46. Проектирование реляционных баз данных на основе теории нормализации отношений (1нф, 2нф, 3нф)

Понятийный аппарат занятия

Сущности (отношения) реляционной базы данных содержат как структурную, так и семантическую информацию. Структурная информация задается схемой отношения, а семантическая выражается функциональными связями между атрибутами.

Состав атрибутов базы данных должен удовлетворять двум основным требованиям:

• между атрибутами не должно быть нежелательных функциональных зависимостей;

• группировка атрибутов должна обеспечивать минимальное дублирование данных, их обработку и обновление без дополнительных затрат («по одному факту в одном месте»).

Удовлетворение этих требований достигается нормализацией отношений базы данных.

Нормализация отношений – это обратимый пошаговый процесс декомпозиции исходных отношений на более простые, при котором устраняются нежелательные зависимости.

Нормализация отношений (по учебнику Н.В. Макаровой Информатика) – это формальный аппарат ограничений на формирование отношений, который позволяет устранить дублирование, обеспечивает непротиворечивость хранимых в базе данных, уменьшает трудозатраты на ведение базы данных (ввод, корректировка)

Аппарат нормализации отношений был разработан Коддом. В нем определяются три нормальные формы (1НФ, 2НФ, 3НФ).

Каждая нормальная форма накладывает ограничения на типы допустимых функциональных зависимостей и устраняет соответствующие аномалии при выполнении операций над сущностями БД.

В настоящее время известны еще три формы – нормальная форма Бойса-Кодда, 4НФ и 5НФ.

При изучении теории нормализации важно, рассмотреть основные типы функциональных зависимостей. Для этого введем понятие функциональной зависимости.

Пусть имеются два атрибута: А и В. Если в любой момент времени каждому значению А соответствует не более чем одно значение атрибута В, то говорят, что В функционально зависит от А.

Выделяют три основных функциональных зависимостей:

• полная функциональная зависимость от составного ключа – это зависимость, при которой не ключевой атрибут зависит от всего составного ключа и не находится в частичной зависимости от его части;

• частичная функциональная зависимость – это зависимость, при которой не ключевой атрибут зависит только от части ключа;

• транзитивная функциональная зависимость атрибута С от А – это зависимость, при которой для атрибутов А, В, С выполняются условия А-> В и В->С (В функционально зависит от А ,С функционально зависит от В) но обратная связь отсутствует.

Перейдем к определению нормальных форм отношений. Остановимся только на первых трех формах.

1НФ. Отношение, у которого все атрибуты простые, называется приведенным к первой нормальной форме.

2НФ. Отношение находится во 2НФ, если оно находится в 1НФ и каждый не ключевой атрибут функционально полно зависит от любого возможного ключа этого отношения.

Для преобразования 1НФ ко 2НФ исходное отношение необходимо разложить на два наложением проекций:

• построить проекцию без атрибутов, которые находятся в частичной функциональной зависимости от составного ключа;

• построить проекцию на часть составного ключа и атрибуты, зависящие от этой части.

Если ключ исходного отношения состоит из одного атрибута (простой), и оно находится в 1НФ, то это отношение уже задано и во 2НФ.

3НФ. Отношение находится в 3НФ, если оно находится во 2НФ и в нем отсутствуют транзитивные зависимости не ключевых атрибутов от ключа.

Схема приведения 2НФ к 3НФ.

Нормальная форма Бойса — Кодда (BCNF)

Это более строгая версия третьей нормальной формы.

Отношение находится в BCNF тогда и только тогда, когда каждая ее нетривиальная и неприводимая слева функциональная зависимость имеет в качестве своего детерминанта некоторый потенциальный ключ.

Четвёртая нормальная форма (4NF)

Таблица находится в 4NF, если она находится в BCNF и не содержит нетривиальных многозначных зависимостей. Многозначная зависимость не является функциональной, она существует в том случае, когда из факта, что в таблице содержится некоторая строка X, следует, что в таблице обязательно существует некоторая определённая строка Y. То есть, таблица находится в 4NF, если все ее многозначные зависимости являются функциональными.

Пятая нормальная форма (5NF)

Таблица находится в 5NF, если она находится в 4NF и любая многозначная зависимость соединения в ней является тривиальной. Пятая нормальная форма в большей степени является теоретическим исследованием и практически не применяется при реальном проектировании баз данных. Это связано со сложностью определения самого наличия зависимостей «проекции — соединения», поскольку утверждение о наличии такой зависимости должно быть сделано для всех возможных состояний БД.

Доменно-ключевая нормальная форма (DKNF)

Отношение в ДКНФ не имеет аномалий модификации. Другими словами, что бы ни менялось — ничего не потеряется, если соблюдены все ограничения относительно ключей идоменов. Формулировка слишком общая, но суть ее заключается в том, что если выполнять некоторые правила, то при любых действиях с таблицей ее целостность не пострадает и вся необходимая информация сохранится. Если рассматривать на примере, то правила действуют примерно так: нельзя просто удалить категорию из таблицы категорий, если с этой категорией связаны, например, продукты из таблицы продуктов. Прежде чем удалять категорию, необходимо выполнить предварительные действия в таблице продуктов (например, поле отвечающее за id категории этого товара нужно сделать NULL).

Шестая нормальная форма (6NF)

Введена К. Дейтом в его книге, как обобщение пятой нормальной формы для темпоральной базы данных.

Схематично процесс нормализации

Ненормализованная форма

Переход от произвольной

структуры данных к двумерной

таблице с простыми атрибутами.

Первая нормальная форма

Устранение всех неполных

функциональных зависимостей

атрибутов, не являющихся ключевыми,

от возможных ключей.

Вторая нормальная форма

Устранение всех транзитивных

зависимостей атрибутов,

не являющихся ключевыми,

от возможных ключей.

Третья нормальная форма

Устранение зависимости ключей

от не ключевых атрибутов.

Третья усиленная форма

Устранение независимых

многозначных зависимостей.

Четвертая нормальная форма

Устранение избыточности

в случае трех и более

многозначных зависимостей.

Пятая нормальная форма

Нормализация отношений БД призвана устранить из них избыточную информацию. Отношения нормализованной БД содержат только один элемент избыточных данных – это поля связи, присутствующие одновременно и у родительской и у дочерних отношений. Поскольку избыточные данные в отношении не хранятся экономится дисковое пространство.