数据库系统概论16范式.ppt

6.2.3-6.2.6范式,一、规范化和范式关系模式设计的不好，会引起插入、删除、更新异常。在70年代，诸多专家和学者，各自研究了发生异常的类型及防止异常的方法，使得设计关系的准则得到了改进。这些用以防止异常发生的准则(技术)叫做规范化。规范化的关系模式被称为范式。范式是更符合某些规则的关系模式。关系规范化可按属性间不同的依赖程度分为第一范式、第二范式、第三范式、Boyce-Codd范式以及第四范式。人们对规范化的认识是有一个过程的，在1970年时已发现属性间的函数依赖关系，从而定义了与函数依赖关系有关的第一、第二、第三，及Boyce-Codd范式。在19761978年间，Fagin，Delobe以及Zanjolo发现了多值依赖关系，从而定义了与多值依赖有关的第四范式。,二、规范化的方法分解研究产生异常的原因发现：如果一个关系模式中包含两个或多个不同问题的事实，如：学生(sno，sdept、dean、cno、grade)。增加一行时，必须增加关于两个或多个主题的数据，删除一行时，也必须删除关于两个或多个主题的数据。因此，将关系规范化，就是让每个关系只有一个主题，如果某个关系模式有多于一个的主题，就把他们分解成多个关系(二维表)，就像我们写文章，一个自然段中只有一个中心内容。,三、范式级别1NF2NF3NFBCNF4NF5NFE.F.Codd于1971年-1972年系统地提出了1NF，2NF，3NF的概念，讨论了规范化的问题。1974年Codd和Boyce共同提出BCNF。1976年Fagin提出了4NF，以后又有人提出了5NF。,其规范化的条件按上述次序越来越强。范式概念可以理解为符合某一种级别的关系模式的集合，关系模式R为第几范式可以写成RxNF。把低级范式的关系模式，通过分解转换为高一级范式的关系模式的集合，这个过程称为关系模式的规范化设计。,第一范式(1NF),第一范式（1NF）：规定关系的每一个分量必须是一个不可分的数据项。关系数据模型要求所有的关系模式必须满足第一范式的要求。这是对关系模式最起码的规范化要求。,非第一范式的例子,如果关系模式仅仅满足第一范式的条件是不够的，可能会存在数据冗余和操作异常。为了消除这些数据冗余和操作异常，需要进行关系模式的规范化。,第二范式(2NF),定义1：如果关系模式R满足第一范式，且它的任何一个非主属性都完全函数依赖于任一个候选码，则R满足第二范式（简记为R2NF）。,例：学生表D(Sno,Sname,Sdept,Sage,Cno,Cname,Credit,Grade),是1NF但不是2NF的关系模式,在关系模式D中，非主属性Sname，sdept，sage，Cname，credit对码是部分函数依赖。D属于1NF，但不属于2NF。,则D表的函数依赖如下：snosname，snosdept，snosageCnoCname，cnocredit(Sno,Cno)Grade,候选码是(Sno，Cno)，其函数依赖图为：,根据第二范式的定义，为消除部分函数依赖，将D关系模式分解为s、c和sc这3个关系模式：sc(Sno，Cno，Grade)函数依赖是：(Sno，Cno)GradeS(sno,sname,sdept,sage)函数依赖是：snosname，snosdept，snosageC(Cno，Cname，credit)函数依赖是：(CnoCname,Cnocredit)sc、S和C都消除了非主属性对码的部分函数依赖，因此都属于2NF。,关系s关系sc,关系c,是否存在冗余？尽管增加了字段，但字节数减少=(5+10+10+2)*3+(5+5+2)*8+(5+20+2)*6=339是否存在更新异常现象？,练习：设有关系模式如下：T(Sno，Cno，Cname，Tname，room，Grade)若每门课只由一位教师讲授但一个教师可以讲授多门课程，每位教师只在一个教室中讲课。,在关系模式T中，非主属性Cname，Tname，room对码是部分函数依赖，并存在传递函数依赖CnoTname，Tnameroom。T属于1NF，但不属于2NF。,则T表的函数依赖如下：(Sno,Cno)GradeCnoCnameCnoTnameTnameroom,候选码是(Sno，Cno),根据第二范式的定义，为消除部分函数依赖，将T关系模式分解为T1和C这2个关系模式：T1(Sno，Cno，Grade)函数依赖是：(Sno，Cno)GradeC(Cno，Cname，Tname，room)函数依赖是:(CnoCname,CnoTname,Tnameroom)T1和C都消除了非主属性对码的部分函数依赖，因此都属于2NF。,关系T1关系C,一个关系模式仅仅满足2NF仍是不够的，如在关系模式C(Cno，Cname，Tname，room)中，仍存在着插入、删除和修改异常问题：-新来的教师，还没有分配授课之前，教师的姓名及教室编号都不能加到关系中；-如果要修改教室编号，必须修改与教师授课相对应的所有元组中的教室编号，因为一位教师可能会教多门课。存在上述这些问题的原因是关系模式C中存在非主属性对码的传递函数依赖，所以要把关系模式C向第三范式转化，除去非主属性对码的传递函数依赖。,第三范式(3NF),定义2如果关系模式R满足2NF，并且它的任何一个非主属性都不传递函数依赖于任何候选码，则称R是第三范式3NF,记作R3NF。,在上一例题中，关系模式：C(Cno，Cname，Tname，room)其中存在非主属性room对码的传递函数依赖，即：CnoTname，Tnameroom，因此C不属于3NF。分解方法：将起传递作用的函数关系中的主属性(决定方)和非主属性取出单独构成一个关系模式，再将它的决定方和关系式中余下的属性加上主码，构成另一个关系模式。所以，将C分解为：C1(Cno,Cname,Tname)F=CnoTname,CnoCnameL(Tname，room)F=TnameROOM则关系模式C1和L中都没有非主属性对码的传递函数依赖，因此都属于3NF。,至此，关系模式T分解为下列3个属于3NF的一组关系模式：T1(Sno,Cno,Grade)C1(Cno,Cname,Tname)L(Tname,room)和关系模式T相比，这些关系模式是对现实世界更加精确的描述。把这3个关系进行连接，总能重构初始的关系。,第三范式还有问题吗？例：关系模式STJ(S学生，T教师，J课程)，其包含的语义是：每位教师只教一门课程；每门课程由一位教师讲授，存在课程名相同而由不同的教师开设的情况；学生选课的同时，可以确定是由哪位老师来教。根据语义存在的函数依赖？该关系属于第几范式？,此关系的码是：ST或SJ,该关系有没有部分函数依赖和传递函数依赖呢？,结论：STJ模式，因为没有非主属性的部分函数依赖和传递函数依赖，所以3NF,F=TJ，STJ，SJT。,在这个表中，仍然存在着数据冗余、插入异常、删除异常。数据冗余：若选赵颖老师课的有30人，则要重复30次赵颖和数据结构。插入异常：有一个新老师开设了一门新的课程，在没有学生选课的情况下，是不能插入的。删除异常：删除s4学生时，也删除了王建华老师所教授的计算机专业的数据结构课程。修改复杂：课程改名，则所有选修的学生所在元组都要修改。,Boyce的新发现：已经属于第三范式的关系模式仍会出现数据冗余、插入异常、删除异常等问题。原因是：TJ，但T不是码。,BCNF范式,BCNF(BoyceCoddNormalForm)是由Boyce和Codd提出的，通常认为是3NF的修正，有时也称为扩充的第三范式。定义3关系模式R1NF，若对于R中的每个函数依赖XY，且YX时，X必含有候选码，则RBCNF。也就是说，关系模式R中，若R的每一个决定因素都包含候选码，则RBCNF。,所以，一个满足BCNF的关系模式，应具有如下性质：每个非主属性对每个码都是完全函数依赖和非传递函数依赖；所有主属性对每个不包含它的码也是完全函数依赖；没有任何属性完全函数依赖于非码。若RBCNF，则R3NF。若R3NF，则R不一定属于BCNF。由第三范式规范化成BCNF的方法仍然是投影分解：ST(S,T)TJ(T,J),前面所说的问题是否得到缓解呢？,模式设计示例,例1：订购的关系模式：订购（客户名，住址，联系电话，书号，书名，作者，出版社，社址）该关系模式的函数依赖集：F=客户名住址，客户名联系电话，书号书名，书号作者，书号出版社，出版社社址订购关系的候选码是(客户名，书号)。函数依赖图如下：,第一步：该模式属于1NF，满足的条件是元组的每个分量必须是不可分的数据项，但存在部分函数依赖和传递函数依赖。是一个不好的关系模式。,第二步：修改设计使其满足2NF,订购关系不属于2NF，因为存在非主属性对码的部分函数依赖，如：客户名住址，客户名联系电话，书号书名，书号作者，书号出版社。,将订购关系进行分解，消除部分函数依赖，得到三个关系模式符合2NF要求：客户(客户名，住址，联系电话)图书(书号，书名，作者，出版社，社址)订购(客户名，书号)在图书关系中，仍然存在数据冗余，以及插入和删除异常。,第三步：修改设计使其满足3NF,图书关系不属于3NF，因为存在非主属性对码的传递函数依赖，如：书号出版社社址，消除传递函数依赖，将图书分解如下：图书（书号，书名，作者，出版社）出版社（出版社，社址）,至此，关系模式订购分解为4个3NF的关系模式：客户(客户名，住址，联系电话)图书(书号，书名，作者，出版社)订购(客户名，书号)出版社（出版社，社址）,第四步：修改设计使其满足BCNF,关系模式订购分解为4个3NF的关系模式，实际上也满足BCNF。例如：关系模式客户(客户名，住址，联系电话)只有一个码“客户名”，没有任何非主属性对码有部分和传递函数依赖，所以客户3NF。同时，客户中客户名是唯一的决定因素，因此客户BCNF,例题1：设有如下所示的关系R,它是第几范式？为什么？(2)是否存在数据冗余及各种异常现象？若存在，则说明是在什么情况下发生？(3)将它分解为高一级范式，分解后的关系如何解决分解前可能存在的各种异常问题。,解:(1)它是2NF。因为R的候选码为课程名，而“课程名教师名”成立，“教师名课程名”不成立。又“教师名教师地址”，所以课程名教师地址，即存在非主属性教师地址对候选码课程名的传递函数依赖，因此R不是3NF。这里面不存在非主属性对候选码的的部分函数依赖，所以R是2NF。(2)存在。当删除某门课程时会删除不该删除的教师的有关信息。(3)分解为高一级范式如下所示：,R1,R2,分解后，若删除课程数据时，仅对关系R1操作，教师地址信息在关系R2中还是保留着,不会丢失教师方面的信息。,关于范式的辨证思考：范式揭示了一个关系框架中，各属性之间不同类型，不同层次的依赖关系。对于一个信息系统来说，如果所设计的数据库，均有良好的、合理的范式级别，那么，系统的正确性将自动得到某种保证。规范化准则是经过周密思考的，它作为设计数据库过程中的非常有用的辅助工具，直到数据库的逻辑设计。但它不像数学中严密的定理证明和运用，决不是万灵的妙药。需要设计者具体情况具体对待。关于范式的级别问题，不是级别越高，数据库模式越好。有时，有极其正当的理由，不将规范化进行到底，要根据实际应用情况，决定达到第几范式，一般情况下，达到3NF就可以了。,课堂练习：指出下列关系模式是第几范式？并说明理由。(1)R(X,Y,Z)F=XYZ(2)R(X,Y,Z)F=YZ，XZY(3)R(X,Y,Z)F=YZ，YX，XYZ(4)R(X,Y,Z)F=XY，XZ(5)R(W,X,Y,Z)F=XZ，WXY,解:(1)候选码为XY，所以RBCNF(2)候选码为XY和XZ，x,y,z都是主属性，所以R3NF，又因为YZ，Y不是码，所以R不属于BCNF(3)FM=YZ，YX，XY,XZ，候选码为X和Y，不存在部分函数依赖和传递函数依赖，并且函数依赖的左边都是码，所以RBCNF(4)候选码为X，所以RBCNF(5)候选码为WX，因为XZ，存在部分函数依赖，所以R1NF,本讲小结,1、关系模式必须满足1NF，即每一项都是不可再分的数据项。2、非主属性都完全函数依赖码，则为2NF。即消除非主属性对码的部分函数依赖关系。分解时把部分函数依赖关系中的属性作为一个新的关系。3、非主属性都不传递函数依赖码，则为3NF。分解时把传递作用的函数关系中的主属性(决定方)和非主属性取出单独构成一个关系模式。4、每一个函数依赖中的决定因素都包含候选码，则为BCNF。分解时把不包含候选码的函数依赖作为一个单独的关系模式存在。,