Языки реляционных БД
1.Язык, основанный на реляционной алгебре
реляционный алгебра пользователь база
Язык данных, основанный на реляционной алгебре, был предложен Коддом. Это теоретический язык, позволяющий манипулировать данными в реляционных БД. Этот язык в полном объеме пока не реализован в СУБД. Однако большая часть операций языка так или иначе реализована в современных коммерческих СУБД.
Язык содержит девять операторов. Это операторы для выполнения операций теории множеств над отношениями: объединение, пересечение, произведение, разность отношений, а также операторы для выполнения операций, применимых только к отношениям. К числу последних относятся операция сцепления отношения с множеством (ее еще называют выборкой), операция сцепление двух отношений (или соединение) и операция проекции отношения на его компоненту. При рассмотрении предыдущего параграфа мы могли убедиться в том, что трех последних операций оказывается достаточно для составления разнообразных запросов к БД, связанных с поиском нужных сведений.
Рассмотрим операторы языка, предложенного Коддом.
UNION - объединение. Выполняет операцию объединения отношений.
INTERSECTION - пересечение. Выполняет операцию пересечения отношений.
DIFFERENCE (MINUS) - вычитание. Выполняет операцию вычитания отношений.- выборка. Выполняет операцию сцепления отношения с множеством.- соединить. Выполняет операцию сцепления двух отношений.- спроектировать. Выполняет операцию проекции отношения на его компоненты.
INSERT - включить. Выполняет операцию добавления кортежей в отношение.
DELETE - удалить. Выполняет операцию удаления кортежей из отношения.
UPDATE - обновить. Выполняет операцию изменения значений атрибутов отношения.
При составлении запросов используются , в основном, три операции: SELECT, JOIN и PROJECT.
Конструкция предложения SELECT такова:
SELECT <имя таблицы> WHERE <условие> GIVING TEMP (выбрать, где, сформировать таблицу, содержащую результат).
Конструкция предложения JOIN:
JOIN <имя таблицы> AND <имя таблицы> OVER <имя атрибута, по которому выполняется сцепление> GIVING TEMP (соединить, и, по, сформировать таблицу, содержащую результат).
Конструкция предложения PROJECT: PROJECT <имя таблицы> OVER <имена атрибутов> GIVING TEMP (спроектировать, на, сформировать таблицу, содержащую результат).
Предложения языка записываются в том порядке, в котором должны выполняться операции запроса. Сформированная каждым из предложений таблица (TEMP) является исходной для выполнения следующего предложения. Таблица, сформированная последним предложением запроса, содержит окончательный результат выполнения запроса (RESULT).
Составленные ранее запросы запишем с помощью этих операторов. Предложения запросов следуют в том же порядке, в котором следуют операции в записанных ранее формулах запросов.
Запрос 1 Сообщить название фирмы-поставщика П1
SELECT ПОСТАВЩИК WHERE П# = 'П1' GIVING TEMP1
PROJECT TEMP1 OVER Имя поставщика GIVING RESULT
Первое предложение формирует промежуточную таблицу TEMP1, второе предложение формирует результирующую таблицу RESULT. Результаты выполнения каждого предложения в точности соответствуют результатам выполнения операций, рассмотренным в предыдущем параграфе.
Запрос 2
В каком количестве поставляются изделия И2?
SELECT ПОСТАВКИ WHERE И# = 'И2' GIVING TEMP1
PROJECT TEMP1 OVER Кол GIVING RESULT
Запрос 3
Сколько изделий И2 поставляет фирма Заря?
ПОСТАВЩИК WHERE Имя поставщика = 'Заря' GIVING TEMP1
JOIN TEMP1 AND ПОСТАВКИ OVER П# GIVING TEMP2
SELECT TEMP2 WHERE И# = 'И2' GIVING TEMP3
PROJECT TEMP3 OVER Кол GIVING RESULT
Запрос 4
Какие поставщики и по какому тарифу поставляют изделия И2?
SELECT ПОСТАВКИ И# = 'И2' GIVING TEMP1
JOIN TEMP1 AND ПОСТАВЩИК OVER П# GIVING TEMP2
JOIN TEMP2 AND ДОСТАВКА OVER Город GIVING TEMP3
PROJECT TEMP3 OVER Имя поставщика, Тариф GIVING RESULT
В языках данных СУБД команды GIVING TEMP и GIVING RESULT не используются. Конец формулы запроса обозначается точкой или точкой с запятой. Кроме того, в современных СУБД принят несколько иной синтаксис формул запросов.
Рассмотрим примеры записи запросов на выполнение операций ведения БД.
Запрос 5
Добавить в отношение ПОСТАВЩИК кортеж {П4, Победа, Пенза}
ПОСТАВЩИК UNION {П4, Победа, Пенза} GIVING ПОСТАВЩИК
Запрос 6
Удалить из отношения сведения о поставках изделия И2.
ПОСТАВКИ MINUS {*, И2, *}
Удалить кортежи отношения можно также с помощью оператора DELETE.
DELETE ПОСТАВКИ WHERE И#=И2
Рассмотренный язык (язык SQL) обладает следующей особенностью: это процедурный язык обработки реляционных таблиц. Это означает, что в формуле запроса последовательно перечисляются все операции, которые надо выполнить над отношениями для выработки ответа. Пользователь, работающий с таким языком, должен иметь определенный уровень подготовки. Кроме того, один и тот же результат можно получить, составляя разные варианты запроса. При этом скорость выполнения запроса и необходимые объемы памяти для хранения промежуточных результатов зависят от того, как именно составлена формула: "лучшим" или "не лучшим" способом. И здесь существенное значение имеет уровень подготовки пользователя, его опыт и навыки. Кроме того, в языке слабо представлены средства арифметической обработки данных. Предусмотрен лишь оператор суммирования данных по столбцам SUMMARIZE.
Замечательным достоинством этого языка является его реляционная полнота. Это означает, что язык позволяет составить любые запросы на манипулирование данными в БД.
Желание освободиться от процедурности языка, которую принято считать его недостатком, привело к созданию непроцедурных коммерческих языков реляционных БД, использующих несколько иной принцип составления запросов. Непроцедурные языки (язык QBE) позволяют в запросе сформулировать, что нужно получить, а не как этого добиться.
Тремя наиболее важными реляционными языками БД являются: SQL - Structured Query Language (структурированный язык запросов), QBE - Query By Example (запрос по образцу) и QUEL - Query Language (язык запросов). Наибольшее распространение получили первые два.
2.Язык SQL - общие сведения
Язык SQL предназначен для выполнения операций над таблицами (создание, удаление, изменение структуры таблиц), и над данными (выборка, изменение, добавление, удаление данных). Он позволяет выполнять и некоторые дополнительные операции. Язык не содержит операторов управления и ввода-вывода, операторов организации подпрограмм и т.п. Поэтому язык SQL автономно не используется, он может работать только в среде конкретной СУБД.был создан и впервые использован в 1981 г. С тех пор появились различные версии языка, однако основные принципы составления запросов, основные операторы и правила их выполнения практически одинаковы для всех СУБД. В настоящее время принят международный стандарт SQL - SQL-92. Этот стандарт представляет собой обобщение всех известных его реализаций. Это означает, что ядро стандарта содержит операции, применяемые практически во всех известных коммерческих версиях языка, а полный стандарт включает усовершенствования, которые некоторым производителям еще только предстоит реализовать.
Из реляционной алгебры в этот стандарт включены операторы для некоторых операций над множествами, а также операторы, выполняющие над отношениями основные реляционные операции: выборку SELECT, соединение JOIN и проекцию. В языке также используется аппарат реляционного исчисления.
3.Язык запросов QBE
Язык SQL требует определенных навыков в составлении запросов и не может быть предложен пользователю- непрограммисту для общения с БД. Был разработан простой и наглядный графически-ориентированный язык запросов для пользователей - Query By Example (запрос по образцу), ставший важной частью коммерческих СУБД. Этот язык также основан на реляционной алгебре.
В различных реляционных СУБД имеются свои варианты QBE, но везде запросы формулируются посредством графического представления таблиц БД. Помещая символы в определенные места в столбцах таблицы, пользователь формирует условия отбора строк из таблиц БД, формат и порядок вывода данных.
Рассмотрим основные возможности QBE, опираясь на первоначально разработанный вариант языка.
Пользователю предоставляются сведения об именах таблиц и именах столбцов, содержащихся в каждой из таблиц. Пользователь может вывести таблицу-образец для любой таблицы БД, указав ее имя. В первом столбце таблицы-образца выводится имя таблицы, за ним следуют имена столбцов. Под каждым именем столбца оставлено пустое пространство, позволяющее пользователю формировать запрос. Проиллюстрируем использование таблиц-образцов на примерах, составив на QBE два из ранее рассмотренных запросов.
Запрос 1
Сообщить название фирмы-поставщика П1.
Поскольку известные и искомые данные хранятся в одной таблице ПОСТАВЩИК, нужно вывести образец для этой таблицы.
ПОСТАВЩИКП#Имя поставщикаГородП1Р.
Условием отбора является равенство значения, находящегося в столбце П# базовой таблицы, введенному значению П1.
В столбец П# помещаем условие отбора данных - номер поставщика П1. Для того, чтобы указать, что именно мы хотим вывести, в столбец Имя поставщика помещаем команду Р. (print - распечатать). Пустые столбцы можно удалить. Результат запроса будет представлен в виде так называемой ответной или целевой таблицы, содержащей все строки из базовой таблицы, в которых номер поставщика равен П1.
ПОСТАВЩИКП#Имя поставщикаП1Восход
Запрос 2
Сколько изделий И2 поставляет фирма Заря?
ПОСТАВЩИКП#Имя поставщикаГород_ПЗаря
ПОСТАВКИП#И#Кол__ПИ2Р.
Ответная таблица будет содержать все необходимые данные, пустые столбцы не выводятся.
Имя поставщикаИ#КолЗаряИ2500
В запросе можно указывать более сложные условия отбора с помощью операторов сравнения <, >, <=, >=, <>. Условия, указанные в разных строках столбца таблицы-образца, воспринимаются системой как операнды логической операции ИЛИ, а условия, указанные в разных столбцах одной и той же таблицы воспринимаются системой как операнды логической операции И.
Запрос 3 Какие изделия поставляются в количестве 200 или 300 единиц?
ПОСТАВКИП#И#КолР.200 300
Ответ:
И#КолИ1 И2 И3 И1300 200 200 200
Запрос 4
Какие изделия поставляются поставщиком П2 в количестве 500 единиц.
Ответ:
ПОСТАВКИП#И#КолП#И#КолП2Р.500П2И2500
Языки QBE, реализованные в коммерческих СУБД, обладают многочисленными дополнительными средствами манипулирования данными.
4.Использование реляционной алгебры для составления запросов к БД
Для полученной ранее модели данных, состоящей из трех нормализованных отношений ПОСТАВЩИК, ПОСТАВКИ, ДОСТАВКА составим запросы, запишем их в виде формул реляционной алгебры и получим результаты для каждого запроса.
При составлении запросов и вычислении формул следует помнить о том, что результатом выполнения любой операции над отношением является новое отношение, к которому, в свою очередь, можно применить любую операцию реляционной алгебры. Эта важная идея создания новых таблиц на основе старых позволяет составлять запросы любой сложности.
Запрос 1
Сообщить название фирмы-поставщика П1.
Мы получим ответ на этот запрос, если из таблицы ПОСТАВЩИК выделим строку, содержащую сведения о поставщике П1. Это можно сделать, выполнив операцию сцепления отношения ПОСТАВЩИК с известной из запроса константой П1 (т.е. выполнив операцию сцепления отношения с одноэлементным множеством {П1}).
ПОСТАВЩИК * {П1}
В результате выполнения операции получим новое отношение, состоящее из единственного кортежа (т.е. таблицу, состоящую из одной строки).
П1ВосходТула
Полученная строка содержит лишние сведения. Уточним ответ, применив к вновь полученному отношению операцию проекции на атрибут Имя поставщика. Полученная формула и является формулой запроса.
ПОСТАВЩИК * {П1} [Имя поставщика]
В результате будет выделен один столбец. Это и будет ответом на запрос.
Восход
Запрос 2
В каком количестве поставляются изделия И2?
Искомые сведения находятся в таблице ПОСТАВКИ. Аналогично Запросу 1 применим к отношению ПОСТАВКИ операцию сцепления с известной константой И2, а затем спроектируем полученное отношение на атрибут Кол.
ПОСТАВКИ * {И2} [Кол]
Результаты выполнения операций
П1 П2И2 И2200 500
200 500
Запрос 3
Сколько изделий И2 поставляет фирма Заря?
В этом запросе известными являются значения двух атрибутов: Имя поставщика Заря и номер изделия - И2. Известные и искомые данные находятся в двух таблицах: ПОСТАВЩИК и ПОСТАВКИ, поэтому для ответа на запрос необходимо "привязать" сведения из одной таблицы к сведениям из другой таблицы. Это можно сделать, выполнив операцию сцепления отношений по атрибуту П#.
Для выработки ответа на запрос выполним следующие действия:
узнаем значение атрибута П#, выполнив операцию сцепления отношения ПОСТАВЩИК с одноэлементным множеством Заря;
выполним операцию сцепления полученного результата с отношением ПОСТАВКИ по атрибуту П#;
выполнив операцию сцепление отношения с одноэлементным множеством, выделим кортежи, содержащие сведения об изделии И2;
и, наконец, выполним проекцию на атрибут Кол.
Запишем формулу запроса.
ПОСТАВЩИК * {Заря} * ПОСТАВКИ * {И2} [Кол]
Определим результаты выполнения каждой из операций.
. В результате выполнения операции сцепления отношения ПОСТАВЩИК с одноэлементным множеством {Заря} получим новое отношение, содержащее единственный кортеж (т.е. новую таблицу, состоящую из одной строки).
П2ЗаряСамара
. Вторая операция выполняет сцепление полученного отношения, имеющего арность 3, с отношением ПОСТАВКИ, имеющим также арность 3, по одинаковому значению атрибута П#. В результате получим новое отношение арностью 5. В него войдут все кортежи сцепляемых отношений, у которых значение атрибута П# = П2.
П2ЗаряСамараИ1200П2ЗаряСамараИ2500
. В результате выполнения третьей операции из полученного отношения выберутся строки, в которых значение атрибута И# равно И2.
. С помощью операции проекции уточним ответ, выделив столбец Кол.
П2ЗаряСамараИ2500500
Запрос 4
Какие поставщики и по какому тарифу поставляют изделие И2?
Известное данное (номер изделия П2) находится в таблице ПОСТАВКИ, а искомые данные (имя поставщика и тариф) - в таблицах ПОСТАВЩИК и ДОСТАВКА. Поэтому для выработки ответа на запрос необходимо связать данные из трех таблиц.
Из отношения ПОСТАВКИ с помощью операции сцепления отношения с одноэлементным множеством {И2} выделим кортежи, содержащие номера поставщиков, поставляющих изделие И2. Затем выполним сцепление полученного отношения с отношением ПОСТАВЩИК по атрибуту П#. Получим отношение, содержащее атрибут с названиями городов, из которых доставляются изделия И2. Операция сцепления полученного отношения с отношением ДОСТАВКА по атрибуту Город сформирует отношение, содержащее атрибуты с искомыми данными. Наконец, выполнив проекцию этого отношения на атрибуты Имя поставщика и Тариф, выделим искомые данные.
Запишем формулу запроса.
ПОСТАВКИ * {И2} * ПОСТАВЩИК * ДОСТАВКА [Имя поставщика, Тариф]
Определим результаты выполнения каждой операции (все операции в формуле и получаемые результаты пронумерованы).
П1И2200П1И2200ВосходТулаП2И2500П2И2500ЗаряСамараП1И2200ВосходТула10Восход10П2И2500ЗаряСамара15Заря15
Можно заметить, что в результате последовательного выполнения нескольких операций сцепления арность отношений растет, т.е. в таблицах увеличивается количество столбцов. Рост объемов промежуточных результатов при выполнении такого запроса на ЭВМ может привести к увеличению времени выполнения каждой следующей операции, и общее время выполнения запроса может оказаться недопустимо большим.
Рассмотрим другой вариант формулы запроса. Для уменьшения объемов промежуточных таблиц используем дополнительные операции проекции. Это позволит на каждом этапе отсекать ненужные столбцы и оставлять лишь те столбцы, которые необходимы для выполнения последующей операции сцепления или для вывода искомых данных.
Результаты выполнения операций:
П1И2200П1П1ВосходТулаВосходТулаП2И2500П2П2ЗаряСамараЗаряСамара
ВосходТула10Восход10ЗаряСамара15Заря15
Использовав булевы операторы, можно строить формулы для более сложных запросов. С помощью теоретико-множественных операций объединения и вычитания множеств, можно записывать формулы для запросов на добавление и удаление кортежей отношений.
Заключение
Язык для взаимодействия с БД SQL появился в середине 70-х и был разработан в рамках проекта экспериментальной реляционной СУБД System R. Исходное название языка SEQUEL (Structered English Query Language) только частично отражает суть этого языка. Конечно, язык был ориентирован главным образом на удобную и понятную пользователям формулировку запросов к реляционной БД, но на самом деле уже являлся полным языком БД, содержащим помимо операторов формулирования запросов и манипулирования БД средства определения и манипулирования схемой БД; определения ограничений целостности и триггеров; представлений БД; возможности определения структур физического уровня, поддерживающих эффективное выполнение запросов; авторизации доступа к отношениям и их полям; точек сохранения транзакции и откатов. В языке отсутствовали средства синхронизации доступа к объектам БД со стороны параллельно выполняемых транзакций: с самого начала предполагалось, что необходимую синхронизацию неявно выполняет СУБД.
Список литературы
1."SQL Полное руководство" Киев, 1998
."Эффективная работа с Microsoft Access 7.0" Питер, Санкт-Петербург, 1997