Технология проектирования и администрирования баз данных и систем данных-Конспект

представляющие объекты и их взаимосвязи. Теория нормализации 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 неработоспособной. Однако ненормализованная модель может вызвать определенные трудности реализации прикладных программ, модифицирующих базу данных. Обнаружив отклонения от нормализованной схемы, АБД должен решить, насколько эти отклонения ухудшают характеристики 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, содержащей элементы данных. Для этого практически нужно лишь исключить 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, находящегося 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 отношения (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 взаимосвязей необходимо некоторым образом сгруппировать элементы данных. При обработке групп элементов возникают три общих проблемы. Устранение 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 поясняются рис. 5.2.

Рис. 5.2

Каждое отношение в первой нормальной форме является особым случаем ненормализованного 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 нормальной формы находятся в третьей нормальной форме. Цель процесса нормализации – приведение отношений к третьей нормальной форме.

Отношения в третьей нормальной форме представляют объекты и взаимосвязи 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.

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

Обратимся к примеру, приведенному на табл. 5.1. Элементами данных 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 рассматриваемой упрощенной информационной

системе госпиталя.

Столбец (или несколько столбцов) называется возможным ключом, если его значения однозначно определяют строки таблицы. Например, строка таблицы однозначно определяется номером пациента, номером патента хирурга и датой операции. Поскольку это единственный возможный ключ, он является первичным.

Первая нормальная форма. Отношение, находящееся в первой нормальной форме, представляет собой таблицу. На пересечении столбца и строки может быть только одно значение. Существование групп значений на пересечении строк и столбцов не допускается.

Рассмотрим ненормализованное отношение, показанное на табл. 5.2. На пересечении строк и столбцов имеется более одного значения. Это свидетельствует о том, что значения первичного ключа неоднозначно определяют неключевые атрибуты.

На пересечении некоторых столбцов и строк находится более одного значения. Выявить первичный ключ непросто. Допустим, что первичным ключом является «номер пациента». Определенному значению первичного ключа соответствует несколько столбцов, например для номера пациента 1111 имеется несколько значений на пересечении с номером патента хирурга (145 и 311), датой операции (01.01.77 и 12.06.77) и т.д. Это означает, что здесь значения неключевых атрибутов не могут быть однозначно определены по значению первичного ключа.

Нормализуем данное отношение (табл. 5.3). С этой целью продублируем значения атрибутов «Номер пациента», «Имя пациента» и «Адрес пациента», а в одном случае – «Номер патента хирурга» и «Имя хирурга». Отношение на табл. 5.3 находится в первой нормальной форме. На пересечении строк и столбцов теперь имеется только по одному значению. Рис 5.3 представляет это отношение в виде диаграммы.

Таблица 5.3

ПЕРВАЯ НОРМАЛЬНАЯ ФОРМА

Рис. 5.3

Отношение в третьей нормальной форме. Если заданы номер пациента, номер патента хирурга и дата операции, 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 установить, какой препарат был назначен после операции, а затем уже определить, какой побочный эффект имело его применение.

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 отношения нет. Все неключевые атрибуты находятся в функциональной 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 находится в первой форме, связано со следующими аномалиями (табл. 5.3).

Аномалия включения (тип 1). Вполне возможно, что 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 адресе 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 идентификации имени пациента и его адреса необязательны. Данную аномалию включения можно устранить, если выделить в отдельное отношение атрибуты «Номер пациента», «Имя пациента» и «Адрес пациента» (табл. 5.4).

Таблица 5.4

Отношение во второй нормальной форме. Первичным ключом является «Номер пациента». Неключевые атрибуты «Имя пациента» и «Адрес пациента». Для их однозначной идентификации требуется весь первичный ключ. Имя пациента и его адрес содержатся только в этом отношении.

Аномалия включения (тип 2). Допустим, в госпиталь приходит новый хирург, который еще не сделал ни одной операции. Следовательно, в кортеже, содержащем сведения об этом хирурге, не будет ни значения имени пациента, ни его номера, ни даты операции. «Номер патента хирурга» – это только часть первичного ключа, в который еще входит «Номер пациента» и «Дата операции». В результате ввести новый кортеж, т. е. запомнить информацию о хирурге, невозможно. В данном случае неключевой атрибут «Имя хирурга» однозначно определяется составным первичным ключом: «Номер пациента»+ «Номер патента хирурга» + <Дата операции». Однако для однозначной идентификации имени хирурга достаточно только части первичного ключа – атрибута «Номер патента хирурга». Если выделить «Имя хирурга» и «Номер патента хирурга» в отдельное отношение, как это показано на табл. 5.5, рассмотренная аномалия включения будет устранена.

Таблица 5.5

Отношение во второй нормальной форме. Первичным ключом служит «Номер патента хирурга». Для однозначной идентификации неключевого атрибута (имени хирурга) требуется весь первичный ключ. Имя хирурга

содержится только в этом отношении.

Аномалии включения связаны с тем, что в то время как составной первичный ключ однозначно определяет весь кортеж, отдельные столбцы (домены) зависят только от части этого ключа.

Аномалия обновления. Если Джон Уайт поступает в госпиталь в третий раз, и между вторым и третьим поступлением он изменил место жительства, необходимо изменить значение его адреса во всех кортежах, содержащих сведения о нем. (Из соображений обеспечения непротиворечивости хранимых данных желательно, чтобы в базе данных содержались только самые последние сведения об именах и адресах пациентов. Предполагается, что устаревшие сведения в системе госпиталя не требуются) Этот пример показывает, что изменять значения атрибутов отношения, находящегося в первой нормальной форме, не так просто, поскольку число кортежей, в которые необходимо внести изменения, меняется со временем. Хуже всего, если в результате внесения изменений в одних кортежах будет храниться старое значение адреса пациента, а в других – новое.

Рассмотренная аномалия устраняется, если значение адреса пациента хранится только один раз. Этого можно достичь, выделив имя, адрес и номер пациента в отдельное отношение.

Аномалия удаления (тип 1). Предположим, что после смерти пациента сведения о нем уничтожаются. Так, если пациент Чарльз Браун скончался (табл. 5.3), то кортеж, в котором содержатся сведения о нем, удаляется. Однако одновременно уничтожается информация и о хирурге Давиде Розене, так как единственным пациентом, которого он оперировал, был умерший. В ряде приложений потеря информации такого рода может иметь серьезные последствия. Поскольку удаленный кортеж мог быть единственным источником информации о Давиде Розене, мы рискуем потерять все сведения об этом хирурге. Во избежание подобных потерь пользователь должен позаботиться о том, чтобы осуществлялась проверка, не является ли удаляемый кортеж единственным источником информации о хирурге.

Один из способов решения проблем этого типа состоит в разделении информации, т. е. сведения о хирурге не должны зависеть от сведений о пациенте и наоборот Если, как это показано на табл. 5.4 и 5.5, ввести два отношения – ПАЦИЕНТ и ХИРУРГ, рассмотренная аномалия будет устранена.

Аномалия удаления (тип 2). В том случае, когда между неключевыми атрибутами одного отношения существует функциональная зависимость, возникают аномалии другого типа. Побочный эффект от применения препарата функционально зависит только от конкретного препарата, назначенного после операции. Возможно, что сыпь, появившаяся у Джона Уайта под воздействием пенициллина, окажется настолько серьезной, что ему будут назначены иные лекарства. Тогда значения атрибутов в соответствующем кортеже придется изменить и ввести наименование нового препарата, а может быть и новый побочный эффект от его применения. В результате такого изменения информация о том, что у данного пациента инъекции пенициллина вызвали сыпь, теряется. Это, конечно, нежелательно, поскольку рассматриваемый

кортеж может быть единственным источником сведений подобного рода.

Если выделить сведения о пациентах в отношение ПАЦИЕНТ, а сведения о хирургах – в отношение ХИРУРГ, как это показано на табл. 5.4 и 5.5, то эти аномалии будут устранены. Первичным ключом отношения ПАЦИЕНТ является номер пациента, а отношения ХИРУРГ – номер патента хирурга. Оставшиеся атрибуты образуют отношение ПАЦИЕНТ-И-ХИРУРГ (табл.. 5.6), в котором первичный ключ составлен из атрибутов «Номер пациента», «Номер патента хирурга» и «Дата операции».

Таблица 5.6 ПАЦИЕНТ И ХИРУРГ

Отношение во второй нормальной форме. Первичным ключом служит «Номер пациента»+ «Номер патента хирурга»+ «Дата операции». Для однозначной идентификации каждого неключевого атрибута («Операция», «Препарат, назначенный после операции», «Побочный эффект») требуется полный первичный ключ.

Отношения, показанные на табл. 5.4, 5.5 и 5.6, находятся во второй нормальной форме. Информацию, содержащуюся в одном отношении первой нормальной формы (табл. 5.3) предпочтительнее представлять с помощью трех отношений, находящихся во второй нормальной форме, так как при этом удается устранить ряд аномалий включения, обновления и удаления, присущих первой нормальной форме. На рис. 5.4 три отношения, находящиеся во второй нормальной форме, изображены в виде диаграммы.

Рис. 5.4

Три отношения во второй нормальной форме. Первичным ключом отношения ПАЦИЕНТ является «Номер пациента», первичным ключом отношения ХИРУРГ – «Номер патента хирурга». Первичный ключ отношения ОПЕРАЦИЯ – «Номер пациента»+ «Номер патента хирурга»+ «Дата операции».

Отношение во второй нормальной форме. Отношение находится во второй нормальной форме, если все неключевые атрибуты полностью функционально зависят от первичного ключа, или, другими словами, для однозначной идентификации каждого неключевого атрибута требуется весь первичный ключ. Соответственно, отношение не находится во второй нормальной форме, если существуют неключевые атрибуты, не имеющие полной функциональной зависимости от первичного ключа.

Всякое отношение во второй нормальной форме одновременно является и отношением в первой нормальной форме.

Аномалии включения, обновления и удаления отношений, находящихся во второй нормальной форме. На табл. 5.4, 5.5, 5.6 представлены три отношения во второй нормальной форме. После того, как отношение, находящееся в первой нормальной форме (оно показано на табл. 5.3), привели ко второй нормальной форме, ряд аномалий удалось устранить.

Включение (тип 1). Теперь можно ввести сведения о пациенте, который ни