30. Реляционные бд. Нормализация бд

Задача длительного хранения и обработки информации появилась практически сразу с появлением первых компьютеров. Для решения этой задачи в конце 60-х годов были разработаны специализированные программы, получившие название систем управления базами данных (СУБД). СУБД проделали длительный путь эволюции от системы управления файлами, через иерархические и сетевые базы данных. В конце 80-х годов доминирующей стала система управления реляционными базами данных (СУРБД). С этого времени такие СУБД стали стандартом де-факто, и для того, чтобы унифицировать работу с ними, был разработан структурированный язык запросов (SQL), который представляет собой язык управления именно реляционными базами данных.ЗамечаниеВзаимодействие с базой данных происходит при помощи Системы Управления Базой Данных (СУБД), которая расшифровывает запросы и производит операции с информацией в базе данных. Поэтому более правильно было бы говорить о запросе к СУБД и о взаимодействии с СУБД из Web-приложения. Но так как это несколько усложняет восприятие, далее везде мы будем говорить "база данных", подразумевая при этом СУБД.

Существуют следующие разновидности баз данных:

• иерархические;

• реляционные;

• объектно-ориентированные;

• гибридные.

Иерархическая база данных основана на древовидной структуре хранения информации. В этом смысле иерархические базы данных очень напоминают файловую систему компьютера.

В реляционных базах данных данные собраны в таблицы, которые в свою очередь состоят из столбцов и строк, на пересечении которых расположены ячейки. Запросы к таким базам данных возвращает таблицу, которая повторно может участвовать в следующем запросе. Данные в одних таблицах, как правило, связаны с данными других таблиц, откуда и произошло название "реляционные".

В объектно-ориентированных базах данных данные хранятся в виде объектов. С объектно-ориентированными базами данных удобно работать, применяя объектно-ориентированное программирование. Однако, на сегодняшний день такие базы дан-ных еще не достигли популярности реляционных, поскольку пока значительно уступают им в производительности.

Гибридные СУБД совмещают в себе возможности реляционных и объектно-ориентированных баз данных.

В Web-приложениях, как правило, используются реляционные базы данных. Мы будем рассматривать пример базы данных, на которой основано большинство форумов, в том числе и тот, который мы далее будем разрабатывать. В этой базе хранится информация об авторах форума (authors), о названиях форумов (forums), о темах форума (themes) и, собственно, сами сообщения (posts). Таким образом, наша база данных будет включать следующие таблицы:

Таблица 1 Таблицы базы данных Forum.

authors

forums

posts

themes

Модель реляционной базы данных представляет данные в виде таблиц, разбитых на строки и столбцы, на пересечении которых находятся данные. Пример такой таблицы показан в Табл.2:

Таблица 2 Структура реляционной базы данных.

	ряд
строка	id_forum	name	Description
	1	дизайн	Обсуждаются вопросы дизайна
	2	MySQL	Обсуждаются вопросы, связанные с MySQL
	3	PHP	Обсуждаются вопросы, связанные с PHP
	4	разное	Другие вопросы

В табл.2 приведён пример таблицы forums базы данных большого форума, в котором имеется несколько разделов, посвящённых различным этапам построения Web-приложения. Каждая строка этой таблицы представляет собой один раздел форума. Четыре строки таблицы представляют собой весь форум.

Каждый столбец таблицы forums представляет один элемент данных для каждого из форумов. Столбец id_forum содержит уникальный идентификатор форума, столбец name содержит название форума и столбец description содержит краткое описание проблемы, обсуждаемой на форуме.

Кратко особенности реляционной базы данных можно описать следующим образом:

• Данные хранятся в таблицах, состоящих из столбцов и строк;

• На пересечении каждого столбца и строчки стоит в точности одно значение;

• У каждого столбца есть своё имя, которое служит его названием, и все значения в одном столбце имеют один тип. Например, в столбце id_forum все значения имеют целочисленный тип, а в строке name - текстовый;

• Столбцы располагаются в определённом порядке, который определяется при создании таблицы, в отличие от строк, которые располагаются в произвольном порядке. В таблице может не быть не одной строчки, но обязательно должен быть хотя бы один столбец;

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 отношений базы данных (БД) к виду, отвечающему нормальным формам, называется нормализацией. Нормализация предназначена для приведения структуры БД к виду, обеспечивающему минимальную логическую избыточность, и не имеет целью уменьшение или увеличение производительности работы или же уменьшение или увеличение физического объёма базы данных^[1]. Конечной целью нормализации является уменьшение потенциальной противоречивости хранимой в базе данных информации. Как отмечает К. Дейт^[2], общее назначение процесса нормализации заключается в следующем:

• исключение некоторых типов избыточности;

• устранение некоторых аномалий обновления;

• разработка проекта базы данных, который является достаточно «качественным» представлением реального мира, интуитивно понятен и может служить хорошей основой для последующего расширения;

• упрощение процедуры применения необходимых ограничений целостности.

Устранение избыточности производится, как правило, за счёт декомпозиции отношений таким образом, чтобы в каждом отношении хранились только первичные факты (то есть факты, не выводимые из других хранимых фактов).

При том, что идеи нормализации весьма полезны для проектирования баз данных, они отнюдь не являются универсальным или исчерпывающим средством повышения качества проекта БД. Это связано с тем, что существует слишком большое разнообразие возможных ошибок и недостатков в структуре БД, которые нормализацией не устраняются. Несмотря на эти рассуждения, теория нормализации является очень ценным достижением реляционной теории и практики, поскольку она даёт научно строгие и обоснованные критерии качества проекта БД и формальные методы для усовершенствования этого качества. Этим теория нормализации резко выделяется на фоне чисто эмпирических подходов к проектированию^[3], которые предлагаются в других моделях данных. Более того, можно утверждать, что во всей сфере информационных технологий практически отсутствуют методы оценки и улучшения проектных решений, сопоставимые с теорией нормализации реляционных баз данных по уровню формальной строгости.