Текст книги "Базы данных: конспект лекций"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 12 страниц)

2. Пользовательский тип данных

Пользовательский тип данных отличается от всех базовых типов тем, что он не был изначально вшит в систему управления базами данных, он не был описан как тип данных по умолчанию. Этот тип может создать для себя любой пользователь и программист баз данных в соответствии с собственными запросами и требованиями.

Таким образом, пользовательский тип данных – это подтип некоторого базового типа, т. е. это базовый тип с некоторыми ограничениями множества допустимых значений.

В записи на псевдокоде, пользовательский тип данных создается с помощью следующего стандартного оператора:

Create subtypeимя подтипа

Typeимя базового типа

Asограничение подтипа;

Итак, в первой строчке мы должны указать имя нашего нового, пользовательского типа данных, во второй – какой из имеющихся базовых типов данных мы взяли за образец, создавая собственный, и, наконец, в третьей – те ограничения, которые нам необходимо добавить в уже имеющиеся ограничения множества значений базового типа данных – образца. Ограничения подтипа записываются как условие, зависящее от имени определяемого подтипа.

Чтобы лучше понять принцип действия оператора Create, рассмотрим следующий пример. Пусть нам необходимо создать свой специализированный тип данных, допустим, для работы на почте. Это будет тип для работы с данными вида чисел почтового индекса. От обычных десятичных шестизначных чисел наши числа будут отличаться тем, что они могут быть только положительными. Запишем оператор, для создания нужного нам подтипа:

Create subtypeПочтовый индекс

Typedecimal (6, 0)

AsПочтовый индекс > 0.

Почему мы взяли именно decimal (6, 0)? Вспоминая обычный вид индекса, мы видим, что такие числа должны состоять из шести целых чисел от нуля до девяти. Именно поэтому мы и взяли в качестве базового типа данных – десятичный тип.

Любопытно заметить, что в общем случае условие, накладываемое на базовый тип данных, т. е. ограничение подтипа, может содержать логические связки not, and, or и вообще быть выражением любой произвольной сложности. Определенные таким образом пользовательские подтипы данных могут беспрепятственно использоваться наряду с другими базовыми типами данных и в программном коде, и при определении типов данных в столбцах таблицы, т. е. базовые типы данных и пользовательские при работе с ними совершенно равноправны. В визуальной среде разработки они появляются в списках допустимых типов вместе с другими базовыми типами данных.

Вероятность того, что нам при проектировании новой собственной базы данных может понадобиться недокументированный (пользовательский) тип данных, достаточно велика. Ведь по умолчанию в систему управления базами данных вшиты только самые общие типы данных, пригодные соответственно для решения самых общих задач. При составлении предметных баз данных без проектирования собственных типов данных обойтись практически невозможно. Но, что любопытно, с равной вероятностью нам может понадобиться и удалить созданный нами подтип, чтобы не загромождать и не усложнять код. Для этого в системах управления базами данных обычно встроен специальный оператор drop, что и означает «удалить». Общий вид этот оператор удаления ненужных пользовательских типов имеет следующий:

Drop subtypeимя пользовательского типа;

Пользовательские типы данных, как правило, рекомендуется вводить для подтипов достаточно общего назначения.

3. Значения по умолчанию

Системы управления базами данных могут иметь возможность создания любых произвольных значений по умолчанию или, как их еще называют, умолчаний. Эта операция в любой среде программирования имеет достаточно большой вес, ведь практически в любой задаче может возникнуть необходимость введения констант, неизменяемых значений по умолчанию.

Для создания умолчания в системах управления базами данных используется уже знакомая нам по прохождению пользовательского типа данных функция Create. Только в случае создания значения по умолчанию используется также дополнительное ключевое слово default, которое и означает «умолчание». Другими словами, чтобы создать в имеющейся базе данных значение по умолчанию, необходимо использовать следующий оператор:

Create defaultимя умолчания

Asконстантное выражение;

Понятно, что на месте константного значения при применении этого оператора нужно написать значение или выражение, которое мы хотим сделать значением или выражением по умолчанию. И, разумеется, надо решить, под каким именем нам будет удобно его использовать в нашей базе данных, и записать это имя в первую строчку оператора.

Необходимо заметить, что в данном конкретном случае этот оператор Create отвечает синтаксису языка Transact-SQL, встроенному в систему Microsoft SQL Server.

Итак, что мы получили? Мы вывели, что умолчание представляет собой именованную константу, сохраняемую в базах данных, как и ее объект. В визуальной среде разработки умолчания появляются в списке выделенных значений по умолчанию.

Приведем пример создания умолчания. Пусть для правильной работы нашей базы данных необходимо, чтобы в ней функционировало значение со смыслом неограниченного срока действия чего-либо. Тогда нужно ввести в список значений этой базы данных значение по умолчанию, отвечающему данному требованию. Это может быть необходимо хотя бы потому, что каждый раз при встрече в тексте кода с этим довольно громоздким выражением будет крайне неудобно выписывать его заново. Именно поэтому воспользуемся означенным выше оператором Create для создания умолчания, со смыслом неограниченного срока действия чего-либо.

Create default«срок не ограничен»

As ‘9999-12-31 23: 59:59’

Здесь также был использован синтаксис языка Transact-SQL, согласно которому значения констант типа «дата – время» (в данном случае, ‘9999-12-31 23: 59:59’) записываются как строки символов определенного направления. Интерпретация строк символов как значений типа «дата – время» определяется контекстом использования этих строк. Например, в нашем конкретном случае, сначала в константной строчке записано предельное значение года, а потом времени.

Однако при всей своей полезности умолчания, как и пользовательский тип данных, иногда тоже могут требовать того, чтобы их удалили. В системы управления базами данных обычно есть специальный встроенный предикат, аналогичный оператору, удаляющему ненужный более пользовательский тип данных. Это предикат Drop и сам оператор выглядят следующим образом:

Drop defaultимя умолчания;

4. Виртуальные атрибуты

Все атрибуты в системах управления базами данных делятся (по абсолютной аналогии с отношениями) на базовые и виртуальные. Так называемые базовые атрибуты – это хранимые атрибуты, которые необходимо использовать не один раз, а следовательно, целесообразно сохранить. А, в свою очередь, виртуальные атрибуты – это не хранимые, а вычисляемые атрибуты. Что это значит? Это значит, что значения так называемых виртуальных атрибутов реально не хранятся, а вычисляются через базовые атрибуты на ходу посредством задаваемых формул. При этом домены вычисляемых виртуальных атрибутов определяются автоматически.

Приведем пример таблицы, задающей отношение, в которой два атрибута – обычные, базовые, а третий атрибут – виртуальный. Он будет вычисляться по специально введенной формуле.

Итак, мы видим, что атрибуты «Вес Кг» и «Цена Руб за Кг» – базовые атрибуты, потому что они имеют обыкновенные значения и хранятся в нашей базе данных. А вот атрибут «Стоимость» – виртуальный атрибут, потому что он задан формулой своего вычисления и реально в базе данных храниться не будет.

Интересно заметить, что в силу своей природы, виртуальные атрибуты не могут принимать значения по умолчанию, да и вообще, само понятие значения по умолчанию для виртуального атрибута лишено смысла, а следовательно, не применяется.

И еще необходимо знать, что, несмотря на то что домены виртуальных атрибутов определяются автоматически, тип вычисляемых значений иногда нужно заменить с имеющегося на какой-нибудь другой. Для этого в языке систем управления базами данных имеется специальный предикат Convert, с помощью которого и может быть переопределен тип вычисляемого выражения. Convert – это так называемая функция явного преобразования типов. Записывается она следующим образом:

Convert (тип данных, выражение);

Выражение, стоящее вторым аргументом функции Convert, посчитается и выведется в виде таких данных, тип которых указан первым аргументом функции.

Рассмотрим пример. Пусть нам необходимо посчитать значение выражения «2*2», но вывести это нужно не в виде целого числа «4», а строкой символов. Для выполнения этого задания запишем следующую функцию Convert:

Convert (Char (1), 2 * 2).

Таким образом, можно увидеть, что данная запись функции Convert в точности даст необходимый нам результат.

5. Понятие ключей

При объявлении схемы базового отношения могут быть заданы объявления нескольких ключей. С этим мы уже не раз сталкивались прежде. Наконец настало время поговорить более подробно о том, что же такой ключи отношения, а не ограничиваться общими фразами и приближенными определениями.

Итак, дадим строгое определение ключа отношения.

Ключ схемы отношения – это подсхема исходной схемы, состоящая из одного или нескольких атрибутов, для которых декларируется условие уникальности значений в кортежах отношений. Для того чтобы понять, что такое условие уникальности или, как его еще называют, ограничение уникальности, вспомним для начала определения кортежа и унарной операции проекции кортежа на подсхему. Приведем их:

t = t(S) = {t(a) | a ∈ def( t) ⊆ S} — определение кортежа,

t(S) [S’ ] = {t(a) | a ∈ def (t) ∩ S’}, S’ ⊆ S — определение унарной операции проекции;

Понятно, что проекции кортежа на подсхему соответствует подстрока строки таблицы.

Итак, что же такое ограничение уникальности ключевых атрибутов?

Объявление ключа К для схемы отношения S приводит к формулированию следующего инвариантного условия, называемого, как мы уже говорили, ограничением уникальности и обозначаемого как:

Inv < K → S > r(S):

Inv < K → S > r(S) = ∀t₁, t₂ ∈ r (t₁[ K] = t₂ [K ] → t₁(S) = t₂(S)), K ⊆ S;

Итак, данное ограничение уникальности Inv < K → S > r(S) ключа К означает, что если любые два кортежа t₁ и t₂, принадлежащие отношению r(S), равны в проекции на ключ К, то это непременно влечет за собой равенство этих двух кортежей и в проекции на всю схему отношения S. Другими словами, все значения кортежей, принадлежащих ключевым атрибутам, уникальны, единственны в своем отношении.

И второе важное требование, предъявляемое к ключу отношения, – это требование неизбыточности. Что это значит? Это требование означает, что ни для какого строгого подмножества ключа требование уникальности не предъявляется.

На интуитивном уровне понятно, что ключевой атрибут – это тот атрибут отношения, который однозначно и точно определяет каждый кортеж отношения. Например, в следующем отношении, заданном таблицей:

ключевым атрибутом является атрибут «№ зачетной книжки», потому что у различных студентов не может быть одинакового номера зачетной книжки, т. е. для этого атрибута выполняется ограничение уникальности.

Интересно, что в схеме любого отношения могут встретиться самые разные ключи. Перечислим основные виды ключей:

1) простой ключ – это ключ, состоящий из одного и не более атрибута.

Например, в экзаменационной ведомости по конкретному предмету простым ключом является номер зачетки, потому что по нему можно однозначно идентифицировать любого студента;

2) составной ключ – это ключ, состоящий из двух и более атрибутов. Например, составным ключом в списке учебных аудиторий являются номер корпуса и номер аудитории. Ведь каким-то одним из этих атрибутов однозначно определить каждую аудиторию не представляется возможным, а их совокупностью, т. е. составным ключом, это сделать довольно легко;

3) суперключ – это любое надмножество любого ключа. Следовательно, сама схема отношения заведомо является суперключом. Из этого можно сделать вывод, что любое отношение теоретически имеет, как минимум, один ключ, а может иметь их и несколько. Однако объявление суперключа вместо обычного ключа логически недопустимо, так как связано с ослаблением автоматически контролируемого ограничения уникальности. Ведь супер ключ хоть и обладает свойством уникальности, но не обладает свойством неизбыточности;

4) первичный ключ – это просто ключ, который при задании базового отношения был объявлен первым. Важно, что допустимо объявление одного и только одного первичного ключа. Кроме того, атрибуты первичного ключа ни в коем случае не могут принимать Null-значений.

При создании базового отношения в записи на псевдокоде первичный ключ обозначается primary key и в скобках указывается имя атрибута, который и является этим ключом;

5) кандидатные ключи – это все остальные ключи, объявленные после первичного ключа.

В чем заключаются основные отличия кандидатных ключей от ключей первичных? Во-первых, кандидатных ключей может быть несколько, тогда как первичный ключ, как было сказано выше, может быть только один. И, во-вторых, если атрибуты первичного ключа не могут принимать Null-значений, то на атрибуты кандидатных ключей это условие не накладывается.

На псевдокоде при задании базового отношения кандидатные ключи объявляются при помощи слов candidate key и в скобках рядом, как и в случае объявления первичного ключа, указывается имя атрибута, который и является данным кандидатным ключом;

6) внешний ключ – это ключ, объявленный в базовом отношении, который при этом ссылается на первичный или кандидатный ключ того же самого или какого-то другого базового отношения.

При этом отношение, на которое ссылается внешний ключ, называется ссылочным (или родительским) отношением. А отношение, содержащее внешний ключ, называется дочерним.

В записи на псевдокоде внешний ключ обозначается как foreign key, в скобках непосредственно после этих слов указывается имя атрибута данного отношения, являющегося внешним ключом, а после этого записывается ключевое слово references («ссылается») и указать имя базового отношения и имя атрибута, на который и ссылается данный конкретный внешний ключ.

Также при создании базового отношения для каждого внешнего ключа записывается условие, называемое ограничением ссылочной целостности, но подробно мы будем говорить об этом позднее.

Лекция № 8. Создание базовых отношений

Предметом этой лекции будет довольно подробное рассмотрение оператора создания базового отношения. Мы подвергнуть разбору сам оператор в записи на псевдокоде, проанализируем все его составляющие и их работу, разберем способы модификации, т. е. изменения базовых отношений.

1. Металингвистические символы

При описании синтаксических конструкций, использующихся в записи оператора создания базового отношения на псевдокоде, применяются различные металингвистические символы. Это всевозможные открывающие и закрывающие скобки, разнообразные сочетания точек и запятых, словом, символы, несущие каждый свой смысл и облегчающие программисту задачу написания кода.

Введем в рассмотрение и поясним смысл основных металингвистических символов, наиболее часто использующихся при проектировании базовых отношений. Итак:

1) металингвистический символ «{}». Синтаксические конструкции в фигурных скобках представляют собой обязательные синтаксические единицы. При задании базового отношения, обязательными элементами являются, например, базовые атрибуты; без объявления базовых атрибутов ни одно отношение не может быть спроектировано. Поэтому при записи оператора создания базового отношения на псевдокоде базовые атрибуты перечисляются в фигурных скобках;

2) металингвистический символ «[]». В этом случае все наоборот: синтаксические конструкции в квадратных скобках представляют собой необязательные синтаксические элементы. Необязательными синтаксическими единицами в операторе создания базового отношения, в свою очередь, являются виртуальные атрибуты и первичный, и кандидатный, и внешний ключи. Здесь, разумеется, тоже присутствуют свои тонкости, но о них мы поговорим позднее, когда перейдем непосредственно к проектированию оператора создания базового отношения;

3) металингвистический символ «|». Этот символ буквально означает «либо», как аналогичный символ в математике. Применение этого металингвистического символа означает, что необходимо выбрать между двумя или более конструкциями, разделенными, соответственно этим символом;

4) металингвистический символ «…». Многоточие, поставленное непосредственно после каких-либо синтаксических единиц, означает возможность повторения этих предшествующих металингвистическому символу синтаксических элементов;

5) металингвистический символ «,..». Этот символ означает почти тоже самое, что и предыдущий. Только в случае применения металингвистического символа «,..», повторение синтаксических конструкций происходит через запятую, что зачастую гораздо более удобно.

С учетом этого, можно говорить об эквивалентности следующих двух синтаксических конструкций:

единица [, единица] …

и

единица,.. ;

2. Пример создания базового отношения в записи на псевдокоде

Теперь, когда мы выяснили значения основных металингвистических символов, использующихся при записи оператора создания базового отношения на псевдокоде, мы можем перейти собственно к рассмотрению самого этого оператора. Как можно было понять по упоминаниям выше, оператор создания базового отношения в записи на псевдокоде включает в себя объявления базовых и виртуальных атрибутов, первичного, кандидатных и внешних ключей. Кроме того, как будет показано и разъяснено выше, этот оператор охватывает также ограничения значений атрибутов и ограничения кортежей, а еще так называемые ограничения ссылочной целостности.

Первые два ограничения, а именно ограничение значения атрибута и ограничение кортежа, объявляются после специального зарезервированного слова check.

Ограничения ссылочной целостности могут быть двух видов: on update, что означает «при обновлении», и on delete, что означает «при удалении». Что это значит? Это значит, что при обновлении или при удалении атрибутов отношений, на которые ссылается внешний ключ, необходимо поддерживать целостность по состоянию. (Подробнее об этом мы поговорим позднее.)

Сам оператор создания базового отношения используется нами уже изученный – оператор Create, только для создания именно базового отношения добавляется ключевое слово table («отношение»). И, разумеется, так как отношение само по себе больше и включает в себя все рассмотренные ранее конструкции, а также новые дополнительные конструкции, оператор создания получится довольно внушительного вида.

Итак, запишем на псевдокоде общий вид оператора, используемого для создания базовых отношений:

Create tableимя базового отношения

{имя базового атрибута

тип значений базового атрибута

check (ограничение значения атрибута)

{Null | not Null}

default (значение по умолчанию)

},..

[имя виртуального атрибута

as (формула вычисления)

],..

[,check (ограничение кортежа)]

[,primary key (имя атрибута,..)]

[,candidate key (имя атрибута,..)]…

[,foreign key (имя атрибута,..) referencesимя ссылочного отношения (имя атрибута,..)

on update {Restrict | Cascade | Set Null}

on delete {Restrict | Cascade | Set Null}

]…

Итак, мы видим, что базовых и виртуальных атрибутов, кандидатных и внешних ключей может быть объявлено несколько, так как после соответствующих синтаксических конструкций стоит металингвистический символ «,..». После объявления первичного ключа этого символа нет, потому что базовые отношения, как уже было сказано ранее, допускают наличие только одного первичного ключа.

Далее рассмотрим подробнее механизм объявления базовых атрибутов.

При описании в операторе создания базового отношения любого атрибута в общем случае задаются его имя, тип, ограничения его значений, флажок допустимости Null-значений и значения по умолчанию. Нетрудно понять, что тип атрибута и ограничения его значений определяют его домен, т. е. буквально множество допустимых значений данного конкретного атрибута. Ограничение значений атрибута записывается как условие, зависящее от имени атрибута. Вот небольшой пример для облегчения понимания этого материала:

Create tableимя базового отношения

Курс

integer

check (1 <= Курс and Курс <= 5;

Здесь условие «1 <= Курс and Курс <= 5» вместе с определением целого типа данных действительно полностью обусловливают множество допустимых значений атрибута, т. е. буквально его домен.

Флажок допустимости Null-значений (Null | not Null) запрещает (not Null) или, наоборот, разрешает (Null) появление Null-значений среди значений атрибутов.

Если взять рассмотренный только что пример, то механизм применения флажков допустимости Null-значений выглядит следующим образом:

Create tableимя базового отношения

Курс

integer

check (1 <= Курс and Курс <= 5);

Not Null;

Итак, порядковый номер курса студента никогда не может принимать Null-значения, не может быть неизвестным составителям базы данных и не может не существовать.

Значения по умолчанию (default (значение по умолчанию)) используются при вставке кортежа в отношения, если в операторе вставки значения атрибутов явно не заданы.

Интересно заметить, что значения по умолчанию могут быть и Null-значениями, если только Null-значения для данного конкретного атрибута объявлены допустимыми.

Теперь рассмотрим определение виртуального атрибута в операторе создания базового отношения.

Как мы уже говорили ранее, задание виртуального атрибута заключается в задании формул его вычисления через другие базовые атрибуты. Рассмотрим пример объявления виртуального атрибута «Стоимость Руб.» в виде формулы, зависящей от базовых атрибутов «Вес Кг» и «Цена Руб. за Кг».

Create tableимя базового отношения

Вес Кг

тип значений базового атрибута Вес Кг

check (ограничение значения атрибута Вес Кг)

not Null

default (значение по умолчанию)

Цена Руб. за Кг

тип значений базового атрибута Цена Руб. за Кг

check (ограничение значения атрибута Цена Руб. за Кг)

not Null

default (значение по умолчанию)

…

Стоимость Руб.

as (Вес Кг * Цена Руб. за Кг)

Чуть выше мы рассмотрели ограничения атрибутов, которые записывались как условия, зависящие от имен атрибутов. Теперь рассмотрим второй вид ограничений, объявляемых при создании базового отношения, а именно ограничения кортежа.

Что такое ограничение кортежа, чем оно отличается от ограничения атрибута? Ограничение кортежа тоже записывается как условие, зависящее от имени базового атрибута, но только в случае ограничения кортежа, условие может зависеть от нескольких имен атрибутов одновременно.

Рассмотрим пример, иллюстрирующий механизм работы с ограничениями кортежей:

Create tableимя базового отношения

min Вес Кг

тип значений базового атрибута min Вес Кг

check (ограничение значения атрибута min Вес Кг)

not Null

default (значение по умолчанию)

max Вес Кг

тип значений базового атрибута max Вес Кг

check (ограничение значения атрибута max Вес Кг)

not Null

default (значение по умолчанию)

check (0 < min Вес Кг and min Вес Кг < max Вес Кг);

Таким образом, применение ограничения к кортежу сводится к подстановке значений кортежа вместо имен атрибутов.

Продвигаемся далее в рассмотрении оператора создания базового отношения. После объявления базовых и виртуальных атрибутов могут быть объявлены, а могут и не объявляться ключи: первичный, кандидатные и внешние.

Как мы уже говорили ранее, подсхема базового отношения, которой в другом (или в том же самом) базовом отношении соответствует первичный или кандидатный ключ в контексте первого отношения называется внешним ключом. Внешние ключи представляют механизм ссылок кортежей одних отношений на кортежи других отношений, т. е. есть объявления внешних ключей связаны с навязыванием уже упоминавшихся так называемых ограничений ссылочной целостности. (Этим ограничением будет посвящена вся следующая лекция, поскольку целостность по состоянию (т. е. целостность, обеспечиваемая ограничениями целостности) – это крайне важное условие успешного функционирования базового отношения и всей базы данных.)

Объявление первичных и кандидатных ключей, в свою очередь, навязывает схеме базового отношения соответствующие ограничения уникальности, о который мы уже говорили ранее.

И, наконец, следует сказать о возможности удаления базового отношения. Нередко в практике проектирования баз данных необходимо удалить старой ненужное отношение, чтобы не загромождать программный код. Сделать это можно с помощью уже знакомого нам оператора Drop. В полном общем виде оператор удаления базового отношения выглядит следующим образом:

Drop tableимя базового отношения;