關(guān)系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化設(shè)計(jì)(ch4)課件

1、第四章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化設(shè)計(jì)第4章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化設(shè)計(jì) 關(guān)系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化設(shè)計(jì)是指如何選擇一個(gè) 比較好的關(guān)系模式集合. 規(guī)范化設(shè)計(jì)理論主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容： 數(shù)據(jù)依賴、范式和模式設(shè)計(jì)方法. 其中數(shù)據(jù)依賴起著核心的作用. 數(shù)據(jù)依賴研究 數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，范式是關(guān)系模式的標(biāo)準(zhǔn). 規(guī)范化設(shè)計(jì)理論對關(guān)系數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)起 著重要的作用.4.1.1 關(guān)系模型的外延和內(nèi)涵外延就是通常所說的關(guān)系、表或當(dāng)前值. 由于用戶經(jīng)常對關(guān)系進(jìn)行插入、刪除和修改操作，因此外延是與時(shí)間有關(guān)的，隨著時(shí)間的推移在不斷變化.內(nèi)涵是與時(shí)間獨(dú)立的，是對數(shù)據(jù)的定義以及數(shù)據(jù)完整性約束的定義. 對數(shù)據(jù)的定義包括對關(guān)系、屬性、域的定義

2、和說明.對數(shù)據(jù)完整性約束的定義涉及面較廣，主要包括以下幾個(gè)方面：靜態(tài)約束: 涉及到數(shù)據(jù)之間聯(lián)系（稱為“數(shù)據(jù)依賴”）、主鍵和值域的設(shè)計(jì).動(dòng)態(tài)約束: 定義各種操作（插入、刪除、修改）對關(guān)系值的影響. 4.1.2 關(guān)系模式的冗余和異常問題例4.1 TNAMEADDRESSC#CNAMEt1a1c1n1t1a1c2n2t1a1c3n3t2a2c4n4t2a2c5n2t3a3c6n4 數(shù)據(jù)冗余 如果一個(gè)教師教幾門課程，那么這個(gè)教師的地址就要重復(fù)存儲(chǔ)幾次。4.1.2 關(guān)系模式的冗余和異常問題操作異常修改異常 如教師t1教三門課程，在關(guān)系中就會(huì)有三個(gè)元組. 如果他的地址變了，這三個(gè)元組中的地址都要改變. 若

3、有一個(gè)元組中的地址未更改，就會(huì)造成這個(gè)教師的地址不惟一.插入異常 如果一個(gè)教師剛調(diào)來，尚未分派教學(xué)任務(wù)，那么要將教師的姓名和地址存儲(chǔ)到關(guān)系中去時(shí)，在屬性C#和CNAME上將為空值.刪除異常 如果要取消教師t3的教學(xué)任務(wù)，那么就要把這個(gè)教師的元組刪去，同時(shí)也把t3的地址信息從表中刪去了.4.1.3 關(guān)系模式的非形式化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 關(guān)系模式的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能只包含有直接聯(lián)系的屬性，不要包 含有間接聯(lián)系的屬性. 關(guān)系模式的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能使得相應(yīng)關(guān)系中不出現(xiàn)插入、刪除 和修改等操作異?，F(xiàn)象。如果出現(xiàn)異常，則要清楚地加以說 明，并確保更新數(shù)據(jù)庫的操作正確. 關(guān)系模式的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能使得相應(yīng)關(guān)系中避免放置經(jīng)常為空 值

4、的屬性 . 關(guān)系模式的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能使得關(guān)系的等值連接在主鍵和外鍵 的屬性上進(jìn)行，并且保證連接以后不會(huì)生成額外的元組. 4.2 函數(shù)依賴 規(guī)范化 規(guī)范化理論正是用來改造關(guān)系模式，通過分解關(guān)系模式來消除其中不合適的數(shù)據(jù)依賴，以解決插入異常、刪除異常、更新異常和數(shù)據(jù)冗余問題。 4.2.1 函數(shù)依賴的定義（一） 定義4.1 設(shè)有關(guān)系模式 R(U)，X 和 Y 是屬性集 U 的子集， 函數(shù)依賴是形為 XY 的一個(gè)命題， 只要 r 是 R 的當(dāng)前關(guān)系，對 r 中任意兩個(gè)元組 t 和 s，都有 tX=sX蘊(yùn)涵 tY=sY，那么稱FD XY在關(guān)系模式R (U)中成立. “X函數(shù)確定Y” 或 “Y函數(shù)依賴于X”

5、，記作XY.4.2.1 函數(shù)依賴的定義（二）例4.2 ABCDABCDa1b1c1d1a1b1c1d1a1b1c2d2a1b2c2d2a2b2c3d3a2b2c3d3a3b1c4d4a3b2c4d4圖 關(guān)系模式R 的兩個(gè)關(guān)系 函數(shù)依賴的說明: 1. 函數(shù)依賴不是指關(guān)系模式R的某個(gè)或某些關(guān)系實(shí)例滿足的約束條件，而是指R的所有關(guān)系實(shí)例均要滿足的約束條件。2. 函數(shù)依賴是語義范疇的概念。只能根據(jù)數(shù)據(jù)的語義來確定函數(shù)依賴。 例如“姓名年齡”這個(gè)函數(shù)依賴只有在不允許有同名人的條件下成立3. 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)者可以對現(xiàn)實(shí)世界作強(qiáng)制的規(guī)定。如 規(guī)定不允許同名人出現(xiàn)，函數(shù)依賴“姓名年齡”成立。所插入的元組必須滿足規(guī)

6、定的函數(shù)依賴，若發(fā)現(xiàn)有同名人存在， 則拒絕裝入該元組。定義4.2 如果XY和YX同時(shí)成立，則可記為XY. 即在關(guān)系中，X值和Y值具有一一對應(yīng)關(guān)系.4.2.1 函數(shù)依賴的定義（四）例4.3 設(shè)有關(guān)系模式R(ABCD)，在R的關(guān)系中，屬性值有這樣 的聯(lián)系：A值與B值有一對多聯(lián)系，C值與D值之間有一 對一聯(lián)系，試根據(jù)這些規(guī)則寫出相應(yīng)的函數(shù)依賴.B A, C D, D C4.2.2 FD的邏輯蘊(yùn)涵定義4.3 設(shè)F是在關(guān)系模式R上成立的函數(shù)依賴的集合，XY是一個(gè)函數(shù)依賴。如果對于R的每個(gè)滿足F的關(guān)系r也滿足XY，那么稱F邏輯蘊(yùn)涵XY，記為： F XY.定義4.4 設(shè)F是函數(shù)依賴集，被 F 邏輯蘊(yùn)涵的函數(shù)

7、依賴全體構(gòu)成的集合，稱為函數(shù)依賴集F的閉包（closure），記為F+.即 F+= XY |記為FXY. 4.2.3 FD的推理規(guī)則（二）定理4.1 FD推理規(guī)則A1、A2和A3是正確的.即：如果XY是從F用推理規(guī)則導(dǎo)出的，那么 XY在F+中. 定理4.2 FD的其他5條推理規(guī)則：A4（合并性，Union）：XY , XZ XYZ A5（分解性，Decomposition）：XY , ZY XZ A6（偽傳遞性）：XY , WYZ WXZ A7（復(fù)合性，Reflexivity）：XY , WZ XWYZ A8（通用一致性定理)：XY , WZ X(W-Y)YZ 平凡函數(shù)依賴與非平凡函數(shù)依賴 定

8、義4.5 在關(guān)系模式R(U)中，對于U的子集X和Y，如果XY，但Y X，則稱XY是非平凡的FD若XY，但Y X, 則稱XY是平凡的FD例：在關(guān)系SC(Sno, Cno, Score)中， 非平凡函數(shù)依賴： (Sno, Cno) Score 平凡函數(shù)依賴： (Sno, Cno) Sno (Sno, Cno) Cno4.2.4 FD和關(guān)鍵碼的聯(lián)系定義4.6 設(shè)關(guān)系模式R的屬性集是U，X是U的一個(gè)子集.如果XU在R上成立，那么稱X是R的一個(gè)超鍵.如果XU在R上成立，但對于X的任一真子集X1都有X1U不成立，那么稱X是R上的一個(gè)候選鍵.本章的鍵都是指候選鍵FD和關(guān)鍵碼的聯(lián)系例4.6 在學(xué)生選課、教師任

9、課的關(guān)系模式中：R（S#，SNAME，C#，SCORE，CNAME，TNAME，TITLE） 如果規(guī)定：每個(gè)學(xué)生每學(xué)一門課只有一個(gè)成績；每個(gè)學(xué)生只有一個(gè)姓名；每個(gè)課程號只有一個(gè)課程名；每門課程只有一個(gè)任課教師. 根據(jù)這些規(guī)則，可以知道（S#，C#）能函數(shù)決定R的全部屬性，并且是一個(gè)候選鍵。雖然（S#，SNAME，C#，TNAME）也能函數(shù)決定R的全部屬性，但相比之下，只能說是一個(gè)超鍵，而不能說是候選鍵，因?yàn)槠渲泻卸嘤鄬傩浴?4.3 關(guān)系模式的分解特性把低一級的關(guān)系模式分解為若干個(gè)高一級的關(guān)系模式只有能夠保證分解后的關(guān)系模式與原關(guān)系模式等價(jià)，分解方法才有意義關(guān)系模式分解的標(biāo)準(zhǔn)： 分解具有無損連

10、接性 分解要保持函數(shù)依賴 分解既要保持函數(shù)依賴，又要具有無損連接性4.3.2 無損分解（一）例4.9rCC4343rABCr1AB2A111111112112圖 未丟失信息的分解 （b）（c）（a） rABCr1ABr2AC r1r2AB1141114111231213111212（a）（b）（c）（d）圖 丟失信息的分解 4.3.3 無損分解的測試方法（二）a4a3b32b31CDb24a3a2b21BCb14b13a2a1ABDCBAa4a3b32b31CDa4a3a2a1BCb14b13a2a1ABDCBA圖4.12 算法4.3的運(yùn)用示意圖（一） （a） 初始表格 （a） 修改后的表格

11、a4a3b32b31CDb24a3a2b21BCb14b13a2a1ABDCBAa4a3b32b31CDa4a3a2b1BCb14b13a2b1ABDCBA（a） 初始表格 （a） 修改后的表格 圖4.13 算法4.3的運(yùn)用示意圖（二） 4.3.3 無損分解的測試方法（三）定理4.8 如果FD XY在模式R上成立，且XY=，那么R分解成=RY，XY 是無損分解.4.4 關(guān)系模式的范式關(guān)系模式的好與壞，用什么標(biāo)準(zhǔn)衡量？ 這標(biāo)準(zhǔn)就是模式的范式（Normal Forms，簡記為NF）.范式是符合某一種級別的關(guān)系模式的集合.關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系必須滿足一定的要求. 滿足不同程度要求的為不同范式.基于FD

12、的范式有1NF、2NF、3NF、BCNF等多種.1NF是關(guān)系模式的基礎(chǔ)；2NF已成為歷史，一般不再提及；數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中最常用的是3NF和BCNF.4.4.1 第一范式（1NF）定義4.13 如果關(guān)系模式R的每個(gè)關(guān)系r的屬性值都是不可分的原子值，那么稱R是第一范式（first normal form，簡記為1NF）的模式。滿足1NF的關(guān)系稱為規(guī)范化的關(guān)系，否則稱為非規(guī)范化的關(guān)系。例如: 關(guān)系模式R(NAME，ADDRESS，PHONE)， 如果一個(gè)人有兩個(gè)電話號碼（PHONE），那么在關(guān)系中至少要出現(xiàn)兩個(gè)元組，以便存儲(chǔ)這兩個(gè)號碼。1NF是關(guān)系模式應(yīng)具備的最起碼的條件 4.4.2 第二范式（2NF）

13、（一）定義4.14 對于FD WA，如果存在XW有XA成立，那么稱WA是局部依賴（A局部依賴于W）；否則稱WA是完全依賴。 完全依賴也稱為“左部不可約依賴”.如果A是關(guān)系模式R的候選鍵中屬性，那么稱A是R的主屬性；否則稱A是R的非主屬性.定義4.16 如果關(guān)系模式R是1NF，且每個(gè)非主屬性完全函數(shù)依賴于候選鍵，那么稱R是第二范式（2NF）的模式. 第二范式（2NF）（二）例: R（S#，C#，SCORE，T#，TITLE） （S#，C#）是R的候選鍵。 R上有兩個(gè)FD： （S#，C#）（SCORE, T#，TITLE）, C#（T#，TITLE）. C# S# SCORE T# TITLE非主

14、屬性 T# 和 TITLE 局部函數(shù)依賴于碼(S, C)第二范式（2NF）（三） 因此前一個(gè)FD是局部依賴，R不是2NF模式. 此時(shí)R的關(guān)系就會(huì)出現(xiàn)冗余和異常現(xiàn)象.數(shù)據(jù)冗余度大、插入異常、刪除異常、修改復(fù)雜. 如果把R分解成 R1（C#，T#，TITLE） R2（S#，C#，SCORE）第二范式（2NF）（四） 局部依賴（S#，C#）（T#，TITLE）就消失了. R1和R2都是2NF模式. S#C#ScoreR2R1C#T#TITLE思考：如何分解模式至第二范式？第二范式（2NF）（五）分解成2NF模式集的算法:設(shè)關(guān)系模式R（U），主鍵是W，R上還存在FD XZ，并且Z是非主屬性和XW，那么

15、WZ就是一個(gè)局部依賴。此時(shí)應(yīng)把R分解成兩個(gè)模式R1（XZ），主鍵是X；（存在FD XZ ）R2（Y），其中Y=U-Z， 主鍵仍是W，外鍵是X（REFERENCES R1）。利用外鍵和主鍵的聯(lián)接可以從R1和R2重新得到R.如果R1和R2還不是2NF，則重復(fù)上述過程，一直到數(shù)據(jù)庫模式中每一個(gè)關(guān)系模式都是2NF為止. 4.4.3 第三范式（3NF）（一）定義4.17 如果XY，YA，且YX和 AY，那么稱XA是傳遞依賴（A傳遞依賴于X）.定義4.18 如果關(guān)系模式R是1NF，且每個(gè)非主屬性都不傳遞依賴于R的候選鍵，那么稱R是第三范式（3NF）的模式。如果數(shù)據(jù)庫模式中每個(gè)關(guān)系模式都是3NF，則稱其為3

16、NF的數(shù)據(jù)庫模式 .第三范式（3NF）（二）若存在函數(shù)依賴 C#T# 和 T#TITLE，那么C#TITLE 就是一個(gè)傳遞依賴，即R1不是3NF模式.此時(shí)R1的關(guān)系中也會(huì)出現(xiàn)冗余和異常操作。譬如一個(gè)教師開設(shè)五門課程，那么關(guān)系中就會(huì)出現(xiàn)五個(gè)元組，教師的地址就會(huì)重復(fù)五次.R1C#T#TITLE第三范式（3NF）（三）如果把R1分解成R11 （C#，T#） 和R12 （T#，TITLE）后，C#TITLE就不會(huì)出現(xiàn)在R11和R12中。這樣R11和R12都是3NF模式。C#T#R11T#TITLER12思考：如何分解模式至第三范式？第三范式（3NF）（四）分解成3NF模式集的算法設(shè)關(guān)系模式R（U），主

17、鍵是W，R上還存在FD XZ. 并且Z是非主屬性，ZX，X不是候選鍵，這樣WZ就是一個(gè)傳遞依賴。此時(shí)應(yīng)把R分解成兩個(gè)模式：R1(XZ)，主鍵是X； R2(Y),其中Y=U-Z, 主鍵仍是W, 外鍵是X(REFERENCES R1).利用外鍵和主鍵相匹配機(jī)制，R1和R2通過聯(lián)接可以重新得到R.如果R1和R2還不是3NF，則重復(fù)上述過程，一直到數(shù)據(jù)庫模式中每一個(gè)關(guān)系模式都是3NF為止. 第三范式（3NF）（五）若R3NF，則R的每一個(gè)非主屬性既不局部函數(shù)依賴于候選碼也不傳遞依賴于候選碼.如果R3NF，則R也是2NF.定義4.22 設(shè)關(guān)系模式R，當(dāng)R上每一個(gè)FD XY滿足下列三個(gè)條件之一時(shí)：YXX是R的超鍵Y是主屬性. 關(guān)系模式R就是3NF模式. 規(guī)范化（小結(jié)）關(guān)系模式規(guī)范化的基本步驟 1NF 消除非主屬性對碼的局部函數(shù)依賴消除決定屬性 2NF集非碼的非平 消除非主屬性對碼的傳遞函數(shù)依賴凡函數(shù)依賴 3NF 消除主屬性對碼的局部和傳遞函數(shù)依賴 BCNF 規(guī)范化的基本思想 消除不合適的數(shù)據(jù)依賴