Modelul Relational

Modelul Relational

Promovat de cercetatorul Codd, prin articolele aparute la inceputul anilor 1970 [CODD70], [CODD71], Modelul Relational se bazeaza pe Teoria Matematica a Relatiilor (vezi sectiunea 3.1.2), ceea ce ii confera consistenta, prin fundamentarea teoretica a tuturor conceptelor. Ceea ce trebuie mai ales retinut pentru viitorul descrierii Structurilor de Date este Elementaritatea acestui model, inteles prin aceea ca nu exista metode mai simple si mai complete de descriere a oricaror structuri.

Modelele de SGBD-uri anterioare erau preocupate de reprezentarea unor Structuri Fundamentale (Modelul Ierarhic - Structura 1 - n, Modelul Retea - Structura m -n). Se considera atunci ca modelul care poate reprezenta Structura Fundamentala cea mai generala va fi si cel preferat in descrierea oricarei structuri. Se neglija caracteristica dinamica a structurii, data de evolutia ei inevitabila in timp.

Modelul Relational schimba obiectivul constructiv al modelelor precedente, orientandu-l spre construirea Structurilor Elementare, care vor permite apoi configurarea oricarui tip de Structura de Date, diferita de la un moment la altul. Elementele de Baza pantru construirea structurilor sunt: Clasele de Entitati si Legatura intre Clasele de Entitati. Pentru ambele elemente poate fi folosit acelasi Constructor si anume Relatia. Aceasta unicitate de reprezentare a Elementelor de Baza reprezinta descoperirea esentiala a Modelului Relational, care ofera pentru prima data robustete si dinamism Structurilor de Date prin aceea ca, avand la dispozitie Modulele de Baza (Caramizile) constructia dorita poate fi in orice moment construita si reconstruita dupa preferinta utilizatorului, fara a necesita dezasamblare si reasamblare (vezi facilitatile oferile de conceptul de Vedere din Nivelul Extern al Modelului Relational). De aceea orice dezvoltare a acestui model trebuie conceputa ca un alt nivel de descriere care poate oferi alte viziuni cerute de utilizatori asupra datelor, dar care trebuie sa pastreze la baza forma elementara de descriere (Modelul Relational).

Pentru evidentierea avantajelor enuntate mai sus se vor folosi in continuare mai multe forme de prezentare ale acestui Model de Date, de la cele intuitive spre cele formalizate. Se incepe cu o prezentare simplificata, care sa ofere la acest nivel posibilitatea unei comparatii directe cu celelalte modele descrise in sectiunile precedente si care are totodata scopul de a trasa directia de evolutie in perfectionarea metodelor de reprezentare a structurilor.

Relatia ca si Constructor de Structura

Constructorul de Structura in Modelul Relational este Relatia, conform definitiei preluate din matematica (vezi sectiunea 3.1). Notiuni ca Domeniu, Tupla, Relatie se vor regasi implementate direct in mediul Structurilor de Informatii si Date. Vorbind despre Structurile de Date specifice Modelului Relational putem face urmatoarele asocieri:

o         Domeniul - este reprezentat de Multimea Valorilor pe care le poate lua o anumita Insusire (Caracteristica) a unei Entitati in Colectia de Date

D _i s Codul Beneficiarului s

D _i+1 s Culoarea Produsului s

D _i+2 s Cantitatea Contractata s

o         Tupla

Logica - o Multime Ordonata de Atribute (Insusiri) extrase din Multimea Insusirilor definite in Colectia de Date si care descrie o anumita Entitate

T _j s BENEFICIAR (Cod, Nume, Companie, Cont) - Beneficiarul are un Cod, un Nume, o Companie si un Cont

Fizica - o Multime Ordonata de Valori extrase din Domenii care descriu o Legatura (Relatie) confirmata de realitate ca un fapt

T _jk s Beneficiarul k s - exista un Beneficiar cu urmatoarele Valori de Caracteristici: Codul s 101; Numele s Compania X; Contul s

Relatia - este o Submultime a Produsului Cartezian a mai multor Domenii, reprezentate ca o Multime de Tuple

o        BENEFICIAR Cod Beneficiar x Nume Beneficiar x Cont Beneficiar x Oras Resedinta Beneficiar

Sau:

BENEFICIAR s pentru j I , unde b e Numarul de Beneficiari memorati in Baza de Date

Se regaseste asadar definitia cunoscuta:

"Fiind data o multime i de Domenii D_i, nevide, dar nu neaparat distincte, o Relatie R este o Multime de Tuple privite fiecare ca multimi ordonate de Valori (v₁ , v₂ .. v_i) astfel incat v_j I D _j pentru jI . Elementele multimii R se numesc Tuple (sau n-Tuple), iar Gradul Relatiei e dat de i

Domeniile pe care e definita o Relatie reapar ca si Atribute descriptoare ale Relatiei. Distinctia intre Domeniu si Atribut provine din faptul ca Domeniile pe care este definita o Relatie nu trebuie sa fie neaparat distincte (vezi relatia ANSAMBLU din Fig. 4.2.4.3), in timp ce Atributele Relatiei trebuie sa respecte conditia de unicitate ca Nume.

Tab. 4.2.4.1 Comparatie de termeni - SI / MR / SD

O Relatie poate fi reprezentata foarte sugestiv printr-un Tabel datorita corespondentei ce poate fi facuta intre Coloanele Tabelei si Atributele Relatiei pe de o parte si Randurile Tabelei si Tuplele Relatiei pe de alta parte.

Proprietatile Relatiei

Cercetatorul Codd [CODD70] este cel care defineste si acele proprietati fundamentale pe care Constructorul Modelului Relational trebuie sa le indeplineasca pentru a respecta definirea teoretica a Relatiei ca Multime. Acestea sunt:

o         Nici o Tupla nu e identica

Fiecare Tupla a unei Relatii, in calitate de Element al unei Multimi, trebuie sa fie Unica (vezi sectiunea 5.2.4.4). Aceasta proprietate va permite in continuare, la Manipularea Structurilor Relationale, sa se preia cu usurinta operatorii din Teoria Multimilor (Reuniune, Intersectie, Diferenta, Produs Cartezian - vezi sectiunea 4.2.4.5.1.2).

o         Ordinea Tuplelor e indiferenta

Relatia respecta conditia de Multime prin care proprietatea de Echivalenta intre Elemente (Tuple) implica absenta oricarui privilegiu (inclusiv cel al Ordinii). Ca urmare Ordinea Tuplelor va fi introdusa, la fel ca in modelul matematic, cu ajutorul unei Relatii de Ordine auxiliara (reprezentata de Tabela de Index curenta), care se ataseaza Multimii Tuplelor pentru a o transforma intr-o Multime Ordonata.

o         Ordinea Domeniilor e indiferenta

Definirea Relatiei ramane aceeasi indiferent de Ordinea Domeniilor. Trebuie insa remarcat ca, odata Relatia definita, Ordinea Domeniilor trebuie mentinuta pe toata durata de viata a Relatiei, pentru a se putea reface in orice moment corespondenta Atribut - Domeniu.

Sistemele de Gestiune, care permit la un moment dat schimbarea Ordinii Domeniilor, efectueaza o operatie automata de recopiere a vechii Relatii (Tabele de Baza) intr-una noua, cu stergerea (sau arhivarea) in final a celei vechi.

o         Toate Atributele unei Relatii sunt Date Elementare (Nedecompozabile)

Prin aceasta restrictie, care cere ca, in Tabelele de Baza, Campurile de Date sa fie de tip Scalar si nu de tip Multime, impune mentinerea Relatiei ca Unic Constructor de Structura.

O Relatie care indeplineste aceasta restrictie se zice Relatie Minim Normalizata (cu grad minim de normalizare - vezi sectiunea 5.3.1).

Exemplu:

Structura de mai jos, in ciuda reprezentarii ei tabelare nu este o structura acceptata de Modelul Relational, intrucat contime Date Decompozabile (vezi atributul Obligatie, care are ca descendenti atributele Produs si Cantitate. Structura se considera Nenormalizata.

CONTRACT

Tab. 4.2.4.2.1 Structura Nenormalizata

Eliminarea Nenormalizarii se face simplu prin eliminarea Structurii Ierarhice din cadrul Tabelei prin eliminarea atributului compus Obligatie (vezi structura din Fig.4.2.4.2.2).

CONTRACT

Tab. 4.2.4.2.2 Structura Normalizata

Se cere aici mentionat faptul ca o diversitate de implementari ale Modelului Relational au profitat cu succes de licente bazate pe abateri de la restrictiile prezentate anterior. Toate aceste succese momentane nu trebuiesc insa privite decat ca adaptari ingenioase la stadiul momentan de evolutie a puterii de calcul. Evolutiile ulterioare au dovedit insa valabilitatea acestor restrictii in mediile de procesare adaptate unor abordari avansate in ceea ce priveste incorporarea sporita de semantica in Modelele de Date.

Ne exprimam totodata rezervele legate de orice implementare la nivel intern a Modelelor Relationale Extinse, care incalca restrictiile precedente si prin aceasta se abat de la Elementaritatea Modelului. Revenirea la Modelul Relational de Baza se va face oricand puterea de calcul creste suficient pentru a putea oferi performante adecvate de implementare a Motorului Relational. Extinderea ceruta de utilizari specifice va putea fi insa realizata la un nivel superior de implementare a structurilor dorite, care sa se sprijine insa in interior pe un Model Consistent de Date (vezi si sectiunea 6.3).

Intensiunea si Extensiunea Relatiilor

Relatiile, fiind Multimi definite pe Produsul Cartezian al Domeniilor, preiau de la Multimi descrierea Intensionala si Extensionala. Notiunile sunt deosebit de utile in definirea Planurilor Logice si Fizice de descriere a Structurilor Relationale. In primul plan vom intalni Schemele de Relatii descrise prin precizarea Tuplelor Logice (vezi Fig. 4.2.4.2). In cel de al doilea plan vom regasi ansamblul Tuplelor Fizice, care descriu partea variabila in timp a relatiilor (vezi tabelele 4.2.4.3 si 4.2.4.4).

Intensiunea Relatiei - este reprezentata de Ansamblul Caracteristicilor care descriu Relatia ca Multime, definita prin Enuntarea de Proprietati. Intensiunea Relatiei reprezinta partea constanta in timp a relatiei. Ea contine Descrierea Logica, prin Nume, Tipuri si Condi tii a Proprietatilor Generale ale Structurii de Date, proprietati care vor controla si vor valida actualizarea Structurii Fizice cu Instante.

Intensiunea Relatiei contine urmatoarele elemente:

o         Denumirea Structurii

Numele Domeniilor

Numele Relatiei

Numele Atributele (cu Domeniile asociate)

o         Restrictiile de Integritate

Restrictii de Identificare

Declarare Chei Candidate

o        Cheia Primara

o        Chei Candidate (Alternative)

Declarare Proceduri de Verificare a Unicitatii

Restrictii de Referire

Declarare Chei Straine

Declarare Conditii de Validare a Referirii (vezi sectiunea 3.4.5)

Alte Restrictii

Declarare Conditii de Validare a Valorilor

o        De Corectitudine (tipuri, limite, liste de valori etc.)

o        De Compaibilitate (conditii de corelare a valorilor diferitelor Atribute, din aceeasi Tupla sau din Tuple diferite)

Extensiunea Relatiei - este reprezentata de Ansamblul Valorilor care descriu Relatia ca Multime definita prin Enumerarea de Elemente (tuple). Extensiunea Relatiei reprezinta partea variabila in timp a relatiei. Ea contine Descrierea Fizica, prin Instante (Valori) a Structurii de Date, fiind foarte utila pentru extragerea acelor Proprietati Particulare ce vor putea fi sintetizate in Proprietati Generale pentru a fi incorporate in Descrierea Logica.

Cheile Relatiilor

Cheile Relatiilor sunt Atribute Speciale ale Relatiilor, care joaca un rol aparte in Identificarea, Accesul si Ordonarea Tuplelor componente ale Relatiilor. Functia lor principala este cea de Identificare, subdivizata in:

Identificare Propriuzisa - Chei Primare, Chei Candidate (Alternative)

Referire Chei Straine

In Tab. 4.2.4.4.1 se da o clasificare a Cheilor care pot apare in Relatii.

Tab. 4.2.4.4.1 Tipuri de Chei

Definitii:

Domeniu Primar - Domeniul pe care este definit cel putin un Atribut Constituent al unei Chei Primare.

Cheie Proprie - Multime de Atribute ce constituie Identificatorul unei Relatii (nu exista doua Tuple cu aceasi combinatie de Valori pentru aceste Atribute).

Constituent de Cheie - Atribut participant intr-o Cheie si care mai poarta numele de Atribut Primar.

Cheie Straina - Multime de Atribute din cadrul unei Relatii, care constituie Identificatorul (Cheia Primara) a altei Relatii.

Cheie Redondanta - Multime de Atribute care ramane Cheie prin excluderea unei submutimi de Atribute Constituenti de Cheie.

Cheie Neredondanta - Multime de Atribute din care nu poate fi exclus nici-un Atribut astfel ca ea sa ramana Cheie.

Cheie Candidata (Alternativa) - fiecare Cheie Neredondanta a unei Relatii.

Cheie Primara - orice Cheie Candidata aleasa de utilizator (din motive subiective - simplitate, obisnuinta, preferinta etc.) ca Identificator Privilegiat.

Cheie Surogata (Interna) - o Cheie Primara generata automat de Sistem.

Reguli de Integritate a Relatilor

Avand in vedere Elementaritatea Structurilor memorate intr-o Baza de Date Relationala, apare in mod firesc necesitatea verificarii consistentei lor pentru a putea garanta ca structurile care vor fi construite pe baza elementelor atomice stocate vor fi corecte. Asigurarea acestei proprietati se face prin adaugarea la Elementele de Structura a Conditiilor de Validitate, impuse de semantica atasata structurii. Aceste conditii iau forma Regulilor de Integritate care sunt memorate in Baza de Date.

Exista doua categorii principale de Reguli de Integritate:

o         Integritatea de Identificare Entitatii) - Fiecare Entitate trebuie sa aiba o Cheie Primara in care nici-un Constituent nu poate fi nedefinit, pentru pastrarea posibilitatilor ca fiecare Identificator sa corespunda unei Entitati (de aici si cealalta denumire a Restrictiei - Integritatea Entitatii

o         Integritatea de Referire - Cheia Straina poate fi nedefinita, dar atunci cand ea e definita Valoarea ei trebuie sa faca parte din Ansamblul Valorilor memorate in Cheia Primara pe care Cheia Straina o refera

Identificare, Acces si Ordonare in Structuri Relationale

Identificarea, Accesul si Ordonarea in Structurile Relationale se realizeaza cu ajutorul Cheilor. Asa dupa cum s-a aratat deja, prin Cheie se intelege orice Combinatie de Atribute ale unei Relatii care indeplineste o functie specializata de tratare a Tuplelor (de exemplu, identificare, acces, ordonare).

In prelucrarea datelor Cheile sunt in mod eronat asimilate cu Tabelele de Index, prescurtat, cu Indecsii, care reprezinta Structuri Secundare atasate Relatiilor si care ridica doar performanta in indeplinirea anumitor functii. Cu alte cuvinte Cheile trebuie privite ca si Proprietati ale Relatiilor, conferite acestora de functiile pe care le joaca anumite Atribute ale Relatiilor. Pentru asigurarea acestor proprietati SGBD-ul poate utiliza diferite mijloace, intre care se numara si Tabelele de Index, obiecte ce pot fi definite si eliminate direct de Sistemul de Gestiune sau de catre Utilizator.

Dupa cum se va vedea in continuare, Tabelele de Index pot asigura realizarea, in anumite conditii, a functiilor atasate Atributelor de tip Cheie. Functiile specifice Tabelelor de Index sunt enumerate mi jos:

Asigurarea Functiei de Acces Rapid, cu toate ca functiile de Localizare, ca de altfel si cea de Identificare (verificare a Unicitatii) pot fi asigurate teoretic si prin Acces Lent (inspectie secventiala a Tuplelor in absenta Tabelelor de Index) (ex. comenzile LOCATE SET FILTER din produsele Xbase)

Asigurarea dinamica (in timpul actualizarii) a Functiei de Ordonare, ce poate fi altfel realizata doar prin Sortare Fizica (dupa actualizare) a Fisierelor Memorate atasate Tabelelor de Baza (comanda SORT din produsele Xbase

Asigurarea Functiei de Identificare doar in acele SGBD-uri care au atasate Tabelelor de Index proprietati declarative de tipul: Index Primar Index Candidat

Chei de Identificare

Cheile de Identificare sunt proprietati atasate Relatiilor pe baza semanticii care este acordata Colectiilor de Date sursa. Ca urmare recunoasterea si declararea acestor proprietati face parte din analiza Spatiului de Informatii al utilizatorului in vederea precizarii Cerintelor Sistemului de Aplicatii (Business Logic Definition). Cheile de Identificare sunt reprezentate de Cheile Candidate si de Cheile Straine care se declara intr-o Structura Relationala de Date prin urmatoarele Chei:

o         Chei Primare - desemnate sa asigure Integritatea Entitatii (posibilitatea de localizare unica a fiecarei Entitati Obiect (Tuple)

o         Chei Straine - desemnate sa asigure Integritatea de Referire

o         Chei Candidate - desemnate sa ofere forme diversificate de Identificare a Entitatilor Obiect si in plus posibilitatea de analiza a Gradului de Normalizare a Relatiilor (vezi sectiunea 5.1.3); Cheile Candidate sunt denumite si Chei Secundare sau Alternative

SGBD-urile care nu beneficiaza de facilitatea de definire a Cheilor de Identificare, nu pot asigura Conditiile de Integritate in mod Structural (prin simpla declarare in Structura Datelor a Functiei de Identificare pe care o indeplineste un Atribut) si ca urmare ele nu pot evita, fara interventia programatorului (in mod Procedural), inserarea de Omonime (Tuple cu acelasi Identificator), in alta exprimare, inserarea de Coduri Duble.

O amagire o poate constitui facilitatea oferita de optiunea de declarare a unui Index Unic. Aceasta facilitate permite insa numai filtrarea Dublurilor, prin crearea unui Index special, in care Dublurile nu sunt inserate, cu toate ca adaugarea in Relatie (in Fisierul Memorat) este efectuata. Un asemenea Index va oferi posibilitatea eliminarii dublurilor dintr-un rezultat de Selectie (echivalenta cu comanda SELECT UNIQUE din SQL), dar nu va proteja datele memorate in Tabelele de Baza contra ambiguitatii de identificare.

In SGBD-urile evoluate (ORACLE, INFORMIX, SYBASE, dar chiar si VISUAL FOX) Procedurile de Verificare a Integritatilor de Identificare si de Referire sunt incorporate in facilitatile oferite de sistem, ceea ce determina aparitia in Limbajul de Definitie a clauzelor declarative de tip: Cheie Primara, Cheie Candidata, Cheie Straina. Intrucat aceste Proceduri de Control necesita, din motive de performanta acces rapid, clauzele mai sus enumerate apar atasate Tabelelor de Index. Aceasta determina declansarea automata a procedurilor de verificare a Integritatii Structurii de Date in momentul reperarii anumitor Evenimente, in general legate de Actualizarea Structurilor Relationale (Adaugari, Stergeri, Modificari), la nivel de Tuple sau Atribute. Controlul de creare si mentinere a Integritatii Structurilor ia forme foarte diverse, ceea ce implica completarea simplelor Declaratii de Chei cu atasarea la Regulile de Integritate a unor Conditii Specifice solicitate de Utilizator in procesul permanent de actualizare a extensiunii Relatiilor (vezi sectiunile 3.4.5. si 4.2.1.1.2.).

Manipularea Structurilor Relationale

Manipularea Structurilor Relationale se bazeaza pe Expresii (ansambluri de Operatori Relationali) avand atat ca Operanzi, cat si ca Rezultat, chiar Costructorul de Structura - Relatia, ceea ce va permite in orice moment concatenarea Expresiilor Relationale intrucat orice Rezultat Intermediar poate constitui un nou Operand intr-o noua Expresie.

Modelul Relational ofera doua cai de a descre noi Relatii care sa reprezinte raspunsurile solicitate.

o         Precizarea detaliata a Secventei de Operatii din Algebra Relationala, care trebuie executate pentru a obtine Rezultatul

o         Specificarea Rezultatului prin Formularea unei Definitii a Rezultatului cerut in termenii Calculului Relational, lasand sistemul (SGBD) sa stabileasca secventa de operatii ce trebuiesc executate pentru obtinerea Rezultatului

Intrucat definirea Modelului Relational are la baza Teoria Matematica a Multimilor in care definirea Relatiilor este un capitol continut (vezi sectiunea 4.1), este firesc sa se regaseasca o asemanare directa intre caile de descriere a Relatiilor Rezultat si modurile de definire a Multimilor in general:

o         Prin precizarea Operatiilor pe Multimi (Reuniune, Intersectie, Negare, Diferenta etc.

o         Prin definirea unui Predicat care sa constituie Insusirea Definitorie a Rezultatului, privit ca o noua Multime

Diferenta dintre cele doua cai prezentate anterior este cea intre:

o         Proceduralitate - bazata pe enumerarea succesiva a operatorilor de Algebra Relationala

o         Neproceduralitate - bazata pe specificarea cu ajutorul Calculului Relational a Rezultatului (intotdeauna o Relatie

Algebra Relationala

Algebra Relationala reprezinta o baza pentru un Limbaj de Manipulare a Datelor Relationale, care se constituie ca un Limbaj de Nivel Inalt. Ea contine o colectie de Operatori avand drept Operanzi Relatii, si care produc de fiecare data ca Rezultat o noua Relatie. Avand in vedere ca orice raspuns la o intrebare poate fi reprezentat de o Clasa de Entitati (deci de o Relatie) sarcina Limbajului de Manipulare a Datelor este de a permite, pentru orice intrebare formulata, gasirea unei secvente de Operatori care sa conduca la Rezultatul cautat.

Operatori Relationali

Doua categorii de Operatori Relationali (vezi Tab. 4.2.4.5.1.1.1) pot fi recunoscuti in Algebra Relationala, domeniu matematic ce se ocupa cu definirea Expesiilor Relationale:

Operatori Traditionali, provenind din operarea cu Multimi, aici privite ca si Clase de Entitati

Operatori Specific Relationali, provenind din operarea cu Relatii

Ambele categorii de Operatori Relationali sunt utilizati in Limbajele Relationale Procedurale. Operatorii Traditionali de felul Reuniunii (UNION) si Intersectie (INTERSECT) vor fi regasiti insa si in Limbajele Neprocedurale pentru a le extinde puterea de calcul.

Tab. 4.2.4.5.1.1.1 Clasificarea Operatorilor din Algebra Relationala