Основы SQL

Лекция 16

Основы SQL. Описание отношений, доменов, ограничений целостности, представлений данных. Реализация операций реляционной алгебры в SQL

16.1. Основные понятия и компоненты (синтаксис приведенных примеров соответствует MS SQL Server 7)

16.1.1. Инструкции и имена

SQL представлен множеством инструкций, каждая из которых предписывает СУБД выполнить определенное действие: создать таблицу, извлечь данные, добавить в таблицу новые данные и т.п. (слайд 2). Инструкция SQL начинается с команды – ключевого слова, описывающего действие, выполняемое инструкцией. Типичными являются команды CREATE (создать), INSERT (добавить), SELECT (выбрать), DELETE (удалить). Следом за командой указывается одно или несколько предложений. Предложение описывает данные, с которыми должна работать инструкция, или уточняют действие, выполняемое инструкцией. Предложения в инструкции делятся на обязательные и необязательные. Каждое предложение начинается с ключевого слова, например – WHERE (где), FROM (откуда), INTO (куда). Многие предложения в качестве параметров содержат имена таблиц или столбцов; некоторые из них могут содержать дополнительные ключевые слова, константы и выражения.

У каждого объекта в базе данных есть уникальное имя (слайд 3). Имена используются в инструкциях SQL и указывают, над каким объектом базы данных инструкция должна выполнить действие. В соответствии со стандартом ANSI/ISO имена в SQL могут содержать от 1 до 18 символов, начинаться с буквы и не должны включать пробелов или специальных символов пунктуации. В стандарте SQL2 максимальное число символов в имени увеличено до 128. На практике в различных СУБД поддержка именования реализована по-разному: в DB2, например, имена пользователей не могут превышать 8 символов, а имена таблиц и столбцов могут быть более длинными. В различных СУБД также существуют и различные подходы к использованию в именах специальных символов.

В инструкциях SQL могут использоваться как полные имена объектов, так и короткие. Полное имя таблицы (в отличие от короткого) содержит имя пользователя и короткое имя таблицы, разделенные точкой:

<Имя_пользователя>.<Имя_таблицы>

При этом уникальность именования таблицы сохраняется в случае, если в рамках одной базы данных разные пользователи создают таблицы с одинаковыми именами.

Полное имя столбца в свою очередь состоит из полного или короткого имени таблицы, которой принадлежит столбец, и короткого имени столбца, разделенных точкой:

<Имя_пользователя>.<Имя_таблицы>.<Имя_столбца> или

<Имя_таблицы>.<Имя_столбца>

В рамках одной таблицы не может быть определено двух столбцов с одинаковыми именами, но в разных таблицах это возможно. При этом в инструкциях SQL необходимо использовать полное именование столбцов.

16.1.2. Типы данных

Современные СУБД позволяют обрабатывать данные разнообразных типов, среди которых наиболее распространенными можно назвать следующие (слайд 4):

Целые числа (INT, SMALLINT). В столбцах, имеющих такой тип данных, обычно хранятся данные о количестве и возрасте сотрудников, идентификаторы.

Десятичные числа (NUMERIC, DECIMAL). В столбцах данного типа хранятся числа, имеющие дробную часть с фиксированным количеством знаков после запятой, например курсы валют и проценты.

Числа с плавающей запятой (REAL, FLOAT). Числа с плавающей запятой представляют больший диапазон действительных значений, чем десятичные числа.

Строки символов постоянной длины (CHAR). В столбцах, имеющих этот тип данных, хранятся имена и фамилии, географические названия, адреса и т.п.

Строки символов переменной длины (VARCHAR). Столбцы этого типа позволяют хранить символьные строки, длина которых изменяется в заданном диапазоне.

Денежные величины (MONEY, SMALLMONEY). Наличие отдельного типа данных для хранения денежных величин позволяет правильно форматировать их и снабжать признаком валюты перед выводом на экран

Дата и время (DATETIME, SMALLDATETIME). Поддержка особого типа данных для значений дата/время широко распространена в различных СУБД. Как правило, с этим типом данных связаны особые операции и процедуры обработки.

Булевы величины (BIT). Столбцы такого типа данных позволяют хранить логические значения True (1) и False (0).

Длинный текст (TEXT). Многие СУБД поддерживают хранение в столбцах текстовых строк длиной до 32КБ или 64КБ символов, а в некоторых случаях и больше. Это позволяет хранить в базе данных целые документы.

Неструктурированные потоки байтов (BINARY, VARBINARY, IMAGE). Современные СУБД позволяют хранить и извлекать неструктурированные потоки байтов переменной длины. Такой тип данных обычно используется для хранения графических и видео изображений, исполняемых файлов и других неструктурированных данных.

16.1.3. Встроенные функции

Язык SQL содержит так называемые встроенные функции, которые реализуют некоторые наиболее распространенные алгоритмы (слайд 5). Основной особенностью этих функций является возможность их использования при построении выражений.

Встроенные функции, доступные при работе с SQL, можно условно разделить на следующие группы:

математические функции;

строковые функции;

функции для работы с величинами типа дата-время;

функции конфигурирования;

системные функции;

функции системы безопасности;

функции управления метаданными;

статистические функции.

16.1.4. Значения NULL

При заполнении таблиц базы данных отдельные элементы в них могут отсутствовать. Например, при заполнении таблицы «Студенты» или «Кадровый_состав» может быть не задан для некоторых строк номер телефона, тем не менее, строка должна быть введена в таблицу и должна участвовать в запросах на выдачу информации.

SQL поддерживает обработку не определенных (не заданных) данных с помощью использования так называемого отсутствующего значения (NULL). Это значение показывает, что в конкретной строке конкретный элемент данных отсутствует. При этом NULL не является значением данных и в связи с этим не имеет определенного типа. Это всего лишь признак, показывающий, что значение элемента данных не задано.

Правила обработки значений NULL в различных инструкциях и предложениях включены в синтаксис языка.

16.2. Ограничения целостности

16.2.1. Первичный ключ таблицы. Всякая таблица обычно содержит один или несколько столбцов, значение или совокупность значений которых уникально идентифицируют каждую строку в таблице. Этот столбец (или столбцы) называется первичным ключом (Primary Key, PK) таблицы (слайд 6).

Если в первичный ключ входит более одного столбца, значения в пределах одного столбца могут дублироваться, но любая совокупность значений всех столбцов первичного ключа при этом должна быть уникальна. Например, в таблице «Дисциплины» один столбец (ID_Дисциплина) определен как первичный ключ, а для таблицы «Сводная ведомость» задан составной первичный ключ – в него входят значения столбцов ID_Студент и ID_Дисциплина.

Таблица может иметь только один первичный ключ, причем никакой столбец, входящий в первичный ключ, не может хранить значения NULL.

Еще одним назначением первичного ключа является обеспечение ссылочной целостности данных в нескольких таблицах. Естественно, это может быть реализовано только при наличии соответствующих внешних ключей (FOREIGN KEY) в других (дочерних) таблицах.

Если по столбцу строится первичный ключ, столбцу должен быть приписан атрибут PRIMARY KEY (ограничение целостности на уровне столбца), например, описание столбца ID_План для таблицы «Учебный_план» может выглядеть, как показано на слайде (слайд 6).

Первичный ключ может быть также построен и с помощью отдельного предложения PRIMARY KEY (ограничение целостности на уровне таблицы) - путем включения имени (имен) ключевого столбца (столбцов) в качестве параметров. Задание первичного ключа для таблицы «Сводная_ведомость» представлено на слайде (слайд 6).

16.2.2. Внешний ключ таблицы

Внешний ключ строится в дочерней (зависимой) таблице для соединения родительской (главной) и дочерних таблиц БД (слайд 7).

Это ограничение целостности предназначено для организации ссылочной целостности данных. Внешний ключ связывается с потенциальным первичным ключом в другой таблице. Внешний ключ при этом может ссылаться либо на столбец (или столбцы) с ограничением целостности PRIMARY KEY, либо на столбец (столбцы) с ограничением целостности UNIQUE.

Таблицу, в которой определен внешний ключ, будем называть зависимой, а таблицу с первичным ключом – главной. Ссылочная целостность данных двух таблиц обеспечивается следующим образом: в зависимую таблицу нельзя вставить строку, если внешний ключ не имеет соответствующего значения в главной таблице, а из главной таблицы нельзя удалить строку, если значение первичного ключа используется в зависимой таблице.

Например, если строка наименования дисциплины удалена из таблицы «Дисциплины», а идентификатор этой дисциплины (ID_Дисциплина) используется в таблице «Учебный_план», то относительная целостность между этими двумя таблицами будет нарушена – строки таблицы «Учебный_план» с удаленным идентификатором останутся «осиротевшими». Ограничение FOREIGN KEY предотвращает возникновение подобных ситуаций – удаление строки первичного ключа не состоится.

Столбцы внешнего ключа (в отличие от столбцов первичного ключа) могут содержать значения типа NULL, однако при этом проверка на ограничение FOREIGN KEY будет пропускаться. Задать внешний ключ можно как при создании, так и при изменении таблиц.

Синтаксис определения внешнего ключа приведен на слайде (слайд 7).

· Список столбцов внешнего ключа определяет столбцы дочерней таблицы, по которым строится внешний ключ.

Имя родительской таблицы определяет таблицу, в которой описан первичный ключ (или столбец с атрибутом UNIQUE). На этот ключ (столбец) должен ссылаться внешний ключ дочерней таблицы для обеспечения ссылочной целостности.

· Список столбцов родительской таблицы, определяющий ссылочную целостность, необязателен при ссылке на первичный ключ родительской таблицы. При ссылке в родительской таблице на столбец с атрибутом UNIQUE этот список лучше привести.

Параметры ON DELETE, ON UPDATE задают способы изменения подчиненных записей дочерней таблицы при удалении (ON DELETE) или изменении (ON UPDATE) поля связи в записи родительской таблицы. Перечислим эти способы:

· NO ACTION - запрещает удаление/изменение родительской записи при наличии подчиненных записей в дочерней таблице;

· CASCADE - при удалении записи родительской таблицы (используется совместно с ON DELETE) происходит удаление всех подчиненных записей в дочерней таблице; при изменении поля связи в записи родительской таблицы (используется совместно с ON UPDATE) происходит изменение на то же значение поля внешнего ключа у всех подчиненных записей в дочерней таблице;

· SET DEFAULT - в поле внешнего ключа записей дочерней таблицы заносится значение этого поля по умолчанию, указанное при определении поля (параметр DEFAULT);

· SET NULL - в поле внешнего ключа записей дочерней таблицы заносится значение NULL.

Для примера показано установление связи между таблицами «Студенты», «Учебный_план» и «Сводная_ведомость».

Хотя в рассмотренном примере имена столбцов первичного и внешнего ключей в обеих таблицах совпадают, это не является обязательным. Первичный ключ может быть определен для столбца с одним именем, в то время как столбец, на который наложено ограничение FOREIGN KEY, может иметь совершенно другое имя. Однако лучше давать таким столбцам идентичные названия, чтобы показать связь между ними.

16.2.3. Определение уникального столбца

Ограничение целостности UNIQUE предназначено для того, чтобы обеспечить уникальность значений в столбце (или нескольких столбцах). Если столбцу приписан атрибут UNIQUE, это означает, что в столбце не могут содержаться два одинаковых значения.

Для ограничения целостности PRIMARY KEY автоматически гарантируется уникальность значений. Однако в каждой таблице можно определить всего один первичный ключ. Если же необходимо дополнительно обеспечить уникальность значений еще в одном или более столбцов помимо первичного ключа, то нужно использовать ограничение целостности UNIQUE.

Ограничение целостности UNIQUE, в отличие от PRIMARY KEY, допускает существование значения NULL. При этом к значению NULL также предъявляется требование уникальности, поэтому в столбце с ограничением целостности UNIQUE допускается существование лишь единственного значения NULL.

Таким образом, ограничение UNIQUE используется в том случае, когда столбец не входит в состав первичного ключа, но, тем не менее, его значение должно всегда быть уникальным. Например, для таблицы «Дисциплины» первичный ключ строится по номеру дисциплины ID_Дисциплина, введенному для сокращения объема первичного ключа и времени поиска по нему (объем ключа по столбцу типа INTEGER много меньше объема ключа по символьному полю). Однако и название дисциплины (столбец Наименование) должно быть уникальным, для чего ему приписан атрибут UNIQUE: Уникальность может быть определена и на уровне таблицы (слайд 8).

16.2.4. Определение проверочных ограничений

Ограничение целостности CHECK задает диапазон возможных значений для столбца. Например, если в столбце хранится процентное значение, то необходимо гарантировать, что оно будет лежать в пределах от 0 до 100. Для этого можно использовать тип данных, допускающий хранение целых значений в диапазоне от 0 до 255, совместно с ограничением целостности CHECK, которое будет обеспечивать соответствующую проверку значений.

Преимуществом ограничения целостности CHECK является возможность определения для одного столбца множества правил контроля значений.

В основе ограничения целостности CHECK лежит проверка логического выражения, которое возвращает значение TRUE (истина) либо значение FALSE (ложь). Если возвращается значение TRUE, то ограничение целостности выполняется, и операция изменения или вставки данных разрешается. Когда же возвращается значение FALSE, то операция изменения или вставки данных отменяется.

Например, для обеспечения правильности задания значения для столбца Семестр в таблице «Учебный_план» (оно должно находиться в диапазоне от 1 до 10) можно использовать логическое выражение (слайд 9). Ограничение целостности при этом может быть задано на уровне столбца или на уровне таблицы.

Как уже было сказано, допускается применение нескольких ограничений CHECK к одному и тому же столбцу. В этом случае они будут применены в той последовательности, в какой они указаны в инструкции.

16.2.5. Определение значения по умолчанию

При вводе записи (строки) в таблицу каждый столбец должен содержать какое-либо значение. Если значение для столбца не указано, то столбец заполняется значениями NULL (конечно, если для него разрешено хранение значений NULL). Однако это нежелательно. Наилучшим решением в подобных ситуациях может быть определение для столбца значений по умолчанию. Например, часто ноль определяется как значение по умолчанию для числовых столбцов, a «n/a» (не определено) – как значение по умолчанию для символьных столбцов. Таким образом, определение для столбца значения по умолчанию гарантирует автоматическую подстановку этого значения, если при вставке новых строк значение для столбца не указано.

Использование значений по умолчанию довольно удобно, поскольку позволяет ускорить процесс ввода информации. Значительно расширяет область применения значений по умолчанию возможность вызова встроенных функций. Например, если в столбце необходимо указать дату поступления на работу, то по умолчанию можно воспользоваться функцией GETDATE(). В этом случае, если не указана другая дата, при вводе строки в столбец дат поступления на работу будет помещаться текущая дата (слайд 10).

16.3. Реализация операций реляционной алгебры в SQL (слайд 11)

В языке SQL можно использовать обычные операции над множествами – объединение (union), пересечение (intersection) и разность (difference), – позволяющие комбинировать результаты выполнения двух и более запросов в единую результирующую таблицу.

Все эти операции над множествами графически представлены на слайде. На таблицы, которые могут комбинироваться с помощью операций над множествами, накладываются определенные ограничения. Самое важное из них состоит в том, что таблицы должны быть совместимы по операции – т.е. они должны иметь одну и ту же структуру. Это означает, что таблицы должны иметь одинаковое количество столбцов, причем в соответствующих столбцах должны размещаться данные одного и того же типа и длины. Обязанность убедиться в том, что значения данных соответствующих столбцов принадлежат одному и тому же домену, возлагается на пользователя. Например, мало смысла в том, чтобы объединять столбец с данными о возрасте работников с информацией о количестве комнат в сдаваемых в аренду объектах, хотя оба столбца будут иметь один и тот же тип данных – SMALLINT

Три операции над множествами, предусмотренные стандартом ISO, носят название UNION, INTERSECT и EXCEPT.

При указании в формате конструкции ключевого слова CORRESPONDING BY операция над множествами выполняется для указанных столбцов. Если задано только ключевое слово CORRESPONDING, а конструкция BY отсутствует, операция над множествами выполняется для столбцов, которые являются общими для обеих таблиц. Если указано ключевое слово ALL, результирующая таблица может содержать повторяющиеся строки.

Одни диалекты языка SQL не поддерживают операций INTERSECT и EXCEPT, a в других вместо ключевого слова EXCEPT используется ключевое слово MINUS.

Остальные операции реляционной алгебры реализуются в представленных ниже языковых конструкциях.

Операция декартового произведения отношений реализуется в предложении FROM команды SELECT. Перечисление в предложении FROM нескольких реляционных таблиц через запятую приведет к их перемножению.

Операция естественного соединения реализуется в предложении FROM команды SELECT путем соединения таблиц с помощью ключевых слов INNER JOIN, LEFT JOIN, RIGHT JOIN, OUTER JOIN с указанием столбцов связи.

Операция проекции задается перечислением столбцов таблицы предложения FROM. Для того, чтобы обеспечить уникальность каждой строки результата, используется ключевое слово DISTINCT.

Операция выборки определяется предложением WHERE команды SELECT. Предикат выборки задается в форме логического выражения.