Algebra relacji i SQL

Bazy danych
Zagadnienia
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Podstawy relacyjnych baz danych
SQL
Języki manipulowania w relacjach
Aspekty aktywne baz danych
Aspekty systemowe baz danych
Projektowanie baz danych
Zależności funkcyjne i postacie normalne
Transakcje bazodanowe
Autoryzacja w bazach danych
Literatura
• J.D. Ullman, J.Widom, Podstawowy wykład z systemów
baz danych, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,
Warszawa, 2000.
• T. Pankowski, Podstawy baz danych, Wydawnictwo
Naukowe PWN, Warszawa, 1992.
• D. Mendrala, M. Szeliga, Praktyczny Kurs SQL
• R. J. Muller, Bazy danych – Język UML w modelowaniu
danych
• Jeffrey D. Ullman - Principles of database systems, 1982
Bazy danych
Informacje podstawowe
Czym jest baza danych?
• Zbiór danych istniejących przez długi czas,
posiadać odpowiednią strukturę (schemat
bazy danych) , można na danych
wykonywać pewne operacje, reprezentuje
pewien fragment rzeczywistości, jest
projektowana, tworzona i utrzymywana z
punktu widzenia pewnych zastosowań.
Zachowane są więzy integralności.
System zarządzania bazą danych
• Zbiór programów umożliwiających
tworzenie i utrzymywanie bazy danych
• Cechy:
–
–
–
–
–
Umożliwia dodanie nowej bazy danych i określenia jej schematu
Umożliwia zadawanie zapytań
Zapewnia możliwość przechowywania dużej ilości danych
Jednoczesny dostęp do danych przez wielu użytkowników
Umożliwia kontrolę dostępu do poszczególnych danych bazy
Architektura systemu
zarządzania bazą danych
• Moduł zarządzania pamięcią składa się z modułu
zarządzania plikami i modułu zarządzania buforami:
– modułu zarządzania plikami - przechowuje dane o miejscu zapisania plików na
dysku i na polecenie modułu zarządzania buforami przesyła zawartość bloku
danych lub bloków
– moduł zarządzania buforami – przydziela strony pamięci operacyjnej do
odpowiednich bloków
• Moduł zarządzania zapytaniami przetwarza zapytanie
języka SQL na ciąg poleceń żądających dostarczenia
określonych danych . Optymalizacja zapytania…
odpowiedni plan, itd. Indeksy…
• Moduł zarządzania transakcjami
Algebra relacji i SQL
Struktury danych
• Relacyjna baza danych jest zbiorem relacji.
• Schemat relacji R(A1, A2, … , An) składa się z
nazwy relacji R oraz listy atrybutów A1, A2, … ,
An.
• Każdy atrybut Ai schematu relacji R posiada
dziedzinę oznaczoną jako dom(Ai).
• Dziedzina definiuje zbiór wartości jakie dany
atrybut może przyjmować. Z atrybutem związany
jest więc typ danych.
Struktury danych (2)
• Relacją r o schemacie R(A1, A2, … , An)
oznaczoną r(R) nazywamy zbiór k krotek
postaci: r = {t1,t2,…, tk}.
• Pojedyncza krotka t jest uporządkowaną
listą n wartości: t=< v1,v2,…, vn > przy
czym vi jest wartością należącą do
dom(Ai) lub wartością pustą (NULL).
• i-ta wartość krotki t odpowiadająca
wartości atrybutu Ai będzie oznaczona
przez t.Ai.
Struktury danych (3)
• Relacja r(R) jest matematyczną relacją
stopnia n zdefiniowaną na zbiorze domen:
dom(A1), dom(A2), … , dom(An) będącą
podzbiorem iloczynu kartezjańskiego
domen definiujących R:
r(R)  dom(A1) x dom(A2)x … x dom(An)
Charakterystyka relacji
• Każdy atrybut relacji ma unikalną nazwę
• Porządek atrybutów w relacji nie jest
istotny
• Porządek krotek w relacji nie jest istotny
• Wartości atrybutów są atomowe
(elementarne)
• Relacja nie zawiera rekordów
powtarzających się
Typy atrybutów
Przykładowe typy atrybutów:
• Char(n) – pole tekstowe o stałej długości (jeśli podamy
mniej znaków, to pozostałe będą spacjami wypełnione)
• Varchar(n) – pole tekstowe nie dłuższe niż n znaków (
nie ma spacji)
• Int, Integer – liczby całkowite
• Numeric – liczby stałopozycyjne np. Numeric(10,2), 2
miejsca po przecinku
• Float (8 bytes), Real(4 bytes) – liczby zmiennopozycyjne
• BLOB – pola przechowujące liczby binarne
SQL, Algebra relacji
• SQL (Structured Query Language) – język
zapytań dla relacyjnych baz danych;
• Język nieproceduralny – użytkownik
wyszczególnia operacje co ma być zrobione, a
nie w jaki sposób.
• SQL posiada optymalizator, który wybiera
optymalną ścieżkę wykonywania zapytania.
• SQL ma kilka dialektów. Są nieznaczne różnice
pomiędzy różnymi systemami baz danych.
Udostępnienie relacji
Udostępnienie relacji (tabeli) o nazwie R:
Algebra relacji (AR):
R
SQL:
Select * from R
Przykład:
select * from Pracownik
Suma
Definicja:
Operandy R, S – tabele jednakowego typu U, wynik: tabela typu U
Suma mnogościowa (union): R  S = { t | t  R  t  S}
Student
Pracownik
Przykład:
select Imie, Nazwisko, NrIndeksu, Rok FROM Student
union
select Imie, Nazwisko, NrPrac, RokPracy FROM Pracownik
Wynik
Przekrój
Definicja:
Operandy R, S – tabele jednakowego typu U, wynik: tabela typu U
Przekrój (intersect): R  S = { t | t  R  t  S}
Student
Pracownik
Przykład:
select Imie, Nazwisko FROM Student
intersect
select Imie, Nazwisko FROM Pracownik
Wynik
Różnica
Definicja:
Operandy R, S – tabele jednakowego typu U, wynik: tabela typu U
Różnica (except): R - S = { t | t  R  t  S}
Student
Pracownik
Przykład:
select Imie, Nazwisko FROM Student
except
select Imie, Nazwisko FROM Pracownik
Wynik
Selekcja
• Wypisuje tylko takie krotki, które spełniają warunek.
R1 := C (R2) , C – oznacza warunek
Przykład:
Sells
Wynik
AR: Tawerna :=  bar=“Tawerna”(Sells)
SQL: SELECT * FROM Sells WHERE bar = ‘Tawerna’
Selekcja (2)
SQL: SELECT * FROM Sells WHERE bar =
‘Tawerna’
Operatory logiczne: =, <>, >=,<, <=, NOT,
LIKE
Działanie operatora LIKE:
AR: T1 := 
bar like“T%”
(Sells)
SQL: SELECT * FROM Sells WHERE bar like ‘T%’
Definicja warunku
Definicja warunku E:
U – zbiór atrybutów, V – zbiór stałych (liczb, tekstów), A, A'
 U, c  V,
  {=, !=, <, <=, >, >=, like, ... } – operator porównania,
Warunkiem nad U nazywamy wyrażenie logiczne E :
E ::= A  c | A  A' | (E ) | not E | E or E | E and E
Krotka r typu U spełnia warunek E,
E (r ) = TRUE,
jeśli wyrażenie powstałe z E przez podstawienie za każde
wystąpienie atrybutu A wartości r.A jest prawdziwe.
Projekcja
Wypisuje wszystkie krotki, ale ogranicza atrybuty do wyspecyfikowanej
listy.
R1 :=  L (R2), L – oznacza listę atrybutów należącą do schematu R2.
Przykład:
Sells
Wynik
AR: Prices :=  beer,price(Sells):
SQL: SELECT beer,price FROM Sells
Projekcja - formalnie
Krotka: r = [A:a, B:b, C:c] typu U={A,B,C}
X = {A,C}  U
Projekcja r na zbiór X:
X(r) = {A,C}[A:a, B:b, C:c] = [A:a, C:c]
• Definicja:
Niech r będzie krotką typu U i niech X  U.
Krotkę t typu X nazywamy projekcją r na X, jeśli t i r
mają jednakowe wartości na wszystkich
atrybutach ze zbioru X, tzn:
t = X(r)  A( A  X  t.A = r.A).
X – operator projekcji, t.A – wartość pola A dla krotki t.
Rozszerzona projekcja
•
Rozszerzona projekcja umożliwiająca tworzenie nowych atrybutów za
pomocą wyrażeń arytmetycznych oraz duplikowania istniejących.
Przykład:
Sells
AR: Prices :=
Wynik
Beer+Bar ->B, Bar, Bar (Sells)
SQL: SELECT Bar + Beer as B, Bar, Bar FROM Sells
Iloczyn kartezjański
• R3 := R1 X R2
Łączy każdą krotkę relacji R1 z każdą krotką R2.
Przykład:
Sells
Bar
AR: Cartesian := Sells X Bar
SQL: SELECT * FROM Sells, Bar
T- SQL: SELECT * FROM Sells CROSS JOIN Bar
Wynik
Iloczyn kartezjański - formalnie
Iloczyn kartezjański krotek:
[A:a, B:b]N × M[A:a’, C:c] = [N.A:a, N.B:b, M.A:a’,
M.C:c]
Uwaga:
W iloczynie kartezjańskim występują wszystkie
kolumny z obydwu operandów. Prefiksowanie
nazwami N i M jest potrzebne dla zapewnienia
jednoznaczności nazw pól (kolumn). Gdy
atrybuty w krotkach są różne, to prefiksowanie
nie jest konieczne.
Złączenie warunkowe
• R3 := R1 ►◄ C R2
Na iloczyn kartezjański R1 X R2 nakładany jest warunek C. Złączenie
jest nazwane Theta Join.
Przykład:
Sells
Bar
Wynik
AR: ThetaJoin := Sells ►◄ Sells.Bar = Bar.Bar Bar
SQL: SELECT * FROM Sells INNER JOIN Bar ON Bar.Bar = Sells.Bar
Złączenie naturalne
•
R3 := R1 ►◄ R2
Łączy relacje R1 i R2 po wspólnym atrybucie. Wspólny atrybut wypisuje
tylko raz.
Przykład:
Sells
Bar
Wynik
AR: Natural := Sells ►◄ Bar
SQL: SELECT * FROM Sells NATURAL JOIN Bar
SQL: SELECT * FROM Sells, Bar WHERE Sells.Bar = Bar.Bar
Złączenie naturalne - formalnie
Definicja:
Niech r i s będą krotkami typów odpowiednio X i Y.
Krotka t typu X  Y jest złączeniem naturalnym r i s,
t = r ►◄ s,
jeśli π X(t) = r i π Y(t) = s.
Krotki naturalnie złączalne:
[A:a, B:b, C:c, D:d] [A:a, B:b, D:d, E:e, F:f]
= [A:a, B:b, C:c, D:d, E:e, F:f]
Krotki niezłączalne:
[A:a, B:b, C:c, D:d], [A:a, B:b’, D:d, E:e, F:f]
Przemianowanie
• R1 := ρ R1(A1,…,An)(R2)
Tworzy relację R1 z przemianowanymi atrybutami relacji R2.
Przykład:
Bar
Wynik
AR: R:= ρ R(name, addr) (Bar)
SQL: SELECT Bar as Name , Address as addr FROM Bar AS R
Schematy operatorów algebry
relacji
• Suma, różnica, przekrój: schematy
argumentów operacji są takie same jak
schemat wyniku.
• Selekcja: schemat argumentu jest taki
sam jak schemat wyniku.
• Projekcja: lista atrybutów projekcji mówi o
schemacie wynikowym.
Schematy operatorów algebry
relacji (2)
• Iloczyn kartezjański: schemat wynikowy składa
się z atrybutów należących do obydwu relacji.
Żeby odróżnić atrybuty o tej samej nazwie
pochodzące z różnych relacji, należy podać
nazwę relacji, np.. R.A
• Złączenie warunkowe: tak samo jak iloczyn
kartezjański.
• Złączenie naturalne: suma atrybutów dwóch
relacji.
• Przemianowanie: operator określa schemat.
Usuwanie duplikatów
• R1 := δ (R2).
R1 składa się z jednej kopii każdej krotki, która w R2
występuje wiele razy.
Przykład:
AR: BarDist:= δ( Bar (Sells))
SQL: select distinct Bar FROM Sells
Sortowanie
•
R1 :=  L (R2)
R1 jest listą krotek z R2 posortowaną najpierw po pierwszym atrybucie z
listy L, potem po drugim, itd..
Przykład:
Sells
AR: Ordered : = 
Wynik
Price
Sells
SQL: select * FROM Sells ORDER BY Price
Agregacje
•
•
Operacje agregacji nie są operacjami algebry relacji.
Na podstawie wszystkich wartości atrybutów obliczają jedną wartość.
Przykład:
Sells
SUM(Price) = 12,50
COUNT(Price) = 4
MAX(Price) = 3,50
AVG(Price) = 3,125
SQL: select avg(Price) FROM Sells
Grupowanie
•
R1 :=  L (R2) , L jest listą atrybutów, które są:
•
•
•
pojedynczymi atrybutami;
AGG(A), gdzie AGG jest funkcją agregującą na
atrybucie A;
R1 :=  L (R2)
– grupuje R2 według wszystkich atrybutów
grupujących w L, czyli formułuje jedną grupę dla
każdej różnej listy wartości tych atrybutów
– dla każdej grupy oblicza wartość funkcji agregującej
Grupowanie (2)
Przykład 1:
Sells
Wynik
AR: Group :=  Bar, AVG(Price) -> AvgPrice (Sells)
SQL: select Bar, AVG(Price) As AvgPrice FROM Sells GROUP BY Bar
Przykład 2:
Sells
Wynik
AR: Group :=  Bar,Beer, AVG(Price) -> AvgPrice (Sells)
SQL: select Bar,Beer, AVG(Price) As AvgPrice FROM Sells GROUP BY
Bar,Beer
Grupowanie (3)
• Wyniki grupowanie można ograniczyć selekcją
Przykład:
Sells
Wynik
AR: Group :=  AVG(Price)>3  Bar,Beer, AVG(Price) -> AvgPrice (Sells))
SQL: select Bar,Beer, AVG(Price) As AvgPrice FROM Sells GROUP BY
Bar,Beer having AVG(Price)> 3
Łączenie zewnętrzne
• obie kolejne instrukcje zwracają wszystkie
rekordy X i tylko te rekordy Y, w których
<warunek> ma wartość True:
SELECT * FROM X LEFT OUTER JOIN Y
ON <warunek>
SELECT * FROM Y RIGHT OUTER JOIN X
ON <warunek>
Łączenie zewnętrzne (2)
• Pełne łączenie zewnętrzne zwraca wszystkie
rekordy obu zestawów, łącząc ze sobą tylko te
rekordy, w których warunek jest spełniony (daje
wartość True). SQL Server umożliwia pełne
łączenia zewnętrzne za pomocą warunku FULL
OUTER JOIN:
SELECT * FROM X FULL OUTER JOIN Y ON
<warunek>
Złączenie zewnętrzne
Przykład:
SELECT * FROM Sells RIGHT OUTER JOIN Bar ON Bar.Bar = Sells.Bar
SELECT * FROM Bar LEFT OUTER JOIN Sells ON Bar.Bar = Sells.Bar
SELECT * FROM Bar FULL OUTER JOIN Sells ON Bar.Bar = Sells.Bar
Sells
Bar
Wynik
Operatory mnogościowe (różnica)
select Imie, Nazwisko FROM Student
except
select Imie, Nazwisko FROM Pracownik
select s.Imie, s.Nazwisko from Student as s left
outer join Pracownik as p
on s.imie = p.imie and s.nazwisko = p.nazwisko
where p.imie is null
Operatory mnogościowe (przekrój)
select Imie, Nazwisko FROM Student
intersect
select Imie, Nazwisko FROM Pracownik
select s.Imie, s.Nazwisko from Student as s left
outer join Pracownik as p
on s.imie = p.imie and s.nazwisko = p.nazwisko
where p.imie is not null
Instrukcja SELECT
SELECT <ListaPól>
FROM <ListaZestawówRekordów>
<RodzajŁączenia> JOIN <Warunek>
WHERE <KryteriaWyboru>
GROUP BY <ListaPólGrupujących>
HAVING <KryteriaWyboru>
ORDER BY <ListaPólPorządkujących>
Instrukcja WHERE
select * FROM Pracownik WHERE Nazwisko < Imie
select * FROM Pracownik WHERE Wydzial IN('PPT', 'IZ')
select * FROM Pracownik WHERE Wydzial NOT IN('PPT',
'IZ')
select * FROM Pracownik WHERE Wydzial IN ('PPT') OR
Wydzial IN ('IZ')
select * FROM Pracownik WHERE NrPrac BETWEEN
3300 AND 3600
select * FROM Pracownik WHERE NrPrac IS NULL
Podzapytania
Q:
Podaj wszystkich pracowników, którzy pracują na wydziale, który ma
lokalizację we Wrocławiu.
Pracownik
SELECT * FROM Pracownik
WHERE Wydzial IN
(SELECT Wydzial FROM Lokalizacja
WHERE Lokalizacja = 'Wroclaw')
Lokalizacja
Wynik
Podzapytania
Q:
Podaj wszystkie lokalizacje wydziału, na którym pracuje Zaorski.
Pracownik
SELECT Lokalizacja FROM Lokalizacja
WHERE Wydzial IN
(SELECT Wydzial FROM Pracownik
WHERE Nazwisko = 'Zaorski')
Lokalizacja
Wynik
Podzapytania
Q:
Podaj pracowników, których zarobki są mniejsze niż średnia zarobków
pracowników.
Pracownik
SELECT * FROM Pracownik
WHERE Zarobki <
(SELECT AVG(Zarobki) FROM
Pracownik )
Lokalizacja
Wynik
Podzapytania
• Podzapytania mogą być bardziej zagnieżdżone,
tzn. w warunku może być następny warunek, itd.
• W podzapytaniu lewa strona predykatu wymaga
zgodnego wyniku z podzapytaniem po prawej
stronie.
• Przykład:
– Liczba > (podzapytanie zwracające pojedynczą
liczbę)
– Napis = (podzapytanie zwracające pojedynczy napis)
• Nie może być:
– Liczba > (Lista liczb)
Podzapytania
• Składnia z użyciem IN:
– liczba IN (podzapytanie zwracające listę liczb)
– text IN (podzapytanie zwracające listę testów)
• Nie może być:
– Liczba > (Lista liczb)
• Może być:
– Liczba > ANY (Lista liczb)
– Liczba > ALL (Lista liczb)
Podzapytania
Q:
Podaj pracowników, których zarobki są większe lub równe niż zarobek
przynajmniej jednego pracownika.
Pracownik
SELECT * FROM Pracownik
WHERE Zarobki >
ANY(SELECT (Zarobki) FROM
Pracownik )
Lokalizacja
Wynik
Podzapytania
Q:
Podaj pracowników, których zarobki są większe niż od zarobku wszystkich
pracowników.
Pracownik
SELECT * FROM Pracownik
WHERE Zarobki >=
ALL(SELECT (Zarobki) FROM
Pracownik )
Lokalizacja
Wynik
Podzapytania
• W przypadku zapytania ze zwykłym
podzapytaniem, podzapytanie
wykonywane jest jako pierwsze, a wyniki
tymczasowe są przechowywane w
pamięci SZRBD.
• Przykład:
– WHERE Zarob < (SELECT AVG(ZAROB)….)
• Wynik podzapytania jest sprawdzany z
każdym wierszem tabeli.
Podzapytania skolerowane
Q:
Którzy ludzie zarabiają mniej niż wynosi średnia pensja na tym
wydziale, na którym dany pracownik pracuje.
Pracownik
SELECT * FROM Pracownik AS p
WHERE Zarobki <
(SELECT AVG(Zarobki) FROM
Pracownik AS s
WHERE p.Wydzial = s.Wydzial)
Lokalizacja
Wynik
Podzapytania skolerowane
Q:
Podaj takie lokalizacje, dla których istnieją pracownicy w nich
pracujący .
Pracownik
SELECT * FROM Lokalizacja
Lokalizacja
Wynik
WHERE EXISTS
(SELECT * FROM Pracownik
WHERE Lokalizacja.Wydzial =
Pracownik.Wydzial)
Wyrażenie EXISTS(podzapytanie) jest prawdziwe tylko wtedy, kiedy
podzapytanie zwróci co najmniej jeden wiersz
Podzapytania skolerowane
Q:
Podaj takie lokalizacje, dla których nie istnieją pracownicy w nich
pracujący .
Pracownik
SELECT * FROM Lokalizacja
Lokalizacja
Wynik
WHERE NOT EXISTS
(SELECT * FROM Pracownik
WHERE Lokalizacja.Wydzial =
Pracownik.Wydzial)
Wyrażenie NOT EXISTS(podzapytanie) jest prawdziwe tylko wtedy, kiedy
podzapytanie nie zwróci żadnego wiersza.
Podzapytania skolerowane
• W przypadku zapytania ze zwykłym
podzapytaniem, podzapytanie
wykonywane jest jako pierwsze, a wyniki
tymczasowe są przechowywane w
pamięci SZRBD.
• W przypadku zapytań skolerowanych
wartość z głównego zapytania jest
przekazywana do podzapytania, aby
mogło być ono wykonane.
Wstawianie wierszy
Pracownik
Wynik
insert into Pracownik (Imie, Nazwisko, NrPrac, RokPracy, Wydzial, Zarobki)
values ('Jadwiga', 'Mrozowska',23000, 8,'PPT', 1200)
Wstawianie wierszy
Można opuścić jakiś atrybut: np. RokPracy, Wydział.
Jeśli dla tego atrybutu jest zdefiniowana wartość
domyślna, wówczas wpisywana jest wartość domyślna.
Jeśli nie ma domyślnej wartości to wstawiany jest NULL
o ile dla atrybutu można wstawić NULL .
Pracownik
Wynik
insert into Pracownik (Imie, Nazwisko, NrPrac, RokPracy)
values ('Jadwiga', 'Hajnicz',23000,4)
Wstawianie wierszy
Można opuścić wszystkie atrybuty tabeli. Wtedy należy
jednak podać wszystkie wartości.
Pracownik
Wynik
insert into Pracownik
values ('Jadwiga', 'Jazwa',23000, 8,'PPT', 1200)
Wstawianie wielu wierszy
Można wstawić wiele wierszy do tabeli na podstawie
danych z innej tabeli.
Pracownik
Wynik
insert into Pracownik2 (Imie, Nazwisko, NrPrac, Wydzial)
select Imie, Nazwisko, NrPrac, Wydzial from Pracownik
Usuwanie danych z tabeli
Usuwanie wszystkich danych z tabeli
delete from Pracownik2
Usuwanie niektórych krotek
delete from Pracownik
where Imie = 'Jadwiga'
Pracownik
Wynik
Usuwanie danych z tabeli
Przy usuwaniu można korzystać z podzapytań.
Q: Usuń wszystkich pracowników, którzy pracują na wydziale, który ma
lokalizację we Wrocławiu
delete FROM Pracownik2
WHERE Wydzial IN
(SELECT Wydzial FROM Lokalizacja
WHERE Lokalizacja = 'Wroclaw')
Pracownik2
Wynik
Modyfikowanie wierszy
Pracownik
update Pracownik
set Wydzial = 'IZ', NrPrac = 22000
WHERE Nazwisko = 'Zaorski'
Wynik
Modyfikowanie wierszy
Pracownik2
Pracownik
UPDATE Pracownik2
SET Pracownik2.Wydzial = Pracownik.Wydzial
FROM
Pracownik2 INNER JOIN
Pracownik ON Pracownik2.NrPrac = Pracownik.NrPrac
Pracownik2
To tyle….