Система управления базой данных и её основные функции

Систе́ма управле́ния ба́зами да́нных (СУБД) — совокупность программных и лингвистических средств общего или специального назначения, обеспечивающих управление созданием и использованием баз данных

Основные функции СУБД

o управление данными во внешней памяти (на дисках);

o управление данными в оперативной памяти с использованием дискового кэша;

o журнализация изменений, резервное копирование и восстановление базы данных после сбоев;

o поддержка языков БД (язык определения данных, язык манипулирования данными).

Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты:

· ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти, и журнализацию,

· процессор языка базы данных, обеспечивающий оптимизацию запросов на извлечение и изменение данных и создание, как правило, машинно-независимого исполняемого внутреннего кода,

· подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс с СУБД

· а также сервисные программы (внешние утилиты), обеспечивающие ряд дополнительных возможностей по обслуживанию информационной системы.

14. Модели представления данных

Ядром БД является модель данных – совокупность структур данных и операций их обработки. Различают иерархическую, сетевую и реляционную модели.

Иерархическая модель позволяет строить БД с древовидной структурой. В них каждый узел содержит свой тип данных (сущность). На верхнем уровне дерева имеется один узел – корень, на следующем уровне располагаются узлы, связанные с этим корнем, затем узлы, связанные с узлами предыдущего уровня, и т. д. Каждый узел может иметь только одного предка (рис. 11).

Рис. 11. Иерархическая древовидная структура модели БД

Поиск данных всегда начинается с корня. Затем производится спуск с одного уровня на другой пока не будет достигнут искомый уровень. Перемещения от одной записи к другой осуществляются с помощью ссылок.

Достоинствами иерархической модели являются простота описания иерархических структур реального мира, а также быстрое выполнение запросов, соответствующих структуре данных. Недостатки иерархической модели в том, что они часто содержат избыточные данные и не всегда удобно каждый раз начинать поиск нужных данных с корня.

В сетевой модели возможны связи всех информационных объектов со всеми. Например, каждый преподаватель может обучать много студентов и каждый студент может обучаться у многих преподавателей (рис. 12).

Рис. 12. Сетевая структура модели БД

Использование иерархической и сетевой моделей ускоряет доступ к информации, но требует значительных ресурсов памяти, так как каждый элемент данных содержит ссылки на другие элементы. Характерна сложность реализации СУБД.

Реляционная модель(РМД) была разработана в начале 1970-х годов Эдгаром Ф. Коддом. В ней информация представляется в виде двумерных таблиц, а операции сводятся к манипуляциям с таблицами. В 1980-х годах она получила широкое распространение, а реляционные СУБД стали промышленным стандартом. Причины доминирования РМД обусловлены тем, что имеются:

· развитая теория (реляционная алгебра);

· аппарат сведения других моделей данных к РМД;

·специальные средства ускоренного доступа к информации;

· стандартизированный высокоуровневый язык запросов к БД, позволяющий манипулировать данными без знания физической организации БД.

Объектно-ориентированная модель начала разрабатываться в 1990-е годы с появлением объектно-ориентированных языков. Такие БД хранят методы классов, что позволяет интегрировать данные и их обработку в приложениях.

15. Иерархическая модель представления данных.

Иерархическая структура представляет совокупность элементов, связанных между собой по определенным правилам. Графическим способом представления иерархической структуры является дерево (см. рис. 2.1).

Дерево представляет собой иерархию элементов, называемых узлами. Под элементами понимается совокупность атрибутов, описывающих объекты. В модели имеется корневой узел (корень дерева), который находится на самом верхнем уровне и не имеет узлов, стоящих выше него. У одного дерева может быть только один корень. Остальные узлы, называемые порожденными, связаны между собой следующим образом: каждый узел имеет только один исходный, находящийся на более высоком уровне, и любое число (один, два или более, либо ни одного) подчиненных узлов на следующем уровне.

Примером простого иерархического представления может служить административная структура высшего учебного заведения: институт – отделение – факультет – студенческая группа (см. рис. 2.2).

К достоинствам иерархической модели данных относятся эффективное использование памяти ЭВМ и неплохие показатели времени выполнения операций над данными.

Недостатком иерархической модели является ее громоздкость для обработки информации с достаточно сложными логическими связями.

На иерархической модели данных основано сравнительно ограниченное количество СУБД, в числе которых можно назвать зарубежные системы IMS, PC / Focus, Team - Up и Data Edge, а также отечественные системы Ока, ИНЭС и МИРИС.

16. Сетевая модель представления данных.

Отличие сетевой структуры от иерархической заключается в том, что каждый элемент в сетевой структуре может быть связан с любым другим элементом

Достоинством сетевой модели данных является возможность эффективной реализации по показателям затрат памяти и оперативности.

Недостатком сетевой модели данных являются высокая сложность и жесткость схемы БД, построенной на ее основе.

Наиболее известными сетевыми СУБД являются IDMS, db _ VistaIII, СЕТЬ, СЕТОР и КОМПАС.

17. Реляционная модель данных.

В математических дисциплинах понятию «таблица» соответствует понятие «отношение» (relation). Таблица отражает объект реального мира – сущность, а каждая ее строка отражает конкретный экземпляр сущности. Каждый столбец имеет уникальное для таблицы имя. Строки не имеют имен, порядок их следования не определен, а количество логически не ограничено. Одним из основных преимуществ РМД является однородность (каждая строка таблицы имеет один формат). Пользователь сам решает вопрос, обладают ли соответствующие сущности однородностью. Этим решается проблема пригодности модели. Основные элементы РМД показаны на рис. 13.

Отношение представляет собой двумерную таблицу, содержащую некоторые данные. Сущность – объект любой природы, данные о котором хранятся в БД. Атрибуты – свойства, характеризующие сущность (столбцы). Степень отношения – количество столбцов. Схема отношения – список имен атрибутов, например, СОТРУДНИК (№, ФИО, Год рождения, Должность, Кафедра). Домен – совокупность значений атрибутов отношения (тип данных). Кортеж – строка таблицы. Кардинальность (мощность) – количество строк в таблице.

Рис 13. Элементы реляционной модели

Первичный ключ – это атрибут, уникально идентифицирующий строки отношения. Первичный ключ из нескольких атрибутов называется составным. Первичный ключ не может быть полностью или частично пустым (иметь значение null). Ключи, которые можно использовать в качестве первичных, называются потенциальными или альтернативными ключами. Внешний ключ – это атрибут (атрибуты) одной таблицы, который может служить первичным ключом другой таблицы. Является ссылкой на первичный ключ другой таблицы (рис. 14).

Рис 14. Связь отношений

Отношения СТУДЕНТ (ФИО, Группа, Специальность) и ПРЕДМЕТ (Назв Пр, Часы) связаны отношением СТУДЕНТ_ПРЕДМЕТ (ФИО, Назв Пр, Оценка), в котором внешние ключи ФИО и Назв_Пр образуют составной ключ.

Достоинство реляционной модели данных заключается в простоте, понятности и удобстве физической реализации на ЭВМ. Именно простота и понятность для пользователя явились основной причиной ее широкого использования.

К основным недостаткам реляционной модели относятся отсутствие стандартных средств идентификации отдельных записей и сложность описан ия ие рархических и сетевых связей.

Примерами зарубежных реляционных СУБД для ПЭВМ являются: DB 2, Paradox, FoxPro, Access, Clarion, Ingres, Oracle.

К отечественным СУБД реляционного типа относятся системы ПАЛЬМА и HyTech.

18. Понятие тип данных в реляционной модели данных.

Значения данных, хранимые в реляционной базе данных, являются типизированными, т. е. известен тип каждого хранимого значения. Понятие типа данных в реляционной модели данных полностью соответствует понятию типа данных в языках программирования. Напомним, что традиционное (нестрогое) определение типа данных состоит из трех основных компонентов: определение множества значений данного типа; определение набора операций, применимых к значениям типа; определение способа внешнего представления значений типа (литералов).

Обычно в современных реляционных базах данных допускается хранение символьных, числовых данных (точных и приблизительных), специализированных числовых данных (таких, как «деньги»), а также специальных «темпоральных» данных (дата, время, временной интервал). Кроме того, в реляционных системах поддерживается возможность определения пользователями собственных типов данных.

19. Понятие отношения в реляционной модели данных.

Понятие отношения является наиболее фундаментальным в реляционном подходе к организации баз данных, поскольку n-арное отношение является единственной родовой структурой данных, хранящихся в реляционной базе данных. Это отражено и в общем названии подхода – термин реляционный (relational) происходит от relation (отношение). Однако сам термин отношение является исключительно неточным, поскольку, говоря про любые сохраняемые данные, мы должны иметь в виду тип этих данных, значения этого типа и переменные, в которых сохраняются значения. Соответственно, для уточнения термина отношение выделяются понятия заголовка отношения, значения отношения и переменной отношения. Кроме того, нам потребуется вспомогательное понятие кортежа.

Итак, заголовком (или схемой) отношения r (Hr) называется конечное множество упорядоченных пар вида <A, T>, где A называется именем атрибута, а T обозначает имя некоторого базового типа или ранее определенного домена. По определению требуется, чтобы все имена атрибутов в заголовке отношения были различны. В примере на рис. 3.1 заголовком отношения СЛУЖАЩИЕ является множество пар {<слу_номер, номера_пропусков>, <слу_имя, имена>, <слу_зарп, размеры_выплат>, <слу_отд_номер, номера_отделов>}.

Если все атрибуты заголовка отношения определены на разных доменах, то, чтобы не плодить лишних имен, разумно использовать для именования атрибутов имена соответствующих доменов (не забывая, конечно, о том, что это всего лишь удобный способ именования, который не устраняет различия между понятиями домена и атрибута).

20. Понятие домена в реляционной модели данных.

Понятие домена более специфично для баз данных, хотя и имеются аналогии с подтипами в некоторых языках программирования (более того, в своем «Третьем манифесте» [1.5], [2.8], [3.3] Кристофер Дейт и Хью Дарвен вообще ликвидируют различие между доменом и типом данных). В общем виде домен определяется путем задания некоторого базового типа данных, к которому относятся элементы домена, и произвольного логического выражения, применяемого к элементу этого типа данных (ограничения домена). Элемент данных является элементом домена в том и только в том случае, если вычисление этого логического выражения дает результат истина (для логических значений мы будем попеременно использовать обозначения истина и ложь или true и false). С каждым доменом связывается имя, уникальное среди имен всех доменов соответствующей базы данных.

Наиболее правильной интуитивной трактовкой понятия домена является его восприятие как допустимого потенциального, ограниченного подмножества значений данного типа. Например, домен ИМЕНА в нашем примере определен на базовом типе символьных строк, но в число его значений могут входить только те строки, которые могут представлять имена (в частности, для возможности представления русских имен такие строки не могут начинаться с мягкого или твердого знака и не могут быть длиннее, например, 20 символов). Если некоторый атрибут отношения определяется на некотором домене (как, например, на рис. 3.1 атрибут СЛУ_ИМЯ определяется на домене ИМЕНА), то в дальнейшем ограничение домена играет роль ограничения целостности, накладываемого на значения этого атрибута.

Следует отметить также семантическую нагрузку понятия домена: данные считаются сравнимыми только в том случае, когда они относятся к одному домену. В нашем примере значения доменов НОМЕРА ПРОПУСКОВ и НОМЕРА ОТДЕЛОВ относятся к типу целых чисел, но не являются сравнимыми (допускать их сравнение было бы бессмысленно).

21. Понятие кортежа.

Кортеж, соответствующий данной схеме отношения, - это множество пар {имя атрибута, значение}, которое содержит одно вхождение каждого имени атрибута, принадлежащего схеме отношения. "Значение" является допустимым значением домена данного атрибута (или типа данных, если понятие домена не поддерживается). Тем самым, степень или "арность" кортежа, т.е. число элементов в нем, совпадает с "арностью" соответствующей схемы отношения. Попросту говоря, кортеж - это набор именованных значений заданного типа.

22. Понятие степени отношения.

Каждая сущность может обладать любым количеством связей с другими сущностями. Связь (Relationship) – поименованная ассоциация между сущностями, значимая для рассматриваемой предметной области. Степенью связи называется количество сущностей, участвующих в связи. Связь степени 2 называется бинарной, степени N – N-арной. Связь, в которой одна сущность участвует в разных ролях, называется рекурсивной (унарной). Один из вариантов графического изображения связи показан на рис. 21.

Рис. 21. Обозначение сущностей и связи

Пары чисел на диаграмме отражают две важные характеристики связи – класс принадлежности (первое число) и мощность связи (второе число).

Класс принадлежности характеризует обязательность участия экземпляра сущности в связи. Может принимать значение 0 (необязательное участие – экземпляр сущности может быть связан с одним, несколькими или ни с одним экземпляром другой сущности) или 1 (обязательное участие – экземпляр сущности должен быть связан не менее чем с одним экземпляром другой сущности). Классы принадлежности на рис. 21 означают: в каждом отделе работает хотя бы один сотрудник, некоторые сотрудники могут не работать в отделах (работают в цехах).

23. Понятие мощности отношения.

Кардинальное число или мощность отношения – это число его кортежей (строк). Кардинальное число отношения изменяется во времени в отличие от его степени.

Мощность связи – число экземпляров сущности, участвующих в связи. Мощность связи может быть равна 1, N или конкретному числу. Мощности связи на рис. 21 означают: каждый сотрудник может работать не более чем в одном отделе, а в каждом отделе может работать любое число сотрудников.

В зависимости от значения мощности связь может иметь один из трех типов:

· один-к-одному (обозначается 1:1), показана на рис. 22.

· один-ко-многим(обозначается 1:N), показана на рис. 21.

· многие-ко-многим(обозначается M:N), показана на рис. 23.

Рис. 22. Связь типа 1:1

24. Понятие потенциального ключа.

Связи также могут иметь атрибуты. Чтобы узнать ставку сотрудника, нужно знать не только его табельный номер, но и номер отдела (рис. 23). Ставка является атрибутом обеих сущностей Сотрудник и Отдел. Это – атрибут связи.

Рис. 23. Связь типа M:N

В связи «супертип-подтип» общие атрибуты типа определяются в сущности-супертипе, сущность-подтип (подкласс) наследует атрибуты супертипа. Экземпляр подтипа существует только при условии существования экземпляра супертипа. Подтип не может иметь идентификатора (он импортирует его из супертипа). Например, супертип УЧредитель образуют подтипы юридическое лицо и физическое лицо (рис. 24). Свойство, по которому проводится разбиение, называется дискриминатором.

Существуют следующие виды идентификаторов:

· первичный / альтернативный – сущность может иметь несколько идентификаторов (рис. 25). Один должен быть основным (первичным), другие – альтернативными. Первичный идентификатор на диаграмме подчеркивается. Альтернативные идентификаторы предваряются символами <1> для первого, <2> для второго и т. д.;

· простой / составной – идентификатор, состоящий из одного атрибута, является простым, из нескольких атрибутов – составным;

· абсолютный / относительный – если атрибуты, составляющие идентификатор, принадлежат сущности, то идентификатор является абсолютным. Если один или более атрибутов идентификатора принадлежат другой сущности, то идентификатор является относительным, а сущность определяется как зависимая.

Рис. 24. Связь «супертип-подтип»

Рис. 25. Составной альтернативный идентификатор

На рис. 26 идентификатор сущности Строка_заказа является относительным. Он включает идентификатор сущности Заказ, что показывается подчеркиванием 1,1.

Рис. 26. Относительный идентификатор

25. Фундаментальные свойства отношений.

Отношение — это множество кортежей данной базы данных, соответствующих одной схеме отношения. Иногда, чтобы не путаться, говорят «отношение-схема» и «отношение-экземпляр», иногда схему отношения называют заголовком отношения, а отношение как набор кортежей — телом отношения. На самом деле, понятие схемы отношения в базе данных ближе всего к понятию структурного типа данных в языках программирования.

Число атрибутов в отношении называют степенью (или -арностью) отношения.

Мощность множества кортежей отношения называют мощностью отношения.

Фундаментальные свойства отношений:

1) Отсутствие кортежей-дубликатов. Из этого свойства вытекает наличие у каждого отношения так называемого первичного ключа — набора атрибутов, значения которых однозначно определяют кортеж отношения.

2) Отсутствие упорядоченности кортежей.

Свойство отсутствия упорядоченности кортежей отношения также является следствием определения отношения-экземпляра как множества кортежей. Отсутствие требования к поддержанию порядка на множестве кортежей отношения дает дополнительную гибкость СУБД при хранении баз данных во внешней памяти и при выполнении запросов к базе данных. Это не противоречит тому, что при формулировании запроса к БД, например, на языке SQL можно потребовать сортировки результирующей таблицы в соответствии со значениями некоторых столбцов. Такой результат, вообще говоря, не отношение, а некоторый упорядоченный список кортежей

3) Отсутствие упорядоченности атрибутов.

{имя атрибута, имя домена}. Для ссылки на значение атрибута в кортеже отношения всегда используется имя атрибута. Это свойство теоретически позволяет, например, модифицировать схемы существующих отношений не только путем добавления новых атрибутов, но и путем удаления существующих атрибутов. Однако в большинстве существующих систем такая возможность не допускается, и хотя упорядоченность набора атрибутов отношения явно не требуется, часто в качестве неявного порядка атрибутов используется их порядок в линейной форме определения схемы отношения.

4) Атомарность значений атрибутов — Это следует из того, что лежащие в их основе атрибуты имеют атомарные значения. Это четвертое отличие отношений от таблиц — в ячейки таблиц можно поместить что угодно — массивы, структуры, и даже другие таблицы.

26. Операции над отношениями.

РМД стала первой работоспособной моделью данных, поскольку имела эффективный инструментарий – операции реляционной алгебры. Основной единицей обработки является отношение, а не его кортежи. К отношениям можно применить систему операций, позволяющих получить одни отношения из других. Исключение составляют операции создания и заполнения таблиц, а также операции описания и переименования столбцов. Результатом запроса к реляционной БД может быть новое отношение, вычисленное на основе имеющихся отношений.

Реляционная алгебра включает две группы операций.

1. Традиционные операции над множествами (модифицированные с учетом того, что их операндами являются отношения) – объединение, пересечение, разность (вычитание), декартово произведение и деление.

2. Специальные реляционные операции – выборка, проекция, соединение.

Объединение выполняется над двумя совместными отношениями R1, R2 с идентичной структурой. В результате операции строится новое отношение R = R1 U R2, которое имеет тот же состав атрибутов и совокупность кортежей исходных отношений. В результирующее отношение по определению не включаются дубликаты кортежей. Ниже приведены исходные отношения: R1 (табл. 2) и R2 (табл. 3) и результат объединения – R (табл. 4).

Таблица 2

ФИО	Год рождения	Должность	Кафедра
Иванов И.И.		Зав. кафедрой
Сидоров С.С.		Доцент
Козлов К.К.		Ассистент

Таблица 3

ФИО	Год рождения	Должность	Кафедра
Цветкова Н.Н.		Доцент
Петрова П.П.		Ст. преподаватель
Козлов К.К.		Ассистент

Таблица 4

ФИО	Год рождения	Должность	Кафедра
Иванов И.И.		Зав. кафедрой
Сидоров С.С.		Доцент
Козлов К.К.		Ассистент
Цветкова Н.Н.		Доцент
Петрова П.П.		Ст. преподаватель

Пересечение выполняется над двумя совместными отношениями R1, R2. Результирующее отношение RP = R1) R2 содержит кортежи, которые есть в каждом из исходных. Результат имеет тот же состав атрибутов, что и исходные отношения. Пересечение отношений R1 и R2 дает отношение RP (табл. 5).

Таблица 5

ФИО	Год рождения	Должность	Кафедра
Козлов К.К.		Ассистент

Вычитание выполняется над двумя совместными отношениями R1, R2. В результате строится новое отношение RV = R1 - R2 с идентичным набором атрибутов, содержащее кортежи первого отношения R1, которые не входят в отношение R2. Вычитание отношения R2 из R1 дает отношение RV (табл. 6).

Таблица 6

ФИО	Год рождения	Должность	Кафедра
Иванов И.И.		Зав. кафедрой
Сидоров С.С.		Доцент

Декартово произведение выполняется над двумя отношениями R1 и R2, имеющими в общем случае разный состав атрибутов. В результате образуется новое отношение RD = R1 x R2, которое включает все атрибуты исходных отношений. Результирующее отношение состоит из всевозможных сочетаний кортежей исходных отношений. Число кортежей (мощность) отношения-произведения равно произведению мощностей исходных отношений.

Декартово произведение отношений R1 (табл. 7) и R2 (табл. 8) дает новое отношение RD (табл. 9), которое содержит все атрибуты исходных отношений. В него целесообразно добавить атрибут Оценка для записи результатов экзамена.

Номер студента	ФИО студента
	Иванов И.И.
	Петров П.П.
	Сидоров С.С.

Таблица7 Таблица 8

Код дисциплины	Наименование
Д1	Математика
Д2	Информатика

Таблица 9

Номер студента	ФИО студента	Код дисциплины	Наименование	Оценка
	Иванов И.И.	Д1	Математика
	Петров П.П.	Д1	Математика
	Сидоров С.С.	Д1	Математика
	Иванов И.И.	Д2	Информатика
	Петров П.П.	Д2	Информатика
	Сидоров С.С.	Д2	Информатика

Деление выполняется над двумя отношениями R1 и R2, имеющими в общем случае разные структуры и часть одинаковых атрибутов. В результате образуется новое отношение, содержащее атрибуты 1-го операнда, отсутствующие во 2-м операнде, и кортежи 1-го операнда, которые совпали с кортежами 2-го. Для выполнения этой операции 2-й операнд должен содержать лишь атрибуты, совпадающие с атрибутами 1-го.

Например, чтобы узнать, кто из студентов получил по математике 5 и по информатике 4, надо разделить отношения Экзаменационная ведомость на вспомогательное отношение Мат5Физ4 (Наименование, Оценка) с двумя кортежами: Математика, 5 и Информатика, 4. В результате получим отношение Итог (Номер студента, ФИО студента, Код дисциплины) с одним кортежем – 13, Сидоров, Д1.

Выборка выполняется над одним отношением R. Для отношения по заданному условию (предикату) осуществляется выборка подмножества кортежей. Результирующее отношение имеет ту же структуру, что и исходное, но число его кортежей будет меньше (или равно) числа кортежей исходного отношения. Например, выбрать студентов, сдавших математику на отлично (Код дисциплины = Д1) AND (Оценка = 5) (табл. 10).

Таблица 10

Номер студента	ФИО студента	Код дисциплины	Наименование	Оценка
	Иванов И.И.	Д1	Математика
	Сидоров С.С.	Д1	Математика

Проекция выполняется над одним отношением R. Операция формирует новое отношение RPR с заданным подмножеством атрибутов исходного отношения R. Оно может содержать меньше кортежей, так как после отбрасывания в исходном отношении R части атрибутов (и возможного исключения первичного ключа) могут образоваться кортежи-дубли, которые из результирующего отношения исключаются по определению.

Ниже приведен пример исходного отношения R (табл. 11) и результат проекции этого отношения на два его атрибута - Должность и Номер отдела (табл. 12).

Таблица 11 Таблица 12

ФИО	Номер отдела	Должность		Номер отдела	Должность
Иванов И.И.		Инженер			Инженер
Петров П.П.		Инженер			Инженер
Нестеров Н.Н.		Инженер			Лаборант
Никитин К.К.		Лаборант

Соединение выполняется для заданного условия соединения над двумя логически связанными отношениями. Исходные отношения R1 и R2 имеют разные структуры, в которых есть одинаковые атрибуты – внешние ключи. Операция соединения формирует новое отношение, структура которого является совокупностью всех атрибутов исходных отношений. Результирующие кортежи формируются соединением каждого кортежа из R1 с теми кортежами R2, для которых выполняется условие соединения. В зависимости от этого условия соединение называется: естественным – равенство значений общих атрибутов отношений R1 и R2; эквисоединением – равенство значений атрибутов, входящих в условие соединения; тета-соединением – другой знак сравнения.

Операция соединения имеет большое значение для РБД, так как в процессе нормализации отношений исходное отношение разбивается на несколько более мелких отношений, которые при выполнении запросов пользователя требуется, как правило, вновь соединять для восстановления исходного отношения.

Рассмотренные выше операции в той или иной мере реализуются в языке манипулирования данными СУБД (SQL, QBE, другие языки запросов). Язык SQL является более чем реляционно-полным, так как кроме операций реляционной алгебры содержит полный набор операторов над кортежами – Включить, Удалить, Изменить, а также реализует арифметические операции и операции сравнения.

К достоинствам РМД относятся:

· простота представления данных благодаря табличной форме;

· минимальная избыточность данных при нормализации отношений;

· обеспечение независимости приложений пользователя от данных, допускающей включение или удаление отношений, изменение их атрибутного состава;

К недостаткам РМД можно отнести то, что нормализация данных приводит к значительной их фрагментации, в то время как в большинстве задач необходимо объединение фрагментированных данных.

27. Нормализация и её цель.

Данные могут группироваться в таблицы (отношения) разными способами. При проектировании БД в качестве отправной точки может использоваться одно универсальное отношение, в которое включаются все необходимые атрибуты. Оно может содержать все данные, которые предполагается размещать в БД.

При использовании универсального отношения возникают две проблемы:

· избыточность данных;

· потенциальная противоречивость (аномалии).

Под избыточностью понимают повторение данных в разных строках одной таблицы или в разных таблицах БД. Так, для каждого сотрудника отдела 128 повторяются данные «128, Отдел проектирования».

Аномалии – это проблемы, возникающие в данных из-за дефектов проектирования БД. Существуют три вида аномалий: вставки, удаления и модификации.

Аномалии вставки проявляются при вводе данных в дефектную таблицу. Добавляя информацию о новом сотруднике, мы должны добавить номер и название отдела. Если ввести данные, не соответствующие имеющимся в таблице (например, 42, отдел проектирования), будет не ясно, какая из строк БД содержит правильную информацию.

Аномалии удаления возникают при удалении данных из дефектной схемы. Предположим, что все сотрудники отдела 128 уволились в один и тот же день. После удаления записей этих сотрудников в БД больше не будет ни одной записи, содержащей информацию об отделе 128.

Аномалии модификации возникают при изменении данных дефектной схемы. Предположим, что отдел 128 решили переименовать в отдел передовых технологий. Необходимо изменить соответствующие данные о каждом сотруднике отдела. Если мы пропустим хотя бы одну запись, возникнет аномалия модификации.

Правилом разработки хорошей структуры БД является необходимость избегать схем с большим числом пустых атрибутов. Если мы хотим указать, что один из ста служащих имеет особую квалификацию, для хранения этой информации не следует добавлять в таблицу еще один столбец, поскольку для остальных 99 работников значением столбца будет NULL. Вместо этого следует добавить новую таблицу, в которой будут храниться только кодовые номера и информация о квалификации тех работников, которых это касается.

Решение перечисленных проблем состоит в разделении данных и связей, что обеспечивается процедурой нормализации. Концепции и методы нормализации были разработаны Э. Ф. Коддом.

Нормализация отношений – это формальный аппарат ограничений на формирование отношений, который позволяет устранить дублирование и потенциальную противоречивость хранимых данных, уменьшает трудозатраты на ведение БД. Процесс нормализации заключается в декомпозиции исходных отношений на более простые отношения. Цель нормализации – получение такого проекта БД, в котором «каждый факт появляется лишь в одном месте».

Теория нормализации основана на наличии зависимостей между атрибутами отношения. Основными видами зависимостей являются:

· функциональные;

· многозначные;

· транзитивные.

Базовым является понятие функциональной зависимости, поскольку на его основе формируются определения всех остальных видов зависимостей. Атрибут В функционально зависит от атрибута А, если каждому значению А соответствует в точности одно значение В. Математически функциональную зависимость В от А обозначают А ’ В. Это означает, что во всех кортежах с одинаковым значением атрибута А атрибут В будет иметь также одно и то же значение. При этом А и В могут быть составными, то есть состоять из двух и более атрибутов.

Зависимость, при которой каждый неключевой атрибут зависит от всего составного ключа и не зависит от его частей, называется полной функциональной зависимостью. Если атрибут А зависит от атрибута В, а атрибут В зависит от атрибута С (С ’ В ’ А), но обратная зависимость отсутствует, то зависимость А от С называется транзитивной.

Многозначная зависимость. Говорят, что один атрибут отношения многозначно определяет другой атрибут того же отношения, если для каждого значения первого атрибута существует множество соответствующих значений второго атрибута. Многозначные зависимости могут быть:

· один-ко-многим (1:М);

· многие-к-одному (М:1);

· многие-ко-многим (М:М).

28. Виды нормальных форм.

Каждая ступень процесса нормализации приводит схему отношений в последовательные нормальные формы. Для каждой ступени имеются наборы ограничений. Выделяют следующую последовательность нормальных форм:

o первая нормальная форма (1НФ);

o вторая нормальная форма (2НФ);

o третья нормальная форма (3НФ);

o усиленная 3НФ или нормальная форма Бойса-Кодда (БКНФ);

o четвертая нормальная форма (4НФ);

o пятая нормальная форма (5НФ).

29. Первая нормальная форма.

Отношение находится в первой нормальной форме (1НФ), когда каждая строка содержит только одно значение для каждого атрибута (столбца), то есть все атрибуты отношения имеют единственное значение (являются атомарными).

В столбце Квалификация ненормализованной табл. 13 содержатся списки значений (С, Java и т. д.). Чтобы привести схему к 1НФ, необходимо разместить в этом столбце атомарные значения. Самый простой способ заключается в выделении по одной строке на каждый элемент квалификации (табл. 14).

Таблица 14

Код сотрудника	ФИО	Должность	Номер отдела	Наименование отдела	Квалификация
	Иванов И.И.	Программист		Отдел проектирования	C
	Иванов И.И.	Программист		Отдел проектирования	Java
	Сергеева С.С.	Администратор БД		Финансовый отдел	DB2
	Петров П.П.	Программист		Отдел проектирования	VB
	Петров П.П.	Программист		Отдел проектирования	Java
	Николаев Н.Н.	Системный администратор		Отдел проектирования	Windows
	Николаев Н.Н.	Системный администратор		Отдел проектирования	Linux

Такое решение далеко от идеального, поскольку порождает очевидную избыточность данных – для каждой комбинации сотрудник-квалификация приходится хранить все характеристики сотрудника.

30. Вторая нормальная форма.

Отношение находится во второй нормальной форме (2НФ), если оно находится в 1НФ, и каждый неключевой атрибут полностью функционально зависит от всех составляющих первичного ключа. Если атрибут не зависит полностью от первичного ключа, то он внесен ошибочно и должен быть удален. Нормализация производится путем нахождения существующего отношения, к которому относится данный атрибут, или созданием нового отношения, в который атрибут должен быть помещен.

Таблица Квалификации_сотрудников (табл. 14) находится в 1НФ, но не удовлетворяет 2НФ. Первичный ключ должен уникальным образом идентифицировать каждую строку. Единственным вариантом является использование в качестве первичного ключа комбинации Код сотрудника и Квалификация. Это порождает схему: Квалификации_сотрудников (Код сотрудника, ФИО, Должность, Номер отдела, Наименование отдела, Квалификация).

Одной из имеющихся здесь функциональных зависимостей будет: Код сотрудника, Квалификация ’ ФИО, Должность, Номер отдела, Наименование отдела. Но, кроме того, мы также имеем: Код сотрудника ’ ФИО, Должность, Номер отдела, Наименование отдела. Другими словами, можно определить имя, должность и отдел, используя только код сотрудника. Это значит, что указанные атрибуты функционально зависимы только от части первичного ключа, а не от всего первичного ключа. Следовательно, указанная схема не находится в 2НФ.

Для приведения этой схемы в 2НФ необходимо декомпозировать исходное отношение на два, в которых все неключевые атрибуты будут полностью функционально зависеть от ключа: сотрудники (Код сотрудника, ФИО, Должность, Номер отдела, Наименование отдела) и Квалификации_сотрудников (Код сотрудника, Квалификация) (табл. 15–16).

Таблица 15

Код сотрудника	ФИО	Должность	Номер отдела	Наименование отдела
	Иванов И.И.	Программист		Отдел проектирования
	Сергеева С.С.	Администратор БД		Финансовый отдел
	Петров П.П.	Программист		Отдел проектирования
	Николаев Н.Н.	Системный администратор		Отдел проектирования

Таблица 16

Код сотрудника	Квалификация
	C
	Java
	DB2
	VB
	Java
	Windows
	Linux

31. Третья нормальная форма.

Отношение находится в третьей нормальной форме (ЗНФ), если оно находится во 2НФ и ни один из его неключевых атрибутов не связан функциональной зависимостью с любым другим неключевым атрибутом. Атрибуты, зависящие от других неключевых атрибутов, нормализуются путем перемещения зависимого атрибута и атрибута, от которого он зависит, в новое отношение.

Формально, для приведения схемы в 3НФ необходимо исключить все транзитивные зависимости. Схема отношения сотрудники (табл. 15) содержит следующие функциональные зависимости: Код сотрудника ’ ФИО, Должность, Номер отдела, Наименование отдела и Номер отдела ’ Наименование отдела.

Первичным ключом является Код сотрудника, и все атрибуты полностью функционально зависимы от него (первичный ключ определяется единственным атрибутом). При этом Номер отдела ключом не является.

Функциональная зависимость Код сотрудника ’ Наименование отдела является транзитивной, поскольку содержит промежуточный шаг (зависимость Номер отдела ’ Наименование отдела). Для приведения в 3НФ необходимо исключить эту транзитивную зависимость, декомпозируя отношение на два: сотрудники (Код сотрудника, ФИО, Должность, Номер отдела) и отделы (Номер отдела, Наименование отдела) (табл. 17–18).

Таблица 17

Код сотрудника	ФИО	Должность	Номер отдела
	Иванов И.И.	Программист
	Сергеева С.С.	Администратор БД
	Петров П.П.	Программист
	Николаев Н.Н.	Системный администратор

1.

Номер отдела	Наименование отдела
	Финансовый отдел
	Отдел проектирования

32. Нормальная форма Бойса-Кодда.

Нормальная форма Бойса-Кодда (БКНФ) является развитием ЗНФ и требует, чтобы в отношении были только такие функциональные зависимости, левая часть которых является потенциальным ключом отношения. Потенциальный ключ представляет собой атрибут (или множество атрибутов), который может быть использован для данного отношения в качестве первичного ключа. Фактически первичный ключ – это один из потенциальных ключей, назначенный в качестве первичного. Детерминантом называется левая часть функциональной зависимости. Отношение находится в БКНФ тогда и только тогда, когда каждый детерминант отношения является потенциальным ключом.

33. Четвертая нормальная форма.

Нормальные формы высших порядков (4НФ и 5НФ) представляют больший интерес для теоретических исследований, чем для практики проектирования БД. В них учитываются многозначные зависимости между атрибутами. Полной декомпозицией отношения называют такую совокупность произвольного числа его проекций, соединение которых позволяет получить исходное отношение.

Отношение находится в пятой нормальной форме (5НФ), когда в каждой его полной декомпозиции все проекции содержат возможный ключ. Отношение, не имеющее ни одной полной декомпозиции, также находится в 5НФ.

Четвертая нормальная форма (4НФ) является частным случаем 5НФ, когда полная декомпозиция должна быть соединением ровно двух проекций. На практике непросто подобрать отношение, которое находится в 4НФ, не будучи в 5НФ.

34. Пятая нормальная форма.

Нормальные формы высших порядков (4НФ и 5НФ) представляют больший интерес для теоретических исследований, чем для практики проектирования БД. В них учитываются многозначные зависимости между атрибутами. Полной декомпозицией отношения называют такую совокупность произвольного числа его проекций, соединение которых позволяет получить исходное отношение.

Отношение находится в пятой нормальной форме (5НФ), когда в каждой его полной декомпозиции все проекции содержат возможный ключ. Отношение, не имеющее ни одной полной декомпозиции, также находится в 5НФ..

35. Теорема Хеза.

36. Теорема Фейджина.

37. Понятие функциональной зависимости.

38. Понятие многозначной зависимости.

39. Понятие зависимости соединения.

40. Тривиальные и нетривиальные многозначные зависимости.

41. Тривиальные и нетривиальные зависимости соединения.

42. Алгоритм приведения отношения к третьей нормальной форме.

Алгоритм приведения ненормализованных схем в 3НФ показан на рис. 15. На практике построение 3НФ в большинстве случаев является достаточным и приведением к ней процесс построения реляционной БД заканчивается.

Рис. 15. Алгоритм приведения ненормализованных схем в 3НФ

Запомнить правила нормализации помогает изречение: «Нормализация – это ключ, целый ключ и ничего, кроме ключа».