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数据库系统原理及应用,关系规范化理论,数据库设计的三个主要步骤,概念设计 逻辑设计 物理设计,现 实 世 界,层次,网状,关系,概念模型,数据模型,物理 模型,文件、 索引等,关系数据库规范化理论是关系数据库逻辑设计的理论基础 解决的中心问题：如何构造一个好的数据模式,前导问题： 1、为什么进行关系规范化？ 2、什么是关系规范化？ 核心问题： 怎样进行关系规范化？,关系规范化,问题一： 1、为什么进行关系规范化？,例如，要求设计教学管理数据库，其关系模式SCD如下： SCD(SNO,SN,AGE,DEPT,MN,CNO,SCORE) 其中，SNO表示学生学号，SN表示学生姓名，AGE表示学生年龄，DEPT表示学生所在的系别，MN表示系主任姓名，CNO表示课程号，SCORE表示成绩。 在此关系模式中填入一部分具体的数据，则可得到SCD关系模式的实例，即一个教学管理数据库。,实例：教学管理数据库,一个教学管理数据库实例,1.数据冗余浪费大量的存储空间 每个系名和系主任的名字存储的次数等于该系的学生人数乘以每个学生选修的课程门数，同时学生的姓名、年龄也都要重复存储多次，数据的冗余度很大，浪费了存储空间。,存在问题,2.插入异常该有的数据无法插入 如果某个新系没有招生，尚无学生时，则系名和系主任的信息无法插入到数据库中。因为在这个关系模式中，(SNO,CNO)是主码。根据关系的实体完整性约束，主码的值不能为空，而这时没有学生，SNO和CNO均无值，因此不能进行插入操作。,存在问题,3. 删除异常不应该删除的数据被删除了 某系学生全部毕业而没有招生时，删除全部学生的记录则系名、系主任也随之删除，而这个系依然存在，在数据库中却无法找到该系的信息。,存在问题（续）,4. 更新异常更新数据时，维护完整性的代价太大 如某系更换系主任，则属于该系的学生记录都要修改MN的内容，稍有不慎，就有可能漏改某些记录，这就会造成数据的不一致性，破坏了数据的完整性。,存在问题（续）,由于存在以上问题，我们说，SCD是一个不好的关系模式。产生上述问题的原因，直观地说，是因为关系中“包罗万象”，内容太杂了。 那么，怎样才能得到一个好的关系模式呢？ 作业1：将关系模式SCD规范成好的关系模式。,存在问题（续）,问题二： 1、什么是关系规范化？,规范化问题的提出,关系数据库的规范化理论主要包括三个方面的内容： 范式（Normal Form） 函数依赖 模式分解 其中，函数依赖起着核心的作用，是模式分解和模式设计的基础，范式是模式分解的标准。,范式（Normal form） 范式：建立关系时需要满足的约束条件划分成若干标准，这些标准称为范式，简写为NF。范式的级别越高，发生操作异常的可能性越小，数据冗余越小，但由于关联多，读取数据时花费时间也会相应增加。,范式,规范化的基本思想是消除关系模式中的数据冗余，消除数据依赖中的不合适的部分，解决数据插入、删除时发生异常现象。 这就要求关系数据库设计出来的关系模式要满足一定的条件。 我们把关系数据库的规范化过程中为不同程度的规范化要求设立的不同标准称为范式（Normal Form）。 由于规范化的程度不同，就产生了不同的范式。 满足最基本规范化要求的关系模式叫第一范式， 在第一范式中进一步满足一些要求为第二范式， 以此类推就产生了第三范式等概念。 每种范式都规定了一些限制约束条件。,各种范式之间的关系,函数依赖,函数依赖（Functional Dependency）是关系模式中属性之间的一种逻辑依赖关系。 例如在关系模式SCD中，SNO与SN、AGE、DEPT之间都有一种依赖关系。,一个教学管理数据库实例,由于一个SNO只对应一个学生，而一个学生只能属于一个系，所以当SNO的值确定之后，SN，AGE，DEPT的值也随之被唯一的确定了。,核心问题： 1、怎样进行关系规范化？,范式化的基本步骤,1NF关系 消除非主属性对码的部分函数依赖 2NF关系 消除非主属性对码的传递函数依赖 3NF关系 消除主属性对非主属性的函数依赖 和对码的部分、传递函数依赖 BCNF关系 消除非平凡且非函数依赖的多值依赖 4NF关系 消除非候选码所蕴涵的连接依赖 5NF关系,并非规范 化程度越高 的关系模式 就越好,学生、课程及学生与课程联系 的实体联系图（E-R图）,学 生,课 程,范式 一个关系的每一个属性都是不可再分的基本数据项，则该关系是范式。,表1 课程表,表2 学生表,表3 学生选课表,表1、表2和表3满足范式的条件，所以它们是范式。 范式是关系模型必须达到的最低要求，不满足该条件的关系模型称为非规范化关系，即非I范式。,范式 范式首先是范式，关系中的每一个非主属性完全函数依赖于主关键字，则该关系是范式。,表1 课程表,注：表中黄色背景显示的是主关键字,表2 学生表,表3 学生选课表,将非范式规范为范式的方法是： 将部分函数依赖关系中的主属性(决定方)和非主属性从关系中提取出来，单独构成一个关系模式，将关系模式中余下的属性，加上主关键字，构成另一个关系 。,表4 学生选课表,表3 学生选课表,2NF的缺点,2NF的关系模式解决了1NF中存在的一些问题，2NF规范化的程度比1NF前进了一步，但2NF的关系模式在进行数据操作时，仍然存在着一些问题： 1数据冗余。 2插入异常。 3删除异常。 4更新异常。,表1 课程表 表2 学生表 表4 选课表, 范式 范式首先是范式，且关系中的任何一个非主属性都不函数传递依赖于任何主关键字，则关系是 范式。 首先需要找出关系中的所有主关键字，然后确定任何一个非主属性和任何主关键字之间是否存在函数传递依赖关系，如果有则删除函数传递依赖关系。,表1 课程表,表5 课程表,表6 系部表,表1 课程表 表2 学生表 表4 选课表,属于3NF的关系模式一定是好模式？,表2 学生表,表7 班级表,表8 学生表,表4 学生选课表,表9 学生选课表,表1 课程表,表5 课程表 表6 系部表,表2 学生表,表3 选课表,表4 选课表 表9选课表,关系模式的规范化 小结,规范化 一个低一级范式的关系模式，通过模式分解转换为若干个高一级范式的关系模式集合的过程。 规范化目的 消除关系上的数据冗余、操作异常的现象。 规范化基本思想 逐步消除数据依赖中不合适的部分，使模式中的各关系模式达到某种程度的分解。 规范化实质 概念的单一化,数据完整性,数据的完整性就是数据的正确性和一致性，它反映了现实世界中实体的本来面貌。 数据的完整性分为列的完整性、表的完整性和参照完整性。,1.列完整性,列的完整性也称域完整性或用户定义完整性。 列完整性是指表中任意列的数据类型必须符合用户的定义，或者数据必须在规定的有效范围之内。,表6 系部表,2 .表完整性,表完整性也可称实体完整性。 所谓实体完整性，是指表中必须有一个主关键字，且主键值不能为空。,表6 系部表,3 .参照完整性,参照完整性也称为引用完整性，它指对外键值进行插入或修改时一定要参照主键的值是否存在。对主键进行修改或删除时，也必须要参照外键的值是否存在。,4 .保证参照完整性规则,（1）对外键所在的表执行插入操作时，要保证外键的值一定要在主表中存在。,表7 班级表,表8 学生表,（2）修改从表的外关键字时，要保证修改后的外键值在主表中已存在，就是说要参照主表的主关键字的值。,表7 班级表,表8 学生表,（3）修改主表的主关键