60. Нормальные формы, их назначение.

Нормальная форма — свойство отношения в реляционной модели данных, характеризующее его с точки зрения избыточности, которая потенциально может привести к логически ошибочным результатам выборки или изменения данных. Нормальная форма определяется как совокупность требований, которым должно удовлетворять отношение.

Процесс преобразования базы данных к виду, отвечающему нормальным формам, называется нормализацией. Нормализация предназначена для приведения структуры базы данных к виду, обеспечивающему минимальную избыточность, то есть нормализация не имеет целью уменьшение или увеличение производительности работы или же уменьшение или увеличение объёма БД. Конечной целью нормализации является уменьшение потенциальной противоречивости хранимой в БД информации.

Первая нормальная форма (1НФ) – отношение, в котором на пересечении каждой строки и каждого столбца содержится только одно значение.

Процесс нормализации начинается с преобразования данных из фор­мата источника (например, из формата стандартной формы ввода данных) в формат таблицы со строками и столбцами. На исходном этапе таблица находится в ненорма­лизованной форме (ННФ) и часто называется ненормализованной таблицей. Для преобразования ненормализованной таблицы в первую нормальную форму (1НФ) в исходной таблице следует найти и устранить все повторяющиеся группы данных. Повторяющейся группой называется группа, состоящая из одного и более атрибутов таблицы, в которой возможно наличие нескольких значений для единственного зна­чения ключевого атрибута таблицы. Обратите внимание на то, что в данном контек­сте термин “ключ” равным образом относится и к одному атрибуту, и к группе атри­бутов, которые единственным образом идентифицируют каждую строку ненормали­зованной таблицы. Существует два подхода исключения повторяющихся групп из ненормализованных таблиц.

В первом подходе повторяющиеся группы устраняются путем ввода соответст­вующих данных в пустые столбцы строк с повторяющимися данными. Иначе говоря, пустые места при этом заполняются дубликатами неповторяющихся данных. Этот подход часто называют “выравниванием” (“flattening”) таблицы. Полученная в результате этих действий таблица, которая теперь будет называться отношением, содержит атомарные (или единственные) значения на пересечении каждой строки с каждым столбцом, а потому находится в первой нормальной форме. В результате та­кого подхода в полученное отношение вносится некоторая избыточность данных, ко­торая в ходе дальнейшей нормализации будет устранена.

Во втором подходе один атрибут или группа атрибутов назначаются ключом ненормализованной таблицы, а затем повторяющиеся группы изымаются и помещают­ся в отдельные отношения вместе с копиями ключа исходной таблицы. Далее в но­вых отношениях устанавливаются первичные ключи. Иногда ненормализованные отношения могут содержать одну или несколько повторяющихся групп внутри повторяющихся групп первого порядка. В таких случаях данный прием применяется до тех пор, пока повторяющихся групп совсем не останется. Полученный набор отношений будет находиться в первой нормальной форме только тогда, когда ни в одном из них не будет повторяющихся групп атрибутов.

Хотя оба этих подхода одинаково корректны, следует отметить, что при использо­вании второго подхода полученные отношения находятся как минимум в 1НФ и обла­дают меньшей избыточностью данных. При выборе первого подхода выровненное 1НФ-отношение декомпозируется в ходе дальнейшей нормализации на те же отношения, ко­торые могли бы быть получены с помощью второго подхода.

Вторая нормальная форма (2НФ). Вторая нормальная форма применяется к отношениям с составными ключами, т.е. к таким отношениям, первичный ключ которых состоит из двух и более атрибутов. Дело в том, что отношение с первичным ключом на основе единственно­го атрибута всегда находится, по крайней мере, в 2НФ. Отношение, которое не на­ходится в 2НФ, может страдать от аномалий обновления. Например, предположим, что необходимо изменить арендную плату (Rent) для объекта недвижимости с номером ‘PG4’. Для этого потребуется обновить две строки отношения Customer Rental. Если значение арендной платы будет обновлено только в одной строке, то в результате база данных будет приведена в противоре­чивое состояние.

2НФ – отношение, которое находится в первой нормальной форме и каждый атрибут которого, не входящий в состав первичного ключа, характеризуется полной функциональной зависимо­стью от этого первичного ключа.

Нормализация 1НФ-отношений с образованием 2НФ-отношений включает устра­нение частичных зависимостей, что демонстрируется на примере отношения Customer_Rental (см. табл. 16). Если в отношении между атрибутами су­ществует частичная зависимость, то функционально-зависимые атрибуты удаляются из него и помещаются в новое отношение вместе с копией их детерминанта.

Третья нормальная форма (3НФ). Хотя 2НФ-отношения в меньшей степени обладают избыточностью данных, чем 1НФ-отношения, они все еще могут страдать от аномалий обновления. Так, при попытке обновления имени владельца недвижимости (например, Tony Shaw с номе­ром С093 (атрибут Owner No)) потребуется обновить две строки отношения Ргорerty_Owner. Если обновить только одну из этих двух строк, база данных попадет в противоречивое состояние. Эта аномалия обновления вызывается транзитивной зависимостью, присутствующей в данном отношении. Она может быть устранена путем приведения данного отношения к третьей нор­мальной форме. В этом разделе транзитивные зависимости рассматриваются вместе с третьей нормальной формой.

Четвертая нормальная форма (4НФ). В ходе исследований был выявлен еще один тип зависимости – многозначная зависимость, которая может вызвать проблеммы, связанные с избыточностью данных.

В случае многозадачной зависимости, существующей между атрибутами А, В и С некоторого отношения, для каждого значения А имеется набор значений атрибута B и набор значений атрибута C. Однако входящие в эти наборы значения атрибутов B и С не зависят друг от друга.

4НФ – это отношение в нормальной форме Бойса–Кодда, которое не содержит нетривиальных многозадачных зависимостей.

Пятая нормальная форма (5НФ). При любой декомпозиции отношения на два других отношения полученные отношения имеют свойство соединения без потерь. Это значит, что полученные отношения можно снова соединить и получить прежнее отношение в исходном виде. Однако бывают случаи, когда требуется декомпозировать отношение на более чем два отношения. В таких (достаточно редких) случаях возникает необходимость учитывать зависимость соединения, которая устраняется с помощью пятой нормальной формы.

Зависимость соединения – это свойство декомпозиции, которое вызывает генерацию ложных строк при обратном соединении декомпозированных отношений с помощью операции естественного соединения.

5НФ – это отношение без зависимостей соединения.