Лекция 6: Нормальные формы отношений. Создание логической модели реляционной базы данных

Нормализация отношений

Нормализация отношений информационной модели предметной области является механизмом создания логической модели реляционной базы данных.

Заметим, что с математической точки зрения задача построения как информационной модели предметной области, так и логической модели реляционной базы данных является результатом решения следующих комбинаторных задач:

• группировка атрибутов в отношении предметной области;
• распределение атрибутов по отношениям базы данных.

Такие задачи имеют решения, допускающие большое число вариантов, и приводят к проблеме выбора рационального варианта из множества альтернативных вариантов схем отношений. Выбор наиболее рационального варианта обусловлен соблюдением различного рода соглашений и требований.

Перечень наиболее важных требований приведен ниже.

1. Первичные ключи отношений должны быть минимальными (требование минимальности первичных ключей).
2. Число отношений базы данных должно по возможности давать наименьшую избыточность данных (требование надежности данных).
3. Число отношений базы данных не должно приводить к потере производительности системы (требование производительности системы).
4. Данные не должны быть противоречивыми, т.е. при выполнении операций включения, удаления и обновления данных их потенциальная противоречивость должна быть сведена к минимуму (требования непротиворечивости данных).
5. Схема отношений базы данных должна быть устойчивой, способной адаптироваться к изменениям при ее расширении дополнительными атрибутами (требование гибкости структуры базы данных).
6. Разброс времени реакции на различные запросы к базе данных не должен быть большим (требование производительности системы).
7. Данные должны правильно отражать состояние предметной области базы данных в каждый конкретный момент времени (требование актуальности данных).

Создание системы, одновременно удовлетворяющей всем вышеназванным требованиям, представляет собой сложную оптимизационную задачу, которая подчас не имеет однозначного решения. Многие из требований находятся в противоречии друг к другу. Так, например, требование производительности находится в противоречии к требованию гибкости. Требование минимизировать число отношений в базе данных находится в противоречии к требованию надежности данных.

В процессе эксплуатации реляционной базы данных происходит модификация данных: в отношениях добавляются или удаляются кортежи, в результате определенных событий изменяются значения некоторых атрибутов кортежей и т.п. После манипулирования данными значения некоторых атрибутов могут дублироваться, порождая избыточность данных, значения некоторых атрибутов могут удаляться, исчезая из базы данных, хотя потребность в этих значениях остается, некоторые значения атрибутов не могут быть добавлены, поскольку их значения неизвестны, т.е. данные в базе данных с течением времени становятся несогласованными и противоречивыми. Потенциальная противоречивость (или аномалии) при выполнении операций манипулирования данными в базе данных зависит как от типа ФЗ между атрибутами, так и от группировки этих атрибутов по отношениям.

Рассмотрим типичные примеры аномалий, возникающих при выполнении операций включения, удаления и модификации данных.

Пример. Аномалии операций над базой данных

ПОСТАВКИ (Поставщик, Адрес, Товар, Количество, Стоимость)

Обновление. Если Поставщик поставляет несколько видов товара, то значение атрибута Адрес повторяется для каждого кортежа и, следовательно, при изменении адреса поставщика необходимо изменить значение этого атрибута во всех этих кортежах. Иначе будет нарушена целостность данных базы данных.

Удаление. Если Поставщик прекращает поставку товаров на некоторое время, то кортежи со всеми его поставками удаляются. При этом происходит потеря реквизитов поставщика - Адреса и Наименования.

Вставка. Если договор на поставку уже заключен, а поставка еще не произведена, то невозможно включить в рассматриваемое отношение значения атрибутов Поставщик и Адрес, поскольку нет сведений о поставках (проблема интерпретации нуль-значений).

Подобные аномалии в данных лишь отчасти дают ответ на вопрос, почему логическая структура реляционной БД может быть неудовлетворительной. Некоторые проблемы избыточности данных можно разрешить, заменив, например, исходное отношение ПОСТАВКИ на два новых отношения - отношение ПОСТАВЩИК (Поставщик, Адрес) и отношение ПОСТАВКА (Поставщик, Товар, Количество, Стоимость). Однако в целом остается ряд вопросов, на которые теория реляционных баз данных не дает удовлетворительных ответов: "Как найти хорошую замену для плохой схемы отношений? Как определить, является ли выбранная замена выгодной? Как создать схему, обеспечивающую наилучшую производительность?"

Например, для того чтобы выполнить запрос, использующий данные из двух таблиц, необходимо построить соединение этих таблиц, которое является дорогостоящей операцией с физической базой данных с точки зрения числа выполняемых операций ввода/вывода.

Теория функциональных зависимостей позволяет установить определенные требования к схемам отношений в реляционной базе данных. Эти требования формулируются в терминах свойств отношений и называются нормальными формами схем отношений. Каждая нормальная форма отношений связана с определенным классом ФЗ, которые представлены в отношениях. Понятно, что одним из очевидных способов устранения потенциальной противоречивости данных в отношениях логической модели реляционной базы данных является их разбиение на два или более отношений, в каждом из которых присутствует только одна ФЗ.

Это возможно, поскольку теория ФЗ утверждает, что существует минимальное покрытие множества ФЗ базы данных, т.е. минимальный набор ФЗ, из которых можно вывести все остальные. Каждой ФЗ из минимального покрытия можно отвести по самостоятельному отношению. Однако, во-первых, для заданного множества ФЗ может существовать несколько минимальных покрытий (выбор среди возможных альтернатив), и, во-вторых, для практики важно иметь наглядный способ построения минимального покрытия.

Процесс устранения потенциальной противоречивости и избыточности данных в отношениях реляционной базы данных называется нормализацией исходных схем отношений. Нормализация отношений заключается в выполнении декомпозиции или синтеза отношений, назначении ключей отношений в соответствии с определенными правилами, гарантирующими целостность отношений базы данных. Требование минимальности числа отношений, т.е. построения минимального покрытия ФЗ обычно является опциональным. На минимальном покрытии, как правило, не может быть достигнута высокая производительность обработки запросов.

Почему нормализация схем отношений важна для проектирования реляционных баз данных? Многочисленные испытания показали, что нормализация схем отношений дает наилучший результат при моделировании предметной области с использованием реляционной модели данных; при этом не вводится большого числа ограничений, не искажаются данные. Таким образом, нормализация отношений является методом удаления из отношения ФЗ, которые приводят к аномалиям модификации данных. Иными словами, нормализация отношений помогает проектировать реляционную базу данных, которая не содержит избыточных данных и гарантирует их целостность.

Язык нормальных форм констатирует наличие или отсутствие определенных ФЗ в отношениях реляционной базы данных и указывает на уровень избыточности и надежности данных в нормализованных отношениях. Методы нормализации отношений основываются на применении понятия ФЗ и способов манипулирования ими. При выполнении реляционных операций над отношениями в базе данных каждый тип ФЗ может порождать определенный тип аномалий, который будет нарушать целостность данных в базе данных. Нормальная форма (НФ) представляет собой ограничение на схему базы данных, вводимое с целью устранения определенных нежелательных свойств при выполнении реляционных операций.

Различают несколько типов нормальных форм. Каждая из них ограничивает присутствие определенного класса ФЗ в отношении и устраняет присущие этому классу ФЗ аномалии в выполнении реляционных операций.

Примечание. Глагол quot;ограничиваетquot; в терминологии баз данных означает набор процедур, направленных на достижение определенных свойств объекта путем сужения области его действия.