Реляционная база данных.

Реляционная база данных — база данных, основанная на реляционной модели данных. Слово «реляционный» происходит от англ. relation (отношение). Для работы с реляционными БД применяют реляционные СУБД.

Целью нормализации реляционной базы данных является устранение недостатков структуры базы данных, приводящих к вредной избыточности в данных, которая в свою очередь потенциально приводит к различным аномалиям и нарушениям целостности данных.

Нормальная форма.

Нормальная форма — формальное свойство отношения, которое характеризует степень избыточности хранимых данных и возможные проблемы. Каждая следующая нормальная форма в нижеприведенном списке (кроме ДКНФ) в некотором смысле является более совершенной, чем предыдущая, с точки зрения устранения избыточности.

-Первая нормальная форма (1НФ, 1NF)

-Вторая нормальная форма (2НФ, 2NF)

-Третья нормальная форма (3НФ, 3NF)

-Нормальная форма Бойса — Кодда (НФБК, BCNF)

-Четвёртая нормальная форма (4НФ, 4NF)

-Пятая нормальная форма (5НФ, 5NF)

-Доменно-ключевая нормальная форма (ДКНФ, DKNF).

Первая нормальная форма (1NF)

Отношение находится в первой нормальной форме тогда и только тогда, когда в любом допустимом значении отношения каждый его кортеж содержит только одно значение для каждого из атрибутов.

В реляционной модели отношение всегда находится в первой нормальной форме по определению понятия отношение. Что же касается различных таблиц, то они могут не быть правильными представлениями отношений и, соответственно, могут не находиться в 1NF. В соответствии с определением К. Дж. Дейта для такого случая, таблица нормализована (эквивалентно — находится в первой нормальной форме) тогда и только тогда, когда она является прямым и верным представлением некоторого отношения. Конкретнее, рассматриваемая таблица должна удовлетворять следующим пяти условиям:

1.Нет упорядочивания строк сверху-вниз (другими словами, порядок строк не несет в себе никакой информации).

2.Нет упорядочивания столбцов слева-направо (другими словами, порядок столбцов не несет в себе никакой информации).

3.Нет повторяющихся строк.

4.Каждое пересечение строки и столбца содержит ровно одно значение из соответствующего домена (и больше ничего).

5.Все столбцы являются обычными.

«Обычность» всех столбцов таблицы означает, что в таблице нет «скрытых» компонентов, которые могут быть доступны только в вызове некоторого специального оператора взамен ссылок на имена регулярных столбцов, или которые приводят к побочным эффектам для строк или таблиц при вызове стандартных операторов. Таким образом, например, строки не имеют идентификаторов кроме обычных значений потенциальных ключей (без скрытых «идентификаторов строк» или «идентификаторов объектов»). Они также не имеют скрытых временных меток.

Пример:

Исходная ненормализованная (то есть не являющаяся правильным представлением некоторого отношения) таблица:

Сотрудник	Номер телефона
Иванов И. И.	283-56-82 390-57-34
Петров П. П.	708-62-34

Таблица, приведённая к 1NF (являющаяся правильным представлением некоторого отношения):

Сотрудник	Номер телефона
Иванов И. И.	283-56-82
Иванов И. И.	390-57-34
Петров П. П.	708-62-34

Вторая нормальная форма(2nf)

Переменная отношения находится во второй нормальной форме тогда и только тогда, когда она находится в первой нормальной форме и каждый неключевой атрибут неприводимо зависит от ее потенциального ключа.

Неприводимость означает, что в составе потенциального ключа отсутствует меньшее подмножество атрибутов, от которого можно также вывести данную функциональную зависимость. Для неприводимой функциональной зависимости часто используется эквивалентое понятие «полная функциональная зависимость».

Если потенциальный ключ является простым, то есть состоит из единственного атрибута, то любая функциональная зависимость от него является неприводимой (полной). Если потенциальный ключ является составным, то согласно определению второй нормальной формы в отношении не должно быть неключевых атрибутов, зависящих от части составного потенциального ключа.

Вторая нормальная форма по определению запрещает наличие неключевых атрибутов, которые вообще не зависят от потенциального ключа. Таким образом, вторая нормальная форма запрещает создавать отношения как несвязанные (хаотические, случайные) наборы атрибутов.

Пример:

Пример приведения отношения ко второй нормальной форме

Пусть в следующем отношении первичный ключ образует пара атрибутов {Сотрудник, Должность}:

Сотрудник	Должность	Зарплата	Наличие компьютера
Гришин	Кладовщик	20000	Нет
Васильев	Программист	40000	Есть
Иванов	Кладовщик	25000	Нет

Зарплату сотруднику каждый начальник устанавливает сам (хотя её границы зависят от должности). Наличие же компьютера у сотрудника зависит только от должности, то есть зависимость от первичного ключа неполная.

В результате приведения к 2NF получаются два отношения:

Сотрудник	Должность	Зарплата
Гришин	Кладовщик	20000
Васильев	Программист	40000
Иванов	Кладовщик	25000

Должность	Наличие компьютера
Кладовщик	Нет
Программист	Есть

Третья нормальная форма (3nf)

Согласно определению Кодда, отношение R находится в 3NF тогда и только тогда, когда выполняются следующие условия:

-Отношение R находится во второй нормальной форме.

-ни один неключевой атрибут R не находится в транзитивной функциональной зависимости от потенциального ключа отношения R.

Пояснения к определению:

Неключевой атрибут отношения R — это атрибут, который не принадлежит ни одному из потенциальных ключей R.

Функциональная зависимость множества атрибутов Z от множества атрибутов X (записывается X → Z, произносится «икс определяет зет») является транзитивной, если существует такое множество атрибутов Y, что X → Y и Y → Z. При этом ни одно из множеств X, Y и Z не является подмножеством другого, то есть функциональные зависимости X → Z, X → Y и Y → Z не являются тривиальными.

Определение 3NF, эквивалентное определению Кодда, но по-другому сформулированное, дал Карло Заниоло в 1972 году. Согласно ему, отношение находится в 3NF тогда и только тогда, когда для каждой из ее функциональных зависимостей X → A выполняется хотя бы одно из следующих условий:

Х содержит А (то есть X → A — тривиальная функциональная зависимость)

Х — суперключ

А — ключевой атрибут (то есть А входит в состав потенциального ключа).

Определение Заниоло четко определяет разницу между 3NF и более строгой нормальной формой Бойса-Кодда (НФБК): НФБК исключает третье условие («А — ключевой атрибут»).

«Ничего, кроме ключа»

Запоминающееся и, по традиции, наглядное резюме определения 3NF Кодда было дано Биллом Кентом: каждый неключевой атрибут «должен предоставлять информацию о ключе, полном ключе и ни о чем, кроме ключа». Условие зависимости от «полного ключа» неключевых атрибутов обеспечивает то, что таблица находится во второй нормальной форме; а условие зависимости их от «ничего, кроме ключа» — то, что они находятся в третьей нормальной форме.

Крис Дэйт говорит о резюме Кента как о «интуитивно привлекательной характеристике» 3NF, и замечает, что с небольшим изменением она может служить и как определение более строгой нормальной формы Бойса-Кодда: «Каждый атрибут должен предоставлять информацию о ключе, полном ключе и ни о чем, кроме ключа». Вариант определения 3NF Кента является менее строгим, чем вариант НФБК Дэйта, поскольку первая утверждает только, что неключевые атрибуты зависят от ключей. Первичные атрибуты (которые являются ключами или их частями) вовсе не должны быть функционально зависимыми; каждый из них предоставляет информацию о ключе предоставлением самого ключа или его части. Здесь следует отметить, что это правило справедливо только для неключевых атрибутов, так как применение его ко всем атрибутам будет полностью запрещать все сложные альтернативные ключи, поскольку каждый элемент такого ключа будет нарушать условие «полного ключа».

Пример:

Рассмотрим в качестве примера следующее отношение:

R1

Сотрудник	Отдел	Телефон
Гришин	Бухгалтерия	11-22-33
Васильев	Бухгалтерия	11-22-33
Петров	Снабжение	44-55-66

В отношении атрибут «Сотрудник» является первичным ключом. Личных телефонов у сотрудников нет, и телефон сотрудника зависит исключительно от отдела.

Таким образом, в отношении существуют следующие функциональные зависимости: Сотрудник → Отдел, Отдел → Телефон, Сотрудник → Телефон.

Зависимость Сотрудник → Телефон является транзитивной, следовательно, отношение не находится в 3NF.

В результате декомпозиции отношения R1 получаются два отношения, находящиеся в 3NF:

R2 R3

Отдел	Телефон
Бухгалтерия	11-22-33
Снабжение	44-55-66

Сотрудник

Отдел

Гришин

Бухгалтерия

Васильев

Бухгалтерия

Петров

Снабжение

Исходное отношение R1 при необходимости легко получается в результате операции соединения отношений R2 и R3.