Нормальные формы схем отношений. Первая нормальная форма. Вторая нормальная форма

Понятие, которое мы будем рассматривать в данном разделе, связано с понятием функциональных зависимостей, т. е. смысл нормализации схем баз данных неразрывно связан с понятием ограничений, накладываемых системой функциональных зависимостей, и во многом следует из этого понятия.

Исходной точкой любого проектирования базы данных является представление предметной области в виде одного или нескольких отношений, и на каждом шаге проектирования производится некоторый набор схем отношений, обладающих «улучшенными» свойствами. Таким образом, процесс проектирования представляет собой процесс нормализации схем отношений, причем каждая следующая нормальная форма обладает свойствами, в некотором смысле лучшими, чем предыдущая.

Каждой нормальной форме соответствует определенный набор ограничений, и отношение находится в некоторой нормальной форме, если удовлетворяет свойственному ей набору ограничений. Примером может служить ограничение первой нормальной формы – значения всех атрибутов отношения атомарны.

В теории реляционных баз данных обычно выделяется следующая последовательность нормальных форм:

1) первая нормальная форма (1 NF);

2) вторая нормальная форма (2 NF);

3) третья нормальная форма (3 NF);

4) нормальная форма Бойса – Кодда (BCNF);

5) четвертая нормальная форма (4 NF);

6) пятая нормальная форма, или нормальная форма проекции-соединения (5 NF или PJ/NF).

(В данный курс лекций включается подробное рассмотрение первых четырех нормальных форм базовых отношений, поэтому мы не будем подробно разбирать четвертую и пятую нормальные формы.)

Основные свойства нормальных форм состоят в следующем:

1) каждая следующая нормальная форма в некотором смысле лучше предыдущей нормальной формы;

2) при переходе к следующей нормальной форме свойства предыдущих нормальных форм сохраняются.

В основе процесса проектирования лежит метод нормализации, т. е. декомпозиции отношения, находящегося в предыдущей нормальной форме, на два или более отношений, которые удовлетворяют требованиям следующей нормальной формы (с этим мы столкнемся, когда нам самим придется по мере прохождения материала проводить нормализацию того или иного базового отношения).

Как уже упоминалось в разделе, посвященном созданию базовых отношений, заданные множества функциональных зависимостей, накладывают соответствующие ограничения на схемы базовых отношений. Эти ограничения в общем случае реализуются двумя методами:

1) декларативно, т. е. с помощью объявления в базовом отношении различного вида первичных, кандидатных и внешних ключей (это метод, получивший наибольшее распространение);

2) процедурно, т. е. написанием программного кода (использованием упомянутых выше так называемых триггеров).

При помощи простой логики можно понять, в чем же заключается смысл нормализации схем баз данных. Нормализовывать базы данных или приводить базы данных к нормальному виду – это значит определять такие схемы базовых отношений, чтобы максимально уменьшить необходимость написания программного кода, увеличить производительность работы базы данных, облегчить поддержку целостности данных по состоянию и ссылочной целостности. То есть сделать код и работу с ним максимально простой и удобной разработчикам и пользователям.

Для того чтобы наглядно в сравнении продемонстрировать работу ненормализованной и нормализованной базы данных, рассмотрим следующий пример.

Пусть у нас имеется базовое отношение, содержащее информацию о результатах экзаменационной сессии. Такую базу данных мы уже рассматривали раньше.

Итак, вариант 1 схемы базы данных.

Сессия (№ зачетной книжки, Фамилия, Имя, Отчество, Предмет, Оценка)

В этом отношении, как видно из изображения схемы базового отношения, задан составной первичный ключ:

Primary key (№ зачетной книжки, Предмет);

Также в этом отношении задана система функциональных зависимостей:

{№ зачетной книжки} > {Фамилия, Имя, Отчество};

Приведем табличный вид небольшого фрагмента базы данных с данной схемой отношения. Этот фрагмент мы уже применяли в рассмотрении ограничений функциональных зависимостей, поэтому на его примере нам будет довольно легко понять и данную тему.

Здесь для поддержания целостности данных по состоянию, т. е. для выполнения ограничения системы функциональной зависимости {№ зачетной книжки} > {Фамилия, Имя, Отчество} при изменении, например, фамилии необходимо просматривать все кортежи этого базового отношения и последовательно вводить необходимые изменения. Однако так как это довольно громоздкий и трудоемкий процесс (особенно если мы имеем дело с базой данных большого учебного заведения), разработчики систем управления базами данных пришли к выводу, что этот процесс необходимо автоматизировать, т. е. сделать автоматическим. Теперь контроль выполнения этой (и любой другой) функциональной зависимости можно организовывать автоматически при помощи правильного объявления в базовом отношении различных ключей и так называемой декомпозиции (т. е. разбиения чего-либо на несколько самостоятельных частей) этого отношения.

Итак, нашу имеющуюся схему отношения «Сессия» разобьем на две схемы: схему «Студенты», содержащую только информацию о студентах данного учебного заведения, и схему «Сессия», содержащую информацию о последней прошедшей сессии. А затем объявим ключи таким образом, чтобы можно было без труда получить любую необходимую информацию.

Покажем, как будут выглядеть эти новые схемы отношений со своими ключами.

Вариант 2 схемы базы данных.

Студенты (№ зачетной книжки, Фамилия, Имя, Отчество),

Primary key (№ зачетной книжки).

Сессия (№ зачетной книжки, Предмет, Оценка),

Primary key (№ зачетной книжки, Предмет),

Foreign key (№ зачетной книжки) references Студенты (№ номер зачетной книжки).

Что мы имеем теперь? В отношении «Студенты» первичный ключ «№ зачетной книжки» функционально определяет остальные три атрибута: «Фамилия», «Имя» и «Отчество». А в отношении «Сессия» составной первичный ключ «№ зачетной книжки, Предмет» также однозначно, т. е. буквально функционально определяет последний атрибут этой схемы отношения – «Оценка». И связь между этими двумя отношениями налажена: она осуществляется посредством внешнего ключа отношения «Сессия» «№ зачетной книжки», который ссылается на одноименный атрибут отношения «Студенты» и при соответствующем запросе представляет всю необходимую информацию.

Покажем теперь, как будут выглядеть отношения, представленные таблицами, отвечающие второму варианту задания соответствующих схем баз данных.

Таким образом, мы видим, что целью нормализации в аспекте ограничений, накладываемых функциональными зависимостями, является необходимость навязать любой базе данных требуемые функциональные зависимости при помощи объявлений различного вида первичных, кандидатных и внешних ключей базовых отношений.