5. Проектирование реляционных баз данных

Основная цель проектирования баз данных – это сокращение избыточности хранимых данных, а следовательно, экономия объема используемой памяти, уменьшение затрат на многократные операции обновления избыточных копий и, в первую очередь, устранение возможности возникновения противоречий из-за хранения в разных местах сведений об одном и том же объекте. Под избыточностью подразумевается то, что некоторые данные или группы данных могут многократно повторяться.

В процессе проектирования баз данных могут возникнуть следующие проблемы:

1. Аномалии обновления – из-за избыточности данных при их обновлении необходимо просматривать все данные, тем не менее, может возникнуть ситуация, когда не все данные будут обновлены (потенциальная противоречивость данных).

2. Аномалии включения – возможна ситуация, когда в базу нельзя ввести данные, прежде чем не будут получены и введены некоторые дополнительные сведения.

3. Аномалии удаления – обратная проблема может возникнуть при удалении некоторых данных (возможна потеря полезной информации).

4. Не минимизировано количество Null-значений. Так же как избыточность, неопределенные значения являются источниками потенциальных проблем в реляционных базах данных, так как невозможно определить, что они означают. Поэтому их использование желательно свести к минимуму.

Первые три проблемы разрешаются в процессе нормализации отношений.

1. Нормализация отношений

Нормализация – это разбиение (или декомпозиция) таблицы на две или более, обладающих лучшими свойствами при добавлении, изменении и удалении данных. Окончательная цель нормализации сводится к получению «чистого» проекта базы данных, в котором «каждый факт хранится лишь в одном месте», т.е. исключена избыточность данных. Это делается не столько с целью экономии памяти, сколько для исключения возможной противоречивости хранимых данных.

Каждая таблица в реляционной базе данных удовлетворяет условию, в соответствии с которым в позиции на пересечении каждой строки и столбца таблицы всегда находится единственное атомарное значение, и никогда не может быть множества таких значений. Любая таблица, удовлетворяющая этому условию, называется нормализованной. Фактически, ненормализованные таблицы, то есть таблицы, содержащие повторяющиеся группы, даже не рассматриваются в реляционной базе данных.

Нормализованная таблица соответствует первой нормальной форме, сокращенно 1НФ. Таким образом, "нормализованная" и "находящаяся в 1НФ" означают для таблицы одно и то же. Однако на практике термин "нормализованная" часто используется в более узком смысле – "полностью нормализованная", который означает, что в проекте не нарушаются никакие принципы нормализации.

Теперь в дополнение к 1НФ можно определить дальнейшие уровни нормализации – вторую нормальную форму (2НФ), третью нормальную форму (3НФ) и т.д. Считается, что таблица находится во 2НФ, если она находится в 1НФ и удовлетворяет, кроме того, некоторому дополнительному условию, суть которого будет рассмотрена ниже. Таблица находится в 3НФ, если она находится в 2НФ и, помимо этого, удовлетворяет другому дополнительному условию и т.д.

Таким образом, каждая нормальная форма является в некотором смысле более ограниченной, но и более желательной, чем предшествующая. Это связано с тем, что (n+1)-я нормальная форма не обладает некоторыми непривлекательными особенностями, свойственными n-й нормальной форме. Общий смысл дополнительного условия, налагаемого на (n+1)-ю нормальную форму по отношению к n-й нормальной форме, состоит в исключении этих непривлекательных особенностей.

Процедура нормализации отношений обратима. Например, множество отношений, находящихся в 3НФ, можно преобразовать в отношения, находящиеся в 2НФ. Это очень важное свойство нормализации означает, что в процессе нормализации информация не утрачивается.

Теория нормализации основывается на наличии определенных зависимостей между полями таблицы. Особое внимание уделяется функциональным и многозначным зависимостям и зависимостям соединений.