Процесс нормализации

Нормализация — это формальный метод анализа отношений на основе их пер­вичного ключа (или потенциальных ключей, как в случае НФБК) и существующих функциональных зависимостей. Он включает ряд правил, которые могут использо­ваться для проверки отдельных отношений таким образом, чтобы вся база данных могла быть нормализована до желаемой степени нормализации. Если некоторое тре­бование не удовлетворяется, то нарушающее данное требование отношение должно быть декомпозировано на отношения, каждое из которых (в отдельности) удовлетво­ряет всем требованиям нормализации.

Зачастую нормализация осуществляется в несколько последовательно выполняю­щихся этапов, каждый из которых соответствует некоторой нормальной форме, обла­дающей известными свойствами. В ходе нормализации формат отношений становит­ся все более строгим и менее уязвимым по отношению к аномалиям обновления. При работе с реляционной моделью данных важно понимать, что только удовлетворение требований первой нормальной формы (1НФ) обязательно для создания отношений приемлемого качества. Все остальные формы могут использоваться по желанию проектировщиков. Однако, для того чтобы избежать аномалий обновления, нормализацию рекомендуется выполнять как минимум до ЗНФ.

На рисунке 6 показана схема процесса нормализации и продемонстрирована взаи­мосвязь между разными нормальными формами. Видно, что одни 1НФ-отношения могут находиться во 2НФ, другие 2НФ-отношения — в ЗНФ и т.д.

Ненормализованная форма (ННФ) -таблица, содержащая одну или несколько повторяющихся групп данных.

Первая нормальная форма (1НФ) - отношение, в котором на пересечении каждой строки и каждого столбца содержится только одно значение.

Процесс нормализации начинается с преобразования данных из фор­мата источника (например, из формата стандартной формы ввода данных) в формат таблицы со строками и столбцами. На исходном этапе таблица находится в ненорма­лизованной форме (ННФ) и часто называется ненормализованной таблицей. Для преобразования ненормализованной таблицы в первую нормальную форму (1НФ) в исходной таблице следует найти и устранить все повторяющиеся группы данных. Повторяющейся группой называется группа, состоящая из одного и более атрибутов таблицы, в которой возможно наличие нескольких значений для единственного зна­чения ключевого атрибута таблицы. Существует два подхода исключения повторяющихся групп из ненормализованных таблиц.

В первом подходе повторяющиеся группы устраняются путем ввода соответст­вующих данных в пустые столбцы строк с повторяющимися данными. Иначе говоря, пустые места при этом заполняются дубликатами неповторяющихся данных. Этот подход часто называют "выравниванием" ("flattening") таблицы. Полученная в ре­зультате этих действий таблица, которая теперь будет называться отношением, со­держит атомарные (или единственные) значения на пересечении каждой строки с каждым столбцом, а потому находится в первой нормальной форме. В результате та­кого подхода в полученное отношение вносится некоторая избыточность данных, ко­торая в ходе дальнейшей нормализации будет устранена.

Во втором подходе один атрибут или группа атрибутов назначаются ключом не­нормализованной таблицы, а затем повторяющиеся группы изымаются и помещают­ся в отдельные отношения вместе с копиями ключа исходной таблицы. Далее в но­вых отношениях устанавливаются первичные ключи. Иногда ненормализованные от­ношения могут содержать одну или несколько повторяющихся групп внутри повторяющихся групп первого порядка. В таких случаях данный прием применяется до тех пор, пока повторяющихся групп совсем не останется. Полученный набор от­ношений будет находиться в первой нормальной форме только тогда, когда ни в од­ном из них не будет повторяющихся групп атрибутов.

Хотя оба этих подхода одинаково корректны, следует отметить, что при использо­вании второго подхода полученные отношения находятся как минимум в 1НФ и обла­дают меньшей избыточностью данных. При выборе первого подхода выровненное 1НФ-отношение декомпозируется в ходе дальнейшей нормализации на те же отношения, ко­торые могли бы быть получены с помощью второго подхода.

Вторая нормальная форма (2НФ)

Вторая нормальная форма (2НФ) основана на понятии полной функциональной зависимости, которая описывается ниже.

Полная функциональная зависимость - в некотором отношении атрибут В называется полностью функционально зависимым от атрибута А, если атрибут В функционально зависит от полного значения атрибута А и не зависит ни от какого подмножества полного значения атрибута А.

Функциональная зависимость А®В является полной функциональной зависимо­стью, если удаление какого-либо атрибута из А приводит к утрате этой зависимости. Частичной функциональной зависимостью называется такая зависимость А®В, если в А есть некий атрибут, при удалении которого эта зависимость сохраняется.

Вторая нормальней форма применяется к отношениям с составными ключами, т.е. к таким отношениям, первичный ключ которых состоит из двух или больше атрибутов. Дело в том, что отношение с первичным ключом на основе единственно­го атрибута всегда находится, по крайней мере, в 2НФ. Отношение, которое не на­ходится в 2НФ, может страдать от аномалий обновления.

Вторая нормальная форма (2НФ) - отношение, которое находится в первой нормальной форме и каждый атрибут которого, не входящий в состав первичного ключа, характеризуется полной функциональной зависимостью от этого первичного ключа.

Нормализация 1НФ-отношений с образованием 2НФ-отношений включает устра­нение частичных зависимостей. Если в отношении между атрибутами су­ществует частичная зависимость, то функционально-зависимые атрибуты удаляются из него и помещаются в новое отношение вместе с копией их детерминанта.

Третья нормальная форма (ЗНФ)

Хотя 2НФ-отношения в меньшей степени обладают избыточностью данных, чем 1НФ-отношения, они все еще могут страдать от аномалий обновления.

Транзитивная зависимость - если для атрибутов А, В и С некоторого отношения существуют зависимости вида А®В и В®С, то говорят, что атрибут С транзитивно зависит от атрибута А через атрибут В (при условии, что атрибут А функционально не зависит ни от атрибута В, ни от атрибута С).

Транзитивная зависимость является описанием такого типа функциональной за­висимости, которая возникает при наличии следующих функциональных зависимо­стей между атрибутами А, В и С:

А®В и В®С.

В данном случае транзитивная зависимость А®С осуществляется через атрибут В. Это утверждение справедливо только в том случае, если атрибут А функционально не зависит от атрибутов В и С.

Третья нормальная форма (ЗНФ) - отношение, которое находится в первой и второй нормальных формах и не имеет не входящих в первичный ключ атрибутов, которые находились бы в транзитивной функциональной зависи­мости от этого первичного ключа.

Нормализация 2НФ-отношений с образованием ЗНФ-отношений включает устранение транзитивных зависимостей. Если в отношении существует транзи­тивная зависимость между атрибутами, в таком случае транзитивно-зависимые атрибуты удаляются из него и помещаются в новое отношение вместе с копией их детерминанта.

Нормальная форма Бойса-Кодда (НФБК)

Отношения базы данных проектируются таким образом, чтобы исключить в них присутствие частичных или транзитивных зависимостей, поскольку эти зависимости приводят к появлению аномалий обновления. До сих пор мы использовали определения второй и третьей нормальных форм, для получе­ния которых требуется найти и исключить частичные и транзитивные зависимости от первичного ключа. Однако в этих определениях не рассматриваются такие же за­висимости от потенциальных ключей отношения, если таковые имеются.

Нормальная форма Бойса-Кодда (НФБК) учитывает функциональные зависимо­сти, в которых участвуют все потенциальные ключи отношения, а не только его пер­вичный ключ. Для отношения с единственным потенциальным ключом его ЗНФ и НФБК являются эквивалентными.

Нормальная форма Бойса-Кодда (НФБК) - отношение находится в НФБК тогда и только тогда, когда каждый его детерминант является потенциальным ключом.

Для проверки принадлежности отношения к НФБК необходимо найти все его де­терминанты и убедиться в том, что они являются потенциальными ключами. На­помним, что детерминантом является один атрибут или группа атрибутов, от которой полностью функционально зависит другой атрибут.

Различие между ЗНФ и НФБК заключается в том, что функциональная зависи­мость А®В допускается в ЗНФ-отношении, если атрибут В является первичным клю­чом, а атрибут А не обязательно является потенциальным ключом. Тогда как в НФБК-отношении эта зависимость допускается только тогда, когда атрибут А явля­ется потенциальным ключом. Следовательно нормальная форма Бойса-Кодда являет­ся жесткой версией формы ЗНФ, поскольку каждое НФБК-отношение является ЗНФ-отношением, но не всякое ЗНФ-отношение является НФБК-отношением.

Нарушения требований НФБК происходят крайне редко, поскольку это может случиться только тогда, когда:

- имеются два (или более) составных потенциальных ключа;

- эти потенциальные ключи перекрываются, т.е. ими совместно использует­ся, по крайней мере, один общий атрибут.

Четвертая нормальная форма (4НФ)

Как было сказано выше, НФБК позволяет устранить любые аномалии, вызванные функциональными зависимостями. Однако в ходе исследований был выявлен еще один тип зависимости — многозначная зависимость (multi-valued dependency — MVD), которая при проектировании отношений также может вызвать проблемы, свя­занные с избыточностью данных.

Возможность существования в отношении многозначных зависимостей возникает вследствие приведения исходных таблиц к 1НФ, для которой не допускается нали­чие некоторого набора значений на пересечении одной строки и одного столбца. На­пример, при наличии в отношении двух многозначных атрибутов для достижения непротиворечивого состояния строк необходимо повторить в них каждое значение одного из атрибутов в сочетании с каждым значением другого атрибута. Подобный тип ограничения порождает многозначную зависимость и приводит к избыточности данных.

Многозначная зависимость - в случае многозначной зависимости, существующей между атрибутами А, В и С некоторого отношения, для каждого значения А имеется набор значений атрибута В и набор значений атрибута С. Однако входящие в эти наборы значения атрибутов В и С не зави­сят друг от друга.

Многозначная зависимость между атрибутами А, В и С некоторого отношения дальше будет обозначаться следующим образом: А ®> В А®> С

Многозначная зависимость может быть дополнительно определена как тривиаль­ная или нетривиальная. Например, многозначная зависимость А —» В некоторого от­ношения R определяется как тривиальная, если атрибут В является подмножеством атрибута А или А и В = R.

И наоборот, многозначная зависимость определяется как нетривиальная, если ни одно, ни другое условие не выполняется. Тривиальная многозначная зависимость не накладывает никаких ограничений на данное отношение, а нетривиальная — накладывает.

Четвертая нормальная форма (4НФ) - отношение в нормальной форме Бойса-Кодда, которое не содержит нетривиальных многозначных зависимостей.

Четвертая нормальная форма (4НФ) является более строгой разновидностью нор­мальной формы Бойса-Кодда, поскольку в 4НФ-отношениях нет нетривиальных многозначных зависимостей, а потому нет и избыточности данных. Нормализация НФБК-отношения с получением 4НФ-отношений заключается в устранении многозначной зависимости из НФБК-отношения посредством выделения в новое отношение одного или нескольких участвующих в многозначной зависимости атрибутов вместе с копией одного или нескольких детерминантов.

Пятая нормальная форма (5НФ)

При любой декомпозиции отношения на два других отношения полученные от­ношения обладают свойством соединения без потерь. Это значит, что полученные от­ношения можно снова соединить и получить прежнее отношение в исходном виде.

Однако бывают случаи, когда требуется декомпозировать отношение на более чем два отношения. В таких (достаточно редких) случаях возникает необходимость учиты­вать зависимость соединения, которая устраняется с помощью пятой нормальной формы (5НФ).

Зависимость соединения - свойство декомпозиции, которое вызывает генерацию ложных строк при обратном соединении декомпозированных отношений с помощью операции естественного соединения.

При разбиении отношений с помощью операции проекции используемый метод декомпозиции определяется совершенно точно. В частности, следует позаботиться о том, чтобы при обратном соединении полученных отношений можно было восстано­вить исходное отношение. Такая декомпозиция называется декомпозицией с соеди­нением без потерь (или беспроигрышным либо неаддитивным соединением), по­скольку при ее выполнении сохраняются все данные исходного отношения, а также исключается создание дополнительных ложных строк. Однако бывают случаи, когда требуется выполнить декомпозицию без потерь с образованием более чем двух отношений. Именно в таких случаях при­менимы понятия зависимости соединения и пятой нормальной формы (5НФ).

Определение пятой нормальной формы (5НФ)

Пятая нормальная форма (5НФ) - отношение без зависимостей соединения.

Пятая нормальная форма (5НФ), которая также называется проективно-соединительной нормальной формой, или ПСНФ (project-join normal form — PJNF), означает, что отношение в такой форме не имеет зависимостей соединения.

Основная литература: 1[222-256]

Контрольные вопросы:

1. Что из себя представляет нормализация отношений и для чего она предназначена?

2. Дайте понятие функциональной зависимости, детерминанта.

3. В чем заключается процесс нормализации?

4. В чем заключается 1 форма нормализации, когда отношение находится в ненормализованной форме?

5. Дайте понятие второй нормальной формы, полной функциональной зависимости.

6. Дайте понятие третьей нормальной формы, транзитивной зависимости.

7. Когда отношение находится в нормальной форме Бойса-Кодда?

8. Дайте понятие четвертой нормальной формы, многозначной зависимости.

9 Дайте понятие пятой нормальной формы и зависимости соединения.

Дата добавления: 2014-01-07