第4章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)理論.ppt

1、第4章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)理論,從今天開始，我們要有自己的數(shù)據(jù)庫,請同學(xué)們試著討論，如下的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中可能存在哪些問題？ 示例數(shù)據(jù)庫： 圖書庫(bookid,cardid,bdate,sdate,class,maxcount) 其中： bookid:圖書編號； cardid:讀者編號； bdate:借書日期； sdate:還書日期； class:讀者類型； maxcount:允許最多可借的書本數(shù)量。,問題思考:,數(shù)據(jù)冗余,更新異常:將重復(fù)的更新每一個(gè)元組的maxcount,null,S1023,null,null,3,20,插入異常：將無法插入S1023的讀者信息,刪除異常：將會連同T0001讀者

2、的信息一起刪除,要求：將借書卡號為T0001的讀者借書記錄刪除,存在如下問題： 數(shù)據(jù)冗余 更新異常 插入異常 刪除異常,4.1 問題的提出,關(guān)系數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計(jì) 針對具體問題，如何構(gòu)造一個(gè)適合于它的數(shù)據(jù)模式 數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計(jì)的工具關(guān)系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化理論,問題的提出,一、概念回顧 二、關(guān)系模式的形式化定義 三、什么是數(shù)據(jù)依賴 四、數(shù)據(jù)依賴對關(guān)系模式影響,一、概念回顧,關(guān)系：描述實(shí)體、屬性、實(shí)體間的聯(lián)系。 從形式上看，它是一張二維表。 關(guān)系模式：用來定義關(guān)系 例：關(guān)系名（屬性名1，屬性名2，屬性名3，） 關(guān)系數(shù)據(jù)庫：基于關(guān)系模型的數(shù)據(jù)庫，利用 關(guān)系來描述現(xiàn)實(shí)世界。 從形式上看，它由一組關(guān)系組成。,二、

3、關(guān)系模式的形式化定義,關(guān)系模式由三部分組成，即它是一個(gè)三元組： R(U, F) R： 關(guān)系名 U： 組成該關(guān)系的屬性名集合 F： 屬性間數(shù)據(jù)的依賴關(guān)系集合,三、什么是數(shù)據(jù)依賴,1. 數(shù)據(jù)依賴 是通過一個(gè)關(guān)系中屬性值間相互關(guān)系反映出來 是現(xiàn)實(shí)世界屬性間相互聯(lián)系的抽象 即屬性間的決定與被決定的關(guān)系。,數(shù)據(jù)依賴-實(shí)例,例：圖書(書號,書名,出版社) 從現(xiàn)實(shí)世界的事實(shí)可以得知: (1)、每一本書只有一個(gè)書號。 (2)、每一本書也只屬于唯一一個(gè)出版社，但一個(gè)出版社可出版多本書。 從上述事實(shí)我們可以知道，當(dāng)書號確定了其書名及其所屬的出版社也就確定了。因此我們說書號函數(shù)確定了書名和出版社。 記為： 書號 書

4、名 書號 出版社,四、數(shù)據(jù)依賴對關(guān)系模式的影響,例：描述學(xué)校的數(shù)據(jù)庫： 學(xué)生的學(xué)號（Sno）、所在系（Sdept） 系主任姓名（Mname）、課程名（Cname） 成績（Grade） 單一的關(guān)系模式 ： Student （U，F(xiàn)） U Sno, Sdept, Mname, Cname, Grade ,數(shù)據(jù)依賴對關(guān)系模式的影響（續(xù)）,學(xué)校數(shù)據(jù)庫的語義： 一個(gè)系有若干學(xué)生， 一個(gè)學(xué)生只屬于一個(gè)系； 一個(gè)系只有一名主任； 一個(gè)學(xué)生可以選修多門課程， 每門課程有若干學(xué)生選修； 每個(gè)學(xué)生所學(xué)的每門課程都有一個(gè)成績。,數(shù)據(jù)依賴對關(guān)系模式的影響（續(xù)）,屬性組U上的一組函數(shù)依賴F： F Sno Sdept,

5、Sdept Mname, (Sno, Cname) Grade ,函數(shù)依賴圖,關(guān)系模式Student（U, F）中存在的問題, 數(shù)據(jù)冗余太大 浪費(fèi)大量的存儲空間 例：每一個(gè)系主任的姓名重復(fù)出現(xiàn) 更新異常（Update Anomalies） 數(shù)據(jù)冗余 ，更新數(shù)據(jù)時(shí)，維護(hù)數(shù)據(jù)完整性代價(jià)大。 例：某系更換系主任后，系統(tǒng)必須修改與該系學(xué)生有關(guān)的每一個(gè)元組,關(guān)系模式Student（U, F）中存在的問題, 插入異常（Insertion Anomalies） 該插的數(shù)據(jù)插不進(jìn)去 例，如果一個(gè)系剛成立，尚無學(xué)生，我們就無法把這個(gè)系及其系主任的信息存入數(shù)據(jù)庫。 刪除異常（Deletion Anomalies）

6、 不該刪除的數(shù)據(jù)不得不刪 例，如果某個(gè)系的學(xué)生全部畢業(yè)了， 我們在刪除該系學(xué)生信息的同時(shí)，把這個(gè)系及其系主任的信息也丟掉了。,數(shù)據(jù)依賴對關(guān)系模式的影響（續(xù)）,結(jié)論： Student關(guān)系模式不是一個(gè)好的模式。 “好”的模式： 不會發(fā)生插入異常、刪除異常、更新異常，數(shù)據(jù)冗余應(yīng)盡可能少。 原因：由存在于模式中的某些數(shù)據(jù)依賴引起的 解決方法：通過分解關(guān)系模式來消除其中不合適 的數(shù)據(jù)依賴。,4.2 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,一、函數(shù)依賴 二、平凡函數(shù)依賴與非平凡函數(shù)依賴 三

7、、完全函數(shù)依賴與部分函數(shù)依賴 四、傳遞函數(shù)依賴,一、函數(shù)依賴,定義4.1 設(shè)R(U)是一個(gè)屬性集U上的關(guān)系模式，X和Y是U的子 集。若對于R(U)的任意一個(gè)可能的關(guān)系r，r中不可能 存在兩個(gè)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”， 記作XY。 X稱為這個(gè)函數(shù)依賴的決定屬性集。,學(xué)生表,課程表,選修表,函數(shù)的依賴關(guān)系的確定,函數(shù)依賴與屬性間的聯(lián)系類型有關(guān) 當(dāng)、之間有“對”聯(lián)系時(shí)，則存在函數(shù)依賴和 當(dāng)、之間有“多對”聯(lián)系時(shí)，則存在函數(shù)依賴 當(dāng)、之間有“多對多”聯(lián)系時(shí)，則和之間不存在函數(shù)依賴,學(xué)生表,課程表,選修表,函數(shù)依賴（續(xù)）,例: S

8、tudent(Sno, Sname, Ssex, Sage, Sdept) 假設(shè)不允許重名，則有: 若XY，并且YX, 則記為XY。 若Y不函數(shù)依賴于X, 則記為XY。,二、平凡函數(shù)依賴與非平凡函數(shù)依賴,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是非平凡的函數(shù)依賴 若XY，但Y X, 則稱XY是平凡的函數(shù)依賴 例：在關(guān)系SC(Sno, Cno, Grade)中， 非平凡函數(shù)依賴： (Sno, Cno) Grade 平凡函數(shù)依賴： (Sno, Cno) Sno (Sno, Cno) Cno,平凡函數(shù)依賴與非平凡函數(shù)依賴（續(xù)）,對于任一關(guān)系模式，平凡函數(shù)依賴都是必然成

9、立的，它不反映新的語義，因此若不特別聲明， 我們總是討論非平凡函數(shù)依賴。,三、完全函數(shù)依賴與部分函數(shù)依賴,定義4.2 在關(guān)系模式R(U)中，如果XY，并且對于X的任何一個(gè)真子集X，都有 X Y, 則稱Y完全函數(shù)依賴于X，記作X Y。 若XY，但Y不完全函數(shù)依賴于X，則稱Y部分函數(shù)依賴于X，記作X P Y。,完全函數(shù)依賴與部分函數(shù)依賴（續(xù)）,例: 在關(guān)系SC(Sno, Cno, Grade)中， 由于：Sno Grade，Cno Grade， 因此：(Sno, Cno) Grade,四、傳遞函數(shù)依賴,定義4.3 在關(guān)系模式R(U)中，如果XY，YZ，且Y X，YX，則稱XZ, Z傳遞函數(shù)依賴于X

10、。 注: 如果YX， 即XY，則Z直接依賴于X。 例: 在關(guān)系Std(Sno, Sdept, Mname)中，有： Sno Sdept，Sdept Mname Mname傳遞函數(shù)依賴于Sno,習(xí)題：,例：指出如下關(guān)系中的所有函數(shù)依賴 關(guān)系模式 SLC(Sno, Sdept, Sloc, Cno, Grade) Sloc為學(xué)生住處，假設(shè)每個(gè)系的學(xué)生住在同一個(gè)地方。 從現(xiàn)實(shí)世界的事實(shí)可得知：,、一個(gè)學(xué)生屬于一個(gè)系，一個(gè)系有多名學(xué)生,、一個(gè)學(xué)生住一個(gè)地方，一個(gè)地方有多名學(xué)生居住,、一個(gè)系的學(xué)生只居住在一個(gè)地方， 一個(gè)地方可以居住若干個(gè)系的學(xué)生,、一個(gè)學(xué)生選的一門課有一個(gè)成績,、一個(gè)學(xué)生選修的某一門課

11、只能是某個(gè)系的。,Sno Sdept,Sno Sloc,Sdept Sloc,4.2.2 碼,定義4.4 設(shè)K為關(guān)系模式R中的屬性或?qū)傩越M合。若K U，則K稱為R的一個(gè)侯選碼。若關(guān)系模式R有多個(gè)候選碼，則選定其中的一個(gè)做為主碼。 主屬性與非主屬性,外部碼,定義4.5 關(guān)系模式 R 中屬性或?qū)傩越MX 并非 R的碼，但 X 是另一個(gè)關(guān)系模式的碼，則稱 X 是R 的外部碼（Foreign key）也稱外碼 主碼又和外部碼一起提供了表示關(guān)系間聯(lián)系的手段。,4.2.3 范式,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。 范式的種類： 第一范

12、式(1NF) 第二范式(2NF) 第三范式(3NF) BC范式(BCNF) 第四范式(4NF) 第五范式(5NF),4.2.3 范式,各種范式之間存在聯(lián)系： 某一關(guān)系模式R為第n范式，可簡記為RnNF。,4.2.4 1NF,1NF的定義 如果一個(gè)關(guān)系模式R的所有屬性都是不可分的基本數(shù)據(jù)項(xiàng)，則R1NF。 第一范式是對關(guān)系模式的最起碼的要求。不滿足第一范式的數(shù)據(jù)庫模式不能稱為關(guān)系數(shù)據(jù)庫。 但是滿足第一范式的關(guān)系模式并不一定是一個(gè)好的關(guān)系模式。,1NF,例: 關(guān)系模式 SLC(Sno, Sdept, Sloc, Cno, Grade) Sloc為學(xué)生住處，假設(shè)每個(gè)系的學(xué)生住在同一個(gè)地方。 函數(shù)依賴包

13、括： (Sno, Cno) f Grade Sno Sdept (Sno, Cno) P Sdept Sno Sloc Sdept Sloc,1NF,SLC的碼為(Sno, Cno) SLC滿足第一范式。 非主屬性Sdept和Sloc部分函數(shù)依賴于碼(Sno, Cno),SLC,函數(shù)依賴圖：,SLC不是一個(gè)好的關(guān)系模式,(1) 插入異常 假設(shè)Sno95102，SdeptIS，SlocN的學(xué)生還未選課，因課程號是主屬性，因此該學(xué)生的信息無法插入SLC。 (2) 刪除異常 假定某個(gè)學(xué)生本來只選修了3號課程這一門課。現(xiàn)在因身體不適，他連3號課程也不選修了。因課程號是主屬性，此操作將導(dǎo)致該學(xué)生信息的整

14、個(gè)元組都要?jiǎng)h除。,SLC不是一個(gè)好的關(guān)系模式,(3) 數(shù)據(jù)冗余度大 如果一個(gè)學(xué)生選修了10門課程，那么他的Sdept和Sloc值就要重復(fù)存儲了10次。 (4) 修改復(fù)雜 例如學(xué)生轉(zhuǎn)系，在修改此學(xué)生元組的Sdept值的同時(shí)，還可能需要修改住處（Sloc）。如果這個(gè)學(xué)生選修了K門課，則必須無遺漏地修改K個(gè)元組中全部Sdept、Sloc信息。,1NF,原因 Sdept、 Sloc部分函數(shù)依賴于碼。 解決方法 SLC分解為兩個(gè)關(guān)系模式，以消除這些部分函數(shù)依賴 SC（Sno， Cno， Grade） SL（Sno， Sdept， Sloc）,2NF,SLC的碼為(Sno, Cno) SLC滿足第一范式。

15、 非主屬性Sdept和Sloc部分函數(shù)依賴于碼(Sno, Cno),SLC,函數(shù)依賴圖：,2NF,函數(shù)依賴圖：,SC,SL,Sno,Sdept,Sloc,2NF,2NF的定義 定義4.6 若關(guān)系模式R1NF，并且每一個(gè)非主屬性都完全函數(shù)依賴于R的碼，則R2NF。 例：SLC(Sno, Sdept, Sloc, Cno, Grade) 1NF SLC(Sno, Sdept, Sloc, Cno, Grade) 2NF SC（Sno， Cno， Grade） 2NF SL（Sno， Sdept， Sloc） 2NF,分解,第二范式（續(xù)）,采用投影分解法將一個(gè)1NF的關(guān)系分解為多個(gè)2NF的關(guān)系，可以

16、在一定程度上減輕原1NF關(guān)系中存在的插入異常、刪除異常、數(shù)據(jù)冗余度大、修改復(fù)雜等問題。 將一個(gè)1NF關(guān)系分解為多個(gè)2NF的關(guān)系，并不能完全消除關(guān)系模式中的各種異常情況和數(shù)據(jù)冗余。,3NF,函數(shù)依賴圖：,SL,3NF,例：2NF關(guān)系模式SL(Sno, Sdept, Sloc)中 函數(shù)依賴： SnoSdept SdeptSloc SnoSloc Sloc傳遞函數(shù)依賴于Sno，即SL中存在非主屬性對碼的傳遞函數(shù)依賴。,3NF,解決方法 采用投影分解法，把SL分解為兩個(gè)關(guān)系模式，以消除傳遞函數(shù)依賴： SD（Sno， Sdept） DL（Sdept， Sloc） SD的碼為Sno， DL的碼為Sdept

17、。,3NF,SD的碼為Sno， DL的碼為Sdept。,SD,DL,函數(shù)依賴圖,3NF,3NF的定義 定義4.7 關(guān)系模式R 中若不存在這樣的碼X、屬性組Y及非主屬性Z（Z Y）, 使得XY，Y X，YZ，成立，則稱R 3NF。 例， SL(Sno, Sdept, Sloc) 2NF SL(Sno, Sdept, Sloc) 3NF SD（Sno， Sdept） 3NF DL（Sdept， Sloc） 3NF,3NF,若R3NF，則R的每一個(gè)非主屬性既不部分函數(shù)依賴于候選碼也不傳遞函數(shù)依賴于候選碼。 如果R3NF，則R也是2NF。 采用投影分解法將一個(gè)2NF的關(guān)系分解為多個(gè)3NF的關(guān)系，可以在一定程度上解決原2NF關(guān)系中存在的插入異常、刪除異常、數(shù)據(jù)冗余度大、修改復(fù)雜等問題。 將一個(gè)2NF關(guān)系分解為多個(gè)3NF的關(guān)系后，并不能完全消除關(guān)系模式中的各種異常情況和數(shù)據(jù)冗余。