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Le Modèle Relationnel

Chapitre 3

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Objectifs

Représenter les données en utilisant le modèle relationnel

Exprimer les contraintes d’intégrité sur les données

Créer, modifier, détruire et altérer des relations Créer, modifier, détruire, altérer, et poser des

requêtes sur les relations en utilisant SQL Traduire un diagramme ER en une base de

données relationnelles Introduire les vues

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Pourquoi Étudier le Modèle Relationnel?

Le modèle le plus largement utilisé. Vendeurs: IBM, Informix, Microsoft, Oracle,

Sybase, etc. Systèmes patrimoniaux  (“legacy

systems”) en place dans les vieux modèles. P.ex., IBM IMS

Récent compétiteur: modèle orienté objet. ObjectStore, Versant, Ontos Une synthèse émerge: modèle relationnel-objet

• Informix Universal Server, UniSQL, O2, Oracle, DB2

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Concepts des Bases de Données Relationnelles

Relation, faite de 2 composantes: Instance : une table, avec lignes et colonnes.

#lignes = cardinalité, #colonnes = degré / arité. Schéma : spécifie le nom de la relation, plus le nom et le

domaine (type) de chaque colonne (attribut). Une relation est un ensemble de lignes (tuples) distinctes;

chaque tuple a la même arité que le schéma de la relation. Base de données relationnelles: un ensemble des

relations de la BD, chacune ayant un nom distinct. Schéma d’une BD: ensemble de schémas des relations

dans la BD. Instance de la BD: ensemble des instances relationnelles

de la BD.

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Exemple de Relation

sid name login age gpa

53666 Jones jones@cs 18 3.4

53688 Smith smith@eecs 18 3.2 53650 Smith smith@math 19 3.8

Cardinalité = 3, arité = 5, les lignes sont distinctes. Les systèmes commerciaux permettent des duplicata. Toutes les colonnes d’une instance relationnelle ont-elles à être distinctes? Dépend de la présence ou non d’un ordre.

Schema : Students(sid: string, name: string, login: string,

age: integer, gpa: real).Instance :

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Langages de Requêtes Relationnelles

Un avantage majeur du modèle relationnel est qu’il supporte de simples et puissantes requêtes sur les données.

Les requêtes peuvent être écrites de manière intuitive (i.e. déclarative), et le SGBD est responsable de leur évaluation efficiente. L’utilisateur dit au SGBD quoi faire et le système

cherche comment faire ce qu’il y a à faire de manière efficiente!

La clé du succès: sémantique précise des requêtes. Permet à l’optimisateur de réordonner les

opérations tout en garantissant que la réponse ne change pas.

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SQL: Langage des Requêtes pour Données Relationnelles

Développé par IBM (« système R ») dans les années 1970s.

Besoin d’un standard car utilisé par beaucoup de vendeurs.

Standards: SQL-86 SQL-89 (révision mineure) SQL-92 (révision majeure: triggers, oo, …) SQL-99 (extensions majeures:

datawarehousing, …)

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Création des Relations en SQL

Avec la commande CREATE TABLE, on crée une relation. Il est à observer que le type (domaine) de chaque attribut est spécifié. Chaque fois que des tuples sont ajoutés ou modifiés, le SGBD veille au respect du type.

CREATE TABLE Students(sid: CHAR(20), name: CHAR(20), login: CHAR(10), age: INTEGER, gpa: REAL)

CREATE TABLE Enrolled(sid: CHAR(20), cid: CHAR(20), grade: CHAR(2))

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Destruction et Altération des Relations

La commande DROP TABLE détruit la relation Students. Le schéma et les tuples sont effacés.

DROP TABLE Students

Avec la commande ALTER TABLE, le schéma de Students est altéré par l’ajout d’un nouvel attribut; chaque tuple dans l’instance courrante est augmenté par une valeur null pour le nouvel attribut.

ALTER TABLE Students ADD COLUMN firstYear: integer

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Ajout et Effacement des Tuples Un seul tuple est ajouté de la manière suivante:

INSERT INTO Students (sid, name, login, age, gpa)VALUES (53688, ‘Smith’, ‘smith@ee’, 18, 3.2)

Tous les tuples satisfaisant une certaine condition peuvent être effacés comme suit:

DELETE FROM Students SWHERE S.name = ‘Smith’

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Contraintes d’Intégrité (CIs) CI: condition qui doit être satisfaite dans toutes

les instances de la base de données. Exemple simple: contraintes du domaine.

Les CIs sont spécifiées lorsque le schéma est défini. Les CIs sont vérifiées lorsque les relations sont

modifiées. Une instance légale d’une relation est une

instance qui satisfait toutes les CIs spécifiées. Un SGBD ne doit pas permettre des instances illégales.

Si le SGBD vérifie les CIs, les données stockées reflètent mieux la signification du monde réel. Évite les erreurs d’entrée de données aussi!

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Contraintes de Clé Primaire Un ensemble d’attributs est une clé d’une

relation si:1. Deux tuples distincts ne peuvent pas avoir les

mêmes valeurs pour tous les attributs de la clé, et

2. Cela n’est pas vrai pour un quelconque sous-ensemble de la clé.

• Si la partie (2) est fausse, on a une superclé.• S’il y a plus d’une clé pour la relation, une d’elles est

choisie (par le DBA) comme clé primaire.

P. ex., sid est une clé pour Students, alors que name n’en est pas une. L’ensemble {sid, gpa} est une superclé.

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Clé Primaire et Candidates Clé en SQL Parmi plusieurs candidates clé (spécifiable par UNIQUE), une d’elles est choisie comme clé primaire.

CREATE TABLE Enrolled (sid CHAR(20) cid CHAR(20), grade CHAR(2), PRIMARY KEY (sid,cid) ) “Un étudiant n’a qu’une note

pour chaque cours dans lequel il est enrôlé.” vs. “Les étudiants ne peuvent prendre qu’un seul cours et n’avoir qu’une seule note pour ce cours; et deux étudiants ne peuvent recevoir la même note.”

Leçon: une CI imprudente peut empêcher le stockage d’instances désirables de la base de données.

CREATE TABLE Enrolled (sid CHAR(20) cid CHAR(20), grade CHAR(2), PRIMARY KEY (sid), UNIQUE (cid, grade) )

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Clés Étrangères et Intégrité Référentielle Clé étrangère : Ensemble d’attributs d’une

relation qui est utilisé pour référer aux tuples d’une autre relation. Doit correspondre à la clé primaire de la seconde

relation. Est un ‘pointeur logique’.

P. ex. sid est une clé étrangère referant à Students: Enrolled(sid: string, cid: string, grade: string) Si toutes les contraintes de clé étrangère sont

respectées, on atteint une intégrité référentielle (IR), i.e., il n’y a aucune référence pendante («  dangling references»).

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Spécification des Clés Étrangères en SQL

Seuls les étudiants listés dans la relation Students devraient être permis de s’enregistrer pour les cours !!!

CREATE TABLE Enrolled (sid CHAR(20), cid CHAR(20), grade CHAR(2), PRIMARY KEY (sid,cid), FOREIGN KEY (sid) REFERENCES Students )

sid name login age gpa

53666 Jones jones@cs 18 3.453688 Smith smith@eecs 18 3.253650 Smith smith@math 19 3.8

sid cid grade53666 Carnatic101 C53666 Reggae203 B53650 Topology112 A53666 History105 B

EnrolledStudents

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Exécution de l’Intégrité Référentielle

Considérez Students and Enrolled; sid dans Enrolled est une clé étrangère referant à Students.

Que devrait-on faire si un tuple de Enrolled ayant un étudiant non-existent est inseré? (Rejetez le!)

Que faire si un tuple de Students est effacé? Effacer également tous les tuples de Enrolled qui

réfèrent à lui. Ne pas permettre un effacement d’un tuple auquel il

est fait référence. Donner une valeur par défaut au sid des tuples de

Enrolled qui réfèrent à lui.

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Exécution de l’IR en SQL

SQL-92 et SQL-1999 supportent toutes les 3 options d’effacement et de modification examinées. Défaut: NO ACTION

(delete/update est rejeté) CASCADE (effacer aussi

tous les tuples qui réfèrent au tuple effacé)

SET NULL / SET DEFAULT (donner une valeur « null » défaut à la clé étrangère du tuple référant)

CREATE TABLE Enrolled (sid CHAR(20), cid CHAR(20), grade CHAR(2), PRIMARY KEY (sid,cid), FOREIGN KEY (sid) REFERENCES Students

ON DELETE CASCADE )

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D’où viennent les CIs?

Les CIs proviennent de la sémantique de l’entreprise à modéliser. Une CI est déclaration au sujet de toutes les

instances possibles! De notre exemple, nous savons que name ne

peut pas être une clé, mais sid en est une. Clé et clé étrangère sont les CIs les plus

courantes; cependant des CIs plus généralles existent aussi.

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Transactions et Contraintes Un programme de transaction est une

séquence de requêtes, insertions, effacements, etc qui accèdent à la base de données.

Quand est-ce que les CIs sont contrôlées dans une transaction? Immédiatement après la déclaration Plutard (p.ex., en fin de transaction)

SQL permet deux modes de contrainte. SET CONSTRAINT ConstraintName IMMEDIATE SET CONSTRAINT ConstraintName DEFERRED Les CIs sont immédiates par défaut; les CIs différées

sont contrôlées lors de la validation.

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Design Logique: du Modèle ER au Relationnel

Le modèle ER représente le design initial de la base de données.

La tâche est de générer un schéma relationnel qui soit le plus proche possible du modèle ER.

La génération est approximative car il est difficile de traduire toutes les contraintes du modèle ER en un modèle logique efficient.

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De l’Ensemble d’Entités à une Table L’ensemble d’entités devient une table.

Chaque attribut de l’ensemble d’entités devient un attribut de la table.

Les contraintes de domaine deviennent des types appropriés de SQL.

La clé primaire de l’ensemble d’entités devient la clé primaire de la table.

CREATE TABLE Employees (ssn CHAR(11), name CHAR(20), lot INTEGER, PRIMARY KEY (ssn))

Employees

ssnname

lot

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De l’Ensemble des Relations à une Table

Un ensemble de relations (sans contraintes) est traduit en une table.

Les attributs de la relation doivent inclure: Clés pour chaque ensemble

d’entités participant (clés étrangères).

• Cet ensemble d’attributs forme une superclé pour la nouvelle table.

Tous les attributs descriptifs.

CREATE TABLE Works_In( ssn CHAR(1), did INTEGER, since DATE, PRIMARY KEY (ssn, did), FOREIGN KEY (ssn) REFERENCES Employees, FOREIGN KEY (did) REFERENCES Departments)

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De l’Ensemble des Relations à une Table (Suite) La traduction d’un ensemble de

relations circulaires (sans contraintes) en une table doit inclure les attributs suivants: Clés construites en

concaténant les indicateurs de rôle avec la clé primaire de l’ensemble d’entités participant (clés étrangères).

• Cet ensemble d’attributs forme une superclé pour la nouvelle table.

Tous les attributs descriptifs. Une dénomination explicite

de la clé référencée.

CREATE TABLE Reports_to( supervisor_ssn CHAR(11), subordinate_ssn CHAR(11), PRIMARY KEY (supervisor_ssn, subordinate_ssn), FOREIGN KEY (supervisor_ssn) REFERENCES Employees(ssn), FOREIGN KEY (subordinate_ssn) REFERENCES Employees(ssn))

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Rappel: Contraintes de Clé

Chaque dept a au plus un manager en vertu de la contrainte de clé sur Manages.

Comment traduire Tout ceci en modèle relationnel?

Many-to-Many1-to-1 1-to Many Many-to-1

dname

budgetdid

since

lot

name

ssn

ManagesEmployees Departments

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Traduction des Diagrammes ER avec Contraintes de Clé

Traduire la relation en une table: Notez que le did

est la clé maintenant!

Tables séparées pour Employees et Departments.

Puisque chaque département n’a qu’un manager unique, nous pourrions aussi combiner Manages et Departments.

CREATE TABLE Manages( ssn CHAR(11), did INTEGER, since DATE, PRIMARY KEY (did), FOREIGN KEY (ssn) REFERENCES Employees, FOREIGN KEY (did) REFERENCES Departments)

CREATE TABLE Dept_Mgr( did INTEGER, dname CHAR(20), budget REAL, ssn CHAR(11), since DATE, PRIMARY KEY (did), FOREIGN KEY (ssn) REFERENCES Employees)

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Rappel: Contraintes de Participation Chaque département a-t-il un manager?

Si c’est le cas, on a une contrainte de participation: la participation de Departments dans l’association Manages est dite être totale (vs. partielle).• Chaque valeur did dans la table Departments doit

apparaître dans une ligne de la table Manages (avec une valeur de ssn qui n’est pas nulle!)

lot

name dnamebudgetdid

sincename dname

budgetdid

since

Manages

since

DepartmentsEmployees

ssn

Works_In

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Contraintes de Participation en SQL

Nous ne pouvons exprimer que les contraintes de participation impliquant un ensemble d’entités participant à une relation binaire.

Pour les relations non binaires, recourir aux contraintes CHECK (plutard).

CREATE TABLE Dept_Mgr( did INTEGER, dname CHAR(20), budget REAL, ssn CHAR(11) NOT NULL, since DATE, PRIMARY KEY (did), FOREIGN KEY (ssn) REFERENCES Employees, ON DELETE NO ACTION)

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Rappel: Entités Faibles Une entité faible ne peut être identifiée que par

l’entremise d’une clé primaire d’une autre entité (propriétaire) . L’ensemble des propriétaires et celui des entités

faibles doivent participer dans un ensemble de relations « one-to-many » (1 propriétaire, beaucoup d’entités faibles).

Un ensemble d’entités faibles doit avoir une participation totale dans cette ensemble de relations identifiantes.

lot

name

agepname

DependentsEmployees

ssn

Policy

cost

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Traduction d’Ensemble d’Entités Faibles

Un ensemble d’entités faibles ainsi que son ensemble de relations identifiantes sont traduits en une SEULE table. Lorsque l’entité propriétaire est effacée,

toutes les entités faibles possédées par elle doivent aussi être effacées.

CREATE TABLE Dep_Policy ( pname CHAR(20), age INTEGER, cost REAL, ssn CHAR(11) NOT NULL, PRIMARY KEY (pname, ssn), FOREIGN KEY (ssn) REFERENCES Employees, ON DELETE CASCADE)

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Rappel: Hiérarchies ISA

Contract_Emps

namessn

Employees

lot

hourly_wages

ISA

Hourly_Emps

contractid

hours_worked

Une déclaration A ISA B signifie que chaque entité de A est aussi à considérer comme une entité de B.

Contraintes de superposition: Joe peut-il être à la fois dans Hourly_Emps et dans Contract_Emps?

Contraintes de couverture: Y a-t-il des employés qui ne sont ni dans Hourly_Emps ni dans Contract_Emps?

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Traduction des Hiérarchies ISA en Relations

Approche générale: 3 relations: Employees, Hourly_Emps et Contract_Emps.

• Hourly_Emps: Chaque employé est enregistré dans Employees. Pour les employés journaliers, de l’info supplémentaire est enregistré dans Hourly_Emps (hourly_wages, hours_worked, ssn); un tuple de Hourly_Emps doit être effacé si sa référence dans Employees est effacée.

• Les requêtes impliquants tous les employés sont faciles, mais celles impliquant juste les tuples de Hourly_Emps p.ex. requièrent un join pour accéder à des attributs supplémentaires.

Alternative: utiliser exactement Hourly_Emps et Contract_Emps. Hourly_Emps: ssn, name, lot, hourly_wages, hours_worked. Chaque employé doit être exactement dans l’une de ces 2 sous-

classes. Les contraintes de superposition et de couverture sont

exprimées en SQL par des assertions que nous verrons plutard.

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Rappel: Relation Binaire vs. Ternaire

Notez les contraintes additionnelles introduites dans le 2ème diagramnme.

agepname

DependentsCovers

name

Employees

ssn lot

Policies

policyid cost

Beneficiary

agepname

Dependents

policyid cost

Policies

Purchaser

name

Employees

ssn lot

Mauvais design

Meilleur design

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Relation Binaire vs. Ternaire (Suite)

La contrainte de clé nous permets de combiner Purchaser avec Policies ainsi que Beneficiary avec Dependents.

Les contraintes de participation conduisent à des contraintes NOT NULL.

CREATE TABLE Policies ( policyid INTEGER, cost REAL, ssn CHAR(11) NOT NULL, PRIMARY KEY (policyid). FOREIGN KEY (ssn) REFERENCES Employees, ON DELETE CASCADE)

CREATE TABLE Dependents ( pname CHAR(20), age INTEGER, policyid INTEGER, PRIMARY KEY (pname, policyid). FOREIGN KEY (policyid) REFERENCES Policies, ON DELETE CASCADE)

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Vues Une vue est simplement une relation

dont la définition est stockée plutôt que un ensemble de tuples.

CREATE VIEW YoungActiveStudents (name, grade)AS SELECT S.name, E.gradeFROM Students S, Enrolled EWHERE S.sid = E.sid and S.age<21

Les vues peuvent être détruites en utilisant la commande DROP VIEW. Comment traiter DROP TABLE s’il y a une vue sur la

table?• La commande DROP TABLE a des options pour

permettre à l’usager de spécifier cela: RESTRICT / CASCADE.

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Vues et Sécurité

Les vues peuvent être utilisées pour présenter de l’info nécessaire à l’usager tout en lui interdisant l’accès aux relations sous-jacentes. Étant donné la vue YoungActiveStudents,

avec les tables Students et Enrolled cachées, nous pouvons trouver les étudiants qui sont inscrits, mais pas les cid’s des cours auxquels ils sont inscrits!

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Résumé Le modèle relationnel est une présentation tabulaire

des données. Il est simple et intuitif, présentement largement

utilisé. Les contraintes d’intégrité peuvent être spécifiées par

le DBA sur base de la sémantique de l’application. Le SGBD en contrôle les violations. Deux CIs importantes: clé primaire et clés étrangères De plus, on a toujours les contraintes du domaine

Un langage de requêtes puissant et naturel existe. Il existe des règles (pas toujours exactes!!!!) pour

traduire les diagrammes ER en un modèle relationnel.