6.6. Методи створення оптимальної моделі баз даних

Під оптимальною логічною моделлю баз даних розуміють модель, яка не має аномалій, пов’язаних з модифікацією БД, тобто проблем, що можуть виникнути у зв’язку із замінами, вставками і вилученнями даних із БД.

Для створення такої моделі баз даних незалежно від того, яка СУБД використовується — ієрархічна, сіткова чи реляційна — застосовується теорія нормалізації реляційних баз даних. Використання реляційного підходу дає змогу спроектувати оптимальну логічну модель БД, яка потім досить просто трансформується в ієрархічну чи сіткову модель.

В основу реляційних моделей покладено поняття відношення, яке подають у вигляді двовимірної таблиці.

Реляційна БД — це набір взаємопов’язаних відношень. Кожне відношення (таблиця) в ЕОМ подається як файл. Відношення мож­на поділити на два класи: об’єктні і зв’язкові.

Об’єктні відношення зберігають дані про інформаційні об’єк­ти предметної області. Наприклад: КЛІЄНТ (код клієнта, назва клієнта, адреса, телефон) є об’єктним відношенням.

В об’єктному відношенні один з атрибутів однозначно ідентифікує окремий об’єкт. Такий атрибут називається первинним ключем відношення. У наведеному відношенні роль ключа виконує атрибут «код клієнта».

Ключ може вміщувати кілька атрибутів, тобто бути складеним. В об’єктному відношенні не повинно бути рядків з однаковим ключем, тобто не допускається дублювання об’єктів. Це основне обмеження реляційної моделі для забезпечення цілісності даних.

Зв’язкове відношення зберігає первинні ключі двох або більше об’єктних відношень. Ключі зв’язкового відношення мають на меті встановлення зв’язків між об’єктними відношеннями.

Розглянемо, наприклад, ще одне об’єктне відношення БАНК (код банку, назва банку, адреса банку).

Тоді зв’язкове відношення БАНК-КЛІЄНТ (код банку, код клієнта) буде сполучним між двома об’єктними відношеннями БАНК і КЛІЄНТ. У зв’язковому відношенні можуть дублюватися ключові атрибути. Крім ключів, за якими встановлюють зв’язок у зв’язковому відношенні, можуть бути ще й інші атрибути, які функціонально залежать від цього складового ключа.

Ключі в зв’язкових відношеннях називаються вторинними або зовнішніми ключами, оскільки вони є первинними ключами об’єк­тів інших відношень. Реляційна модель накладає на зовнішні ключі обмеження, яке називають посилковою цілісністю. Воно необхідне для забезпечення цілісності даних.

Посилкова цілісність — це відповідність між об’єктними та зв’язковими відношеннями, яка полягає в тому, що кожному зовнішньому ключеві зв’язкового відношення має відповідати рядок якогось об’єктного відношення. Без такого обмеження може статися так, що зовнішній ключ посилається на об’єкт, про який нічого не відомо.

У реляційній БД накладається ще одне обмеження — відношення мають бути нормалізовані.

6.7. Теорія нормалізації відношень

Нормалізація відношень — це ітераційний зворотний процес декомпозиції початкового відношення на кілька простіших відношень меншої розмірності. Під зворотністю процесу розуміють те, що операція об’єднання відношень, здобутих у результаті декомпозиції, має дати початкове відношення. У результаті нормалізації склад атрибутів відношень БД має відповідати таким вимогам:

• між атрибутами мають виключатися небажані функціональні залежності;

• групування атрибутів не повинно мати збиткового дублювання даних;

• забезпечувати обробку і поновлення атрибутів без ускладнень.

Апарат нормалізації був розроблений американським вченим Е.Ф. Коддом. Кожна нормальна форма обмежує тип допустимих залежностей між атрибутами. Кодд виділив три нормальні форми (скорочена назва 1НФ, 2НФ і 3НФ). Найдосконаліша з них — це 3НФ. Тепер уже відомі і визначені 4НФ, 5НФ.

Нормалізація відношень виконується за кілька кроків (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Схема етапів нормалізації відношень

1-й крок (1-ша ітерація) — зведення відношень до першої нор­мальної форми (1НФ).

Відношення в 1НФ мають відповідати таким вимогам:

• усі атрибути відношення мають бути атомарними, тобто неподільними;

• усі рядки таблиці мають бути однакової структури, тобто мати одну й ту саму кількість атрибутів з іменами, що відповідно збігаються;

• імена стовпців мають бути різними, а значення однорідними (мати однаковий формат);

• порядок рядків у таблиці неістотний.

Кожне відношення БД містить як структурну, так і семантич­ну інформацію. Структурна інформація задається схемою від­ношення, а семантична виражає функціональні зв’язки між атрибутами.

На 2-му кроці (2-га ітерація) нормалізації виявляються ключі атрибути та аналізуються відповідні залежності з метою вилучення неповних функціональних залежностей.

Означення 1. Атрибут Б функціонально залежить від А у від­ношенні R тоді, коли в кожний момент часу одному й тому само­му значенню А відповідає не більш як одне значення Б. Функціональній залежності відповідає відношення 1:1 між атрибутами.

Означення 2. Атрибут перебуває у повній функціональній залежності, якщо він залежить від усього ключа і не залежить від його складових.

Якщо відношення має неповні функціональні залежності, то виконують його декомпозиції на два чи більше інших відношень, які не мають неповних функціональних залежностей і об’єднання яких дасть початкове відношення.

Нехай у відношенні R (A*, B*, С, D) атрибут С залежить від усього ключа , який складається з атрибутів A*, B* , а атрибут D залежить лише від B*, то тоді D знаходиться у неповній функціональній залежності, яку необхідно усунути шляхом декомпозиції. В результаті декомпозиції отримаємо два відношення:

R1 (A*, B*, С) і R2 ( B*,D).

3-й крок (3-тя ітерація) нормалізації — це вилучення транзитивних залежностей. Відношення в 2НФ має аналізуватися на присутність транзитивних залежностей.

Транзитивна залежність — це залежність між неключовими атрибутами.

Наприклад, дано відношення R (A*, B, C), в якому атрибут B не залежить безпосередньо від ключа, а C залежить від неключового атрибута B, який залежить від А, то тоді С транзитивно залежить від А.

Транзитивні залежності вилучаються також за допомогою декомпозиції відношення на інші два чи більше відношень, які не містять транзитивних відношень і об’єднання яких дасть початкове відношення. У результаті декомпозиції отримаємо два нових відношення R1 (A*, B) та R2 (В*, С).

На 4-му кроці (4-та ітерація) нормалізації виконується аналіз на присутність незалежних багатозначних залежностей у відношенні. Якщо вони є, то виконується декомпозиція відношення.

Багатозначна залежність — це різновид функціональної залежності. Атрибут В знаходиться у багатозначній залежності від атрибута А, тоді коди одному значення атрибута А відповідає багато значень атрибута В. Наприклад, між атрибутами код структурного підрозділу : табельний номер = 1 : Б, так як в одному підрозділі може працювати багато співробітників. Тобто багатозначній залежності відповідає відношення 1:Б між атрибутами.

Існують поняття тривіальної і нетривіальної багатозначної залежності.

З алежність типу Х —>>Y і Y—>>X є тривіальною, а залежність Х —>>Y і Y —>> X — нетривіальною. Присутність нетривіальних багатозначних залежностей у схемі відношення і незалежність їх правих частин зумовлюють комбінаторику правих частин відношення.

Означення 3. Відношення R міститься в 4НФ, коли в структурі багатозначної залежності, яка визначена на множині атрибутів, є лише тривіальні чи такі нетривіальні багатозначні залежності, що ліва частина будь-якої з них є ключем.

Атрибут А багатозначно визначає атрибут В у відношенні R (A*, B, C), якщо В залежить лише від А при будь-яких його комбінаціях з іншими атрибутами відношення.

Якщо у відношенні R(A*,B,C) наявні багатозначні залежності, тобто А—>>В і А—>>С, то воно має бути розкладене на два інших відношення R1 (А, В) і R2 (A, С). Поняття багатозначної залежності складніше, ніж поняття функціональної залежності. Для її виявлення потрібний значно глибший семантичний аналіз атрибутів.

Декомпозиція початкового відношення на кілька інших має гарантувати його оборотність, тобто забезпечувати отримання по­чаткового відношення об’єднанням відношень, знайдених у результаті декомпозиції.

Проте не завжди декомпозиція гарантує оборотність. Відношення, яке містить більш як три багатозначні залежності, потребує спеціальних заходів щодо забезпечення оборотності декомпозиції. Для цього існує 5НФ. При декомпозиції з 4НФ дістають такі проекції, щоб кожна з них містила не менш як один можливий ключ і щонайменше один неключовий атрибут початкового відношення.

5НФ усуває надлишковість і водночас аномалії поповнення БД. Насамкінець наголосимо, що нормалізація відношень усуває між атрибутами такі залежності: неповні функціональні, транзитивні, нетривіальні (незалежні) багатозначні. Усуваючи ці залежності, виключаємо дублювання даних і можливість виникнення аномалій при виконанні операцій поповнення, заміни та вилучення даних з БД. Крім того, нормалізована база даних вимагає значно менше пам’яті для її зберігання, ніж ненормалізована база даних.