Le développement de traitements informatiques nécessite la manipulation de données de plus en plus nombreuses. Leur organisation et leur stockage constituent un enjeu essentiel de performance.
Comment gérer (mémoriser et traiter) un ensemble volumineux de données ?
La vidéo ci-dessous répond à cette question :
▶️ Vidéo : https://youtu.be/iu8z5QtDQhY
En classe de Première, on a vu comment gérer des données représentées de manière tabulaire (avec des fichiers CSV). Il était possible d'utiliser un langage de programmation pour effectuer les traitements. Cette façon de faire convient pour des requêtes simples dès lors que les données ne sont pas trop nombreuses, mais devient rapidement insuffisante pour répondre aux attentes actuelles :
Il est donc nécessaire d'utiliser des solutions plus performantes et l'utilisation de bases de données relationnelles est aujourd'hui la solution la plus répandue.
Seules les bases de données relationnelles sont au programme de Terminale NSI, mais il existe d'autres types de bases de données : les bases réseaux, les bases objets, les bases « no-sql », etc.
Dans une base de données, les informations sont stockées dans des fichiers, mais à la différence des fichiers au format CSV, il est impossible de travailler avec ces fichiers avec un éditeur de texte. Pour manipuler les données présentes dans une base de données, il faut utiliser un logiciel appelé système de gestion de bases de données, abrégé SGBD. Il en existe plusieurs, des gratuits, des payants, des libres, des propriétaires (nous en utiliserons dans le chapitre suivant).
Les bases de données relationnelles sont basées sur ce qu'on appelle le modèle relationnel. Il s'agit d'un modèle logique (basé sur des concepts mathématiques) défini en 1970 par l'informaticien britannique Edgard F. Codd (1923-2003), lors de ses travaux chez IBM. Il a reçu le prix Turing en 1981.
Edgar F. Codd
Source : wikimedia.org
Le modèle relationnel est une manière de modéliser les relations existantes entre plusieurs informations et de les ordonner entre elles.
Un modèle relationnel est donc basé sur des relations, terme que nous allons définir dans le paragraphe suivant.
Prenons l'exemple d'un disquaire permettant d'emprunter des albums de musique. L'ensemble de ses albums peut être représenté par l'ensemble :
Album = {
("I Still Do", "Eric Clapton", 2016, Vrai),
("Axis: Bold as Love", "Jimi Hendrix", 1967, Faux),
("Continumm", "John Mayer", 2006, Faux),
("Riding With The King", "Eric Clapton et B.B. King", 2000, Faux),
("Don't explain", "Joe Bonamassa et Beth Hart", 2011, Vrai),
...
}Un tel ensemble s'appelle une relation (la relation Album en l'occurrence).
Attention : cette relation Album n'est pour le moment pas satisfaisante ! Nous verrons plus loin pourquoi et comment y remédier.
Les différents éléments d'une relation s'appellent des enregistrements, ou tuple, ou n-uplet, ou t-uplet, ou vecteur. Les enregistrements d'une relation possèdent les mêmes composantes, que l'on appelle les attributs de la relation.
Une relation se conforme toujours à un schéma qui est une description indiquant pour chaque attribut de la relation son nom et son domaine (= le « type » de l'attribut : un entier, une chaîne de caractères, une date, etc.)
Ainsi, pour le moment, la relation Album possède 4 attributs :
titre : le titre de l'album, une chaîne de caractèresartiste : le ou les artistes de l'album, une chaîne de caractèresannee : l'année de parution de l'album, un entier natureldispo : disponibilité de l'album, un booléenOn note le schéma de la relation Album de la façon suivante :
Album(titre TEXT, artiste TEXT, annee INT, dispo BOOL)
On a choisi de noter ici le domaine de chaque attribut avec les mots INT, TEXT, BOOL mais on aurait pu également les écrire Entier, Chaîne de caractères, Booléen ou Int, String, Bool, etc. Cela n'a pas vraiment d'importance car le modèle relationnel est indépendant de toute considération informatique.
Une relation peut aussi se représenter sous forme d'une table, et d'ailleurs on utilise souvent de manière équivalente les deux termes : relation ou table. Par exemple, la table correspondant à notre relation Album (qui n'est pas encore satisfaisante) ressemble à ceci :
| titre | artiste | annee | dispo |
|---|---|---|---|
| I Still Do | Eric Clapton | 2016 | Vrai |
| Axis: Bold as Love | Jimi Hendrix | 1967 | Faux |
| Continuum | John Mayer | 2006 | Faux |
| Riding With The King | Eric Clapton et B.B. King | 2000 | Faux |
| Don't explain | Joe Bonamassa et Beth Hart | 2011 | Vrai |
| ... | ... | ... | ... |
Une base de données relationnelle est un ensemble de relations. Par exemple, la base de données de notre disquaire ne contiendra pas uniquement la relation Album. Elle peut par exemple contenir deux autres relations : Client et Emprunt qui correspondent respectivement à l'ensemble des clients du disquaire et à l'ensemble des emprunts en cours.
Le schéma, ou la structure, d'une base de données relationnelle est l'ensemble des schémas des relations de la base. Ainsi, pour le moment, la structure (ou schéma) de la base de données du disquaire, est :
Album(titre TEXT, artiste TEXT, annee INT, dispo BOOL)Client(...)Emprunt(...)
où on n'a pour le moment pas complété les schémas des relations Client et Emprunt (et où le schéma de la relation Album n'est pas satisfaisant pour l'instant)
La conception de la structure d'une base de données n'est pas toujours aisée mais c'est un travail absolument nécessaire pour obtenir une base ne souffrant d'aucune anomalie et offrant des performances optimales.
On trouve en général ces trois étapes :
On réalise souvent ces opérations en parallèle de manière à peaufiner au fur et à mesure la structure de la base.
Nous allons expliquer ces mécanismes de conception en s'appuyant sur la base de données de notre disquaire que l'on va affiner au fur et à mesure.
Le domaine d'un attribut a déjà été abordé, il s'agit du "type" de l'attribut. Dans le cas de la modélisation d'une base de données, la façon de noter les domaines n'est pas primordiale (INT ou Entier ou Int ou Integer, etc. pour désigner un attribut dont les valeurs sont des entiers), mais elle le deviendra lorsque l'on créera concrètement les tables en base de données car il faudra respecter la syntaxe du SGBD utilisé.
Concrètement, un SGBD doit s'assurer à chaque instant de la validité des valeurs d'un attribut, autrement dit que ces valeurs correspondent toujours au domaine de l'attribut, on appelle cela les contraintes de domaines. C'est pourquoi en pratique, la commande de création d'une table doit préciser en plus du nom des attributs, leurs domaines.
Les contraintes de domaines doivent être respectées en permanence par le SGBD : si un attribut a pour domaine INT et que l'on essaie de saisir une valeur de type FLOAT pour cet attribut, cela provoquera une erreur du SGBD. Il est donc important de bien penser le domaine de chaque attribut dès le départ.
Bien que le domaine d'un attribut paraisse assez simple à déterminer, il faut être prudent dans certains cas. Par exemple, si le domaine d'un attribut correspondant à un code postal est INT, alors si on enregistre un code postal 05000 alors celui-ci sera converti en 5000 (car 05000 = 5000 pour les entiers), ce qui ne correspond pas à un code postal valide... Il est donc nécessaire de donner le domaine TEXT à un code postal.
Définition : Une clé primaire est un attribut (ou une réunion d'attributs) qui permet d'identifier de manière unique un enregistrement d'une relation.
Et là c'est le drame : quel attribut de notre relation Album peut-il jouer le rôle de clé primaire ? ... aucun !
En effet, il est (fort) possible que plusieurs albums aient le même titre (ne serait-ce qu'un album disponible en plusieurs exemplaires), que plusieurs albums concernent le même artiste et que plusieurs albums soient sortis la même année ! De manière évidente, l'attribut dispo ne permet pas d'identifier un album de manière unique non plus.
Pour y remédier, on va créer "artificiellement" un attribut id_album (de type INT) qui va jouer le rôle de clé primaire, chaque album possédant un attribut id_album différent (on utilise "id" pour "identifiant").
Pour symboliser la clé primaire dans le schéma d'une relation, il est de coutume de la souligner. Ainsi, notre relation Album a pour schéma :
Album(id_album INT, titre TEXT, artiste TEXT, annee INT, dispo BOOL)
et correspond à la table suivante :
| id_album | titre | artiste | annee | dispo |
|---|---|---|---|---|
| 2 | I Still Do | Eric Clapton | 2016 | Vrai |
| 5 | Axis: Bold as Love | Jimi Hendrix | 1967 | Faux |
| 24 | Continuum | John Mayer | 2006 | Faux |
| 25 | Continuum | John Mayer | 2006 | Faux |
| 8 | Riding With The King | Eric Clapton et B.B. King | 2000 | Faux |
| 11 | Don't explain | Joe Bonamassa et Beth Hart | 2011 | Vrai |
| ... | ... | ... | ... | ... |
On suppose que le disquaire récolte les informations suivantes sur ses clients : un nom, un prénom et une adresse email.
Comme pour la relation Album, il semble judicieux de créer une clé primaire artificielle, nommée id_client la relation Client qui aurait alors pour schéma :
Client(id_client INT, nom TEXT, prenom TEXT, email TEXT)
et correspond à la table suivante :
| id_client | nom | prenom | |
|---|---|---|---|
| 1 | Dupont | Florine | dupont.florine@domaine.net |
| 5 | Pacot | Jean | jpacot@music.com |
| 8 | Rouger | Léa | NULL |
| 3 | Marchand | Grégoire | greg.marchand49@music.com |
Remarque : Il est parfois possible de trouver une clé primaire sans avoir besoin d'en créer une artificiellement. Par exemple dans une relation Livre, le numéro ISBN pourrait jouer le rôle de clé primaire car il est unique pour chaque livre existant. Cependant en pratique, un SGBDR va souvent créer un identifiant unique pour chaque enregistrement d'une entité dans la base de données. Pour cela, un mécanisme d'auto-incrément est mis en oeuvre (si la clé primaire de la dernière entité créée est l'entier 57, alors la clé primaire d'une nouvelle entité créée sera 58)
Une des contraintes d'intégrité d'une base de données s'appelle la contrainte de relation. Celle-ci impose que chaque enregistrement d'une relation soit unique. C'est donc la présence d'une clé primaire dans chaque relation qui permet de réaliser cette contrainte.
Pour un emprunt, on aimerait connaître l'album emprunté, le client qui a emprunté l'album et la date d'emprunt.
On voit donc que les enregistrements de la relation Emprunt font référence à des enregistrements des relations Album et Client. On peut imaginer le schéma suivant pour la relation Emprunt, qui contient toutes les informations nécessaires :
Emprunt(id_client INT, nom TEXT, prenom TEXT, email TEXT, id_album INT,
titre TEXT, artiste TEXT, annee INT, dispo BOOL, date DATE)
Cela donnerait une table Emprunt du genre :
| id_client | nom | prenom | id_album | titre | artiste | annee | dispo | date | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Dupont | Florine | dupontf@domaine.net | 5 | Axis: Bold as Love | Jimi Hendrix | 1967 | Faux | 10/09/2021 |
| 3 | Mira | Grégoire | gmira49@music.com | 8 | Riding With The King | Eric Clapton et B.B. King | 2000 | Faux | 18/08/2021 |
| 3 | Mira | Grégoire | gmira49@music.com | 24 | Continumm | John Mayer | 2006 | Faux | 18/08/2021 |
| 5 | Pacot | Jean | jpacot@music.com | 25 | Continumm | John Mayer | 2006 | Faux | 12/09/2021 |
Attention : la relation Emprunt n'est pour le moment pas satisfaisante, nous allons l'améliorer un peu plus bas.
Définition : Une clé étrangère d'une relation est un attribut qui est clé primaire d'une autre relation de la base de données.
Ainsi, la relation Emprunt donnée plus haut possède deux clés étrangères : id_client et id_album (qui sont des clés primaires respectives des relations Client et Album.).
Que peut-on choisir comme clé primaire de la relation Emprunt ?
Une même personne pouvant emprunter plusieurs albums en même temps, il n'est pas possible d'utiliser les attributs correspondant à la relation Client. En revanche, comme un même album ne peut pas être emprunté par deux clients en même temps, on peut choisir id_album comme clé primaire de la relation Emprunt.
Dans une base de données relationnelle, il faut éviter la redondance des données c'est-à-dire qu'une relation ne doit pas contenir des informations déjà disponibles dans d'autres relations (et de manière générale, éviter que des mêmes informations se retrouvent dans plusieurs enregistrements d'une même relation).
Par exemple, la relation Emprunt telle que nous l'avons définie plus haut contient beaucoup d'informations redondantes. En effet :
id_client, nom, prenom et email : il suffit de conserver l'attribut id_client qui fait entièrement référence à un unique client de la relation Client dans laquelle on retrouve le nom, le prénom et l'adresse email de celui-ci. Ainsi, on évite la redondance des attributs nom, prenom et email : on ne les garde que dans la relation Client ;id_album qui caractérise entièrement un album et permet de retrouver le titre, l'artiste, l'année et la disponibilité dans la relation Album.Moralité : ce sont les clés étrangères (ici id_client et id_album) qui permettent à elles seules de faire le lien avec des entités d'autres relations, et on évite ainsi les redondances.
Sachant que l'on peut noter les clés étrangères d'une relation en utilisant un "#", on peut désormais écrire une version satisfaisante de la relation Emprunt :
Emprunt(#id_client INT, #id_album INT, date DATE)
La clé
id_albumest donc à la fois clé primaire et clé étrangère de la relation Emprunt. La cléid_clientest une clé étrangère mais pas une clé primaire de la relation Emprunt : cela implique qu'un même client peut se trouver plusieurs fois dans la relation Emprunt, il peut donc emprunter plusieurs albums à la fois (et heureusement !).
On obtient ainsi la table correspondant à la relation Emprunt :
| id_client | id_album | date |
|---|---|---|
| 1 | 5 | 10/09/2021 |
| 3 | 8 | 18/08/2021 |
| 3 | 24 | 18/08/2021 |
| 5 | 25 | 12/09/2021 |
Pourquoi éviter la redondance des données ?
La redondance des données est considérée comme une anomalie d'une base de données, synonyme d'une mauvaise conception de la base. En effet, celle-ci est proscrite pour plusieurs raisons :
La cohérence et les relations entre les différentes tables sont assurées par les clés étrangères. Elles permettent de respecter ce qu'on appelle les contraintes de référence :
👉 cela permet de s'assurer de ne pas ajouter des valeurs fictives ne correspondant pas à des entités connues de la base de données ;
👉 on ne pourrait pas supprimer le client "Dupont Florine" de la relation Client car il apparaît dans les enregistrements de la relation Emprunt. En effet, sinon la valeur '1' de la clé étrangère
id_clientde la table Emprunt ne serait plus une clé primaire d'une autre table.
👉 on ne pourrait pas modifier la clé primaire
id_clientdu client "Dupont Florine" dans la relation Client car elle apparaît dans les enregistrements de la relation Emprunt. En effet, sinon la valeur '1' de la clé étrangèreid_clientde la table Emprunt ne serait plus une clé primaire d'une autre table.
Concrètement, une tentative de violation de contrainte de référence provoquerait une erreur du SGBD.
On termine la modélisation de la structure de la base de données du disquaire en définissant un peu mieux le lien entre un album et l'artiste (ou les artistes) de l'album.
Pour le moment, il a été choisi d'utiliser une chaîne de caractères pour l'artiste d'un album directement dans la relation Album. Cette façon de faire peut conduire à quelques problèmes :
"Éric Clapton et Éric Clapton" sans que le SGBD ne provoque une erreur, alors même qu'il y aurait un problème de cohérence.Pour pallier à ces problèmes, on peut :
Concrètement :
artiste de la relation Album :
Album(id_album INT, titre TEXT, annee INT, dispo BOOL)
Artiste(id_artiste INT, nom TEXT, prenom TEXT)
Artiste_de(#id_artiste INT, #id_album INT)
Dans cette dernière relation, les clés étrangères id_artiste et id_album permettent d'associer les relations Artiste et Album. Le couple (id_artiste, id_album) forme la clé primaire de la relation Artiste_de.
Ainsi, un même artiste et un même album ne peuvent se trouver plusieurs fois dans la relation, ce qui empêche d'associer deux fois le même artiste à un même album. Mais un même artiste peut être associé à plusieurs albums différents car id_artiste n'est pas clé primaire de la relation.
Ces transformations donnent des tables ressemblant à :
| id_album | titre | annee | dispo |
|---|---|---|---|
| 2 | I Still Do | 2016 | Vrai |
| 5 | Axis: Bold as Love | 1967 | Faux |
| 24 | Continuum | 2006 | Faux |
| 25 | Continuum | 2006 | Faux |
| 8 | Riding With The King | 2000 | Faux |
| 11 | Don't explain | 2011 | Vrai |
| id_artiste | nom | prenom |
|---|---|---|
| 1 | Clapton | Éric |
| 3 | Hendrix | Jimi |
| 4 | Mayer | John |
| 8 | B.B. King | NULL |
| 6 | Hart | Beth |
| 15 | Bonamassa | Joe |
| id_artiste | id_album |
|---|---|
| 1 | 2 |
| 1 | 8 |
| 8 | 2 |
| 4 | 24 |
| 4 | 25 |
| 3 | 5 |
| 6 | 11 |
| 15 | 11 |
Désormais, on n'enregistre qu'à un seul endroit les chaînes de caractères correspondant au nom et au prénom de chaque artiste, et lorsque l'on veut faire référence à cet artiste dans une autre relation, c'est l'entier correspondant à id_artiste qui est enregistré en mémoire. Ainsi, si un artiste change de nom, il suffit alors de modifier son nom une seule fois dans la relation Artiste.
Par ailleurs, on obtient également un gain :
Avec toutes les améliorations apportées, le schéma (ou structure) de la base de données du disquaire est le suivant :
Album(id_album INT, titre TEXT, annee INT, dispo BOOL)
Artiste(id_artiste INT, nom TEXT, prenom TEXT)
Artiste_de(#id_artiste INT, #id_album INT)
Client(id_client INT, nom TEXT, prenom TEXT, email TEXT)
Emprunt(#id_client INT, #id_album INT, date DATE)
On peut aussi représenter graphiquement ce schéma par le diagramme suivant :
Réalisé avec l'application quickdatabasediagrams.com
Remarques : Dans ce diagramme :
Références :
Germain BECKER, Lycée Mounier, ANGERS
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Voir en ligne : info-mounier.fr/terminale_nsi/base_de_donnees/modele-relationnel