книги / Структурный подход к организации баз данных

5.2. Реляционные основы проектирования

Информационная модель предметной области более устойчива, чем способы выборки хранимой в базе данных информации. Один из эффек­ тивных методов разработки так называемой концептуальной модели предметной области — введение ряда понятий и концепций реляционной модели данных. Эти понятия и концепции применяются в процессе анализа информации о данных и их структуре, полученной у конечных пользователей. Это вовсе не означает, что концептуальная модель должна быть реализована с помощью реляционной системы управления базами данных. Концептуальная модель служит основой для создания логической модели, которая может быть реализована средствами реляционной, иерархической или сетевой СУБД.

Основное понятие, заимствованное из реляционной модели данных, вводимое при разработке концептуальной модели,— это нормализация отношений. В процессе нормализации элементы данных группируются в таблицы, представляющие объекты и их взаимосвязи. Теория норма­ лизации основана на том, что определенный набор отношений обладает лучшими свойствами при включении, модификации и удалении данных, чем все остальные наборы отношений, с помощью которых могут быть представлены те же данные.

Введение нормализации отношений при разработке концептуальной модели обеспечивает ее работоспособность. Это вовсе не означает, что ненормализованная концептуальная модель обязательно окажется нера­ ботоспособной. Дело в том, что ненормализованная модель может вы­ звать определенные трудности реализации прикладных программ, моди­ фицирующих базу данных. Обнаружив отклонения от нормализованной схемы, АБД должен решить, насколько эти отклонения ухудшают ха­ рактеристики базы данных при модификации.

Ненормализованная модель данных включает записи в том виде, в котором они используются прикладными программами. Первый шаг при нормализации заключается в образовании двумерной таблицы, со­ держащей элементы данных. Для этого практически нужно лишь ис­ ключить повторяющиеся группы. Например, если в декларацию заносится имя сотрудника, его идентификационный номер, имя его супруги и имена его детей (предполагается не более десяти), то сведения о нем могут быть представлены с помощью таблицы, состоящей из десяти строк и четырех столбцов. В каждой строке записывается имя сотрудника, его номер, имя супруги и имя одного из детей., Таким образом в десяти строках таблицы будут находиться имена всех десяти детей. Исключение повторяющихся групп является предварительным этапом нормализации, после чего можно перейти к получению второй нормальной формы.

Второй шаг нормализации состоит в том, чтобы выделить ключи и зависящие от них атрибуты. Каждый кортеж отношения, находяще­ гося в первой нормальной форме, полностью зависит от совокупности ключевых атрибутов. Для того чтобы привести отношение ко второй нормальной форме, нужно выделить группы атрибутов, зависящие от частей составного ключа. Эти группы могут образовать отдельные от­ ношения (таблицы). Выделение из отношения, находящегося в первой нормальной форме, таких отношений, в которых неключевые атрибуты зависят только от ключа в целом, называется приведением ко второй нормальной форме.

На третьем шаге нормализации следует выделить из отношений, находящихся во второй нормальной форме, те атрибуты, которые,

хотя и зависят от ключа какого-либо отношения, тем не менее могут существовать в базе данных независимо от* остальных атрибутов этого отношения. Выделение атрибутов позволяет вводить их значения вне зависимости от взаимосвязей, в которых они участвуют.

В любой модели данных для представления объектов и их взаимо­ связей необходимо некоторым образом сгруппировать элементы данных. При обработке групп элементов возникают три общих проблемы. Устра­ нение этих проблем требует приведения отношений к одной из трех нормальных форм. Таким образом процесс нормализации, выполняемой по определенным правилам, состоит в группировке элементов данных в ряде отношений. Различия между тремя нормальными формами по­ ясняются рис. 5.2.

Имеется

функциональная зависимость г . неключевыхатрибутов

от составляющих первичного ключа

нормальная

форма+

Полная

функциональная

зависимость

неключевых

атрибутов от первичного

^ключа

Отсутствует

транзитивная

зависимость

межбу

неключевыми

^атрибутами

Рис. 5.2. Каждое отношение в первой нормальной форме является особым случаем ненор­ мализованного отношения. Но каждое ненормализованное отношение не находится в первой нормальной форме. Каждое отношение во второй нормальной форме — особый случай отношения в первой нормальной форме, но не наоборот. Отношения в третьей нормальной форме — особый случай отношений второй нормальной формы.

Все нормализованные отношения находятся в первой нормальной форме. Ряд отношений первой нормальной формы находится во второй нормальной форме и, наконец, некоторые из отношений второй нормаль­ ной формы находятся в третьей нормальной форме. Цель процесса нормализации — приведение отношений к третьей нормальной форме.

Отношения в третьей нормальной форме представляют объекты и взаи­ мосвязи между объектами рассматриваемой предметной области.

Приведение отношений к первой, второй и третьей нормальной форме последовательно устраняет аномалии при включении, удалении и модификации записей соответствующей базы данных. Как будет пока­ зано: дайеё, процесс нормализации позволяет проектировщику глубже донять семантику атрибутов и их взаимосвязей и упорядочивает прове­ дение анализа данных.

Выше мы рассмотрели в общих чертах, каким образом ненорма­ лизованные отношения приводятся к третьей нормальной форме. Теперь перейдем к более подробному изучению процесса нормализации.

Обратимся к примеру, приведенному на рис. '5.3. Элементами дан­ ных или атрибутами здесь являются: «Номер пациента», «Имя пациента», «Адрес пациента», «Номер патента хирурга», «Имя хирурга», «Дата операции», «Операция», «Препарат, назначенный после операции», и «Побочный эффект» от применения препарата. В процессе обсуждения буДуТ поясняться допущения и ограничения, принятые в рассматривае­ мой упрощенной информационной системе госпиталя.

/Столбец (или несколько столбцов) называется возможным ключом, если р гб значения однозначно определяют строки таблицы. Например, строка таблицы «1234 243 05.04.76 Мэри Джонс 10 Мэйн стрит Рай, Н.-Й, Чарльз Филд Удаление катаракты Тетрациклин Лихорадка» одно­ значно определяется номером пациента (1234), номером патента хирурга (243) и датой операции (05.04.76). Поскольку это единственный воз­ можный ключ, он является первичным *.

П ер ва я н орм альная ф орм а . Отношение, находящееся в первой нор­ мальной форме, представляет собой таблицу. На пересечении столбца и строки может быть только одно значение. Существование групп зна­ чений на пересечении строк и столбцов не допускается.

Рассмотрим ненормализованное отношение, показанное на рис. 5.4. На пересечении строк и столбцов имеется более одного значения. Это свидетельствует о том, что значения первичного ключа неоднозначно определяют неключевые атрибуты.

: Нормализуем данное отношение (рис. 5.5). С этой целью продублиру­ ем значения атрибутов «Номер пациента», «Имя пациента» и «Адрес пациента», а в одном случае — «Номер патента хирурга» и «Имя хи­ рурга»: Отношение на рис. 5.5 находится в первой нормальной форме. На пересечении строк и столбцов теперь имеется только по одному значений). Рис. 5.6 представляет это отношение в виде диаграммы.

Если значения, которые принимают атрибуты «Номер пациента», «Номер патента хирурга» и «Дата операции», известны, то одновременно известны и значения атрибутов «Имя пациента», «Адрес пациента», «Имя хирурга», «Операция», «Препарат, назначенный после операции» и «Побочный эффект» от его применения. Таким образом, в состав первичного ключа войдут атрибуты «Номер пациента», «Номер патента хирурга» и «Дата операции». Других возможных ключей данного отно­

один возможный ключ. Этот единственный ключ является первичным. Атрибуты, не входящие в первичный ключ, называются неключевыми. На практике обычно нетрудно определить, какие атрибуты входят в первичный ключ, который однозначно индентифицирует объект.

Рис. 5.6. Отношение в третьей нормальной форме. Если заданы номер пациента, номер патента хирурга и дата операций, можно найти все значения атрибутов, расположенные по периметру. Чтобы выяснить побочный эффект от применения препарата при заданном номере пациента, номере патента хирурга и дате операции, необходимо сначала устано­ вить, какой препарат был назначен после операции, а затем уже определить, какой побочный эффект имело его применение.

зависимости от первичного ключа. Следовательно, значения первичного ключа однозначно определяют значения неключевых атрибутов.

Аномалии включения, обновления и удаления отношений в первой нормальной форме. Запоминание экземпляров отношения, которое нахо­

вновь поступивший пациент никогда раньше не подвергался операциям и не приписан еще ни к одному из хирургов. Поэтому кортеж, в котором находятся сведения о новом пациенте, не может быть введен в базу данных.

Предположим, что нам необходимо ввести сведения об имени и ад­ ресе пациента. При этом вовсе не нужно знать номер патента хирурга и дату операции. Это означает, что два компонента первичного ключа — «Номер патента хирурга» и «Дата операции» — для однозначной иден­ тификации имени пациента и его адреса необязательны. Данную анома­ лию включения можно устранить, если выделить в отдельное отношение атрибуты «Номер пациента», «Имя пациента» и «Адрес пациента» (рис. 5.7а).