2. Реляционная модель данных, ER диаграмма. Базы данных

• Обсуждение перехода на следующий уровень проектирования.  

• Фокус на реляционной модели данных, нормализации и ER-диаграмме.  

• Три уровня проектирования: концептуальное, логическое и физическое.  

• Концептуальное проектирование: создание ER-модели, отражающей предметную область.  

• Преобразование концептуальной модели в логическую.  

• Роль программиста: учёт модели данных при проектировании.  

• Создание ER-диаграммы как основы для дальнейшей работы.  

• Выбор модели данных определяет схему базы данных.  

• Реляционная модель данных как классика, актуальная на сегодняшний день.  

• Нормализация таблиц для правильного хранения информации.  

• Проверка выполнения операций и транзакций в базе данных.  

• Хранение семантической информации для предотвращения ошибок.  

• Пример: ограничение возраста человека не меньше нуля.  

• Реляционная модель мыслит отношениями, а не таблицами.  

• Базирование на реляционной алгебре и теории отношений.  

• Отношения состоят из атрибутов, которые могут переноситься из ER-модели.  

• Кортежи как пары атрибут-значение.  

• Домены как типы данных предметной области.  

• Ключи как атрибуты, уникально идентифицирующие записи.  

• Первичный ключ как идентификатор для системы управления базой данных.  

• Суррогатный ключ генерируется системой автоматически.  

• СУБД гарантирует уникальность идентификаторов в рамках одной таблицы.  

• При удалении записи и вставке новой идентификатор будет следующим, даже если предыдущий уже использовался.  

• Идентификаторы каждой таблицы начинаются с единицы и инкрементируются на единицу по умолчанию.  

• Можно настроить начало идентификаторов с другого значения, например, с тысячи, и инкрементирование на другое значение, например, на два.  

• Можно вручную задать идентификатор при вставке или обновлении, но это не рекомендуется.  

• СУБД не позволит вставить запись с уже существующим идентификатором.  

• Автоинкремент увеличивает идентификатор на единицу.  

• ГУИТ глобальный уникальный идентификатор — буквенно-цифровой идентификатор, не увеличивающийся на единицу.  

• В MongoDB используются ГУИТы из-за распределённой структуры данных.  

• Согласование автоинкрементных идентификаторов между серверами может быть сложным и медленным.  

• Возможность указания начального значения и шага для идентификаторов может быть использована для оптимизации.  

• Пример оптимизации: резервирование идентификаторов для дочерних сущностей, чтобы ускорить поиск.  

• Ключ-кандидат — это потенциальный первичный ключ, который может меняться со временем.  

• Паспорт не подходит для ключа-кандидата, так как он меняется.  

• Первичный ключ может состоять из набора атрибутов.  

• Пример: таблица «товары в накладной» с составным ключом из идентификаторов товара и накладной.  

• Поиск записей возможен по частям ключа.  

• Обновление записей требует указания обоих частей ключа.  

• Суррогатный ключ может быть введён как отдельный атрибут, являющийся первичным ключом.  

• Это позволяет идентифицировать записи по двум атрибутам.  

• Суррогатный ключ удобен для самостоятельных сущностей, таких как товары или накладные.  

• В перекрёстных таблицах выбор между суррогатным и составным ключом зависит от удобства работы с таблицей.  

• Составной ключ может быть предпочтительнее для оптимизации вставки данных.  

• Составной ключ позволяет избежать синхронизации при вставке данных.  

• Уникальность составного ключа гарантируется на уровне программного обеспечения и СУБД.  

• Прирост производительности при использовании составного ключа может быть заметен при операциях вставки.  

• Суррогатный ключ может ухудшать фрагментацию таблицы при удалении и добавлении записей.  

• Если суррогатный ключ не используется в других таблицах, предпочтительнее использовать составной первичный ключ.  

• Пример схемы базы данных с исследователями и конференциями показывает проблемы дублирования данных.  

• Аномалия удаления: при удалении записи теряется часть информации, не связанной с удалением.  

• Аномалия добавления: неполная информация требует хранения нулевых значений, что не всегда оптимально.  

• Аномалия обновления: частичная операция обновления может привести к неправильным данным.  

• Разбиение исходной таблицы на три таблицы: исследователи, конференции и связи между исследователями и конференциями.  

• Каждая таблица должна иметь свой первичный ключ.  

• Разбиение позволяет избежать дублирования данных и аномалий удаления, обновления и добавления.  

• При удалении сотрудника информация о конференции остаётся в таблице.  

• Добавление конференции не требует добавления сотрудника.  

• Обновление конференции требует обновления одной записи, что обеспечивает атомарность операции.  

• Нормализация позволяет устранить избыточность и аномалии в данных.  

• Процесс нормализации приводит таблицу к нормальной форме, которая обеспечивает правильное хранение данных.  

• Нормальная форма — это правило, которое гарантирует отсутствие аномалий в таблице.  

• Нормализация избавляет от избыточности и аномалий обновления.  

• Существует семь нормальных форм, но на практике используются только первые три.  

• Избыточная нормализация может иметь негативные последствия для базы данных.  

• Первая нормальная форма требует, чтобы в одной ячейке на пересечении записей и атрибута находилось одно значение.  

• Пример: если у сотрудника два номера телефона, нужно создать две записи.  

• Важно различать хранение текста и отдельных значений.  

• Вторая нормальная форма предполагает, что таблица уже находится в первой нормальной форме.  

• Атрибуты должны функционально полно зависеть от первичного ключа.  

• Пример с филиалами компании и должностями иллюстрирует функциональную зависимость.  

• Зарплата зависит от должности и филиала компании.  

• Наличие компьютера зависит только от должности.  

• Необходимо определить первичный ключ для уникальной идентификации записей.  

• Исходную таблицу разбивают на две: одна для зарплаты, другая для наличия компьютера.  

• В каждой таблице атрибуты должны функционально полно зависеть от первичного ключа.  

• Это обеспечивает соблюдение второй нормальной формы.  

• Обсуждение возможности разбиения исходной таблицы на несколько таблиц.  

• Переход ко второй нормальной форме.  

• Определение транзитивной зависимости: каждый неключевой атрибут зависит только от первичного ключа.  

• Пример с сотрудником и отделом: телефон зависит от отдела, который зависит от сотрудника.  

• Необходимость разбиения таблицы на две для устранения транзитивной зависимости.  

• Проверка зависимости телефона от отдела и отдела от сотрудника.  

• Объяснение, почему транзитивная зависимость требует разбиения таблицы.  

• Определение усиленной нормальной формы Бойса-Кодда: первичный ключ не должен зависеть от атрибутов.  

• Пример с таблицей тарифов для бронирования кортов: первичный ключ — номер корта и время начала.  

• Проверка зависимости времени окончания от первичного ключа.  

• Обсуждение ограничений предметной области: на первом корте всегда часовые занятия, на втором — полуторачасовые.  

• Первичный ключ зависит от названия тарифа, что создаёт коллизию в данных.  

• Предложение разбить исходную таблицу на две для устранения проблем.  

• Нормальные формы помогают избежать аномалий и избыточности данных.  

• Третья нормальная форма часто используется в реляционных базах данных.  

• Отсутствие нормальной формы может привести к проблемам на уровне программного обеспечения.  

• Увеличение количества таблиц усложняет понимание схемы базы данных.  

• Снижение скорости выполнения запросов из-за необходимости чтения данных из нескольких таблиц.  

• Преимущества нормализации: уменьшение избыточности данных и улучшение контроля целостности.  

• Де-нормализация используется для ускорения выполнения запросов.  

• Пример де-нормализации: добавление итоговой цены в счёт для быстрого поиска счетов.  

• Процесс де-нормализации будет рассмотрен на лекциях по оптимизации запросов.  

• Математический аппарат обеспечивает предсказуемое поведение при работе с данными.  

• Строгая структура таблиц упрощает работу с данными.  

• Контроль целостности данных через внешние ключи.  

• Гибкость схемы данных и возможность выполнения различных операций над множествами.  

• Относительно медленный доступ к данным по сравнению с нереляционными базами.  

• Большое количество таблиц усложняет поиск информации.  

• Несоответствие классов программного обеспечения таблицам базы данных.  

• Проблемы с формализацией предметной области.  

• ER-диаграмма используется для визуализации результатов второго уровня проектирования.  

• Основные элементы ER-диаграммы: сущность, атрибут, связь.  

• Сущность отображается в виде прямоугольника с названием и атрибутами.  

• Первичный ключ обозначается подчёркиванием.  

• Связи указываются с типом и кратностью.  

• Связь «многие ко многим» указывает на отсутствие третьей нормальной формы.  

• Необходимо пересмотреть отношения между сущностями и привести их к типу «один к одному» или «один ко многим».  

• Показана диаграмма, используемая на данном уровне проектирования.  

• Обсуждение предметной области: библиотека, книги, авторы.  

• Книги разбиты по категориям, выдаются читателям.  

• Наличие таблиц «Книга» и «Автор».  

• Одна книга может быть написана несколькими авторами, и наоборот.  

• Для устранения связи «многие ко многим» вводится дополнительная таблица.  

• В дополнительной таблице описывается, что автор написал книгу.  

• Одна книга может быть в нескольких экземплярах.  

• Экземпляр конкретной книги не может быть нескольких книг.  

• В таблице «Копия» указывается идентификатор книги.  

• Одна выдача книги может быть одной книге.  

• Один экземпляр книги может быть выдан несколько раз.  

• Идентификатор копии указывается в таблице выдачи.  

• Один читатель может получить много книг.  

• Одна выдача прикреплена к конкретному читателю.  

• Связь между читателем и выдачей — «один ко многим».  

• Выбор предметной области для проектирования.  

• Построение диаграммы с использованием существующих сущностей.  

• Перенос сущностей между старой и новой диаграммами.