1_mt11-ИОРиИ Курс лекций_2015 (Презентации лекций), страница 4

Суть предложенной информационной модели заключается в том, что объекты предметной области представляются в виде двумерных таблиц, называемых «отношениями», каждая таблица соотносится с объектом или взаимосвязанным набором данных («сущностью»), между таблицами, в случае, когда один объект является частью другого, определяют и устанавливают связи, отражающие отношения между этими объектами. Каждая строка таблицы содержит информацию о конкретном объекте (экземпляре сущности), столбцы таблицы являются свойствами (атрибутами) сущности.

К таблице, используемой в качестве отношения реляционной базы данных, предъявляют определенные требования.

Отношение – двумерная таблица, обладающая следующими свойствами:

1. В строках располагается информация о сущности.

2. В столбцах содержатся данные об атрибутах сущности.

3. В ячейках размещаются только одиночные значения.

4. Значения записей столбца имеют один тип данных.

5. Каждый столбец имеет уникальное имя в пределах таблицы.

6. Таблица не может содержать двух идентичных (одинаковых) строк.

7. Порядок следования столбцов и строк не имеет значения.

Терминология реляционной модели БД:

Социальная группа	Параметр 1	Параметр 2	Параметр 3
Теоретики БД:	таблица	строка	столбец
Разработчики модели БД:	отношение	кортеж	атрибут
Программисты:	файл	запись	поле

Ключ – один или несколько столбцов отношения, идентифицирующих строку. Уникальный ключ однозначно определяет одну-единственную строку. Неуникальный ключ может указывать на несколько строк. Композитный ключ – ключ, построенный на двух или более атрибутах. Первичный ключ представляет сущности таблицы во всех ее связях. Для обеспечения быстрого доступа к данным по значению первичного ключа строятся индексы. Суррогатные ключи – искусственные ключи, не имеющие отношения к характеристикам сущности.

При изменении данных в таблицах отношений могут возникать ситуации, называемые «аномалиями модификации». Аномалия удаления возникает тогда, когда при удалении строки из отношения теряется информация о двух и более сущностях. Аномалия вставки проявляется в том, что при вставке новой строки необходимо добавить информацию о двух и более сущностях.

Классический подход к проектированию реляционных баз данных

Классическое решение задачи проектирования реляционной базы данных заключается в обоснованном принятии решений о том, из каких отношений должна состоять БД и какие атрибуты должны быть у этих отношений.

При проектировании базы данных решают две основных проблемы:

1. Проблему логического проектирования баз данных. Каким образом следует отобразить объекты предметной области в абстрактные объекты модели данных, чтобы это отображение не противоречило структуре предметной области и было эффективным и удобным для использования.

2. Проблему физического проектирования баз данных. Как обеспечить эффективность выполнения запросов к базе данных (т.е. как с учетом особенностей конкретной СУБД, расположить данные во внешней памяти, разложить их на отдельные файлы и дополнительные структуры (например, индексы), чтобы повысить скорость работы с информацией, в том числе и при множественном доступе).

Технологически, рассматриваемый подход к процессу проектирования логической модели БД осуществляется следующим образом:

1. На основе имеющихся представлений о предметной области в виде одного или нескольких отношений, предлагается некоторый набор возможных схем отношений, обладающих наилучшими свойствами с точки зрения разработчика.

2. Осуществляется анализ предложенных схем и производится выбор наиболее удачной схемы, которая станет приоритетной и будет использована за основу при разработке БД.

3. Выбранная модель данных подвергается процессу нормализации имеющихся отношений путем последовательных приближений к удовлетворительному набору схем отношений. При этом каждая следующая нормальная форма описания отношений в схеме должна обладать более лучшими свойствами, чем предыдущая.

Каждой нормальной форме, в которой могут находиться отношения БД, соответствует определенный набор ограничений. Отношение находится в некоторой нормальной форме, если удовлетворяет свойственному ей набору ограничений. Отношение в первой нормальной форме является базовым для классической реляционной модели данных, и соответствует тем требованиям, которые были впервые сформулированы Э.Ф.Коддом.

В теории реляционных баз данных определена следующая последовательность нормальных форм: первая нормальная форма (1NF); вторая нормальная форма (2NF); третья нормальная форма (3NF); нормальная форма Бойса-Кодда (BCNF); четвертая нормальная форма (4NF); пятая нормальная форма, или нормальная форма проекции-соединения (5NF или PJ/NF).

Метод нормализации основан на декомпозиции отношения, находящегося в предыдущей нормальной форме на два или более отношения, каждое из которых удовлетворяет требованиям новой нормальной формы. При этом соблюдаются следующие требования:

1. Каждая следующая нормальная форма устраняет недостатки предшествующей и совершенствует модель отношений.

2. Каждая следующая нормальная форма сохраняет свойства предыдущих нормальных форм.

Процесс нормализации отношений базируется на фундаментальном в теории реляционных баз данных понятии функциональной зависимости между атрибутами.

Функциональные зависимости

Функциональная зависимость

В отношении R атрибут Y функционально зависит от атрибута X (X и Y могут быть составными) в том и только в том случае, если каждому значению X соответствует в точности одно значение Y: R.X --> R.Y.

Поле В таблицы отношения функционально зависит от поля А той же таблицы в том и только в том случае, когда в любой заданный момент времени для каждого из различных значений поля А обязательно существует только одно из различных значений поля В.

Полная функциональная зависимость

Функциональная зависимость R.X --> R.Y называется полной, если атрибут Y не зависит функционально от любого точного подмножества X.

Поле В находится в полной функциональной зависимости от составного поля А, если оно функционально зависит от А и не зависит функционально от любого подмножества поля А.

Транзитивная функциональная зависимость

Функциональная зависимость R.X --> R.Y называется транзитивной, если существует такой атрибут Z, что имеются функциональные зависимости R.X --> R.Z и R.Z --> R.Y и отсутствует функциональная зависимость R.Z --> R.X.

Неключевой атрибут

Неключевым атрибутом называется любой атрибут отношения, не входящий в состав ключа (в частности, первичного).

Взаимно независимые атрибуты

Два или более атрибута взаимно независимы, если ни один из этих атрибутов не является функционально зависимым от других.

Многозначные зависимости

В отношении R (A, B, C) существует многозначная зависимость R.A -->> R.B в том и только том случае, если множество значений B, соответствующее паре значений A и C, зависит только от A и не зависит от С.

Поле А многозначно определяет поле В той же таблицы, если для каждого значения поля А существует хорошо определенное множество соответствующих значений В.

Основные принципы нормализации

Классический подход к проектированию реляционных баз данных основывается на декомпозиции отношений с целью их нормализации.

1. Первая нормальная форма (1НФ)

Отношение R находится в первой нормальной форме (1НФ), когда оно удовлетворяет требованиям, сформулированным к понятию «отношения», т.е., в ячейках этой таблицы содержатся одиночные значения, столбец имеет в пределах таблицы уникальное имя и единый тип данных, нет повторяющихся строк.

2. Вторая нормальная форма

Отношение R находится во второй нормальной форме (2НФ) в том случае, когда находится в 1НФ, и каждый из неключевых атрибутов полностью зависит от всего ключа.

Табл.1. СЕКЦИИ (КодСтудента, Секция, Плата)

КодСтудента	Секция	Плата
110	плавание	150
110	футбол	110
111	волейбол	120
111	плавание	150
122	бокс	100
112	шахматы	100

Первая нормальная форма подвержена аномалиям вставки и удаления. Так, для табл.1 при удалении студента «122 » будет потеряна информация о плате в секции «бокс » и нельзя ввести данные о новой секции, пока в нее не будет записан студент. Основной причиной возникновения аномалий является функциональная зависимость атрибутов не от всего ключа, а только от его части. В данном случае Плата зависит только от Секции (Секция->Плата).

3. Третья нормальная форма

Отношение R находится в третьей нормальной форме (3НФ), если находится во 2НФ и каждый неключевой атрибут не является транзитивно зависимым от первичного ключа.

Табл.2. ПРОЖИВАНИЕ (КодСтудента, Общежитие, Плата)

КодСтудента	Общежитие	Плата
100	№9	120
110	№4	110
111	№9	120
121	№4	110
132	№8	100
142	№5	100

Для табл.2 также при удалении студента с кодом «142 » будет потеряна информация о плате в общежитии «№5 » и нельзя ввести данные по отсутствующему общежитию, пока не будет добавлен студент. В данном случае имеют место функциональные зависимости КодСтудента→Общежитие и Общежитие→Плата, образуя транзитивную зависимость КодСтудента→Общежитие→Плата.

Основной причиной возникновения аномалий является транзитивная зависимость неключевых атрибутов от первичного ключа.

УСТРАНЕНИЕ: декомпозиция отношения на два новых отношения СТУДЕНТ-ПРОЖИВАНИЕ (КодСтудента, Общежитие) и ОБЩЕЖИТИЕ-ПЛАТА (Общежитие, Плата)

На практике третья нормальная форма схем отношений достаточна в большинстве случаев, и приведением к третьей нормальной форме процесс проектирования реляционной базы данных обычно заканчивается. Однако иногда полезно продолжить процесс нормализации.

4. Нормальная форма Бойса-Кодда

Отношение R находится в нормальной форме Бойса-Кодда (БКНФ) в том и только в том случае, если каждый детерминант является возможным ключом.

Табл.3. НаучныйРуководитель (КодСтудента, УчебныйКурс, Преподаватель)

КодСтудента	УчебныйКурс	Преподаватель
100	Физика	Бойль
110	Химия	Клапейрон
111	Физика	Мариотт
121	Физика	Бойль
133	Биология	Дарвин
133	Химия	Клапейрон

Требования к отношению «НаучныйРуководитель» :

1. Студент может посещать один или несколько учебных курсов.

2. На учебном курсе может быть несколько преподавателей.

3. Каждый преподаватель может осуществлять научное руководство над студентом только в рамках одного учебного курса.

Определение: Детерминант – любой атрибут, от которого полностью функционально зависит некоторый другой атрибут.

Для табл.3: при удалении студента с кодом «133 » будет потеряна информация об учебном курсе «Биология » и нельзя ввести данные по отсутствующему учебному курсу, пока не будет добавлен студент.