數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系模式整合方法

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本文作者：張麗君 單位：河南科技學(xué)院

一、引言

在整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，總共分為六個(gè)基本階段，即需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)施、數(shù)據(jù)庫(kù)試運(yùn)行階段就。其中在邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是如何將概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的關(guān)系模式進(jìn)行優(yōu)化。因?yàn)閱渭兊膹母拍罱Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的關(guān)系模式不一定具有“好”的性質(zhì)。一個(gè)具有“好”的性質(zhì)的關(guān)系模式中，沒(méi)有不必要的冗余數(shù)據(jù)，也沒(méi)有異?，F(xiàn)象存在。所謂的冗余數(shù)據(jù)是指沒(méi)有必要重復(fù)、大量出現(xiàn)的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中我們也不可能完全避免冗余現(xiàn)象，但是我們可以盡量減少冗余數(shù)據(jù)。異常現(xiàn)象主要是指在對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行增、刪、改操作的時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)的一些錯(cuò)誤現(xiàn)象。

二、實(shí)例分析

下面通過(guò)一個(gè)實(shí)例說(shuō)明一個(gè)“不好”的數(shù)據(jù)庫(kù)中存在的問(wèn)題。現(xiàn)有一個(gè)學(xué)生信息管理系統(tǒng)，其中的一個(gè)“學(xué)生選課管理表”包含以下屬性：學(xué)號(hào)（sno），系別（sdept），系主任名（mname），課程號(hào)（cno），成績(jī)（grade）。假設(shè)這個(gè)表中總共有4名學(xué)生，分別選修了不同的課程，如下表1所示：那么在這個(gè)關(guān)系模式中存在什么問(wèn)題呢？經(jīng)過(guò)分析，主要存在以下問(wèn)題：

1.數(shù)據(jù)冗余嚴(yán)重：每個(gè)院系的學(xué)生選一門(mén)課程，其系名就重復(fù)存儲(chǔ)一次；每個(gè)院系有多少個(gè)學(xué)生選課，系主任名就重復(fù)存儲(chǔ)多少次。

2.更新異常（UpdateAnomalies）：由于存在數(shù)據(jù)冗余必然會(huì)導(dǎo)致更新數(shù)據(jù)時(shí)，操作更加復(fù)雜，使得維護(hù)數(shù)據(jù)完整性代價(jià)大。稍一疏忽，就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的不一致。

3.插入異常（InsertionAnomalies）：想要插入到表中的數(shù)據(jù)系統(tǒng)不允許插入，如新轉(zhuǎn)來(lái)一個(gè)學(xué)生，該生還沒(méi)有選課，因此這個(gè)元組信息就不允許插入，因?yàn)檫`反了實(shí)體完整性規(guī)則。

4.刪除異常（DeletionAnomalies）：不想刪除的數(shù)據(jù)卻不得不從數(shù)據(jù)庫(kù)中刪除，如數(shù)學(xué)系的學(xué)生王五退學(xué)了，在刪除王五信息的同時(shí)，也把該院系的系主任信息刪除掉了，可是系主任信息只取決于院系，跟具體的學(xué)生沒(méi)有關(guān)系。

三、優(yōu)化方法

為了解決上述表中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，把一個(gè)“不好”的關(guān)系模式變成一個(gè)x性質(zhì)“好”的關(guān)系模式?？梢酝ㄟ^(guò)模式分解的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。把低級(jí)別的關(guān)系模式通過(guò)簡(jiǎn)單的分解，逐步去除其中的冗余和異?，F(xiàn)象，轉(zhuǎn)換為若干個(gè)高一級(jí)范式的關(guān)系模式集合，這個(gè)過(guò)程就叫關(guān)系模式的規(guī)范化。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式優(yōu)化就是以規(guī)范化理論為基礎(chǔ)，通過(guò)分析關(guān)系模式中屬性和屬性之間的函數(shù)依賴(lài)關(guān)系，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)把一個(gè)大的關(guān)系模式進(jìn)行分解，生成一些小的子關(guān)系模式，目的是通過(guò)破壞不合理的函數(shù)依賴(lài)，解決關(guān)系模式中存在的各種異常問(wèn)題

（一）函數(shù)依賴(lài)基本概念

設(shè)R(U)是一個(gè)屬性集U上的關(guān)系模式，W和Z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W上的屬性值相等，而在Z上的屬性值不等，則稱(chēng)“W函數(shù)確定Z”或“Z函數(shù)依賴(lài)于W”，記作W→Z。也就是說(shuō)，對(duì)t，s∈r，若t[W]=s[W]，則t[Z]=s[Z]那么稱(chēng)“W函數(shù)決定Z”，或“Z函數(shù)依賴(lài)于W”。需要說(shuō)明的是，函數(shù)依賴(lài)是一個(gè)語(yǔ)義范疇的概念，而且函數(shù)依賴(lài)也不是指關(guān)系模式R的某個(gè)或某些關(guān)系實(shí)例滿(mǎn)足的約束條件，而是指R的所有關(guān)系實(shí)例均要滿(mǎn)足的約束條件。

（二）范式基本概念

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(kù)中的關(guān)系必須滿(mǎn)足一定的要求，滿(mǎn)足不同程度要求的為不同范式。各種范式之間存在聯(lián)系：1NF2NF3NFBCNF4NF5NF某一關(guān)系模式R為第n范式，可簡(jiǎn)記為R∈nNF。1.1NF：第一范式要求關(guān)系中的所有分量都必須是不可再分的原子項(xiàng)。1NF是每個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)系模式都應(yīng)滿(mǎn)足的最低要求，也就是說(shuō)如果一個(gè)關(guān)系模式不滿(mǎn)足第一范式，那么它就不能稱(chēng)之為是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。如圖1所示的關(guān)系模式就不滿(mǎn)足1NF，也就是不允許在一張表中又出現(xiàn)小表。2.2NF：若R∈1NF，且每一個(gè)非主屬性完全函數(shù)依賴(lài)于碼，則R∈2NF。3.3NF：關(guān)系模式R<U，F(xiàn)>中若不存在這樣的碼X、屬性組Y及非主屬性Z（Z不是Y的子集），使得X→Y，Y→Z成立，Y→X，則稱(chēng)R<U，F(xiàn)>∈3NF。4.BCNF：設(shè)關(guān)系模式R<U，F(xiàn)>∈1NF，如果對(duì)于R的每個(gè)函數(shù)依賴(lài)X→Y，若Y不屬于X，則X必含有候選碼，那么R∈BCNF。5.4NF：若關(guān)系模式R中的每個(gè)非平凡多值依賴(lài)X→Y(YX)，X都含有碼，則R∈4NF。6.5NF：若R∈4NF，且不存在連接依賴(lài)，則R∈5NF。

（三）優(yōu)化的方法

規(guī)范的關(guān)系模式可保證關(guān)系中消除數(shù)據(jù)冗余、消除插入困難、消除修改困難。關(guān)系模式優(yōu)化的基本思想就是逐步消除數(shù)據(jù)依賴(lài)中不合適的部分，使模式中的各關(guān)系模式達(dá)到某種程度的”分離”。其基本步驟如圖2所示。

（四）優(yōu)化實(shí)例

有關(guān)系模式學(xué)生(學(xué)號(hào)，課號(hào)，姓名，性別，系號(hào)，課名，成績(jī)，系主任，樓號(hào))，其中各個(gè)屬性之間的函數(shù)依賴(lài)如圖3所示。1.消除部分依賴(lài)，得到滿(mǎn)足2NF的關(guān)系模式：Student(學(xué)號(hào)，姓名，性別，系號(hào)，系主任，樓號(hào))Sc(學(xué)號(hào)，課號(hào)，成績(jī))Course(課號(hào)，課名)2.消除傳遞依賴(lài)，得到滿(mǎn)足3NF的關(guān)系模式：Student(學(xué)號(hào)，姓名，性別，系號(hào))Deparment(系號(hào)，系主任，樓號(hào))Sc(學(xué)號(hào)，課號(hào)，成績(jī))Course(課號(hào)，課名)

四、結(jié)論

規(guī)范化首先要保證關(guān)系中所有屬性都是原子項(xiàng)，也就是在保證其滿(mǎn)足1NF的基礎(chǔ)上，如果關(guān)系的碼是由單屬性組成，則這個(gè)關(guān)系模式必然滿(mǎn)足2NF，否則消除部分函數(shù)依賴(lài)可得2NF關(guān)系；如果一個(gè)關(guān)系模式中所有屬性都是主屬性，則這個(gè)關(guān)系模式必然滿(mǎn)足3NF。如果有非主屬性存在，則還需要判斷是否對(duì)候選碼有傳遞函數(shù)依賴(lài)，如果有就消除之可得3NF關(guān)系；依此類(lèi)推。直到消除了操作異?，F(xiàn)象。