【正文】 1 第 6章 關(guān)系數(shù)據(jù)理論 2 本章概要 ? 前面已經(jīng)講述了關(guān)系數(shù)據(jù)庫、關(guān)系模型的基本概念以及關(guān)系數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)語言。 ? 如何使用關(guān)系模型設(shè)計(jì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫，也就是面對一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題，如何選擇一個(gè)比較好的關(guān)系模式的集合，每個(gè)關(guān)系又應(yīng)該由哪些屬性組成。這屬于數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的問題，確切地講是數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計(jì)的問題。 ? 本章講述關(guān)系數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論，這是數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。 3 本章概要 （ 1）要求了解規(guī)范化理論的研究內(nèi)容及其在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中的作用 （ 2）掌握函數(shù)依賴的有關(guān)概念 第一范式、第二范式、第三范式、 BC范式的定義 （ 3）重點(diǎn)掌握并能夠靈活運(yùn)用關(guān)系模式規(guī)范化的方法和關(guān)系模式分解的方法，這也是本章的難點(diǎn)。 4 規(guī)范化問題的提出 規(guī)范化理論的主要內(nèi)容 關(guān)系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化理論最早是由關(guān)系數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)始人 ， 后經(jīng)許多專家學(xué)者對關(guān)系數(shù)據(jù)庫理論作了深入的研究和發(fā)展 ， 形成了一整套有關(guān)關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的理論 。 在該理論出現(xiàn)以前 ， 層次和網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)只是遵循其模型本身固有的原則 ， 而無具體的理論依據(jù)可言 ， 因而帶有盲目性 ， 可能在以后的運(yùn)行和使用中發(fā)生許多預(yù)想不到的問題 。 5 在關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，關(guān)系模型包括一組關(guān)系模式，各個(gè)關(guān)系不是完全孤立的，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)較層次和網(wǎng)狀模型更為重要。 如何設(shè)計(jì)一個(gè)適合的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，關(guān)鍵是關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式的設(shè)計(jì)，一個(gè)好的關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式應(yīng)該包括多少關(guān)系模式，而每一個(gè)關(guān)系模式又應(yīng)該包括哪些屬性，又如何將這些相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系模式組建一個(gè)適合的關(guān)系模型，這些工作決定了到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的效率，也是系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵所在，所以必須在關(guān)系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化理論的指導(dǎo)下逐步完成。 6 關(guān)系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化理論主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容： （ 1）函數(shù)依賴 （ 2）范式（ Normal Form） （ 3）模式設(shè)計(jì) 其中，函數(shù)依賴起著核心的作用，是模式分解和模式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，范式是模式分解的標(biāo)準(zhǔn)。 關(guān)系模式的 5元組表示： R(U,D,DOM,F) 在研究關(guān)系的規(guī)范化理論中常用 3元組表示： R(U,F) 7 關(guān)系模式存在的異常問題 （ 1）數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計(jì)為什么要遵循一定的規(guī)范化理論？ （ 2）什么是好的關(guān)系模式？ （ 3）某些不好的關(guān)系模式可能導(dǎo)致哪些問題？ 下面通過例子進(jìn)行分析。 8 例如，要求設(shè)計(jì)教學(xué)管理數(shù)據(jù)庫，其關(guān)系模式 SCD如下： SCD(SNO,SN,AGE,DEPT,MN,CNO,SCORE) 其中， SNO表示學(xué)生學(xué)號， SN表示學(xué)生姓名， AGE表示學(xué)生年齡， DEPT表示學(xué)生所在的系別， MN表示系主任姓名，CNO表示課程號， SCORE表示成績。 根據(jù)實(shí)際情況，這些數(shù)據(jù)有如下語義規(guī)定： (1) 一個(gè)系有若干個(gè)學(xué)生，但一個(gè)學(xué)生只屬于一個(gè)系； (2) 一個(gè)系只有一名系主任，但一個(gè)系主任可以同時(shí)兼幾個(gè)系的系主任； (3)一個(gè)學(xué)生可以選修多門功課，每門課程可有若干學(xué)生選修； (4)每個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)課程有一個(gè)成績。 在此關(guān)系模式中填入一部分具體的數(shù)據(jù)，則可得到 SCD關(guān)系模式的實(shí)例，即一個(gè)教學(xué)管理數(shù)據(jù)庫，如表 。 9 表 關(guān)系 SCD SNO SN AGE DEPT MN CNO SCORE S1 趙亦 17 計(jì)算機(jī) 劉偉 C1 90 S1 趙亦 17 計(jì)算機(jī) 劉偉 C2 85 S2 錢爾 18 信息 王平 C5 57 S2 錢爾 18 信息 王平 C6 80 S2 錢爾 18 信息 王平 C7 70 S2 錢爾 18 信息 王平 C5 70 S3 孫珊 20 信息 王平 C1 0 S3 孫珊 20 信息 王平 C2 70 S3 孫珊 20 信息 王平 C4 85 S4 李思 男 自動化 劉偉 C1 93 10 根據(jù)上述的語義規(guī)定，并分析以上關(guān)系中的數(shù)據(jù)，可以看出： (SNO,CNO)屬性的組合能唯一標(biāo)識一個(gè)元組，所以(SNO,CNO)是該關(guān)系模式的主關(guān)系碼。但在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的操作時(shí)，會出現(xiàn)以下幾方面的問題。 1. 數(shù)據(jù)冗余 每個(gè)系名和系主任的名字存儲的次數(shù)等于該系的學(xué)生人數(shù)乘以每個(gè)學(xué)生選修的課程門數(shù)，同時(shí)學(xué)生的姓名、年齡也都要重復(fù)存儲多次，數(shù)據(jù)的冗余度很大，浪費(fèi)了存儲空間。 2. 插入異常 如果某個(gè)新系沒有招生，尚無學(xué)生時(shí)，則系名和系主任的信息無法插入到數(shù)據(jù)庫中。 因?yàn)樵谶@個(gè)關(guān)系模式中， (SNO,CNO)是主碼 。根據(jù)關(guān)系的實(shí)體完整性約束，主關(guān)系碼的值不能為空，而這時(shí)沒有學(xué)生， SNO和 CNO均無值，因此不能進(jìn)行插入操作。 另外，當(dāng)某個(gè)學(xué)生尚未選課，即 CNO未知，實(shí)體完整性約束還規(guī)定，主關(guān)系碼的值不能部分為空，同樣不能進(jìn)行插入操作。 11 3. 刪除異常 某系學(xué)生全部畢業(yè)而沒有招新生時(shí)，刪除全部學(xué)生的記錄則系名、系主任也隨之刪除，而這個(gè)系依然存在，在數(shù)據(jù)庫中卻無法找到該系的信息。 另外，如果某個(gè)學(xué)生不再選修 C1課程，本應(yīng)該只刪去 C1，但 C1是主關(guān)系碼的一部分，為保證實(shí)體完整性，必須將整個(gè)元組一起刪掉，這樣，有關(guān)該學(xué)生的其它信息也隨之丟失。 4. 更新異常 如果學(xué)生改名，則該學(xué)生的所有記錄都要逐一修改 SN； 又如某系更換系主任，則屬于該系的學(xué)生記錄都要修改 MN的內(nèi)容，稍有不慎，就有可能漏改某些記錄，這就會造成數(shù)據(jù)的不一致性，破壞了數(shù)據(jù)的完整性。 12 由于存在以上問題，可以說， SCD是一個(gè)不好的關(guān)系模式。產(chǎn)生上述問題的原因，直觀地說，是因?yàn)殛P(guān)系中“包羅萬象”，內(nèi)容太雜了。 那么，怎樣才能得到一個(gè)好的關(guān)系模式呢？ 把關(guān)系模式 SCD分解為下面三個(gè)結(jié)構(gòu)簡單的關(guān)系模式，如表 。 學(xué)生關(guān)系 S(SNO,SN,AGE,DEPT) 選課關(guān)系 SC(SNO,CNO,SCORE) 系關(guān)系 D(DEPT,MN) 13 S SC SNO SN AGE DEPT SNO CNO SCORE S1 趙亦 17 計(jì)算機(jī) S1 C1 90 S2 錢爾 18 信息 S1 C2 85 S3 孫珊 20 信息 S2 C5 57 S4 李思 21 自動化 S2 C6 80 S2 C7 D S2 C5 70 DEPT MN S3 C1 0 計(jì)算機(jī) 劉偉 S3 C2 70 信息 王平 S3 C4 85 自動化 劉偉 S4 C1 93 表 分解后的關(guān)系模式 14 在以上三個(gè)關(guān)系模式中，實(shí)現(xiàn)了信息的某種程度的分離： （ 1） S中存儲學(xué)生基本信息，與所選課程及系主任無關(guān)； （ 2） D中存儲系的有關(guān)信息，與學(xué)生無關(guān)； （ 3） SC中存儲學(xué)生選課的信息，而與所學(xué)生及系的有關(guān)信息無關(guān)。 15 與 SCD相比，分解為三個(gè)關(guān)系模式后，數(shù)據(jù)的冗余度明顯降低。 （ 1）當(dāng)新插入一個(gè)系時(shí)，只要在關(guān)系 D中添加一條記錄。 （ 2）當(dāng)某個(gè)學(xué)生尚未選課，只要在關(guān)系 S中添加一條學(xué)生記錄，而與選課關(guān)系無關(guān)，這就避免了插入異常。 （ 3）當(dāng)一個(gè)系的學(xué)生全部畢業(yè)時(shí)，只需在 S中刪除該系的全部學(xué)生記錄，而關(guān)系 D中有關(guān)該系的信息仍然保留，從而不會引起刪除異常。 （ 4）同時(shí)，由于數(shù)據(jù)冗余度的降低，數(shù)據(jù)沒有重復(fù)存儲，也不會引起更新異常。 16 經(jīng)過上述分析，可以說分解后的關(guān)系模式是一個(gè)好的關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式。 從而得出結(jié)論，一個(gè)好的關(guān)系模式應(yīng)該具備以下四個(gè)條件： （ 1） 盡可能少的數(shù)據(jù)冗余 （ 2） 沒有插入異常 （ 3） 沒有刪除異常 （ 4） 沒有更新異常 17 但要注意，一個(gè)好的關(guān)系模式并不是在任何情況下都是最優(yōu)的。 比如查詢某個(gè)學(xué)生選修課程名及所在系的系主任時(shí)，要通過連接，而連接所需要的系統(tǒng)開銷非常大，因此要以實(shí)際設(shè)計(jì)的目標(biāo)出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì) 如何按照一定的規(guī)范設(shè)計(jì)關(guān)系模式，將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的關(guān)系分解成結(jié)構(gòu)簡單的關(guān)系，從而把不好的關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式轉(zhuǎn)變?yōu)楹玫年P(guān)系數(shù)據(jù)庫模式，這就是關(guān)系的規(guī)范化。 18 規(guī)范化又可以根據(jù)不同的要求而分成若干級別 。 我們要設(shè)計(jì)的關(guān)系模式中的各屬性是相互依賴、相互制約的，這樣才構(gòu)成了一個(gè)結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼w。 因此在設(shè)計(jì)關(guān)模式時(shí)，必須從語義上分析這些依賴關(guān)系。 數(shù)據(jù)庫模式的好壞和關(guān)系中各 屬性間的依賴關(guān)系有關(guān)，因此，先討論屬性間的依賴關(guān)系，然后再討論關(guān)系規(guī)范化理論。 19 規(guī)范化 關(guān)系模式中的各屬性之間相互依賴 、 相互制約的聯(lián)系稱為數(shù)據(jù)依賴 。 數(shù)據(jù)依賴一般分為 函數(shù)依賴 、 多值依賴 和 連接依