3.7. Особенности проектирования реляционных бд

Проектирование реляционной базы данных проходит в том же порядке, что и проектирование БД других моделей данных, но имеет свои особенности:

• Каждое отношение соответствует одной сущности ПО и в него вносятся все атрибуты объекта, связанные с ним отношением 1:1.

• Связь типа 1 :n реализуется с помощью внешнего ключа.

• Для реализации связи типа n:m между сущностями вводится дополнительное отношение, содержащее комбинации первичных ключей связанных отношений и атрибуты (свойства) этой связи.

Проектирование схемы БД должно решать задачи минимизации дублирования данных и упрощения процедур их обработки и обновления. При неправильно спроектированной схеме БД могут возникнуть аномалии выполнения операций включения, удаления и модификации данных. Эти аномалии обусловлены отсутствием средств явного представления типов множественных связей между объектами ПО и неразвитостью средств описания ограничений целостности на уровне реляционной модели данных.

3.7.1. Аномалии модификации данных

В качестве примера возьмём отношение со следующими атрибутами (ключевые атрибуты выделены подчёркиванием):

ПОСТАВКИ (Номер поставки. Название товара. Цена товара, Количество, Дата поставки. Название поставщика. Адрес поставщика)

Различают три вида аномалий: аномалии обновления, удаления и добавления. Аномалия обновления может возникнуть в том случае, когда информация дублируется. Другие аномалии возникают тогда, когда две и более независимые сущности объединены в одно отношение. Например:

1. Аномалия обновления: в отношении ПОСТАВКИ она может возникнуть, если у какого-либо поставщика изменился адрес. Изменения должны быть внесены во все кортежи, соответствующие поставкам этого поставщика; в противном случае данные будут противоречивы.

2. Аномалия удаления: при удалении записей обо всех поставках одного поставщика все данные о поставщике будут утеряны.

3. Аномалия добавления: в нашем примере она возникнет, если с поставщиком заключен договор, но поставок от него еще не было. Информация о таком поставщике не может быть внесена в отношение ПОСТАВКИ, т.к. для него не определён ключ (номер поставки и название товара) и другие обязательные поля.

Для решения проблемы аномалии модификации данных при проектировании РБД проводится нормализация отношений.

3.7.2. Нормализация отношений

В рамках реляционной модели данных Э.Ф. Коддом был разработан аппарат нормализации отношений и предложен механизм, позволяющий любое отношение преобразовать к третьей нормальной форме. Нормализация схемы отношения выполняется путём декомпозиции схемы.

Декомпозицией схемы отношения R называется замена её совокупностью схем отношений А; таких, что

и не требуется, чтобы отношения А_i были непересекающимися. Декомпозиция отношения должна обладать следующими свойствами:

1. Полнота - декомпозиция не должна приводить к потере зависимостей между атрибутами сущностей.

2. Восстановимость - должна существовать операция реляционной алгебры, применение которой позволит восстановить исходной отношение.

Введём понятие простого и сложного атрибута. Простой атрибут - это атрибут, значения которого атомарны (т.е. неделимы). Сложный атрибут может иметь значение, представляющее собой конкатенацию нескольких значений одного или разных доменов. Аналогом сложного атрибута может быть агрегат или повторяющийся агрегат данных.

Покажем нормализацию на примере отношения КНИГИ (табл. 3.1):

Id - идентификатор (первичный ключ),

Code - шифр рубрики,

Theme- название рубрики,

Title - название книги,

Author— автор,

Editor — редактор,

Туре - тип издания (учебник, учебное пособие, сборник и.тлт),

Year - год издания,

Pg - количество страниц.

Примечание. В таблице 3.1 используются следующие сокращения:

ВТ — вычислительная техника;

ПО ВТ - программное обеспечение вычислительной техники;

МО - математическое обеспечение;

ИИ - искусственный интеллект.

Первая нормальная форма (1НФ).

Отношение приведено к 1НФ, если все его атрибуты простые.

Отношение КНИГИ содержит сложные атрибуты Author ("Авторы") и Editor ("Редакторы"). Для приведения к 1НФ требуется сделать ключ отношения составным - атрибуты Ю, Author и Editor (табл. 3.2).

Введём понятие функциональной зависимости. Пусть X и Y - атрибуты (группы атрибутов) некоторого отношения. Говорят, что Y функционально зависит от X, если в любой момент времени каждому значению Х=х соответствует единственное значение Y=y (X®Y). (При этом любому значению Y=y может соответствовать несколько значений X=(x₁, х₂,.. .))•

Атрибут X в функциональной зависимости X®Y называется детерминантом отношения.

В нормализованном отношении все неключевые атрибуты функционально зависят от ключа отношения. Говорят, что неключевой атрибут функционально полно зависит от составного ключа, если он функционально зависит от ключа, но не находится в функциональной зависимости ни от какой части составного ключа.

Вторая нормальная форма (2НФ).

Отношение находится во 2НФ, если оно приведено к 1НФ и каждый неключевой атрибут функционально полно зависит от составного ключа.

Для того чтобы привести отношение ко 2НФ, нужно:

• построить его проекцию, исключив атрибуты, которые не находятся в функционально полной зависимости от составного ключа;

• построить дополнительные проекции на часть составного ключа и атрибуты, функционально зависящие от этой части ключа.

Ключом отношения КНИГИ (табл. 3.2) является комбинация полей (ID, Author, Editor). Все поля, не входящие в состав ключа, зависят только от идентификатора книги. Поэтому отношение должно быть разбито на два: КНИГИ (табл. 3.3) и КНИГИ-АВТОРЫ-РЕДАКТОРЫ (табл. 3.4). Эти отношения связаны по внешнему ключу, которым является поле ID.

Рассмотрим понятие транзитивной зависимости. Пусть X, Y, Z - атрибуты некоторого отношения. При этом X® Y и Y® Z, но обратное соответствие отсутствует, т.е. Z не зависит от Y или Y не зависит от X. Тогда говорят, что Z транзитивно зависит от X (X®® Z).

Третья нормальная форма (ЗНФ).

Отношение находится в ЗНФ, если оно находится во 2НФ и в нем отсутствуют транзитивные зависимости.

Для отношения КНИГИ (табл. 3.3) атрибут Theme зависит от атрибута Code, а не от ключа (хотя название рубрики, естественно, соответствует её шифру). Поэтому для приведения отношения к ЗНФ (табл. 3.5) нужно выделить из него ещё одно отношение РУБРИКАТОР (табл. 3.6).

Введём понятие многозначной зависимости. Многозначная зависимость существует, если заданным значениям атрибута X соответствует множество, состоящее из нуля (или более) значений атрибута Y (X-»Y). Если в отношении присутствуют многозначные зависимости, то схема отношения должна находиться в 4НФ.

Различают тривиальные и нетривиальные многозначные зависимости. Тривиальной называется такая многозначная зависимость X-»Y, для которой Y I X или X U Y = R, где R - рассматриваемое отношение. Тривиальная многозначная зависимость не нарушает 4НФ. Если хотя бы одно из двух этих условий не выполняется (т.е. Y не является подмножеством X или X U Y состоит не из всех атрибутов R), то такая многозначная зависимость называется нетривиальной.

Четвертая нормальная форма (4НФ).

Отношение находится в 4НФ, если оно находится в ЗНФ и в нем отсутствуют нетривиальные многозначные зависимости.

Для отношения КНИГИ-АВТОРЫ-РЕДАКТОРЫ (табл. 3.4) атрибуты Author и Editor зависит образуют две многозначные зависимости от первичного ключа, и при этом значения этих атрибутов не зависят друг от друга. Поэтому для приведения отношения к 4НФ нужно разбить его на два отношения КНИГИ-АВТОРЫ и КНИГИ-РЕДАКТОРЫ (табл. 3.7, 3.8).

Нормализация сокращает дублирование данных, но появление новых отношений усложняет поддержку логической целостности данных.