《數(shù)據(jù)庫原理及MySQL應(yīng)用（微課版）》課件 第3章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論

《數(shù)據(jù)庫原理及MYQL應(yīng)用》課程第2章

關(guān)系模型及關(guān)系運算教學(xué)內(nèi)容1關(guān)系規(guī)范化理論2規(guī)范化實例3數(shù)據(jù)庫設(shè)計的步驟4小結(jié)教學(xué)內(nèi)容1關(guān)系規(guī)范化理論2規(guī)范化實例3數(shù)據(jù)庫設(shè)計的步驟4小結(jié)>>內(nèi)容回顧E-R模型進行數(shù)據(jù)建?！D(zhuǎn)換為關(guān)系模型（關(guān)系模式）例如：已知一個教師授課的關(guān)系模式TDC，如下：TDC（Tno,Tname,Title,Dno,Dname,Loc,Cno,Cname,Level,Credit）其中各屬性分別表示教師編號、教師姓名、教師職稱、系別

、系名、系地址、課程號、課程名、教師水平、學(xué)分。假定該關(guān)系模式包含以下數(shù)據(jù)語義：（1）一個系有多名教師，一個教師只屬于一個系；（2）一個系有多門課，一門課只屬于一個系；（3）一個教師可以教授多門課，每門課可有多個教師承擔(dān)。>>規(guī)范化的必要性TnoTnameTitleDnoDnameLocCnoCnameLevelCreditT01張燕講師D1計算機系東A101C01數(shù)據(jù)庫優(yōu)秀3T01張燕講師D1計算機系東A101C02英語良2T01張燕講師D1計算機系東A101C03數(shù)學(xué)好2T02李強副教授D1計算機系東A101C02英語優(yōu)秀2T02李強副教授D1計算機系東A101C03數(shù)學(xué)好2>>規(guī)范化的必要性在這個關(guān)系模式中可以看出，一位教師可以講授多門課程，同一門課程也可以有多位教師講授，因此只有通過（Tno,Cno）來確定哪位教師講授哪門課程，而一味地將所有信息簡單地放置到一個關(guān)系表中，勢必會造成以下4方面的問題：數(shù)據(jù)冗余：表現(xiàn)是某種信息在關(guān)系中存儲多次每當(dāng)教師講授一門課時，該教師的信息，包括姓名、職稱、系號、系名、系地址等信息就重復(fù)存儲一次，例如，教師T01講授了3門課C01,C02,C03，所以她的相關(guān)數(shù)據(jù)被重復(fù)輸入了3次。更新異常：表現(xiàn)是修改一個元組卻要求修改多個元組由于數(shù)據(jù)的重復(fù)存儲，會給更新帶來很多麻煩。例如教師T01，經(jīng)過職稱評定，由“講師”晉升為“副教授”，那么上表中的“Title”列重復(fù)更改3次。一旦一個元組的地址未修改就會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致，數(shù)據(jù)的不一致會直接影響數(shù)據(jù)庫的質(zhì)量。如果涉及范圍擴大，例如一個系的系地址發(fā)生改變，那么該系的所有教師記錄都必須做相應(yīng)的修改，這樣不僅要修改的數(shù)據(jù)量大，潛在的數(shù)據(jù)不一致的危險性也更大。插入異常：表現(xiàn)是插入不進去如果學(xué)校新調(diào)入幾位教師（若規(guī)定新教師暫時不能授課），由于缺少主關(guān)鍵字的一部分，而由完整約束可知，關(guān)鍵字不允許出現(xiàn)空值，則這些教師就不能插入到此關(guān)系表中，那么這些教師的其他信息（如編號、姓名、職稱、系別等）也將無法記載，這顯然是不合理的。另一方面，如果經(jīng)過培訓(xùn)，這些新教師可以授課了，那么他們的額信息將插入到表中，但由于數(shù)據(jù)冗余，一個教師可擔(dān)任多門課程，這勢必會導(dǎo)致重復(fù)執(zhí)行插入操作。刪除異常：表現(xiàn)是刪除時刪掉了其他不應(yīng)刪除的信息與插入異常相反的情況是：如果某些教師由于致力于純科研或身體不適等原因，將暫時不再擔(dān)任授課任務(wù)，因主關(guān)鍵字不全，就需要從當(dāng)前關(guān)系表中刪除其相關(guān)記錄，由于數(shù)據(jù)冗余，刪除時勢必會導(dǎo)致重復(fù)刪除，更嚴(yán)重的是，那些關(guān)于這些教師不變的其他信息（如編號、姓名）也將同時被刪除，這更不合理。>>規(guī)范化的必要性上述這些在數(shù)據(jù)的插入、刪除或更新元組時產(chǎn)生的可能帶來不良后果的情況均屬于不希望發(fā)生的異常。產(chǎn)生這些異常的原因是關(guān)系模式設(shè)計得不好造成的。如何避免和克服這類異常，是系統(tǒng)分析和設(shè)計人員必須考慮的問題。如果事先沒有考慮到，等系統(tǒng)建立之后發(fā)現(xiàn)問題再返回去解決，這種事情是非常棘手的，不僅費時費力，而且往往不能夠徹底解決，除非把整個系統(tǒng)推翻重來，再重新設(shè)計一個新系統(tǒng)。如果在數(shù)據(jù)庫設(shè)計階段就能設(shè)計一個良好的關(guān)系模式，就可大大避免上述異常發(fā)生。

>>規(guī)范化的必要性將上表的關(guān)系模式分解為以下4個關(guān)系模式，則上面的異常問題就能基本解決。

TnoTnameTitleDnoT01張燕講師D1T02李強副教授D1DnoDnameLocD1計算機系東A101CnoCnameCreditC01數(shù)據(jù)庫3C02英語2C03數(shù)學(xué)2TnoCnoLevelT01C01優(yōu)秀T01C02良T01C03好T02C02優(yōu)秀T02C03好新的關(guān)系模型由4個關(guān)系模式組成：教師T，系D，課程C，授課TC。各個關(guān)系不是孤立的，它們相互之間存在關(guān)聯(lián)，而這些關(guān)聯(lián)是通過各個關(guān)系中的外關(guān)鍵字反映出來的，因此構(gòu)成了整個系統(tǒng)的模型。例如教師T和系D之間通過T關(guān)系中的外關(guān)鍵字Dno完成一對多聯(lián)系；教師T和課程C之間通過外關(guān)鍵字組合（Tno,Cno）實現(xiàn)多對多聯(lián)系。當(dāng)處理需要時，這些外關(guān)鍵字作為橋梁對有關(guān)的關(guān)系模式進行自然連接，則恢復(fù)了原來的關(guān)系。教師T系D課程C授課TC>>規(guī)范化的必要性可以看出拆分后的關(guān)系模型可以很好的解決上述的4種異常。因此如何設(shè)計一個優(yōu)良的關(guān)系模型，設(shè)計的依據(jù)又是什么，是本節(jié)的重點問題。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計的工具——關(guān)系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化理論。教學(xué)內(nèi)容1關(guān)系規(guī)范化理論2規(guī)范化實例3數(shù)據(jù)庫設(shè)計的步驟4小結(jié)>>規(guī)范化實例什么是函數(shù)依賴上例涉及分解關(guān)系模式，對進行關(guān)系分解的指導(dǎo)和依據(jù)是函數(shù)依賴。函數(shù)依賴反映了數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，因此在講關(guān)系模式規(guī)范化之前首先要明確函數(shù)依賴的相關(guān)定義?！径x】設(shè)R（U）是屬性集U上的關(guān)系模式。X，Y是U的子集。若對于R（U）的任意一個可能的關(guān)系r，r中不可能存在兩個元組在X上的屬性值相等，而在Y上的屬性值不等，則稱X函數(shù)確定Y或Y函數(shù)依賴于X，記為X→Y。例如：設(shè)有關(guān)系R（職工號，基本工資，獎金），其中一個職工號唯一確定一個基本工資數(shù)額和一個獎金數(shù)額。換言之，一個職工不可能同時拿兩種基本工資或獎金，但幾個職工的基本工資或獎金有可能相同。具體數(shù)據(jù)表如下所示：職工號基本工資獎金E01900.00100.00E021000.00260.00E03680.00100.00E04680.00100.00根據(jù)定義可知，在表中存在如下函數(shù)依賴：職工號→基本工資，職工號→獎金。但反過來則不存在這種關(guān)系，即：基本工資→職工號，獎金→職工號，獎金→基本工資，基本工資→獎金>>規(guī)范化實例函數(shù)依賴和別的數(shù)據(jù)依賴一樣是語義范疇的概念，它不是指關(guān)系模式R的某個或某些元組滿足的約束條件，而是指R的所有元組均要滿足的約束條件。當(dāng)關(guān)系中的元組增加或更新后都不能破壞函數(shù)依賴。因此，必須根據(jù)語義來確定一個函數(shù)依賴，而不能單憑某一時刻關(guān)系的實際數(shù)據(jù)值來判斷。例如姓名→年齡，這個函數(shù)依賴只有在沒有重名的情況下才成立，

如果允許重名，則年齡就不能函數(shù)依賴于姓名。根據(jù)函數(shù)依賴的定義，可針對關(guān)系模型的3種聯(lián)系，找出下面的規(guī)律：（1）在一個關(guān)系模式中，如果屬性X，Y有1:1的聯(lián)系，則存在函數(shù)依賴X→Y，Y→X，可記為X?Y。（2）在一個關(guān)系模式中，如果屬性X，Y有1:n的聯(lián)系，則存在函數(shù)依賴Y→X，但X→Y。

（3）在一個關(guān)系模式中，如果屬性X，Y有m:n的聯(lián)系，則X和Y之間不存在任何函數(shù)依賴。>>規(guī)范化實例滿足函數(shù)依賴的前提下的一種特殊的函數(shù)依賴關(guān)系，其數(shù)學(xué)定義如下：在R（U）中，如果X→Y，并且對于X的任何一個真子集X’，都有X’→Y，則稱Y對X完全依賴，記為X→Y。

X→Y，但Y不完全函數(shù)依賴于X，則稱Y對X部分函數(shù)依賴（PartialFunctionDependency），記為X→Y。什么是完全函數(shù)依賴FP例如：已知一關(guān)系模式成績SC（Sno,Cno,Grade,Credit）。其中Sno表示學(xué)號，Cno表示課程號，Crade表示成績，Credit表示學(xué)分。>>規(guī)范化實例在這個成績關(guān)系中，由于一個學(xué)生可以選修多門課程，一門課程可有多個學(xué)生選修，因此屬性組合（Sno,Cno）中的任何單獨一個屬性都不能確定Grade，Grade應(yīng)由（Sno,Cno）共同決定，故Grade完全依賴于（Sno,Cno），記為（Sno,Cno）

→Grade。而一門課程對應(yīng)一個唯一的學(xué)分，所以Credit完全依賴于Cno，記為Cno→Credit，同時Cno又是屬性組合（Sno,Cno）的真子集，所以Credit也部分依賴于（Sno,Cno），記為（Sno,Cno）→Credit。注意：當(dāng)X是單個屬性時，由于X不存在任何真子集，故只存在完全依賴，不存在部分依賴。只有當(dāng)X是屬性組合時，才有可能存在部分依賴FFP>>規(guī)范化實例例如：已知一關(guān)系模式Student（Sno,Sname,Dno,Dname,Loc）。其中各屬性分別表示學(xué)號，姓名，系號，系名，系地址。通過語義分析可知，由于一個系里有很多名學(xué)生，而一個學(xué)生只能在一個系里注冊；一個系只有一個確定的系地址。因此，此關(guān)系存在如下函數(shù)依賴：Sno→Dno，但Dno→Sno，同時Dno→Loc，根據(jù)定義，該關(guān)系模式存在傳遞依賴Sno→Loc。在滿足函數(shù)依賴的前提下的另一種特殊的函數(shù)依賴，其數(shù)學(xué)定義如下：【定義】在R（U）中，如果X→Y，（Y

?X），Y→X，Y→Z，Z?Y，則稱Z對X傳遞函數(shù)依賴，記為：X

Z。傳遞什么是傳遞依賴>>規(guī)范化實例范式關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系需滿足一定的規(guī)范化要求，如果隨意建立，可能會出現(xiàn)前面的操作異常。而這種規(guī)范化要求，我們稱之為范式。滿足最低要求的叫第一范式，簡稱1NF，在第一范式中滿足進一步要求的為第二范式，其余以此類推。從范式來講，主要是E·F·Codd做的工作，1971~1972年他系統(tǒng)的提出了1NF、2NF、3NF的概念，討論了規(guī)范化問題。1974年，Codd和Boyce又共同提出了一個新范式BCNF，1976年Fagin又提出了4NF，后來又有人提出了5NF。對于各種范式之間的聯(lián)系：一個低一級范式的關(guān)系模式，通過模式分解（SchemaDecomposition）可以轉(zhuǎn)換為若干個高一級范式的關(guān)系模式的集合，這種過程就叫規(guī)范化（Normalization）。>>規(guī)范化實例第一范式【定義】關(guān)系模式R的每一屬性值都是不可再分的最小數(shù)據(jù)單位，則稱R屬于第1范式的關(guān)系，記為R∈1NF。1NF是最低級的范式，不屬于1NF的關(guān)系稱為非規(guī)范化關(guān)系，而數(shù)據(jù)庫理論要求的都應(yīng)該是規(guī)范化關(guān)系，那么如何將非規(guī)范關(guān)系轉(zhuǎn)換為規(guī)范為關(guān)系呢？最常用的辦法就是模式分解，下面通過一個例子來具體說明。>>規(guī)范化實例第一范式例如：已知關(guān)系Eemlpyee（職工號，姓名，電話號碼），具體數(shù)據(jù)如下表所示：職工號姓名電話號碼E01李明7012633（O）E01李明7146688（H）E01李T）E02張T）E03劉大維2533886（O）E03劉大T）職工號姓名辦公電話住宅電話手機E01李明7012633（O）7146688（HT）E02張敏