1、第4章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)(RDB)規(guī)范化理論,4.1 關(guān)系模式規(guī)范化的必要性 4.2 數(shù)值依賴 4.3 范式與規(guī)范化 、關(guān)系分解原則, ,RDB規(guī)范化理論的目的是要設(shè)計(jì)“好的”RDB模式。 要設(shè)計(jì)好的關(guān)系模式，必須是關(guān)系滿足一定的約束條件，此約束形成了規(guī)范。,范式(Normal Form)：衡量DB規(guī)范的層次或深度，DB規(guī)范化層次由范式來(lái)決定。簡(jiǎn)記作NF. 根據(jù)關(guān)系模式滿足的不同性質(zhì)和規(guī)范化的程度，將關(guān)系模式分為第一范式(1NF)、第二范式(2NF)、第三范式(3NF)、BC范式、第四范式(4NF)、第五范式(5NF)，范式越高規(guī)范化程度越高。,規(guī)范化：低級(jí)關(guān)系模式通過(guò)模式分解轉(zhuǎn)換為若干高級(jí)范式的關(guān)

2、系模式集合的過(guò)程。 規(guī)范化是在RDB中減少數(shù)據(jù)冗余的過(guò)程。,4.1 關(guān)系模式規(guī)范化的必要性,1. 關(guān)系模式應(yīng)滿足的條件 2. 關(guān)系規(guī)范化可能出現(xiàn)的問(wèn)題 3. 模式分解是關(guān)系規(guī)范化的主要方法,1.關(guān)系模式應(yīng)滿足的條件, 元組每個(gè)分量必是不可再分的數(shù)據(jù)項(xiàng) RDB特別強(qiáng)調(diào)，關(guān)系中的屬性不能是組合屬性，必須是基本項(xiàng)。否則，會(huì)使關(guān)系結(jié)構(gòu)變?yōu)槎鄬哟蔚幕旌辖Y(jié)構(gòu)，增加關(guān)系操作的表達(dá)、優(yōu)化即執(zhí)行的復(fù)雜度。如: 教師( 姓名,工資,所授課程名,課程號(hào));, ,職務(wù)工資 津貼 課時(shí)補(bǔ)貼, DB中的數(shù)據(jù)冗余應(yīng)盡量少 “數(shù)據(jù)冗余”會(huì)使： DB中的數(shù)據(jù)量巨增，系統(tǒng)負(fù)擔(dān)過(guò)重，并浪費(fèi)大量存儲(chǔ)空間； 造成數(shù)據(jù)的不完整，增加數(shù)據(jù)

3、維護(hù)的代價(jià)。 造成數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計(jì)困難，導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)果。, RDB不能因?yàn)閿?shù)據(jù)更新操作而引起數(shù)據(jù)不一致性即更新異常 對(duì)于“數(shù)據(jù)冗余大”的RDB，當(dāng)執(zhí)行數(shù)據(jù)修改時(shí)，系統(tǒng)要付出很大代價(jià)來(lái)維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性。否則會(huì)面臨數(shù)據(jù)不一致的危險(xiǎn)。影響了數(shù)據(jù)的完整性，使得DB中數(shù)據(jù)的可信度降低。如:某教師從78號(hào)宿舍搬到76號(hào),修改量較大.,當(dāng)執(zhí)行數(shù)據(jù)插入時(shí)，DB中的數(shù)據(jù)不能產(chǎn)生插入異常現(xiàn)象 所謂“插入異?！笔侵赶Ｍ迦氲男畔⒂捎诓荒軡M足數(shù)據(jù)完整性的某種要求而不能正常地被插入到DB中的異常問(wèn)題。 比如:上例中插入一個(gè)尚未安排授課的新進(jìn)教師信息. 原因： 因多種信息混合放在一個(gè)表中，可能造成因一種信息被捆綁在其他信息

4、上而產(chǎn)生的信息之間相互依附存儲(chǔ)的問(wèn)題，使得信息不能獨(dú)立插入。, DB中數(shù)據(jù)不能在執(zhí)行刪除操作時(shí)產(chǎn)生“刪除異?！眴?wèn)題 “刪除異常”是指在刪除某種信息的同時(shí)把其它信息也刪除了。 比如: 上例取消T3教師的教學(xué)任務(wù),要?jiǎng)h除其授課元組,則在刪除其授課信息的同時(shí)將其地址和姓名信息一并刪除掉了. “刪除異常”是DB結(jié)構(gòu)不合理產(chǎn)生的問(wèn)題。若關(guān)系中多種信息捆綁在一起，當(dāng)被刪除信息中含有關(guān)系的主關(guān)鍵字時(shí)，因關(guān)系要滿足實(shí)體完整性，整個(gè)元組將全部從DB中被刪除，即出現(xiàn)“刪除異常”。,為解決這幾個(gè)問(wèn)題可將關(guān)系模式 教師 分解為兩個(gè)模式R,S。這樣數(shù)據(jù)冗余度變小,不存在插入、更新和刪除異常情況了。,關(guān)系R,關(guān)系S,關(guān)系

5、 教師, DB設(shè)計(jì)應(yīng)考慮查詢要求，數(shù)據(jù)組織應(yīng)合理 在DB設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮到數(shù)據(jù)自身的結(jié)構(gòu)完整性，還要考慮到數(shù)據(jù)的使用要求。 為使數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)處理高效簡(jiǎn)潔，特別是對(duì)查詢實(shí)時(shí)性要求高、操作頻度大的數(shù)據(jù)，有必要通過(guò)視圖、索引和適量增加數(shù)據(jù)冗余的方法，增加DB的方便性和可用性。,2. 關(guān)系規(guī)范化可能出現(xiàn)的問(wèn)題,如果一個(gè)關(guān)系沒(méi)有經(jīng)過(guò)規(guī)范化，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余大、數(shù)據(jù)更新造成不一致、數(shù)據(jù)插入異常和刪除異常。 例6：學(xué)生關(guān)系存在的問(wèn)題：數(shù)據(jù)冗余(系主任名)、更新異常(換系主任)、插入異常(系沒(méi)有招生系主任名不能插入)、刪除異常(學(xué)生畢業(yè))。,3. 模式分解是關(guān)系規(guī)范化的主要方法,對(duì)于有問(wèn)題的關(guān)系模式，可

6、通過(guò)模式分解的方法使之規(guī)范化。 原學(xué)生關(guān)系（學(xué)號(hào)，姓名，所在系，系主任姓名，課程名，成績(jī)）可分解為以下三個(gè)關(guān)系： 學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，所在系） 系（所在系，系主任姓名） 考試（學(xué)號(hào)，課程名，成績(jī)） 新關(guān)系克服了學(xué)生關(guān)系存在的問(wèn)題，更加合理和實(shí)用。,4.2 數(shù)據(jù)依賴,1. 函數(shù)依賴 2. 平凡函數(shù)依賴與非平凡函數(shù)依賴 3. 完全函數(shù)依賴與部分函數(shù)依賴 4. 傳遞函數(shù)依賴, ,在DB中，數(shù)據(jù)屬性之間存在著密切的聯(lián)系。在DB技術(shù)中，把數(shù)據(jù)之間存在的聯(lián)系稱為“數(shù)據(jù)依賴”。 DB中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)異常現(xiàn)象與數(shù)據(jù)依賴有著緊密的關(guān)聯(lián)。在數(shù)據(jù)依賴中，函數(shù)依賴是最基本的一種依賴形式。 認(rèn)識(shí)和掌握函數(shù)依賴知識(shí)，對(duì)于DB的

7、約束設(shè)計(jì)和規(guī)范化設(shè)計(jì)具有重要意義。,1. 函數(shù)依賴,假設(shè)R(A1,A2,An)是一個(gè)關(guān)系模式，X和Y是A1,A2,An的子集,對(duì)于關(guān)系R中的任意一個(gè)X的值，都只有一個(gè)Y值與之對(duì)應(yīng)，則稱“X函數(shù)確定Y”或“Y函數(shù)依賴于X”，記作XY。 例如：學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，所在系，課程名，成績(jī)）關(guān)系模式中，學(xué)號(hào)姓名 學(xué)號(hào)所在系 （學(xué)號(hào)，課程名）成績(jī), ,注意：X和Y都是屬性組，如果XY，表示X中取值確定時(shí)，Y中的取值惟一確定，即X決定Y或Y函數(shù)依賴于X，X是決定因素。 函數(shù)依賴類似于數(shù)學(xué)中的單值函數(shù)，函數(shù)的自變量確定時(shí)，應(yīng)變量的值惟一確定。反映了關(guān)系模式中屬性間的決定關(guān)系，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系。,例7：學(xué)生

8、（學(xué)號(hào)，姓名，性別，年齡，班級(jí)號(hào)） 存在以下的函數(shù)依賴： 學(xué)號(hào)姓名 學(xué)號(hào)性別 學(xué)號(hào)年齡 學(xué)號(hào)班級(jí)號(hào),說(shuō)明： 函數(shù)依賴不是指關(guān)系模式R的某個(gè)或某些關(guān)系實(shí)例滿足的約束條件，而是指R的所有關(guān)系實(shí)例均要滿足的約束條件。 函數(shù)依賴是RDB用以表示數(shù)據(jù)語(yǔ)義的機(jī)制。人們只能根據(jù)數(shù)據(jù)的語(yǔ)義來(lái)確定函數(shù)依賴。 例：“姓名年齡”這個(gè)函數(shù)依賴只有在沒(méi)有相同姓名人的條件下成立。若有相同姓名的人，則“年齡”就不再函數(shù)依賴于“姓名”了。,2. 平凡函數(shù)依賴與非平凡函數(shù)依賴,在關(guān)系模式R(U)中，對(duì)于U的子集X和Y，如果XY，但Y X，則稱XY是非平凡函數(shù)依賴。若Y X，則稱XY為平凡函數(shù)依賴。 例如：學(xué)號(hào)姓名 (學(xué)號(hào),姓名

9、)姓名 對(duì)于任一關(guān)系模式，平凡函數(shù)依賴都是必然成立的，它不反映新的語(yǔ)義，因此若不特別聲明，我們總是討論非平凡函數(shù)依賴。,3. 完全函數(shù)依賴與部分函數(shù)依賴,完全函數(shù)依賴： 在關(guān)系模式R(U)中，如果XY，并且對(duì)于X的任何一個(gè)真子集X，都有X Y，則稱Y完全函數(shù)依賴于X，記作X Y。 部分函數(shù)依賴： 若XY，但Y不完全函數(shù)依賴于X，則稱Y部分函數(shù)依賴于X，記作X Y。, ,例8： 學(xué)生(學(xué)號(hào)，姓名，所在系，系主任姓名，課程號(hào)，成績(jī)) 學(xué)生關(guān)系模式存在的部分函數(shù)依賴： (學(xué)號(hào)，課程號(hào)) 姓名 (學(xué)號(hào)，課程號(hào)) 所在系 (學(xué)號(hào)，課程號(hào)) 系主任姓名 思考: 此關(guān)系模式中是否存在完全函數(shù)依賴?,4. 傳

10、遞函數(shù)依賴,在關(guān)系模式R(U)中，如果XY，YZ，且Y X，Z Y，Y X，則稱Z傳遞函數(shù)依賴于X。 例9：學(xué)生(學(xué)號(hào)，姓名，所在系，系主任姓名，課程名，成績(jī))，存在如下的函數(shù)依賴： 學(xué)號(hào)所在系 所在系系主任姓名 學(xué)號(hào)系主任姓名,傳遞,4.3 范式與規(guī)范化,1. 第一范式(1NF) 2. 第二范式(2NF) 3. 第三范式(3NF) 4. BC范式,1. 第一范式(1NF),若一個(gè)關(guān)系模式R的所有屬性都是不可分的基本數(shù)據(jù)項(xiàng)，則該關(guān)系屬于1NF 。 在任何一個(gè)RDBS中，1NF是對(duì)關(guān)系模式的一個(gè)必須的要求，不滿足1NF的DB模式不能稱為RDB。 滿足1NF的關(guān)系模式并不一定是好的關(guān)系模式。,例如

11、：學(xué)生(學(xué)號(hào)，姓名，所在系，系主任姓名，課程名，成績(jī)) 它顯然滿足1NF，但本身存在插入異常、刪除異常、更新異常和數(shù)據(jù)冗余問(wèn)題，所以它不是一個(gè)好的關(guān)系模式。 例如：教師(教師號(hào)，姓名,性別,年齡,家庭地址(城市、街道、門牌號(hào)）則非1NF，可將它改為 教師(教師號(hào)，姓名,性別,年齡, 城市，街道，門牌號(hào)） 則為1NF 了,2. 第二范式(2NF),若關(guān)系模式R屬于1NF，且每個(gè)非主屬性都完全函數(shù)依賴于主關(guān)鍵字，則R屬于2NF 。 2NF不允許關(guān)系模式中的非主屬性部分函數(shù)依賴于主關(guān)鍵字。, ,例10：學(xué)生(學(xué)號(hào)，姓名，所在系，系主任姓名，課程名，成績(jī)) 學(xué)生關(guān)系模式存在部分依賴： (學(xué)號(hào)，課程名)

12、姓名 (學(xué)號(hào)，課程名)所在系 (學(xué)號(hào)，課程名)系主任姓名 不滿足“每個(gè)非主屬性都完全函數(shù)依賴于主關(guān)鍵字”的條件。故不屬于2NF。 對(duì)學(xué)生關(guān)系模式進(jìn)行分解，使其滿足2NF的條件，即要消除非主屬性對(duì)主關(guān)鍵字的部分依賴。,關(guān)系分解 把R的屬性分開(kāi)，以構(gòu)成兩個(gè)新的關(guān)系模式； 通過(guò)對(duì)R的元組進(jìn)行投影而產(chǎn)生兩個(gè)新的關(guān)系。 學(xué)生關(guān)系模式分解成： 學(xué)生-系(學(xué)號(hào)，姓名，所在系，系主任姓名) 考試(學(xué)號(hào)，課程名，成績(jī)) 學(xué)生-系、考試屬于2NF。,學(xué)生關(guān)系模式：學(xué)生-系(學(xué)號(hào)，姓名，所在系，系主任姓名) 存在： 學(xué)號(hào)所在系 所在系系主任姓名 學(xué)號(hào)系主任姓名 仍有數(shù)據(jù)冗余(從學(xué)生-系關(guān)系模式的實(shí)例可以看出，當(dāng)一個(gè)

13、系有很多學(xué)生時(shí)，“系主任姓名”會(huì)大量重復(fù)出現(xiàn))和更新異常。所以應(yīng)進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行規(guī)范化。,傳遞,習(xí)題9： 關(guān)系模式R（ABCD），F(xiàn)是R上成立的函數(shù)依賴集，F(xiàn)=AB-CD，A-D (1) 試說(shuō)明R不是2NF的理由 (2) 試把R分解成2NF模式集. R1（ABC） R2（AD）,3. 第三范式(3NF),若關(guān)系模式R屬于1NF，且每個(gè)非主屬性都不傳遞依賴于主關(guān)鍵字，則R屬于3NF。 將學(xué)生-系(學(xué)號(hào)，姓名，所在系，系主任姓名) 關(guān)系模式分解為： 學(xué)生(學(xué)號(hào)，姓名，所在系) 系(所在系，系主任姓名) 關(guān)系模式學(xué)生與系均已滿足3NF。, ,3NF是一個(gè)可用的關(guān)系模式應(yīng)滿足的最低范式。 一個(gè)關(guān)系模式如

14、果不滿足3NF，實(shí)際上是不能使用的。 把關(guān)系模式分解到3NF，可在相當(dāng)程度上減輕原關(guān)系中的異常和信息冗余，但也不能保證完全消除關(guān)系模式中的各種異常和信息冗余。 要想使DB性能得到進(jìn)一步的改善，就要把關(guān)系模式進(jìn)一步規(guī)范化。,習(xí)題10: 設(shè)關(guān)系模式R(ABC),F是R上成立的函數(shù)依賴集,F=C-B,B-A (1) 試說(shuō)明R不是3NF的理由 (2) 試把R分解成3NF. R1（CB） R2（BA）,4. BC范式,若關(guān)系模式R屬于第一范式，且每個(gè)非平凡依賴的左邊必須包含主關(guān)鍵字；或稱每個(gè)決定因素必須包含主關(guān)鍵字。則稱R屬于BC范式。 分析如下關(guān)系是否屬于BC 范式： 學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，所在系）； 系

15、（所在系，系主任姓名） 成績(jī)（學(xué)號(hào)，課程名，成績(jī)）；,思考習(xí)題：,設(shè)有關(guān)系模式：R（職工名，項(xiàng)目名，工資，部門號(hào)，部門經(jīng)理） 如果規(guī)定每個(gè)職工可參加多個(gè)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目領(lǐng)一份工資；每個(gè)項(xiàng)目只屬于一個(gè)部門管理；每個(gè)部門只有一個(gè)經(jīng)理。要求： （1）試寫(xiě)出關(guān)系模式R的基本函數(shù)依賴和主關(guān)鍵字； （2）說(shuō)明R不是2NF模式的理由，并把R分解成2NF模式集； （3）進(jìn)而把R分解成3NF模式集，并說(shuō)明理由。,（1） （職工名，項(xiàng)目名） 工資 項(xiàng)目名 部門名 部門名 部門經(jīng)理 （2） R1（職工名，項(xiàng)目名，工資） R2（項(xiàng)目名，部門名，部門經(jīng)理） （3） R11（職工名，項(xiàng)目名，工資） R21（項(xiàng)目名，部門名）

16、 R31（部門名，部門經(jīng)理）,4.4 關(guān)系分解原則,1. 無(wú)損連接 2. 保持依賴, ,對(duì)關(guān)系模式進(jìn)行分解的目的： 使關(guān)系模式更加規(guī)范化，從而減少以至消除數(shù)據(jù)冗余和更新異常。 要使關(guān)系模式的分解有意義，模式分解需要滿足一些約束條件是分解不能破壞原來(lái)的語(yǔ)義，即模式分解要符合無(wú)損連接和保持函數(shù)依賴的原則。,1. 無(wú)損連接,如果對(duì)新的關(guān)系進(jìn)行自然連接得到的元組的集合與原關(guān)系完全一致，則稱為無(wú)損連接。 無(wú)損連接保證分解前后關(guān)系模式的信息不能丟失和增加，保持原有的信息不變。 反映了模式分解的數(shù)據(jù)等價(jià)原則。, ,例11：工人(工號(hào)，工種，定額) 工人關(guān)系中存在的函數(shù)依賴如下： 工號(hào)工種 工種定額 工號(hào)定額

17、(傳遞函數(shù)依賴) 分解方案如下：,2. 保持依賴,分解前所有的函數(shù)依賴要由分解后的所有關(guān)系模式中的函數(shù)依賴反映。 分解后的關(guān)系不能破壞原來(lái)的函數(shù)依賴(不能破壞原來(lái)的語(yǔ)義)，即保持分解前后原有的函數(shù)依賴依然成立。 保持依賴反映了模式分解的依賴等價(jià)原則。 依賴等價(jià)保證分解后的模式與原有的模式在數(shù)據(jù)語(yǔ)義上的一致性。, ,例12:成績(jī)(學(xué)號(hào)，課程名，教師姓名，成績(jī))，規(guī)定一個(gè)教師教授一門課程。 函數(shù)依賴集： （學(xué)號(hào)，課程名)教師姓名，成績(jī) （學(xué)號(hào)，教師姓名)課程名，成績(jī) 教師姓名課程名 分解為：學(xué)課教(學(xué)號(hào)，課程名，成績(jī))、學(xué)教(學(xué)號(hào)，教師姓名) 丟失函數(shù)依賴：教師姓名課程名，不能體現(xiàn)一個(gè)教師只開(kāi)一門課的語(yǔ)義。,進(jìn)行模式分解時(shí)，除考慮數(shù)據(jù)等價(jià)和依賴等價(jià)以外，還要考慮效率。 當(dāng)對(duì)DB的操作主要是查詢時(shí)，為提高查詢效率，可保留適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)冗余，讓關(guān)系模式中的屬性多些，而不把模式分解得太小，否則為了查詢一些數(shù)據(jù)，常常要做大量的連接運(yùn)算，把多個(gè)關(guān)系模式連在一起才能從中找到相關(guān)的數(shù)據(jù)。,在設(shè)計(jì)DB時(shí)，為減少冗余