[데이터베이스 개론과 실습] Ch2. 관계 데이터 모델

관계 데이터 모델의 개념

1. 릴레이션 : 행과 열로 구성된 테이블입니다. 스키마와 인스턴스로 이루어져있습니다.
2. 스키마 : 릴레이션에 어떤 정보가 담길지 정의합니다. 각 열을 속성이라고 합니다.
   • 속성 : 릴레이션 스키마의 열
   • 도메인 : 속성이가질 수 있는 값의 집합 (1 보다 큰 정수의 집합 등)
   • 차수 : 속성의 개수
3. 인스턴스 : 릴레이션 스키마에 실제 저장된 데이터의 집합입니다.
   • 투플 : 릴레이션의 행
   • 카디날리티 : 투플의 수

​ 관계 데이터 모델은 데이터를 2차원 테이블 형태인 릴레이션으로 표현하며, 릴레이션에 대한 제약조건(constraints) 과 관계 연산을 위한 관계대수(relational algebra) 를 정의합니다. 이러한 관계 데이터 모델을 컴퓨터 시스템에 구현한 것을 관계 데이터베이스 시스템이라고 합니다.

무결성 제약조건

​ 데이터를 저장하는 데 있어서 DB 는 일관성을 유지하고 중복을 제거하는 등 데이터 신뢰도를 유지해야 합니다. 따라서 삽입, 삭제, 수정 시 여러가지 제약조건이 따릅니다.

키

슈퍼키(super key)

​ 슈퍼키는 튜플을 유일하게 식별할 수 있는 하나의 속성 혹은 속성의 집합입니다. 두 개 이상의 속성을 조합한 것도 슈퍼키입니다.

후보키(candidate key)

​ 튜플을 유일하게 식별할 수 있는 속성의 최소 집합입니다. 예를 들어서 (주민번호, 이름) 은 슈퍼키지만 후보키는 아닙니다. 주민번호만으로도 유일하게 식별할 수 있기 때문입니다. 기본키로 선정되지 않은 후보키는 대체키입니다.

기본키(primary key)

​ 여러 후보키 중 하나를 선정하여 대표로 삼는 키를 말합니다.

대리키(surrogate key)

​ 일련번호 같은 가상의 속성을 만들어 기본키로 활용하는 키입니다. id 를 임의로 1, 2, 3, … 과 같이 붙이는 것을 의미합니다.

외래키(foreign key)

​ 다른 릴레이션의 기본키를 참조하는 속성을 말합니다. 기본키가 변경되면 이 기본키를 참조하는 외래키 값 역시 변경되어서 데이터 일관성을 유지해야 합니다. 외래키는 NULL 값을 포함할 수 있고 중복값도 허용합니다. 이 때 참조하는 릴레이션과 참조되는 릴레이션이 꼭 다른 릴레이션일 필요는 없습니다.

무결성 제약 조건

​ 무결성 제약조건에는 튜플에 삽입 가능한 데이터의 값을 제한하는 도메인 무결성 제약조건, 관계 데이터 모델의 핵심인 관계 표현을 위한 개체 무결성 제약조건, 참조 무결성 제약조건이 있습니다.

• 도메인 무결성 제약조건 : 도메인 제약이라고도 합니다. 릴레이션 내의 튜플들이 각 속성의 도메인에 지정된 값만을 가져야 한다는 조건입니다.
• 개체 무결성 제약조건 : 기본키 제약이라고도 합니다. 기본키는 NULL 값을 가져서는 안되며 릴레이션 내에 오직 하나의 값만 존재해야 한다는 조건입니다.
• 참조 무결성 제약조건 : 외래키 제약이라고도 합니다. 자식 릴레이션의 외래키는 부모 릴레이션의 기본키와 도메인이 동일해야 하며, 자식 릴레이션의 값이 변경될 때 부모 릴레이션의 제약을 받는다는 조건입니다.

UNIQUE 제약조건(유일성 제약조건)

실제 DBMS 에서는 UNIQUE 제약조건도 사용합니다. UNIQUE 제약조건은 속성의 모든 값들에 서로 같은 값이 없어야 한다는 것입니다. 이는 릴레이션 내의 각각의 튜플을 유일하게 식별할 수 있는 속성들의 집합으로 볼 수 있습니다.

참조 무결성 제약조건에 따른 삭제

​ 자식 릴레이션에서 튜플이 삭제되는 경우에는 바로 삭제할 수 있습니다. 하지만 부모 릴레이션의 튜플이 삭제되는 경우에 문제가 발생할 수 있고, DBMS 는 먼저 부모 릴레이션의 기본키를 참조하고 있는 다른 릴레이션이 없는지 확인해야 합니다. 그리고 있으면 조치방법으로 다음과 같은 네 가지를 고려할 수 있습니다.

• RESTRICTED : 즉시 작업을 중지
• CASCADE : 자식 릴레이션의 관련 튜플도 모두 삭제
• DEFAULT : 초기에 설정된 다른 어떤 값으로 변경
• NULL : NULL 값으로 설정

​ 이 때 수정도 비슷한 방식대로 일어나는데요. 수정은 삭제와 삽입 명령이 연속해서 수행된다고 보면 됩니다. 부모 릴레이션의 수정이 일어날 경우 삭제 옵션에 따라 처리된 후 다시 삽입 제약조건에 따라 처리됩니다. RDBMS 가 CASCADE UPDATE 옵션을 지원한다면 해당 옵션으로 기본키가 변경될 때 외래키도 함께 변경할 수 있습니다.

관계대수

​ 관계대수는 어떤 데이터를 어떻게 찾는지에 대한 처리 절차를 명시하는 절차적 언어로, DBMS 내부의 처리 언어로 사용됩니다.

관계대수 연산자

• 순수 관계 연산 : 셀렉션(selection), 프로젝션(projection), 조인(join), 디비전(division), 개명(rename)
• 일반 집합 연산 : 합집합(union), 차집합(difference), 교집합(intersection), 카티전 프로덕트(cartesian product)

관계대수식

​ 관계대수식은 관계대수 연산을 수행하기 위한 식입니다. 수학의 연산과 동일하게 괄호() 안의 식이 우선하며 왼쪽에서 오른쪽으로 진행됩니다.

• 단항 연산자 : $연산자_{<조건>}$ 릴레이션
• 이항 연산자 : 릴레이션1 $연산자_{조건}$ 릴레이션2

관계대수식의 결과는 릴레이션으로 반환되며, 릴레이션의 모든 특징을 따릅니다. 예를 들어 아래와 같은 R1, R2 릴레이션이 있습니다.

아래는 관계 대수식의 사용 예시입니다.

셀렉션과 프로젝션

​ 셀렉션과 프로젝션은 관계대수에서 가장 기본적인 연산으로, 단항 연산자이자 순수 관계 연산자입니다.

셀렉션

​ 셀렉션(selection) 은 릴레이션의 튜플을 추출하기 위한 연산입니다. AND(∧), OR(∨), NOT(ㄱ) 등의 논리 연산자를 사용하여 여러 개의 조건들을 하나의 조건으로 결합시킬 수도 있습니다.

• 판매 도서 중 8,000원 이하인 도서는? : $σ_{가격 < = 8000}$(도서)
• 판매 도서 중 가격이 8,000원 이하이고 도서번호가 3 이상인 도서는? : $σ_{가격 < = 8000∧도서번호 >= 3}$(도서)

프로젝션

​ 프로젝션(projection) 은 릴레이션의 속성을 추출하기 위한 단항 연산자입니다.

• 고객 테이블에서 (이름, 주소, 핸드폰) 만 추출하여 주소록 작성 : $π_{이름, 주소, 핸드폰}$(고객)

집합연산

​ 수학의 집합 연산과 같은 연산으로 합집합(U), 교집합(∩), 차집합(-), 카티전 프로덕트(X) 등이 있습니다. 이 중 카티전 프로덕트를 제외한 연산자는 두 릴레이션의 차수 및 도메인과 속성의 순서가 동일해야 합니다. 이 조건을 합병 가능(union compatible) 이라고 합니다.

합집합

차집합

교집합

카티전 프로덕트(일부 생략)

조인

​ 조인은 두 릴레이션의 공통 속성을 기준으로 속성값이 같은 튜플을 수평으로 결합하는 연산입니다. 즉, 두 릴레이션을 카티전 프로덕트 연산을 한 후 셀렉션 연산을 한 것으로 정의할 수 있습니다. 조인의 연산 기호는 ⋈ 입니다. 아래 식은 기본 연산자로 조인 연산을 표현한 것입니다.

R $⋈_c$S = $σ_c$(RXS) (c 는 조인 조건)

세타조인과 동등조인

​ 세타조인은 조인에 참여하는 두 릴레이션의 속성 값을 비교하여 조건을 만족하는 튜플만 반환합니다. 세타조인의 조건은 =, !=, <=, >=, <, > 중에 하나가 됩니다.

세타조인 : R $⋈_{r 조건 s}$S

​ 동등조인은 세타 조인에서 = 연산자를 사용한 조인을 말합니다. 보통 조인연산이라고 하면 동등조인을 말합니다.

동등조인 : R $⋈{r = s}$S (ex. 고객 $⋈{고객.고객번호 = 주문.고객번호}$주문)

자연조인

​ 자연조인은 동등조인에서 조인에 참여한 속성이 두 번 나오지 않도록 두 번째 속성을 제거한 결과를 반환합니다.

• 고객과 고객의 주문사항을 모두 보여주되 같은 속성은 한번만 표시 : 고객 $⋈_{N(고객.고객번호 = 주문.고객번호)}$주문

외부조인

​ 외부조인은 자연조인의 확장된 형태로, 값이 없는 대응 속성에는 NULL 값을 채워서 반환합니다. 외부조인은 모든 속성을 보여주는 기준 릴레이션의 위치에 따라 left 외부조인, right 외부조인, full 외부조인으로 나뉩니다. 기호는 각각 ⟕, ⟖, ⟗ 입니다. 아래는 왼쪽 외부조인의 예시입니다.

• 고객 기준으로 주문내역이 없는 고객도 모두 보이게 하기 : 고객 $⟕_{(고객.고객번호, 주문.고객번호)}$주문 (left outer join)
• 주문내역이 없는 고객과 고객번호가 없는 주문 모두 보이게 하기 : 고객 $⟗_{(고객.고객번호, 주문.고객번호)}$주문 (full outer join)
• 주문내역 기준으로 고객번호가 없는 주문도 모두 보이게 하기 : 고객 $⟖_{(고객.고객번호, 주문.고객번호)}$주문 (right outer join)

세미조인

​ 세미조인은 자연조인을 한 후 두 릴레이션 중 한쪽 릴레이션의 결과만 반환합니다. ⋉ 와 ⋊ 를 사용합니다. R$⋉_{(r,s)}$S 와 같이 사용합니다. 기호에서 닫힌 쪽 릴레이션 튜플만 반환합니다.

• 고객 릴레이션에서 주문 내역이 있는 고객의 고객정보 출력 : 고객$⋉_{(고객.고객번호, 주문.고객번호)}$주문

최초에는 자연조인처럼 6개의 튜플이 생성되지만 닫힌 쪽 릴레이션(고객 릴레이션) 만 반환되므로 동일한 튜플은 제거되고 3개만 남습니다.

디비전

​ 디비전은 다른 연산과 달리 릴레이션의 속성 값의 집합으로 연산을 수행합니다.

• R ÷ S1 : 릴레이션 R 에서 B 속성에 b1 튜플이 존재하는 속성 A = {s1, s2, s3, s4} 를 반환합니다.
• R ÷ S2 : 릴레이션 R 에서 B 속성에 {b1, b3} 가 모두 존재하는 A = {s1} 을 반환합니다.
• R ÷ S3 : 릴레이션 R 에서 B 속성에 {b1, b2, b4} 가 모두 존재하는 A = {s1, s2, s4} 를 반환합니다.

관계대수 예제

​ 관계대수식은 여러 연산자들을 복합하여 사용하는 경우가 많습니다.

셀렉션, 프로젝션, 집합 연산의 복합사용

카티전 프로덕트를 사용한 연산

문 : 서점의 박지성 고객의 거래 내역 중 주문번호, 이름, 가격을 보이시오.

1. 고객X주문 연산
2. 셀렉션 연산 (고객.고객번호=주문.고객번호 AND 고객.이름='박지성')
3. 프로젝션 연산(주문.주문번호, 고객.이름, 주문.판매가격)

조인을 사용한 연산

​ 위 질의를 조인을 사용하면 간결하게 표현할 수 있습니다.