第四章-关系型数据库规范设计

DataBaseSystem第四章关系型数据库规范设计DataBaseSystem本章主要内容4.1关系模式的设计问题4.2函数依赖4.3关系模式的分解特性4.4关系模式的范式SQL数据库的体系结构SQL用户BaseTableB1ViewV1ViewV2BaseTableB2BaseTableB3BaseTableB4StoredFileS1StoredFileS1StoredFileS1StoredFileS1外模式模式内模式SQL语言支持的关系数据库的三级模式结构S#、SNAME、SDEPT、C#、CNAME、TIME、S#、C#、GRADES(S#、SNAME、SDEPT)C（C#、CNAME、TIME）SC（S#、C#、GRADE）……S#SNAMESDEPTC#CNAMETIMEGRADECNAME_SNAME_GRADE(C#,S#,GRADE）DataBaseSystem4.1关系模式的设计问题对于一个现实问题，它有一个属性集U,其中每个属性Ai对应一个值域DOM（Ai），它由属性集U和U上成立的数据完整性约束集组成。关系r是关系模式R(U)的当前值，是一个元组的集合。这里的关系模式和关系一般称为泛关系模式和泛关系。R（S#、SNAME、SDEPT、C#、CNAME、TIME、S#、C#、GRADE）但是对于许多现实问题，往往R(U)不是恰当的形式，必须用一个关系模式的集合p＝｛R1,R2,……Rk}来代替R(U),这里的p称为数据库模式。对数据库模式的每一个关系模式赋予一个当前值，就得到一个数据库实例（数据库）。S(S#、SNAME、SDEPT)C（C#、CNAME、TIME）SC（S#、C#、GRADE）DataBaseSystem什么是好的数据库设计体现客观世界的信息无过度的冗余无插入异常无更新复杂无删除异常4.1关系模式的设计问题DataBaseSystem4.1关系模式的设计问题TNAMEADDRESSC#CNAMEt1a1c1n1t1a1c2n2t1a1c3n3t2a2c4n4t2a2c5n2t3a3c6n4关系模式R(TNAME,ADDRESS,C#,CNAME)4.1关系模式的设计问题对数据库操作时,会出现以下问题1、数据冗余：(数据重复存储:浪费存储空间,数据库维护困难）如一名教师教多门课程，他的地址要重复多次2、更新异常：如果一个教师教了三门课程，则如果他的地址变了，三个元组的地址信息都要变。若有一个没变，就会造成地址不唯一，产生错误信息。3、插入异常：主键为空的记录不能存在于数据库,导致不能进行插入操作如教师没有分配教学任务，就不能插入数据库。4.删除异常：删除操作后,会引起一些信息的丢失。如一个原有教学任务的教师教师现在没有教学任务，要把这个教师的所有元组都删去。这样就把这个教师的姓名和地址也从数据库中删去了，不合理。TNAMEADDRESSC#CNAMEt1a1c1n1t1a1c2n2t1a1c3n3t2a2c4n4t2a2c5n2t3a3c6n44.1关系模式的设计问题解决之道：分解!分解!!再分解!!!TNAMEADDRESSt1a1t2a2t3a3TNAMEC#CNAMEt1c1n1t1c2n2t1c3n3t2c4n4t2c5n2t3c6n4分解为两个模式：R1(TNAME,ADDRESS)R2(TNAME,C#,CNAME)考虑为学生的选课信息而设计一个关系模式。SnoSnameSagessexsdeptcnocnamecreditgrade95001张三25MCSC01数据库39595001张三25MCSC02网络技术38095001张三25MCSC03英语47695002李四23FMAC01数据库38095002李四23FMAC03英语480过度冗余——数据重复更新异常——更新代价大、可能导致数据不一致删除异常——部分信息的删除可能导致信息的丢失插入异常——必须有完整信息怎么分解最佳？4.1关系模式的设计问题DataBaseSystem4.2函数依赖(FD,FunctionDependence)y=f(x)y=3xDataBaseSystem4.2.1函数依赖定义设有关系模式R(A1，A2，...An)或简记为R(U)，X，Y是U的子集，r是R的任一具体关系，如果对r的任意两个元组t1,t2,由t1[X]=t2[X]导致t1[Y]=t2[Y]，则称X函数决定Y，或Y函数依赖于X，记为X→Y。X→Y为模式R的一个函数依赖。如S#Sname，（S#，C#）Grade该定义理解如下：有一张设计好的二维表，X，Y是表的某些列(可以是一列，也可以是多列)，若在表中的第t1行，和第t2行上的X值相等，那么必有t1行和t2行上的Y值也相等，这就是说Y函数依赖于X。比如，有如下二维表DataBaseSystem在表中，凡成绩相同的，对应的“成绩等级”也必是相同的，因此，“成绩等级”函数依赖于成绩。但是反过来则不成立。Notice:(1)在这张表中，任何一行的关系均应符合函数依赖的条件，如果有一行不符合函数依赖的条件，则函数依赖对于这个关系就不成立。(2)函数依赖是否成立是不可证明的，只能通过属性的含义来判断.DataBaseSystem表例学号姓名成绩成绩等级00001李里77C00002丁力91A00003李小红85B00004马琳85B00005王佳怡66D00006胡林70C.....................DataBaseSystem举例:职工号(A)基本工资(B)奖金(C)051390500524205005339080ABACBACADataBaseSystem4.2.2函数依赖－几点说明1.函数依赖是语义范畴的概念.它反映了一种语义完整性约束,只能根据语义来确定一个函数依赖.例如，“姓名”－“年龄”这个函数依赖只有在没有同名人的条件下成立，否则，此函数依赖不成立。2.函数依赖是指关系R模式的所有关系元组均应满足的约束条件,而不是关系模式中的某个或某些元组满足的约束条件。DataBaseSystem4.2.2函数依赖－几点说明3.函数依赖与属性间的联系类型有关(1)若属性X和Y之间有“一对一”的联系,则XY,YX,XY.（如不存在同名的学号和姓名）(2)若属性X和Y之间有“多对一”的联系,则XY,但YX.(3)若属性X和Y之间有“多对多”的联系,则X与Y之间不存在任何函数依赖.当确定函数依赖关系时,可从属性间的联系入手DataBaseSystem函数依赖(FD,FunctionDependence)y=f(x)问：X、Y是谁函数依赖谁？是X函数依赖Y？还是Y函数依赖X？答：Y函数依赖X（X函数决定Y）X=1y=3;X=2y=6;y=3x=1;y=6x=2;y=x2X=1y=1;X=-2y=4;y=1x=1orx=-1;y2=x2y=1x=1orx=-1;x=1y=1ory=-1;y=3x问：X、Y是谁函数依赖谁？是X函数依赖Y？还是Y函数依赖X？答：没有任何函数依赖关系DataBaseSystem4.2.2函数依赖－几点说明4.如果X→Y,并且Y不是X的子集,则称X→Y是非平凡的函数依赖;如果Y是X的子集,则称X→Y是平凡的函数依赖;我们讨论的是非平凡的函数依赖.例如：（S#，SN）SN是平凡的函数依赖5.函数依赖的存在,决定了自然连接的特性设关系模式R(X,Y,Z),X,Y,Z为不相交的属性集合,若X→Y,X→Z,则有R(X,Y,Z)=R（X,Y)R(X,Z)即用它们的自然连接可复员原关系模式DataBaseSystem举例：关系模式S(S#,SN,C#,G,CN,TN,TA)主键：（S#，C#）函数依赖：S#SN（每个学生只能有一个姓名）C#CN(每个课程号只能对应一门课程)TNTA(每个教师只能有一个年龄）（S#，C#）G(每个学生学习一门课程只能有一个成绩）DataBaseSystem4.2.2函数依赖ABC142356346738910说明关系是否满足下列函数依赖：ABACABCCAACB不满足AB，因为（3,5,6)和（3,4,6），t1(A)=t2(A)=3,但是t1(B)=5而t2(A)=4ACABCCADataBaseSystem4.2.3键定义–超键：设X为关系R的属性或属性组，U为R的元组若XU，则称X为R的超键。–候选键：设X为R的超键，若X中不含多余属性，则称X为R的候选键。–主键：若关系R有多个候选键，则可以从中选定一个作为R的主键。–主属性：包含在任何一个候选键中的属性，称作主属性，不包含在任何键中的属性称为非主属性。–全键：关系模式的键由整个属性组构成。如（S#，C#，T#）DataBaseSystem4.2.3键候选键的两个性质:1、标识的唯一性:对于R(U)中的每一元组,X的值确定后,该元组就相应确定了.即：X函数决定该关系的所有其他属性(X→R)XA1A2…AnS#SD,SS,SBirthday2、无冗余性:X是属性组的情况下,X的任何真子集都不能唯一标识该元组即：不存在X的真子集Y,使得YA1A2…An(S#,C#)GradeDataBaseSystem4.2.3键举例：设关系模式R(XYZ)，已知FD是XY,YZ,那么可以推出XXYZ也在F+中，但X的真子集（此处是空值）不可能函数决定XYZ,所以X是模式R的键。职工关系模式ZG(工号，姓名，年龄，性别，工资）工号(工号，姓名，年龄，性别，工资），工号没有真子集，所以工号是键。(工号，姓名）(工号，姓名，年龄，性别，工资），但不是键。DataBaseSystem4.3关系模式的分解特性我们可以通过把一个关系模式的分解成多个关系模式，以解决它的插入、删除和更新操作所带来的一些问题。为了在分解要保证原来模式所满足的特性，要求分解处理具有无损联接和保持函数依赖。DataBaseSystem4.3.1模式分解中存在的问题设有关系R=A1A2…An，R1,R2…Rn是R的子集，R=R1UR2U…Rk,设有关系模式R1,R2…Rk的集合用p表示，p＝｛R1,R2…Rk｝。用p代替R的过程称为关系模式的分解。P称为R的一个分解，也称为数据库模式。R称为泛关系模式，R对应的当前值称为泛关系。数据库对应的当前值σ称为数据库实例，它是由数据库模式中的每一个关系模式的当前值组成，σ＝｛r1,r2…rk}来表示。DataBaseSystem4.3.1模式分解中存在的问题实际上，关系模式的分解，不仅仅是属性集合的分解，它是对关系模式上的函数依赖集，以及关系模式的当前值的分解的具体表现。4.3.1模式分解中存在的问题R(A,B,C)ABC112221AB1122BC1221ABC112221∏AB(R)∏BC(R)∏AB(R)∏BC(R)R(A,B,C)ABC111212AB1121BC1112ABC111112211212∏AB(R)∏BC(R)∏AB(R)∏BC(R)有损分解无损分解DataBaseSystem4.3.1模式分解中存在的问题关系模式的分解有几个衡量标准：分解具有无损连接分解保持函数依赖分解既要保持依赖，又要具有无损联接达到更高级范式DataBaseSystem4.3.2无损联接无损连接分解–定义关系模式R，分解成关系模式p={R1,R2…Rk},F是R上的一个函数依赖集。如果对R中满足F的每一个关系r都有：r=∏R1(r)∏R2(r)∏Rk(r)则称此分解p是相对于F是“无损连接分解”。即r为它在Ri上的投影的自然联接。∏Ri(r)表示关系r在模式Ri的属性上的投影。4.3.2无损联接的测试将R（A,B,C)分解为两个模式R1(A,B)和R2(B,C)ABCa1b1c1a2b1c2a7b3c3a8b4c4a9b5c5ABa1b1a2b1a7b3a8b4a9b5BCb1c1b1c2b3c3b4c4b5c5R(A,B,C)关系r1关系r2关系4.3.2无损联