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1、W W W . W A T S O N W Y A T T . C O M,第七 章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)理論,7.1,模式規(guī)范化問題的提出,7.2,函數(shù)依賴,7.3,范式和規(guī)范化,7.4,關(guān)系模式的分解,7.1,模式規(guī)范化問題的提出,關(guān)系數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計(jì),針對(duì)具體問題，如何構(gòu)造一個(gè)適合于它的數(shù)據(jù)模式,數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計(jì)的工具關(guān)系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化理論,【,例,】,描述學(xué)生的數(shù)據(jù)：,學(xué)號(hào),(Sno),、姓名,(Sname),、年齡,(Sage),、院系,(Sdept),、系主任姓名,(Dname),、課程名,(Cname),、成績(jī),(Grade),學(xué)生數(shù)據(jù)庫的語義：,1),一個(gè)系有若干學(xué)生，一個(gè)學(xué)生只屬于一

2、個(gè)系,2),一個(gè)系只有一名主任,3),一個(gè)學(xué)生可選修多門課程， 每門課程可有若干學(xué)生,4),每個(gè)學(xué)生所學(xué)的每門課程都有一個(gè)成績(jī),關(guān)系模式,Student(Sno,Sname,Sage,Sdept, Dname,Cname,Grade),存在如下問題,1,）數(shù)據(jù)冗余,一個(gè)系有若干學(xué)生，每個(gè)學(xué)生的信息中都會(huì)有所在系和系主任的名字，系主任被反復(fù)存儲(chǔ),2,）不一致性,由于系主任存儲(chǔ)冗余，當(dāng)某個(gè)系更新系主任時(shí)，可能只修改了一部分，而另一部分沒有修改，造成存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的不一致,3,）插入異常,如果某個(gè)系還沒有招收學(xué)生，那么就無法填寫系主任,4,）刪除異常,要?jiǎng)h除一個(gè)學(xué)生的所有成績(jī)，則把該學(xué)生的姓名、年齡等基本

3、信息也都刪除,結(jié)論：,Student,關(guān)系模式不是一個(gè)好的模式,“好”的模式不會(huì)發(fā)生插入異常、刪除異常、更新異常，數(shù)據(jù)冗余應(yīng)盡可能少,原因：,由存在于模式中的某些數(shù)據(jù)依賴引起的,數(shù)據(jù)依賴是現(xiàn)實(shí)世界事物之間相互關(guān)聯(lián)性的一種表達(dá),解決方法：,通過分解關(guān)系模式消除其中不合適的數(shù)據(jù)依賴,模式問題的解決辦法,若將關(guān)系分解為以下,3,個(gè)關(guān)系：,SSno,Sname,Sage,、,DDept, Dname,、,SCSno,Cname,Grade,則可以解決所有的異常,數(shù)據(jù)冗余,：一個(gè)系的系主任只在,D,中出現(xiàn)，,S,中只有每個(gè)學(xué)生的基本信息和所在的系，避免了系主任的冗余,數(shù)據(jù)不一致,：由于不存在數(shù)據(jù)冗余，也

4、就不存在部分修改，即不一致,插入異常,：由于系主任插入在,D,表中，只要有系名即可，避免了沒有學(xué)生就不能寫系主任,刪除異常,：刪除成績(jī)只會(huì)刪除,SC,表的數(shù)據(jù)，而,S,表中的信息被保留,7.2,函數(shù)依賴,7.2.1,函數(shù)依賴的定義,平凡函數(shù)依賴與非平凡函數(shù)依賴,7.2.3,完全函數(shù)依賴與部分函數(shù)依賴,7.2.4,傳遞函數(shù)依賴,7.2.1,函數(shù)依賴的定義,【,定義,】,設(shè),R(U),是一個(gè)屬性集,U,上的關(guān)系模式，,X,和,Y,是,U,的子集。,若對(duì)于,R(U),的,任意,一個(gè)可能的關(guān)系,r,，,r,中不可能存在兩個(gè)元組在,X,上的屬性值相等， 而在,Y,上的屬性值不等， 則稱 “,X,函數(shù)確定

5、,Y,”,或 “,Y,函數(shù)依賴于,X,”,，記作,XY,X,稱為這個(gè)函數(shù)依賴的決定屬性集,Y=f(X),【,例,】,在學(xué)生關(guān)系中，學(xué)號(hào)是唯一的，也就是說，不存在學(xué)號(hào)相同，而姓名不同的學(xué)生元祖，因此有學(xué)號(hào),姓名,說明：,1,）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,2,）函數(shù)依賴是,語義范疇,的概念。只能根據(jù)數(shù)據(jù)的語義來確定函數(shù)依賴,例如“姓名年齡”這個(gè)函數(shù)依賴只有在不允許有同名人的條件下成立,3,）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)者可以對(duì)現(xiàn)實(shí)世界作,強(qiáng)制的規(guī)定,例如規(guī)定不允許同名人出現(xiàn)，函數(shù)依賴“姓名年齡”成立,所插入的元組必須滿足規(guī)定的函數(shù)依

6、賴，若發(fā)現(xiàn)有同名人存在， 則拒絕裝入該元組,Student(Sno,Sname,Sage,Sdept, Dname, Cname,Grade)中的函數(shù)依賴,若,Student,中允許重名，則：,Sno Sname,、,Sno Sage,、,Sno Sdept,、,Sdept Dname,、,(Sno,Cname) Grade,若,Student,中不允許重名，則增加：,Sname Sno,，,Sname Sage,、,Sname Sdept,、,(Sname,Cname) Grade,注：若,XY,，并且,YX,則記為,X,Y,如,Sno,Sname,若,Y,不函數(shù)依賴于,X,，則記為：,X

7、Y,例如,Sage Sdept,平凡函數(shù)依賴與非平凡函數(shù)依賴,【,定義,】,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,是非平凡的函數(shù)依賴,若,XY,，但,Y,X,則稱,XY,是平凡的函數(shù)依賴,例：在關(guān)系,SC(Sno, Cno, Grade),中，,非平凡函數(shù)依賴：,(Sno, Cno) Grade,平凡函數(shù)依賴：,(Sno, Cno) Sno,、,(Sno, Cno) Cno,任一關(guān)系模式，平凡函數(shù)依賴都必然成立，它不反映新的語義，因此若不特別聲明， 我們總是討論非平凡函數(shù)依賴,4.2.3,完全函數(shù)依賴與部分函數(shù)依賴,【,定義,】,關(guān)系模式

8、,R(U),中，對(duì)于,U,的子集,X,和,Y,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,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,】,在關(guān)系,SC(Sno, Cname, Grade),中，,由于：,Sno Grade,，,Cname Grade,，,因此：,(Sno, Cname),Grade,f,P,f,7.2.4,傳遞函數(shù)依賴,【,定義,】,在關(guān)系模式,R(U),中,如果,XY,，,YZ,，且,Y,X,，,Y X,，則稱,Z,傳遞函數(shù)依賴于,X,，記為：,X Y,

9、注,:,如果,YX,， 即,XY,，則,Z,直接依賴于,X,【,例,】,在關(guān)系,S(Sno,Sdept,Dname),中，有：,Sno Sdept,，,Sdept Dname,Dname,傳遞函數(shù)依賴于,Sno,t,7.3,范式和規(guī)范化,范式是符合某一種級(jí)別的關(guān)系模式的集合,關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系必須滿足一定的要求。滿足不同程度要求的為不同范式,范式的種類：,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),1.,第一范式,(1NF),【,定義,】,如果一個(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,R1

10、NF,第一范式是對(duì)關(guān)系模式的最起碼的要求。不滿足第一范式的數(shù)據(jù)庫模式不能稱為關(guān)系數(shù)據(jù)庫,但是滿足第一范式的關(guān)系模式并不一定是一個(gè)好的關(guān)系模式,【,例,】,關(guān)系模式,SLC(Sno, Sdept, Sloc, Cno, Grade),Sloc,為學(xué)生住處，假設(shè)每個(gè)系的學(xué)生住在同一個(gè)地方,函數(shù)依賴包括：,SnoSdept,、,SnoSloc,、,SdeptSloc,、,(Sno, Cno) Grade,、,(Sno, Cno) Sdept,、,(Sno, Cno) Sloc,SLC,的碼為,(Sno, Cno),，,SLC,滿足第一范式,非主屬性,Sdept,和,Sloc,部分函數(shù)依賴于碼,(Sn

11、o, Cno),Sno,Cno,Grade,Sdept,Sloc,SLC,f,P,P,21:16:08,15,SLC,不是一個(gè)好的關(guān)系模式,(1),插入異常：,假設(shè),Sno,95102,，,Sdept,IS,，,Sloc,N,的學(xué)生還未選課，因課程號(hào)是主屬性，因此該學(xué)生的信息無法插入,SLC,(2),刪除異常：,假定某個(gè)學(xué)生本來只選修了,3,號(hào)課程這一門課?，F(xiàn)在因身體不適，不再選修,3,號(hào)課程。因課程號(hào)是主屬性，此操作將導(dǎo)致該學(xué)生信息的整個(gè)元組都要?jiǎng)h除,(3),數(shù)據(jù)冗余度大：,如果一個(gè)學(xué)生選修了,10,門課程，那么他的,Sdept,和,Sloc,值就要重復(fù)存儲(chǔ)了,10,次,(4),修改復(fù)雜：,

12、例如學(xué)生轉(zhuǎn)系，在修改此學(xué)生元組的,Sdept,值的同時(shí)，還可能需要修改住處（,Sloc,）。如果這個(gè)學(xué)生選修了,K,門課，則必須無遺漏地修改,K,個(gè)元組中全部,Sdept,、,Sloc,信息,21:16:08,16,【,定義,】,若關(guān)系模式,R1NF,，并且每一個(gè),非主,屬性都,完全,函數(shù)依賴于,R,的碼，則,R2NF,【,例,】SLC,關(guān)系模式中，,Sdept,、,Sloc,部分函數(shù)依賴于碼,解決方法：,SLC,分解為兩個(gè)關(guān)系模式，以消除這些部分函數(shù)依賴：,SC,（,Sno,，,Cno,，,Grade,）、,SL,（,Sno,，,Sdept,，,Sloc,）,函數(shù)依賴圖：,Sno,Cno,G

13、rade,SC,SL,Sno,Sdept,Sloc,2.,第二范式,(2NF),采用投影分解法將一個(gè),1NF,的關(guān)系分解為多個(gè),2NF,的關(guān)系，可以在一定程度上減輕原,1NF,關(guān)系中存在的插入異常、刪除異常、數(shù)據(jù)冗余度大、修改復(fù)雜等問題,將一個(gè),1NF,關(guān)系分解為多個(gè),2NF,的關(guān)系，并不能完全消除關(guān)系模式中的各種異常情況和數(shù)據(jù)冗余,【,例,】2NF,關(guān)系模式,SL(Sno,Sdept,Sloc),中，函數(shù)依賴,SnoSdept,、,SdeptSloc,、,SnoSloc,，則,Sloc,傳遞函數(shù)依賴于,Sno,，即,SL,中存在非主屬性對(duì)碼的傳遞函數(shù)依賴,21:16:08,17,3 .,第三

14、范式,(3NF),【,定義,】,關(guān)系模式,R,中若不存在這樣的碼,X,、屬性組,Y,及非主屬性,Z,（,Z,Y,）,使得,XY,，,YX,，,YZ,，成立，則稱,R 3NF,R,是,2NF,，并且每一個(gè)非主屬性都非傳遞函數(shù)依賴于主碼,R,是,1NF,，并且每一個(gè)非主屬性既不部分函數(shù)依賴于主碼也不傳遞函數(shù)依賴于主碼,【,例,】SL(Sno, Sdept, Sloc) 2NF,，但,SL(Sno,Sdept,Sloc)3NF,，可分解為,2,個(gè)模式,SD,（,Sno,，,Sdept,） ,3NF,DL,（,Sdept,，,Sloc,）,3NF,21:16:08,18,Sno,Sdept,SD,Sd

15、ept,Sloc,DL,4. BC,范式（,BCNF,）,【,定義,】,若關(guān)系模式,R,中的所有非平凡、完全的函數(shù)依賴的決定因素是碼。則,R,屬于,BCNF,R,中所有非主屬性對(duì)每一個(gè)碼都是完全函數(shù)依賴,R,中所有主屬性對(duì)于每一個(gè)不包含它的碼也是完全函數(shù)依賴,R,中沒有任何屬性完全函數(shù)依賴于非碼的任何一組屬性,則,R,中不存在任何屬性對(duì)碼的傳遞依賴和部分依賴，所以,R,屬于,3NF,【,例,】,在關(guān)系模式,STJ,（,S,，,T,，,J,）中，,S,表示學(xué)生，,T,表示教師，,J,表示課程,每一教師只教一門課，每門課由若干教師教。某一學(xué)生選定某門課，就確定了一個(gè)固定的教師。某個(gè)學(xué)生選修某個(gè)教師

16、的課就確定了所選課的名稱 ：,(S,，,J)T,，,(S,，,T)J,，,TJ,S,J,T,S,T,J,STJ,T,J,分析,(S,，,J)T,，,(S,，,T)J,，,TJ,：,STJ3NF,(S,，,J),和,(S,，,T),都可以作為候選碼,S,、,T,、,J,都是主屬性,STJBCNF,TJ,，但,T,不是候選碼,T,是決定屬性集,解決方法：將,STJ,分解為二個(gè)關(guān)系模式：,SJ(S,，,J) BCNF,，,TJ(T,，,J) BCNF,沒有,任何屬性,對(duì)碼的部分函數(shù)依賴和傳遞函數(shù)依賴,S,J,ST,T,J,TJ,7.4,關(guān)系模式的分解,規(guī)范化程度可以有多個(gè)不同的級(jí)別,規(guī)范化程度過低的

17、關(guān)系不一定能夠很好地描述現(xiàn)實(shí)世界，可能會(huì)存在插入異常、刪除異常、修改復(fù)雜、數(shù)據(jù)冗余等問題,一個(gè)低一級(jí)范式的關(guān)系模式，通過模式分解可以轉(zhuǎn)換為若干個(gè)高一級(jí)范式的關(guān)系模式集合，這種過程就叫關(guān)系模式的規(guī)范化,三種模式分解的等價(jià)定義, 分解具有無損連接性（保證不丟失信息）, 分解要保持函數(shù)依賴（減輕或解決各種異常情況）, 分解既要保持函數(shù)依賴，又要具有無損連接性,最小依賴集,如果函數(shù)依賴集,F,滿足下列條件，則稱,F,為一個(gè)極小函數(shù)依賴集,(,最小依賴集或最小覆蓋,),(1) F,中任一函數(shù)依賴的右部?jī)H含有一個(gè)屬性,(2) F,中不存在這樣的函數(shù)依賴,XA,，使得,F,與,F-XA,等價(jià),(3) F,中

18、不存在這樣的函數(shù)依賴,XA,，,X,有真子集,Z,使得,F-XAZA,與,F,等價(jià),關(guān)系模式,S,（,U,，,F,）中，,U=Sno,Sdept,SdeptAdmin,Cname,G,F=Sno-Sdept,Sdept-SdeptAdmin,(Sno,Cname)-G,F=Sno-Sdept,Sdept-SdeptAdmin,(Sno,Cname)-G,Sno-SdepttAdmin,(Sno,Sdept)-SdeptAdmin,F,是最小覆蓋，而,F,不是。,練習(xí)：關(guān)系,S,學(xué)號(hào),Sno,課程號(hào),Cno,成績(jī),Grade,任課教師,Tname,教師所在系,Tdept,9501,101,80,張三,8,9501,102,85,張三,8,9502,103,90,李四,1,（,1,）關(guān)系,S,的極小函數(shù)依賴集,F=,？,（,2,）關(guān)系,S,為第幾范式？寫出該關(guān)系的候選碼。,（,3,）關(guān)系,S,存在哪些異常？什么情況下發(fā)生？,（,3,）若關(guān)系,S,不滿足第三范式，逐步分解，使各關(guān)系滿足第三范式。,