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Modelo de Datos Relacional

Tecnólogo en Informática, sede PaysandúBases de Datos 1

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Modelo RelacionalTemario

Conceptos del modelo relacional

Restricciones del modelo relacional y esquemas de base de datos

Operaciones de creación y modificación de relaciones

Referencias:– Fundamentals of Database Systems [E-N], 5ta. Edición, Cap. 5


Modelo RelacionalIntroducción

Modelo Relacional– Las primeras implementaciones comerciales estuvieron disponibles a principios de

los 1980s

Ejemplos de Motores de base de datos relacionales:– DB2, Informix– Oracle– SQL Server– MySQL– PostgreSQL


Modelo Relacional:Conceptos generales


Modelo RelacionalConceptos generales

Propuesto por Edgar Frank Codd en 1970

Los datos se representan como una colección de relaciones

– Cada relación se asemeja a una tabla de valores

Tabla de valores– Filas

● Representa una colección de datos relacionada.● Corresponde a una entidad o relación del mundo real.● Tupla

– Nombre de las tablas y nombre de las columnas ● Se usan para interpretar el significado de los valores en cada registro o tupla



Cada tupla aparece como una fila y cada atributo como un encabezamiento de columna que indica la interpretación que habrá que dar a cada uno de los valores de la mismaLos valores NULL representan atributos cuyos valores no se conocen, o no existen, para una tupla ESTUDIANTE individual



Dominio (D)

– Conjunto de valores atómicos

– Atómico● Cada valor del dominio es indivisible

Especificar un dominio

– Se definen tipos de datos (data types) desde el que se dibujan los valores del mismo

– Ejemplo: Edad de una persona: Entero entre 0 y 115 años.



Dominio (D)

– Resulta útil darle un nombre que ayude en la interpretación de sus valores.

– Ejemplos de dominios:

● NumerosTelefonosFijos. El conjunto de los 9 dígitos que componen los números de teléfono en España.

● DocumentoNacionalldentidad. El conjunto de documentos nacionales de identidad válidos en España.

● Nombres. El conjunto de caracteres que representan el nombre de una persona.



Dominio (D) – Para cada uno de ellos se especifica también un tipo de dato o formato.

– Por ejemplo: el tipo de datos del dominio NumerosTelefonosFijos puede declararse como una cadena de caracteres de la forma ddddddddd, donde cada d es un dígito numérico (decimal) y los tres primeros especifican la característica de la provincia.

● ESTUDIANTE: dom(TlfParticular) = NumerosTelefonosFijos

– También puede facilitarse información adicional para la interpretación de sus valores; por ejemplo, un dominio numérico como PesoPersona debería contar con las unidades de medida, como kilogramos o libras.



Esquema de relación R

– Se utiliza para describir una relación, se dice que R es el nombre de la misma

– Denotado por R(A1, A2, ...,An)

● R es el nombre de la relación y

● A1, A2, ..., An lista de atributos con dominios D1, D2 ,…, Dn

– El grado de una relación es el número de atributos n de la misma



Relación r(R)

– Relación r del esquema R(A1, A2, ...,An) = r(R)

– Conjunto de n-tuplas r = {t1, t2, ..., tm}

– Cada tupla t

● Lista ordenada de n valores t =

● Donde cada valor vi, 1 ≤ i ≤ n

– es un elemento de dom(Ai) – o un valor especial NULL



Cada tupla aparece como una fila y cada atributo como un encabezamiento de columna que indica la interpretación que habrá que dar a cada uno de los valores de la mismaLos valores NULL representan atributos cuyos valores no se conocen, o no existen, para una tupla ESTUDIANTE individual



Relación r(R)

– La anterior definición de relación puede ser enunciada más formalmente del siguiente modo

– Una relación (o estado de relación) r(R) es una relación matemática de grado n en los dominios dom(A1), dom(A2), ... , dom(An) que es un subconjunto del producto cartesiano de los dominios que definen R:

● r(R) ⊆ (dom(A1) ✕ dom(A2) ✕ ... ✕ dom(An))

– En general, a medida que varía el estado del mundo real lo hace también la relación, convirtiéndose en otro estado de relación diferente


Cardinalidad

– Número total de valores en un dominio

Estado actual de una relación r(R)

– Estado de la relación en un momento dado. Refleja sólo las tuplas válidas que representan un estado particular del mundo real

Nombre de los atributos o columnas

– Identifican diferentes roles, o interpretaciones para el dominio– Por ejemplo el mismo dominio teléfonos puede tener distintos roles: teléfono del

hogar y teléfono del trabajo.



Modelo Relacional:Características de las Relaciones


Orden de las tuplas en una relación

– La relación está definida como un conjunto de tuplas

● Matemáticamente, los elementos de un conjunto no guardan un orden entre ellos

– El orden de los atributos y valores no es tan importante siempre que se mantenga la correspondencia entre atributos y valores

– Se intenta representar hechos a nivel lógico o abstracto

Modelo RelacionalCaracterísticas de las Relaciones


Valores y NULLs en las tuplas

– Cada valor en una tupla es atómico

– Modelo relacional plano

● No son permitidos los atributos compuestos o multivaluados● Se asume primera forma normal● Atributos multivaluados pueden ser representados por relaciones separadas● Atributos compuestos representados por atributos simples



Valores Nulos

– Representan valores de atributos que pueden ser:● desconocidos● conocido y no está disponible● o no aplique a la tupla

Restricciones (Constraints)

– Restricciones sobre los valores actuales en un estado de la base de datos– Derivados de reglas en el “minimundo” que la base de datos representa



Un esquema de relación R de grado n se designa: R(A1, A2, …, An)

Las letras Q, R, S especifican nombres de relación

Las letras q, r, s especifican estados de relación

Las letras t, u, v indican tuplas

ESTUDIANTE → estado actual de la relación

ESTUDIANTE(Nombre, Dni, …) → esquema de la relación

R.A1, ESTUDIANTE.Nombre → cualificación de atributos

t[Ai], t.Ai, ESTUDIANTE[Nombre] →valor i del atributo A en la tupla t

Modelo RelacionalNotación


Modelo Relacional:Restricciones


Tres categorías de Restricciones:

Inherentes al modelo

Restricciones basadas en el esquema

Basadas en la aplicación

Modelo RelacionalRestricciones


Inherentes al modelo (implícitas)– Ej.: una relación no puede tener tuplas duplicadas– Características vistas previamente

Restricciones basadas en el esquema (explícitas)– Expresadas por DDL– (a desarrollar)

Basadas en la aplicación (restricciones de semántica o reglas de negocio)– No pueden ser expresadas directamente en el modelo– Expresadas y cumplidas por la aplicación



Restricciones basadas en el esquema (explícitas)

– De dominio– De clave– De integridad– De entidades– Referencial– Claves externas



Especifican que dentro de cada tupla, el valor de un atributo A debe ser un valor atómico del dominio dom(A)

Típicamente incluye:– Data types numéricos para números enteros y reales– Caracteres– Booleanos– Cadena de strings de largo fijo o variable– Date, time, timestamp– Money, currency– Otros

Modelo RelacionalRestricciones de dominio (1)


Modelo RelacionalRestricciones de dominio (2)


Una relación está definida como un conjunto de tuplas.

Por definición, todos los elementos de un conjunto son distintos; por tanto, todas las tuplas en una relación también deben serlo.

Esto significa que dos tuplas no pueden tener la misma combinación de valores para todos sus atributos.

Modelo RelacionalRestricciones de clave (1)


Super Clave

– Dado R(A1,...,An), se dice que X ⊆ en {A1, … , An} es superclave en un esquema R, si no puede existir ninguna r(R) tal que tenga dos tuplas con valores iguales de X (t[X] = t’[X]).

– Especifica una restricción de exclusividad

– Cada relación tiene, al menos, una superclave predeterminada:● el conjunto de todos sus atributos

– t1[SK] ≠ t2[SK]



Clave

– Una clave es una superclave que no contiene propiamente una superclave

– Satisface dos restricciones:

1. Dos tuplas diferentes en cualquier estado de la relación no pueden tener valores idénticos para todos los atributos de la clave

2. Es una superclave mínima: es una superclave de la cual no podemos eliminar ningún atributo tal que siga cumpliendo 1)




Ejemplo:– Clave → {Dni} – Superclave → {Dni, Nombre, Edad}


Clave candidata

– En general, un esquema de relación puede contar con más de una clave

– En este caso, cada una de ellas recibe el nombre de clave candidata

– Es común designar una de ellas como la clave principal de la relación, y será la que se utilice para identificar las tuplas en la relación.

– Por ejemplo, la relación COCHE de la Figura 5.4 tiene dos claves candidatas:

● NumeroPermisoConducir y NumeroBastidor



Otra restricción en los atributos especifica si se permiten o no los valores NULL.

Por ejemplo:

– Si cada tupla ESTUDIANTE debe contar con un valor válido y no nulo para el atributo Nombre,

– entonces el Nombre de ESTUDIANTE esta obligado a ser NOT NULL.

Modelo RelacionalRestricciones en valores NULL


Las definiciones y restricciones que hemos visto hasta ahora se aplican a las relaciones individuales y a sus atributos

Una base de datos relacional suele contener muchas relaciones, con tuplas que están relacionadas de diversas formas

Un esquema de base de datos relacional S es un conjunto de esquemas de relación S = {Rl, R2, ..., Rm} y de restricciones de integridad RI

Un estado de base de datos relacional DB de S es un conjunto de estado de relación DB = {r1, r2, ..., rm} en el que cada ri es un estado de Ri y satisface las restricciones de integridad especificadas en RI

Modelo RelacionalBD relacionales y esquemas (1)


Cuando nos referimos a una base de datos relacional, incluimos implícitamente tanto su esquema como su estado actual

Un estado de base de datos que no cumple todas sus restricciones de integridad se dice que está en un estado incorrecto

Aquél que sí las cumple está en un estado correcto



Restricciones de integridad de entidad

– Ningún valor de una clave primaria (clave principal) puede ser nulo.

– Esto se debe a que dicha clave se emplea para identificar tuplas individuales en una relación.

– Si se permitiera ese valor, no sería posible diferenciarlas → no se podrían identificar ciertas tuplas.

Modelo RelacionalIntegridad de entidad


Restricciones de integridad referencial

– Las restricciones de clave y las de integridad de entidad se especifican en relaciones individuales

– Especificada entre dos relaciones.

– Mantiene consistencia entre tuplas de dos relaciones.

– Informalmente:● una tupla de una relación que hace referencia a otra relación debe hacer

referencia a una tupla existente de esa relación (ver FK)

Modelo RelacionalIntegridad referencial


FK, clave externa, clave foránea

– Especifican una condición de integridad referencial entre dos esquemas de relación R1 y R2

– Un conjunto de atributos FK en R1 es una foreign key de R1 que referencia a R2 si cumple:

● Los atributos en FK tienen el mismo dominio, o dominios, que los atributos de clave principal PK de R2

● Un valor de FK en una tupla t1 de R1 aparece como valor de PK en alguna tupla t2 de R2. t1[FK] = t2[PK]

– En este caso: R1 → relación de referencia, R2 → relación referenciada– Todas las restricciones de integridad deben ser especificadas en el esquema

relacional

Modelo RelacionalForeign Key (1)


Modelo RelacionalForeign Key (2)


Restricciones de integridad semántica

– Son especificadas y cumplidas sobre la base de datos relacional

– Usar triggers y assertions

– También pueden implementarse como control del programa o aplicación que actualiza la BD

– Ejemplos:● El salario de un empleado no debe exceder el de su supervisor

● El número máximo de horas que un empleado puede trabajar a la semana es de 40

Modelo RelacionalOtros tipos de restricciones


Modelo Relacional:Actualizaciones y transacciones


Modelo RelacionalOperaciones

Las operaciones del modelo relacional pueden clasificarse en:

– Recuperaciones y

– Actualizaciones

Ahora vamos a concentrarnos en las operaciones de modificación o actualización de una base de datos


Modelo RelacionalOperaciones

Existen tres tipos de operaciones de actualización básicas: inserción, borrado y modificación

– Insert → se utiliza para insertar una nueva tupla o tuplas en una relación

– Delete → se encarga de borrarlas

– Update → cambia los valores de algunos atributos de las tuplas que ya existen

Siempre que se aplique cualquiera de estas operaciones, deberán respetarse las restricciones de integridad especificadas en el esquema de la base de datos


Modelo RelacionalInsert

Insert proporciona una lista de los valores de atributo para una nueva tupla t que será insertada en una relación R

Sea R(A,B,C) y r(R):

– insert into R– Incluye la tupla en la relación r.



Esta operación puede violar cualquiera de las cuatro restricciones estudiadas en la sección anterior:

– las de dominio, si el valor dado a un atributo no aparece en el dominio correspondiente;

– las de clave, si el valor de dicha clave en la nueva tupla t ya existe en otra tupla en la relación r(R);

– las de integridad de entidad, si la clave principal de la nueva tupla t es NULL;

– y las de integridad referencial, si el valor de cualquier foreign key en t se refiere a una tupla que no exista en la relación referenciada



Operación:– Insert

into EMPLEADO

Resultado:– Esta inserción viola la restricción de integridad de entidad (NULL para la clave principal Dni), por

lo que es rechazada.

Operación:– Insert into EMPLEADO

Resultado:– Esta inserción viola la restricción de clave porque ya existe otra tupla en la relación EMPLEADO

con el mismo valor de Dní, por lo que es rechazada.




Resultado:– Esta inserción viola la restricción de integridad referencial especificada, en Dno en EMPLEADO

porque no existe ningún DEPARTAMENTO cuyo NumeroDpto = 7.


Resultado:– Esta inserción satisface todas las restricciones, por lo que es aceptada.



Si una inserción viola una o más restricciones, la opción predeterminada es rechazarla

En este caso, resultaría útil que el DBMS explicara el motivo de dicho rechazo


Modelo RelacionalDelete

Delete sólo puede violar la integridad referencial en caso de que la tupla a eliminar esté referenciada por las foreign keys de otras tuplas de la base de datos

Para especificar un borrado, una condición en los atributos de la relación es la que selecciona la tupla (o tuplas) a eliminar

Sea R(A,B,C) y r(R),

– Delete from R where A=''a''– Borra las tuplas de r cuyo valor para A es ''a''.



Operación:– Borrar la tupla EMPLEADO cuyo Dni = '999887777'– Delete from EMPLEADO where Dni = '999887777'

Resultado:– Este borrado no se acepta porque existen tuplas en TRABAJA_EN que hacen referencia a ella. Por tanto,

si se elimina la tupla en EMPLEADO, se producirán violaciones de la integridad referencial

Operación:– Borrar la tupla EMPLEADO cuyo Dni = '333445555'

– Delete from EMPLEADO where Dni = '333445555'

Resultado:– Este borrado provocará incluso más violaciones de integridad referencial, ya que la tupla implicada está

referenciada desde las relaciones EMPLEADO, DEPARTAMENTO, TRABAJA_EN Y SUBORDINADO.



Operación:– Borrar la tupla TRABAJA_EN cuyo DniEmpleado = '999887777' y NumProy = 10– Delete from TRABAJA_EN where DniEmpleado = '999887777' and NumProy = 10

Resultado:– Este borrado se acepta, eliminándose sólo una tupla

Son varios los caminos que pueden tomarse si un borrado provoca una violación– El primero → rechazar el borrado– El segundo → intentar propagar el borrado eliminando las tuplas que hacen referencia a

la que estamos intentado borrar.


Modelo RelacionalUpdate

Update se emplea para cambiar los valores de uno o más atributos de una tupla (o tuplas ) de una relación R

Para seleccionar la información a modificar es necesario indicar una condición en los atributos de la relación

Sea R(A,B,C) y r(R),

– Update R set B=''b'' where A=''a''

– Modifica las tuplas de r cuyo valor para A es ''a'', estableciendo para el atributo B el valor ''b''.



Operación:

– Actualizar el Salario de la tupla EMPLEADO cuyo Dni = 999887777 a 28000– Update EMPLEADO set Salario=28000 where Dni=999887777

Resultado: Aceptable

Operación:

– Actualizar el Dno de la tupla EMPLEADO con Dni = 999887777 a l– Update EMPLEADO set Dno=1 where Dni=999887777

Resultado: Aceptable



Operación:

– Actualizar el Dno de la tupla EMPLEADO con Dni = 999887777 a 7– Update EMPLEADO set Dno=7 where Dni=999887777

Resultado: Inaceptable porque viola la integridad referencial.

Operación:

– Actualizar el Dni de la tupla EMPLEADO cuyo Dni = 999887777 a 987654321– Update EMPLEADO set Dni=987654321 where Dni=999887777

Resultado: Inaceptable porque viola la restricción de clave principal repitiendo un valor que ya existe en otra tupla; viola las restricciones de integridad referencial ya que existen otras relaciones que hacen referencia a un Dni que ya existe.


Modelo RelacionalTransacciones

Una aplicación que hace uso de una base de datos suele ejecutar una serie de transacciones

Este proceso implica tanto la lectura desde una base de datos como efectuar inserciones, borrados y actualizaciones en los valores de la misma

Es necesario dejar la base de datos en un estado coherente (cumplir todas las restricciones comentadas)

Sistemas OLTP (Procesamiento de transacciones en línea)

– Pueden manejar varios cientos de transacciones por segundo

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