UNIDAD 3. MODELO RELACIONAL

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1 UNIDAD 3. MODELO RELACIONAL El modelo relacional se basa en dos ramas de las matemáticas: la teoría de conjuntos y la lógica de predicados de primer orden. El hecho de que el modelo relacional esté basado en la teoría de las matemáticas es lo que lo hace tan seguro y robusto. Al mismo tiempo, estas ramas de las matemáticas proporcionan los elementos básicos necesarios para crear una base de datos relacional con una buena estructura, y proporcionan las líneas que se utilizan para formular buenas metodologías de diseño La teoría matemática proporciona la base para el modelo relacional y, por lo tanto, hace que el modelo sea predecible, fiable y seguro. La teoría describe los elementos básicos que se utilizan para crear una base de datos relacional y proporciona las líneas a seguir para construirla. El organizar estos elementos para conseguir el resultado deseado es lo que se denomina diseño. 3.1 CONCEPTOS DEL MODELO RELACIONAL Las bases de datos relacionales son el tipo de bases de datos actualmente más difundido. Los motivos de este éxito son fundamentalmente dos: 1. ofrecen sistemas simples y eficaces para representar y manipular los datos 2. se basan en un modelo, el relacional, con sólidas bases teóricas El modelo relacional fue propuesto originariamente por E.F. Codd en un ya famoso artículo de Gracias a su coherencia y facilidad de uso, el modelo se ha convertido en los años 80 en el más usado para la producción de DBMS. La estructura fundamental del modelo relacional es precisamente esa, "relación", es decir una tabla bidimensional constituida por líneas (tuplas) y columnas (atributos). Las relaciones representan las entidades que se consideran interesantes en la base de datos. Cada instancia de la entidad encontrará sitio en una tupla de la relación, mientras que los atributos de la relación representarán las propiedades de la entidad. Por ejemplo, si en la base de datos se tienen que representar personas, se podrá definir una relación llamada "Personas", cuyos atributos describen las características de las personas. Cada tupla de la relación "Personas" representará una persona concreta. Cada atributo de una relación se caracteriza por un nombre y por un dominio. El dominio indica qué valores pueden ser asumidos por una Materia: Base de Datos I Página 1

2 columna de la relación. A menudo un dominio se define a través de la declaración de un tipo para el atributo (por ejemplo diciendo que es una cadena de diez caracteres), pero también es posible definir dominios más complejos y precisos. Por ejemplo, para el atributo "sexo" de nuestra relación "Personas" podemos definir un dominio por el cual los únicos valores válidos son 'M' y 'F'; o bien por el atributo "fecha_nacimiento" podremos definir un dominio por el que se consideren válidas sólo las fechas de nacimiento después del uno de enero de 1960, si en nuestra base de datos no está previsto que haya personas con fecha de nacimiento anterior a esa. El motor de datos se ocupará de controlar que en los atributos de las relaciones se incluyan sólo los valores permitidos por sus dominios. Característica fundamental de los dominios de una base de datos relacional es que sean "atómicos", es decir que los valores contenidos en las columnas no se puedan separar en valores de dominios más simples. Formalmente se dice que no es posible tener atributos multivalor. El grado de una relación es el número de atributos que contiene. El grado de una relación no cambia con frecuencia. La cardinalidad de una relación es el número de tuplas que contiene. Ya que en las relaciones se van insertando y borrando tuplas a menudo, la cardinalidad de las mismas varía constantemente. El esquema de la definición de la relación personas es la siguiente: Personas (nombre, apellido, fecha_nacimiento, sexo, estado_civil) Relación: Personas Atributos Tuplas Nombre Apellido Nacimient o Sexo Estado Civil Adrián Aguilar 15/06/1971 H Casado Hugo Balam 23/12/1969 H Viudo Carolina Cámara 02/10/1985 M Soltera Grado: 5 Cardinalidad: 3 Dominio Descripción: Nombres de alumnos del 3C de TIC Definición: 20 caracteres Dominio Descripción: Sexo de la persona Definición: 1 carácter; Rango H,M 3.2 PROPIEDADES DE LAS RELACIONES Las relaciones tienen las siguientes características: Cada relación tiene un nombre y éste es distinto del nombre de todas las demás. Materia: Base de Datos I Página 2

3 Los valores de los atributos son atómicos: en cada tupla, cada atributo toma un solo valor. No hay dos atributos dentro de la misma relación que se llamen igual. El orden de los atributos no importa: los atributos no están ordenados. Cada tupla es distinta de las demás: no hay tuplas duplicadas. El orden de las tuplas no importa: las tuplas no están ordenadas. 3.3 LLAVES Las tuplas en una relación son un conjunto en el sentido matemático del término, es decir una colección no ordenada de elementos diferentes. Para distinguir una tupla de otra, se recurre al concepto de "llave primaria", o sea a un conjunto de atributos que permiten identificar unívocamente una tupla en una relación. Naturalmente, en una relación puede haber más combinaciones de atributos que permitan identificar unívocamente una tupla ("llaves candidatas"), pero entre éstas se elegirá una sola para utilizar como llave primaria. Cuando una llave candidata está formada por más de un atributo, se dice que es una llave compuesta. Para identificar las llaves candidatas de una relación no hay que fijarse en un estado o instancia de la base de datos. El hecho de que en un momento dado no haya duplicados para un atributo o conjunto de atributos, no garantiza que los duplicados no sean posibles. Sin embargo, la presencia de duplicados en un estado de la base de datos sí es útil para demostrar que cierta combinación de atributos no es una llave candidata. El único modo de identificar las llaves candidatas es conociendo el significado real de los atributos, ya que esto permite saber si es posible que aparezcan duplicados. Sólo usando esta información semántica se puede saber con certeza si un conjunto de atributos forman una llave candidata. La llave primaria de una relación (PK, Primary Key) es aquella llave candidata que se escoge para identificar sus tuplas de modo único. Ya que una relación no tiene tuplas duplicadas, siempre hay una llave candidata y, por lo tanto, la relación siempre tiene llave primaria. En el peor caso, la llave primaria estará formada por todos los atributos de la relación, pero normalmente habrá un pequeño subconjunto de los atributos que haga esta función. Las llaves candidatas que no son escogidas como llave primaria son denominadas llaves alternativas. Materia: Base de Datos I Página 3

4 Una llave ajena (FK, Foreign Key) es un atributo o un conjunto de atributos de una relación cuyos valores coinciden con los valores de la llave primaria de alguna otra relación (puede ser la misma). Las llaves ajenas representan relaciones entre datos. Se dice que un valor de llave ajena representa una referencia a la tupla que contiene el mismo valor en su llave primaria (tupla referenciada). Ejercicio: identificar llaves candidatas, primarias y foráneas para el siguiente esquema. Esquema de BD: alumnos Alumnos(matricula, nombre, apellido, fecha_nacimiento, rfc) Materias(clave_materia, materia, numero_unidades) Calificaciones(matricula, clave_materia, calificacion) 3.4 REGLAS DE INTEGRIDAD Una vez definida la estructura de datos del modelo relacional, pasamos a estudiar las reglas de integridad que los datos almacenados en dicha estructura deben cumplir para garantizar que son correctos. Al definir cada atributo sobre un dominio se impone una restricción sobre el conjunto de valores permitidos para cada atributo. A este tipo de restricciones se les denomina restricciones de dominios. Hay además dos reglas de integridad muy importantes que son restricciones que se deben cumplir en todas las bases de datos relacionales y en todos sus estados o instancias (las reglas se deben cumplir todo el tiempo). Estas reglas son la regla de integridad de entidades y la regla de integridad referencial. Antes de definirlas, es preciso conocer el concepto de nulo. Nulos Cuando en una tupla un atributo es desconocido, se dice que es nulo. Un nulo no representa el valor cero ni la cadena vacía, éstos son valores que tienen significado. El nulo implica ausencia de información, bien porque al insertar la tupla se desconocía el valor del atributo, o bien porque para dicha tupla el atributo no tiene sentido. Ya que los nulos no son valores, deben tratarse de modo diferente, lo que causa problemas de implementación. De hecho, no todos los SGBD relacionales soportan los nulos. Regla de integridad de entidades La primera regla de integridad se aplica a las llaves primarias de las relaciones base: ninguno de los atributos que componen la llave primaria puede ser nulo. Por definición, una llave primaria es un identificador irreducible que se utiliza para identificar de modo único las tuplas. Que es irreducible Materia: Base de Datos I Página 4

5 significa que ningún subconjunto de la llave primaria sirve para identificar las tuplas de modo único. Si se permite que parte de la llave primaria sea nula, se está diciendo que no todos sus atributos son necesarios para distinguir las tuplas, con lo que se contradice la irreducibilidad. Nótese que esta regla sólo se aplica a las relaciones base y a las llaves primarias, no a las llaves alternativas. Regla de integridad referencial La segunda regla de integridad se aplica a las llaves ajenas: si en una relación hay alguna llave ajena, sus valores deben coincidir con valores de la llave primaria a la que hace referencia, o bien, deben ser completamente nulos. La regla de integridad referencial se enmarca en términos de estados de la base de datos: indica lo que es un estado ilegal, pero no dice cómo puede evitarse. La cuestión es qué hacer si estando en un estado legal, llega una petición para realizar una operación que conduce a un estado ilegal? Existen dos opciones: rechazar la operación, o bien aceptar la operación y realizar operaciones adicionales compensatorias que conduzcan a un estado legal. Por lo tanto, para cada llave ajena de la base de datos habrá que contestar a tres preguntas: Regla de los nulos: Tiene sentido que la llave ajena acepte nulos? Regla de borrado: Qué ocurre si se intenta borrar la tupla referenciada por la llave ajena? Restringir: no se permite borrar la tupla referenciada. Propagar (cascada): se borra la tupla referenciada y se propaga el borrado a las tuplas que la referencian mediante la llave ajena. Anular: se borra la tupla referenciada y las tuplas que la referenciaban ponen a nulo la llave ajena (sólo si acepta nulos). Regla de modificación: Qué ocurre si se intenta modificar el valor de la llave primaria de la tupla referenciada por la llave ajena? Restringir: no se permite modificar el valor de la llave primaria de la tupla referenciada. Propagar (cascada): se modifica el valor de la llave primaria de la tupla referenciada y se propaga la modificación a las tuplas que la referencian mediante la llave ajena. Anular: se modifica la tupla referenciada y las tuplas que la referenciaban ponen a nulo la llave ajena (sólo si acepta nulos). Materia: Base de Datos I Página 5

6 Reglas de negocio Además de las dos reglas de integridad anteriores, los usuarios o los administradores de la base de datos pueden imponer ciertas restricciones específicas sobre los datos, denominadas reglas de negocio. Por ejemplo, si en una oficina de la empresa inmobiliaria sólo puede haber hasta veinte empleados, el SGBD debe dar la posibilidad al usuario de definir una regla al respecto y debe hacerla respetar. En este caso, no debería permitir dar de alta un empleado en una oficina que ya tiene los veinte permitidos. Hoy en día aún existen SGBD relacionales que no permiten definir este tipo de restricciones ni las hacen respetar. Ejercicio: Basándote en el esquema de la BD alumnos, identifica qué reglas de integridad referencial aplicarías en los siguientes casos, para conservar la integridad de los datos almacenados. Relaciones / Acciones Eliminar Modificar Alumnos Calificaciones Materias - Calificaciones 3.5 TRANSFORMACION DE E-R A MODELO RELACIONAL Se comienza con un modelo E-R porque es más fácil de diseñar, solo tiene dos conceptos: entidad y relación. Tomando el siguiente diagrama E-R de la BD Préstamos, se realizará el esquema del modelo relacional a medida que se definan las reglas de transformación. Materia: Base de Datos I Página 6

7 Reglas para transformar un conjunto de entidades 1. Cada entidad se transforma en una única tabla. 2. Cada columna de una tabla corresponde con un atributo de la entidad transformada (agregando llaves donde sea necesario). 3. El identificador se transforma en la llave primaria de la tabla. Esquema BD: Préstamos Clientes (número, nombre, calle) Préstamos (número, cantidad) 4. Un conjunto de entidades débiles se transforma en una tabla que incluye una columna para la clave primaria que identifica al conjunto de entidades fuertes. Esquema BD: Préstamos Clientes (número, nombre, calle) Préstamos (número, cantidad) Pago-Préstamos (número-préstamo, número-pago, cantidad) Reglas para transformar un conjunto de relaciones 1. Cada relación se transforma en una tabla cuyos atributos son las claves de las entidades participantes. Esquema BD: Préstamos Clientes (número, nombre, calle) Préstamos (número, cantidad) Pago-Préstamos (número-préstamo, número-pago, cantidad) Tener (número-cliente, número-cuenta, fecha-apertura) 2. En ocasiones, una relación uno muchos o muchos-uno, es posible combinarla. Proceso de absorción de claves: La clave de la tabla países pasa a ser un atributo de la tabla ciudades. Esquema BD: Países Países (clave-país, nombre-país) Ciudades (clave-ciudad, clave-país, nombre-ciudad) 3. La tabla correspondiente a la relación que enlaza un conjunto de entidades débiles con su conjunto de entidades fuertes contiene información redundante, no se transforma. Materia: Base de Datos I Página 7

8 3.6 EJEMPLOS DE TRANSFORMACION DE DIAGRAMAS DEL MODELO ER A ESQUEMAS DEL MODELO RELACIONAL Ejemplo 1 Paso 1: Se agregan identificadores donde sea necesario Paso 2: Basándose en las reglas para transformar entidades y relaciones, obtenemos el siguiente esquema. Película (ID_Película, Nombre, Año) Actor (ID_Actor, Nombre, Apellido) Estudio (ID_Estudio, nombre) Actúa (ID_Actor, ID_Película) Produce (ID_Película, ID_Estudio) El esquema también puede quedar de la siguiente manera al combinar la relación uno a muchos. Estudio (ID_Estudio, nombre) Actor (ID_Actor, Nombre, Apellido) Actúa (ID_Actor, ID_Película) Película (ID_Película, Nombre, Año, ID_Estudio) Materia: Base de Datos I Página 8

9 Ejemplo 2 Propietario (IDp, Nombre) Vehículo (IDv, Matrícula) Dueño (IDv, IDp) Bus (IDv, Pasajeros) Camión (IDv, Ejes) Coche (IDv) Materia: Base de Datos I Página 9