關(guān)係資料庫設(shè)計(jì)理論

一個(gè)資料庫應(yīng)用系統(tǒng)往往涉及到多方面的複雜的數(shù)據(jù)資訊。例如，在學(xué)生管理資訊系統(tǒng)中,要涉及到學(xué)生、院系、宿舍、課程、成績等數(shù)據(jù)。再例如，在產(chǎn)品銷售資料庫中設(shè)計(jì)到產(chǎn)品、類別、倉庫、銷售單、銷售明細(xì)單等數(shù)據(jù)。如何將所涉及到的數(shù)據(jù)組織存入到資料庫中？是放在一個(gè)表中存放還是分放在幾個(gè)表中存放？每個(gè)表應(yīng)由哪些屬性組成？怎樣設(shè)計(jì)才是科學(xué)合理的呢？解決之法是用RDB設(shè)計(jì)理論：規(guī)範(fàn)化理論例如：產(chǎn)品報(bào)價(jià)資料庫5.1數(shù)據(jù)依賴數(shù)據(jù)依賴在關(guān)係模式中廣泛存在，影響巨大。恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)依賴是必要的。但不必要的數(shù)據(jù)依賴會(huì)對(duì)關(guān)係模式產(chǎn)生不好的影響。進(jìn)行資料庫設(shè)計(jì)時(shí)要深入分析數(shù)據(jù)間的依賴。本節(jié)主要介紹關(guān)係模式中的數(shù)據(jù)依賴的相關(guān)概念，分析數(shù)據(jù)依賴對(duì)關(guān)係模式的影響。5.1數(shù)據(jù)依賴5.1.1關(guān)係模式中的數(shù)據(jù)依賴5.1.2數(shù)據(jù)依賴分類5.1.3一個(gè)關(guān)係模式中的函數(shù)依賴5.1.4函數(shù)依賴對(duì)關(guān)係模式的影響5.1.5函數(shù)依賴的概念5.1.6平凡函數(shù)依賴和非平凡函數(shù)依賴5.1.7完全函數(shù)依賴和部分函數(shù)依賴5.1.8傳遞函數(shù)依賴、碼5.1.1關(guān)係模式中的數(shù)據(jù)依賴1.關(guān)係模式描述為：

R（U，D，DOM，F(xiàn)）

R為關(guān)係名。U屬性名集合。D為屬性組U中屬性所來自的域。DOM屬性向域的映象的集合。F為屬性間數(shù)據(jù)的依賴關(guān)係集合。2.數(shù)據(jù)依賴F：限定組成關(guān)係的各元組必須滿足的完整性約束條件。如屬性的取值範(fàn)圍；或者屬性值間的相互關(guān)聯(lián)（即數(shù)據(jù)依賴）。3.關(guān)係模式的簡(jiǎn)述為：

R（U，F(xiàn)）5.1.2數(shù)據(jù)依賴分類1.關(guān)係模式中的數(shù)據(jù)依賴有多種，比較重要的是函數(shù)依賴、多值依賴、連接依賴。2.函數(shù)依賴：關(guān)係模式中屬性間的普遍存在函數(shù)依賴。例：student(sno,sname,ssex,sage,sdept)

該關(guān)係模式中存在以下函數(shù)依賴：

Sno—>sname,Sno—>ssex,Sno—>sdept。3.多值依賴:一門課由多個(gè)老師上，使用同一套參考書。4.連接依賴:關(guān)係與關(guān)係間往往存在聯(lián)繫。5.1.3學(xué)校關(guān)係模式的函數(shù)依賴snocnamegradesdeptMname如學(xué)校資料庫模式：一個(gè)系有若干學(xué)生，一個(gè)學(xué)生只屬於一個(gè)系；一個(gè)系只有一個(gè)系主任；一個(gè)學(xué)生可以選修多門課程，每門課程有若干同學(xué)選修；每個(gè)學(xué)生所學(xué)的每門課程都有成績。假設(shè)學(xué)校資料庫模式僅由一個(gè)表構(gòu)成。

student（sno,sdept,mname,cname,grade）各屬性為學(xué)號(hào)，所在系，系主任名，課程名，成績。關(guān)係中存在的數(shù)據(jù)依賴為：5.1.4函數(shù)依賴對(duì)關(guān)係模式的影響關(guān)係模式：student（sno,sdept,mname,cname,grade）存在一些問題:1.數(shù)據(jù)冗餘太大。sdept,mname,cname重複保存。2.更新異常。3.插入異常。4.刪除異常。為什麼會(huì)出現(xiàn)這些問題呢？因?yàn)榇嬖诓缓线m的數(shù)據(jù)依賴！5.1.5函數(shù)依賴的概念定義：設(shè)R（U）是一個(gè)關(guān)係模式，U是R的屬性集合，X，Y是U的子集。對(duì)於R（U）的任意一個(gè)可能的關(guān)係r，如果r中不存在兩個(gè)元組，它們?cè)赬上的屬性相同，而在Y上的屬性不同，則稱“X函數(shù)確定Y”或”Y函數(shù)依賴於X“，記作X

Y。說明：（1）對(duì)R中所有關(guān)係實(shí)例而言；（2）資料庫設(shè)計(jì)者可作強(qiáng)制規(guī)定，如姓名不能同名；（3）如X

Y,X稱為決定屬性集；（4）如X

Y,並且Y

X則記為X

Y；（5）若Y不函數(shù)依賴於X，記作X—\—>Y。5.1.6平凡函數(shù)依賴和非平凡函數(shù)依賴

定義：在關(guān)係模式R（U），U是R的屬性集合，X，Y是U的子集，如果X

Y，但Y不包含於X，則稱X

Y是非平凡函數(shù)依賴，若Y包含於X，則稱X

Y是平凡函數(shù)依賴。說明：（1）對(duì)任一關(guān)係模式，平凡函數(shù)依賴必然成立。（2）本接只討論非平凡函數(shù)依賴。（3）非平凡函數(shù)依賴易產(chǎn)生問題。5.1.7完全函數(shù)依賴和部分函數(shù)依賴定義：在關(guān)係模式R（U），U是R的屬性集合，X，Y是U的子集。如果

X

Y，並且對(duì)於X的任何一個(gè)真子集X1，都有X1——|Y，，則稱“Y完全函數(shù)依賴於X”，記作X

Y。若X

Y，但Y不完全函數(shù)依賴於X，則稱Y部分函數(shù)依賴X，記作X—P

Y。說明：（1）部分函數(shù)依賴易產(chǎn)生問題。（2）完全函數(shù)依賴中，X為決定屬性，Y為非決定屬性。5.1.8傳遞函數(shù)依賴,碼傳遞函數(shù)依賴定義：在關(guān)係模式R（U），如果X

Y，Y——>Z，且Y不包含於X，Y——\

X，則稱“Z傳遞函數(shù)依賴於X”，記作X——>>Z。碼定義：設(shè)K為關(guān)係模式R（U，F(xiàn)）中的屬性或?qū)傩越M。若K

U，則稱K是一個(gè)候選碼。若關(guān)係模式R有多個(gè)候選碼，則選定其中的一個(gè)為主碼。碼、候選碼、主碼、外部碼。5.2範(fàn)式理論

範(fàn)式：是指符合某一級(jí)別的關(guān)係模式的集合。目前主要有6種範(fàn)式：

1NF>2NF>3NF>BCNF>4NF>5NF6種範(fàn)式的規(guī)範(fàn)化程度依次增強(qiáng)，滿足後一種。範(fàn)式的關(guān)係模式必然滿足前一種範(fàn)式。本節(jié)主要講述這六種範(fàn)式的特點(diǎn)。5.2範(fàn)式理論

5.2.11NF及存在的問題5.2.22NF及存在的問題5.2.33NF及存在的問題5.2.4BCNF及存在的問題5.2.54NF及存在的問題5.2.65NF5.2.7學(xué)校管理資料庫分析5.2.8STC資料庫分析5.2.11NF及存在的問題

snocnosdeptslocgrade1NF定義：如果一個(gè)關(guān)係模式R的所有屬性是不可分的基本資料項(xiàng)目，則R∈1NF。滿足1NF的關(guān)係模式並不一定是一個(gè)好關(guān)係模式。SLC（sno,sdept,sloc,cno,grade）主碼為（sno,cno）。該模式存在非主屬性對(duì)碼的部分函數(shù)依賴和傳遞函數(shù)依賴。該模式中存在以下三個(gè)問題。數(shù)據(jù)冗餘太大；更新異常；插入異常；刪除異常。

5.2.11NF關(guān)係模式的分解對(duì)SLC（sno,sdept,sloc,cno,grade）分解，變?yōu)椋?/p>

SL(sno,sdept,sloc)SC(sno,cno,grade)分解後，去掉了非主屬性sdept對(duì)碼的部分函數(shù)依賴。snosnosdeptslocsdeptsloc5.2.22NF及存在的問題定義：若關(guān)係模式R∈1NF，並且每一個(gè)非主屬性都完全函數(shù)依賴於R的碼，則稱R∈2NF。即不存在非主屬性對(duì)碼的部分函數(shù)依賴。如果碼中只包含一個(gè)屬性且屬於1NF，則R必屬於2NF。SLC分解後的SL和SC關(guān)係模式都屬於2NF。分解後異常情況減少。但關(guān)係模式SL(sno,sdept,sloc)仍SL存在操作異常：冗餘大，更新異常，插入異常，刪除異常的情況。其原因是還存在sloc對(duì)sno的傳遞函數(shù)依賴5.2.22NF的分解對(duì)SL（sno,sdept,sloc）作進(jìn)一步的分解，去掉sloc對(duì)sno傳遞依賴：

SD（sno,sdept）DL（sdept,sloc）這時(shí)，SD和DL的函數(shù)依賴是正常的。分解後在一定程度上解決了：數(shù)據(jù)冗餘大、更新異常、插入異常、刪除異常的情況。snosdeptslocsnosdeptslocsdept5.2.33NF及存在的問題定義：若關(guān)係模式R<U，F(xiàn)>中不存在候選碼X，屬性組Y，以及非主屬性Z（Z不包含於Y），使得X

Y,Y

Z和Y—\

X成立，則R∈3NF。若R∈3NF，則R的每一個(gè)非主屬性既不部分函數(shù)依賴於候選碼，也不傳遞函數(shù)依賴於候選碼。

SD（sno,sdept），DL（sdept,sloc）屬於3NF。但3NF並不一定就是一個(gè)好的關(guān)係模式。它並不能完全消除異常情況和數(shù)據(jù)冗餘。5.2.33NF的問題及分解例：STJ（S，T，J）S表示學(xué)生，T表示教師，J表示課程。假若每一教師只教一門課，每門課有若干教師教，某一學(xué)生選定的某門課就確定了一個(gè)固定的教師。STJ中存在兩個(gè)候選碼（S，J）和（S，T），它存在以下數(shù)據(jù)依賴：（S，J）

T，（S，T）

J，T

J。即STJ中存在主屬性J部分依賴於碼（S，T）。該模式仍存在以下情況：數(shù)據(jù)冗餘太大。更新異常。插入異常。刪除異常。對(duì)STJ分解，變?yōu)椋篠T（S，T），TJ（T，J）分解後，解決了上述幾種異常情況。5.2.4BCNF定義：若關(guān)係模式R<U，F(xiàn)>∈1NF，如果對(duì)於R的每個(gè)函數(shù)依賴X

Y，若Y不包含於X，則X必含有候選碼。那麼R∈BCNF。即在關(guān)係模式R<U，F(xiàn)>中，如果每個(gè)決定屬性都包含候選碼，則R∈BCNF。即在3NF的基礎(chǔ)上,消除了主屬性對(duì)碼的部分依賴和傳遞依賴,所在屬性都不部分依賴或傳遞依賴於碼。5.2.4BCNF三個(gè)性質(zhì)BCNF具有三個(gè)性質(zhì):（1）所有非主屬性都完全函數(shù)依賴於每個(gè)候選碼。（2）所有主屬性都完全函數(shù)依賴於每個(gè)不包含它的候選碼。（3）沒有任何屬性完全函數(shù)依賴於非碼的任何一組屬性。如果R中只有一個(gè)候選碼，如R∈3NF，則必R∈BCNF。5.2.43NF

BCNF小結(jié)3NF和BCNF是以函數(shù)依賴為基礎(chǔ)的關(guān)係模式規(guī)範(fàn)化程度的測(cè)度。如果一個(gè)關(guān)係資料庫中的所有關(guān)係模式都屬於BCNF，那麼在函數(shù)依賴依賴範(fàn)疇內(nèi)，它已實(shí)現(xiàn)了模式的徹底分解，達(dá)到了最高的規(guī)範(fàn)化程度。5.2.5一個(gè)存在多值依賴的關(guān)係模式關(guān)係模式:TEACH(C,T,B)，C表示課程，T表示教師，B表示參考書。假設(shè)某一門課由多個(gè)教師講授，一門課使用相同的一套參考書。關(guān)係模式存在以下依賴：數(shù)學(xué)

[鄧海,陳紅]

[高數(shù),數(shù)學(xué)分析,微分方程]物理

[李東,張強(qiáng),劉明]

[普通物理學(xué),光學(xué)]該關(guān)係模式碼為（C，T，B），為全碼。滿足BCNF，但仍存在四種異常。為什麼呢？課程C教師T參考書B數(shù)學(xué)鄧海高數(shù)數(shù)學(xué)鄧海數(shù)學(xué)分析數(shù)學(xué)鄧海微分方程數(shù)學(xué)陳紅高數(shù)數(shù)學(xué)陳紅數(shù)學(xué)分析數(shù)學(xué)陳紅微分方程物理李東普通物理物理李東光學(xué)………5.2.5多值依靠定義一定義：設(shè)R（U）是一個(gè)屬性集U上的一個(gè)關(guān)係模式，X，Y和Z是U的子集，並且Z=U-X-Y，多值依賴X

Y成立當(dāng)且僅當(dāng)對(duì)R的任一關(guān)係r，r在（X，Z）上的每個(gè)值對(duì)應(yīng)一組Y的值，這組值僅僅決定於X值而與Z值無關(guān)。若X

Y，而Z=Ф（表示空集），則X

Y為平凡的多值依賴。否則稱X

Y為非平凡的多值依賴。5.2.5多值依靠定義二多值依賴另一定義：在關(guān)係模式R（U）的任一關(guān)係中，如果對(duì)於任意兩個(gè)元組t,s,有t[X]=s[X],就必存在元組w,v∈r(w和v可以與s和t相同)，使得w[X]=v[X]=t[X],而w[Y]=t[Y],w[Z]=s[Z],v[Y]=s[Y],v[Z]=t[Z],即交換s,t元組的Y值所得的兩個(gè)新元組必在r中，則稱Y多值依賴於X，記為X

Y。其中，X和Y是U的子集，Z=U-X-Y。5.2.5多值依賴具有下列性質(zhì)（1）對(duì)稱性。即X

Y，則XZ

，其中Z=U-X-Y。（2）傳遞性。即X

Y，Y

Z，則XZ

。（3）函數(shù)依賴可以看作是多值依賴的特殊情況。（4）若X

Y，X

Z，則XYZ

。（5）若X

Y，X

Z，則XY∩Z

。（6）若X

Y，X

Z，則XY-Z，XZ-Y

。（7）多值依賴的有效性與屬性集的範(fàn)圍有關(guān)。（8）若多值依賴X

Y在R（U）上成立，對(duì)於Y‘包含於Y，並不一定X

Y’成立，但是如果函數(shù)依賴X

Y在R（U）上成立，對(duì)於任何Y‘包含於Y，必定X

Y’成立。5.2.5多值依賴與4NF

對(duì)TEACH（C，T，B）處理，去掉多值依賴。分解兩個(gè)關(guān)係模式：

CT（C，T）∈4NFCB（C，B）∈4NF4NF定義：

關(guān)係模式R（U，F(xiàn)）∈1NF，如果對(duì)於R的每個(gè)非平凡多值依賴X

Y(Y不包含於X)，X都含有候選碼，則R∈4NF。5.2.6連接依賴分解是關(guān)係規(guī)範(fàn)化的主要手段，連接依賴是有關(guān)分解和自然連接的理論，5NF是有關(guān)如何消除子關(guān)係的插入異常和刪除異常。連接依賴：設(shè)R（U）是屬性集U上的關(guān)係模式，X1，X2，…Xn是U的子集，且U=X1∪X2∪…∪Xn，如R等於R（X1），R（X2），…R（Xn）的自然連接，則稱R在X1，X2，…Xn上具有n目連接依賴。記作，∞[X1][X2]…[Xn]。5.2.6連接依賴和5NF5NF定義：如果關(guān)係模式R中的每一個(gè)連接依賴均由R的候選碼所隱含，則稱R∈5NF。說明：（1）即指連接時(shí)所連接的屬性均為候選碼。（2）多表間的連接應(yīng)滿足5NF較好。5.2.7學(xué)校管理資料庫分析SNOCNGDNDMS1C1ACSZHANGS1C2ACSZHANGS1C4ACSZHANGS1C5BCSZHANGS2C2BCSZHANGS2C3ACSZHANGS2C4BCSZHANGS3C1BMAWANGS3C2CMAWANGS3C3AMAWANGS4C1AELLIS4C2BELLIS4C3CELLIS5C2BISZHAOS5C3CISZHAOS5C4AISZHAOSNODNS1CSS2CSS3MAS4ELS5ISSNOCNGS1C1AS1C2AS1C4AS1C5BS2C2BS2C3AS2C4BS3C1BS3C2CS3C3AS4C1AS4C2BS4C3CS5C2BS5C3CS5C4ADNDMCSZHANGMAWANGELLIISZHAOUNSCDS5.2.7學(xué)校管理資料庫的函數(shù)依賴GSNOCNDNDM5.2.7函數(shù)依賴的變換SNOCNGSC:SNODNDNDMSD:D:GSNOCNDNDMUN:fpptDNDMSNOSD:t5.2.8STC資料庫分析StudentCourseTeacherS1S1S2S2PhysicsMathsMathsPhysicsZhaoQianSunLi實(shí)例：SCTSTC函數(shù)依賴：STTCST：TC：5.3關(guān)係模式的規(guī)範(fàn)化基本思想是逐步消除數(shù)據(jù)領(lǐng)帶中不合適的部分，使模式中的各關(guān)係模式達(dá)到某種程度的“分解”，即採用“一事一地”的模式設(shè)計(jì)原則，讓一個(gè)關(guān)係描述一個(gè)概念、一個(gè)實(shí)體或者實(shí)體間的一種聯(lián)繫。即“概念單一化”。5.3關(guān)係模式的規(guī)範(fàn)化5.3.1規(guī)範(fàn)化步驟5.3.2關(guān)係模式的分解的準(zhǔn)則5.3.3一個(gè)關(guān)係模式分解的探討5.3.4無損連接性5.3.5保持函數(shù)依賴5.3.6學(xué)生成績登記表分析5.3.1規(guī)範(fàn)化步驟1NF2NF3NFBCNF4NF5NF消除非主屬性對(duì)碼的部分函數(shù)依賴消除非主屬性對(duì)碼的傳遞函數(shù)依賴消除主屬性對(duì)碼的部分和傳遞函數(shù)依賴消除多值依賴消除連接依賴消除決定屬性集非碼非平凡函數(shù)依賴5.3.2關(guān)係模式的分解的準(zhǔn)則要保證分解後的關(guān)係模式與原關(guān)係模式等價(jià)。有三種標(biāo)準(zhǔn)：（1）分解具有無損連接性。（2）分解要保持函數(shù)依賴。（3）分解既要保持函數(shù)依賴，又解要保持無損連接性。5.3.3一個(gè)關(guān)係模式分解的探討

關(guān)係模式：SL（sno，sdept，sloc）分解方法有：方法一：SN（sno）,SD(sdept)，SO（sloc）丟失了很多有用的資訊，分解不能保持函數(shù)依賴，不具有無損連接性。方法二：NL（sno，sloc），DL（sdept，sloc）分解能保持函數(shù)依賴，但不具有無損連接性。方法三：ND(sno，sdept)，NL（sno，sloc）分解具有無損連接性，但不能保持函數(shù)依賴。方法四：ND(sno，sdept)，DL（sdept，sloc）分解既能保持函數(shù)依賴，又具有無損連接性。

5.3.4無損連接性設(shè)關(guān)係模式R（U，F(xiàn)）被分解為若干個(gè)關(guān)係模式R1（U1，F(xiàn)1），R2（U2，F(xiàn)2）…..Rn（Un，F(xiàn)n），（其中U=U1∪U2……∪Un，且不存在Ui包含於Uj中，Ri為F在Ui上的投影），若R與R1，R2..…Rn自然連接的結(jié)果相等，則稱關(guān)係模式R的分解具有無損連接性。只有具有無損連接性的分解才能保證不丟失資訊。例如方法三：ND(sno，sdept)，NL（sno，sloc）分解具有無損連接性，但不能保持函數(shù)依賴。5.3.5保持函數(shù)依賴設(shè)關(guān)係模式R（U，F(xiàn)）被分解為若干個(gè)關(guān)係模式R1（U1，F(xiàn)1），R2（U2，F(xiàn)2）…..Rn（Un，F(xiàn)n），（其中U=U1∪U2……∪Un，且不存在Ui不包含於Uj中，Ri為F在Ui上的投影），若F所邏輯蘊(yùn)含的函數(shù)依賴一定也由分解得到的某個(gè)關(guān)係模式中的函數(shù)依賴Fi所邏輯蘊(yùn)含，則稱關(guān)係模式R的分解具有保持函數(shù)依賴。方法四：ND(sno，sdept)，DL（sdept，sloc）

分解既能保持函數(shù)依賴，又具有無損連接性。5.3.6學(xué)生成績登記表分析學(xué)號(hào)姓名性別專業(yè)年級(jí)課程成績課號(hào)課名學(xué)時(shí)學(xué)分教師師號(hào)成績S1S2張三李四男女CSCS9899C1C2C3C4C5C1DBDSOSMAPHDB6060801209060334653趙錢孫李周趙M1M9M4M7M2M1907085907586如何對(duì)該關(guān)係模式進(jìn)行分解呢？5.4小結(jié)優(yōu)秀的DB設(shè)計(jì)是DBS應(yīng)用成功的基石。RDB邏輯設(shè)計(jì)以RDB規(guī)範(fàn)化理論為指導(dǎo)。不合理數(shù)據(jù)依賴會(huì)產(chǎn)生冗餘