Base de données. Le modèle relationnel

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1 Base de données Modèle relationnel 1 est créé par Edgar Frank Codd et présenté en Après quelques années, le modèle est développé. Dès lors, les BDR deviennent progressivement les SGBD les plus répandus. L intention du modèle relationnel (MR) est de créer une méthode déclarative (non procédurale) permettant de spécifier l organisation des données ainsi que les moyens d y accéder. C est le langage SQL qui permet de donner naissance au MR en ce sens. est basé sur la notion d ensemble utilisant l algèbre relationnel ainsi que le calcul relationnel. 2 1

2 Définition Dans le MR, la notion d ensemble se présente sous la forme de relation. Le MR est très simple puisqu il est constitué d une seul élément : la relation. Une relation est définie ainsi : elle porte un nom; elle est composé d attribut(s) nommé(s) ayant différentes contraintes; elle est constitué de tuple(s). Les liens existants entre les relations se font par le concept de clé étrangère. Toutes les opérations du MR utilisent des relation (en entrée et en sortie). 3 Définition Les attributs définissent la structure de la relation. Les tuples correspondent aux données de la relation. Chacun décrit un enregistrement unique. On représente généralement la relation par une table où : les colonnes correspondent aux attributs; les lignes correspondent aux tuples. 4 2

3 Définition relation table nom de la relation nom de la table enregistrement Individu Prénom Courriel Wong Tony Cheriet Mohamed Sabourin Robert tuple ligne attribut colonne 5 Contraintes Il existe plusieurs formes de contraintes : les contraintes sur les attributs; les contraintes sur les tuples; les contraintes sur les valeurs; les contraintes d intégrité; les contraintes sur la base de données. 6 3

4 Contraintes sur les attributs Chaque relation possède un nombre fini d attributs : N a 1 Chaque attribut est associé à un domaine de valeur déterminé par le concepteur : A i D i D i est généralement constitué de 2 parties : type (obligatoire); contraintes supplémentaires (optionnelles). On dit d une relation qu elle porte le degré du nombre d attribut(s) qu elle possède. Ainsi, une relation de degré 2 possède 2 attributs, une relation de degré 3 possède 3 attributs et ainsi de suite. 7 Contraintes sur les tuples Chaque relation possède un nombre fini de tuple : N t 0 si N t = 0 la relation est vide Un tuple t j est composé de i valeurs correspondant aux i attributs définis : T j = { v 1, v 2, v 3,, v i } { D 1, D 2, D 3,, D i } Formellement, la relation ne peut avoir deux tuples identiques. ce qui n est pas vrai en fait 8 4

5 Contraintes sur les valeurs La valeur d un attribut doit respecter le domaine défini : v ji D i Chaque valeur doit être atomique : v ji { x } v ji peut posséder une valeur nulle ayant deux interprétations possibles : aucune valeur applicable (la date de mariage d une personne célibataire); aucune valeur connue (date de naissance inconnue). 9 Contraintes d intégrité Il existe trois contraintes d intégrité : intégrité de domaine; intégrité d enregistrement; intégrité référentielle. Il est important de comprendre que les SGBD modernes ont plusieurs outils permettant d assurer cet aspect fondamental des BDR. L intégrité de domaine correspond aux contraintes sur les valeurs : valeur correspondant au domaine défini; valeur atomique. 10 5

6 Contraintes d intégrité Intégrité d enregistrement : chaque relation doit posséder une clé primaire définie par un ou plusieurs attributs; chaque tuple doit avoir une valeur unique de clé primaire; une clé primaire ne peut être nulle. Intégrité référentielle : chaque clé étrangère doit posséder l un de ces deux états : la valeur de la clé primaire du tuple lié; la valeur nulle s il n existe pas de liaison pour ce tuple. 11 Contraintes sur la BDR Une base de données relationnelle (BDR) est constituée d un regroupement de plusieurs relations : N r 1 Chaque relation doit avoir un nom unique. Finalement, le concepteur doit éviter la redondance d information en créant une seule entrée du même enregistrement dans tout le système. 12 6

7 Représentation de la BDR On représente graphiquement les BDR par : le schéma relationnel; Le diagramme du schéma relationnel. 13 Schéma relationnel Le schéma relationnel consiste à illustrer de façon compact une BDR. Les règles d affichage sont : on représente les relations par leur nom; on enchaine par la liste d attribut(s) mis entre parenthèses; les attributs liés à la clé primaire sont soulignés. Par exemple : Individu (, Prénom, DateNaissance,, Courriel) Cours (Sigle,, Description, brecrédit) 14 7

8 Diagramme du schéma relationnel Le diagramme du schéma relationnel consiste à illustrer une BDR sous forme de tabloïde. Il permet de représenter autant la structure qu un exemple d instance. Les règles d affichage sont : on représente les relations par un tableau au-dessus duquel on appose le nom; sur la première ligne, on met dans chaque cellule le nom des attributs; les attributs liés à la clé primaire sont soulignés; si seulement la structure est présente, on ajoute généralement une deuxième ligne vide; pour représenter une instance, on ajoute plusieurs lignes dans lesquelles on met les valeurs mises en exemple; on représente généralement les clés étrangères par une flèche indiquant les liens. 15 Diagramme du schéma relationnel relation Individu relation Département représentation structurelle Individu Prénom Courriel Departement Département Sigle représentation structurelle avec un exemple d instance Individu Prénom Courriel Wong Tony tw@ets.ca Cheriet Mohamed mc@ets.ca Departement GPA GPA Département Sigle ELE GPA Génie électrique Génie de la production automatisée Champliaud Henri hc@ets.ca MEC MEC Génie mécanique 16 8

9 Impacts du modèle Suivant le dernier exemple, on pourrait être tenté de tout simplifier en mettant toutes les données dans une seule relation. Comme ceci : Individu Prénom Courriel Wong Tony tw@ets.ca Cheriet Mohamed mc@ets.ca Champliaud Henri hc@ets.ca SigleDepart Toutefois, l usage correct du MR permet de nombreux avantages en évitant certains pièges comme le montre cet exemple. GPA GPA MEC Departement Génie de la production automatisée Génie de la production automatisée Génie mécanique 17 Impacts du modèle L exemple précédent montre plusieurs problématiques : perte de l espace mémoire : répétition du nom de département pour chaque instance; difficulté de mise à jour, donc difficulté de maintenir et garantir l intégrité d enregistrement : si un département change de nom, il faut s assurer que toutes les instances sont modifiées; insertion massif de valeurs nulles dès qu une insertion est faite pour une partie des données : un individu n ayant pas été assigné à un département par exemple. Ainsi, en ayant deux relations distinctes, il est possible de dissocier les «objets» du monde réel et de les manipuler plus efficacement. 18 9

10 Transformation : modèle EA vers MR Tous les éléments présentés pour les modèle EA et EAE peuvent être transformés vers le MR. Néanmoins, la transformation ne garantie pas une forme optimale du MR. Si le modèle de base présente déjà des lacunes de conception, il est probable que ces dernières se propagent dans le MR. Attention, ces lacunes ne sont pas nécessairement due à une mauvaise modélisation mais souvent à un choix non optimal en fonction du contexte. L étape finale de normalisation permettra de faire cette optimisation. 19 Étapes de transformation 1.entités fortes et faibles; 2.attributs participant à la clé primaire; 3.attributs simples, dérivés et obligatoires; 4.attributs composites; 5.relations binaires 1:1; 6.relations binaires 1:N; 7.relations binaires M:N; 8.relations ternaires; 9.attributs multivalués; 10.association d identification; 20 10

11 Étape 1 : Transformation des entités fortes et faibles les entités deviennent directement des relations dans le modèle relationnel; le nom des relations est le nom des entités; dans le MR, il n existe aucune différence entre les deux types d entités. abc entité forte abc relation def entité faible def relation 21 Étape 2 : Transformation des attributs participant à la clé primaire un attribut participant à la clé primaire devient un attributs équivalent; le nom reste le même. attribut participant à la clé primaire def abc abc def attribut participant à la clé primaire 22 11

12 attribut composite Étape 3 : Transformation des attribut simples, dérivés ou obligatoires un attribut simple, dérivé ou obligatoire devient un attribut dans le MR; les noms restent les mêmes; Les attributs dérivés et obligatoires posséderont d autres particularités lors de l implémentation. attribut simple def abc abc def ghi jkl - ghi jkl attribut obligatoire attribut dérivé attributs 23 Étapes 4 : Transformation des attributs composites un attribut composite est décomposé en attribut dans le MR de façon à représenter tous les constituants du dernier niveau hiérarchique; il est d usage courant de nommer les nouveaux attributs avec une contraction des constituants hiérarchiques du modèle EA. abc abc abc_def abc_ghi abc_klm - def abc ghi attributs issus de la décomposition klm 24 12

13 Étapes 5 : Transformation des relations binaires 1:1 Trois approches peuvent être envisagées : 1. fusionner les deux entités vers une relation du MR (fusion); 2. créer une clé étrangère à l intérieur d une relation du MR vers la clé primaire de l autre (clé étrangère); 3. créer une troisième relation dans le MR afin de lier les deux participant (relation d association). Selon le contexte, certaines approches ne sont pas possibles. De plus, certaines pratiques sont recommandées alors que d autres non. 25 Approche 1 : fusion des deux entités afin de créer une relation dans le MR on identifie les entités selon A et B en fonction de leur contrainte de participation à la relation : participation totale des deux côtés : A est l entité la plus significative alors que B est l entité la moins significative; participation totale du côté de l entité B et participation partielle du côté de l entité A (non recommandée); participation partielle des deux côtés : A est l entité la plus significative alors que B est l entité la moins significative (non recommandée). la relation B du MR disparaît et transfert tous ses attributs vers la relation A; 26 13

14 Approche 1 : fusion des deux entités afin de créer une relation dans le MR les attributs participant à la clé primaire de B deviennent des attributs standards de A (sauf pour les identificateurs numériques arbitraires qui disparaissent); si un même attribut existe dans les deux entités, un seul exemplaire est préservé; cette approche est impossible avec les relations binaire 1:1 récursive. 27 Approche 1 : fusion des deux entités afin de créer une relation dans le MR Id No civique Réside Adresse Rue Ville NoCivique Rue Ville 28 14

15 Approche 2 : création d une clé étrangère on identifie les entités selon A et B en fonction de leur contrainte de participation à la relation : participation totale des deux côtés : A est l entité la plus significative alors que B est l entité la moins significative; participation totale du côté de l entité A et participation partielle du côté de l entité B; participation partielle des deux côtés : A est l entité la plus significative alors que B est l entité la moins significative (non recommandée). on ajoute une clé étrangère à la relation A du MR vers la clé primaire de la relation B. 29 Approche 2 : création d une clé étrangère Professeur Supervise Département Sigle Professeur Département Sigle Superviseur 30 15

16 Approche 3 : relation d association on crée une troisième relation dans le MR; cette relation est possède comme attribut deux clés étrangères vers chacune des clés primaires de chaque relation liée; un discriminant supplémentaire peut être nécessaire; évites les valeurs nulles lorsque les contraintes de participation sont partielles. 31 Approche 3 : relation d association Sigle Cours Supervise exam Surveillant Cours SurvExam Surveillant Sigle SigleCours Surveillant 32 16

17 Validation des trois approches : Situation Fusion Clé étrangère Relation d associa. Les entités sont intimement liées (l un est une précision de l autre) oui peut oui oui oui non Les entités représentent des objets différents dans le monde réelle oui non oui oui oui non Les deux contraintes de participation sont totales oui peut oui oui oui non Une contrainte de participation est totale et l autre partielle oui non oui oui oui non Les deux contraintes de participation sont partielles oui non oui non oui oui Au moins une entité possède plusieurs relation vers d autres entités non non oui oui oui non Les entités liées sont très sollicitées (soucis de performance) oui oui oui non oui non Légende : possible recommandée 33 Étapes 6 : Transformation des relations binaires 1:N Deux approches peuvent être envisagées : 1. créer une clé étrangère dans la relation du MR de l entité de cardinalité 1 vers la clé primaire de l entité de cardinalité N (clé étrangère); 2. créer une troisième relation dans le MR afin de lier les deux participant (relation d association). Encore une fois, c est le contexte qui guidera la solution

18 Approche 1 : création d une clé étrangère N Inscrit Département Sigle Département SigleDep Sigle 35 Approche 2 : relation d association Sigle Cours N Inscrit Département Sigle Cours CoursDep Département Sigle Cours Departement Sigle 36 18

19 Validation des deux approches : Situation Clé étrangère Relation d associa. L entité de cardinalité 1 est de participation totale oui oui oui non L entité de cardinalité 1 est de participation partielle oui peut oui oui Les entités liées sont très sollicitées (soucis de performance) oui oui oui non Légende : possible recommandée 37 Étapes 7 : Transformation des relations binaires M:N Une seule approche peut être envisagée : créer une troisième relation dans le MR afin de lier les deux participant (relation d association). Sigle 0..N Inscrit 0..N Cours CoursEtu Cours Etudiant Cours Sigle 38 19

20 Pour les étapes 4 à 6 (relation binaire 1:1, 1:N et M:N), il faut aussi considérer l ajout des attribut de relation du modèle EA. L idée est relativement simple, on suit les mêmes règles que celles présentées concernant la nature des transformations sur chaque type d attribut possible. Lors des différentes transformations, les attributs se trouvent au même endroit que les liens de ces relations. 39 Date de début Professeur Supervise Département Sigle Professeur Département Sigle Superviseur DateDebutSup 40 20

21 Sigle Cours Date de création N Inscrit Département Sigle Cours CoursDep Département Sigle Cours Departement DateCreation Sigle 41 Étapes 8 : Transformation des relations ternaires et généralisées (version simple) Hors cours 42 21

22 Étapes 9 : Transformation des attributs multivalués Deux solution se présentent : 1. ajout d un nombre fixe d attributs; 2. création d une relation supplémentaire possédant une clé étrangère vers la relation courante. C est le concepteur qui devrai faire le compromis le plus pertinent pour son application. Si le nombre de valeur possible est faible et stable, la première solution peut être la plus intéressante mais on privilégie plus souvent la deuxième. 43 Approche 1 : ajout d un nombre fixe d attributs on tente de déterminer le nombre maximum de valeurs différentes possibles; on ajoute autant d attributs qu identifiés. attribut multivalué def abc abc def1 def2 def3 - attributs accueillant les valeurs possible de l attribut principal 44 22

23 Approche 2 : création d une relation supplémentaire dans le MR, on crée une relation étrangère ayant au moins un attribut standard ayant le nom de l attribut multivalué; on ajoute une clé étrangère dans la nouvelle relation vers la clé primaire de la relation initiale. Courriel Courriel Id Courriel 45 Étapes 10 : Transformation des association d identification (relation des entités faibles) Dans le MR, on ajoute une clé étrangère dans l entités faible vers la clé primaire de l entité forte. La clé primaire devient la combinaison de l identifiant et de la clé étrangère

24 Étapes 10 : Insertion des association d identification Employé 0..N A des 1..1 dép. Dépendant Lien Employé Dépendant Employe Lien 47 Étapes de transformation (suite pour EAE) 11.généralisation et spécialisation; 12.catégorisation; 13.agrégation

25 Étapes 11 : Transformation des généralisations et spécialisations On peut rappeler que la notion d héritage implique que les enfants ont toujours un lien vers un parent alors que l inverse n est pas nécessairement vrai. On peut dire qu il y a un lien étroit entre une relation binaire de type 1:1 et certaines situations d héritage. du point de vue de l enfant, la situation est identique; du point de vue du parent, la situation est différente car l enfant peut être multiple. Il existe cinq méthodes de transformation qui s appliquent selon le contexte. 49 Il existe quatre types de transformation de base liés à l héritage : méthode 1 multiples relations (parents et enfants); méthode 2 multiples relations (enfants seulement); méthode 3 une seule relation (une seule spécialisation); méthode 4 une seule relation (plusieurs spécialisations). C est le contexte qui permet de préciser quelle est la solution à utiliser

26 Méthode 1 multiples relations (parents et enfants) dans le MR, on crée autant de relation qu identifiée dans le modèle EAE; les relations enfants possèdent une clé étrangère vers la clé primaire du parent; cette clé étrangère est aussi la clé primaire. Cette méthode préserve entièrement la modularité de la modélisation. 51 Individu Individu Employé Salaire d CodePerma Salaire Employé Code permanent Date de visite Visiteur Visiteur DateVisite 52 26

27 Méthode 2 multiples relations (enfants seulement) dans le MR, on crée autant de relation que d enfants identifiés dans le modèle EAE; la relation parent est fusionnée pour chacun des enfants; la clé primaire de la relation est celle définie dans le parent. Cette méthode ne préserve pas complètement la modularité de la modélisation. Elle reste tout de même efficace sans redondance et espaces réservés inutilement. 53 Individu Employé Salaire d CodePerma Salaire Employé Code permanent Date de visite Visiteur Visiteur DateVisite 54 27

28 Méthode 3 une seule relation (une seule spécialisation) dans le MR, on crée une relation faisant la fusion de tous les attributs du parent et des enfants; la clé primaire de la relation est celle définie par le parent; on ajoute un attribut permettant de spécifier la spécialisation active. Cette méthode ne préserve pas complètement la modularité de la modélisation. Elle peut générer un grand nombre de valeurs mises à nulle. 55 Individu d Employé Visiteur Salaire Code permanent Date de visite Individu TypeIndividu Salaire CodePerma DateVisite 56 28

29 Méthode 4 une seule relation (plusieurs spécialisations) dans le MR, on crée une relation faisant la fusion de tous les attributs du parent et des enfants; la clé primaire de la relation est celle définie par le parent; pour chacun des enfants, on ajoute un attribut permettant de définir un état d activation (vrai/faux). Cette méthode ne préserve pas complètement la modularité de la modélisation. Elle peut générer un nombre variable de valeurs mises à nulle. 57 Individu r Employé Visiteur Salaire Code permanent Date de visite Individu TypeIndividu EstEmploye Salaire EstEtudiant CodePerma EstVisiteur DateVisite 58 29

30 Héritage multiple L héritage multiple peut devenir un problème difficile à résoudre dans certains cas. D ailleurs, plusieurs langages de programmation l interdisent et ceux qui le permettent font souvent plusieurs mises en garde sur son usage. Le premier problème est la présence d attributs ayant le même nom ou le même sens. Si un même nom est utilisé, un changement de nom est requis. Il est d usage courant de faire une contraction du nom de la relation et de l attribut afin de lever l ambiguïté. Lorsque deux attributs ont le même sens et décrivent le même objet du monde réel, on ne garde qu un seul des attributs lors des méthodes de fusion. 59 L héritage multiple à un niveau est relativement simple et peut se traduire par chacune des techniques vues précédemment. L héritage multiple à plusieurs niveaux divergents présentent les mêmes défis que l héritage multiple à un niveau. Individu d Club étudiant d Employé Visiteur Gestionnaire Gestionnaire Responsable du club 60 30

31 L héritage multiple convergent à plus d un niveau doit partager la même clé primaire pour chacun des niveaux jusqu au point de convergence. Or les SGBDR gère les contraintes d intégrité référentielle selon un schéma binaire et ne permettent pas de définir une clé étrangère vers plusieurs relations différentes.* Ce type d héritage est plus difficile à mettre en place car il requiert l usage des méthodes 3 et 4 sur plusieurs niveaux. Gestionnaire Employé Individu r Visiteur Directeur de département 61 Catégorisation La catégorisation est possible par l usage d une relation substitut qui permet de faire le lien entre l enfant et le parent. dans le MR, on crée autant de relations que de parents et une relation pour l enfant; pour la relation enfant, on crée une clé primaire substitut; on définie ensuite une clé étrangère pour chaque parent vers la clé primaire de l enfant; cette clé étrangère devient la clé primaire de la catégorie

32 Individu Citoyen canadien Ville de naissance étranger Pays d'origine Date de résidence Résident permanent Citoyen VilleNaissance Étranger c PaysOrigine Individu RésidentPerm DateRés 63 Agrégation Il existe plusieurs formes d agrégation. La forme simple déjà vue est transformée par l usage d une relation d association. on débute la transformation de l agrégation en utilisant une relation d association dans le MR pour la relation interne du modèle EA; on utilise cette relation du MR pour joindre la partie externe et pratiquant une transformation conventionnelle. Plusieurs alternatives sont possibles selon le contexte, la nature de l agrégation et les ratios de cardinalité

33 est supporté par (0, N) Employé Supporte supporte (0, 3) Tuteur Employé Tuteur rédaction d un rapport (1, 1) ActeTutorat Employé NoRapport Tuteur Rédaction documentation d un acte de tutorat (1, 1) Rapport No Date Détail Rapport 65 33