Modèle Relationnel de Données Witold Litwin

Base de données relationnelle Fichier = table ou relation Donnée = ligne ou attribut atomique Opérations = transformations de tables en une table Opération relationnelle

Base de données relationnelle Une collection d'objets : Relations réelles (tables de base) Contraintes d'intégrité (surtout référentielle) intra-relationnelles monoattribut et multiattribut inter-relationnelles (et multiattribut) Déclencheurs (ang. triggers) notamment pour maintenir l'intégrité Autres (procédures stockées…) Schéma conceptuel = Définition de la collection

Schéma de BD Entreprise clé Empl (E#, Nom, Prénom, Né, Rue, CodePost, Ville, Dep#) ; E# Counter ; Nom Text ; Né Date ; Dep# Int... :Syst-date - Né < 65 * Contrainte de validation Dep# Not Null ; * Contrainte d'existence Taches (T#, Description) ; Planning (E#, T#, Date-fin, Avancement) ; Dep (Dep#, Name) ; Trigger on Empl On Insert Check-Ref-Int (Dep, Empl.Dep#) ; Autres Déclencheurs utiles ? Ce schéma est possible sous MsAccess, bien que exprimé différemment

Schémas Externes Schéma (vue) externe = Collection de vues relationnels (tables virtuelles dérivées de relations réelles) Un usager ne voit pas de différence entre une vue relationnelle et une table réelle En principe ! Une vue relationnelle n'est pas une vue externe au sens ANSI-SPARC Celle-ci serait une base virtuelle

P

P Create View P1 as select P#, PNAME, COLOR from P; P1

P P1 P2 Create View P1 as select P#, PNAME, COLOR from P; from P where CITY = 'London'; P1 P2

P

P P1 P2

Base relationnelle Tables réelles

Base relationnelle Tables réelles et vues

Relations Di ; i = 1,2..n des ensembles dits domaines Une relation R est un sous-ensemble de produit cartésien: Di R Di,1 x Di,2 ... x ... Di,k k n Dans une BD relationnelle, on n’a que des relations finies Les Di,j sont les attributs de R ; les rôles de domaines (Codd)

Schéma d'une relation Les noms R et Di,j constituent le schéma de la relation Ce schéma et l'ensemble des éléments possibles de R constituent une intention de R. Les éléments de R y présent à un moment donnée constituent une extension de R. Une mise à jour modifie une extension et change l'état de la base

Un état de la base S-P Intention de S SP S Une extension de S P

Egalité de relations Deux relations R et R' sont égales si elles diffèrent seulement par ordre : d'attributs (colonnes) de tuples (lignes) Il n'y a pas de tuples égaux dans une relation

Une même relation S

MAJ / Restructuration Une mise à jour est correcte si la nouvelle extension est dans l'intention de R C'est le rôle des contraintes d'intégrité de ne permettre que les mises à jour correctes Un changement de schéma de R est une restructuration

SQL : MAJ / Restructuration ? Emp (E#, Nom, Prénom, Age, Rue, CodePost, Ville, Dep#) ; Age < 65 * Contrainte de validation Dep# Not Null ; * Contrainte d'existence Update Emp Set Age = 35 Where E# = '123' ; Update Emp Set Age = 75 Where E# = '456' ; Alter Emp Add Tel Integer ; Alter Emp Drop Ville ; Create Table CP - V CodePost Int Ville Text Primary key (CodePost, Ville) ; C'est une décomposition d'une relation

Opérations relationnelles Une relation est un fichier qui supporte les opérations relationnelles Une opération relationnelle transforme des relations arguments dans une relation résultat : une relation temporaire n'appartenant pas au schéma de la base. une relation de la base (mise à jour) une vue

Opérations relationnelles Sélection : Projection Restriction Jointure Division Agrégation Opération suppl. Mise à jour Création d ’une vue Voir aussi le cours sur l’algèbre relationnelle

Opérations relationnelles (SQL) Voit (Im#, Pref, Mod, Couleur) Amende (A#, I#, Nom, Addr, Payé) Select * From Voit ; Select Mod From Voit Where Couleur = 'rose' ; Select Nom, Addr From Amende, Voit Where Payé Is Null and Mod = 'Ferrari' and I# = Im# ; Update Amende Set Payé = '10-01-96' where A# = '123' ; Create View En-instance As Select * From Amende, Voit Where Payé Is Null and Amende.I# = Voit.Im# ;

Relations Une relation réelle est définie à partir de ses attributs Une relation virtuelle (vue) est dérivée (héritée) par une opération relationnelle à partir de relations réelles ou de vues

Relations En général, un domaine et donc un attribut peut être un ensemble XML Dans les SGBD actuels, ils ne sont considérés pour les opérations relationnelles que comme des éléments (valeurs) atomiques De telles relations sont dites normales

O NF 1 NF P1 P2 P3 P4 S1 P1 P2 P3 P4 S1 Norm. S2 P1 P2 P3 P1 P2 P3 S2

Normalization en 1-NF Contrainte très importante ! Etud (E#, Tel, Hobbies, Dipl, Enfants, Voit) Etudiant Dupont: 3 tel, 5 hobbies, 3 diplômes, 3 enfants, 2 voitures Un tuple d’ue relation en 0-NF suffit Il faut 3*5*3*3*2 = 270 tuples pour une relation en 1-NF ! Solution : normalisation en i-NF ; i > 1 voir le cours sur la normalisation relationnelle

Relations Opérations relationnelles sont définies par les expressions : d'algèbre relationnelle de calcul de tuple (de prédicat) (QUEL, ALPHA) de calcul de domaine (QBE) les trois formalismes sont équivalents (Codd) Un langage de base de données peut mélanger les types d'expression ci-dessus (SQL) Calcul de tuple et algèbre

Clés Dans toute relation R il existe une combinaison C d'attributs dite clé telle que dans tout tuple t d'intention de R, la valeur C(t) identifie t, il n'y a pas de sous-combinaison de C avec cette propriété Démontrez cette assertion ! Exemples: N° SS, N° Étudiant, Nom de pays, (Nom, Prénom, Tel), Oid,... C atomique consiste d’un attribut C composite en contient plusieurs

Clés Le choix de C est dicté par l'intention de R Soit R = Pers (Nom, Prénom, SS#, Tel) Dans une famille Pers (Nom, Prénom, SS#, Tel) A la SS Pers (Nom, Prénom, SS#, Tel) A l'état civil Pers (Nom, Prénom, SS#, Tel) Les valeurs d'un attribut d'une extension peuvent à un moment donné être toutes différentes sans qu'il s'agisse d'une clé !

Relations La clé C définie comme auparavant peut-être appelée aussi clé minimale Tout ensemble C' d'attributs de relation R incluant C est alors appelée clé Alternativement, si C est appelé clé, alors tout C' est appelé super-clé Dans notre base S-P, S# est une clé (minimale) de S, donc (S#, SNAME) est une super-clé de S. Et les attributs (SNAME, STATUS) ne sont même pas une super-clé

Relations R peut avoir plusieurs clés. Dans ce cas: Une clé est arbitrairement choisie est dite primaire Les autres deviennent clés candidates La clé C d'une relation R peut être des attributs F d'une autre relation R' F deviennent une clé étrangère dans R’ F n'est pas en général une clé de R'

Voit (Châssis#, Moteur#, Plaque#, Mod, Poids, Coul ) Clé primaire Clé candidate Voit (Châssis#, Moteur#, Plaque#, Mod, Poids, Coul ) Clé candidate Clé candidate composée Etud (E#, Nom, Prénom, Tel, Adresse ) Participants (C#, E#, Note) Clé étrangère

Relations L'égalité C = F constitue le lien sémantique entre les relations correspondants Dans un SGBD de 2-ème génération ces liens étaient les références explicites (pointeurs) Entre C et F il peut exister la contrainte d'intégrité référentielle En général: pas de F sans C pas de participant qui ne serait pas un étudiant connu Les SGBD majeurs gèrent désormais de telles contraintes, MSAccess : L'intégrité ref. 1:1 et 1:N Jointures implicites

Intégrité référentielle Mari M# Femme F# Produit P# 1 1 1 1 N N PP#, PS# Produit Composé Mari M# Femmes M#, F# 1 N Ami A# Amie A# M N Comment faire ?

Relations Les clés C et F peuvent aussi être dans une même relation: Emp ( E#, Enom, Tel, Chef# ) Personne ( SS#, Nom, Mère#, Père#) De tels liens génèrent les récurrences exigeant le calcul de fermetures transitives Les opérations relationnelles ne permettent pas de calculer les fermetures transitives

Valeurs nulles Une valeur nulle est un abus de langage pour designer une absence de valeur d’un attribut On dit aussi un nul

Types de nuls Valeur inconnue Valeur inapplicable Ville de fournisseur inconnue Valeur inapplicable Fournisseur connu pour être sans statut Cette distinction est rarement appliquée en pratique

Types de nuls Comment faire alors s’il le faut ? Pour l’attribut #TEL faut distinguer entre: # tel portable inconnu on relancera la personne pour connaître son numéro Personne sans téléphone portable L’utilisation d’un nul pour un attribut peut être interdite

Un attribut-clé ne peut être nul Les nuls et les clés Un attribut-clé ne peut être nul Pourquoi ? Peut-on néanmoins en pratique Sur MsAccess, Oracle, DB2… Autoriser une valeur nulle pour un attribut-clé ? Créer des relations sans clé ?

Les nuls en perspective On peut interdire en pratique la présence d’un nul pour un attribut Dans la définition de l’extension de la relation La théorie initiale du modèle relationnel ne prévoyait pas de nuls Leur introduction (par les praticiens) a crée de nombreux problèmes beaucoup restent non-résolus voir les cours sur SQL

Modélisation relationnelle (démarche intuitive) Une base est un modèle d'une entreprise (ANSI-SPARC) Une entreprise est une collection structurée d'objets réels éléments identifiables de l'univers de l'entreprise un fournisseur, une pièce, une fourniture, un nom, une ville... de types d'objet ensembles d'objets ayant une intention commune les fournisseurs, les pièces, les villes... de propriétés des objets applications de types d'objet en types d'objet ville de fournisseur, fournitures d'un fournisseur... Paris Villes Fournisseur Villes

Modélisation relationnelle (démarche intuitive) Un objet sans propriétés est un objet atomique Son OID est sa valeur Nom, Poids, Un nombre entier… Un objet avec les propriétés est un objet structuré Il a un OID qui n’est pas sa valeur un fournisseur... Nom Code postal S# Code postal S City Name Status

UML Des diagrammes standard proposées par OMG Données, Opérations, Messages… Notamment pour les BDs Une adaptation dans de dernier but du modèle ER Une autre présentation de certains diagrammes Les concepts OO Composition, Agrégation

UML Objet = Entité (Entity) Type = Type ou classe Propriété = Association (Relationship)

UML Modèle d’une auto-école basé sur l’ex. de M. Manouvrier Nom de l’association Diagramme de note en UML L’école peut envoyer entre 0 et 8 étudiants à un exam Modèle d’une auto-école basé sur l’ex. de M. Manouvrier Appartient à Rôle de l’associon (directionnelle)

Réification d’une classe d’associations

Réification d’une classe d’associations

Modélisation relationnelle (démarche intuitive) Une propriété est nommée SNAME, WEIGHT peut être fonctionnelle (non-transitive ou transitive) elle évalue à une valeur atomique nom d'un fournisseur... non-fonctionnelle binaires 1:1, 1:N ou M:N évalue à un ensemble de valeurs atomiques père d’une personne fournitures d'un fournisseur hobbies d’une personne pièces fournies par un fournisseur non-fonctionnelle m-aires ; m > 2 fournitures d'un fournisseur pour des projets patients soignés dans des services et suivis par des médecins

Modélisation relationnelle (démarche intuitive) Une propriété est nommée SNAME, WEIGHT peut être fonctionnelle (non-transitive ou transitive) elle évalue à une valeur atomique nom d'un fournisseur... non-fonctionnelle binaires 1:1, 1:N ou M:N évalue à un ensemble de valeurs atomiques père d’une personne fournitures d'un fournisseur hobbies d’une personne pièces fournies par un fournisseur non-fonctionnelle m-aires ; m > 2 fournitures d'un fournisseur pour des projets patients soignés dans des services et suivis par des médecins

Modélisation relationnelle (Réel -> Schéma Conceptuel) Identifie les objets, les types et les propriétés pas de règles formelles les propriétés non-fonctionnelles doivent être toute de type 1:N Un type T d'objets structurés O  une relation R Un type d'objets atomiques  un domaine D Noms, Entier, Texte,... Une propriété fonctionnelle non-transitive de tout O  un attribut de R une application nommée d'un objet dans un domaine SNAME, WEIGHT, COLOR...

Modélisation relationnelle (clé primaire) Un O  une valeur d'une clé primaire C de R un ou plusieurs attributs constituant une clé candidate de R SS#, (Nom, Tel), E#... un attribut nouveau dont la valeur constituera l'OID si aucune clé candidate de R n'est un identifiant possible ou souhaitable pour O il s'agit de OID au sens : valeur sans sémantique définie automatiquement ou manuellement S#, P#, SP# ?

Modélisation relationnelle (clés étrangères) Une propriété non-fonctionnelle 1:N d'un objet O  une référence à O dans la table de l'objet cible une valeur de l'attribut qui constitue la clé étrangère F = C C est la clé primaire de la table-source de la propriété On verra plus tard les propriétés M:N La cible peut être la source elle-même Une relation peut être la cible de plusieurs propriétés fonctionnelles ou pas SP (S#, P#...) Propriétés (Pnom,SS#... Pers (SS#,..

Modélisation relationnelle (propriétés transitives) Une propriété fonctionnelle de O peut se révéler transitive Il s'agit en fait d'une propriété de O' qui est lui même une cible d'une propriété de O SP' (S#, P#, QTY, PNAME, COLOR...) QTY est une propriété non-transitive de SP PNAME, COLOR sont des propriétés transitives de SP car il s’agit en fait de propriétés non transitives de P Les propriétés transitives doivent être éliminées elles donnent lieu aux duplications et anomalies de mise à jour PNAME, COLOR sont inutilement répétés pour toute fourniture d ’une même pièce P# on reverra ce concept en détail plus tard

Modélisation relationnelle (démarche intuitive) Il faut mettre une telle propriété dans R où elle est directe (non-transitive) SP (S#, P#,QTY) P (P#, PNAME, COLOR) On retrouve la restructuration par décomposition Et une référence 1:N P.P# -> SP>P# On sépare "les torchons et les serviettes" On fait intuitivement une normalisation relationnelle formelle, en 2NF, 3NF et BCNF...

Modélisation relationnelle (propriétés binaires M:N) Une propriété P non-fonctionnelle de O peut s'avérer M:N Les pièces fournies par un fournisseur quand une pièce peut avoir plusieurs fournisseur S (S#, SNAME..P#, QTY..) Alors, on a omis d'identifier un type d'objet tel que P correspond à deux (ou plus) propriétés 1:N les fournitures SP, l'amitié… peut avoir ses propres propriétés (QTY) Amitié S SP P S P Amis

Démarche intuitive (limites pratiques) Ces règles sont en général suffisantes en pratique Jusqu'à 4 NF (incluse) Cependant, elle ne sont pas en général univoques elles peuvent donner lieu à plusieurs schémas différents elles ne sont pas non plus suffisantes pour tous les cas Ex. mise en 1-O NF (à voir plus tard), puis 5NF Il ne semble pas qu'il existe des réglés universelles

Démarche intuitive (limites pratiques) Les SGBD relationnels n'ont que les domaines génériques Char, Integer, Float, Counter, Memo... En SQL-3 il y aura des domaines + spécifiques Age, Ville... En attendant, si besoin est on peut simuler les domaines spécifiques avec des relations unaires et les contraintes d'intégrité ref. S ( S#, SNAME, Status...) STATUS (Status) /* Les statuts possibles

Modélisation relationnelle : Graphe de références Une BD relationnelle en général comporte plusieurs relations Un graphe de références représente sa structure Les nœuds sont des relations Les arcs orientés sont les contraintes d'intégrité référentielle C -> F 1:N ou 1:1 Les autres sont les liens sémantiques Une base relationnelle n'est correctement définie que si son le graphe de références est un graphe connecté.

Modélisation relationnelle : Conception d’une BD relationnelle Il faut minimiser le nombre de nœuds du graphe de références Sous contraintes : D’absence d’anomalies d’insertion, suppression, MAJ De préservation de dépendances fonctionnelles

Modélisation relationnelle : Résultat typique Plusieurs relations Chaque relation consistant d’une clé de max d’attributs identifiés chacun comme une fonction atomique de la clé

Spécifications fonctionnelles: Exemple canon Spécifications fonctionnelles: Une entreprise a des fournisseurs S Un fournisseur f a un ID, un nom, un statut, et est dans une ville Un f fournit des fournitures SP de pièces P Chaque fourniture fp comporte une certaine quantité d'une pièce p Chaque p a un ID, un nom, un poids, une couleur Une pièce p peut être l'objet de plusieurs fournitures fp

Exemple canon Fournitures S# P# Fournisseurs Pièces S# P#

Exemple canon SP S P

Pourquoi S-P est comme ça ? Avantages : Pas de duplicata de valeurs d'attributs entre les tables S, SP, et P, sauf le strict minimum (les clés) Pas d‘anomalies. On verra cette notion dans le cours suivant. Efficacité de stockage. Pas d’attribut-clé unique pour SP Compare à la conception en une seule relation Problèmes : Comment trouver le Nom du fournisseur de pièces rouges ? etc..

Solution Opération relationnelle de jointure entre les relations en SQL : SELECT SNAME FROM S, SP, P WHERE S.S# = SP.S# AND SP.P# = P.P# AND COLOR = 'RED' ;

Exemple canon Graphe de références: Clés primaires n'ont pas de sémantique Jouent les rôles de OIDs définis à la main Les fournisseurs et les pièces sont en correspondance M : N ; 1 < M, N <  représentée en général comme ci-dessus par trois objets et deux relations 1:N 1 N N SP S 1 P

Propriétés non-fonctionnelles m-aires Représentées par un objet cible de m >2 liens référentiels Base S-P-T: chaque pièce fournie est utilisée pour une tache T SPT (S#, P#, T#, QTY) 1 N N SPT S 1 P N 1 T

La vie est moins facile Base Hôpital Les patients sont soignés par des médecins, dans des services Un médecin peut être partagé entre plusieurs patients et services 1 N N SPM P 1 S N 1 M

La vie est moins facile Un employé travaille dans un (seul) département ayant un nom et une localisation. On fait une relation ? Emp (E#, Enom, D#, Dnom, Loc) Ou deux ? Emp (E#, Enom, D#) D (D#, Dnom, Loc) Et pourquoi pas les rel. atomiques Emp (E#), Empn (E#, Enom), Empd (E#, D#), D (D#), Dn (D#, Dnom), Dl (D#, Loc), L (Loc) Pas de bonne réponse générale dans la théorie des bases relationnelles

La vie est moins facile E# et Enom sont des clés candidates pour un étudiant. Quel schéma choisir pour créer la base des notes des étudiants ? E (E#, Enom, C#, Note) ? E (E#, Enom, C#, Note) ? ou peut-être : E (E#, C#, Note) et EN (E#, Enom) ou enfin : E (Enom, C#, Note) et EN (E#, Enom)

La vie est moins facile Un cour est donné par des profs et comporte une liste de livres quelle base faut-il créer Cours (C#, P#, Livre) ? Cours (C#, P#, Livre) ? ou peut-être la base Cours (C#, Livre) et CP (C#, P#) ?

La vie est moins facile Si une personne a les diplômes, les voitures et les hobbies, alors peut-on dire formellement pourquoi le schéma (P#, Nom, Dipl, Voit, Hobby) n'est pas en général souhaitable ?

Solutions Théorie formelle de la conception relationnelle Fondée dans les années 70 - 80 Codd, Boyce, Fagin, Armstrong, Bancilhon, Spyratos, Delobel, Date, Ullman, Sagiv, Vardi... Largement délaissée depuis Mais il y a des contributions récentes Date & Fagin, Krishnamourthy & Litwin...

Merci de votre attention W. Litwin FIN Merci de votre attention W. Litwin