Базисные средства манипулирования реляционными данными: реляционное исчисление

Исчисление кортежей

Для определения кортежной переменной используется оператор RANGE. Например, для того чтобы определить переменную СЛУЖАЩИЙ, областью определения которой является отношение СЛУЖАЩИЕ, нужно употребить конструкцию

RANGE СЛУЖАЩИЙ IS СЛУЖАЩИЕ

Как уже говорилось, из этого определения следует, что в любой момент времени переменная СЛУЖАЩИЙ представляет некоторый кортеж отношения СЛУЖАЩИЕ. При использовании кортежных переменных в формулах можно ссылаться на значение атрибута переменной (это аналогично тому, как, например, при программировании на языке C можно сослаться на значение поля структурной переменной). Например, для того, чтобы сослаться на значение атрибута СЛУ_ИМЯ переменной СЛУЖАЩИЙ, нужно употребить конструкцию СЛУЖАЩИЙ.СЛУ_ИМЯ.

Правильно построенные формулы

Правильно построенная формула (Well-Formed Formula, WFF) служит для выражения условий, накладываемых на кортежные переменные.

Простые условия

Основой WFF являются простые условия, представляющие собой операции сравнения скалярных значений (значений атрибутов переменных или литерально заданных констант). Например, конструкции

СЛУЖАЩИЙ.СЛУ_НОМ = 2934 и

СЛУЖАЩИЙ.СЛУ_НОМ = ПРОЕКТ.ПРОЕКТ_РУК

являются простыми условиями. Первое условие принимает значение true в том и только в том случае, когда значение атрибута СЛУ_НОМ кортежной переменной СЛУЖАЩИЙ равно 2934. Второе условие принимает значение true в том и только в том случае, когда значения атрибутов СЛУ_НОМ и ПРОЕКТ_РУК переменных СЛУЖАЩИЙ и ПРОЕКТ совпадают.

По определению, простое сравнение является WFF, а WFF, заключенная в круглые скобки, представляет собой простое сравнение.

Более сложные варианты WFF строятся с помощью логических связок NOT, AND, OR и IF ... THEN^{2Через IF … THEN здесь обозначается одна из важных логических функций – импликация. По определению, IF a THEN b эквивалентно NOT a OR b. Хотя операция импликации является избыточной, она явно вводится в реляционное исчисление, поскольку часто требуется на практике для выражения условий.} с учетом обычных приоритетов операций ( NOT > AND > OR ) и возможности расстановки скобок. Так, если form – WFF, а comp – простое сравнение, то NOT form, comp AND form, comp OR form и IF comp THEN form являются WFF.

Для примеров воспользуемся отношениями СЛУЖАЩИЕ, ПРОЕКТЫ и НОМЕРА_ПРОЕКТОВ из предыдущей лекции (см. рис. 5.1).

Рис. 5.1. Примерные значения отношений СЛУЖАЩИЕ, ПРОЕКТЫ и НОМЕРА_ПРОЕКТОВ

Правильно построенной является следующая формула:

IF СЛУЖАЩИЙ.СЛУ_ИМЯ = 'Иванов'
THEN (СЛУЖАЩИЙ.СЛУ_ЗАРП >= 22400.00 AND СЛУЖАЩИЙ.ПРО_НОМ = 1)

Эта формула будет принимать значение true для следующих значений кортежной переменной СЛУЖАЩИЙ:

Конечно, нужно представлять себе какой-нибудь способ реализации системы, которая сможет по заданной WFF при существующем состоянии базы данных произвести такой результат. И таким очевидным способом является следующий: в некотором порядке просмотреть область определения переменной и к каждому очередному кортежу применить условие. Результатом будет то множество кортежей, для которых при вычислении условия производится значение true. Очевидно, что результат эквивалентен выполнению алгебраической операции СЛУЖАЩИЕ WHERE (NOT (СЛУЖАЩИЙ.СЛУ_ИМЯ = 'Иванов') OR (СЛУЖАЩИЙ.СЛУ_ЗАРП >= 22400.00 AND СЛУЖАЩИЙ.ПРО_НОМ = 1)) над отношением, тело которого представляет собой область определения кортежной переменной.

Пусть имеется следующее определение кортежной переменной ПРОЕКТ:

RANGE ПРОЕКТ IS ПРОЕКТЫ

Вот еще пример правильно построенной формулы:

СЛУЖАЩИЙ.СЛУ_ИМЯ = ПРОЕКТ.ПРОЕКТ_РУК

Эта формула будет принимать значение true для следующих пар значений кортежных переменных СЛУЖАЩИЙ и ПРОЕКТ:

Очевидный способ реализации системы, которая по заданной WFF при существующем состоянии базы данных производит такой результат, заключается в следующем. В некотором порядке просматривать область определения (например) переменной СЛУЖАЩИЙ. Для каждого текущего кортежа из области определения переменной СЛУЖАЩИЙ просматривать область определения переменной ПРОЕКТ. Оставлять в области истинности те пары кортежей, для которых формула принимает значение true. Возможен и альтернативный подход: начать просмотр с области определения переменной ПРОЕКТ, и для каждого кортежа ПРОЕКТ просматривать область определения СЛУЖАЩИЙ.

Здесь нужно сделать несколько замечаний. Во-первых, если бы в данном случае формула была тождественно истинной (например, имела вид

((СЛУЖАЩИЙ.СЛУ_ИМЯ = СЛУЖАЩИЙ.СЛУ_ИМЯ) 
AND (ПРОЕКТ.ПРОЕКТ_РУК = ПРОЕКТ.ПРОЕКТ_РУК))

то областью истинности этой формулы являлось бы декартово произведение (в строгом математическом смысле) тел отношений СЛУЖАЩИЙ и ПРОЕКТ. В реляционном исчислении кортежей, как и в реляционной алгебре, принято иметь дело с операцией расширенного декартова произведения, и поэтому считается, что в подобных случаях областью истинности WFF является отношение, заголовок которого представляет собой объединение заголовков отношений, на телах которых определены кортежные переменные, а кортежи являются объединением соответствующих кортежей из областей определения переменных. При этом имя атрибута результирующего отношения уточняется именем соответствующей переменной. Поэтому правильнее было бы изображать область истинности формулы

СЛУЖАЩИЙ.СЛУ_ИМЯ = ПРОЕКТ.ПРОЕКТ_РУК

следующим образом:

Во-вторых, как видно, показанное результирующее отношение в точности совпадает с результатом алгебраической операции СЛУЖАЩИЕ JOIN ПРОЕКТЫ WHERE СЛУ_ИМЯ = ПРОЕКТ_РУК с учетом особенности именования атрибутов результирующего отношения. Наконец, заметим, что описанный выше способ реализации, который приводит к получению области истинности рассмотренной формулы, в действительности является наиболее общим (и зачастую неоптимальным) способом выполнения операций соединения (он называется методом вложенных циклов – nested loops join ).