[데이터베이스] 2장. 관계 데이터 모델과 제약조건

경희대학교 이영구 교수님의 데이터베이스 강의를 기반으로 정리한 글입니다.

2. 관계 데이터 모델과 제약조건

• 관계 데이터 모델은 지금까지 제안된 모델들 중 가장 개념이 단순한 데이터 모델의 하나
• IBM 연구소의 E.F. Codd가 1970년에 관계 데이터 모델 제안
• 관계 데이터 모델을 최초로 구현한 가장 중요한 관계 DBMS 시제품은 1970년대 IBM 연구소에서 개발된 System R
• 1980년대 후반부터 여러 가지 데이터 모델들이 새로 등장했지만 관계 DBMS는 여전히 가장 널리 사용되는 DBMS

관계 데이터 모델이 큰 성공을 거둔 요인

• 바탕이 되는 데이터 구조로서 간단한 테이블(릴레이션)을 사용
• 중첩된 복잡한 구조가 없음
• 집합 위주로 데이터를 처리
• 다른 데이터 모델에 비해 이론이 잘 정립되었음
• 관계 데이터베이스 설계와 효율적인 질의 처리 면에서 뛰어난 장점을 가짐
• 표준 데이터베이스 응용에 대해 좋은 성능을 보임
• 숙련되지 않은 사용자도 쉽게 이해할 수 있음

2.1 관계 데이터 모델의 개념

• 동일한 구조(릴레이션)의 관점에서 모든 데이터를 논리적으로 구성 → 논리적으로 연관된 데이터를 연결하기 위해서 링크나 포인터를 사용하지 않음
• 선언적인 질의어를 통한 데이터 접근 제공 → 사용자가 원하는 데이터(what)만 명시하고, 어떻게 데이터를 찾을 것인가(how)는 명시할 필요 없음 → 응용 프로그램들은 데이터베이스 내의 레코드들의 어떠한 순서와도 무관하게 작성됨

기본적인 용어

• 릴레이션(relation): 2차원의 테이블
• 레코드(record): 릴레이션의 각 행
• 투플(tuple): 레코드를 좀 더 공식적으로 부르는 용어
• 애트리뷰트(attribute): 릴레이션에서 이름을 가진 하나의 열

도메인(domain)

• 한 애트리뷰트에 나타날 수 있는 값들의 집합
• 각 애트리뷰트의 도메인의 값들은 원자값
• 프로그래밍 언어의 데이터 타입과 유사함
• 동일한 도메인이 여러 애트리뷰트에서 사용될 수 있음
• 복합 애트리뷰트나 다치(multivalued) 애트리뷰트는 허용되지 않음
• 도메인 정의

CREATE DOMAIN EMPNAME CHAR(10)
CREATE DOMAIN EMPNO INTEGER
CREATE DOMAIN DNO INTEGER

차수(degree)

• 한 릴레이션에 들어 있는 애트리뷰트들의 수
• 유효한 릴레이션의 최소 차수는 1
• 릴레이션의 차수는 자주 바뀌지 않음

카디날리티(cardinality)

• 릴레이션의 투플 수
• 유효한 릴레이션은 카디날리티 0을 가질 수 있음
• 릴레이션의 카디날리티는 시간이 지남에 따라 계속해서 변함

널값(null value)

• ‘알려지지 않음’ or ‘적용할 수 없음’을 나타내기 위해 널값을 사용
• ex) 사원 릴레이션에 새로운 사원에 관한 투플을 입력 → 신입 사원의 DNO(부서번호)가 결정되지 않았을 수 있음
• 널값은 숫자 도메인의 0이나 문자열 도메인의 공백 문자 or 공백 문자열과 다름
• DBMS들마다 널값을 나타내기 위해 서로 다른 기호를 사용함

릴레이션 스키마(relation schema)

• 릴레이션의 이름과 릴레이션의 애트리뷰트들의 집합
• 릴레이션을 위한 틀(framework)
• 표기법
• 릴레이션이름(애트리뷰트1, 애트리뷰트2, … 애트리뷰트N)
• 기본 키 애트리뷰트에는 밑줄 표시
• **내포(intension)**라고 함

릴레이션 인스턴스(relation instance)

• 릴레이션의 어느 시점에 들어 있는 투플들의 집합
• 시간의 흐름에 따라 계속 변함
• 일반적으로 릴레이션에는 현재의 인스턴스만 저장됨
• **외연(extension)**이라고 함

관계 데이터베이스(relational database) 스키마

• 하나 이상의 릴레이션 스키마들로 이루어짐
• 릴레이션 스키마들을 모아놓은 것

관계 데이터베이스 인스턴스

• 릴레이션 인스턴스들의 모임으로 구성됨
• 릴레이션 인스턴스들을 모아놓은 것

2.2 릴레이션의 특성

릴레이션

• 투플들의 집합

릴레이션의 특성

• 각 릴레이션은 오직 하나의 레코드 타입만 포함
• 한 애트리뷰트 내의 값들은 모두 같은 유형
• 애트리뷰트들의 순서는 중요하지 않음
• 동일한 투플이 두 개 이상 존재하지 않음 → 키가 존재
• 한 투플의 각 애트리뷰트는 원자값을 가짐

• 각 애트리뷰트의 이름은 한 릴레이션 내에서만 고유
• 투플의 순서는 중요하지 않음

2. 3 릴레이션의 키

• 각 투플을 고유하게 식별할 수 있는 하나 이상의 애트리뷰트들의 모임
• 수퍼 키(super key), 후보 키(candidate key), 기본 키(primary key), 대체 키(alternate key), 외래 키(foreign key)

수퍼 키(super key)

• 한 릴레이션 내의 특정 투플들을 고유하게 식별하는 하나의 애트리뷰트 또는 애트리뷰트들의 집합
• ex) 신용카드 회사의 고객 릴레이션에서 (신용카드번호, 주소) 또는 (주민등록번호, 이름) 또는 (주민등록번호)
• 투플들을 고유하게 식별하는데 꼭 필요하지 않은 애트리뷰트들을 포함할 수 있음

후보 키(candidate key)

• 각 투플을 고유하게 식별하는 최소한의 애트리뷰트들의 모임
• ex) (신용카드번호, 주소)는 신용카드 회사의 고객 릴레이션의 후보 키가 아니지만 (신용카드번호)는 후보 키
• 모든 릴레이션에는 최소한 한 개 이상의 후보 키가 있음
• 후보 키도 두 개 이상의 애트리뷰트로 이루어질 수 있으며 이런 경우에 복합 키(composite key)라고 부름
  • ex) (학번, 과목번호)가 후보 키

기본 키(primary key)

• 한 릴레이션에 후보 키가 두 개 이상 있으면 설계자 또는 데이터베이스 관리자가 이들 중에서 하나를 기본 키로 선정함
• ex) 신용카드 회사의 고객 릴레이션에서 신용카드번호와 주민등록번호가 후보 키 → 이 중에서 신용카드번호를 기본 키로 선정
• 자연스러운 기본 키를 찾을 수 없는 경우 → 레코드 번호와 같이 종종 인위적인 키 애트리뷰트를 릴레이션에 추가할 수 있음

대체 키(alternate key)

• 기본 키가 아닌 후보 키
• ex) 신용카드 회사의 고객 릴레이션에서 신용카드번호를 기본 키로 선정하면 주민등록번호는 대체 키

외래 키(foreign key)

• 어떤 릴레이션의 기본 키를 참조하는 애트리뷰트
• 관계 데이터베이스에서 릴레이션들 간의 관계를 나타내기 위해서 사용됨
• 외래 키 애트리뷰트는 참조되는 릴레이션의 기본 키와 동일한 도메인을 가져야 함
• 자신이 속한 릴레이션의 기본 키의 구성요소가 되거나 되지 않을 수 있음

외래 키의 유형

2.4 무결성 제약조건

데이터 무결성(data integrity)

• 데이터의 정확성 또는 유효성을 의미
• 일관된 데이터베이스 상태를 정의하는 규칙들을 묵시적으로 또는 명시적으로 정의
• 데이터베이스가 갱신될 때 DBMS가 자동적으로 일관성 조건을 검사 → 응용 프로그램들은 일관성 조건을 검사할 필요가 없음

도메인 제약조건(domain constraint)

• 각 애트리뷰트 값이 반드시 원자값이어야 함
• 애트리뷰트 값의 디폴트 값, 가능한 값들의 범위 등을 지정할 수 있음
• 데이터 형식을 통해 값들의 유형을 제한하고, CHECK 제약 조건을 통해 값들의 범위를 제한할 수 있음
• SQL2는 도메인을 명시적으로 정의하는 것을 허용하지만, 오라클은 지원하지 않음

키 제약조건(key constraint)

• 키 애트리뷰트에 중복된 값이 존재해서는 안됨

기본 키와 엔티티 무결성 제약조건(entity integrity constraint)

• 기본 키가 각 투플들을 식별하기 위하여 사용되기 때문에 릴레이션의 기본 키를 구성하는 어떤 애트리뷰트도 널값을 가질 수 없다는 제약조건
• 대체 키에는 적용되지 않음
• 사용자는 릴레이션을 생성하는 데이터 정의문에서 어떤 애트리뷰트가 릴레이션의 기본 키를 구성요소인가를 DBMS에게 알려줌

외래 키와 참조 무결성 제약조건(referential integrity constraint)

• 참조 무결성 제약조건은 두 릴레이션의 연관된 투플들 사이의 일관성을 유지하는데 사용됨
• 관계 데이터베이스가 릴레이션들로만 이루어지고, 릴레이션 사이의 관계들이 다른 릴레이션의 기본 키를 참조하는 것을 기반으로 하여 묵시적으로 표현되기 때문에 외래 키의 개념이 중요
• 릴레이션 R2의 외래 키가 릴레이션 R1의 기본 키를 참조할 때 참조 무결성 제약조건은 아래의 두 조건 중 하나가 성립되면 만족됨
  • 외래 키의 값은 R1의 어떤 투플의 기본 키 값과 같다
  • 널값을 가진다. 단, 외래 키가 자신을 포함하고 있는 릴레이션의 기본 키를 구성하고 있지 않음
    • 릴레이션의 기본 키의 일부이면 널값을 가질 수 없음

무결성 제약조건의 유지

• 데이터베이스에 대한 갱신 연산은 삽입/삭제/수정 연산으로 구분
• DBMS는 각각의 갱신 연산에 대해 데이터베이스가 무결성 제약조건들을 만족하도록 필요한 조치를 취함
• ex) DBMS는 외래 키가 갱신되거나, 참조된 기본 키가 갱신되었을 때 참조 무결성 제약조건이 위배되지 않도록 해야 함

삽입

• 참조되는 릴레이션에 새로운 투플이 삽입되면 참조 무결성 제약조건은 위배되지 않음
• DEPARTMENT에 새로 삽입되는 투플의 기본 키 애트리뷰트의 값에 따라서는 도메인 제약조건, 키 제약조건, 엔티티 무결성 제약조건 등을 위배할 수 있음
• 참조하는 릴레이션에 새로운 투플을 삽입할 때는 도메인 제약조건, 키 제약조건, 엔티티 무결성 제약조건, 외에 참조 무결성 제약조건도 위배할 수 있음
• 제약조건을 위배하는 삽입 연산은 DBMS가 거절함으로써 무결성 유지

삭제

• 참조하는 릴레이션에서 투플이 삭제되면 도메인 제약조건, 키 제약조건, 엔티티 무결성 제약조건, 참조 무결성 제약조건 등 모든 제약조건을 위배하지 않음
• 참조되는 릴레이션에서 투플이 삭제되면 참조 무결성 제약조건을 위배하는 경우가 생기거나 생기지 않을 수 있음

참조 무결성 제약조건을 만족시키기 위해서 DBMS가 제공하는 옵션

• 제한(restricted) : no action
  • 위배를 야기한 연산을 단순히 거절
• 연쇄(cascade)
  • 참조되는 릴레이션에서 투플을 삭제하고, 참조하는 릴레이션에서 이 투플을 참조하는 투플도 함께 삭제
• 널값(nullify) : set null
  • 참조되는 릴레이션에서 투플을 삭제하고, 참조하는 릴레이션에서 이 투플을 참조하는 투플들의 외래 키에 널값을 삽입
• 디폴트값 : set default
  • 널값을 넣는 대신에 디폴트값을 넣는다는 것을 제외하고는 바로 위의 옵션과 비슷함

수정

• DBMS는 수정하는 애트리뷰트가 기본 키인지 외래 키인지 검사함
• 수정하려는 애트리뷰트가 기본 키도 아니고 외래 키도 아니면 수정 연산이 참조 무결성 제약조건을 위배하지 않음
• 기본 키나 외래 키를 수정하는 것은 하나의 투플을 삭제하고 새로운 투플을 그 자리에 삽입하는 것과 유사하므로, 삽입 및 삭제에서 설명한 제한, 연쇄, 널값, 디폴트값 규칙이 수정 연산에도 적용됨
• 오라클에서는 수정 연산에 대해 제한적으로 참조 무결성 제약조건을 유지 → 기본 키는 변경하면 안된다는 철학