《关系数据理论zmx》PPT课件.ppt

数据库原理与应用教程(第3版),国家“十一五”规划教材,第6章关系数据库规范化理论,6.1函数依赖6.1.1函数依赖基本概念6.1.2一些术语和符号6.1.3为什么要讨论函数依赖6.2关系规范化6.2.1关系模式中的码6.2.2范式,关系模式：二维表的结构称为关系模式，即，关系模式是二维表的表框架或表头结构。关系模式一般表示为：关系名（属性1，属性2，属性n）学生关系模式为：学生（学号，姓名，性别，年龄，所在系）,知识回顾,问题的提出,关系数据库的模式通常包含多个关系框架。针对具体问题，如何构造一个合适的数据模式，合理地设计关系框架，对减少数据库冗余，提高数据管理效率具有重要意义。因此，关系规范化对设计合理的关系数据库模式具有重要作用。,6.1一些数据语义问题,数据的语义不仅表现为完整性约束，对关系模式的设计也提出了一定的要求。如何构造一个合适的关系模式，应构造几个关系模式，每个关系模式由哪些属性组成等，都是数据库设计问题，确切地讲是关系数据库的逻辑设计问题。,6.1.1函数依赖基本概念,对于公式Y=f（X）含义：省=f(城市)：只要给出一个具体的城市值，就会有唯一一个省值和它对应，如“武汉市”在“湖北省”，这里“城市”是自变量X，“省”是因变量或函数值Y。,6.1.1函数依赖基本概念,把X函数决定Y，或Y函数依赖于X表示为：XY如果有关系模式R(A1,A2,An)，X和Y为A1,A2,An的子集，则对于关系R中的任意一个X值，都只有一个Y值与之对应，则称X函数决定Y，或Y函数依赖于X。,示例,例1：对学生关系模式Student（Sno,Sname,Sdept,Sage）有以下依赖关系：,SnoSname,SnoSdept,SnoSage,例2：SC（Sno,Cno,Grade）,（Sno,Cno）Grade,函数依赖定义,设有关系模式R(A1,A2,An)，X和Y均为A1,A2,An的子集，r是R的任一具体关系，t1、t2是r中的任意两个元组；如果由t1X=t2X可以推导出t1Y=t2Y，则称X函数决定Y，或Y函数依赖于X，记为XY。在以上定义中特别要注意，只要t1X=t2X=t1Y=t2Y成立，就有XY。也就是说只有当t1X=t2X为真，而t1Y=t2Y为假时，函数依赖XY不成立；而当t1X=t2X为假时，不管t1Y=t2Y为真或为假，都有XY成立。,说明,1.函数依赖不是指关系模式R的某个或某些关系实例满足的约束条件，而是指R的所有关系实例均要满足的约束条件。2.函数依赖是语义范畴的概念。只能根据数据的语义来确定函数依赖。例如“姓名年龄”这个函数依赖只有在不允许有同名人的条件下成立。3.数据库设计者可以对现实世界作强制的规定。例如规定不允许同名人出现，函数依赖“姓名年龄”成立。所插入的元组必须满足规定的函数依赖，若发现有同名人存在，则拒绝装入该元组。,例:Stu(Sno,Sname,Ssex,Sage,Sdept)假设不允许重名，则有:SnoSname,SnoSsex，SnoSage,SnoSdept，SnameSsex，SnameSageSnameSdept但SsexSage,6.1.2一些术语和符号,1.如果XY，但Y不包含于X，则称XY是非平凡的函数依赖。2.如果XY，但Y包含于X，则称XY是平凡的函数依赖。,若无特别声明，我们讨论的都是非平凡的函数依赖。,术语和符号（续）,3.如果XY，则X称为决定因子。4.如果XY，并且YX，则记作XY。,5.如果XY，并且对于X的一个任意真子集X都有XY，则称Y完全函数依赖于X，并记作:,例:在关系SC(Sno,Cno,Grade)中，由于：SnoGrade，CnoGrade，因此：(Sno,Cno)FGrade,完全函数依赖,部分函数依赖,设XY是一个函数依赖，但Y不完全函数依赖于X，即存在X的一个真子集X，有XY,则称Y部分函数依赖于X，记作XPY,例:在关系Student中，(Sno,sex)Name由于：SnoName因此：(Sno,Sex)PName,传递函数依赖,如果XY（非平凡函数依赖，并且YX）、YZ，则称Z传递函数依赖于X，记作：,示例,例1：有关系模式SC（Sno,Sname,Cno,Credit,Grade），主码为（Sno,Cno），则函数依赖关系有：,示例,例2：假设有关系模式S（Sno,Sname,Dept,Dept_master），其中各属性分别为：学号、姓名、所在系和系主任（假设一个系只有一个主任），主码为Sno，则函数依赖关系有：,函数依赖与属性关系,设R(U)是属性集U上的关系模式，X、Y是U的子集：1.如果X、Y是1：1联系，则存在函数依赖XY和YX。2.如果X、Y是1：n联系，则存在函数依赖XY。3.如果X、Y是m：n联系，则X和Y间不存在函数依赖。,6.1.3为什么要讨论函数依赖？,关系数据库的模式通常包含多个关系框架。针对具体问题，如何构造一个合适的数据模式，合理地设计关系框架，对减少数据库冗余，提高数据管理效率具有重要意义。因此，关系规范化对设计合理的关系数据库模式具有重要作用。,6.1.3为什么要讨论函数依赖？,有关系模式：S-L-C(Sno,Sdept,SLOC,Cno,Grade),存在问题,数据冗余问题数据更新问题数据插入问题数据删除问题,结论,Student关系模式不是一个好的模式。“好”的模式：不会发生插入异常、删除异常、更新异常，数据冗余应尽可能少。原因：由存在于模式中的某些数据依赖引起解决方法：通过分解关系模式来消除其中不合适的数据依赖,例：描述学校教务的数据库：学生的学号（Sno）、所在系（Sdept）系主任姓名（Mname）、课程名（Cname）成绩（Grade）,一个系有若干学生，一个学生只属于一个系；一个系只有一名主任；一个学生可以选修多门课程，每门课程由若干学生选修；每个学生所学的每门课程都有一个成绩。,学校教务数据库的语义约定：,关系模式Student(Sno,Sdept,Mname,Cname,Grade)主码为（Sno,Cname）,关系模式Student中存在的问题(1),数据冗余太大浪费大量的存储空间例：每一个系主任的姓名重复出现。,关系模式Student中存在的问题(2),不一致性（UpdateAnomalies）数据冗余，更新数据时，维护数据完整性代价大，容易造成数据的不一致。例：某系更换系主任后，必须修改与该系学生有关的每一个元组。,插入异常（InsertionAnomalies）该插的数据插不进去。例:如果一个系刚成立，尚无学生，我们就无法把这个系及其系主任的信息存入数据库。,关系模式Student中存在的问题(3),删除异常（DeletionAnomalies）不该删除的数据不得不删。例：如果某个系的学生全部毕业了，在删除该系学生信息的同时，把这个系及其系主任的信息也丢掉了。,关系模式Student中存在的问题(4),Student关系模式不是一个好的模式。“好”的模式：不会发生插入异常、删除异常、更新异常，数据冗余应尽可能少。原因：由存在于模式中的某些数据依赖引起的。解决方法：通过分解关系模式来消除其中不合适的数据依赖。,结论：,解决方法：把关系模式Student分解为三个关系模式：Stud(Sno,Cname,Grade)、Dept(Sdept,Mname)、SD(Sno,Sdept),检查一下，冗余和异常是否还存在？,例1：每一个系主任的姓名重复出现？,例2：某系更换系主任后，必须修改与该系学生有关的每一个元组？,例3:如果一个系刚成立，尚无学生，我们就无法把这个系及其系主任的信息存入数据库？,例4：如果某个系的学生全部毕业了，在删除该系学生信息的同时，把这个系及其系主任的信息也丢掉了？,检查一下，冗余和异常是否还存在？,Stu（SNO,NAME,SEX,CNO,CNAME,DEGR）其中，S表示学生表，对应的各个属性依次为学号、姓名、性别、课程号、课程名和成绩。主码：（SNO，CNO）,举例：假定有如下关系Stu：,关系：Stu（SNO,NAME,SEX,CNO,CNAME,DEGR）,分析存在的问题：数据冗余？不一致性？插入异常？删除异常？,王华姓名、性别多次出现，课程名也多次出现。,更新数据有可能出现数据不一致性。,学生未选修课程，则无法插入其基本信息，因为，CNO是主码。,当删除学生的一条基本成绩记录时，学生的基本信息业随之删除。,解决方法：分解为如下3个关系S1（SNO,NAME,SEX）S2（SNO,CNO,DEGR）S3（CNO,CNAME）,6.2关系规范化,关系规范化是指导将有“不良”函数依赖的关系模式转换为良好的关系模式的理论。这里涉及到范式的概念，不同的范式表示关系模式遵守的不同的规则。,6.2.1关系模式中的码,候选码：设K为R(U,F)中的属性或属性组，若K完全决定U，则K为R的候选码。主码：关系R(U,F)中可能有多个候选码，则选其中一个作为主码。全码：候选码为整个属性组。包含在任一候选码中的属性称为主属性，不包含在任一候选码中的属性称为非主属性。,示例,例1：学生（学号，姓名，性别，身份证号，年龄，所在系）候选码：学号，身份证号。主码：“学号”或“身份证号”。主属性：学号，身份证号。非主属性：姓名，性别，年龄，所在系。,示例,例2关系模式：选课（学号，课程号，考试次数，成绩）设一个学生对一门课程可以有多次考试，每一次考试有一个考试成绩。候选码：（学号，课程号，考试次数），也为主码。主属性：学号，课程号，考试次数非主属性：成绩。,示例,例3有关系模式：授课（教师号，课程号，学年）语义：一个教师在一个学年可以讲授多门不同的课程，可以在不同学年对同一门课程讲授多次，但不能在同一个学年对同一门课程讲授多次。一门课程在一个学年可以由多个不同的教师讲授，同一个学年可以开设多门课程，同一门课程可以在不同学年开设多次。候选码：（教师号，课程号，学年）主码：同候选码。主属性：教师号，课程号，学年。非主属性：没有是全码表。,外码,外码：用于关系表之间建立关联的属性（组）。定义：关系模式R中属性（组）X不一定是R中的码，但X是另一个关系模式S的候选码（通常为主码），则称X为R的外码。,两个关系模式：职工（职工号，职工名，部门号，工资级别）部门（部门号，部门名）,6.2.2范式,关系数据库中的关系要满足一定的要求，满足不同程度要求的为不不同的范式（NormalForm）。范式的种类：第一范式(1NF)第二范式(2NF)第三范式(3NF),各种范式之间存在联系：,某一关系模式R为第n范式，可简记为RnNF。,5NF,4NF,BCNF,2NF,3NF,1NF,第一范式,第一范式(1NF)：不包含重复组的关系,第二范式,第二范式(2NF):如果R(U,F)1NF，并且R中的每个非主属性都完全函数依赖于主码，则R(U,F)2NF。,例:S-L-C(Sno,Sdept,SLOC,Cno,Grade),主码:（Sno,Cno）因为有：SnoSLOC，SnoSdept，因此存在部分函数依赖，该表不是2NF。,分解方法,首先，对于组成主码的属性集合的每一个子集，用它作为主码构成一个表。然后，将依赖于这些主码的属性放置到相应的表中。最后，去掉只由主码的子集构成的表。,分解S-L-C表,对S-L-C（Sno,Sdept,SLOC,Cno,Grade）首先分解为如下形式的三张表：S-L（Sno，）C（Cno，）S-C（Sno,Cno,）,分解S-L-C表（续）,然后，将依赖于这些主码的属性放置到相应的表中，形成如下三张表：S-L（Sno，Sdept,Sloc）C（Cno）S-C（Sno,Cno,Grade）,分解S-L-C表（续）,最后，去掉只由主码的子集构成的表。S-L-C关系模式最终分解的形式为：S-L（Sno,Sdept,Sloc）S-C（Sno,Cno,Grade）,分解后的函数依赖关系,分解后的关系模式的函数依赖关系：S-L：SnofSdept，SnofSLOC是2NFS-C:（Sno,Cno）fGrade：是2NF,S-L(Sno,Sdept,SLOC)存在问题,数据冗余：有多少个学生就有多少个重复的Sdept和SLOC；插入异常：当新建一个系时，若还没有招收学生，则无法插入；,第三范式,第三范式（3NF）:如果R(U,F)2NF，并且所有非主属性都不传递依赖于主码，则R(U,F)3NF。,S-L(Sno,Sdept,SLOC)SnoSdeptSLOCSno传递SLOC,不是3NF,分解方法,（1）对于不是候选码的每个决定因子，从表中删去依赖于它的所有属性；（2）新建一个表，新表中包含在原表中所有依赖于该决定因子的属性；（3）将决定因子作为新表的主码。,分解S-L关系模式,S-D（Sno,Sdept）S-L（Sdept,Sloc）,S-L(Sno,Sdept,SLOC),S-L分解后的关系模式为：,分解,S-L-C（Sno,Sname,Ssex,Sdept,Sloc,Cno,Grade）共分解为如下三个关系模式，每个关系模式都是3NF的。S-D（Sno,Sname,Ssex,Sdept），Sdept为引用S-L关系模式的外码。S-L（Sdept,Sloc），没有外码。S-C（Sno,Cno,Grade），Sno为引用S-D关系模式的外码。,1NF消除非主属性对码的部分函数依赖2NF消除非主属性对码的传递函数依赖3NF,关系模式规范化的基本步骤,规范化的基本思想,关系模式规范化实质上是概念的单一化，即消除不合适的数据依赖，使各关系模式达到某种程度的“分离”，一个关系仅描述一个概念、一个实体或者实体间的一种联系。若多于一个概念就将其“分离”出去，用另外的关系描述。对于数据库设计一般到3NF就可以了。,分解总结,分解方法：1NF2NF,首先，对于组成主码的属性集合的每一个子集，用它作为主码构成一个表。然后，将依赖于这些主码的属性放置到相应的表中。最后，去掉只由主码的子集构成的表。,对S-L-C（Sno,Sdept