Определение реляционной модели данных (РМД). Достоинства и недостатки реляционных БД

Определение

Реляционная модель данных (РМД) — логическая модель данных, прикладная теория построения баз данных, которая является приложением к задачам обработки данных таких разделов математики, как теория множеств и логика первого порядка.

Реляционная модель данных была разработана Эдгаром Коддом и основана на математической теории множеств.

Основными понятиями, с помощью которых определяется реляционная модель, являются следующие: домен, отношение, кортеж, кардинальность, атрибуты, степень, первичный ключ.  Эти понятия представляют специальную терминологию, введенную авторами теоретических основ.

Домен — это совокупность значений, из которой берутся значения соответствующих атрибутов определенного отношения. С точки зрения программирования, домен — это тип данных, определяемый системой (стандартный) или пользователем.

Первичный ключ — это столбец или некоторое подмножество столбцов, которые уникально, т. е. единственным образом определяют строки. Первичный ключ, который включает более одного столбца, называется множественным, или комбинированным, или составным. Правило целостности объектов утверждает, что первичный ключ не может быть полностью или частично пустым, т. е. иметь значение null.

Остальные ключи, которые можно также использовать в качестве первичных, называются потенциальными или альтернативными ключами.

Внешний ключ — это столбец или подмножество одной таблицы, который может служить в качестве первичного ключа для другой таблицы. Внешний ключ таблицы является ссылкой на первичный ключ другой таблицы. Правило ссылочной целостности гласит, что внешний ключ может быть либо пустым, либо соответствовать значению первичного ключа, на который он ссылается. Внешние ключи являются неотъемлемой частью реляционной модели, поскольку реализуют связи между таблицами базы данных.

Внешний ключ, как и первичный ключ, тоже может представлять собой комбинацию столбцов. На практике внешний ключ всегда будет составным (состоящим из нескольких столбцов), если он ссылается на составной первичный ключ в другой таблице. Очевидно, что количество столбцов и их типы данных в первичном и внешнем ключах совпадают.

Если таблица связана с несколькими другими таблицами, она может иметь несколько внешних ключей.

В целом концепция реляционной модели определяется следующими двенадцатью правилами Кодда.

1. 1. Правило информации. Вся информация в базе данных должна быть предоставлена исключительно на логическом уровне и только одним способом — в виде значений, содержащихся в таблицах.
2. 2. Правило гарантированного доступа. Логический доступ ко всем и каждому элементу данных (атомарному значению) в реляционной базе данных должен обеспечиваться путем использования комбинации имени таблицы, первичного ключа и имени столбца.
3. 3. Правило поддержки недействительных значений. В реляционной базе данных должна быть реализована поддержка недействительных значений, которые отличаются от строки символов нулевой длины, строки пробельных символов, от нуля или любого другого числа и используются для представления отсутствующих данных независимо от типа этих данных.
4. 4. Правило динамического каталога, основанного на реляционной модели. Описание базы данных на логическом уровне должно быть представлено в том же виде, что и основные данные, чтобы пользователи, обладающие соответствующими правами, могли работать с ним с помощью того же реляционного языка, который они применяют для работы с основными данными.
   1. 1. 1. 1. 5. Правило исчерпывающего подъязыка данных. Реляционная система может поддерживать различные языки и режимы взаимодействия с пользователем (например режим вопросов и ответов). Однако должен существовать по крайней мере один язык, операторы которого можно представить в виде строк символов в соответствии с некоторым четко определенным синтаксисом и который в полной мере поддерживает следующие элементы:
               • определение данных;
               • определение представлений;
               • обработку данных (интерактивную и программную);
               • условия целостности;
               • идентификацию прав доступа;
               • границы транзакций (начало, завершение и отмена).
5. 6. Правило обновления представлений. Все представления, которые теоретически можно обновить, должны быть доступны для обновления.
6. 7. Правило добавления, обновления и удаления. Возможность работать с отношением как с одним операндом должна существовать не только при чтении данных, но и при добавлении, обновлении и удалении данных.
7. 8. Правило независимости физических данных. Прикладные программы и утилиты для работы с данными должны на логическом уровне оставаться нетронутыми при любых изменениях способов хранения данных или методов доступа к ним.
8. 9. Правило независимости логических данных. Прикладные программы и утилиты для работы с данными должны на логическом уровне оставаться нетронутыми при внесении в базовые таблицы любых изменений, которые теоретически позволяют сохранить нетронутыми содержащиеся в этих таблицах данные.
9. 10. Правило независимости условий целостности. Должна существовать возможность определять условия целостности, специфические для конкретной реляционной базы данных, на подъязыке реляционной базы данных и хранить их в каталоге, а не в прикладной программе.
10. 11. Правило независимости распространения. Реляционная СУБД не должна зависеть от потребностей конкретного клиента.
11. 12. Правило единственности. Если в реляционной системе есть низкоуровневый язык (обрабатывающий одну запись за один раз), то должна отсутствовать возможность использования его для того, чтобы обойти правила и условия целостности, выраженные на реляционном языке высокого уровня (обрабатывающем несколько записей за один раз).

Достоинства и недостатки реляционных баз данных

К числу достоинств реляционного подхода можно отнести:

• наличие небольшого набора абстракций, которые позволяют сравнительно просто моделировать большую часть распространенных предметных областей и допускают точные формальные определения, оставаясь интуитивно понятными;
• наличие простого и в то же время мощного математического аппарата, опирающегося главным образом на теорию множеств и математическую логику и обеспечивающего теоретический базис реляционного подхода к организации БД;
• возможность ненавигационного манипулирования данными без необходимости знания конкретной физической организации баз данных во внешней памяти.

Ограничения реляционной технологии:

1. 1. Неестественное представление данных со сложной структурой. Реляционная модель данных не допускает «естественного» моделирования данных со сложной структурой, поскольку в ее рамках возможно моделирование лишь с помощью плоских отношений (таблиц). Так как все отношения принадлежат одному уровню, многие значимые связи между данными либо теряются, либо их поддержку приходится осуществлять в рамках конкретной прикладной программы.
2. 2. Затруднительно должным образом смоделировать свойства данных. Чтобы смоделировать структуру сложных данных, пользователь должен иметь возможность определять свои типы данных, не ограничиваясь типами данных, предоставляемыми определенной СУБД.
3. 3. Реляционная модель данных не позволяет определить набор операций, связанных с данными определенного типа, что часто является естественным требованием при моделировании данных со сложной структурой. Операции приходится задавать в конкретном приложении.
4. 4. Реляционная модель не позволяет рассматривать данные послойно, на различных уровнях абстракции, при необходимости отвлекаясь от ненужных деталей.
5. 5. Усложненный доступ к базе данных. Интерфейс между языком программирования и языком баз данных обычно усложнен, поскольку каждый язык имеет свой набор типов и свою модель вычислений. Организуя обращение к базе данных из прикладной программы, написанной, например, на C++, приходится подвергать данные структурной трансформации при передаче их из/в базу данных.

1. Нестеров С. А. Базы данных: учеб. пособие / С. А. Нестеров. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2013. - 150 с.
2. Голицына О. Л., Максимов Н. В., Попов И. И. Базы данных: Учебное пособие. — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2006. — 352 с.