數(shù)據(jù)庫關(guān)系模式整合方法

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本文作者：張麗君 單位：河南科技學院

一、引言

在整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計過程中，總共分為六個基本階段，即需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計、物理結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫的實施、數(shù)據(jù)庫試運行階段就。其中在邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的主要任務(wù)是如何將概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的關(guān)系模式進行優(yōu)化。因為單純的從概念結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的關(guān)系模式不一定具有“好”的性質(zhì)。一個具有“好”的性質(zhì)的關(guān)系模式中，沒有不必要的冗余數(shù)據(jù)，也沒有異?，F(xiàn)象存在。所謂的冗余數(shù)據(jù)是指沒有必要重復、大量出現(xiàn)的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫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?，F(xiàn)象主要是指在對數(shù)據(jù)庫進行增、刪、改操作的時候可能會出現(xiàn)的一些錯誤現(xiàn)象。

二、實例分析

下面通過一個實例說明一個“不好”的數(shù)據(jù)庫中存在的問題?，F(xiàn)有一個學生信息管理系統(tǒng)，其中的一個“學生選課管理表”包含以下屬性：學號（sno），系別（sdept），系主任名（mname），課程號（cno），成績（grade）。假設(shè)這個表中總共有4名學生，分別選修了不同的課程，如下表1所示：那么在這個關(guān)系模式中存在什么問題呢？經(jīng)過分析，主要存在以下問題：

1.數(shù)據(jù)冗余嚴重：每個院系的學生選一門課程，其系名就重復存儲一次；每個院系有多少個學生選課，系主任名就重復存儲多少次。

2.更新異常（UpdateAnomalies）：由于存在數(shù)據(jù)冗余必然會導致更新數(shù)據(jù)時，操作更加復雜，使得維護數(shù)據(jù)完整性代價大。稍一疏忽，就會導致數(shù)據(jù)庫中數(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)來一個學生，該生還沒有選課，因此這個元組信息就不允許插入，因為違反了實體完整性規(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)庫中刪除，如數(shù)學系的學生王五退學了，在刪除王五信息的同時，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，跟具體的學生沒有關(guān)系。

三、優(yōu)化方法

為了解決上述表中出現(xiàn)的各種問題，把一個“不好”的關(guān)系模式變成一個x性質(zhì)“好”的關(guān)系模式?？梢酝ㄟ^模式分解的方法來實現(xiàn)。把低級別的關(guān)系模式通過簡單的分解，逐步去除其中的冗余和異常現(xiàn)象，轉(zhuǎn)換為若干個高一級范式的關(guān)系模式集合，這個過程就叫關(guān)系模式的規(guī)范化。關(guān)系數(shù)據(jù)庫模式優(yōu)化就是以規(guī)范化理論為基礎(chǔ)，通過分析關(guān)系模式中屬性和屬性之間的函數(shù)依賴關(guān)系，按照一定的標準把一個大的關(guān)系模式進行分解，生成一些小的子關(guān)系模式，目的是通過破壞不合理的函數(shù)依賴，解決關(guān)系模式中存在的各種異常問題

（一）函數(shù)依賴基本概念

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

（二）范式基本概念

范式是符合某一種級別的關(guān)系模式的集合。關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系必須滿足一定的要求，滿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。1NF是每個關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系模式都應(yīng)滿足的最低要求，也就是說如果一個關(guān)系模式不滿足第一范式，那么它就不能稱之為是關(guān)系數(shù)據(jù)庫。如圖1所示的關(guān)系模式就不滿足1NF，也就是不允許在一張表中又出現(xiàn)小表。2.2NF：若R∈1NF，且每一個非主屬性完全函數(shù)依賴于碼，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R<U，F(xiàn)>∈3NF。4.BCNF：設(shè)關(guān)系模式R<U，F(xiàn)>∈1NF，如果對于R的每個函數(shù)依賴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中的每個非平凡多值依賴X→Y(YX)，X都含有碼，則R∈4NF。6.5NF：若R∈4NF，且不存在連接依賴，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)依賴中不合適的部分，使模式中的各關(guān)系模式達到某種程度的”分離”。其基本步驟如圖2所示。

（四）優(yōu)化實例

有關(guān)系模式學生(學號，課號，姓名，性別，系號，課名，成績，系主任，樓號)，其中各個屬性之間的函數(shù)依賴如圖3所示。1.消除部分依賴，得到滿足2NF的關(guān)系模式：Student(學號，姓名，性別，系號，系主任，樓號)Sc(學號，課號，成績)Course(課號，課名)2.消除傳遞依賴，得到滿足3NF的關(guān)系模式：Student(學號，姓名，性別，系號)Deparment(系號，系主任，樓號)Sc(學號，課號，成績)Course(課號，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，也就是在保證其滿足1NF的基礎(chǔ)上，如果關(guān)系的碼是由單屬性組成，則這個關(guān)系模式必然滿足2NF，否則消除部分函數(shù)依賴可得2NF關(guān)系；如果一個關(guān)系模式中所有屬性都是主屬性，則這個關(guān)系模式必然滿足3NF。如果有非主屬性存在，則還需要判斷是否對候選碼有傳遞函數(shù)依賴，如果有就消除之可得3NF關(guān)系；依此類推。直到消除了操作異?，F(xiàn)象。