Проектирование реляционных баз данных

На практике третья нормальная форма  схем отношений достаточна в большинстве  случаев, и приведением к третьей  нормальной форме процесс проектирования реляционной базы данных обычно заканчивается. Однако иногда полезно продолжить процесс нормализации.

1.3. Нормальная  форма Бойса-Кодда

Рассмотрим следующий пример схемы  отношения:

СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ (СОТР_НОМЕР, СОТР_ИМЯ, ПРО_НОМЕР, СОТР_ЗАДАН)

Возможные ключи: СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР СОТР_ИМЯ, ПРО_НОМЕР

Функциональные зависимости:

СОТР_НОМЕР (r) CОТР_ИМЯ 

СОТР_НОМЕР (r) ПРО_НОМЕР 

СОТР_ИМЯ (r) CОТР_НОМЕР 

СОТР_ИМЯ (r) ПРО_НОМЕР 

СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР (r) CОТР_ЗАДАН 

СОТР_ИМЯ, ПРО_НОМЕР (r) CОТР_ЗАДАН 

В этом примере предполагается, что личность сотрудника полностью определяется как его номером, так и именем (это снова не очень жизненное предположение, но достаточное для примера).

В соответствии с определением 7~ отношение  СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ находится в 3NF. Однако тот факт, что имеются функциональные зависимости атрибутов отношения от атрибута, являющегося частью первичного ключа, приводит к аномалиям. Например, для того, чтобы изменить имя сотрудника с данным номером согласованным образом, нам потребуется модифицировать все кортежи, включающие его номер.

Определение 8. Детерминант

Детерминант - любой атрибут, от которого полностью функционально зависит  некоторый другой атрибут.

Определение 9. Нормальная форма Бойса-Кодда

Отношение R находится в нормальной форме Бойса-Кодда (BCNF) в том и только в том случае, если каждый детерминант является возможным ключом.

Очевидно, что это требование не выполнено для отношения СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ. Можно произвести его декомпозицию к отношениям СОТРУДНИКИ и СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ:

СОТРУДНИКИ (СОТР_НОМЕР, СОТР_ИМЯ)

Возможные ключи: СОТР_НОМЕР,       СОТР_ИМЯ 

Функциональные зависимости:

СОТР_НОМЕР (r) CОТР_ИМЯ 

СОТР_ИМЯ (r) СОТР_НОМЕР 

СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ (СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР, СОТР_ЗАДАН)

Возможный ключ: СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР 

Функциональные зависимости:

СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР (r) CОТР_ЗАДАН 

Возможна альтернативная декомпозиция, если выбрать за основу СОТР_ИМЯ. Получаемые отношения СОТРУДНИКИ и СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ находятся  в BCNF, и им не свойственны отмеченные аномалии.

1.4. Четвертая  нормальная форма

Рассмотрим пример следующей схемы  отношения:

ПРОЕКТЫ (ПРО_НОМЕР,ПРО_СОТР, ПРО_ЗАДАН)

Отношение ПРОЕКТЫ содержит номера проектов, для каждого проекта  список сотрудников, которые могут  выполнять проект, и список заданий, предусматриваемых проектом. Сотрудники могут участвовать в нескольких проектах, и разные проекты могут включать одинаковые задания.

Каждый кортеж отношения связывает  некоторый проект с сотрудником, участвующим в этом проекте, и  заданием, который сотрудник выполняет  в рамках данного проекта (я предполагаю, что любой сотрудник, участвующий в проекте, выполняет все задания, предусмотренные этим проектом). По причине сформулированных выше условий единственным возможным ключем отношения является составной атрибут ПРО_НОМЕР, ПРО_СОТР, ПРО_ЗАДАН, и нет никаких других детерминантов. Следовательно, отношение ПРОЕКТЫ находится в BCNF. Но при этом оно обладает недостатками: если, например, некоторый сотрудник присоединяется к данному проекту, необходимо вставить в отношение ПРОЕКТЫ столько кортежей, сколько заданий в нем предусмотрено.

Определение 10. Многозначные зависимости

В отношении R (A, B, C) существует многозначная зависимость R.A (r) (r) R.B в  том и только в том случае, если множество значений B, соответствующее  паре значений A и C, зависит только от A и не зависит от С. В отношении ПРОЕКТЫ существуют следующие две многозначные зависимости:

ПРО_НОМЕР (r) (r) ПРО_СОТР    и   ПРО_НОМЕР (r) (r) ПРО_ЗАДАН 

Легко показать, что в общем случае в отношении R (A, B, C) существует многозначная зависимость R.A (r) (r) R.B в том и только в том случае, когда существует многозначная зависимость R.A (r) (r) R.C.

Дальнейшая нормализация отношений, подобных отношению ПРОЕКТЫ, основывается на следующей теореме:

Теорема Фейджина: отношение R (A, B, C) можно спроецировать без потерь в отношения R1 (A, B) и R2 (A, C) в том и только в том случае, когда существует MVD A (r) (r) B | C.

Под проецированием без потерь понимается такой способ декомпозиции отношения, при котором исходное отношение  полностью и без избыточности восстанавливается путем естественного соединения полученных отношений.

Определение 11. Четвертая нормальная форма

Отношение R находится в четвертой  нормальной форме (4NF) в том и только в том случае, если в случае существования  многозначной зависимости A (r) (r) B все остальные атрибуты R функционально зависят от A.

В нашем примере можно  произвести декомпозицию отношения  ПРОЕКТЫ в два отношения ПРОЕКТЫ-СОТРУДНИКИ и ПРОЕКТЫ-ЗАДАНИЯ:

ПРОЕКТЫ-СОТРУДНИКИ (ПРО_НОМЕР, ПРО_СОТР)

ПРОЕКТЫ-ЗАДАНИЯ (ПРО_НОМЕР, ПРО_ЗАДАН)

Оба эти отношения находятся  в 4NF и свободны от отмеченных аномалий.

1.5. Пятая нормальная  форма

Во всех рассмотренных до этого  момента нормализациях производилась  декомпозиция одного отношения в  два. Иногда это сделать не удается, но возможна декомпозиция в большее число отношений, каждое из которых обладает лучшими свойствами.

Рассмотрим, например, отношение 

СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ (СОТР_НОМЕР, ОТД_НОМЕР, ПРО_НОМЕР)

Предположим, что один и тот же сотрудник может работать в нескольких отделах и работать в каждом отделе над несколькими проектами. Первичным ключем этого отношения является полная совокупность его атрибутов, отсутствуют функциональные и многозначные зависимости.

Поэтому отношение находится  в 4NF. Однако в нем могут существовать аномалии, которые можно устранить путем декомпозиции в три отношения.

Определение 12. Зависимость соединения

Отношение R (X, Y, ..., Z) удовлетворяет  зависимости соединения * (X, Y, ..., Z) в  том и только в том случае, когда R восстанавливается без потерь путем соединения своих проекций на X, Y, ..., Z.

Определение 13. Пятая нормальная форма

Отношение R находится в пятой  нормальной форме (нормальной форме  проекции-соединения - PJ/NF) в том и  только в том случае, когда любая  зависимость соединения в R следует из существования некоторого возможного ключа в R.

Введем следующие имена составных  атрибутов:

СО = {СОТР_НОМЕР, ОТД_НОМЕР}

СП = {СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР}

ОП = {ОТД_НОМЕР, ПРО_НОМЕР}

Предположим, что в отношении  СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ существует зависимость соединения:   * (СО, СП, ОП)

На примерах легко показать, что  при вставках и удалениях кортежей могут возникнуть проблемы. Их можно  устранить путем декомпозиции исходного  отношения в три новых отношения:

СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ (СОТР_НОМЕР, ОТД_НОМЕР)

СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ (СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР)

ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ (ОТД_НОМЕР, ПРО_НОМЕР)

Пятая нормальная форма - это последняя  нормальная форма, которую можно  получить путем декомпозиции. Ее условия  достаточно нетривиальны, и на практике 5NF не используется. Заметим, что зависимость соединения является обобщением как многозначной зависимости, так и функциональной зависимости.

 

2. СЕМАНТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ  ДАННЫХ,

ER-ДИАГРАММЫ

Широкое распространение реляционных  СУБД и их использование в самых  разнообразных приложениях показывает, что реляционная модель данных достаточна для моделирования предметных областей. Однако проектирование реляционной  базы данных в терминах отношений  на основе кратко рассмотренного механизма нормализации часто представляет собой очень сложный и неудобный для проектировщика процесс.

При этом проявляется ограниченность реляционной модели данных в следующих  аспектах:

• Модель не предоставляет достаточных средств для представления смысла данных. Семантика реальной предметной области должна независимым от модели способом представляться в голове проектировщика. В частности, это относится к упоминавшейся нами проблеме представления ограничений целостности.
• Для многих приложений трудно моделировать предметную область на основе плоских таблиц. В ряде случаев на самой начальной стадии проектирования проектировщику приходится производить насилие над собой, чтобы описать предметную область в виде одной (возможно, даже ненормализованной) таблицы.
• Хотя весь процесс проектирования происходит на основе учета зависимостей, реляционная модель не предоставляет каких-либо средств для представления этих зависимостей.
• Несмотря на то, что процесс проектирования начинается с выделения некоторых существенных для приложения объектов предметной области ("сущностей") и выявления связей между этими сущностями, реляционная модель данных не предлагает какого-либо аппарата для разделения сущностей и связей.

 

2.1. Семантические  модели данных

Потребности проектировщиков баз  данных в более удобных и мощных средствах моделирования предметной области вызвали к жизни направление  семантических моделей данных. При  том, что любая развитая семантическая  модель данных, как и реляционная  модель, включает структурную, манипуляционную и целостную части, главным назначением семантических моделей является обеспечение возможности выражения семантики данных.

Прежде, чем мы коротко рассмотрим особенности одной из распространенных семантических моделей, остановимся на их возможных применениях.

Наиболее часто на практике семантическое  моделирование используется на первой стадии проектирования базы данных. При  этом в терминах семантической модели производится концептуальная схема  базы данных, которая затем вручную концептуальная схема преобразуется к реляционной (или какой-либо другой) схеме. Этот процесс выполняется под управлением методик, в которых достаточно четко оговорены все этапы такого преобразования.

Менее часто реализуется автоматизированная компиляция концептуальной схемы в реляционную. При этом известны два подхода: на основе явного представления концептуальной схемы как исходной информации для компилятора и построения интегрированных систем проектирования с автоматизированным созданием концептуальной схемы на основе интервью с экспертами предметной области. И в том, и в другом случае в результате производится реляционная схема базы данных в третьей нормальной форме (более точно следовало бы сказать, что автору неизвестны системы, обеспечивающие более высокий уровень нормализации).

Наконец, третья возможность, которая  еще не вышла (или только выходит) за пределы исследовательских и  экспериментальных проектов, - это  работа с базой данных в семантической  модели, т.е. СУБД, основанные на семантических моделях данных. При этом снова рассматриваются два варианта: обеспечение пользовательского интерфейса на основе семантической модели данных с автоматическим отображением конструкций в реляционную модель данных (это задача примерно такого же уровня сложности, как автоматическая компиляция концептуальной схемы базы данных в реляционную схему) и прямая реализация СУБД, основанная на какой-либо семантической модели данных. Наиболее близко ко второму подходу находятся современные объектно-ориентированные СУБД, модели данных которых по многим параметрам близки к семантическим моделям (хотя в некоторых аспектах они более мощны, а в некоторых - более слабы).

2.2. Основные  понятия модели Entity-Relationship (Сущность-Связи)

Далее мы кратко рассмотрим некоторые  черты одной из наиболее популярных семантических моделей данных - модель "Сущность-Связи" (часто ее называют кратко ER-моделью).

На использовании разновидностей ER-модели основано большинство современных  подходов к проектированию баз данных (главным образом, реляционных). Модель была предложена Ченом (Chen) в 1976 г. Моделирование предметной области базируется на использовании графических диаграмм, включающих небольшое число разнородных компонентов. В связи с наглядностью представления концептуальных схем баз данных ER-модели получили широкое распространение в системах CASE, поддерживающих автоматизированное проектирование реляционных баз данных. Среди множества разновидностей ER-моделей одна из наиболее развитых применяется в системе CASE фирмы ORACLE. Ее мы и рассмотрим. Более точно, мы сосредоточимся на структурной части этой модели.

Основными понятиями ER-модели являются сущность, связь и атрибут.

Сущность - это реальный или представляемый объект, информация о котором должна сохраняться и быть доступна. В диаграммах ER-модели сущность представляется в виде прямоугольника, содержащего имя сущности. При этом имя сущности - это имя типа, а не некоторого конкретного экземпляра этого типа. Для большей выразительности и лучшего понимания имя сущности может сопровождаться примерами конкретных объектов этого типа.