Modelo Relacional

Modelo Relacional de DatosIng. Alberto Zurita C.

Tema 2. Modelo relacional de datos

Objetivos Comprender los principios estructurales del

modelo de datos relacional formal Entender los conceptos integridad de entidad e

integridad referencial, y apreciar su importancia Entender los significados e implicaciones del

concepto nulo en el modelo relacional Comprender el concepto vista relacional, y la

problemática asociada a la modificación de datos a través de vistas

Conocer los lenguajes formales álgebra relacional y cálculo relacional de tuplas, así como el lenguaje relacional estándar SQL-92

2. Modelo relacional de datos


Contenidos2.1 Presentación y orígenes del modelo

relacional2.2 Estructura de datos relacional2.3 Características generales de integridad de

datos



Bibliografía

[EN 2002] Elmasri, R.; Navathe, S.B.: Fundamentos de Sistemas de Bases de Datos. 3ª Edición. Addison-Wesley. (Cap. 7, 8 y 9)

[EN 1997] Elmasri, R.; Navathe, S.B.: Sistemas de bases de datos. Conceptos fundamentales. 2ª Edición. Addison-Wesley Iberoamericana. (Cap. 6 y 7)

[D 2001] Date, C.J.: Introducción a los sistemas de bases de datos. 7ª Edición. Prentice-Hall. (Cap. 3 al 9)

[SKS 1998] Korth, H; Silberschatz, A., Sudarshan, S.: Fundamentos de bases de datos. 3ª Edición. McGraw-Hill. (Cap. 3 y 4)

...



Introducido por Codd, 1970

Es un Modelo de Datos Lógico - de Representación -(basado en registros)

El modelo más usado en las aplicaciones comerciales de procesamiento de datos convencional

Dividido en 3 partes:1. Estructura de Datos2. Integridad de Datos (características generales)3. Manipulación de Datos

2.1 Presentación y orígenes del MR


Base de Datos = Conjunto de Relaciones

• Relación– Estructura de datos fundamental del modelo– Tiene un nombre y representa una entidad genérica – Conjunto de tuplas

• Cada tupla representa una entidad concreta– Compuesta de atributos con nombre (y dominio)

• Cada atributo representa un atributo de la entidad– Representada mediante una tabla con filas y columnas

• Modelo basado en Teoría matemática– Analogía entre “Relación” (concepto matemático) y “Tabla”– Teoría de Conjuntos y Lógica de Predicados de 1er orden» Sólida Base Formal

2.2 Estructura de datos relacional



título director género rodaje

nacionalidad

duración

Amores Perros A. González Drama 2000 México 145

The Matrix A. Wachowsky Ciencia-ficción 1999 EEUU 138

Torrente S. Segura Comedia 1997 España 110

Nos miran N. López Policiaco 2001 España 118

Amelie J. P. Jeunet Comedia 2001 Francia 122

Los lunes al sol F. León Drama 2002 España 117

tuplas

card

inalid

ad

grado

atributos

La relación PELICULA

--- ------ ---

Ciencia-ficción,Drama,Thriller,

Comedia... --- ------ ---

2002, 1997, 1999, 2001,

1994, 1972...

Italia,Argentina, España, EEUU, Francia,Japón..

--- ------ ---

dom

inio

s Títulos Nombres

Géneros Años Países

Tiempo


Términos básicos


Modelo Relacional Procesamiento de Ficheros

Formal SQL-92

Relación Tabla Fichero

Tupla Si la tupla t está en la relación R, entonces tR Fila Registro

concreto

AtributoDebe tener un nombre único dentro de cada relación

cabecera de Columna

Nombre deCampo de registro

Cardinalidad

nº de tuplas en una relación =

Grado nº atributos en una relación =

Dominiocolección de valores permitidos para ciertos atributos

=


• Conjunto de valores atómicos del mismo tipo, donde toman su valor los atributos

– La definición de dominios forma parte de la definición de la BD

– Cada atributo definido sobre un ÚNICO dominio OBLIGATORIO

– Si A, B representan un mismo concepto, A y B con mismo dominio

– Dominio D puede contener valores no tomados por ningún atributo

{valores de A} Dominio(A)

• Comparaciones Restringidas a Dominio– La comparación de dos atributos sólo tiene sentido si

ambos toman valores del mismo dominio– Si el SGBD soporta dominios, podrá detectar este tipo de

errores

Definiciones formales: DOMINIO



Una relación R, sobre conjunto de dominios D1, D2 ... Dn se compone de dos partes:

• Esquema o Cabecera Conjunto de pares Atributo:Dominio

{ (A1:D1), (A2:D2) ... (An:Dn) }

– Cada Aj tiene asociado sólo un Dj

– Los Di no tienen por qué ser distintos entre sí

• Estado, Cuerpo o Instancia – Conjunto de tuplas que contiene en un instante

concreto– tupla = conjunto de pares Atributo:Valor

{ { (A1:vi1), (A2:vi2) ... (An:vin) } }, donde i=1..m

Definiciones formales: RELACIÓN (1)



Un esquema de relación:PELICULA (titulo:Titulos, duracion:Tiempo, director:Nombres, estreno:Fechas)

Un estado de la relación:{ { (titulo:Torrente), (duracion:110), (director:S.Segura), (estreno:1997) } { (titulo:The Matrix), (duracion:138), (director:A.Wachowski), (estreno:1999) } ... }

• El estado de una relación es variable en el tiempo– nuevas tuplas, modificación o borrado de existentes

• El esquema no suele variar costoso:

· reescritura de “miles” de tuplas· ¿valores de nuevos atributos para tuplas ya

existentes?– Suele incluir un conjunto de Reglas de Integridad (se

verá)




• Propiedades de una Relación

1. No existen tuplas repetidas

2. Las tuplas no están ordenadas

3. Los atributos no están ordenadosesquema = conjunto de pares Atributo:Dominio

4. Los valores de atributos son Atómicosdominio = conjunto de valores atómicos

Intersección fila/columna = un solo valor (no lista de valores)

Si R cumple esta propiedad, R está en 1FN

estado = conjunto matemático de tuplas




• FORMAS NORMALESR está en <determinada> FN si

cumple <cierto> conjunto de condiciones o restricciones

necesarias para estar bien diseñada

de acuerdo con el modelo relacional de datos.

• Toda relación ha de estar en 1FN (estructura de datos simple)




• Relación vs. Tabla– Relación: Representación abstracta de un elemento de

datos

– Tabla: Representación concreta de tal elemento abstracto

– Ventajas Representación muy sencilla (tabla) del elemento

abstracto básico (relación) del Modelo Relacional Fácil de utilizar, entender, razonar...

– Inconveniente Aparente orden entre filas y entre columnas de la tabla




• Percibida por usuarios como una colección de relaciones– de diversos grados (nº de atributos)– que varían con el tiempo (nº de tuplas, estado)

• Las relaciones (tablas) son la estructura lógica de la BD– Niveles externo y conceptual ANSI/X3/SPARC

• Toda BDR cumple el Principio de Información:Todo contenido de información de la BD está representado

de una y sólo una forma: como valores explícitos dentro de posiciones de columnas dentro de filas dentro de tablas

• Conexión lógica entre Relaciones (vínculo o interrelación)– Representada mediante valores– No existen punteros (visibles al usuario)

Definiciones formales: BD RELACIONAL (1)



• En una BDR distinguimos...– Esquema de base de datos

Descripción de la base de datos Conjunto de esquemas de relación

PELICULA ( titulo:Títulos, director:Nombres, género:Géneros, rodaje:Años, nacionalidad:Países, duración:Tiempo )

ACTOR ( nombre:Nombres, nombreArtistico: Nombres, agente:Nombres, cache:Dinero )

DIRECTOR ( nombre:Nombres, nacionalidad:Países, operaPrima:Títulos )

...

– Estado o instancia de base de datos Visión del contenido de la base de datos en cierto

instante Conjunto de estados de relación

Definiciones formales: BD RELACIONAL (2)



• Todo estado de BD refleja la realidad– es un modelo de una porción del mundo real

(minimundo)

• Algunas configuraciones de valores NO tienen SENTIDO– pues no representan ningún estado posible del

minimundo2 personas distintas con el mismo DNIUn empleado sin NSSUn alumno con -29 añosUna película sin director

Definición de la BD (esquema) necesita incluir

REGLAS DE INTEGRIDAD

2.3 Características generales deintegridad de datos


Claves Candidatas y PrimariasClaves Ajenas (o foráneas o externas)

• Informan al SGBD de restricciones del mundo real

• Así, el SGBD evita configuraciones de datos imposibles

• Aumentan la capacidad expresiva del modelo relacional

• Cumplen que:• Forman parte de la base de datos• Se cumplen para cualquier estado de la BD• No varían con el tiempo

• Son específicas de cada BD particular, pero elModelo Relacional incluye...

características generales de integridad importantes y necesarias en toda BD


Reglas de integridad


Sea R una relación R(A1:D1 , A2:D2 ,... An:Dn )

• Una superclave de R es un subconjunto SK de atributos tal que cumple la restricción de Unicidad:

No existen dos tuplas distintas con la misma combinación de valores para SK

• Una clave de R es una superclave tal que cumple la restricción de Irreductibilidad:

Ningún subconjunto de CK cumple la r. Unicidad

• Clave Simple (1 atributo) o Compuesta (varios atributos)

• Cada clave es una restricción de integridad


Superclave y Clave de una relación


• Claves como restricción de integridadCLIENTE (codCliente, nombre, ciudad, telefono,...)

¿Qué implicaciones tiene establecer como clave...a) CK = {codCliente, ciudad}b) CK = {codCliente} …?

• Varias claves en una relación«Relación para registrar las visitas de pacientes a sus médicos de familia. Un mismo paciente puede visitar a su médico varias veces en un mismo día»

VISITAMEDICA (nssPaciente, historial, fecha, hora, numVisita, medico, observ)Claves (VISITAMEDICA)={ {nssPaciente, numVisita}, {nssPaciente, fecha, hora},

{historial, numVisita}, {historial, fecha, hora} }


Superclave y Clave: Ejemplos


• Si R tiene varias claves Claves CandidatasClaves (ACTOR) = { {nombre}, {nombreArtistico} }Claves (EMPLEADO) = { {dni}, {nombre, fechaNac}, {nss} }

• La Clave Primaria (Primary Key, PK ) es la clave candidata elegida para identificar las tuplas de RClave Primaria (ACTOR) = {nombreArtistico}Clave Primaria (EMPLEADO) = {nss}

• Las Claves Alternativas (Alternative Keys, AK) son el resto de claves candidatasClaves Alternativas (ACTOR) = {nombre}Claves Alternativas (EMPLEADO) = { {dni}, {nombre, fechaNac} }


Clave Candidata, Primaria y Alternativa


• Conjunto de atributos FK de una relación R2, tal que:1. Existe otra relación R1 con clave primaria PK , y2. Cada valor de FK en R2 es idéntico al de PK en alguna

tupla de R1

Conjunto de atributos de una relación que hace referencia a la clave primaria de otra relación (o la

misma)

• PELICULA (título, género, duración, director, ...)DIRECTOR (nombre, nacionalidad, ...)

• EMPLEADO (codEmp, nombre, jefe, nss, ...)

• LIBRO (título, isbn, autor, editorial, edición, año, ...)ESCRITOR (dni, nombre, ...)ARTICULO (título, tema, autor, revista, página, ...)


Clave Ajena (Externa o Foránea)


• Cada componente de una FK debe estar definido sobre el mismo dominio que el correspondiente atributo de la PK a la que referencia

PACIENTE (nss, nombre, dirección, ...)HISTORIAL (nss, especialidad, fechaApert, ...)VISITA (nss, especialidad, numVisita, fecha, ...)

• Clave Ajena Simple o Compuesta• El uso de Claves Ajenas facilita...

– Eliminación de la Redundancia: Integridad entre ficheros– Mecanismo del Modelo Relacional de datos para establecer

VÍNCULOS ENTRE RELACIONES


Clave Ajena (Externa o Foránea) (2)


CLIENTE

CUENTA



nombre dirección ciudad cuenta

García, A Gran Vía, 6 Murcia 200López, B Ronda Norte, 3 Murcia 821Azorín, C Paseo Nuevo, 9 Valencia 505Pérez, C Plaza Mayor, 2 Valencia 505

...

número

saldo ...

200 35000505 40000821 50000

...

Cada cliente sólo puede tener una cuenta a su nombre.Una cuenta puede tener más de un cliente como titular.

Vínculo Cliente-Cuenta


• Restricción de Integridad ReferencialTodo valor de una FK debe coincidir

con un valor en la correspondiente PK– La BD no debe contener claves ajenas sin

correspondencia:

Si una tupla en una relación hace referencia a otra relación, debe referirse a una tupla existente en esa relación

• Puede existir algún valor de PK al que NO haga referencia

ningún valor de la FK– ESCRITOR que no haya escrito artículos: ninguna tupla de

ARTICULO hará referencia a la tupla correspondiente a dicho escritor



ESCRITORARTICULO FK


• Diagrama Referencial– Expresión de la existencia de Claves Ajenas

• Camino Referencial


Clave Ajena (Externa o Foránea) (y 5)

ESCRITOR dni nombre ... editorial

LIBRO título isbn autor editorial ..

.

ARTICULO título

tema autor revista pág ..

.

EDITORIAL nombre dirección ...

• Ciclo Referencial– Camino que empieza y acaba en la misma relación– Caso especial: Autorreferencia

EMPLEADO codEmp ... jefe

EMPL codEmp ... dep DEPTO codDep ..

. dire


• Las operaciones que no satisfacen –violan– la Integridad Referencial, dejan la BD en un estado incorrectoEjemplo de un Hotel:

– ¿Qué pasaría si se eliminara la tupla (501, D, ...) en HABITACIÓN?

– ¿Y si se eliminara la tupla (100, D, ...)?– ¿Y si se anotara la ocupación de la habitación 900?


Mantenimiento de la Integridad Referencial

OCUPACIÓN codClie habit ...

CLI04 100

CLI02 420

CLI05 115

CLI10 100

HABITACIÓN numHabit tipo ...

115 I

420 I

100 D

304 D

405 I

501 D


• ¿Cómo evita el SGBD esos estados incorrectos?El SGBD puede... Rechazar toda operación que pueda provocar un estado

ilegal, o Aceptar (y ejecutar) tales operaciones, pero

realizar acciones que restauren la integridad de los datos

Diseñador de la BD puede especificar al SGBDAcciones de Mantenimientode la Integridad Referencial

para que la BD SIEMPRE alcance un estado final legal


Mantenimiento de la Integridad Referencial (2)


R2 R1Operación: Eliminar una tupla t de R1 que es

referenciada por otras de R2Ejemplo: Eliminar la tupla (100, D, ...) de HABITACIÓNAcciones posibles:

1. Rechazar la operación (acción por defecto)

Sólo permite borrar t si ninguna otra tupla hace referencia a t

2. Cascada. Propagar la eliminación

1º Borrar todas las tuplas de R2 que referencian a t

2º Eliminar t

3. Establecer nulos – (* se verá después *)




R2 R1Operación: Modificar el valor de una FK a un valor

no existente en la PK de R1Ejemplo: Modificar (CLI02, 420,...) a (CLI02, 900,...) en

OCUPACIÓNAcción:

1. Rechazar la operación (SIEMPRE)

Intento de violación de la restricción de Integridad Referencial




Operación: Modificar el valor de la PK de una tupla t de R1 que es referenciada por otras tuplas de R2

Ejemplo: Modificar la tupla (100, D,...) a (130, D,...) en HABITACIÓN

Acciones posibles:1. Rechazar la operación (acción por defecto)

Sólo permite modificar la PK de t si ninguna tupla referencia a t

2. Cascada. Propagar la modificación

- Toda tupla de R2 que referencia a t seguirá haciendolo:

modificar su valor de FK al nuevo valor de la PK de t

- Modificar el valor de la clave primaria de t

3. Establecer nulos – (* se verá después *)




R2 R1Operación: Inserción de una tupla t en R2 cuyo

valor de FK no se corresponde con ningún valor de la PK en ninguna tupla de R1

Ejemplo: Insertar una tupla (CLI03, 555, ...) en OCUPACIÓNAcciones posibles:

- Rechazar la operación (SIEMPRE)

Intento de violación de la restricción de Integridad Referencial




• Encadenamiento de eliminaciones (análogo para Modificación)

R2 R1, Acción de Eliminación en CascadaR3 R2, Acción de Eliminación X- Eliminar una tupla de R1 eliminar tuplas de R2 que la

referencian- Pero existen tuplas en R3 que referencian esas tuplas de

R2...

¿cómo afecta la Acción de Eliminación X en esta operación? Si X = en CASCADA, no-problemo! eliminar esas tuplas

de R3 Si X = RECHAZAR La operación completa fallará

• Las operaciones de actualización en una BD son siempre atómicas: se realiza “TODO o NADA”PROFESOR ÁREA DEPARTAMENTOASIGNATURA TITULACIÓN UNIVERSIDAD


Mantenimiento de la Integridad Referencial (y 7)

R3 R2 R1


• En el mundo real existe...– información perdida fechaNacimiento

desconocida– ausencia de información ¿tiene teléfono?– valores no aplicables a ciertos atributos fechJubilac a

empleado activo• Para representar estas situaciones en los sistemas

de BD se utiliza el NULO (null)– Si una tupla tiene un atributo que contiene un nulo,

significa que el valor real de tal atributo es desconocido– Es posible especificar si un atributo puede o no contener

nulo

nulo no es un valor en sí mismo, sino un indicador de ausencia de información

No hay dos nulos iguales (num_telefono NULL edad NULL)


Nulos


• Nulo y Claves Primarias

Restricción de Integridad de Entidad:Ningún atributo componente de unaclave primaria puede contener nulo

EMPLEADO (codEmp, nss, nombre, telefono, depto, jefe...)¿Qué pasaría si codEmp pudiera contener NULO?

• Nulo y Claves AjenasEl Modelo Relacional permite nulocomo valor de clave ajena

depto = null empleados no asignados a ningún departamentojefe = null empleados sin jefe


Implicaciones de los nulos en la integridad


• Hemos de extender la definición de clave ajenaSea R2 una relación. FK es una clave ajena en R2 si es

un subconjunto de sus atributos tal que:

1. Existe otra relación R1 con clave primaria PK y

2. En todo momento, cada valor de FK en R2

a) es NULO, o

b) es idéntico a un valor de PK en alguna tupla de R1

• Restricción de Integridad ReferencialLa Base de Datos no debe contener valores no

nulosde clave ajena sin correspondencia


Implicaciones de los nulos en la integridad (2)


• Hay que extender algunas acciones de mantenimiento de la Integridad Referencial:

R2 R1Operación: Eliminar una tupla t de R1 que es

referenciada por otras de R2Acciones posibles:

1. Rechazar la operación (acción por defecto)

2. Cascada. Propagar la eliminación

3. Establecer nulos

Sólo si la FK de R2 permite NULO- Toda tupla de R2 que referencia a t pasa a contener NULL en FK

- Eliminar la tupla t


Implicaciones de los nulos en la integridad (3)


R2 R1Operación: Modificar el valor de la PK de una

tupla t de R1 que es referenciada por otras tuplas de R2

Acciones posibles:1. Rechazar la operación (acción por defecto)

2. Cascada. Propagar la modificación

3. Establecer nulos

Sólo si la FK de R2 permite NULO- Toda tupla de R2 que referencia a t pasa a contener NULL en FK

- Modificar el valor de la PK de t


Implicaciones de los nulos en la integridad (y 4)


• Comprobar las claves candidatas (primaria y alternativas):No existen dos tuplas distintas con igual valor para una clave Definición de BD : indicar los Atributos Componentes de las Claves Candidatas

• Comprobar la restricción de Integridad de entidadNingún atributo componente de una clave primaria contiene

nulo Definición de BD : indicar los Atributos Componentes de la Clave Primaria

• Comprobar la restricción de Integridad Referencial...El valor de la clave ajena en cualquier tupla, o es nulo, o coincide con un valor de clave primaria de alguna tupla en la relación referenciada Definición de BD : indicar los Atributos Componentes de las Claves Ajenas

• ... y mantenerla frente operaciones que puedan violar la integridad Definición de BD : indicar Acciones de Mantenimiento de la Integridad Referencial


Resumiendo, el SGBD se encarga de...


Dominio Definición del DominioCODPEL enteros(3)CODGUI enteros(3)CODDIR enteros(3)CODDIS enteros(2)CODACT enteros(4)CODAGE enteros(2)SEXOS { M, F }TEXTO cadena caracteres variable (500)PORCENT enteros (2)DINERO enteros(9)NIF cadena caracteres fija (12)TITULOS cadena caracteres variable (120)GENEROS {comedia,drama,terror,suspense,accion,romantica,gore,pulp,roadmovie}PAISES {españa,francia,gran_bretaña,eeuu,australia,alemania,la_india,argentina}AÑOS AÑOFECHAS FECHANOMBRES cadena caracteres variable (35)APELLIDOS cadena caracteres variable (80)DOMICILIOS cadena caracteres variable (50)TELEFONOS cadena caracteres variable (15)TIPO_PAPEL {protagonista, secundario, reparto, figuracion}

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