Álgebra Relacional Tutorial

Dando continuidade à série de artigos para que o internauta entre no mundo dos bancos de dados, sugiro que você leia meus dois primeiros artigos (Conceitos Fundamentais de Banco de Dados – Parte I e II) e também os artigos do Reinaldo Viana (Banco de Dados e Modelagem de Dados – Parte I, II e Final), para que haja uma perfeita compreensão dos conceitos e metodologias de um projeto de BD.

Darei continuidade falando sobre Linguagem de Consulta Formal, abordando a Álgebra Relacional.

Linguagens de consulta formal são linguagens em que o usuário solicita informações à base de dados. Geralmente formam uma linguagem de mais alto nível que as linguagens de programação.

A Álgebra Relacional é uma linguagem de consulta formal, porém procedimental, ou seja, o usuário dá as instruções ao sistema para que o mesmo realize uma sequência de operações na base de dados para calcular o resultado desejado.

A Álgebra Relacional define operadores para atuar nas tabelas (semelhante aos operadores +, - etc. da álgebra que estamos acostumados) para chegar ao resultado desejado.

A forma de trabalho desta linguagem de consulta é a de pegar uma ou mais tabelas (conforme necessidade) como entrada de dados e produzirá uma nova tabela como resultado das operações.

Funções da Álgebra Relacional

São definidas nove operações para se trabalhar com álgebra relacional:

• Union –União;
• Intersection– Intersecção;
• Difference– Diferença, Subtração;
• Product – Produto, Produto Cartesiano.

Estas quatro operações são provenientes da teoria de conjuntos, da matemática.

• Select– Seleção;
• Project– Projeção;
• Join– Junção;
• Divide – Divisão.

Aplicam-se especificamente ao modelo de dados relacional.

• Assignment– Designação, Atribuição.

É uma operação padrão das linguagens computacionais. Utilizaremos a seguinte tabela como estudo de caso para exemplificar nossas operações: EMPREGADO

Atribuindo um valor a uma nova tabela

O objetivo do operador de designação/atribuição é atribuir o resultado de uma operação a uma nova relação.

Simbologia: <-------- Ex.: R <----- AUB

Sintaxe: := Ex.: R := union(B, C)

Operação de Seleção (Select)

É utilizada para selecionar um subconjunto de tuplas numa relação que satisfaça uma condição de seleção predefinida. Representação gráfica:

A seleção acima nos apresentará como resultado as informações abaixo:

Operação de Projeção (Project)

A operação de projeção é utilizada para selecionar determinadas colunas de uma relação. A operação é executada em apenas uma relação e o resultado é uma nova relação contendo apenas os atributos selecionados, eliminando-se as duplicidades.

Teremos o seguinte resultado a partir da consulta acima:

Aninhar de operações e renomear de atributos

Podemos aninhar as operações e produzir novos resultados sem a necessidade de sucessivas operações. Imaginem se nos interessa apenas o nome, sobrenome e salário dos funcionários do departamento número 3. Vejamos como ficaria a expressão em álgebra relacional:

• 1 => Relação = Tabela, entidade, na terminologia formal de banco de dados.
• 2 => Tupla = Linha da tabela, registro, na terminologia formal de banco de dados.

π NOME, SOBRENOME, SAL (σ DEPTO=3 (EMPREGADO)), que nos produziria o seguinte resultado:

Podemos ainda, criar relações intermediárias, dando um nome para cada uma delas e finalmente chegando ao resultado desejado:

E logo após:

RESULT <----- πNOME, SOBRENOME, SAL (R1), onde RESULT produziria o mesmo resultado da expressão aninhada.

E finalmente, ainda podemos renomear os atributos que aparecerão na relação resultante, para isso, basta identificar o novo nome para os atributos:

RESULT(Nome, Sobrenome, Salário) <----- πNOME, SOBRENOME, SAL (σ DEPTO=3 (EMPREGADO))

Resultado:

Revendo a teoria dos conjuntos

Vamos descrever as funções da álgebra relacional pelas operações que vieram da teoria dos conjuntos:

União (Union)

O operador de união cria uma relação partindo de duas outras, levando as tuplas comuns e não comuns a ambas, desta forma aparecerão no resultado somente linhas únicas de uma ou outra relação e as informações duplicadas aparecerão somente uma vez.

Uma característica é que somente é possível utilizar este operador caso as tabelas de origem possuam compatibilidade de união, ou seja, as tabelas devem ser equivalentes e gerem o mesmo tipo de resultado.

Representação gráfica:

Exemplo: Imagine que precisemos recuperar A identificação de todos os empregados que trabalham no departamento 3 ou supervisione diretamente um empregado que trabalhe no departamento 3. Faremos as seguintes operações:

DEPTO3 <---- σ DEPTO=3 (EMPREGADO)

RESULT1 <---- π ID_EMP (DEPTO3)

RESULT2 <---- π ID_GER (DEPTO3)

RESULT(ID) <----- (RESULT1)U(RESULT2)

Somente foi possível realizar a união entre RESULT1 e RESULT2, pois, apesar dos atributos serem diferentes, o número e o tipo de atributos são os mesmos, possibilitando uma compatibilidade de união.

Intersecção (Intersection)

A relação criada pela operação de intersecção será o resultado de todas as tuplas que pertençam a ambas as relações presentes na operação. Representação gráfica:

Como exemplo, considere as seguintes relações:

Desta forma, uma operação de intersecção entre as duas relações, seria executada da seguinte forma:

RESULTADO <---- (ALUNOS)∩(INSTRUTORES) e produziria a seguinte relação:

Uma observação extremamente relevante a ser feita é que ambas as operações de união ou intersecção são:

• Comutativas, ou seja, AUB = BUA e A∩B = B∩A; Aplicadas a qualquer número de relações;
• Associativas, ou seja: AUU(BUUC) = (AUB)UC e A∩(B∩C) = (A∩B)∩C

É uma ferramenta bastante poderosa principalmente no auxílio à definição lógica de abordagem a dados em tabelas. Fica claro que muitos conceitos trazidos da matemática tradicional são extremamente aplicáveis a esta técnica.

Agora iremos abordar as duas últimas instruções provenientes da teoria de conjuntos, as operações Difference e Product, e também as duas operações restantes que interagem com o modelo relacional, Join e Divide.

O bom entendimento de como os operadores de álgebra relacional trabalham, facilitam muito a muito na construção de boas consultas em linguagens como SQL, por exemplo. Aproveitem a navegação.

Operação de Diferença (Difference)

A operação de diferença consiste em obter uma relação a partir da diferença da primeira pela segunda relação.

É importante salientar que a diferença entre a primeira e segunda relação não é o mesmo do inverso, ou seja, da segunda pela primeira. Com isso podemos dizer que a operação de diferença não é comutativa.

Exemplificando, poderíamos dizer que A – B é diferente de B – A.

Como exemplo, considere as relações vistas no artigo anterior:

Exemplo 1:

Result1 <----- ALUNOS – INSTRUTORES

Exemplo 2:

Result2 <----- INSTRUTORES – ALUNOS

Operação de Produto Cartesiano (Product)

O Produto Cartesiano é a combinação de tuplas das duas relações em questão. O resultado é que, para cada tupla da primeira relação, haverá a combinação com todas as tuplas da segunda relação, e vice-versa.

Como exemplo, considere as relações abaixo:

RESULT <----- ALUNOS x DISCIPLINA

Operação de Junção (Join)

Veremos agora as duas últimas operações que interagem com o modelo relacional.

A operação de junção é utilizada para combinar tuplas de duas relações partindo dos atributos comuns a ambas.

O resultado conterá as colunas das duas relações que estão participando da junção.

Esta operação é de extrema importância em bancos de dados relacionais, pois é através dela que nos é permitido fazer relacionamento.

Uma condição de junção pode ser formada por mais de uma condição simples, apenas aplicando os operadores relacionais AND ou OR.

Vejamos um exemplo, considerando as seguintes tabelas:

ALU_TUR <----- ALUNOS |x| TURMA=COD_TURMA TURMAS

E finalmente, podemos usar um conjunto de operações para trazer, por exemplo, apenas os alunos que cursam o 2º módulo de Informática:

RESULT <----- COD_TURMA>=2TI ( NOME, SOBRENOME, DESCRICAO (ALUNOS |x| TURMA=COD_TURMA TURMAS))

Operação de Divisão (Divide)

É uma operação adicional que produz como resultado a projeção de todos os elementos da primeira relação que se relacionam com todos os elementos da segunda relação.

Não é um operador primitivo, mas pode ter o resultado obtido por uma combinação de operadores primitivos.

Vejamos no exemplo abaixo:

Imagine a situação de querermos saber quais os funcionários que trabalham em todos os projetos:

RESULT <----- ( COD_PROJ (PROJETOS)) ÷ ( ID_EMP, COD_PROJ (EQUIPE))

Conclusões

Finalizamos aqui este artigo sobre Álgebra Relacional. Tivemos uma boa noção de como é trabalhada a lógica de consultas através desta linguagem formal e podemos concluir que é uma ótima metodologia de desenvolvimento de raciocínio por parte de quem está aplicando a técnica.

Este desenvolvimento de raciocínio lógico em consultas a bancos de dados será muito útil na construção de instruções que irão interagir com o banco de dados, porém construindo essas instruções de maneira performática, tirando o máximo de desempenho possível.