Развитие компьютерных технологий, связанных с хранением и обработкой данных, привело к появлению в конце 60-х — начале 70-х годов специализированного программного обеспечения, получившего название систем управления базами данных (СУБД) (DataBase Management Systems — DBMS). СУБД позволяют структурировать, систематизировать и организовывать данные для их компьютерного хранения и обработки. Именно системы управления базами данных являются основой практически любой информационной системы.

СУБД можно определить как некую систему управления данными, обладающую следующими свойствами:

• поддержание логически согласованного набора файлов;
• обеспечение языка манипулирования данными;
• восстановление информации после разного рода сбоев;
• обеспечение параллельной работы нескольких пользователей.

Основные функции СУБД

Началом второго этапа в эволюции СУБД можно считать публикации в начале 70-х годов ряда статей Э. Кодда, в которых выдвигались по сути революционные идеи, существенно изменившие устоявшиеся представления о базах данных.

Будучи математиком по образованию, Кодд предложил использовать для обработки данных аппарат теории множеств (объединение, пересечение, разность, декартово произведение). Он показал, что любое представление данных сводится к совокупности двумерных таблиц особого вида, известного в математике как отношение (по-английски — relation, отсюда и название —реляционные базы данных).

Одна из главных идей Кодда заключалась в том, что связь между данными должна устанавливаться в соответствии с их внутренними логическими взаимоотношениями.

Второй важный принцип, предложенный Коддом, заключается в том, что в реляционных системах одной командой могут обрабатываться целые файлы данных, в то время как в ранних СУБД одной командой обрабатывалась только одна запись. Реализация этого принципа существенно повысила эффективность программирования баз данных.

Сейчас реляционные базы данных получили очень широкое распространение и фактически их можно рассматривать как стандарт СУБД для современных информационных систем.

В реляционной модели объекты-сущности инфологической схемы предметной области АИС представляются плоскими таблицами данных. Столбцы таблицы, называемые нолями базы данных, соответствуют атрибутам объектов-сущностей инфологической схемы предметной области. Множество атомарных значений атрибута называется доменом. Так доменом для поля «Имя» является множество всех возможных имен. Различные атрибуты могут быть определены на одном и том же домене—например, атрибуты «Год поступления» (в вуз) и «Год окончания» определены на одном и том же домене, являющемся перечнем дат определенного диапазона.

Строки таблицы, представляющие собой различные сочетания значений полей из доменов, называются кортежами (в обиходе просто записями) базы данных и соответствуют экземплярам объектов-сущностей инфологической схемы предметной области.

Считается, что сильной стороной реляционных баз данных является развитая математическая теория, лежащая в их основе— реляционная алгебра. Само слово «реляционная» происходит от англ. relation—отношение. Но в случае реляционных баз слово «отношение» выражает не взаимосвязь между таблицами-сущностями, а определение самой таблицы как математического отношения доменов.

Ключевому атрибуту объекта-сущности, который идентифицирует (определяет, отличает от других) конкретный экземпляр объекта, в таблице соответствует ключевое поле (так называемый ключ таблицы). Примером ключа в таблице «Отделы» может быть поле «Номер отдела» или поле «Наименование отдела». В тех случаях, когда конкретную запись таблицы идентифицирует значение не одного поля, а совокупность значений нескольких полей, тогда все эти поля считаются ключевыми, а ключ таблицы является составным. Примером такой ситуации может служить таблица «Сотрудники», роль составного ключа в которой может играть совокупность полей «Фамилия», «Имя», «Отчество»[1].

Ключевое поле для созданной записи (заполненной строки таблицы) впоследствии обновиться (изменить значение) уже не может.

В некоторых таблицах роль ключа могут играть сразу несколько полей или групп полей. Например, в той же таблице «Сотрудники» может быть определен второй ключ «Номер паспорта», который также может идентифицировать конкретную запись (экземпляр) объекта «Сотрудник». В этих случаях один из ключей объявляется первичным. Значения непервичных ключей, которые называются возможными, в отличие от первичных ключей могут обновляться.

Совокупность определенных для таблицы-отношения полей, их свойства (ключи и пр.) составляют схему таблицы-отношения. Две отдельные таблицы-отношения с одинаковой схемой называются односхемными.

Таблица в реляционной модели отражает определенный объект-сущность из инфологической схемы предметной области АИС. Отношения-связи объектов-сущностей в реляционной модели устанавливаются через введение в таблицах дополнительных полей, которые дублируют ключевые поля связанной таблицы. К примеру, связь между таблицей «Сотрудники» и таблицей «Отделы» устанавливается через введение копии ключевого поля «Номер отдела» из таблицы «Отделы» в таблицу «Сотрудники» (рис. 4). Такие поля, дублирующие ключи связанной таблицы, называются внешними ключами.

Рис. 4. Пример связи в реляционных таблицах

На приведенном рисунке ключевые поля таблиц обведены жирными рамками, а поле с внешним ключом—двойной рамкой[2].

Так как значения первичного ключа уникальны, т. е. не могут повторяться (в таблице «Отделы» может быть только один кортеж по, к примеру, 710-му отделу), а значения других полей и, в частности, внешнего ключа могут повторяться (в таблице «Сотрудники» может быть несколько строк-кортежей сотрудников по 710-му отделу), то такой механизм автоматически обеспечивает связь типа «Один-ко-многим». Отсюда также можно заключить, что связи между таблицами типа «Один-к-одному» в реляционной модели автоматически обеспечиваются при одинаковых первичных ключах, например между таблицей «Сотрудник» с ключом «Таб_№» и таблицей «Паспорт» с таким же ключом.

Другой вывод, который следует из анализа данного механизма реализации связей, заключается в том, что реляционная модель не может непосредственно отражать связи типа «Многие-ко-многим», что объективно снижает возможности реляционной модели данных при отражении сложных предметных областей.

Таким образом, структурная составляющая реляционной модели определяется небольшим набором базовых понятий — таблица-отношение, схема таблицы-отношения, домен, поле-атрибут, кортеж-запись (строка), ключ, первичный ключ, вторичный ключ, внешний ключ (отсылка). Данный набор понятий позволяет описывать естественным образом, близким к понятийному аппарату диаграмм Бахмана, большинство инфологических схем не слишком сложных предметных областей. Это обстоятельство как раз и способствовало интенсивному развитию реляционных СУБД в 80-х-90-х годах.

Все операции над данными в реляционной модели (манипуляционная составляющая) можно разделить на две группы— операции обновления таблиц-отношений и операции обработки таблиц-отношений.

К операциям обновления относятся:

• операция ВКЛЮЧИТЬ —добавляет новый кортеж (строку-запись) в таблицу-отношение. Требует задания имени таблицы и обязательного значения ключей. Выполняется при условии уникальности значения ключа. Добавить новую строку-запись со значением ключа, которое уже есть в таблице, невозможно;
• операция УДАЛИТЬ — удаляет одну или группу кортежей (строк-записей). Требует задания имени таблицы, имени поля (группы полей) и параметров значений полей, кортежи с которыми должны быть удалены;
• операция ОБНОВИТЬ — изменяет значение не ключевых полей у одного или группы кортежей. Требует задания имени таблицы-отношения, имен полей и их значений для выбора кортежей и имен изменяемых полей.

Особенностью операций обработки в реляционной модели по сравнению с иерархической и сетевой моделью является то, что в качестве единичного элемента обработки выступает не запись (экземпляр объекта), а таблица в целом, т. е. множество кортежей (строк-записей). Поэтому все операции обновления являются операциями над множествами и их результатом является также множество, т. е. новая таблица-отношение. К операциям обновления относятся следующие операции:

• операция ОБЪЕДИНЕНИЕ — выполняется над двумя односхемными таблицами-отношениями. Результатом объединения является построенная по той же схеме таблица-отношение, содержащая все кортежи первой таблицы-отношения и все кортежи второй таблицы-отношения. При этом кортежи-дубликаты в итоговой таблице устраняются;
• операция ПЕРЕСЕЧЕНИЕ — выполняется также над двумя односхемными таблицами-отношениями. Результатом является таблица-отношение, построенная по той же схеме и содержащая только те кортежи первой таблицы-отношения, которые входят также в состав кортежей второй таблицы-отношения. Для примера рассмотрим таблицу «Сотрудники» со схемой (полями) «ФИО», «Год рождения», «Национальность» и таблицу «Вкладчики банка «НАДЕЖНЫЙ» с той же схемой. Результатом их пересечения будет новая таблица с той же схемой, содержащая кортежи только тех сотрудников, которые имеют вклады в банке «НАДЕЖНЫЙ», что иллюстрируется примером, приведенным на рис. 5;
• операция ВЫЧИТАНИЕ — выполняется также над двумя односхемными таблицами-отношениями. Результатом является таблица-отношение, построенная по той же схеме и содержащая только те кортежи первой таблицы-отношения, которых нет в составе кортежей второй таблицы-отношения. Результатом операции вычитания над таблицами в предыдущемпримере будет новая таблица с той же схемой, содержащая кортежи только тех сотрудников, которые не имеют вкладов в банке «НАДЕЖНЫЙ»;

[1] В той ситуации, когда исключается полное совпадение фамилии, имени и отчества у разных сотрудников.

[2] Рис. по: Гайдамакин Н. А. Автоматизированные информационные системы, базы и банки данных. Вводный курс: Учебное пособие. — М.: Гелиос АРЕ, 2002.