數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論第六章

1、數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論第四版王 珊 薩師煊第第6章章 關(guān)系數(shù)據(jù)理論關(guān)系數(shù)據(jù)理論 數(shù)據(jù)庫設(shè)計的一個最基本的問題是怎樣建立一個好的數(shù)據(jù)庫模式。codd提出了一套關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計理論關(guān)系的規(guī)范化理論，根據(jù)現(xiàn)實(shí)世界存在的數(shù)據(jù)依賴進(jìn)行關(guān)系模式的規(guī)范化處理，從而得到一個好的數(shù)據(jù)庫設(shè)計。6.1 問題的提出問題的提出1、問題的提出 關(guān)系的描述：關(guān)系的描述：r(u,d,dom,f) 關(guān)系是一個五元組。關(guān)系是一個五元組。r為關(guān)系名，為關(guān)系名，u為屬性集為屬性集合，合，d為屬性組為屬性組u中屬性所來自的域，中屬性所來自的域，dom為為屬性到域的映射集合，屬性到域的映射集合，f為屬性間數(shù)據(jù)的依賴

2、為屬性間數(shù)據(jù)的依賴關(guān)系集合。關(guān)系集合。6.1 問題的提出（續(xù)）問題的提出（續(xù)）2、數(shù)據(jù)依賴屬性間數(shù)據(jù)的依賴關(guān)系集合屬性間數(shù)據(jù)的依賴關(guān)系集合f是描述關(guān)系的元是描述關(guān)系的元組語義，限定關(guān)系內(nèi)部屬性與屬性間必須滿足組語義，限定關(guān)系內(nèi)部屬性與屬性間必須滿足的約束條件。的約束條件。數(shù)據(jù)依賴是通過一個關(guān)系中屬性間值的依賴與數(shù)據(jù)依賴是通過一個關(guān)系中屬性間值的依賴與否體現(xiàn)出來的數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系。否體現(xiàn)出來的數(shù)據(jù)間的相互關(guān)系。最重要的數(shù)據(jù)依賴是最重要的數(shù)據(jù)依賴是函數(shù)依賴函數(shù)依賴(fd)和和多值依賴多值依賴(mvd)6.1 問題的提出（續(xù)）問題的提出（續(xù)）實(shí)例：建立一個數(shù)據(jù)庫，涉及的對象包括：學(xué)生的學(xué)號(sno)

3、、所在系(sdept)、系主任姓名(mn)、課程名(cname)、成績（grade）。要求如下：(1)一個系有若干學(xué)生，但一個學(xué)生只屬于一個系；(2)一個系只有一個系主任；(3)一個學(xué)生可以選多門課程，每門課程有若干學(xué)生選修；(4)每個學(xué)生學(xué)習(xí)每一門課程有個成績。建立關(guān)系模式：建立關(guān)系模式： student(sno,sdept,mn,cname,grade)這個關(guān)系模式存在這個關(guān)系模式存在4個問題：個問題：(1)數(shù)據(jù)冗余：一個學(xué)生選修多門課程，所在系和系主任就重復(fù)數(shù)據(jù)冗余：一個學(xué)生選修多門課程，所在系和系主任就重復(fù)存儲多次。存儲多次。(2)更新異常：當(dāng)更新某些數(shù)據(jù)時，容易造成存儲數(shù)據(jù)的不一致更

4、新異常：當(dāng)更新某些數(shù)據(jù)時，容易造成存儲數(shù)據(jù)的不一致性。如換系主任了，則必須修改與該系學(xué)生有關(guān)的每一個元組。性。如換系主任了，則必須修改與該系學(xué)生有關(guān)的每一個元組。(3)插入異常：若某個學(xué)生未學(xué)習(xí)課程，則他的信息就無法插入。插入異常：若某個學(xué)生未學(xué)習(xí)課程，則他的信息就無法插入。(4)刪除異常：當(dāng)要刪除學(xué)生所有成績時，將所有關(guān)于該學(xué)生的刪除異常：當(dāng)要刪除學(xué)生所有成績時，將所有關(guān)于該學(xué)生的信息都刪除了。信息都刪除了。f=snosdept,sdept mn,(sno,cname) g原因：原因：由存在于模式中的由存在于模式中的某些數(shù)據(jù)依賴某些數(shù)據(jù)依賴引起的引起的解決方法：解決方法：通過通過分解分解關(guān)系

5、模式來消除其中不合適的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系模式來消除其中不合適的數(shù)據(jù)依賴f=snosdept,sdept mn,(sno,cname) gs(sno,sdept) sg(sno,cname,grade) dept(sdept,mn)6.2 規(guī)范化規(guī)范化 規(guī)范化理論正是用來改造關(guān)系模式，通過分解關(guān)系模式來消除其中不合適的數(shù)據(jù)依賴，以解決插入異常、刪除異常、更新異常和數(shù)據(jù)冗余問題。1、函數(shù)依賴 定義定義設(shè)r(u)是屬性集u上的關(guān)系模式，x,y是u的子集，若對于r(u)的任意一個可能的關(guān)系r，r中不可能存在兩個元組在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y或y函數(shù)依賴于x，記作xy。 幾點(diǎn)說

6、明：幾點(diǎn)說明：(1)函數(shù)依賴不是指關(guān)系模式r的某個或某些關(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)依賴和別的數(shù)據(jù)之間的依賴關(guān)系一樣，是語義范疇的概念。我們只能根據(jù)數(shù)據(jù)的語義來確定函數(shù)依賴。(3)數(shù)據(jù)庫設(shè)計者可以對其做出強(qiáng)制的規(guī)定。6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)）1、函數(shù)依賴基本術(shù)語和符號基本術(shù)語和符號若xy,但y x，則稱xy是非平凡的函數(shù)依賴，反之稱為平凡的函數(shù)依賴。若xy，則x叫做決定因素若xy，yx，則記作xy若y不函數(shù)依賴于x，則記作x y6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)）1、函數(shù)依賴三種函數(shù)依賴三種函數(shù)依賴 完全函數(shù)依賴：完全函數(shù)依賴：在r(u)中，如

7、果xy，并且對于x的任何一個真子集x，都有xy，則稱y對x完全函數(shù)依賴，記作： x f y6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)）如關(guān)系如關(guān)系sc(sno,cno,grade),(sno,cno) grade spj(sno,pno,jno,qty),(sno,pno,jno) qtyff1、函數(shù)依賴三種函數(shù)依賴三種函數(shù)依賴 部分函數(shù)依賴：部分函數(shù)依賴：若xy，但y不完全依賴于x，則稱y對x部分函數(shù)依賴，記作：x p y6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)）如：如：sc(sno, cno, sname,grade) (sno,cno) sname sno snamep1、函數(shù)依賴三種函數(shù)依賴三種函數(shù)依賴 傳

8、遞函數(shù)依賴：傳遞函數(shù)依賴：在r(u)中，如果xy(y x)，yx，yz，則稱z對x傳遞函數(shù)依賴。記作：x z6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)）傳遞如：如：s(sno,sdept,mname) sno sdept, sdeptmname sno mname傳遞候選關(guān)鍵字：候選關(guān)鍵字：學(xué)號學(xué)號fd學(xué)號學(xué)號姓名，學(xué)號姓名，學(xué)號出生日期，學(xué)號出生日期，學(xué)號班號，班號班號，班號系名，系名系名，系名宿舍區(qū)宿舍區(qū)傳遞函數(shù)依賴：傳遞函數(shù)依賴：學(xué)號學(xué)號班號班號系名，學(xué)號系名，學(xué)號系名系名班號班號系名系名宿舍區(qū)，班號宿舍區(qū)，班號宿舍區(qū)宿舍區(qū)學(xué)號學(xué)號系名系名宿舍區(qū)，學(xué)號宿舍區(qū)，學(xué)號宿舍區(qū)宿舍區(qū)傳遞傳遞傳遞分析關(guān)系模式

9、：分析關(guān)系模式：student(學(xué)號，姓名，出生日期，系名，班號，宿舍區(qū)），學(xué)號，姓名，出生日期，系名，班號，宿舍區(qū)），學(xué)生屬于某個班級，班級屬于某個系，其中一個系的學(xué)生分學(xué)生屬于某個班級，班級屬于某個系，其中一個系的學(xué)生分在一個宿舍區(qū)，指出其候選關(guān)鍵字，函數(shù)依賴關(guān)系和存在的在一個宿舍區(qū)，指出其候選關(guān)鍵字，函數(shù)依賴關(guān)系和存在的傳遞函數(shù)依賴。傳遞函數(shù)依賴。6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)）2、碼定義：設(shè)k為r(u,f)中的屬性或?qū)傩越M合，若ku，則k為r的候選碼候選碼。若候選碼多于一個，則選定其中的一個為主碼主碼。主屬性主屬性：包含在任何一個候選碼中的屬性（prime attribute)。非主屬

10、性非主屬性：不包含在任何碼中的屬性稱為非主屬性或非碼屬性。定義：關(guān)系模式r中屬性或?qū)傩越Mx并非r的碼，但x是另一個關(guān)系模式的碼，則稱x是r的外部碼外部碼。f關(guān)系模式關(guān)系模式s(s(snosno,sdept,sage),sdept,sage)，單個屬性，單個屬性snosno是碼，是碼， scsc（snosno，cnocno，gradegrade）中，（）中，（snosno，cnocno）是碼）是碼關(guān)系模式關(guān)系模式r r（p p，w w，a a），其中：），其中：p p為演奏者，為演奏者，w w為作品，為作品， a a為聽眾。為聽眾。 (1)(1)一個演奏者可以演奏多個作品一個演奏者可以演奏多個作

11、品 (2)(2)某一作品可被多個演奏者演奏某一作品可被多個演奏者演奏 (3)(3)聽眾可以欣賞不同演奏者的不同作品聽眾可以欣賞不同演奏者的不同作品 碼為碼為(p(p，w w，a)a)，即，即全碼（全碼（all-keyall-key） 舉例：舉例：6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)）3、范式(nf)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系是要滿足一定要求的，滿關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系是要滿足一定要求的，滿足不同程度要求的為不同范式，目前主要有六足不同程度要求的為不同范式，目前主要有六種范式：種范式： 5nf 4nf bcnf 3nf 2nf 1nf一個低一級的范式，通過分解，可以轉(zhuǎn)換為若一個低一級的范式，通過分解，可以轉(zhuǎn)換為若

12、干個高一級范式的關(guān)系模式的集合，這個過程干個高一級范式的關(guān)系模式的集合，這個過程就叫就叫規(guī)范化規(guī)范化。6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)）3、范式(nf)第一范式第一范式 如果一個關(guān)系模式如果一個關(guān)系模式r的所有屬性都是不可分的的所有屬性都是不可分的基本數(shù)據(jù)項，則基本數(shù)據(jù)項，則r1nf。 即當(dāng)表中每一行的每一列只具有唯一值時，表被認(rèn)為是符合第一范式（1nf）的。 1nf是對關(guān)系的最低要求，不滿足1nf的關(guān)系是非規(guī)范化的關(guān)系。分解方法：分解方法：非規(guī)范化關(guān)系轉(zhuǎn)化為滿足非規(guī)范化關(guān)系轉(zhuǎn)化為滿足1nf的規(guī)范化關(guān)系的規(guī)范化關(guān)系方法很簡單，只要將表分別從橫向、縱向展開即可。方法很簡單，只要將表分別從橫向、縱向

13、展開即可。舉例：舉例：規(guī)范化練習(xí)練習(xí)練習(xí)練習(xí)答案：答案：6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)）3、范式(nf)第二范式第二范式 若若r 1nf，且每一個非主屬性完全函數(shù)依賴，且每一個非主屬性完全函數(shù)依賴于碼，則于碼，則r 2nf。分解方法：分解方法： 找出并抹去函數(shù)依賴于碼的一部分而不是整個碼的屬找出并抹去函數(shù)依賴于碼的一部分而不是整個碼的屬性，將它們放到不同的表中。性，將它們放到不同的表中。 組合剩余的屬性。組合剩余的屬性。規(guī)范化過程：消除非主屬性對碼的部分函數(shù)依賴規(guī)范化過程：消除非主屬性對碼的部分函數(shù)依賴關(guān)系關(guān)系s(學(xué)號，系名，宿舍區(qū)，課程號，成績）學(xué)號，系名，宿舍區(qū)，課程號，成績）舉例：舉例：

14、碼（學(xué)號，課程號）碼（學(xué)號，課程號）函數(shù)依賴集：函數(shù)依賴集：（學(xué)號，課程號）（學(xué)號，課程號）成績成績 學(xué)號學(xué)號系名系名 學(xué)號學(xué)號宿舍區(qū)宿舍區(qū)（學(xué)號，課程號）（學(xué)號，課程號） p系名系名 （學(xué)號，課程號）（學(xué)號，課程號） p宿舍區(qū)宿舍區(qū)解決：解決：sc(學(xué)號學(xué)號,課程號課程號,成績成績) s-l(學(xué)號學(xué)號,系名系名,宿舍區(qū)宿舍區(qū))將下面的將下面的r r關(guān)系規(guī)范化到第二范式關(guān)系規(guī)范化到第二范式練習(xí)：練習(xí)：答案答案：練習(xí)：練習(xí)：6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)）sc(學(xué)號,課程號,成績) s-l(學(xué)號,系名,宿舍區(qū))仍然存在問題：(1)插入異常，若某個系因種種原因，還未有學(xué)生，則無法將該系的信息存入數(shù)

15、據(jù)庫。(2)刪除異常，如果某個系的學(xué)生全部畢業(yè)了，在刪除該系學(xué)生的信息的同時，該系的信息也丟掉了。(3)數(shù)據(jù)冗余度大，每個系的學(xué)生都住在同一個地方，關(guān)于系的住處的信息卻重復(fù)出現(xiàn)。(4)修改復(fù)雜，當(dāng)調(diào)整學(xué)生住處時，需要更改大量學(xué)生的屬性。出現(xiàn)上述問題的原因是因?yàn)樵陉P(guān)系模式中仍然存在有傳遞函出現(xiàn)上述問題的原因是因?yàn)樵陉P(guān)系模式中仍然存在有傳遞函數(shù)依賴關(guān)系。數(shù)依賴關(guān)系。6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)）3、范式(nf)第三范式第三范式 關(guān)系模式關(guān)系模式r(u,f)中若不存在這樣的碼中若不存在這樣的碼x、屬性、屬性組組y及非主屬性及非主屬性z(z y)，使得，使得xy,yz成立，成立，則稱則稱r(u,f)

16、 3nf。分解方法：分解方法： 發(fā)現(xiàn)和抹去函數(shù)依賴于不是主屬性的非主屬性。把它發(fā)現(xiàn)和抹去函數(shù)依賴于不是主屬性的非主屬性。把它們放入不同的表格；們放入不同的表格； 組合剩余的屬性。組合剩余的屬性。3nf消除消除2nf的非主屬性的傳遞函數(shù)依賴的非主屬性的傳遞函數(shù)依賴2nf關(guān)系模式s-l(學(xué)號,系名,宿舍區(qū))中函數(shù)依賴：學(xué)號系名，系名學(xué)號 學(xué)號宿舍區(qū) 學(xué)號宿舍區(qū)， s-l中存在非主屬性對碼的傳遞函數(shù)依賴，則s-l3nf舉例：舉例：傳遞對對s-l(sno,sdept,sloc)分解分解sd(sno,sdept) dl(sdept,sloc)將下面的將下面的r r關(guān)系規(guī)范化到第三范式關(guān)系規(guī)范化到第三范式

17、練習(xí)：練習(xí)：答案答案：練習(xí)：練習(xí)：6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)）但是滿足3nf的關(guān)系模式也未必就是好的關(guān)系模式。如：關(guān)系模式stc(s,t,c)中，s表示學(xué)生，t表示教師，c表示課程。假設(shè)每個教師只教一門課，每門課由若干教師教，某一學(xué)生選定某門 課，就對應(yīng)一個固定的教師。函數(shù)依賴集：(s,t) c，(s,c) t，tc, s c(s,t)、 (s,j) 都是候選碼。t,s只是主屬性，既不是候選碼，也不包含候選碼，原因是tc,sc，即主屬性c部分函數(shù)依賴于(s,t) 。解決辦法是將stc分解。因此，引入一個新的范式, bcnf 范式，稱為修正的或擴(kuò)充的第三范式。6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)）

18、3、范式(nf)boyce-codd(bcnf)范式范式 關(guān)系模式關(guān)系模式r(u,f)1nf，若，若xy且且y x時時x必必包含碼，則包含碼，則r(u,f) bcnf。即：關(guān)系中的每一個決定因素都包含碼。一個滿足bcnf的關(guān)系模式有： 所有非主屬性對每個碼都是完全函數(shù)依賴 所有的主屬性對每一個不包含它的碼，也是完全函數(shù)依賴 沒有任何屬性完全函數(shù)依賴于非碼的任何一組屬性6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)）3、范式(nf)boyce-codd(bcnf)范式范式 解決辦法： 發(fā)現(xiàn)和抹去具有函數(shù)依賴關(guān)系主屬性 把候選鍵的一部分和與它有函數(shù)依賴關(guān)系的屬性放入另外的表中 組合剩余的項為一個表將關(guān)系將關(guān)系st

19、c分解為分解為st(s,t) tj(t,c)配件管理表如下，其中一個倉庫由若干名管理員管理，一配件管理表如下，其中一個倉庫由若干名管理員管理，一個管理員只管理一個倉庫，他們管理所在倉庫的所有商品。個管理員只管理一個倉庫，他們管理所在倉庫的所有商品。練習(xí)：練習(xí)：答案答案：函數(shù)依賴集包括：函數(shù)依賴集包括：職工編號職工編號倉庫編號，倉庫編號，(倉庫編號，配件編號倉庫編號，配件編號)數(shù)量，數(shù)量，(職工編號，配件編號職工編號，配件編號)數(shù)量數(shù)量(職工編號，配件編號職工編號，配件編號)倉庫編號倉庫編號碼為碼為: (職工編號，配件編號職工編號，配件編號)練習(xí)：練習(xí)：答案答案：練習(xí)：練習(xí)：6.2 規(guī)范化（續(xù)）

20、規(guī)范化（續(xù)）3、范式(nf)多值依賴多值依賴 設(shè)關(guān)系模式r(u)，x,y,z是u的子集，并且z=u-x-y。若對于r(u)的任一關(guān)系r，給定的一對(x,z)值，存在一組y的值與之對應(yīng)，并且這組值僅僅決定于x值而與z值無關(guān)，稱為y多值依賴于x或者x多值決定y，記作xy。若xy，若z，則xy是非平凡的多值依賴；若z=，則是平凡的多值依賴。6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)）3、范式(nf)多值依賴多值依賴 多值依賴與函數(shù)依賴的區(qū)別：(1)函數(shù)依賴中，xy的有效性由x,y兩個屬性集決定；多值依賴xy不僅與x,y兩個屬性集有關(guān)，而要檢查其余屬性z。因此，多值依賴的有效性與屬性集的范圍有關(guān)。(2)若函數(shù)依賴

21、xy成立，則對于y的任一子集y均有xy成立。而多值依賴卻不能確定。6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)）3、范式(nf)第四范式第四范式 關(guān)系模式關(guān)系模式r(u,f) 1nf，如果對于，如果對于r的每個非平的每個非平凡多值依賴凡多值依賴xy（y x），），x都含有碼，則都含有碼，則稱稱r(u,f) 4nf。4nf就是限制關(guān)系模式的屬性之間不允許有非平凡且非函數(shù)依賴的多值依賴。關(guān)系模式倉庫管理關(guān)系模式倉庫管理(倉庫號倉庫號,管理員管理員,商品名商品名)中，中，(倉庫號倉庫號,商品名商品名)管理員，倉庫號管理員，倉庫號管理員管理員對于倉庫號對于倉庫號管理員，決定因素倉庫號不包含碼，管理員，決定因素倉庫號

22、不包含碼，倉庫管理倉庫管理 4nf缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)冗余度大缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)冗余度大舉例：舉例：解決：解決：分解為倉庫管理分解為倉庫管理1(倉庫號倉庫號,管理員管理員) 倉庫管理倉庫管理2(倉庫號倉庫號,商品名商品名)4、規(guī)范化小結(jié) 規(guī)范化的基本思想是逐步消除數(shù)據(jù)依賴中不合規(guī)范化的基本思想是逐步消除數(shù)據(jù)依賴中不合適的部分，使模式中的各關(guān)系模式達(dá)到某種程適的部分，使模式中的各關(guān)系模式達(dá)到某種程度的分離，即度的分離，即“單一化單一化”的模式設(shè)計原則。讓的模式設(shè)計原則。讓一個關(guān)系去描述一個概念、一個實(shí)體或?qū)嶓w間一個關(guān)系去描述一個概念、一個實(shí)體或?qū)嶓w間的一種聯(lián)系。若多于一個概念就把它的一種聯(lián)系。若多于一個概念就把它

23、“分離分離”出去。出去。 分解的基本原則：無損分解分解的基本原則：無損分解6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)）6.2 規(guī)范化（續(xù)）規(guī)范化（續(xù)） 規(guī)范化過程概括：指出下列關(guān)系模式是第幾范式指出下列關(guān)系模式是第幾范式(1)r(x,y,z) fd=xyz(2)r(x,y,z) fd=yz,xzy(3)r(x,y,z) fd=yz,yx,xyz(4)r(x,y,z) fd=xy,xz(5)r(w,x,y,z) fd=xz,wxy(6)r(a,b,c) fd=ab,ba,ca練習(xí)練習(xí)1：假設(shè)某商業(yè)集團(tuán)數(shù)據(jù)庫中有一關(guān)系模式假設(shè)某商業(yè)集團(tuán)數(shù)據(jù)庫中有一關(guān)系模式r(商店編號，商商店編號，商品編號，數(shù)量，部門編號，負(fù)責(zé)人）品編號，數(shù)量，部門編號，負(fù)責(zé)人），若規(guī)定：，若規(guī)定：(1)每個商店的每種商品只在一個部門銷售；每個商店的每種商品只在一個部門銷售；(2)每個商店的每個部門只有一個負(fù)責(zé)人；每個商店的每個部門只有一個負(fù)責(zé)人；(3)每個商店的每種商品只有一個庫存數(shù)量；每個商店的每種商品只有一個庫存數(shù)量；解答：解答：(1)寫出關(guān)系寫出關(guān)系r的基本函數(shù)依賴的基本函數(shù)依賴(2)找出找出r的候選碼的候選碼(3)判斷