- •Курс лекций
- •Содержание
- •Понятие субд. Функции субд
- •2. Проектирование бд. Нормальные формы отношений 77
- •Понятие бд и субд
- •Данные.
- •Аппаратное обеспечение.
- •Программное обеспечение.
- •Пользователи.
- •Уровни абстракции в субд. Функции абстрактных данных
- •Представления
- •Внешний уровень – внешнее представление
- •Концептуальный уровень – концептуальное представление
- •Внутренний уровень – внутреннее представление
- •Функции субд
- •Экспертные системы и базы знаний
- •Литература:
- •Модели бд
- •Обзор ранних (дореляционных) субд
- •Системы, основанные на инвертированных списках
- •Структуры данных
- •Манипулирование данными
- •Ограничения целостности
- •Иерархическая модель
- •Иерархические структуры данных
- •Манипулирование данными
- •Ограничения целостности
- •Сетевая модель
- •Сетевые структуры данных
- •Манипулирование данными
- •Ограничения целостности
- •Основные достоинства и недостатки ранних субд
- •Литература:
- •Реляционная модель и ее характеристики. Целостность в реляционной модели
- •Представление информации в реляционных бд
- •Отношения. Свойства и виды отношений
- •Свойства отношений
- •Виды отношений
- •Целостность реляционных данных
- •Потенциальные и первичные ключи
- •Внешние ключи
- •Ссылочная целостность
- •Правила внешних ключей
- •Значения null и поддержка ссылочной целостности
- •Литература:
- •Реляционная алгебра
- •Понятие реляционной алгебры
- •Замкнутость в реляционной алгебре
- •Традиционные операции над множествами
- •Объединение
- •Пересечение
- •Вычитание
- •Произведение
- •Свойства основных операций реляционной алгебры
- •Специальные реляционные операции
- •Выборка
- •Проекция
- •Естественное соединение
- •Деление
- •Операция расширения
- •Операция подведения итогов
- •Операторы обновления
- •Реляционные сравнения
- •Литература:
- •Вопросы проектирования бд
- •Понятие проектирования бд
- •Функциональные зависимости
- •Тривиальные и нетривиальные зависимости
- •Замыкание множества зависимостей и правила вывода Армстронга
- •Неприводимое множество зависимостей
- •Нормальные формы – основные понятия
- •Декомпозиция без потерь и функциональные зависимости
- •Диаграммы функциональных зависимостей
- •Литература:
- •Проектирование бд. Нормальные формы отношений
- •Первая нормальная форма. Возможные недостатки отношения в 1нф
- •Вторая нормальная форма. Возможные недостатки отношения во 2нф
- •Третья нормальная форма. Возможные недостатки отношения в 3нф
- •Сохранение зависимости
- •Нормальная форма Бойса-Кодда
- •Литература:
- •Проектирование бд. Нормальные формы отношений (продолжение)
- •Многозначные зависимости
- •Четвертая нормальная форма
- •Зависимости соединения
- •Пятая нормальная форма
- •Зависимости соединения, подразумеваемой потенциальными ключами
- •Итоговая схема процедуры нормализации
- •Литература:
- •Проектирование бд методом сущность-связь. Er-диаграммы
- •Возникновение семантического моделирования
- •Основные понятия метода
- •Диаграммы er-экземпляров и er-типа
- •Связи типа 1:1 и необязательный класс принадлежности
- •Связи типа 1:1 и обязательный класс принадлежности
- •Связи типа 1:м вариант н-о
- •Связи типа м:м и вариант класса принадлежности о-н
- •Правила формирования отношений
- •Степень связи 1:1, класс принадлежности обеих сущностей обязательный
- •Степень связи 1:1, класс принадлежности одной сущности обязательный, а второй – необязательный
- •Степень связи 1:1, класс принадлежности обеих сущностей – необязательный
- •Степень связи между сущностями 1:м (или м:1), класс принадлежности м-связной сущности обязательный
- •Степень связи 1:м (м:1)и класс принадлежности м-связной сущности – необязательный
- •Степень связи м:м, независимо от класса принадлежности сущностей
- •Методология idef1 (самостоятельное изучение)
- •Литература:
- •Язык sql
- •История создания и развития sql
- •Основные понятия sql
- •Операторы
- •Типы данных в sql
- •Константы
- •Запросы на чтение данных. Оператор select
- •Предложение select
- •Предложение from
- •Отбор строк (предложение where)
- •Условия поиска
- •Сортировка результатов запроса (предложение order by).
- •Многотабличные запросы на чтение (объединения).
- •Запросы с использованием отношения предок/потомок.
- •Прочие объединения таблиц по равенству
- •Литература:
- •Язык sql (продолжение)
- •Объединения и стандарт sql2
- •Внутренние объединения в стандарте sql2
- •Внешние объединения в стандарте sql2
- •Перекрестные объединения и запросы на объединение в sql2
- •Многотабличные объединения в стандарте sql2
- •Итоговые запросы на чтение. Агрегатные функции
- •Агрегатные функции и значения null
- •Запросы с группировкой (предложение group by)
- •Несколько столбцов группировки
- •Ограничения на запросы с группировкой
- •Вложенные запросы
- •Условия поиска во вложенном запросе
- •Литература:
- •Внесение изменений в базу данных.
- •Добавление новых данных (оператор insert).
- •Удаление существующих данных (Оператор delete)
- •Обновление существующих данных (Оператор update)
- •Определение структуры данных в sql
- •Создание таблицы (оператор create table)
- •Удаление таблицы (оператор drop table)
- •Изменение определения таблицы (оператор alter table)
- •Определения доменов
- •Индексы (операторы create/drop index)
- •Понятие представления.
- •Преимущества представлений
- •Недостатки представлений
- •Представления в sql.
- •Обновление представлений и стандарт ansi/iso
- •Удаление представления (оператор drop view)
- •Системный каталог (самостоятельное изучение)
- •Понятие системный каталог
- •Системный каталог и стандарт ansi/iso
- •Содержимое системного каталога
- •Информационная схема в стандарте sql2
- •Литература:
- •Обеспечение безопасности бд
- •Общие положения
- •Методы обеспечения безопасности
- •Избирательное управление доступом
- •Обязательное управление доступом
- •Шифрование данных
- •Контрольный след выполняемых операций
- •Поддержка мер обеспечения безопасности в языке sql
- •Директивы grant и revoke
- •Представления и безопасность
- •Литература:
- •Физическая организация бд: структуры хранения и методы доступа
- •Доступ к базе данных
- •Кластеризация
- •Индексирование
- •Плотное и неплотное индексирование
- •Структуры типа б-дерева
- •Хеширование
- •Литература:
- •Оптимизация запросов
- •Пример оптимизации реляционного выражения
- •Обзор процесса оптимизации
- •Стадия 1. Преобразование запроса во внутреннюю форму
- •Стадия 2. Преобразование в каноническую форму
- •Стадия 3. Выбор потенциальных низкоуровневых процедур
- •Стадия 4. Генерация планов вычисления запроса и выбор плана с наименьшей стоимостью
- •Преобразование выражений
- •Выборки и проекции
- •Распределительный закон
- •Коммутативность и ассоциативность
- •Идемпотентность
- •Вычисляемые скалярные выражения
- •Условия
- •Семантические преобразования
- •Статистики базы данных
- •Литература:
- •Восстановление после сбоев
- •Транзакции
- •Понятие транзакции
- •Восстановление транзакции.
- •Свойства асид.
- •Алгоритм восстановления после сбоя системы
- •Восстановление после отказов системы
- •Параллелизм. Проблемы параллелизма
- •Проблема потери результатов обновления
- •Проблема незафиксированной зависимости
- •Проблема несовместимого анализа
- •Понятие блокировки
- •Решение проблем параллелизма
- •Проблема потери результатов обновления.
- •Проблема незафиксированной зависимости.
- •Проблема несовместимого анализа
- •Тупиковые ситуации
- •Способность к упорядочению
- •Уровни изоляции транзакции
- •Поддержка в языке sql
- •Литература:
- •Технологии субд
- •Распределенные базы данных
- •Предварительные замечания.
- •Принципы функционирования распределенной бд
- •Локальная автономия
- •Независимость от центрального узла
- •Непрерывное функционирование
- •Независимость от расположения
- •Независимость от фрагментации
- •Системы типа клиент/сервер
- •Серверы баз данных
- •Литература:
- •Современные постреляционные модели бд
- •Системы управления базами данных следующего поколения
- •Ориентация на расширенную реляционную модель
- •Абстрактные типы данных
- •Генерация систем баз данных, ориентированных на приложения
- •Поддержка исторической информации и темпоральных запросов
- •Объектно-ориентированные субд
- •Модель данных ообд
- •Идентификатор объекта
- •Новые типы данных
- •Оптимизация ядра субд
- •Язык субд и запросы
- •Транзакции в оосубд
- •Блокировки в оосубд
- •Ведение версий
- •Физические хранилища
- •Литература:
- •Regions
- •WorkPlan
- •Subjects
- •Teachers
- •Students
- •Приложение б.Описание структуры учебной базы данных.
Многозначные зависимости
Пусть дано ненормализованное отношение UCTX (т.е. отношение, которое не находится в 1НФ), содержащее информацию о курсах обучения, преподавателях и учебниках. Каждый кортеж такого отношения состоит из названия курса (Course), a также групп имен преподавателей (Teachers) и названий учебников (Texts) – на Error: Reference source not found показаны два таких кортежа. Под этим подразумевается, что каждый курс может преподаваться любым преподавателем соответствующей группы с использованием всех указанных учебников. Предположим, что для заданного курса может существовать любое количество соответствующих преподавателей и соответствующих учебников. Более того, допустим, хотя это и не совсем реалистичное допущение, что преподаватели и рекомендуемые учебники совершенно независимы друг от друга. Это значит, что независимо от того, кто преподает данный курс, всегда используется один и тот же набор учебников. Наконец, допустим, что определенный преподаватель или определенный учебник могут быть связан с любым количеством курсов.
UCTX |
||
COURSE |
TEACHERS |
TEXTS |
Физика |
проф. Иванов проф. Петров |
основы механики оптика |
Математика |
проф. Иванов
|
основы механики дискретная математика тригонометрия |
рис. 7.30 Ненормализованное отношения UCTX
Преобразуем это отношение в эквивалентное нормализованное отношение. Следует заметить, что для рассматриваемых данных функциональные зависимости не заданы (за исключением тривиальных зависимостей типа Course ® Course). Поэтому высказанные в предыдущей главе идеи не позволяют создать никакой формальной основы для выполнения декомпозиции данного отношения на проекции.
CTX |
||
COURSE |
TEACHER |
TEXT |
Физика |
проф. Иванов |
основы механики |
Физика |
проф. Иванов |
оптика |
Физика |
проф. Петров |
основы механики |
Физика |
проф. Петров |
оптика |
Математика |
проф. Иванов |
основы механики |
Математика |
проф. Иванов |
дискретная математика |
Математика |
проф. Иванов |
тригонометрия |
рис. 7.31 Таблица нормализованного отношения CTX.
В простейшей формулировке нормализованное отношение CTX означает, что кортеж {Course:c, Teacher:t, Техт:x} появляется в данном отношении тогда и только тогда, когда курс c читается преподавателем t с использованием учебника x. Тогда, принимая во внимание допустимость существования для данного отношения всех возможных комбинаций преподавателей вместе с учебниками, можно утверждать, что для отношения CTX верно следующее ограничение: если присутствуют оба кортежа (c,tl,xl) и (c,t2,x2), тогда присутствуют также оба кортежа (c,tl,x2) и (c,t2,xl)
Очевидно, что отношение CTX характеризуется значительной избыточностью и приводит к возникновению аномалий обновления. Например, для добавления информации о том, что курс физики может читаться новым преподавателем, необходимо создать два новых кортежа, по одному для каждого учебника. Тем не менее, отношение CTX находится в НФБК, поскольку является "полностью ключевым".
Можно заметить, что ситуация может быть исправлена к лучшему, если заменить отношение СТХ его проекциями {Course, Teacher} и {Course, Text}, показанными на Error: Reference source not found. Обе проекции являются "полностью ключевыми" и находятся в НФБК; более того, отношение СТХ может быть восстановлено с помощью обратного соединения проекций СТ и СХ и потому данная композиция выполняется без потерь. Однако только в 1971 году эти интуитивные идеи были сформулированы Фейгином (Fagin) в строгом теоретическом виде с помощью понятия многозначных зависимостей.
CT |
|
СХ |
||
COURSE |
TEACHER |
|
COURSE |
TEXT |
физика |
проф. Иванов |
физика |
основы механики |
|
физика |
проф. Петров |
физика |
оптика |
|
математика |
проф. Иванов |
математика |
основы механики |
|
|
|
математика |
дискретная математика |
|
|
|
математика |
тригонометрия |
рис. 7.32 Таблицы проекций СТ и СХ
Возвращаясь к рассматриваемому примеру с действительно корректной и желательной декомпозицией, показанной на Error: Reference source not found, следует, однако, отметить, что такая декомпозиция не может быть выполнена на основе функциональных зависимостей, поскольку они не существуют в данном отношении (кроме тривиальных зависимостей). Однако ее можно осуществить на основе нового типа зависимости, а именно упомянутой выше многозначной зависимости. Многозначные зависимости можно считать обобщением функциональных зависимостей в том смысле, что каждая функциональная зависимость является многозначной (однако обратное утверждение не верно, поскольку существуют многозначные зависимости, которые не являются функциональными). В отношении СТХ есть две многозначные зависимости:
Course—>>Teacher
Course—>>Text
Обратите внимание на двойную стрелку, которая в многозначной зависимости A—>>B означает, что "B многозначно зависит от A" или "A многозначно определяет B".
Пусть A, B и C являются произвольными подмножествами множества атрибутов отношения R. Тогда B многозначно зависит от A, что символически выражается записью
А—>>В
тогда и только тогда, когда множество значений B, соответствующее заданной паре (значение A, значение C) отношения R, зависит только от A, но не зависит от C.
Для данного отношения R{A, B, C} многозначная зависимость A—>>B выполняется тогда и только тогда, когда также выполняется многозначная зависимость A —>> C. Таким образом, многозначные зависимости всегда образуют связанные пары и потому их обычно представляют вместе в символическом виде:
А—>>В|С.
Для рассматриваемого примера такая запись будет иметь следующий вид:
Course—>>Teacher|Text
Возвращаясь к исходной задаче с отношением СТХ, теперь можно отметить, что описанная ранее проблема с отношением типа СТХ возникает из-за того, что оно содержит многозначные зависимости, которые не являются функциональными. (Следует отметить совсем неочевидный факт, что именно наличие таких МЗ требует вставлять два кортежа, когда необходимо добавить данные еще об одном преподавателе физики.) Проекции СТ и СХ не содержат многозначных зависимостей, а потому они действительно представляют собой некоторое усовершенствование исходной структуры. Поэтому было бы желательно заменить отношение СТХ двумя этими проекциями. Это можно сделать, исходя из теоремы Фейгина, которая приведена ниже.
Теорема Фейгина (эта теорема является более строгой версией теоремы Хеза). Пусть А, В и С являются множествами атрибутов отношения R{A, В, С}. Отношение R будет равно соединению его проекций {А, В} и {А, С} тогда и только тогда, когда для отношения R выполняется многозначная зависимость А—>>В|С.