Понятие ключа в БД, первичные и внешние ключи.

На Рисунке представлена таблица (отношение степени 5), содержащая некоторые сведения о работниках гипотетического предприятия. Строки таблицы соответствуют кортежам. Каждая строка фактически представляет собой описание одного объекта реального мира (в данном случае работника), характеристики которого содержатся в столбцах. Реляционные отношения соответствуют наборам сущностей, а кортежи - сущностям. Столбцы в таблице, представляющей реляционное отношение, называют атрибутами.

Каждый атрибут определен на домене, поэтому домен можно рассматривать как множество допустимых значений данного атрибута. Несколько атрибутов одного отношения и даже атрибуты разных отношений могут быть определены на одном и том же домене.

Атрибут, значение которого однозначно идентифицирует кортежи, называется ключевым (или просто ключом). Ключом является атрибут "Табельный номер", поскольку его значение уникально для каждого работника предприятия. Если кортежи идентифицируются только сцеплением значений нескольких атрибутов, то говорят, что отношение имеет составной ключ.

Первичный ключ — в реляционной модели данных один из потенциальных ключей отношения, выбранный в качестве основного ключа (или ключа по умолчанию).

Отношение может содержать несколько ключей. Всегда один из ключей объявляется первичным, его значения не могут обновляться. Все остальные ключи отношения называются возможными ключами.

С точки зрения теории все потенциальные (возможные) ключи отношения эквивалентны, то есть обладают одинаковыми свойствами уникальности и минимальности. Однако в качестве первичного обычно выбирается тот из потенциальных ключей, который наиболее удобен для тех или иных практических целей, например для создания внешних ключей в других отношениях либо для создания кластерного индекса. Поэтому в качестве первичного ключа как правило выбирают тот, который имеет наименьший размер (физического хранения) и/или включает наименьшее количество атрибутов.

Если первичный ключ состоит из единственного атрибута, его называют простым ключом.

Если первичный ключ состоит из двух и более атрибутов, его называют составным ключом. Так, имя, фамилия, отчество, номер паспорта, серия паспорта не могут быть первичными ключами по отдельности, так как могут оказаться одинаковыми у двух и более людей. Но не бывает двух личных документов одного типа с одинаковыми серией и номером. Поэтому в отношении, содержащем данные о людях, первичным ключом может быть подмножество атрибутов, состоящее из типа личного документа, его серии и номера.

В отличие от иерархической и сетевой моделей данных в реляционной отсутствует понятие группового отношения. Для отражения ассоциаций между кортежами разных отношений используется дублирование их ключей.

Атрибуты, представляющие собой копии ключей других отношений, называются внешними ключами.

Например, связь между отношениями ОТДЕЛ и СОТРУДНИК создается путем копирования первичного ключа "Номер_отдела" из первого отношения во второе. Таким образом, для того, чтобы получить список работников данного подразделения, необходимо: 1) Из таблицы ОТДЕЛ установить значение атрибута "Номер_отдела", соответствующее данному "Наименованию_отдела". 2) выбрать из таблицы СОТРУДНИК все записи, значение атрибута "Номер_отдела" которых равно полученному на предыдушем шаге. Для того, чтобы узнать в каком отделе работает сотрудник, нужно выполнить обратную операцию: 1) Определяем "Номер_отдела" из таблицы СОТРУДНИК. 2) По полученному значению находим запись в таблице ОТДЕЛ.

18. Нормализация в реляционных БД, понятие нормальной формы при проектировании баз данных.

Нормальная форма — свойство отношения в реляционной модели данных, характеризующее его с точки зрения избыточности, которая потенциально может привести к логически ошибочным результатам выборки или изменения данных. Нормальная форма определяется как совокупность требований, которым должно удовлетворять отношение.

Процесс преобразования базы данных к виду, отвечающему нормальным формам, называется нормализацией. Нормализация предназначена для приведения структуры базы данных к виду, обеспечивающему минимальную избыточность, то есть нормализация не имеет целью уменьшение или увеличение производительности работы или же уменьшение или увеличение объёма БД. Конечной целью нормализации является уменьшение потенциальной противоречивости хранимой в БД информации.

Устранение избыточности производится, как правило, за счёт декомпозиции отношений таким образом, чтобы в каждом отношении хранились только первичные факты (то есть факты, не выводимые из других хранимых фактов).

Функциональные зависимости.

Реляционная база данных содержит как структурную, так и семантическую информацию. Структура базы данных определяется числом и видом включенных в нее отношений, и связями типа "один ко многим", существующими между кортежами этих отношений. Семантическая часть описывает множество функциональных зависимостей, существующих между атрибутами этих отношений. Дадим определение функциональной зависимости.

19. 1НФ: Основные определения и правила преобразования.

Для обсуждения первой нормальной формы необходимо дать два определения:

Простой атрибут - атрибут, значения которого атомарны (неделимы).

Сложный атрибут - получается соединением нескольких атомарных атрибутов, которые могут быть определены на одном или разных доменах (его также называют вектор или агрегат данных).

Определение первой нормальной формы:

отношение находится в 1NF если значения всех его атрибутов атомарны. . В противном случае это вообще не таблица и такие атрибуты необходимо декомпозировать.

Рассмотрим пример:

В базе данных отдела кадров предприятия необходимо хранить сведения о служащих, которые можно попытаться представить в отношении

СЛУЖАЩИЙ(НОМЕР_СЛУЖАЩЕГО, ИМЯ, ДАТА_РОЖДЕНИЯ, ИСТОРИЯ_РАБОТЫ, ДЕТИ).

Из внимательного рассмотрения этого отношения следует, что атрибуты "история_работы" и "дети" являются сложными, более того, атрибут "история_работы" включает еще один сложный атрибут "история_зарплаты".
Данные агрегаты выглядят следующим образом:

 ИСТОРИЯ_РАБОТЫ (ДАТА_ПРИЕМА, НАЗВАНИЕ, ИСТОРИЯ_ЗАРПЛАТЫ),

 ИСТОРИЯ_ЗАРПЛАТЫ (ДАТА_НАЗНАЧЕНИЯ, ЗАРПЛАТА),

 ДЕТИ (ИМЯ_РЕБЕНКА, ГОД_РОЖДЕНИЯ).

Их связь представлена на рис. 3.3.

Рис.3.3. Исходное отношение.

Для приведения исходного отношения СЛУЖАЩИЙ к первой нормальной форме необходимо декомпозировать его на четыре отношения, так как это показано на следующем рисунке:

Рис.3.4. Нормализованное множество отношений.

Здесь первичный ключ каждого отношения выделен синей рамкой, названия внешних ключей набраны шрифтом синего цвета. Напомним, что именно внешние ключи служат для представления функциональных зависимостей, существующих в исходном отношении. Эти функциональные зависимости обозначены линиями со стрелками.

Алгоритм нормализации описан Е.Ф.Коддом следующим образом:

• Начиная с отношения, находящегося на верху дерева (рис. 3.3.), берется его первичный ключ, и каждое непосредственно подчиненное отношение расширяется путем вставки домена или комбинации доменов этого первичного ключа.
• Первичный Ключ каждого расширенного таким образом отношения состоит из Первичного Ключа, который был у этого отношения до расширения и добавленного Первичного Ключа родительского отношения.
• После этого из родительского отношения вычеркиваются все непростые домены, удаляется верхний узел дерева, и эта же процедура повторяется для каждого из оставшихся поддеревьев.

20. 2НФ: Основные определения и правила преобразования.

Очень часто первичный ключ отношения включает несколько атрибутов (в таком случае его называют составным) - см., например, отношение ДЕТИ, показанное на рис. 3.4 вопрос 19. При этом вводится понятие полной функциональной зависимости.

Определение:

неключевой атрибут функционально полно зависит от составного ключа если он функционально зависит от всего ключа в целом, но не находится в функциональной зависимости от какого-либо из входящих в него атрибутов.

Пример:

Пусть имеется отношение ПОСТАВКИ (N_ПОСТАВЩИКА, ТОВАР, ЦЕНА).
Поставщик может поставлять различные товары, а один и тот же товар может поставляться разными поставщиками. Тогда ключ отношения - "N_поставщика + товар". Пусть все поставщики поставляют товар по одной и той же цене. Тогда имеем следующие функциональные зависимости:

• N_поставщика, товар -> цена
• товар -> цена

Неполная функциональная зависимость атрибута "цена" от ключа приводит к следующей аномалии: при изменении цены товара необходим полный просмотр отношения для того, чтобы изменить все записи о его поставщиках. Данная аномалия является следствием того факта, что в одной структуре данных объединены два семантических факта. Следующее разложение дает отношения во 2НФ:

• ПОСТАВКИ (N_ПОСТАВЩИКА, ТОВАР)
• ЦЕНА_ТОВАРА (ТОВАР, ЦЕНА)

Таким образом, можно дать

Определение второй нормальной формы: Отношение находится во 2НФ, если оно находится в 1НФ и каждый неключевой атрибут функционально полно зависит от ключа.

21. 3НФ: Основные определения и правила преобразования.

Перед обсуждением третьей нормальной формы необходимо ввести понятие: транзитивная функциональная зависимость.

Определение:

Пусть X, Y, Z - три атрибута некоторого отношения. При этом X --> Y и Y --> Z, но обратное соответствие отсутствует, т.е. Z -/-> Y и Y -/-> X. Тогда Z транзитивно зависит от X.
Пусть имеется отношение ХРАНЕНИЕ (ФИРМА, СКЛАД, ОБЪЕМ), которое содержит информацию о фирмах, получающих товары со складов, и объемах этих складов. Ключевой атрибут - "фирма". Если каждая фирма может получать товар только с одного склада, то в данном отношении имеются следующие функциональные зависимости:

• фирма -> склад
• склад -> объем

При этом возникают аномалии:

• если в данный момент ни одна фирма не получает товар со склада, то в базу данных нельзя ввести данные о его объеме (т.к. не определен ключевой атрибут)
• если объем склада изменяется, необходим просмотр всего отношения и изменение картежей для всех фирм, связанных с данным складом.

Для устранения этих аномалий необходимо декомпозировать исходное отношение на два:

• ХРАНЕНИЕ (ФИРМА, СКЛАД)
• ОБЪЕМ_СКЛАДА (СКЛАД, ОБЪЕМ)

Определение третьей нормальной формы:

Отношение находится в 3НФ, если оно находится во 2НФ и каждый не ключевой атрибут не транзитивно зависит от первичного ключа.