Время от времени я заглядываю на Toster.ru и иногда даже отвечаю там на вопросы. Чаще всего люди спрашивают две вещи — как стать программистом и как правильно спроектировать схему базы данных. Мне лично кажется очень странным, что так много людей задают последний вопрос. Мне почему-то всегда казалось, что это такая простая вещь, которую умеют вообще все. Но, раз так много людей интересуются, здесь я постараюсь дать достаточно развернутый и в то же время краткий ответ.
Я предполагаю, что SQL вы знаете. То есть, объяснять, что такое таблицы, строки, индексы, первичные ключи и ссылочная целостность, не требуется. Если это не так, боюсь, я вынужден отправить вас к соответствующей литературе. Благо, ее сейчас очень много.
Допустим, требуется спроектировать схему базы данных, в которой хранится информация о музыкальных исполнителях, альбомах и песнях. На начальном этапе, когда у нас еще совсем ничего нет, удобно начать с рисования диаграммы будущей схемы. Можно начать с наброска ручкой на листе бумаги, можно сразу взять специализированный редактор. Их сейчас очень много , все они устроены довольно похожим образом. При подготовке этой заметки я воспользовался DbSchema . Это платная программа, но мне кажется, что она стоит своих денег. К тому же, в нормальных компаниях обычно оплачивают стоимость софта, необходимого для работы. Триал у DbSchema, если что, составляет две недели.
Нарисовать следюущую диаграмму заняло у меня порядко десяти минут:
Если раньше вам не доводилось работать с такими диаграммами, не пугайтесь, тут все просто. Прямоугольнички — это таблицы, строки в прямоугольничках — имена столбцов, стрелочками обозначаются внешние ключи, а ключиками — первичные ключи. При желании тут можно разглядеть даже индексы, типы столбцов и обязательность их заполнения (null / not null), но для нас сейчас это не так важно.
Нетрудно заметить, что данная диаграмма легко отображается в код для создания схемы базы данных на языке SQL. В DbSchema сгенерировать SQL можно, сказав Schema → Generate Schema and Data Script. Затем полученный скрипт можно скормить используемой вами СУБД:
cat music.sql | psql -hlocalhost test_database test_user
Я использовал PostgreSQL. Информацию о том, как установить эту СУБД, вы найдете в этой заметке .
Итак, чем же я руководствовался при проектировании схемы?
Процесс устранения избыточности и ликвидации противоречивости базы данных называется нормализацией . Выделяют так называемые нормальные формы, из которых на практике редко кто помнит больше первых трех.
Грубо говоря, таблица находится в первой нормальной форме (1НФ), если на пересечении любой строки и любого столбца в таблице находится ровно одно значение. В современных РСУБД это условие всегда выполняется. Даже если СУБД поддерживает множества или массивы, на пересечении строки и столбца хранится ровно одно значение типа множество или массив. Но в таблице (user varchar(100), phone integer) не может быть строки alex - 1234, 5678 . В 1НФ может быть только две сроки — alex - 1234 и alex - 5678 .
Вторая нормальная форма (2НФ) означает, что таблица находится в первой нормальной форме, и каждый неключевой атрибут неприводимо зависит от значения первичного ключа. Неприводимость означает следующее. Если первичный ключ состоит из одного атрибута, то любая функциональная зависимость от него неприводима. Если первичный ключ является составным, то в таблице не может быть атрибута, значение которого однозначно определяется значением подмножества атрибутов первичного ключа.
Таблица находится в третьей нормальной форме, если она находится в 2НФ и ни один неключевой атрибут не находится в транзитивной функциональной зависимости от первичного ключа. Например, рассмотрим таблицу (employee varchar(100) primary key, department varchar(100), department_phone integer) . Очевидно, что она находится в 2НФ. Но телефон отдела находится в транзитивной функциональной зависимости от имени сотрудника, так как сотрудник однозначно задает отдел, а отдел однозначно задает телефон отдела. Для приведения таблицы в 3НФ нужно разбить ее на две таблицы — employee - department и departmnet - phone .
Легко видеть, что нормализация уменьшает избыточность базы данных и препятствует внесению случайных ошибок. Например, если оставить таблицу из последнего примера в 2НФ, то можно по ошибке прописать одному и тому же отделу разные телефоны. Или рассмотрим компанию с пятью отделами и 1000 сотрудниками. Если у отдела поменялся номер телефона, то для его обновления в базе данных в случае 2НФ потребуется просканировать 1000 строк, а в случае с 3НФ только пять.
После создания структур таблиц БД следует создать схему данных. Предварительно все таблицы БД должны быть закрыты. Создавать или изменять связи между открытыми таблицами нельзя.
Создание схемы данных начинается в окне База данных с выбора команды Сервис Схема данных . После выполнения указанной команды открывается два окна: Схема данных и Добавление таблицы, при этом активным является окно Добавление таблицы (рис. 12), в котором можно выбрать включаемые в схему данных таблицы.
Рис. 12. Два окна: Схема данных и Добавление таблицы
После выбора нужных таблиц в окне Схема данных будут представлены соответствующие таблицы со списком своих полей. При необходимости размеры окон таблиц можно изменить, чтобы список полей был виден полностью. Далее можно приступать к определению связей между таблицами.
При определении связей в схеме данных удобно использовать информационно-логическую модель, по которой легко определить главную и подчиненную таблицу каждой одно-многозначной связи, так как в такой модели главные объекты всегда размещены выше подчиненных. Одно-многозначные связи являются основными в реляционных базах данных.
Для создания связи типа 1:М между парой таблиц нужно выделить в главной таблице ключевое поле (название этого поля на схеме данных отображается полужирным шрифтом), по которому устанавливается связь и, удерживая нажатой кнопку мыши переместить указатель мыши на соответствующее поле подчиненной таблицы.
После выполнения указанных действий откроется окно Изменение связей (рис. 13). При этом в поле Тип отношения автоматически установится значение один-ко-многим.
Рис. 13. Окно Изменение связей
При создании связи по составному ключу нужно выделить все поля, входящие в ключ главной таблицы, и перетащить их на одно из полей связи в подчиненной таблице. При этом в окне Изменение связей необходимо для каждого поля составного ключа в главной таблице – Таблица/запрос выбрать соответствующее поле подчиненной таблицы, названной в данном окне – Связанная таблица/запрос .
Затем можно установить флажок . После установки этого флажка можно установить флажки каскадное обновление связанных полей и каскадное удаление связанных записей. Если флажок Обеспечение целостности данных не установлен, то при добавлении или удалении записей и изменении значений ключевых полей пользователь должен сам отслеживать непротиворечивость данных и целостность связей, что при больших объемах данных выполнить крайне трудно.
Обеспечение связной целостности данных означает, что при корректировке базы данных Access обеспечивает для связанных таблиц контроль за соблюдением следующих условий:
q В подчиненную таблицу не может быть добавлена запись с несуществующим в главной таблице значением ключа связи;
q В главной таблице нельзя удалить запись, если не удалены связанные с ней записи в подчиненной таблице;
q Нельзя изменить значение ключа связи в записи главной таблицы, если в подчиненной таблице имеются связанные с ней записи.
Если между таблицами в схеме данных установлена связь с параметрами обеспечения целостности, то при выполнении операции добавления и удаления записей и изменении значений ключевых полей Access автоматически отслеживает целостность этой связи. При попытке пользователя нарушить эти условия Access выводит соответствующее сообщение и не допускает выполнения операции. Так, например, если установлен только флажок Обеспечение целостности данных , то удалять данные из ключевого поля главной таблицы нельзя.
Установление между двумя таблицами связи типа 1:М или 1:1 и задание для этой связи параметров целостности данных возможно только при следующих условиях:
q Связываемые поля имеют одинаковый тип данных;
q Обе таблицы сохраняются в одной базе данных;
q Главная таблица связывается с подчиненной таблицей по первичному простому или составному ключу главной таблицы.
Access не позволяет установить флажок обеспечения целостности данных для связи таблиц, если ранее в таблицы были введены данные не отвечающие требованиям целостности.
Если для выбранной связи обеспечивается поддержание целостности, то можно задать режим каскадного обновления связанных полей и режим каскадного удаления связанных записей .
В режиме каскадного обновления связанных полей при изменении значения данных в поле связи главной таблицы Access автоматически изменит значения данных в соответствующем поле в подчиненных таблицах.
В режиме каскадного удаления связанных записей при удалении записи из главной таблицы будут автоматически удаляться все связанные записи в подчиненных таблицах. При удалении записей непосредственно в таблице или через форму выводится предупреждение о возможности удаления связанных записей.
Образовавшаяся межтабличная связь отображается в окне Схема данных в виде линии, соединяющей два поля разных таблиц. При этом на линии связи у главной таблицы отображается символ - 1 , у подчиненной таблицы символ – бесконечность (¥ ) (рис. 14).
Рис. 14. Схема данных. Связь двух таблиц по ключевому полю Код поставщика.
Таким образом, смысл создания реляционных связей между таблицами состоит, с одной стороны, в защите данных, а с другой стороны - в автоматизации внесения изменений сразу в несколько таблиц при изменениях в одной таблице.
СУБД MS Access позволяет строить схему базы данных и автоматически поддерживает первичные и внешние ключи.
Схема базы данных (или просто схема данных ) является графическим образом БД. В ней определяются и запоминаются связи между таблицами. Это позволяет Access автоматически использовать связи при конструировании форм, запросов, отчетов. Схема данных отображается в специальном окне Схема данных, где таблицы представлены списками полей , а связи - линиями между полями в связанных таблицах (рис. 3).
Рис. 3. Схема БД Студент
Создать схему данных можно двумя способами.
Первый способ предполагает наличие нормализованных таблиц , связывание которых осуществляется в окне Схема данных. Создание схемы данных начинается с размещения в окне всех таблиц, которые должны быть включены в схему. Далее можно приступать к определению попарных связей между ними.
Устанавливая связи между парой таблиц, надо выделить в главной таблице уникальное ключевое поле (ПК в каждой таблице отображается жирным шрифтом), по которому устанавливается связь. Далее при нажатой левой кнопке мыши это поле перетаскивается на соответствующее поле подчиненной таблицы. Если устанавливается связь по составному ключу, то необходимо выделить все поля, входящие в составной ключ главной таблицы, и перетащить их на одно из полей связи в подчиненной таблице.
После установления связи открывается диалоговое окно Изменение связи, в котором для ключевого поля главной таблицы определяется поле связи подчиненной таблицы. Для каждого поля составного ключа главной таблицы связь с полем подчиненной таблицы должна быть установлена отдельной строкой. Кроме того, в окне Изменение связи для каждой связи можно задать параметр Обеспечение целостности данных, после чего устанавливаются опции Каскадное обновление связанных полейи Каскадное удаление связанных записей. При этом Access автоматически установит тип связи 1:М (в схеме обозначается как 1:∞). Если таблицы содержат данные, не отвечающие требованиям целостности, связь 1:М не будет установлена, и Access в этом случае выводит соответствующее сообщение.
Второй способ - получение схемы данных из одной ненормализованной таблицы с помощью Мастера анализа таблиц.
Ненормализованные таблицы содержат поля с повторяющимися значениями. Для таких таблиц расходуется дополнительная память, не может быть обеспечен однократный ввод и корректировка данных в полях с повторяющимися значениями, велика вероятность возникновения ошибок.
С помощью Мастера анализа таблиц Access позволяет автоматически или вручную выполнить анализ таблицы и разделить ее на несколько взаимосвязанных таблиц, в которых данные не будут дублироваться. Для полученных таблиц Мастер анализа таблиц создает схему данных, в которой устанавливаются связи 1:М и определяются параметры обеспечения целостности. После процедуры анализа для исходной таблицы будут получены нормализованные взаимосвязанные таблицы.
Однако Мастер анализа таблиц далеко не во всех случаях может правильно выделить повторяющиеся данные в отдельную таблицу. При работе с Мастером предусматривается интерактивное участие пользователя в корректировке предложений по разделению таблицы.
3. РАБОТА С ДАННЫМИ В ОДИНОЧНЫХ ТАБЛИЦАХ. КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРОСТЫХ ЗАПРОСОВ
РЕЖИМЫ РАБОТЫ С ОДИНОЧНЫМИ ТАБЛИЦАМИ
В Access существуют четыре режима работы с таблицами: режим Таблицы, режим Конструктора, режим Сводной таблицы и режим Сводной диаграммы.
В режиме Таблицы осуществляется работа с данными, находящимися в одиночной таблице БД: просмотр, редактирование, добавление, сортировка и т.п.
В режиме Конструктора создается или модифицируется структура таблицы, то есть задаются имена полей, их типы, описание, свойства и другие параметры.
В режимах Сводной таблицы и Сводной диаграммы удобно выполнять анализ данных, динамически изменяя способы их представления.
Существует также дополнительный режим - Предварительный просмотр, который позволяет увидеть расположение данных на листе перед осуществлением печати таблицы.
3.2 ПОНЯТИЕ ЗАПРОСА В СУБД.
ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ЗАПРОСОВ
Одним из основных инструментов обработки данных в СУБД являются запросы . Запросы позволяют выбрать необходимые данные из одной или нескольких взаимосвязанных таблиц, произвести вычисления и получить результаты в виде таблицы. Через запрос можно производить обновление данных в таблицах, добавление и удаление записей. Последовательное выполнение ряда запросов дает возможность решать достаточно сложные задачи, не прибегая к программированию.
Таблицы в программе Access 2007 представляют связанную систему. Объединение позволяет вести обработку данных из нескольких таблиц. Для обработки формируются запросы – таблицы, в которых сведения из одной или нескольких таблиц сгруппированы нужным образом, иногда с производством необходимых вычислений. Запросы мы рассмотрим в последующих главах, а здесь поговорим о связях между таблицами.
Схема данных задаёт структуру базы данных. В ней представляются и запоминаются связи между таблицами. Эти связи используются при конструировании запросов и отчётов на основе нескольких таблиц. Схема данных отображает связи графически. Таблицы на схеме представлены в виде прямоугольников со списками полей. Если полей слишком много и они не помещаются в прямоугольник, то автоматически с правой стороны прямоугольника образуется полоса прокрутки , с помощью которой можно просмотреть весь список. Схема данных , используемая в нашей работе, представлена на рис. 6.10.
Рис. 2.11 Виды связей между таблицами: а) один-к-одному, б) один-ко-многим и в) многие-ко-многим
Связи в Access 2007 встречаются трёх видов: а) один-к-одному, б) один-ко-многим и в) многие-ко-многим, как это показано на рис. 2.11. Первый вид связи показывает, что одной записи в Таблице1 соответствует одна же запись в Таблице2 . Такой способ связи применяют, например, для двух таблиц, сделанных из одной, чтобы таблицы не были слишком громоздкими. Тогда Таблица2 – просто продолжение Таблицы1 . Чаще других встречаются связи один-ко-многим. Например, на одной кафедре работает много преподавателей. Поэтому между таблицами Кафедры и Преподаватели устанавливается именно такая связь.
Рис. 2.12 Вкладка Работа с базами данных
Связь типа многие-ко-многим в программе Access 2007 прямо не осуществляется. Чтобы создать такую связь, надо вставить промежуточную таблицу. Например, в нашей базе данных (рис. 6.10) предусмотрена промежуточная таблица Заказано , поскольку между таблицами Клиенты и Товары существует связь многие-ко-многим . Таблица Заказано позволяет избежать такой связи, которая в Access 2007 напрямую не осуществима.
Техника установления связи между таблицами включает в себя три действия: 1) вызов Схемы данных – окна, в котором и будет изображена схема, 2) добавление в окно схемы тех таблиц, между которыми надо установить связи и 3) протягивание связей между таблицами с приданием им необходимых свойств. Рассмотрим эти действия подробно.
Рис. 2.13 Диалоговое окно Добавление таблицы
Схему данных можно вызвать, когда нужные таблицы уже созданы. Для её вызова надо щёлкнуть по кнопке Схема данных на ленте вкладки Работа с базами данных (рис. 2.12). Появится окно Схема данных , пока пустое, и диалоговое окно Добавление таблицы , которое видно на рис. 2.13. С помощью окна Добавление таблицы в окно Схема данных помещают необходимые таблицы.
Рис. 2.14 Контекстное меню, вызванное правой кнопкой мыши, внутри окна Схема данных
Если по каким-то причинам окно Добавление таблицы не появилось, то надо щёлкнуть правой кнопкой в любом месте окна Схема данных . Появится контекстное меню (рис. 2.14). В нём надо щёлкнуть по надписи Добавить таблицу . Появится диалоговое окно Добавление таблицы , которое видно на рис. 2.13.
С появлением диалогового окна Добавление таблицы можно перенести внутрь окна Схема данных нужные таблицы. Мы ограничимся двумя таблицами: Кафедры и Преподаватели . Названия этих таблиц надо выделить, как показано на рис. 2.13, а потом сразу же щёлкнуть по кнопке Добавить . Точно так же поступают и с другими таблицами, которые надо поместить в Схему данных . Окно Добавление таблицы после добавления нужных таблиц следует закрыть. В нашем примере прямоугольники, обозначающие обе нужные нам таблицы, появятся в Схеме данных , как это видно на рис. 2.15.
Обозначения таблиц внутри окна Схема данных содержат список всех полей данной таблицы, причём слева от имени ключевого поля (или ключевых, если их несколько) расположен значок ключ. Обозначения таблиц можно передвигать мышью, ухватив за заголовок таблицы. Можно изменять и размеры прямоугольников, обозначающих таблицы. Для этого надо подвести указатель мыши к одной из границ прямоугольника. Появится двунаправленная стрелка: . Захватив такую стрелку мышью, можно передвинуть границу прямоугольника в любое место, тем самым, изменив его размер.
Рис. 2.15 Законченная Схема данных со связью между таблицами
Когда прямоугольники обозначений таблиц размещены внутри окна Схемы данных , можно приступить к установлению связей между таблицами. Связывают одноимённые поля. В одной из таблиц используют для связи обычно ключевое поле. Та таблица, у которой поле связи ключевое, считается главной. С её стороны связь обозначена 1 . Со стороны связаной таблицы связь обозначена ¥ . Так устанавливается связь Один-ко-многим .
Рис. 2.16 Диалоговое окно Изменение связей
Техника соединения таблиц связями проста: надо щёлкнуть соединяемое поле главной таблицы. Оно выделится. Не отпуская кнопку мыши, надо вести линию к одноимённому полю вспомогательной таблицы. Соединения сначала не произойдёт, а возникнет диалоговое окно Изменение связей (рис. 2.16). Окно помогает утвердить характер связи и настроить целостность данных обеих таблиц. В окне надо убедиться, что связь произошла по одноимённым полям, а затем щёлкнуть по окошечку надписи . В окошечке появится флажок: ü. После этого надо такие же флажки выставить ещё в двух окошечках, находящихся ниже. Таким образом, задаются свойства связи. Свойство Обеспечение целостности данных означает, что удалять данные из ключевого поля главной таблицы нельзя. А свойства Каскадное обновление связанных полей и Каскадной удаление связанных записей – соответственно, что операции редактирования и удаления данных в ключевом поле главной таблицы разрешены, но сопровождаются автоматическим изменениями в связанной таблице. Завершается создание связи щелчком по кнопке [Создать] . Нужная связь появится (рис. 2.15).
Стоит заметить, что в случае, если невозможно осуществить связь с обеспечением целостности данных, например, если проведена связь между полями с различной информацией, появляется окно, изображенное на рис. 2.17.
Рис. 2.17 Окно с предупреждением о невозможности создания связи
Схема данных
При создании реляционной БД в СУБД Access создается схема данных , которая позволяет наглядно отобразить логическую структуру БД: показывает таблицы и связи между ними, к тому же обеспечивает использование установленных в базе связей при выполнении обработки данных.
В схеме данных нормализованной БД, которая основана на отношениях «один-к-одному» и «один-ко-многим» между таблицами, для связей этих таблиц по уникальному индексу главной таблицы или первичному ключу могут быть установлены параметры обеспечения связной целостности .
В процессе поддержания целостности взаимосвязанных данных наличие записи в подчиненной таблице не допускается, если связанная с главной таблицей запись в ней отсутствует. Соответственно, в случае первоначальной загрузки базы данных, при удалении, добавлении и корректировке записей системой допускается выполнение операции лишь в том случае, когда она не нарушает целостность.
Связи, которые определены в схеме данных, используются автоматически для объединения таблиц в процессе разработки многотабличных отчетов, запросов, форм, что существенно упрощает процесс их конструирования.
Связи в схеме данных могут быть установлены для любой пары таблиц с одинаковым полем, которое позволяет объединять данные таблицы.
Схемы данных отображаются в области навигации в окне БД лишь в проектах Access, которые работают с базами данных сервера. Чтобы отобразить схему данных в БД Access используют команду Схема данных , размещенную в группе Отношения на вкладке Работа с базами данных .
Пример 1
Рассмотрим модель данных предметной области «Поставка товаров» (рисунок 1). Схема данных Access, построенная для данной модели данных, представлена на рисунке 2.
На данной схеме в виде прямоугольников отображаются таблицы базы данных с перечнем их полей, а связи отображают поля, по которым осуществляется взаимосвязь таблиц. Названия ключевых полей выделены для наглядности и располагаются в верхней части полного перечня полей каждой таблицы.
Реляционная база данных, которая создана соответственно проекту канонической модели данных рассматриваемой предметной области, включает только нормализованные таблицы, связанные отношениями «один-ко-многим». В подобной базе данных отсутствуют описательные данные, которые дублируются, обеспечивается их однократный ввод, поддерживается целостность данных с помощью средств системы.
С помощью связей между таблицами выполняется объединение данных разных таблиц, которое необходимо для решения многих задач введения, корректировки и просмотра данных, получения сведений по запросам и выведения отчетов. Связи таблиц устанавливаются соответственно проекту логической структуры рассматриваемой базы данных (рисунок 2) и отображаются на схеме данных Access.
Схема данных, кроме выполнения роли средства графического отображения логической структуры базы данных, активно используется в процессе обработки данных. С помощью связей, которые установлены в схеме данных, разработчик освобождается от необходимости каждый раз сообщать системе о наличии какой-либо связи. Один раз указав связи в схеме данных, они будут автоматически использоваться системой. Создание схемы данных предоставляет возможность упростить конструирование многотабличных отчетов, запросов, форм, а также обеспечивает поддержание целостности взаимосвязанных данных при корректировке и внесении данных в таблицы.
