第6章 关系数据库的规范化设计课件

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1、1,第6章 关系数据库的规范化设计,6.1 问题的提出 6.2 规范化 6.3 数据依赖的公理系统 6.4 模式的分解,2,第6章 关系数据库的规范化设计,关系数据库的规范化设计：面对一个现实问题，如何选择一个比较好的关系模式集合。 规范化设计理论主要包括三个方面的内容： 数据依赖：研究数据之间的联系， 范式：是关系模式的标准， 模式设计方法：是自动化设计的基础。,3,6.1 问题的提出,一、概念 关系：描述实体、属性、实体间的联系。 从形式上看，它是一张二维表，是所涉及属性的笛卡尔积的一个子集。 关系模式：用来定义关系。,4,关系模式的形式化定义,关系模式由五部分组成，即它是一个五元组： R

2、 (U, D, DOM, F) R： 关系名 U： 组成该关系的属性集合 D： 属性组U中属性所来自的域 DOM： 属性到域的映射 F： 属性组U上的一组数据依赖,5,数据依赖,数据依赖：通过一个关系中属性间值的相等与否体现出来的数据间的相互关系。（函数依赖和多值依赖） 是现实世界属性间相互联系的抽象。 是数据内在的性质。 是语义的体现。,6,数据依赖对关系模式的影响,例：描述学校的数据库中： 学生的学号（Sno） 所在系（Sdept） 系主任姓名（Mname） 课程号（Cno） 成绩（Grade） 单一的关系模式 ： Student (U, F) U Sno, Sdept, Mname, C

3、no, Grade,7,数据依赖对关系模式的影响,8,数据依赖对关系模式的影响,学校数据库的语义： 一个系有若干学生， 一个学生只属于一个系； 一个系只有一名主任； 一个学生可以选修多门课程， 每门课程有若干学生选修； 每个学生所学的每门课程都有一个成绩。,9,数据依赖对关系模式的影响,属性组U上的一组函数依赖F： F Sno Sdept, Sdept Mname, (Sno, Cno) Grade ,10,关系模式Student (U, F)中存在的问题, 数据冗余大 浪费大量的存储空间 例：每一个系主任的姓名重复出现。 更新异常（Update Anomalies） 数据冗余 ，更新数据时，

4、维护数据完整性代价大。 例：某系更换系主任后，系统必须修改与该系学生有关的每一个元组。,11,关系模式Student中存在的问题, 插入异常（Insertion Anomalies） 该插的数据插不进去 例，如果一个系刚成立，尚无学生，我们就无法把这个系及其系主任的信息存入数据库。 删除异常（Deletion Anomalies） 不该删除的数据不得不删 例，如果某个系的学生全部毕业了， 我们在删除该系学生信息的同时，把这个系及其系主任的信息也丢掉了。,12,数据依赖对关系模式的影响,结论： Student关系模式不是一个好的模式。 “好”的模式：不会发生插入异常、删除异常、更新异常，数据冗余

5、应尽可能少。 原因：由存在于模式中的某些数据依赖引起的 解决方法：通过分解关系模式来消除其中不合适的数据依赖。,13,6.2 规范化,规范化理论：用来改造关系模式，通过分解关系模式来消除其中不合适的数据依赖，以解决插入异常、删除异常、更新异常和数据冗余问题。,14,6.2 规范化,6.2.1 函数依赖 6.2.2 码 6.2.3 范式 6.2.4 2NF 6.2.5 3NF 6.2.6 BCNF 6.2.7 多值依赖 6.2.8 4NF,15,6.2.1 函数依赖,一、函数依赖 二、平凡函数依赖与非平凡函数依赖 三、完全函数依赖与部分函数依赖 四、传递函数依赖,16,一、函数依赖,定义：设R(

6、U)是一个属性集U上的关系模式，X和Y是U的子集。若对于R(U)的任意一个可能的关系r，r中不可能存在两个元组在X上的属性值相等， 而在Y上的属性值不等， 则称 “X函数确定Y” 或 “Y函数依赖于X”，记作XY。 X称为这个函数依赖的决定属性集(Determinant)。,17,说明：,1. 函数依赖不是指关系模式R的某个或某些关系实例满足的约束条件，而是指R的所有关系实例均要满足的约束条件。 2. 函数依赖是语义范畴的概念。只能根据数据的语义来确定函数依赖。 例如“姓名年龄”这个函数依赖只有在不允许有同名人的条件下成立 3. 数据库设计者可以对现实世界作强制的规定。例如规定不允许同名人出现

7、，函数依赖“姓名年龄”成立。所插入的元组必须满足规定的函数依赖，若发现有同名人存在， 则拒绝装入该元组。,18,一、函数依赖（续）,若XY，并且YX, 则记为XY。 若Y不函数依赖于X, 则记为XY。 例：Student(Sno, Sname, Ssex, Sage, Sdept) 假设不允许重名，则有: Sno Ssex， Sno Sage , Sno Sdept， Sno Sname, Sname Ssex， Sname Sage Sname Sdept，但Ssex Sage,19,二、平凡函数依赖与非平凡函数依赖,在关系模式R(U)中，对于U的子集X和Y， 如果XY，但Y X，则称XY是

8、非平凡的函数依赖； 若XY，但Y X, 则称XY是平凡的函数依赖。 例：在关系SC(Sno, Cno, Grade)中， 非平凡函数依赖： (Sno, Cno) Grade 平凡函数依赖： (Sno, Cno) Sno (Sno, Cno) Cno,20,二、平凡函数依赖与非平凡函数依赖（续）,对于任一关系模式，平凡函数依赖都是必然成立的，它不反映新的语义，因此若不特别声明， 我们总是讨论非平凡函数依赖。,21,三、完全函数依赖与部分函数依赖,定义： 在关系模式R(U)中，如果XY，并且对于X的任何一个真子集X，都有 X Y, 则称Y完全函数依赖于X，记作X Y。 若XY，但Y不完全函数依赖于

9、X，则称Y部分函数依赖于X，记作X P Y。,22,完全函数依赖与部分函数依赖（续）,例：在关系SC(Sno, Cno, Grade)中， Sno Grade，Cno Grade， (Sno, Cno) Grade,23,四、传递函数依赖,定义：在关系模式R(U)中，如果XY，YZ，且Y X，YX，则称Z传递函数依赖于X。 注: 如果YX， 即X Y，则Z直接依赖于X。 例: 在关系Std(Sno, Sdept, Mname)中，有： Sno Sdept，Sdept Mname Mname传递函数依赖于Sno,24,6.2.2 码,定义：设K为关系模式R(U, F)中的属性或属性组合。若K U

10、，则K称为R的一个候选码（Candidate Key）。 若关系模式R有多个候选码，则选定其中的一个做为主码（Primary key）。 主属性：包含在任何一个候选码中的属性。 非主属性：不包含在任何码中的属性。 全码（ALL KEY）：整个属性组是码。,25,外部码,定义：关系模式 R 中属性或属性组X 并非 R的码，但 X 是另一个关系模式的码，则称 X 是R 的外部码（Foreign key）也称外码。 主码又和外部码一起提供了表示关系间联系的手段。,26,6.2.3 范式,范式是符合某一种级别的关系模式的集合。 关系数据库中的关系必须满足一定的要求。满足不同程度要求的为不同范式。 范式

11、的种类： 第一范式(1NF) 第二范式(2NF) 第三范式(3NF) BC范式(BCNF) 第四范式(4NF) 第五范式(5NF),27,各种范式之间存在联系： 某一关系模式R为第n范式，可简记为RnNF。 满足最低要求，则为第一范式（First Normal Form,简称1NF）。 符合1NF而又进一步满足一些约束条件的成为第二范式（2NF）、3NF、BCNF、 4NF、5NF。 在几种范式中，通常只用到前三种。 一个低一级范式的关系模式，通过模式分解可以转换为若干个高一级范式的关系模式的集合，这种过程就叫规范化。,28,1NF,1NF的定义：如果一个关系模式R的所有属性都是不可分的基本数

12、据项，则R1NF。 第一范式是对关系模式的最起码的要求。不满足第一范式的数据库模式不能称为关系数据库。 但是，仅满足第一范式的关系模式并不一定是一个好的关系模式。,29,6.2.4 2NF,例1: 关系模式 SLC(Sno, Sdept, Sloc, Cno, Grade) Sloc为学生住处，假设每个系的学生住在同一个地方。 函数依赖包括： (Sno, Cno) F Grade Sno Sdept， (Sno, Cno) P Sdept Sno Sloc， (Sno, Cno) P Sloc Sdept Sloc,30,SLC的码为(Sno, Cno)，SLC满足第一范式。 但是，非主属性S

13、dept和Sloc部分函数依赖于码(Sno, Cno) 即， (Sno, Cno) P Sdept，(Sno, Cno) P Sloc,31,SLC不是一个好的关系模式,(1) 插入异常 假设Sno95102，SdeptIS，SlocN的学生还未选课，因课程号是主属性，因此该学生的信息无法插入SLC。 (2) 删除异常 假定某个学生本来只选修了3号课程这一门课。现在因身体不适，他连3号课程也不选修了。因课程号是主属性，此操作将导致该学生信息的整个元组都要删除。,32,SLC不是一个好的关系模式,(3) 数据冗余度大 如果一个学生选修了10门课程，那么他的Sdept和Sloc值就要重复存储10次

14、。 (4) 修改复杂 例如学生转系，在修改此学生元组的Sdept值的同时，还可能需要修改住处（Sloc）。如果这个学生选修了K门课，则必须无遗漏地修改K个元组中全部Sdept、Sloc信息。,33,原因 Sdept、 Sloc部分函数依赖于码。 解决方法 SLC分解为两个关系模式，以消除这些部分函数依赖 SC（Sno， Cno， Grade） SL（Sno， Sdept， Sloc）,34,SLC的码为(Sno, Cno) SLC满足第一范式。 非主属性Sdept和Sloc部分函数依赖于码(Sno, Cno),分解前,35,分解后的函数依赖图：,36,2NF的定义 若关系模式R1NF，并且每一

15、个非主属性都完全函数依赖于R的码，则R2NF。 例：SLC(Sno, Sdept, Sloc, Cno, Grade) 1NF SLC(Sno, Sdept, Sloc, Cno, Grade) 2NF SC（Sno， Cno， Grade） 2NF SL（Sno， Sdept， Sloc） 2NF,37,说明：,采用投影分解法将一个1NF的关系分解为多个2NF的关系，可以在一定程度上减轻原1NF关系中存在的插入异常、删除异常、数据冗余度大、修改复杂等问题。 将一个1NF关系分解为多个2NF的关系，并不能完全消除关系模式中的各种异常情况和数据冗余。 第二范式仅仅应用于具有复合主键的表，也就是主

16、键是由两个或多个列复合而成的表。具有单列主键的表自动就是2NF的。,38,6.2.5 3NF,例：2NF关系模式SL(Sno, Sdept, Sloc)中， 函数依赖： SnoSdept SdeptSloc SnoSloc Sloc传递函数依赖于Sno，即SL中存在非主属性对码的传递函数依赖。,39,3NF,函数依赖图：,40,问题： 插入异常：新建系，还没有学生； 删除异常：某系的学生都毕业了； 修改复杂：系的地址改变了； 数据冗余。,41,3NF,解决方法 采用投影分解法，把SL分解为两个关系模式，以消除传递函数依赖： SD（Sno， Sdept） DL（Sdept， Sloc） SD的码为Sno， DL的码为Sdept。,42,3NF,SD的码为Sno， DL的码为Sdept。,43,3NF,3NF的定义： 关系模式R(U，F) 中若不存在这样的码X、属性组Y及非主属性Z（Z Y）, 使得X