4.4.2. Проектирование реляционных баз данных на основе принципов нормализации
Итак, классический подход к проектированию реляционных баз данных основывается на декомпозиции отношений с целью их нормализации.
4.4.2.1. Вторая нормальная форма
Рассмотрим следующий пример схемы отношения:
СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ (СОТР_НОМЕР, СОТР_ЗАРП, ОТД_НОМЕР,
ПРО_НОМЕР, СОТР_ЗАДАН)
Это отношение связывает уникальный номер сотрудника с размером его заработной платы, номером отдела, в котором работает сотрудник, номером проекта, в котором участвует сотрудник, и номером задания, выполняемого сотрудником в рамках этого проекта.
Первичный ключ:
СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР
Функциональные зависимости:
СОТР_НОМЕР --> СОТР_ЗАРП
СОТР_НОМЕР --> ОТД_НОМЕР
ОТД_НОМЕР --> СОТР_ЗАРП
СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР --> СОТР_ЗАДАН
Как видно, хотя первичным ключом является составной атрибут СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР, атрибуты СОТР_ЗАРП и ОТД_НОМЕР функционально зависят от части первичного ключа, атрибута СОТР_НОМЕР. В результате мы не сможем вставить в отношение СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ кортеж, описывающий сотрудника, который еще не выполняет никакого проекта (первичный ключ не может содержать неопределенное значение). При удалении кортежа мы не только разрушаем связь данного сотрудника с данным проектом, но утрачиваем информацию о том, что он работает в некотором отделе. При переводе сотрудника в другой отдел мы будем вынуждены модифицировать все кортежи, описывающие этого сотрудника, или получим несогласованный результат. Такие неприятные явления называются аномалиями схемы отношения. Они устраняются путем нормализации.
Определение 6: Вторая нормальная форма
(В этом определении предполагается, что единственным ключом отношения является первичный ключ.)
Отношение R находится во второй нормальной форме (2NF) в том и только в том случае, когда находится в 1NF, и каждый неключевой атрибут полностью зависит от первичного ключа.
Можно произвести следующую декомпозицию отношения СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ в два отношения СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ и СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ:
СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ (СОТР_НОМЕР, СОТР_ЗАРП, ОТД_НОМЕР)
Первичный ключ:
СОТР_НОМЕР
Функциональные зависимости:
СОТР_НОМЕР --> СОТР_ЗАРП
СОТР_НОМЕР --> ОТД_НОМЕР
ОТД_НОМЕР --> СОТР_ЗАРП
СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ (СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР, СОТР_ЗАДАН)
Первичный ключ:
СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР
Функциональные зависимости:
СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР --> CОТР_ЗАДАН
Каждое из этих двух отношений находится в 2NF, и в них устранены отмеченные выше аномалии (легко проверить, что все указанные операции выполняются без проблем).
Если допустить наличие нескольких ключей, то определение 6 примет следующий вид:
Определение 6: Отношение R находится во второй нормальной форме (2NF) в том и только в том случае, когда находится в 1NF и каждый неключевой атрибут полностью зависит от каждого ключа R.
Здесь и далее мы не будем приводить примеры для отношений с несколькими ключами. Они слишком громоздки и относятся к ситуациям, редко встречающимся на практике.
4.4.2.2. Третья нормальная форма
Рассмотрим еще раз отношение СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ, находящееся в 2NF. Заметим, что функциональная зависимость СОТР_НОМЕР --> СОТР_ЗАРП является транзитивной; она является следствием функциональных зависимостей СОТР_НОМЕР --> ОТД_НОМЕР и ОТД_НОМЕР --> СОТР_ЗАР. Другими словами, заработная плата сотрудника на самом деле является характеристикой не сотрудника, а отдела, в котором он работает (это не очень естественное предположение, но достаточное для примера).
В результате мы не сможем занести в базу данных информацию, характеризующую заработную плату отдела, до тех пор, пока в этом отделе не появится хотя бы один сотрудник (первичный ключ не может содержать неопределенное значение). При удалении кортежа, описывающего последнего сотрудника данного отдела, мы лишимся информации о заработной плате отдела. Чтобы согласованным образом изменить заработную плату отдела, мы будем вынуждены предварительно найти все кортежи, описывающие сотрудников этого отдела. Т.е. в отношении СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ по-прежнему существуют аномалии. Их можно устранить путем дальнейшей нормализации.
Определение 7: Третья нормальная форма
(Снова определение дается в предположении существования единственного ключа.)
Отношение R находится в третьей нормальной форме (3NF) в том и только в том случае, если находится в 1NF и каждый неключевой атрибут не является транзитивно зависимым от первичного ключа.
Можно произвести декомпозицию отношения СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ в два отношения СОТРУДНИКИ и ОТДЕЛЫ:
СОТРУДНИКИ (СОТР_НОМЕР, ОТД_НОМЕР)
Первичный ключ:
СОТР_НОМЕР
Функциональные зависимости:
СОТР_НОМЕР --> ОТД_НОМЕР
ОТДЕЛЫ (ОТД_НОМЕР, СОТР_ЗАРП)
Первичный ключ:
ОТД_НОМЕР
Функциональные зависимости:
ОТД_НОМЕР --> СОТР_ЗАРП
Каждое из этих двух отношений находится в 3NF и свободно от отмеченных аномалий.
Если отказаться от того ограничения, что отношение обладает единственным ключом, то определение 3NF примет следующую форму:
Определение 7~: Отношение R находится в третьей нормальной форме (3NF) в том и только в том случае, если находится в 1NF, и каждый неключевой атрибут не является транзитивно зависимым от какого-либо ключа R.
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.
4.4.2.3. Нормальная форма Бойса-Кодда
Рассмотрим следующий пример схемы отношения:
СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ (СОТР_НОМЕР, СОТР_ИМЯ, ПРО_НОМЕР, СОТР_ЗАДАН)
Возможные ключи:
СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР
СОТР_ИМЯ, ПРО_НОМЕР
Функциональные зависимости:
СОТР_НОМЕР --> CОТР_ИМЯ
СОТР_НОМЕР --> ПРО_НОМЕР
СОТР_ИМЯ --> CОТР_НОМЕР
СОТР_ИМЯ --> ПРО_НОМЕР
СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР --> CОТР_ЗАДАН
СОТР_ИМЯ, ПРО_НОМЕР --> CОТР_ЗАДАН
В этом примере мы предполагаем, что личность сотрудника полностью определяется как его номером, так и именем (это снова не очень жизненное предположение, но достаточное для примера).
В соответствии с определением 7~ отношение СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ находится в 3NF. Однако тот факт, что имеются функциональные зависимости атрибутов отношения от атрибута, являющегося частью первичного ключа, приводит к аномалиям. Например, для того, чтобы изменить имя сотрудника с данным номером согласованным образом, нам потребуется модифицировать все кортежи, включающие его номер.
Определение 8: Детерминант
Детерминант - любой атрибут, от которого полностью функционально зависит некоторый другой атрибут.
Определение 9: Нормальная форма Бойса-Кодда
Отношение R находится в нормальной форме Бойса-Кодда (BCNF) в том и только в том случае, если каждый детерминант является возможным ключом.
Очевидно, что это требование не выполнено для отношения СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ. Можно произвести его декомпозицию к отношениям СОТРУДНИКИ и СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ:
СОТРУДНИКИ (СОТР_НОМЕР, СОТР_ИМЯ)
Возможные ключи:
СОТР_НОМЕР СОТР_ИМЯ
Функциональные зависимости:
СОТР_НОМЕР --> CОТР_ИМЯ
СОТР_ИМЯ --> СОТР_НОМЕР
СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ (СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР, СОТР_ЗАДАН)
Возможный ключ:
СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР
Функциональные зависимости:
СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР --> CОТР_ЗАДАН
Возможна альтернативная декомпозиция, если выбрать за основу СОТР_ИМЯ. В обоих случаях получаемые отношения СОТРУДНИКИ и СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ находятся в BCNF, и им не свойственны отмеченные аномалии.
4.4.2.4. Четвертая нормальная форма
Рассмотрим пример следующей схемы отношения:
ПРОЕКТЫ (ПРО_НОМЕР,ПРО_СОТР, ПРО_ЗАДАН)
Отношение ПРОЕКТЫ содержит номера проектов, для каждого проекта список сотрудников, которые могут выполнять проект, и список заданий, предусматриваемых проектом. Сотрудники могут участвовать в нескольких проектах, и разные проекты могут включать одинаковые задания.
Каждый кортеж отношения связывает некоторый проект с сотрудником, участвующим в этом проекте, и заданием, который сотрудник выполняет в рамках данного проекта (мы предполагаем, что любой сотрудник, участвующий в проекте, выполняет все задания, предусмотренные этим проектом). По причине сформулированных выше условий единственным возможным ключом отношения является составной атрибут ПРО_НОМЕР, ПРО_СОТР, ПРО_ЗАДАН, и нет никаких других детерминантов. Следовательно, отношение ПРОЕКТЫ находится в BCNF. Но при этом оно обладает недостатками: если, например, некоторый сотрудник присоединяется к данному проекту, необходимо вставить в отношение ПРОЕКТЫ столько кортежей, сколько заданий в нем предусмотрено.
Определение 10: Многозначные зависимости
В отношении R (A, B, C) существует многозначная зависимость R.A -->> R.B в том и только в том случае, если множество значений B, соответствующее паре значений A и C, зависит только от A и не зависит от С.
В отношении ПРОЕКТЫ существуют следующие две многозначные зависимости:
ПРО_НОМЕР -->> ПРО_СОТР
ПРО_НОМЕР -->> ПРО_ЗАДАН
Легко показать, что в общем случае в отношении R (A, B, C) существует многозначная зависимость R.A -->> R.B в том и только в том случае, когда существует многозначная зависимость R.A -->> R.C.
Дальнейшая нормализация отношений, подобных отношению ПРОЕКТЫ, основывается на следующей теореме:
Теорема Фейджина
Отношение R (A, B, C) можно спроецировать без потерь в отношения R1 (A, B) и R2 (A, C) в том и только в том случае, когда существует MVD A -->> B C.
Под проецированием без потерь понимается такой способ декомпозиции отношения, при котором исходное отношение полностью и без избыточности восстанавливается путем естественного соединения полученных отношений.
Определение 11: Четвертая нормальная форма
Отношение R находится в четвертой нормальной форме (4NF) в том и только в том случае, если в случае существования многозначной зависимости A -->> B все остальные атрибуты R функционально зависят от A.
В нашем примере можно произвести декомпозицию отношения ПРОЕКТЫ в два отношения ПРОЕКТЫ-СОТРУДНИКИ и ПРОЕКТЫ-ЗАДАНИЯ:
ПРОЕКТЫ-СОТРУДНИКИ (ПРО_НОМЕР, ПРО_СОТР)
ПРОЕКТЫ-ЗАДАНИЯ (ПРО_НОМЕР, ПРО_ЗАДАН)
Оба эти отношения находятся в 4NF и свободны от отмеченных аномалий.
4.4.2.5. Пятая нормальная форма
Во всех рассмотренных до этого момента нормализациях производилась декомпозиция одного отношения в два. Иногда это сделать не удается, но возможна декомпозиция в большее число отношений, каждое из которых обладает лучшими свойствами.
Рассмотрим, например, отношение
СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ (СОТР_НОМЕР, ОТД_НОМЕР, ПРО_НОМЕР)
Предположим, что один и тот же сотрудник может работать в нескольких отделах и работать в каждом отделе над несколькими проектами. Первичным ключом этого отношения является полная совокупность его атрибутов, отсутствуют функциональные и многозначные зависимости.
Поэтому отношение находится в 4NF. Однако в нем могут существовать аномалии, которые можно устранить путем декомпозиции в три отношения.
Определение 12: Зависимость соединения
Отношение R (X, Y, ..., Z) удовлетворяет зависимости соединения * (X, Y, ..., Z) в том и только в том случае, когда R восстанавливается без потерь путем соединения своих проекций на X, Y, ..., Z.
Определение 13: Пятая нормальная форма
Отношение R находится в пятой нормальной форме (нормальной форме проекции-соединения - PJ/NF) в том и только в том случае, когда любая зависимость соединения в R следует из существования некоторого возможного ключа в R.
Введем следующие имена составных атрибутов:
СО = {СОТР_НОМЕР, ОТД_НОМЕР}
СП = {СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР}
ОП = {ОТД_НОМЕР, ПРО_НОМЕР}Предположим, что в отношении СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ существует зависимость соединения:
* (СО, СП, ОП)
На примерах легко показать, что при вставках и удалениях кортежей могут возникнуть проблемы. Их можно устранить путем декомпозиции исходного отношения в три новых отношения:
СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ (СОТР_НОМЕР, ОТД_НОМЕР)
СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ (СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР)
ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ (ОТД_НОМЕР, ПРО_НОМЕР)
Пятая нормальная форма - это последняя нормальная форма, которую можно получить путем декомпозиции. Ее условия достаточно нетривиальны, и на практике 5NF не используется. Заметим, что зависимость соединения является обобщением как многозначной зависимости, так и функциональной зависимости.
Друзья! Приглашаем вас к обсуждению. Если у вас есть своё мнение, напишите нам в комментарии.