Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Введение в системы баз данных: Учебное пособие

Голосов: 3

В пособии рассматриваются основные понятия и определения, современное состояние технологий баз данных, архитектура СУБД, концепции проектирования БД, модели данных, реляционная модель данных, проектирование базы данных, физическая организация данных, управление реляционной базой данных, язык SQL, обеспечение функционирования баз данных.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
          Для устранения транзитивной зависимости необходимо провести
декомпозицию последнего отношения, удалив из него транзитивно-
зависимый атрибут и поместив его в новое отношение вместе с копией
того атрибута, от которого он зависит.
      Таким образом, база данных этого примера, лишенная транзитивных
зависимостей, в ЗНФ будет выглядеть так:
      ПРЕПОДАВАТЕЛЬ (Таб_Ном_преп, ФИО_преп, Должность);
      СТУДЕНТ Ном_зач_кн, ФИО_студ, Тема_диплома);
      КОНСУЛЬТАЦИИ (Таб_Ном_преп, Ном_зач_кн, Дата, Время,
Аудитория);
      АУДИТОРИЯ (Аудитория, Вместимость).
      При проектировании структуры реляционной базы данных считается
корректной установка, что любая БД должна находиться как минимум в
ЗНФ. На практике третья нормальная форма схем отношений достаточна в
большинстве случаев, и приведением к третьей нормальной форме процесс
проектирования реляционной базы данных обычно заканчивается.

6.2.6. Нормальная форма Бойса — Кодда
      Следует отметить, что определение для ЗНФ было дано Коддом для
ситуаций с упрощающим картину допущением того, что отношение имеет
только один потенциальный ключ, который, естественно, и является
первичным ключом. Естественно, что не все отношения могут быть
уложены в данные довольно жесткие рамки. Более обобщающими
являются случаи, когда в наличии имеются следующие условия:
      отношение имеет два (или более) потенциальных ключа;
      два потенциальных ключа являются составными;
      два потенциальных ключа перекрываются, т. е. имеют, по крайней
      мере, один общий атрибут.
      Схема отношения R находится в НФБК относительно множества F-
зависимостей тогда и только тогда, когда детерминанты являются
потенциальными ключами.
      Допустим,     что     при    проектировании     базы    данных
ПОСТАВКИ_ТОВАРОВ рассматривается отношение:
      ПОСТАВКА (Индекс_поставщ, Имя_поставщ, Индекс_товара,
Колич_товара).
      Допустим также, что значения атрибута Имя_поставщ уникальны и
могут быть использованы наряду с атрибутом Индекс_поставщ для
идентификации поставщика. В такой ситуации можно выделить два
составных потенциальных ключа:
      (Индекс поставщ, Индекс_товара);
      (Имя_поставщ, Иидекс_товара).
      В рассматриваемом отношении есть два атрибута Индекс_поставщ
и Имя_поставщ, которые идентифицируют один и тот же экземпляр


                                 72


сущности, а, значит, они определяют друг друга. В таком случае
отношение содержит два детерминанта, но эти детерминанты не являются
потенциальными      ключами     отношения.    Сложившаяся     картина
противоречит данному выше определению НФБК, и следовательно, данное
отношение не находится в НФБК.
     Для схемы отношения, не находящейся в НФБК, можно провести
декомпозицию в схему БД в НФБК. Из исходного отношения убирается и
переносится в новое отношение зависимая часть вместе с копией
детерминанта.
     Для рассматриваемого примера решение проблемы можно
осуществить, разбив исходное отношение на два. Причем поскольку два
детерминанта Индекс_поставщ и Имя_поставщ определяют друг друга,
то возможны два равносильных варианта декомпозиции, приводящей к
НФБК.
     Первый вариант получается, если учитывается зависимость
     Индекс_поставщ → Имя_поставщ,
     в результате чего имеем следующих два отношения:
     ПОСТАВКА (Иидекс_поставщ, Индекс_товара, Колич_товара);
     ПОСТАВЩИК (Индекс_поставщ, Имя_поставщ),
     Второй вариант исходит из зависимости
     Имя_поставщ → Индекс_поставщ,
     в результате чего получаем альтернативную группу отношений;
     ПОСТАВКА (Имя_поставщ, Индекс_товара, Колич_товара);
     ПОСТАВЩИК (Индекс_поставщ, Имя_поставщ).

6.2.7. Четвертая нормальная форма
      Итак, НФБК позволяет устранить любые аномалии обновления,
вызванные функциональными зависимостями.
      Рассмотрим следующую схему отношения: НИР (Номер_НИР,
Сотр, Задан_НИР).
      Отношение НИР содержит номера тем научно-исследовательских
работ, для каждой темы — список сотрудников, которые могут выполнять
работы по теме, и список заданий темы. Сотрудники могут участвовать в
нескольких темах, и разные темы могут включать одинаковые задания. В
такой ситуации единственно возможным ключом отношения является
составной атрибут:-
      (Номер_НИР, Сотр, Задан_НИР)
      Отношение характеризуется значительной избыточностью и
приводит к возникновению аномалий обновления. Все рассмотренные до
сих пор приемы нормализации, опирающиеся на функциональные
зависимости, оказываются неприменимыми, поскольку этих зависимостей
в отношении вовсе нет.



                                 73


      В 1971 году Фейгин предложил строго теоретически обоснованный
выход из этой ситуации с помощью понятия многозначной зависимости
(МЗ).
      Определим формально условие существования многозначной
зависимости: многозначная зависимость имеет место в том отношении, в
котором содержится две независимые связи типа 1 : М. И все проблемы
данной ситуации вызваны именно этой независимостью связей.
      В отношении R(A, В, С) существует многозначная зависимость А →
В в том и только в том случае, если множество значений В,
соответствующее паре значений А и С, зависит только от А и не зависит от
С.
      В отношении НИР существуют следующие две многозначные
зависимости:
      Номер_НИР ->> Сотр;
      Номер_НИР ->> Задан_НИР.
      Многозначные зависимости всегда образуют связанные пары и
поэтому их обычно представляют вместе в символьном виде так: А ->> В |
С.
      Дальнейшая нормализация таких отношений должна проходить по
пути разделения двух независимых повторяющихся групп. Это разделение
основывается на следующей теореме Фейгина.
      Отношение R (А, В, C) можно спроецировать без потерь в
отношения R1 (А, В) и R2 (А, С) тогда и только тогда, когда для
отношения R выполняется МЗ-зависимость: А ->> В ⏐ С. Такая
зависимость называется нетривиальной МЗ-зависимостью.
      Отношение находится в четвертой нормальной форме (4НФ) тогда и
только тогда, когда существуют такие подмножества А и В атрибутов
отношения R, что выполняется нетривиальная многозначная зависимость
А ->> В. Тогда все атрибуты отношения R также функционально зависят
от атрибута A.
      Итак, поскольку проблема многозначных зависимостей возникает в
связи с многозначными атрибутами, то решить проблему можно, поместив
каждый многозначный атрибут в свою собственную таблицу вместе с
ключом, от которого атрибут зависит.
      В рассматриваемом примере можно произвести декомпозицию
отношения НИР в два отношения НИР-СОТРУДНИКИ и НИР-
ЗАДАНИЯ:
      НИР-СОТРУДНИКИ (Номер_НИР, Сотр);
      НИР-ЗАДАНИЯ (Номер_НИР, Задан_НИР).

6.2.8. Пятая нормальная форма
      Во всех рассмотренных до этого момента ситуациях нормализация
отношений производилась декомпозицией одного отношения на два.


                                   74


Иногда нормализовать отношение путем декомпозиции на два отношения
без потерь не удается, но просматривается возможность декомпозиции
исходного отношения без потерь на большее число отношений, каждое из
которых обладает лучшими свойствами. Такое отношение называется
термином "n-декомпозитируемое отношение" для некоторого n > 2. Это
значит, что для данного от ношения возможна декомпозиция без потерь на
n проекций, а на меньшеe число проекций декомпозиция без потерь
невозможна.
      Если в процессе естественного соединения декомпозированных
отношений в сравнении с первоначальным отношением генерируются
ложные кортежи то такая декомпозиция характеризуется зависимостью
соединения.
      В отношении R (X, У, ..., Z) отсутствует зависимость соединения
*(Х, У, ..., Z), в том и только в том случае, когда R восстанавливается без
потерь путем соединения своих проекций на X, У, ..., Z
      Отношение находится в пятой нормальной форме, если оно не
содержит зависимостей соединения.

6.3. Проектирование реляционной базы данных
      Концептуальная модель данных состоит из ряда компонентов:
сущностей, связей, атрибутов. При переходе к реляционной схеме базы
данных каждый из этих компонентов должен быть проанализирован и,
если это окажется необходимым, то даже и преобразован. Изменения,
вносимые в процессе преобразования, должны быть такими, чтобы их
результат полностью отвечал требованиям, выдвигаемым реляционной
моделью данных.
      Таким образом, фаза логического проектирования предполагает
следующие действия:
      преобразование концептуальной модели данных в логическую
      модель, в результате которого будет определена схема реляционной
      модели данных;
      проверка модели с помощью концепций последовательной
      нормализации;
      проверка поддержки целостности данных.
      Рассмотрим последовательно каждое действие.

6.2.1. Преобразование сущностей и атрибутов
      Общий подход к преобразованию сущностей концептуальной модели
ПрО в отношения реляционной базы данных состоит в следующем:
      построить набор предварительных отношений и указать первичные
      ключи для каждого отношения;
      подготовить список всех представляющих интерес атрибутов (тех из
      них, которые не были перечислены в диаграмме в качестве


                                    75


     первичных ключей сущностей) и назначить каждый из этих
     атрибутов одному из предварительных отношений с тем условием,
     чтобы эти отношения находились в НФБК. На этом шаге для
     каждого отношения должны быть определены межатрибутные
     функциональные зависимости, с помощью которых проверяется
     соответствие отношений НФБК. Если полученные отношения в
     итоге не находятся в НФБК или если некоторым атрибутам не
     находится логически обоснованных мест в предварительных
     отношениях, то в этих случаях диаграммы необходимо
     пересмотреть.

6.2.2. Преобразование бинарных связей
      Каждая сущность преобразуется в определенное отношение, а
значит, связь между сущностями преобразуется в связь между
отношениями.
      Напомним, что связи между отношениями в реляционной модели
данных реализуются посредством механизма первичных и внешних
ключей. Чтобы этот механизм действовал, необходимо в первую очередь
определиться с тем, которое из двух отношений является родительским, а
которое — дочерним. Родительским считается такое отношение, которое
передает копию набора значений своего первичного ключа другому
отношению, где этот набор значений будет представлять внешний ключ.
Последнее отношение в этом случае будет являться дочерним отношением.
      Рассмотрим бинарную связь ЧИТАЕТ между сущностями
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ и КУРС (рис. 6.1).




                  Рис. 6.1. Диаграмма бинарной связи

     Как известно, эта связь может быть изображена с помощью
диаграммы, которая содержит всю информацию, необходимую для
генерации соответствующих отношений РБД.
     Сущности      ПРЕПОДАВАТЕЛЬ         и  КУРС      однозначно
идентифицируются с помощью ТН — табельного номера преподавателя и
НК — номера курса.


                                  76


      Напомним, что, если все элементы данной сущности должны
участвовать в связи, то такое участие называется обязательным. Например,
если каждый преподаватель должен читать один какой-либо курс, то класс
принадлежности такой сущности — обязательный. Класс принадлежности
сущностей, а также мощность связи между сущностями являются
факторами, определяющими структуру проектируемой БД.

6.2.3. Предварительные отношения для бинарных связей типа 1
:1
      Предварительные отношения для бинарных связей с показателем
кардинальности, равным 1 : 1 (рис. 6.2) могут быть получены вследствие
просмотра нескольких логических альтернатив и выбора из них наиболее
подходящей.
      Пусть в проектируемой БД должна храниться следующая
информация:
      ТН — номер преподавателя;
      Ф_И_О — фамилия, имя, отчество преподавателя;
      Тел_П — телефон преподавателя;
      НК — номер курса;
      Назв_К — название курса.




              Рис. 6.2. Диаграмма бинарной связи типа 1 : 1

      Считая, что класс принадлежности является обязательным для обеих
сущностей, получаем отношение:
      ПРЕПОДАВАТЕЛЬ (ТН, Ф_И_О, Тел_П, НК, Назв_К).
      Первичным ключом этого отношения может быть ключ любой из
двух сущностей. Ситуация будет другая, если класс принадлежности одной
из сущностей (ПРЕПОДАВАТЕЛЬ) — обязательный, второго (КУРС) —
нет.
      В такой ситуации требуется построение двух отношений: по одному
под каждую сущность. При этом ключ каждой сущности должен служить
первичным ключом для соответствующего отношения. Сущность, для
которой класс принадлежности является необязательным, преобразуется в


                                   77


родительское отношение, а сущность, участвующая в связи с
обязательным классом принадлежности, преобразуется в дочернее
отношение.
      Для связи полученных отношений ключ родительского отношения
добавляется в качестве атрибута (внешнего ключа) в дочернее отношение.
      В результате получаем следующую реляционную схему:
      ПРЕПОДАВАТЕЛЬ (ТН, Ф_И_О, Тел_П, НК);
      КУРС (НК, Назв_К).
      Если класс принадлежности для обеих сущностей —
необязательный, то лучшим решением является определение трех
отношений — по одному для каждой сущности и одного для связи:
      ПРЕПОДАВАТЕЛЬ (ТН, Ф_И_O, Тел_П);
      КУРС (НК, Назв_К);
      ЧИТАЕТ (ТН, НК)
      Отношение ПРЕПОДАВАТЕЛЬ содержит сведения обо всех
преподавателях, а отношение КУРС — обо всех курсах.
      Отношение для связи должно иметь среди своих атрибутов по
одному ключу от каждой сущности.

6.2.4. Предварительные отношения для бинарных связей типа
1: N
      Пусть в рассмотренной выше концептуальной модели существует
бинарная связь типа 1: N (рис. 6.3).
      Для таких связей существует только два правила. Вариант
определяется классом принадлежности N-связной сущности, класс
принадлежности 1-связной сущности не влияет на конечный результат в
обоих случаях.




             Рис. 6.3. Диаграмма бинарной связи типа 1 : N

     Первый вариант. ПРЕПОДАВАТЕЛЬ — класс принадлежности
необязательный, КУРС — обязательный.
     Решение задачи становится возможным, если использовать два
отношения, по одному на каждую сущность, при условии, что ключ


                                  78


каждой сущности служит в качестве первичного ключа для
соответствующего отношения. В качестве родительского назначается
отношение, соответствующее "единичной" стороне связи, а в качестве
дочернего назначается отношение, представляющее "множественную"
сторону связи. Для представления этой связи необходимо скопировать
первичный ключ родительского отношения в дочернее отношение, где
данный ключ должен быть описан как внешний.
     Окончательно в БД войдут два отношения:
     ПРЕПОДАВАТЕЛЬ (ТН, Ф_И_О, Тел_П);
     КУРС (НК, Назв_К, НП).
     Второй вариант. Класс принадлежности для обеих сущностей —
необязательный. Решение — в формировании трех отношений: по одному
на каждую сущность (причем ключ каждой сущности служит первичным
ключом соответствующего отношения) и одного отношении для связи.
Отношение для связи должно иметь среди своих атрибутов ключ каждой
сущности:
     КУРС (НК, Назв_К);
     ПРЕПОДАВАТЕЛЬ (ТН, Ф_И_О, Тел_П);
     ЧИТАЕТ (ТН, НК)

6.2.5. Преобразование связи типа "суперкласс/подкласс"
      Для каждой присутствующей в логической модели данных связи
типа "супертип/подтип" сущность супертипа необходимо определить как
родительскую, а сущность подтипа — как дочернюю. Существуют
различные варианты представления подобных связей в виде одного или
нескольких отношений. Выбор наиболее подходящего варианта зависит от
ограничений участия и пересечения, наложенных на участников связи типа
"суперкласс/подкласс".
      Если суперкласс с его подклассами имеет тотальные и
непересекающиеся связи, где каждый экземпляр суперкласса обязательно
должен быть членом одного и только одного подкласса, то самым
целесообразным решением является представление каждого из подклассов
в виде отдельного отношения, содержащего копию первичного ключа
суперкласса.
      Рассмотрим       подклассы      АССИСТЕНТ,          СТАРШИЙ
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ, ДОЦЕНТ, ПРОФЕССОР, которые являются
членами суперкласса ПРЕПОДАВАТЕЛЬ (рис. 6.4). Это означает, что
каждый экземпляр подкласса является в то же время и экземпляром
суперкласса. Причем каждый преподаватель обязательно принадлежит
одному и только одному подклассу.
      Подобная диаграмма преобразуется в следующую реляционную
схему отношений:



                                  79


     ПРЕПОДАВАТЕЛЬ      (Табельный_номер.   Ф_И_О,    Адрес,
Педагог_стаж).
     ПРОФЕССОР                            (Табельный_номер,
Номер_Диплома_профессора);
     ДОЦЕНТ (Табельный_номер. Номер_диплома_доцента);
     СТАРШИЙ_ПРЕПОДАВАТЕЛЬ (Табельный_номер):
     АССИСТЕНТ (Табельный_номер).




            Рис. 6.4. Диаграмма связи "суперкласс/подкласс"


6.2.6. Предварительные отношения для бинарных связей типа
М: N
      При такой степени связи требуется три отношения вне зависимости
от класса принадлежности обеих сущностей: по одному для каждой
сущности, причем ключ каждой сущности используется в качестве
первичного ключа соответствующего отношения, и одного отношения для
связи. Последнее должно иметь в числе своих атрибутов ключ каждой
сущности. Единственно допустимый вариант в сложившейся ситуации —
представить БД тремя отношениями:
      КУРС (НК, Назв_К);
      ПРЕПОДАВАТЕЛЬ (ТН, Ф_И_О, Тел_П);
      ЧИТАЕТ (ТН, НК).
      Вся информация о курсе будет содержаться в отношении КУРС,
информация о преподавателе — в отношении ПРЕПОДАВАТЕЛЬ, а
отношение ЧИТАЕТ будет содержать только экземпляры связи,
имеющиеся в модели.
      Использование прямого преобразования концептуальных связей в
логические структуры оказывается очень полезным при моделировании
составных сущностей.

6.2.6. Проверка модели с помощью концепций
последовательной нормализации
      Созданный на предыдущем этапе предварительный набор
отношений логической модели данных должен обязательно быть

                                  80


подвергнут анализу на корректность объединения атрибутов в каждом из
отношений. Проверка корректности состава каждого из отношений должна
проводиться посредством применения к ним процедуры последовательной
нормализации. Целью применения этой процедуры является получение
гарантий того, что каждое из отношений, полученных на основе
концептуальной модели, находится, по крайней мере, в НФБК.
      Если в процессе анализа отношений модели будут найдены
отношения не отвечающие требованиям НФБК, то это будет означать, что
где-то на предыдущих этапах были допущены ошибки. Возможно, ошибки
появились при построении концептуальной модели, а возможно — в
процессе ее преобразования в логическую модель. Для обеспечения
корректности логической модели в такой ситуации придется вернуться на
ранние этапы проектирования и перестроить ошибочно созданные
фрагменты модели.

6.2.7. Проверка поддержки целостности данных
Следует обратить внимание на следующие вопросы:
      возможность для атрибутов иметь пустые значения;
      ограничения для доменов атрибутов;
      категорная целостность;
      ссылочная целостность;
      бизнес-правила в данной предметной области.
      Необходимо выполнить работу по проверке каждой составляющей
применительно к каждой сущности, к каждому атрибуту, к каждой связи
логической модели предметной области. В том случае, если и данная
проверка даст положительный результат, можно переходить к следующему
этапу проектирования базы данных — физическому проектированию.

7. Физическая организация данных

7.1. Страничная организация данных в СУБД
      Для функционирования СУБД во внешней памяти базы данных
возникает необходимость хранить следующие разновидности объектов:
      строки отношений — основная часть базы данных, большей частью
      непосредственно видимая пользователям;
      управляющие структуры — индексы, создаваемые по инициативе
      пользователя (администратора) или верхнего уровня системы из
      соображений повышения эффективности выполнения запросов и
      обычно автоматически поддерживаемые нижним уровнем системы;
      журнальную информацию, поддерживаемую для удовлетворения
      потребности в надежном хранении данных;
      служебную информацию, поддерживаемую для удовлетворения
      внутренних потребностей нижнего уровня системы.


                                 81



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика