e1 e2 . ei em d1,1 d2,1 di,1 dm,1 d1,2 d2,2 d1,j d2,j di,j dm,j D1,n d2,n di,n dm,n

23 Zbiór identyfikujący relacji
zbiór atrybutów który jednoznacznie identyfikuje wszystkie krotki w relacji R w żadnej relacji o schemacie R nie mogą istnieć dwie krotki t1 i t2 takie, że t1[S]=t2[S]

24 Zbiór identyfikujący relacji

25 Klucz Minimalny zbiór identyfikujący
Taki zbiór atrybutów relacji, których kombinacje wartości jednoznacznie identyfikują każdą krotkę tej relacji a żaden podzbiór tego zbioru nie posiada tej własności W kluczu nie może zawierać się wartość Null

26 Klucz

27 Klucz Klucz jest kluczem prostym, jeżeli powyżej opisany zbiór jest jednoelementowy - w przeciwnym razie mówimy o kluczu złożonym W ogólności, w relacji można wyróżnić wiele kluczy, które nazywamy kluczami potencjalnymi. Wybrany klucz spośród kluczy potencjalnych nazywamy kluczem głównym (Primary Key PK)

28 Zależność funkcjonalna
Atrybut B relacji R jest funkcjonalnie zależny od atrybutu A jeżeli dowolnej wartości a atrybutu A odpowiada nie więcej niż jedna wartość b atrybutu B

29 Zależność funkcjonalna

30 Zależność funkcjonalna
Niech X i Y będą podzbiorami zbioru atrybutów relacji R X{A1...AN}, Y{A1...AN} podzbiór atrybutów Y zależy funkcyjnie od podzbioru atrybutów X, jeżeli nie jest możliwe, by relacja R zawierała dwie krotki mające składowe zgodne tzn. identyczne dla wszystkich atrybutów ze zbioru X i jednocześnie co najmniej jedną niezgodną składową dla atrybutów ze zbioru Y

31 Zależność funkcjonalna

32 Zależność funkcjonalna
Zbiór atrybutów Y jest w pełni funkcjonalnie zależny od zbioru atrybutów X w schemacie R, jeżeli: i nie istnieje takie, że

33 Zależność funkcjonalna
Zbiór atrybutów Y jest częściowo funkcjonalnie zależny od zbioru atrybutów X w schemacie R, jeżeli: i istnieje takie, że

34 Zależność częściowa i pełna

35 Zależność funkcjonalna
Niech X, Y i Z będą trzema rozłącznymi podzbiorami atrybutów danej relacji Z jest przechodnio funkcjonalnie zależny od X, jeśli Z jest funkcjonalnie zależny od Y i Y jest funkcjonalnie zależny od X natomiast X nie jest zależny od Y i Y nie jest zależny od Z

36 Zależność przechodnia

37 Zależność wielowartościowa
Podzbiór atrybutów Y jest wielowartościowo funkcjonalnie zależny od podzbioru X w schemacie R, jeżeli dla dowolnej relacji r w schemacie R i dla dowolnej pary krotek t1 i t2 z relacji r istnieje taka para krotek że: s1[X]=s2[X]=t1[X]=t2[X] i s1[Y]= t1[Y] i s1[R-X-Y]=t2[R-X-Y] i s2 [Y]= t2[Y] i s2 [R-X-Y]=t1[R-X-Y]

38 Zależność wielowartościowa
X Y R-X-Y krotka Nazwisko Imię dziecka Znajomość języków t1 Kot Ania niemiecki t2 Jaś angielski s1 s2 Słoń Ola

39 Zależność wielowartościowa
t1[X]=t2[X]=s1[X]=s2[X]=(Kot) s1[Y]= t1[Y]=(Ania) i s1[R-X-Y]=t2[R-X-Y]=(angielski) i s2 [Y]= t2[Y]=(Jaś) i s2 [R-X-Y]=t1[R-X-Y]=(niemiecki)

40 Dekompozycja schematu
zastępujemy zbiorem (niekoniecznie rozłącznych) schematów relacji takich, że każdy schemat Ri stanowi podzbiór zbioru atrybutów i

41 Dekompozycja schematu
W schemacie występuje połączeniowa zależność funkcjonalna wtedy i tylko wtedy gdy istnieje możliwość takiej dekompozycji relacji r na relacje r1, r2,..., rn, że można ją zrekonstruować przy pomocy operacji połączenia

42 Dekompozycja schematu
połączeniowa zależność funkcjonalna wynika z zależności atrybutów schematu R od klucza wtedy i tylko wtedy gdy w dowolnej sekwencji połączeń relacji składowych w celu rekonstrukcji relacji r operacja wykonywana jest względem zbioru identyfikującego schematu R

43 Pierwsza postać normalna
Jedynymi relacjami dozwolonymi w modelu relacyjnym są relacje spełniające następujący warunek: każda wartość w relacji, tj. każda wartość atrybutu w każdej krotce, jest wartością atomową (wartością nie rozkładalną) (lPN) oznacza, że tabela nie zawiera powtarzających się grup informacji, co znaczy, że każda kolumna jest wartością skalarną (atomową), a nie macierzą lub listą czy też czymkolwiek, co posiada własną strukturę

44 Relacja nie znormalizowana
Pracownik Języki Jan Kowalski angielski – słabo, niemiecki - dobrze Adam Kot rosyjski – bardzo dobrze

45 Relacja nie znormalizowana
Pracownik Znajomość języków Język Poziom Jan Kowalski angielski słabo niemiecki dobrze Adam Kot rosyjski bardzo dobrze

46 Relacja nie znormalizowana
Relację "przed normalizacją" zdefiniowano na dwóch dziedzinach: Pracownik i Znajomość Języków Elementami dziedziny Znajomość Języków są również relacje (zdefiniowane na dziedzinach Język i Poziom) Relacja jest z punktu widzenia definicji relacją dwuczłonową, ale nie wszystkie jej dziedziny są proste (dziedzina prosta to taka, której wszystkie elementy są atomowe)

47 Relacja znormalizowana
Pracownik Język Poziom Jan Kowalski angielski słabo niemiecki dobrze Adam Kot rosyjski bardzo dobrze

48 Relacja znormalizowana
Relacja jest relacją trójczłonową, której wszystkie dziedziny są proste, jest więc znormalizowana Powodem tego jest uproszczenie struktury danych, które z kolei powoduje uproszczenie operatorów w subjęzyku danych Uproszczenia te nie ograniczają w niczym możliwości reprezentowania obiektów

49 Relacja znormalizowana - nieporozumienia
Pracownik Imię dziecka Data ur. dziecka Kowalski Ania Jaś Kot Patrycja Filemon

50 Relacja znormalizowana - nieporozumienia
Praco-wnik Imię dziecka1 Data ur. dziecka1 Imię dziecka2 Data ur. dziecka2 Kowal-ski Ania Jaś Kot Patrycja Filemon

51 Pierwsza postać normalna
Przedmiot Prowadzący Student Ocena matematyka prof. Lis Jak Kot 2,0 Ewa Osa 3,0 Adam Struś 5,0

52 Pierwsza postać normalna
Powtarzająca się grupa danych to podzbiór relacji zawierający co najmniej dwa atrybuty, posiadająca własny klucz prosty, w którym istnieją powtarzające się krotki Powtarzanie się takich samych krotek wymuszone jest faktem, że mamy do czynienia z grupą dla której część atrybutów jest strukturą a nie wartością skalarną

53 Pierwsza postać normalna
Przedmiot Student Ocena matematyka Jak Kot 2,0 Ewa Osa 3,0 Adam Struś 5,0 Przedmiot Prowadzący matematyka prof. Lis

54 Anomalie przy usuwaniu, wstawianiu i aktualizacji
Pracownik PESEL Komórka organizacyjna Stanowisko Zadania Jan Kowalski Dział Kadr kierownik kierowanie nadzór analizy Adam Kot referent sprawozdania Ewa Lis

55 Anomalie przy usuwaniu, wstawianiu i aktualizacji
Reorganizacja polegająca na likwidacji Działu Kadr spowoduje utratę informacji o wszystkich pracownikach działu Wprowadzając informację o nowym zadaniu dla referenta Działu Kadr musimy ją wprowadzić dla każdego pracownika na tym stanowisku (anomalia przy wstawianiu) Zmieniając nazwę działu na Dział Personalny musimy zaktualizować wszystkie rekordy (anomalia przy aktualizacji)

56 Druga postać normalna Relacja jest w drugiej postaci normalnej, jeśli każdy atrybut tej relacji nie wchodzący w skład żadnego klucza potencjalnego jest w pełni funkcyjnie zależny wyłącznie od wszystkich podrelacji klucza głównego

57 Ta relacja nie jest w drugiej postaci normalnej
Pracownik PESEL Komórka organizacyjna Stanowisko Zadania Jan Kowalski Dział Kadr kierownik kierowanie nadzór analizy Adam Kot referent sprawozdania Ewa Lis

58 Ta relacja nie jest w drugiej postaci normalnej bo:
kluczem w relacji jest podzbiór atrybutów PESEL i Zadania bo powtórzenie krotki o dwóch identycznych wartościach tych atrybutów wskazywałoby na powtórne przydzielenie tego samego zadania tej samej osobie atrybut Pracownik zależy funkcjonalnie od atrybutu PESEL a nie zależy od atrybutu Zadania (mogą się powtórzyć te same zadania przydzielone różnym pracownikom)

59 Pracownik PESEL Jan Kowalski Adam Kot Ewa Lis PESEL Komórka organizacyjna Stanowisko Dział Kadr kierownik referent Komórka organizacyjna Stanowisko Zadania Dział Kadr kierownik kierowanie nadzór analizy referent sprawozdania

60 Trzecia postać normalna
Relacja jest w trzeciej postaci normalnej, jeśli: jest w drugiej postaci normalnej żaden atrybut nie będący kluczem nie jest funkcjonalnie związany z żadnym innym atrybutem nie będącym również kluczem

61 Ta relacja nie jest w trzeciej postaci normalnej
Pracownik PESEL KodPocztowy Miejscowość Województwo Jan Kowalski 32-082 Bolechowice małopolskie Adam Kot 30-150 Kraków Ewa Lis

62 Zależność funkcjonalna przechodnia
Niech X, Y i Z będą trzema rozłącznymi podzbiorami atrybutów danej relacji Z jest przechodnio funkcjonalnie zależny od X, jeśli Z jest funkcjonalnie zależny od Y i Y jest funkcjonalnie zależny od X natomiast X nie jest zależny od Y i Y nie jest zależny od Z

63 Forma normalna Boyce-Codd’a
Jest uzupełnieniem trzeciej postaci normalnej i jest niezbędna w przypadku gdy atrybuty będące kandydatami na klucze są: wielokrotne, złożone, nakładające się na siebie

64 Forma normalna Boyce’a-Codd’a
Relacja jest w postaci Boyce-Codd’a jeżeli dla każdej nietrywialnej zależności między podzbiorami relacji zbiór będący wyznacznikiem jest zbiorem identyfikującym tej relacji Zależność X →Y jest trywialna jeżeli Y jest podzbiorem X Definicja BCNF zastępuje definicje, pierwszej, drugiej i trzeciej formy normalnej dodatkowo je poszerzając

65 Forma normalna Boyce-Codd’a
IdPracownika Zawód Wykształcenie Stawka 1 ślusarz podstawowe 5,20 tokarz zawodowe 5,30 2 5,50 3 4 kluczem w relacji jest podzbiór IdPracownika, Zawód zależność Zawód, Wykształcenie  Stawka jest funkcjonalna i nietrywialna a Zawód, Wykształcenie nie jest zbiorem identyfikującym

66 Forma normalna Boyce-Codd’a
IdStudenta Seminarium Opiekun 1 marketing Kowalski kadry Kozłowski 2 Janowski 3 4 informatyka Macioł ponieważ opiekun może mieć tylko jedno seminarium to kluczem w relacji jest podzbiór IdStudenta, Seminarium lub IdStudenta, Opiekun zależność Opiekun  Seminarium jest funkcjonalna i nietrywialna a Opiekun nie jest zbiorem identyfikującym

67 Czwarta forma normalna
Relacja jest w czwartej formie normalnej wtedy i tylko wtedy, gdy jest w trzeciej postaci normalnej i nie zawiera wielowartościowej zależności atrybutów

68 Zależność wielowartościowa
Podzbiór atrybutów Y jest wielowartościowo funkcjonalnie zależny od podzbioru X w schemacie R, jeżeli dla dowolnej relacji r w schemacie R i dla dowolnej pary krotek t1 i t2 z relacji r istnieje taka para krotek że: s1[X]=s2[X]=t1[X]=t2[X] i s1[Y]= t1[Y] i s1[R-X-Y]=t2[R-X-Y] i s2 [Y]= t2[Y] i s2 [R-X-Y]=t1[R-X-Y]

69 Zależność wielowartościowa
X Y R-X-Y krotka Nazwisko Imię dziecka Znajomość języków t1 Kot Ania niemiecki t2 Jaś angielski s1 s2 Słoń Ola

70 Zależność wielowartościowa
t1[X]=t2[X]=s1[X]=s2[X]=(Kot) s1[Y]= t1[Y]=(Ania) i s1[R-X-Y]=t2[R-X-Y]=(angielski) i s2 [Y]= t2[Y]=(Jaś) i s2 [R-X-Y]=t1[R-X-Y]=(niemiecki)

71 Więzi Więź (ang. relationship) to powiązanie pomiędzy parą tabel. Istnieje ona wtedy, gdy dwie tabele są połączone przez klucz podstawowy i klucz obcy. Każda więź jest opisywana przez typ więzi istniejący między dwoma tabelami, typ uczestnictwa oraz stopień uczestnictwa tych tabel

72 Typy więzi jeden-do-jednego (jeżeli pojedynczemu rekordowi z pierwszej tabeli przyporządkowany jest najwyżej jeden rekord z drugiej tabeli i na odwrót)

73 Więź jeden-do-jednego

74 Typy więzi jeden-do-wielu (jeżeli pojedynczemu rekordowi z pierwszej tabeli może odpowiadać jeden lub więcej rekordów z drugiej, ale pojedynczemu rekordowi z drugiej tabeli odpowiada najwyżej jeden rekord z tabeli pierwszej)

75 Więź jeden-do-wielu

76 Więzi identyfikujące Klucz obcy, który jest składnikiem złożonego klucza głównego w relacji zależnej określany jest mianem klucza obcego głównego (Primary Foreign Key) a tak zbudowana więź więziom identyfikującą

77 Więź jeden-do-wielu (identyfikująca)

78 Obcy klucz główny (IdPracownika)
Rok Miesiac IdPracownika LiczbaGodzin 2005 01 1 160 2 150 02 140 Taki wiersz nie może się pojawić

79 Więź wiele-do-wielu (dane)
IdAgregatu Agregat Data IdPracownika Nazwisko Godziny 1 Piła Kowalski 4 2 Lis Tokarka 3 Kot 8 6

80 Więź wiele-do-wielu Na jednym agregacie mogą pracować różni pracownicy, np. na agregacie Piła 10. marca pracowało dwóch pracowników Jeden pracownik może pracować na wielu agregatach, np. Kowalski pracował 10. marca na Pile i Tokarce)

81 Więź wiele-do-wielu

82 Więź wiele-do-wielu (po rekonstrukcji)
IdAgregatu Data IdPracownika Godziny 1 4 2 3 8 6

83 Typy uczestnictwa obowiązkowy (jeśli w pierwszej tabeli muszą znajdować się pewne rekordy zanim zaczniemy wprowadzać rekordy do tabeli drugiej) opcjonalny (jeśli wprowadzanie rekordów do tabeli drugiej nie wymaga istnienia żadnych rekordów w tabeli pierwszej). Stopień uczestnictwa określa minimalną i maksymalną liczbę rekordów w jednej tabeli, które można powiązać z pojedynczym rekordem w tabeli drugiej.

84 Opcjonalny typ uczestnictwa

85 Klucz sztuczny Klucz stworzony wyłącznie dla potrzeb więzi w celu zastąpienia złożonego klucza głównego

86 Klucz złożony...

87 ...zastąpiony kluczem sztucznym

88 Klucz złożony...

89 ...zastąpiony kluczem sztucznym

90 Klucz sztuczny Klucz sztuczny może być wykorzystany do kodowania atrybutów tekstowych (w niektórych przypadkach także liczbowych) o powtarzających się wartościach, dla których można utworzyć listę Użycie klucza sztucznego wymaga stworzenia dodatkowej tabeli (słownika) pozwalającego na „rozkodowanie” klucza