Базы данных и информационные технологии

Замечание. Приведенная декомпозиция отношения "Поставки" на отношения "Поставщики" и "Поставки-2" не является единственно возможной. Альтернативной декомпозицией является декомпозиция на следующие отношения:

Таблица 4 - Отношение "Поставщики"

Номер поставщика PNUM	Наименование поставщика PNAME
1
Фирма 1
2
Фирма 2
3
Фирма 3

На первый взгляд, такая декомпозиция хуже, чем первая. Действительно, наименования поставщиков по-прежнему повторяются, и при изменении наименования поставщика, это наименование придется менять одновременно в нескольких местах (тем более сразу в двух отношениях!). Кажется, что ситуация стала еще хуже, чем была до декомпозиции. Однако такое ощущение возникает от того, что мы интуитивно считаем, что наименования поставщиков могут меняться, а номера - нет. Если же предположить, что номера поставщиков тоже могут меняться (почему бы нет - директор приказал перенумеровать поставщиков!), то первая декомпозиция получается такой же "плохой" как и вторая - повторяющиеся номера придется менять одновременно в нескольких местах и также сразу в двух отношениях.

На самом деле никакого противоречия тут нет. В отношении "Поставки-3" атрибут "Наименование поставщика" (PNAME) является внешним ключом, служащим для связи с отношением "Поставщики". Поэтому, при изменении наименования поставщика, это изменение производится в отношении "Поставщики" и каскадно (см. стратегии поддержания ссылочной целостности в гл. 3) распространяется на отношение "Поставки-3" совершенно так, как изменение номера поставщика каскадно распространяется на отношение "Поставки-2". Поэтому, формально обе декомпозиции совершенно равноправны. В реальной работе разработчик выберет, конечно, первую декомпозицию, но тут важно подчеркнуть, что его выбор основан совсем на других соображениях, не имеющих отношения к формальной теории нормальных форм.

Замечание. Отношение "Поставки-2", полученное в результате декомпозиции имеет всего один потенциальный ключ. Поэтому, для анализа отношения "Поставки-2" не требуется привлекать определение НФБК, достаточно определения 3НФ. Хотя отношение "Поставщики" имеет два потенциальных ключа, но, т.к. других атрибутов в нем нет, оно уже так просто устроено, что упростить его дальше нельзя. Возникает вопрос, имеются ли нетривиальные примеры отношений в НФБК, не находящиеся в 3НФ и не такие простые, как отношение "Поставщики"?

Пример 2. Предположим, что нам по-прежнему необходимо учитывать поставки, но каждый акт поставки должен иметь некоторый уникальный номер (назовем его "сквозной номер поставки"). Отношение может иметь следующий вид:

Таблица 6 - Отношение "Поставки-с-номером"

Номер поставщика PNUM	Номер детали DNUM	Поставляемое количество VOLUME	Сквозной номер поставки NN
1	1	100	1
1	2	200	2
1	3	300	3
2	1	150	4
2	2	250	5
3	1	1000	6

Одним потенциальным ключом данного отношения является, как и раньше, пара атрибутов {PNUM, DNUM}. Другим ключом, в силу уникальности сквозного номера, является атрибут NN. В данном отношении имеются следующие функциональные зависимости:

Зависимость атрибутов от первого ключа отношения:

{PNUM, DNUM} VOLUME,

{PNUM, DNUM} NN,

Зависимость атрибутов от второго ключа отношения:

NN PNUM,

NN DNUM,

NN VOLUME,

Зависимости, являющиеся следствием зависимостей от ключей отношения:

{PNUM, DNUM} {VOLUME, NN},

NN {PNUM, DNUM},

NN {PNUM, VOLUME},

NN {DNUM, VOLUME},

NN {PNUM, DNUM, VOLUME}.

Как можно заметить, детерминанты всех зависимостей являются потенциальными ключами, поэтому данное отношение находится в НФБК. Особенностью данного отношения является то, что оно имеет два совершенно независимых потенциальных ключа.

4НФ (Четвертая Нормальная Форма)

Рассмотрим следующий пример. Пусть требуется учитывать данные об абитуриентах, поступающих в ВУЗ. При анализе предметной области были выделены следующие требования:

· Каждый абитуриент имеет право сдавать экзамены на несколько факультетов одновременно.

· Каждый факультет имеет свой список сдаваемых предметов.

· Один и тот же предмет может сдаваться на нескольких факультетах.

· Абитуриент обязан сдавать все предметы, указанные для факультета, на который он поступает, несмотря на то, что он, может быть, уже сдавал такие же предметы на другом факультете.

Предположим, что нам требуется хранить данные о том, какие предметы должен сдавать каждый абитуриент. Попытаемся хранить данные в одном отношении "Абитуриенты-Факультеты-Предметы":

Таблица 7 - Отношение "Абитуриенты-Факультеты-Предметы"

Абитуриент	Факультет	Предмет
Иванов	Математический	Математика
Иванов	Математический	Информатика
Иванов	Физический	Математика
Иванов	Физический	Физика
Петров	Математический	Математика
Петров	Математический	Информатика

В данный момент в отношении хранится информация о том, что абитуриент Иванов поступает на два факультета (математически и физический), а абитуриент Петров - только на математический. Кроме того, можно сделать вывод, что на математическом факультете нужно сдавать математику и информатику, а на физическом - математику и физику.

Кажется, что в отношении имеется аномалия обновления, связанная с тем, что дублируются фамилии абитуриентов, наименования факультетов и наименования предметов. Однако эта аномалия легко устраняется стандартным способом - вынесением всех наименований в отдельные отношения, оставляя в исходном отношении только соответствующие номера:

Таблица 8 - Модифицированное отношение "Абитуриенты-Факультеты-Предметы"

Номер Абитуриента	Номер Факультета	Номер Предмета
1	1	1
1	1	2
1	2	1
1	2	3
2	1	1
2	1	2

Теперь каждое наименование встречается только в одном месте.

И все-таки как в исходном, так и в модифицированном отношении имеются аномалии обновления, возникающие при попытке вставить или удалить кортежи.

Аномалия вставки. При попытке добавить в отношение "Абитуриенты-Факультеты-Предметы" новый кортеж, например (Сидоров, Математический, Математика), мы обязаны добавить также и кортеж (Сидоров, Математический, Информатика), т.к. все абитуриенты математического факультета обязаны иметь один и тот же список сдаваемых предметов. Соответственно, при попытке вставить в модифицированное отношении кортеж (3, 1, 1), мы обязаны вставить в него также и кортеж (3, 1, 2).

Аномалия удаления. При попытке удалить кортеж (Иванов, Математический, Математика), мы обязаны удалить также и кортеж (Иванов, Математический, Информатика) по той же самой причине.

Таким образом, вставка и удаление кортежей не может быть выполнена независимо от других кортежей отношения.

Кроме того, если мы удалим кортеж (Иванов, Физический, Математика), а вместе с ним и кортеж (Иванов, Физический, Физика), то будет потеряна информация о предметах, которые должны сдаваться на физическом факультете.

Декомпозиция отношения "Абитуриенты-Факультеты-Предметы" для устранения указанных аномалий не может быть выполнена на основе функциональных зависимостей, т.к. это отношение не содержит никаких функциональных зависимостей. Это отношение является полностью ключевым, т.е. ключом отношения является все множество атрибутов. Но ясно, что какая-то взаимосвязь между атрибутами имеется. Эта взаимосвязь описывается понятием многозначной зависимости.

Определение 2. Пусть - отношение, и , , - некоторые из его атрибутов (или непересекающиеся множества атрибутов).

Тогда атрибуты (множества атрибутов) и многозначно зависят от (обозначается ), тогда и только тогда, когда из того, что в отношении содержатся кортежи и следует, что в отношении содержится также и кортеж к.

Замечание. Меняя местами кортежи и в определении многозначной зависимости, получим, что в отношении должен содержаться также и кортеж . Таким образом, атрибуты и , многозначно зависящие от , ведут себя "симметрично" по отношению к атрибуту .

В отношении "Абитуриенты-Факультеты-Предметы" имеется многозначная зависимость ФакультетАбитуриент|Предмет.

Словами это можно выразить так - для каждого факультета (для каждого значения из ) каждый поступающий на него абитуриент (значение из ) сдает один и тот же список предметов (набор значений из ), и для каждого факультета (для каждого значения из ) каждый сдаваемый на факультете экзамен (значение из ) сдается одним и тем же списком абитуриентов (набор значений из ). Именно наличие этой зависимости не позволяет независимо вставлять и удалять кортежи. Кортежи обязаны вставляться и удаляться одновременно целыми наборами.

Замечание. Если в отношении имеется не менее трех атрибутов , , и есть функциональная зависимость , то есть и многозначная зависимость .

Действительно, действуя формально в соответствии с определением многозначной зависимости, предположим, что в отношении содержатся кортежи и . В силу функциональной зависимости отсюда следует, что . Но тогда кортеж в точности совпадает с кортежем и, следовательно, содержится в отношении . Таким образом, имеется многозначная зависимость .

Таким образом, понятие многозначной зависимости является обобщением понятия функциональной зависимости.

Определение 3. Многозначная зависимость называется нетривиальной многозначной зависимостью, если не существует функциональных зависимостей и .

В отношении "Абитуриенты-Факультеты-Предметы" имеется именно нетривиальная многозначная зависимость ФакультетАбитуриент|Предмет. В силу нетривиальности этой зависимости мы не можем воспользоваться теоремой Хеза для декомпозиции отношения. Однако Фейджином Р. [52] доказана следующая теорема:

Теорема (Фейджина). Пусть , , - непересекающиеся множества атрибутов отношения.

Декомпозиция отношения на проекции и будет декомпозицией без потерь тогда и только тогда, когда имеется многозначная зависимость .

Замечание. Если зависимость является тривиальной, т.е. существует одна из функциональных зависимостей или , то получаем теорему Хеза.

Доказательство теоремы.

Необходимость. Пусть декомпозиция отношения на проекции и является декомпозицией без потерь. Докажем что .

Предположим, что отношение содержит кортежи и . Необходимо доказать, что кортеж также содержится в . По определению проекций, кортеж содержится в , а кортеж содержится в . Тогда кортеж содержится в естественном соединении , а в силу того, что декомпозиция является декомпозицией без потерь, этот кортеж содержится и в . Необходимость доказана.

Достаточность. Пусть имеется многозначная зависимость . Докажем, что декомпозиция отношения на проекции и является декомпозицией без потерь.

Как и в доказательстве теоремы Хеза, нужно доказать, что для любого состояния отношения .

Включение доказывается как в теореме Хеза. Такое включение выполняется всегда для любой декомпозиции отношения .

Докажем включение . Пусть кортеж . Это означает, что в проекции содержится кортеж , а в проекции содержится кортеж . По определению проекции, найдется такое значение атрибута , что отношение содержит кортеж . Аналогично, найдется такое значение атрибута , что отношение содержит кортеж . Тогда по определению многозначной зависимости кортеж . Включение доказано. Достаточность доказана. Теорема доказана.

Определение 4. Отношение находится в четвертой нормальной форме (4НФ) тогда и только тогда, когда отношение находится в НФБК и не содержит нетривиальных многозначных зависимостей.

Отношение "Абитуриенты-Факультеты-Предметы" находится в НФБК, но не в 4НФ. Согласно теореме Фейджина, это отношение можно без потерь декомпозировать на отношения:

Таблица 12 - Отношение "Факультеты-Абитуриенты"

Факультет	Абитуриент
Математический	Иванов
Физический	Иванов
Математический	Петров

В полученных отношениях устранены аномалии вставки и удаления, характерные для отношения "Абитуриенты-Факультеты-Предметы".

Заметим, что полученные отношения остались полностью ключевыми, и в них по-прежнему нет функциональных зависимостей.

Отношения с нетривиальными многозначными зависимостями возникают, как правило, в результате естественного соединения двух отношений по общему полю, которое не является ключевым ни в одном из отношений. Фактически это приводит к попытке хранить в одном отношении информацию о двух независимых сущностях. В качестве еще одного примера можно привести ситуацию, когда сотрудник может иметь много работ и много детей. Хранение информации о работах и детях в одном отношении приводит к возникновению нетривиальной многозначной зависимости РаботникРабота|Дети.

5НФ (Пятая Нормальная Форма)

Функциональные и многозначные зависимости позволяют произвести декомпозицию исходного отношения без потерь на две проекции. Можно, однако, привести примеры отношений, которые нельзя декомпозировать без потерь ни на какие две проекции.

Теорема Фейджина (другая формулировка). Отношение удовлетворяет зависимости соединения тогда и только тогда, когда имеется многозначная зависимость .

Т.к. теорема Фейджина является взаимно обратной, то ее можно взять в качестве определения многозначной зависимости. Таким образом, многозначная зависимость является частным случаем зависимости соединения, т.е., если в отношении имеется многозначная зависимость, то имеется и зависимость соединения. Обратное, конечно, неверно.

Определение 6. Зависимость соединения называется нетривиальной зависимостью соединения, если выполняется два условия:

· Одно из множеств атрибутов не содержит потенциального ключа отношения .

· Ни одно из множеств атрибутов не совпадает со всем множеством атрибутов отношения .

Для удобства работы сформулируем это определение так же и в отрицательной форме:

Определение 7. Зависимость соединения называется тривиальной зависимостью соединения, если выполняется одно из условий:

· Либо все множества атрибутов содержат потенциальный ключ отношения .

· Либо одно из множеств атрибутов совпадает со всем множеством атрибутов отношения .

Определение 8. Отношение находится в пятой нормальной форме (5НФ) тогда и только тогда, когда любая имеющаяся зависимость соединения является тривиальной.

Определения 5НФ может стать более понятным, если сформулировать его в отрицательной форме:

Определение 9. Отношение не находится в 5НФ, если в отношении найдется нетривиальная зависимость соединения.

Возвращаясь к примеру 3, становится понятно, что не зная ничего о том, какие потенциальные ключи имеются в отношении и как взаимосвязаны атрибуты, нельзя делать выводы о том, находится ли данное отношение в 5НФ (как, впрочем, и в других нормальных формах). По данному конкретному примеру можно только предположить, что отношение в примере 3 не находится в 5НФ. Предположим, что анализ предметной области позволил выявить следующие зависимости атрибутов в отношении :

(i) Отношение является полностью ключевым (т.е. потенциальным ключом отношения является все множество атрибутов).

(ii) Имеется следующая зависимость (довольно странная, с практической точки зрения): если в отношении содержатся кортежи , и , то отсюда следует, что в отношении содержится также и кортеж .

Утверждение. Докажем, что при наличии ограничений (i) и (ii), отношение находится в 4НФ, но не в 5НФ.

Доказательство. Покажем, что отношение находится в 4НФ. Согласно определению 4НФ, необходимо показать, что отношение находится в НФБК и не содержит нетривиальных многозначных зависимостей. Т.к. отношение является полностью ключевым, то оно автоматически находится в НФБК. Если бы в отношении имелась многозначная зависимость (необязательно нетривиальная), то, согласно теореме Фейджина, отношение можно было бы декомпозировать без потерь на две проекции. Но пример 3 показывает, что таких декомпозиций нет (здесь мы воспользовались тем, что для доказательства возможности декомпозиции необходимо доказать ее для всех возможных состояний отношения, а для доказательства невозможности достаточно привести один контрпример). Поэтому в отношении нет никаких многозначных зависимостей.

Покажем, что отношение не находится в 5НФ. Для этого нужно привести пример нетривиальной зависимости соединения. Естественным кандидатом на нее является . Если это действительно зависимость соединения, то она нетривиальна. Действительно, ни одно из множеств атрибутов , и не совпадает с множеством всех атрибутов отношения и не содержит потенциального ключа.

Но является ли такая декомпозиция именно зависимостью соединения? Для этого нужно показать, что декомпозиция на три проекции , и является декомпозицией без потерь для любого состояния отношения (именно здесь содержится ключевая тонкость, обычно пропускаемая при анализе конкретного состояния отношения в примере 3, и именно здесь нам понадобятся знания о предметной области, выраженные в утверждении (ii)).

Как и в предыдущих доказательствах, нужно доказать, что для любого состояния отношения .

Включение доказывается как в теореме Хеза. Такое включение выполняется всегда для любой декомпозиции отношения .

Докажем включение .

Пусть кортеж . Это означает, что в проекции содержится кортеж , в проекции содержится кортеж , а в проекции содержится кортеж . По определению проекции, найдутся такие значения , , атрибутов , и соответственно, что отношение содержит кортежи , и . Но тогда по условию (ii) в отношении содержится также и кортеж . Этим доказано необходимое включение. Утверждение доказано.

Продолжение алгоритма нормализации (приведение к 5НФ)

В предыдущей главе был описан алгоритм нормализации как алгоритм приведения отношений к 3НФ. Теперь мы можем продолжить этот алгоритм, доведя его до алгоритма приведения к 5НФ.

Шаг 4 (Приведение к НФБК). Если имеются отношения, содержащие несколько потенциальных ключей, то необходимо проверить, имеются ли функциональные зависимости, детерминанты которых не являются потенциальными ключами. Если такие функциональные зависимости имеются, то необходимо провести дальнейшую декомпозицию отношений. Те атрибуты, которые зависят от детерминантов, не являющихся потенциальными ключами выносятся в отдельное отношение вместе с детерминантами.

Шаг 5 (Приведение к 4НФ). Если в отношениях обнаружены нетривиальные многозначные зависимости, то необходимо провести декомпозицию для исключения таких зависимостей.

Шаг 5 (Приведение к 5НФ). Если в отношениях обнаружены нетривиальные зависимости соединения, то необходимо провести декомпозицию для исключения и таких зависимостей.

Выводы

Обобщением 3НФ на случай, когда отношение имеет более одного потенциального ключа, является нормальная форма Бойса-Кодда.

Отношение находится в нормальной форме Бойса-Кодда (НФБК) тогда и только тогда, когда детерминанты всех функциональных зависимостей являются потенциальными ключами.

Нормализация отношений вплоть до нормальной формы Бойса-Кодда основывалась на понятии функциональной зависимости и теореме Хеза, гарантировавшей, что декомпозиция будет происходить без потерь информации.

Дальнейшая нормализация связана уже с обобщением понятия функциональной зависимости.

Атрибуты (множества атрибутов) и многозначно зависят от , (), тогда и только тогда, когда из того, что в отношении содержатся кортежи и следует, что в отношении содержится также и кортеж к.

Корректность дальнейшей декомпозиции основывается на теореме Фейджина, которая говорит о том, что декомпозиция отношения на две проекции является декомпозицией без потерь тогда и только тогда, когда в отношении имеется некоторая многозначная зависимость.

Если в отношении имеется функциональная зависимость, то автоматически имеется и тривиальная многозначная зависимость, определяемая этой функциональной зависимостью.

Многозначная зависимость называется нетривиальной многозначной зависимостью, если не существует функциональных зависимостей и .

Отношение находится в четвертой нормальной форме (4НФ) тогда и только тогда, когда отношение находится в НФБК и не содержит нетривиальных многозначных зависимостей.

Имеют место зависимости специального вида, когда отношение не может быть подвергнуто декомпозиции без потерь на две проекции, но может быть декомпозировано на большее число проекций. Такие зависимости называются зависимостями соединения и являются обобщением понятия многозначной зависимости.

Отношение находится в пятой нормальной форме (5НФ) тогда и только тогда, когда любая имеющаяся зависимость соединения является тривиальной.

Выводы

При разработке базы данных можно выделить несколько уровней моделирования:

· Сама предметная область

· Модель предметной области

· Логическая модель данных

· Физическая модель данных

· Собственно база данных и приложения

Ключевые решения, определяющие качество будущей базы данных закладываются на этапе разработки логической модели данных. "Хорошие" модели данных должны удовлетворять определенным критериям:

· Адекватность базы данных предметной области

· Легкость разработки и сопровождения базы данных

· Скорость выполнения операций обновления данных (вставка, обновление, удаление)

· Скорость выполнения операций выборки данных

Первая нормальная форма (1НФ) - это обычное отношение. Отношение в 1НФ обладает следующими свойствами:

· В отношении нет одинаковых кортежей.

· Кортежи не упорядочены.

· Атрибуты не упорядочены.

· Все значения атрибутов атомарны.

Отношения, находящиеся в 1НФ являются "плохими" в том смысле, что они не удовлетворяют выбранным критериям - имеется большое количество аномалий обновления, для поддержания целостности базы данных требуется разработка сложных триггеров.

Отношение находится во второй нормальной форме (2НФ) тогда и только тогда, когда отношение находится в 1НФ и нет неключевых атрибутов, зависящих от части сложного ключа.

Отношения в 2НФ "лучше", чем в 1НФ, но еще недостаточно "хороши" - остается часть аномалий обновления, по-прежнему требуются триггеры, поддерживающие целостность базы данных.

Отношение находится в третьей нормальной форме (3НФ) тогда и только тогда, когда отношение находится в 2НФ и все неключевые атрибуты взаимно независимы.

Отношения в 3НФ являются самыми "хорошими" с точки зрения выбранных нами критериев - устранены аномалии обновления, требуются только стандартные триггеры для поддержания ссылочной целостности.

Переход от ненормализованных отношений к отношениям в 3НФ может быть выполнен при помощи алгоритма нормализации. Алгоритм нормализации заключается в последовательной декомпозиции отношений для устранения функциональных зависимостей атрибутов от части сложного ключа (приведение к 2НФ) и устранения функциональных зависимостей неключевых атрибутов друг от друга (приведение к 3НФ).

Корректность процедуры нормализации (декомпозиция без потери информации) доказывается теоремой Хеза.

Операторы SQL

Основу языка SQL составляют операторы, условно разбитые не несколько групп по выполняемым функциям.

Можно выделить следующие группы операторов (перечислены не все операторы SQL):

Операторы определения объектов базы данных

· CREATE SCHEMA - создать схему базы данных

· DROP SHEMA - удалить схему базы данных

· CREATE TABLE - создать таблицу

· ALTER TABLE - изменить таблицу

· DROP TABLE - удалить таблицу

· CREATE DOMAIN - создать домен

· ALTER DOMAIN - изменить домен

· DROP DOMAIN - удалить домен

· CREATE COLLATION - создать последовательность

· DROP COLLATION - удалить последовательность

· CREATE VIEW - создать представление

· DROP VIEW - удалить представление

Операторы манипулирования данными

· SELECT - отобрать строки из таблиц

· INSERT - добавить строки в таблицу

· UPDATE - изменить строки в таблице

· DELETE - удалить строки в таблице

· COMMIT - зафиксировать внесенные изменения

· ROLLBACK - откатить внесенные изменения

Наиболее важными для пользователя являются операторы манипулирования данными (DML).

INSERT - вставка строк в таблицу

Пример 1. Вставка одной строки в таблицу Р (поля PNUM и PNAME):

INSERT INTO

P (PNUM, PNAME)

VALUES (4, "Иванов");

Пример 2. Вставка в таблицу нескольких строк, выбранных из другой таблицы (в таблицу TMP_TABLE вставляются данные о поставщиках из таблицы P, имеющие номера, большие 2):

INSERT INTO

TMP_TABLE (PNUM, PNAME)

SELECT PNUM, PNAME

FROM P

WHERE P.PNUM>2;

UPDATE - обновление строк в таблице

Пример 3. Обновление нескольких строк в таблице Р (присвоить значение Пушников полю PNAME в записях, в которых в поле PNUM стоит значение 1):

UPDATE P

SET PNAME = "Пушников"

WHERE P.PNUM = 1;

DELETE - удаление строк в таблице

Пример 4. Удаление нескольких строк в таблице:

DELETE FROM P

WHERE P.PNUM = 1;

Пример 5. Удаление всех строк в таблице:

DELETE FROM P;

Оператор SELECT

Оператор SELECT является фактически самым важным для пользователя и самым сложным оператором SQL. Он предназначен для выборки данных из таблиц, т.е. он, собственно, и реализует одно их основных назначение базы данных - предоставлять информацию пользователю.

Оператор SELECT всегда выполняется над некоторыми таблицами, входящими в базу данных.

Замечание. На самом деле в базах данных могут быть не только постоянно хранимые таблицы, а также временные таблицы и так называемые представления. Представления - это просто хранящиеся в базе данные SELECT-выражения. С точки зрения пользователей представления - это таблица, которая не хранится постоянно в базе данных, а "возникает" в момент обращения к ней. С точки зрения оператора SELECT и постоянно хранимые таблицы, и временные таблицы и представления выглядят совершенно одинаково. Конечно, при реальном выполнении оператора SELECT системой учитываются различия между хранимыми таблицами и представлениями, но эти различия скрыты от пользователя.

Результатом выполнения оператора SELECT всегда является таблица. Таким образом, по результатам действий оператор SELECT похож на операторы реляционной алгебры. Любой оператор реляционной алгебры может быть выражен подходящим образом сформулированным оператором SELECT. Сложность оператора SELECT определяется тем, что он содержит в себе все возможности реляционной алгебры, а также дополнительные возможности, которых в реляционной алгебре нет.

Отбор данных из одной таблицы

Пример 6. Выбрать все данные (ставим *) из таблицы Р (ключевые слова SELECT… FROM…):

SELECT *

FROM P;

Замечание. В результате получим новую таблицу, содержащую полную копию данных из исходной таблицы P.

Пример 7. Выбрать все строки (ставим *) из таблицы Р, удовлетворяющих некоторому условию (ключевое слово WHERE…) (где в поле PNUM стоит значение, большее 2):

SELECT *

FROM P

WHERE P.PNUM > 2;

Замечание. В качестве условия в разделе WHERE можно использовать сложные логические выражения, использующие поля таблиц, константы, сравнения (>, <, = и т.д.), скобки, союзы AND (и) и OR(или), отрицание NOT (не).

Пример 8. Выбрать значения некоторого поля (например, все значения (*) поля NAME) из исходной таблицы Р (указание списка отбираемых колонок):

SELECT P.NAME

FROM P;

Замечание. В результате получим таблицу с одной колонкой, содержащую все наименования поставщиков.

Замечание. Если в исходной таблице присутствовало несколько поставщиков с разными номерами, но одинаковыми наименованиями, то в результатирующей таблице будут строки с повторениями - дубликаты строк автоматически не отбрасываются.

Пример 9. Выбрать некоторые колонки из исходной таблицы, удалив из результата повторяющиеся строки (ключевое слово DISTINCT):

SELECT DISTINCT P.NAME

FROM P;

Замечание. Использование ключевого слова DISTINCT приводит к тому, что в результатирующей таблице будут удалены все повторяющиеся строки.

Пример 10. Использование скалярных выражений и переименований колонок в запросах (ключевое слово AS…):

SELECT

TOVAR.PRICE,

"=" AS EQU,

TOVAR.KOL*TOVAR.PRICE AS SUMMA

FROM TOVAR;

В результате получим таблицу с колонками, которых не было в исходной таблице TOVAR:

TNAME	KOL	PRICE	EQU	SUMMA
Болт	10	100	=	1000
Гайка	20	200	=	4000
Винт	30	300	=	9000

Пример 11.Упорядочение результатов запроса (ключевое слово ORDER BY…):

SELECT

PD.PNUM,

PD.DNUM,

PD.VOLUME

FROM PD

ORDER BY DNUM;

В результате получим следующую таблицу, упорядоченную по полю DNUM:

PNUM	DNUM	VOLUME
1	1	100
2	1	150
3	1	1000
1	2	200
2	2	250
1	3	300

Пример 12. Упорядочение результатов запроса по нескольким полям с возрастанием или убыванием (ключевые слова ASC, DESC):

SELECT

PD.PNUM,

PD.DNUM,

PD.VOLUME

FROM PD

ORDER BY

DNUM ASC,

VOLUME DESC;

В результате получим таблицу, в которой строки идут в порядке возрастания значения поля DNUM, а строки, с одинаковым значением DNUM идут в порядке убывания значения поля VOLUME:

PNUM	DNUM	VOLUME
3	1	1000
2	1	150
1	1	100
2	2	250
1	2	200
1	3	300

Замечание. Если явно не указаны ключевые слова ASC или DESC, то по умолчанию принимается упорядочение по возрастанию (ASC).

Отбор данных из нескольких таблиц

Пример 13. Естественное соединение таблиц (способ 1 - явное указание условий соединения):

SELECT

P.PNUM,

P.PNAME,

PD.DNUM,

PD.VOLUME

FROM P, PD

WHERE P.PNUM = PD.PNUM;

В результате получим новую таблицу, в которой строки с данными о поставщиках соединены со строками с данными о поставках деталей:

PNUM	PNAME	DNUM	VOLUME
1	Иванов	1	100
1	Иванов	2	200
1	Иванов	3	300
2	Петров	1	150
2	Петров	2	250
3	Сидоров	1	1000

Замечание. Соединяемые таблицы перечислены в разделе FROM оператора, условие соединения приведено в разделе WHERE. Раздел WHERE, помимо условия соединения таблиц, может также содержать и условия отбора строк.

Пример 14. Естественное соединение таблиц (способ 2 - ключевые слова JOIN… USING…):

SELECT

P.PNUM,

P.PNAME,

PD.DNUM,

PD.VOLUME

FROM P JOIN PD USING PNUM;

Замечание. Ключевое слово USING позволяет явно указать, по каким из общих колонок таблиц будет производиться соединение.

Пример 15. Естественное соединение таблиц (способ 3 - ключевое слово NATURAL JOIN):

SELECT

P.PNUM,

P.PNAME,

PD.DNUM,

PD.VOLUME

FROM P NATURAL JOIN PD;

Замечание. В разделе FROM не указано, по каким полям производится соединение. NATURAL JOIN автоматически соединяет по всем одинаковым полям в таблицах.

Пример 16. Естественное соединение трех таблиц:

SELECT

P.PNAME,

D.DNAME,

PD.VOLUME

FROM

P NATURAL JOIN PD NATURAL JOIN D;

В результате получим следующую таблицу:

PNAME	DNAME	VOLUME
Иванов	Болт	100
Иванов	Гайка	200
Иванов	Винт	300
Петров	Болт	150
Петров	Гайка	250
Сидоров	Болт	1000

Пример 17. Прямое произведение таблиц:

SELECT

P.PNUM,

P.PNAME,

D.DNUM,

D.DNAME

FROM P, D;

В результате получим следующую таблицу:

PNUM	PNAME	DNUM	DNAME
1	Иванов	1	Болт
1	Иванов	2	Гайка
1	Иванов	3	Винт
2	Петров	1	Болт
2	Петров	2	Гайка
2	Петров	3	Винт
3	Сидоров	1	Болт
3	Сидоров	2	Гайка
3	Сидоров	3	Винт

Замечание. Т.к. не указано условие соединения таблиц, то каждая строка первой таблицы соединится с каждой строкой второй таблицы.

Использование имен корреляции (алиасов, псевдонимов)

Иногда приходится выполнять запросы, в которых таблица соединяется сама с собой, или одна таблица соединяется дважды с другой таблицей. При этом используются имена корреляции (алиасы, псевдонимы), которые позволяют различать соединяемые копии таблиц. Имена корреляции вводятся в разделе FROM и идут через пробел после имени таблицы. Имена корреляции должны использоваться в качестве префикса перед именем столбца и отделяются от имени столбца точкой. Если в запросе указываются одни и те же поля из разных экземпляров одной таблицы, они должны быть переименованы для устранения неоднозначности в именованиях колонок результатирующей таблицы. Определение имени корреляции действует только во время выполнения запроса.

Пример 19. Отобрать все пары поставщиков таким образом, чтобы первый поставщик в паре имел статус, больший статуса второго поставщика:

SELECT

P1.PNAME AS PNAME1,

P1.PSTATUS AS PSTATUS1,

P2.PNAME AS PNAME2,

P2.PSTATUS AS PSTATUS2

FROM

P P1, P P2

WHERE P1.PSTATUS1 > P2.PSTATUS2;

В результате получим следующую таблицу:

PNAME1	PSTATUS1	PNAME2	PSTATUS2
Иванов	4	Петров	1
Иванов	4	Сидоров	2
Сидоров	2	Петров	1

Использование агрегатных функций в запросах

Пример 21. Получить общее количество поставщиков (ключевое слово COUNT):

SELECT COUNT(*) AS N

FROM P;

В результате получим таблицу с одним столбцом и одной строкой, содержащей количество строк из таблицы P:

N
3

Пример 22. Получить общее, максимальное, минимальное и среднее количества поставляемых деталей (ключевые слова SUM, MAX, MIN, AVG):

SELECT

SUM(PD.VOLUME) AS SM,

MAX(PD.VOLUME) AS MX,

MIN(PD.VOLUME) AS MN,

AVG(PD.VOLUME) AS AV

FROM PD;

В результате получим следующую таблицу с одной строкой:

SM	MX	MN	AV
2000	1000	100	333.33333333

Использование агрегатных функций с группировками

Пример 23. Для каждой детали получить суммарное поставляемое количество (ключевое слово GROUP BY…):

SELECT

PD.DNUM,

SUM(PD.VOLUME) AS SM

GROUP BY PD.DNUM;

Этот запрос будет выполняться следующим образом. Сначала строки исходной таблицы будут сгруппированы так, чтобы в каждую группу попали строки с одинаковыми значениями DNUM. Потом внутри каждой группы будет просуммировано поле VOLUME. От каждой группы в результатирующую таблицу будет включена одна строка:

DNUM	SM
1	1250
2	450
3	300

Замечание. В списке отбираемых полей оператора SELECT, содержащего раздел GROUP BY можно включать только агрегатные функции и поля, которые входят в условие группировки. Следующий запрос выдаст синтаксическую ошибку:

SELECT

PD.PNUM,

PD.DNUM,

SUM(PD.VOLUME) AS SM

GROUP BY PD.DNUM;

Причина ошибки в том, что в список отбираемых полей включено поле PNUM, которое не входит в раздел GROUP BY. И действительно, в каждую полученную группу строк может входить несколько строк с различными значениями поля PNUM. Из каждой группы строк будет сформировано по одной итоговой строке. При этом нет однозначного ответа на вопрос, какое значение выбрать для поля PNUM в итоговой строке.

Замечание. Некоторые диалекты SQL не считают это за ошибку. Запрос будет выполнен, но предсказать, какие значения будут внесены в поле PNUM в результатирующей таблице, невозможно.

Пример 24. Получить номера деталей, суммарное поставляемое количество которых превосходит 400 (ключевое слово HAVING…):

Замечание. Условие, что суммарное поставляемое количество должно быть больше 400 не может быть сформулировано в разделе WHERE, т.к. в этом разделе нельзя использовать агрегатные функции. Условия, использующие агрегатные функции должны быть размещены в специальном разделе HAVING:

SELECT

PD.DNUM,

SUM(PD.VOLUME) AS SM

GROUP BY PD.DNUM

HAVING SUM(PD.VOLUME) > 400;

В результате получим следующую таблицу:

DNUM	SM
1	1250
2	450

Замечание. В одном запросе могут встретиться как условия отбора строк в разделе WHERE, так и условия отбора групп в разделе HAVING. Условия отбора групп нельзя перенести из раздела HAVING в раздел WHERE. Аналогично и условия отбора строк нельзя перенести из раздела WHERE в раздел HAVING, за исключением условий, включающих поля из списка группировки GROUP BY.

Использование подзапросов

Очень удобным средством, позволяющим формулировать запросы более понятным образом, является возможность использования подзапросов, вложенных в основной запрос.

Пример 25. Получить список поставщиков, статус которых меньше максимального статуса в таблице поставщиков (сравнение с подзапросом):

SELECT *

FROM P

WHERE P.STATYS <

(SELECT MAX(P.STATUS) FROM P);

Замечание. Т.к. поле P.STATUS сравнивается с результатом подзапроса, то подзапрос должен быть сформулирован так, чтобы возвращать таблицу, состоящую ровно из одной строки и одной колонки.

Замечание. Результат выполнения запроса будет эквивалентен результату следующей последовательности действий:

1. Выполнить один раз вложенный подзапрос и получить максимальное значение статуса.

2. Просканировать таблицу поставщиков P, каждый раз сравнивая значение статуса поставщика с результатом подзапроса, и отобрать только те строки, в которых статус меньше максимального.

Пример 26. Использование предиката IN. Получить список поставщиков, поставляющих деталь номер 2:

SELECT *

FROM P

WHERE P.PNUM IN

(SELECT DISTINCT PD.PNUM FROM PD

WHERE PD.DNUM = 2);

Замечание. В данном случае вложенный подзапрос может возвращать таблицу, содержащую несколько строк.

Замечание. Результат выполнения запроса будет эквивалентен результату следующей последовательности действий:

1. Выполнить один раз вложенный подзапрос и получить список номеров поставщиков, поставляющих деталь номер 2.

2. Просканировать таблицу поставщиков P, каждый раз проверяя, содержится ли номер поставщика в результате подзапроса.

Пример 27. Использование предиката EXIST. Получить список поставщиков, поставляющих деталь номер 2:

SELECT *

FROM P

WHERE EXIST

(SELECT *

FROM PD

WHERE

PD.PNUM = P.PNUM AND

PD.DNUM = 2);

Замечание. Результат выполнения запроса будет эквивалентен результату следующей последовательности действий:

1. Просканировать таблицу поставщиков P, каждый раз выполняя подзапрос с новым значением номера поставщика, взятым из таблицы P.

2. В результат запроса включить только те строки из таблицы поставщиков, для которых вложенный подзапрос вернул непустое множество строк.

Замечание. В отличие от двух предыдущих примеров, вложенный подзапрос содержит параметр (внешнюю ссылку), передаваемый из основного запроса - номер поставщика P.PNUM. Такие подзапросы называются коррелируемыми (correlated). Внешняя ссылка может принимать различные значения для каждой строки-кандидата, оцениваемого с помощью подзапроса, поэтому подзапрос должен выполняться заново для каждой строки, отбираемой в основном запросе. Такие подзапросы характерны для предиката EXIST, но могут быть использованы и в других подзапросах.

Замечание. Может показаться, что запросы, содержащие коррелируемые подзапросы будут выполняться медленнее, чем запросы с некоррелируемыми подзапросами. На самом деле это не так, т.к. то, как пользователь, сформулировал запрос, не определяет, как этот запрос будет выполняться. Язык SQL является непроцедурным, а декларативным. Это значит, что пользователь, формулирующий запрос, просто описывает, каким должен быть результат запроса, а как этот результат будет получен - за это отвечает сама СУБД.

Пример 28. Использование предиката NOT EXIST. Получить список поставщиков, не поставляющих деталь номер 2:

SELECT *

FROM P

WHERE NOT EXIST

(SELECT *

FROM PD

WHERE

PD.PNUM = P.PNUM AND

PD.DNUM = 2);

Замечание. Также как и в предыдущем примере, здесь используется коррелируемый подзапрос. Отличие в том, что в основном запросе будут отобраны те строки из таблицы поставщиков, для которых вложенный подзапрос не выдаст ни одной строки.

Пример 29. Получить имена поставщиков, поставляющих все детали:

SELECT DISTINCT PNAME

FROM P

WHERE NOT EXIST

(SELECT *

FROM D

WHERE NOT EXIST

(SELECT *

FROM PD

WHERE

PD.DNUM = D.DNUM AND

PD.PNUM = P.PNUM));

Замечание. Данный запрос содержит два вложенных подзапроса и реализует реляционную операцию деления отношений.

Самый внутренний подзапрос параметризован двумя параметрами (D.DNUM, P.PNUM) и имеет следующий смысл: отобрать все строки, содержащие данные о поставках поставщика с номером PNUM детали с номером DNUM. Отрицание NOT EXIST говорит о том, что данный поставщик не поставляет данную деталь. Внешний к нему подзапрос, сам являющийся вложенным и параметризованным параметром P.PNUM, имеет смысл: отобрать список деталей, которые не поставляются поставщиком PNUM. Отрицание NOT EXIST говорит о том, что для поставщика с номером PNUM не должно быть деталей, которые не поставлялись бы этим поставщиком. Это в точности означает, что во внешнем запросе отбираются только поставщики, поставляющие все детали.

Использование объединения, пересечения и разности

Пример 30. Получить имена поставщиков, имеющих статус, больший 3 или поставляющих хотя бы одну деталь номер 2 (объединение двух подзапросов - ключевое слово UNION):

SELECT P.PNAME

FROM P

WHERE P.STATUS > 3

UNION

SELECT P.PNAME

FROM P, PD

WHERE P.PNUM = PD.PNUM AND

PD.DNUM = 2;

Замечание. Результатирующие таблицы объединяемых запросов должны быть совместимы, т.е. иметь одинаковое количество столбцов и одинаковые типы столбцов в порядке их перечисления. Не требуется, чтобы объединяемые таблицы имели бы одинаковые имена колонок. Это отличает операцию объединения запросов в SQL от операции объединения в реляционной алгебре. Наименования колонок в результатирующем запросе будут автоматически взяты из результата первого запроса в объединении.

Пример 31. Получить имена поставщиков, имеющих статус, больший 3 и одновременно поставляющих хотя бы одну деталь номер 2 (пересечение двух подзапросов - ключевое слово INTERSECT):

SELECT P.PNAME

FROM P

WHERE P.STATUS > 3

INTERSECT

SELECT P.PNAME

FROM P, PD

WHERE P.PNUM = PD.PNUM AND

PD.DNUM = 2;

Пример 32. Получить имена поставщиков, имеющих статус, больший 3, за исключением тех, кто поставляет хотя бы одну деталь номер 2 (разность двух подзапросов - ключевое слово EXCEPT):

SELECT P.PNAME

FROM P

WHERE P.STATUS > 3

EXCEPT

SELECT P.PNAME

FROM P, PD

WHERE P.PNUM = PD.PNUM AND

PD.DNUM = 2;

Синтаксис оператора выборки данных (SELECT)

BNF-нотация

Опишем синтаксис оператора выборки данных (оператора SELECT) более точно. При описании синтаксиса операторов обычно используются условные обозначения, известные как стандартные формы Бэкуса-Наура (BNF).

В BNF обозначениях используются следующие элементы:

· Символ "::=" означает равенство по определению. Слева от знака стоит определяемое понятие, справа - собственно определение понятия.

· Ключевые слова записываются прописными буквами. Они зарезервированы и составляют часть оператора.

· Метки-заполнители конкретных значений элементов и переменных записываются курсивом.

· Необязательные элементы оператора заключены в квадратные скобки [].

· Вертикальная черта | указывает на то, что все предшествующие ей элементы списка являются необязательными и могут быть заменены любым другим элементом списка после этой черты.

· Фигурные скобки {} указывают на то, что все находящееся внутри них является единым целым.

· Троеточие "…" означает, что предшествующая часть оператора может быть повторена любое количество раз.

· Многоточие, внутри которого находится запятая ".,.." указывает, что предшествующая часть оператора, состоящая из нескольких элементов, разделенных запятыми, может иметь произвольное число повторений. Запятую нельзя ставить после последнего элемента. Замечание: данное соглашение не входит в стандарт BNF, но позволяет более точно описать синтаксис операторов SQL.

· Круглые скобки являются элементом оператора.

Синтаксис оператора выборки

В довольно сильно упрощенном виде оператор выборки данных имеет следующий синтаксис (для некоторых элементов мы дадим не BNF-определения, а словесное описание):

Оператор выборки:= Табличное выражение [ORDER BY {{Имя столбца-результата [ASC | DESC]} | {Положительное целое [ASC | DESC]}}.,..];

Табличное выражение ::= Select-выражение [ {UNION | INTERSECT | EXCEPT} [ALL] {Select-выражение | TABLE Имя таблицы | Конструктор значений таблицы} ]

Select-выражение ::= SELECT [ALL | DISTINCT] {{{Скалярное выражение | Функция агрегирования | Select-выражение} [AS Имя столбца]}.,..} | {{Имя таблицы|Имя корреляции}.*} | * FROM { {Имя таблицы [AS] [Имя корреляции] [(Имя столбца.,..)]} | {Select-выражение [AS] Имя корреляции [(Имя столбца.,..)]} | Соединенная таблица }.,.. [WHERE Условное выражение] [GROUP BY {[{Имя таблицы|Имя корреляции}.]Имя столбца}.,..] [HAVING Условное выражение]

Замечание. Select-выражение в разделе SELECT, используемое в качестве значения для отбираемого столбца, должно возвращать таблицу, состоящую из одной строки и одного столбца, т.е. скалярное выражение.

Замечание. Условное выражение в разделе WHERE должно вычисляться для каждой строки, являющейся кандидатом в результатирующее множество строк. В этом условном выражении можно использовать подзапросы. Синтаксис условных выражений, допустимых в разделе WHERE рассматривается ниже.

Замечание. Раздел HAVING содержит условное выражение, вычисляемое для каждой группы, определяемой списком группировки в разделе GROUP BY. Это условное выражение может содержать функции агрегирования, вычисляемые для каждой группы. Условное выражение, сформулированное в разделе WHERE, может быть перенесено в раздел HAVING. Перенос условий из раздела HAVING в раздел WHERE невозможен, если условное выражение содержит агрегатные функции. Перенос условий из раздела WHERE в раздел HAVING является плохим стилем программирования - эти разделы предназначены для различных по смыслу условий (условия для строк и условия для групп строк).

Замечание. Если в разделе SELECT присутствуют агрегатные функции, то они вычисляются по-разному в зависимости от наличия раздела GROUP BY. Если раздел GROUP BY отсутствует, то результат запроса возвращает не более одной строки. Агрегатные функции вычисляются по всем строкам, удовлетворяющим условному выражению в разделе WHERE. Если раздел GROUP BY присутствует, то агрегатные функции вычисляются по отдельности для каждой группы, определенной в разделе GROUP BY.

Скалярное выражение - в качестве скалярных выражений в разделе SELECT могут выступать либо имена столбцов таблиц, входящих в раздел FROM, либо простые функции, возвращающие скалярные значения.

Функция агрегирования:= COUNT (*) | { {COUNT | MAX | MIN | SUM | AVG} ([ALL | DISTINCT] Скалярное выражение) }

Конструктор значений таблицы ::= VALUES Конструктор значений строки.,..

Конструктор значений строки:= Элемент конструктора | (Элемент конструктора.,..) | Select-выражение

Замечание. Select-выражение, используемое в конструкторе значений строки, обязано возвращать ровно одну строку.

Элемент конструктора:= Выражение для вычисления значения | NULL | DEFAULT

Синтаксис соединенных таблиц

В разделе FROM оператора SELECT можно использовать соединенные таблицы. Пусть в результате некоторых операций мы получаем таблицы A и B. Такими операциями могут быть, например, оператор SELECT или другая соединенная таблица. Тогда синтаксис соединенной таблицы имеет следующий вид:

Соединенная таблица ::= Перекрестное соединение | Естественное соединение | Соединение посредством предиката | Соединение посредством имен столбцов | Соединение объединения

Тип соединения ::= INNER | LEFT [OUTER] | RIGTH [OUTER] | FULL [OUTER]

Перекрестное соединение ::= Таблица А CROSS JOIN Таблица В

Естественное соединение ::= Таблица А [NATURAL] [Тип соединения] JOIN Таблица В

Соединение посредством предиката ::= Таблица А [Тип соединения] JOIN Таблица В ON Предикат

Соединение посредством имен столбцов ::= Таблица А [Тип соединения] JOIN Таблица В USING (Имя столбца.,..)

Соединение объединения ::= Таблица А UNION JOIN Таблица В

Опишем используемые термины.

CROSS JOIN - Перекрестное соединение возвращает просто декартово произведение таблиц. Такое соединение в разделе FROM может быть заменено списком таблиц через запятую.

NATURAL JOIN - Естественное соединение производится по всем столбцам таблиц А и В, имеющим одинаковые имена. В результатирующую таблицу одинаковые столбцы вставляются только один раз.

JOIN … ON - Соединение посредством предиката соединяет строки таблиц А и В посредством указанного предиката.

JOIN … USING - Соединение посредством имен столбцов соединяет отношения подобно естественному соединению по тем общим столбцам таблиц А и Б, которые указаны в списке USING.